Tài liệu Nghiên cứu ổn định khí động galloping đối với tháp cầu chịu tác động của gió và ứng dụng cho tháp cầu trần thị lý tp. đà nẵng

NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG GALLOPING ĐỐI VỚI THÁP CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ ỨNG DỤNG CHO THÁP CẦU TRẦN THỊ LÝ–TP.ĐÀ NẴNG Học viên:Nguyễn Thành Liêm Chuyên ngành: Xây dựng công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05,Khóa:2015 – 2017,Trường Đại học Bách khoa-ĐHĐN Tóm tắt: Sự tương tác giữa các dòng gió rối và kết cấu sinh ra các hiện tượng khí động đàn hồi như dao động xoáy khí (vorter shedding), dao động tròng trành (flutter) và dao động tiến triển nhanh (galloping). Các hiện tượng này luôn được sự quan tâm trong thiết kế cấu nhịp lớn trong đó có kết cấu cầu Trần Thị Lý – Đà Nẵng, dao động của tháp cầu và dây văng khi chịu tác động của gió là một trong những vấn đề quan trọng nhất. Khi xuất hiện những cón gió cấp 7 – 8, các phương tiện giao thông trên cầu, nhất là xe máy, đã bị lật nhào khi ngang qua tháp cầu Trần Thị Lý. Hiện tượng này là do tác động của dòng gió rối sau khi đi qua tháp cầu và được biết đến như galloping vùng đuôi (wake galloping). Trong luận văn này sẽ đi sâu phân tích đánh giá hiện tượng này và đề xuất giải pháp hợp lý ngăn chặn nhằm đảm bảo an toàn cho các phương tiện đi lại trên cầu nhất là trong mùa mưa bão sắp đến.. Từ khóa - Galloping; Galloping vùng đuôi; mất ổn định khí động galloping; mô phỏng galloping bằng phần mền CFD; nâng cao ổn định khí động cho tháp cầu Trần Thị Lý. STUDY ON OVERTURNING ACCIDENTS AND COUNTERMEASURE FOR VEHICLES ACROSS TOWER OF TRAN THỊ LY BRIGDE – DA NANG UNDER WIND ACTION Abstract – The interaction between turbulent winds and structures producing elastic aerodynamics such as vortex shedding, flutter, and galloping oscillation is always achieved. Particular attention was paid to the design of the large span. For the Tran Thi Ly Bridge - Da Nang, galloping fluctuations destabilize the tower and stay cables are one of the most important issues. When winds 7 - 8 appeared, the vehicles on the bridge, especially the motorbike, were overturned when crossing the Tran Thi Ly bridge tower. This phenomenon is due to the effect of turbulent winds after passing through the tower and is known as the galloping wake (wake galloping). This study will analyze and evaluate this phenomena and propose a reasonable solution to prevent the safety of vehicles on the bridge, especially in the coming rainy season. Keyword - Galloping; Galloping tail area; Aerodynamic galloping; Simulate galloping with CFD software; To improve aerodynamic stability for Tran Thi Ly Bridge Tower MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....... 4 1.1 Tổng quan về các hiện tượng khí động đàn hồi lên kết cấu cầu khi chịu tác động của gió.....................................................................................................................4 1.1.1 Dao động xoáy khí (vortex shedding) .....................................................5 1.1.2 Dao động tròng trành (Flutter) .................................................................6 1.1.3 Dao động rung lắc (Buffeting) .................................................................8 1.1.4 Dao động tiến triển nhanh (Galloping) ....................................................9 1.1.5 Dao động tiến triển nhanh vùng đuôi .......................................................10 1.2 Vấn đề nghiên cứu ........................................................................................11 Chương 2: NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG GALLOPING VÀ MÔ HÌNH “HẦM GIÓ SỐ” ....................................................................................................................... 14 2.1 Dao động galloping ......................................................................................14 2.1.1 Nguyên nhân và cơ chế gây nên lực khí động galloping. ........................14 2.1.1 Dao động tiến triển nhanh Galloping vùng đuôi ...................................16 2.2 Tổng quan về phương pháp “hầm gió số” ....................................................17 2.2.1 Lý thuyết “hầm gió số” ..........................................................................18 2.2.2 Các thông số cơ bản về “hầm gió số” ....................................................18 2.2.2.1 Điều kiện biên của “hầm gió số”. ......................................................18 2.2.2.2 Tạo lưới ..............................................................................................18 2.2.2.3 Thuật toán mô phỏng .........................................................................19 2.2.2.4 Mô hình tiết diện (section model) ......................................................20 2.2.3 Sai số của kết quả “hầm gió số” ............................................................20 2.2.4 Trình tự thiết lập và tính toán bài toán galloping: .................................21 2.3 Phân tích ổn định galloping đối với tháp cầu trường hợp không có xe ........22 2.3.1 Kiểm tra điều kiện ổn định tại tháp theo phương ngang cầu .................23 2.3.2 Kiểm tra điều kiện ổn định tại tháp theo phương dọc cầu .....................26 2.4 Phân tích ổn định galloping đối với tháp cầu trường hợp có xe ...................28 2.4.1 Xét trường hợp xe số 1: .........................................................................28 2.4.2 Tại vị trí xe số 2: ....................................................................................31 2.4.3 Tại vị trí xe số 3: ....................................................................................32 2.4.4 Tại vị trí xe số 4: ....................................................................................33 Chương 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GALLOPING ĐỐI VỚI THÁP CẦU TRẦN THỊ LÝ............................................................................... 36 3.1 Các giải pháp nâng cao ổn định galloping tại tháp cầu ................................36 3.2 Nghiên cứu giải pháp tấm chắn đặc..............................................................37 3.2.1 Trường hợp 1: Chọn chiều dài tấm chắn với tỷ lệ L/D = 0.25. .............37 3.2.2 Trường hợp 1: Chọn chiều dài tấm chắn với tỷ lệ L/D = 0.5. ...............42 3.2.3 Tính toán kết quả còn lại cho tỷ lệ chiều dài tấm chắn .........................46 3.3 Nghiên cứu giải pháp tấm chắn dạng lưới ....................................................47 3.3.1 Trường hợp 1: Chọn chiều dài tấm chắn với tỷ lệ L/D = 0.25. .............47 3.3.1.1 Chọn tấm chắn có tỷ lệ rỗng 10%. .....................................................47 3.3.1.2 Khảo sát tấm chắn cho các trường hợp có tỷ lệ rỗng còn lại : ...........52 3.3.2 Tính toán khảo sát % tỷ lệ rỗng từ 10% - 70% cho các tỷ lệ chiều dài tấm chắn còn lại L/D = 0.5, 0.75, 1,1.5. .....................................................................53 3.4 Khuyến nghị về mặt khai thác an toàn cho tháp cầu Trần Thị Lý ...............54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 57 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 2.1 2.2. 2.3 2.4 2.5 2.6. 2.7 2.8 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6. 3.7 3.8 3.9 3.10 Tên bảng Trang Các yêu cầu tỷ lệ mô hình thí nghiệm dao động tự do 20 Phương trình hồi qua của các vận tốc tại tháp theo phương ngang cầu 25 Phương trình hồi qua của các vận tốc tại tháp theo phương dọc cầu 27 Phương trình hồi qua của các vận tốc của trường hợp tháp + xe 1 30 Phương trình hồi qua của các vận tốc của trường hợp tháp + xe 2 32 Phương trình hồi qua của các vận tốc của trường hợp tháp + xe 3 33 Phương trình hồi qua của các vận tốc của trường hợp tháp + xe 4 35 Bảng tổng hợp kết quả vận tốc tới hạn của 4 xe 35 Phương trình hồi quy của 4xe, trường hợp có tấm chắn đặc L/D=0.25 41 Bảng tổng hợp kết quả vận tốc tới hạn của 4 xe trường hợp L/D = 0.25 41 Phương trình hồi quy của 4xe, trường hợp có tấm chắn đặc L/D=0.5 45 Bảng tổng hợp kết quả vận tốc tới hạn của 4 xe trường hợp L/D=0.5 46 Bảng tổng hợp kết quả vận tốc dao động của 4 xe cho các tỷ lệ còn lại 46 Phương trình hồi qua của các vận tốc của 4 xe, trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.25 và rỗng 10% 51 Bảng tổng hợp kết quả vận tốc tới hạn của 4 xe cho các trường hợp còn lại 51 Bảng tổng hợp kết quả vận tốc tới hạn trường hợp sử dụng tấm chắn với tỷ lệ L/D=0.25 và xét tỷ lệ rỗng từ 10% - 70% 52 Bảng tổng hợp kết quả tính toán của các trường hợp khảo sát tỉ lệ L/D của tấm chắn L/D =0.5, 0.75, 1, 1.25 có độ rỗng từ 10% - 70%. 53 Bảng tổng hợp kết quả tối ưu % độ rỗng khảo sát của các trường hợp tỷ lệ L/D = 0.25 – 1.5 . 54 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 2.1 2.2. 2.3 2.4. 2.5. 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 Tên hình Trang Quan hệ giữa tần số dao động riêng nhỏ nhất và chiều dài nhịp 4 từ 40 cầu treo nhịp lớn nhất thế giới Sơ họa các hiện tượng khí động đàn hồi 5 Mô phỏng dao động tròng trành flutter xoắn 7 Các lực gió và buffeting tác dụng lên kết cấu nhịp 8 Dao động galloping do dòng gió ổn định gây ra 9 Galloping vùng đuôi 11 Hình ảnh phương tiện giao thông gặp tai nạn khi mưa bão tại 11 Hình ảnh phương tiện giao thông gặp tai nạn khi mưa bão tại 12 Đà Nẵng Galloping do dòng gió ổn định gây ra 14 Galloping vùng đuôi 16 Cơ cấu tác động của hiện tượng Galloping 17 Sơ họa các miền chia lưới trong "hầm gió số" 19 Sơ đồ thuật toán mô phỏng bằng phương pháp “hầm gió số” 19 Các miền chia lưới đối với tiết diện hình chữ nhật và hộp 21 Trình tự các bước xác định vận tốc tới hạn galloping 22 Hướng gió thổi phương ngang cầu 23 Hướng gió thổi phương dọc cầu 23 Miền tính toán theo phương ngang tại tháp cầu 23 Lưới tính toán của tháp sau khi tạo bằng phần mầm Gambit 24 Phổ vận tốc và phổ áp suất tại góc + 10 theo phương ngang 24 của tháp cầu Biểu đồ xác đinh vận tốc tới hạn của gió theo phương ngang 25 của tháp cầu Miền tính toán tại tháp cầu theo phương dọc cầu 26 Lưới tính toán của tháp sau khi tạobằng phần mềm Gambit 14 26 theo phương dọc cầu Phổ vận tốc và phổ áp suất tại góc + 10 theo phương dọc cầu 27 Biểu đồ xác định vận tốc tới hạn của gió theo phương dọc cầu 28 Sơ đồ vị trí 4 xe cần khảo sát nghiên cứu 28 Miền lưới tính toán trường hợp của tháp + xe 1 29 Lưới sau khi tạo bằng phần mềm Gambit 14 của tháp + xe 1 29 Phổ vận tốc và phổ vecto tại góc – 10 của tháp + xe 1 30 Miền tính toán của trường hợp tháp + xe 2 31 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 Phổ vận tốc và phổ vecto tại góc – 10 của tháp + xe 2 Miền tính toán của trường hợp tháp + xe 3 Phổ vận tốc và phổ vecto tại góc – 10của tháp + xe 3 Miền tính toán của trường hợp tháp + xe 4 Phổ vận tốc và phổ vecto tại góc – 10 của tháp + xe 4 Phương án thay đổi tiết diện tháp Tấm chắn đặc bằng kính thực tế Một vài tấm chắn đặc dạng lưới thực tế Sơ đồ vị trí tính toán của 4 xe trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Phổ vận tốc và phổ vecto của xe 1 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Phổ vận tốc và phổ vecto xe 2 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Phổ vận tốc và phổ vecto xe 3 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Phổ vận tốc và phổ vecto xe 4 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Sơ đồ vị trí tính toán của 4 xe trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.5 Phổ vận tốc và phổ vecto của xe 1 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.5 Phổ vận tốc và phổ vecto xe 2 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.5 Phổ vận tốc và phổ vecto xe 3 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.5 Phổ vận tốc và phổ vecto xe 4 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn đặc không rỗng với tỷ lệ L/D=0.5 Biểu đồ so sánh đánh giá kết quả tấm chắn theo tỉ lệ hệ số giữa có tấm chắn và không có tấm chắn Sơ đồ vị trí tính toán của 4 xe trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.25 và rỗng 10% Phổ vận tốc và phổ vecto của xe 1 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.25 và rỗng 10% Phổ vận tốc và phổ vecto của xe 2 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.25 và rỗng 10% Phổ vận tốc và phổ vecto của xe 3 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.25 và rỗng 10% 31 32 33 34 34 36 36 37 38 38 39 40 40 42 43 43 44 45 47 48 48 49 50 3.19 3.20 3.21 3.22 Phổ vận tốc và phổ vecto của xe 4 tại góc + 10 trường hợp tháp có tấm chắn L/D=0.25 và rỗng 10% Biểu đồ so sánh kết quả việc sử dụng tấm chắn có độ rỗng ở tỷ lệ L/D=0.25 và so sánh kết quả với khi không dùng tấm chắn trong trường hợp 4 xe Biểu đồ đánh giá hiệu suất nâng cao ổn định galooping của việc sử dụng tấm chắn có độ rỗng ở tỷ lệ L/D=1.5 và với kết quả khi không dùng tấm chắn Biểu đồ so sánh các phương án nâng cao ổn định galloping 50 52 54 55 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Kết cầu cầu hệ treo hiện đại là kết cấu có nhiều đặc tính ưu việt mà ở đó thể hiện khả năng vượt nhịp lớn, có hình dáng kiến trúc độc đáo và là giải pháp kết cấu được ưu tiên lựa chọn. Trong thời gian gần đây, nhiều cầu có kết cấu dạng hệ treo nổi tiếng đã xây dựng như cầu Tatara (Nhật Bản, 1998), Akashi Kaiyo (Nhật Bản, 1998), Sutong (Trung Quốc, 2008), Russky (Nga, 2012)…; ngoài ra một số dự án cầu nhịp rất lớn đang và sẽ được xây dựng như cầu Messina (Ý, nhịp chính 3300m), Gibraltar (Tây Ban Nha và Ma Rốc, 5000m), ... Ở Việt Nam, nhiều cầu hệ treo đã được đầu tư xây dựng và đưa vào khai thác như cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long, 2000), Bãi Cháy (Quảng Ninh, 2006), Cần Thơ (Cần Thơ, 2010), Thuận Phước (Đà Nẵng, 2009), Trần Thị Lý (Đà Nẵng, 2013), cầu Nhật Tân (Hà Nội, 2015), … và một số dự án cầu đang và sẽ triển khai như cầu Vàm Cống, Cao Lãnh (Đồng Tháp), … Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngành sản xuất vật liệu đã tạo ra những sản phẩm có tính năng cao, tạo điều kiện phát triển mới cho các cầu dây văng và cầu treo hiện đại. Các kết cấu ngày càng trở nên thanh mảnh hơn, có trọng lượng nhỏ hơn và có thể vượt những khẩu độ lớn hơn. Tuy nhiên, những kết cấu này lại nhạy cảm với các nguyên nhân gây dao động. Do vậy, nghiên cứu các tác động và cơ chế gây ra dao động, trong đó có tác động của gió, luôn có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế các loại hình kết cấu này. Trong các hiệu ứng động do tác động của gió lên công trình cầu, vấn đề mất ổn định khí động luôn được quan tâm đặc biệt vì nó thường diễn ra nhanh, đột ngột, khó lường và gây hư hại nghiêm trọng hoặc và sụp đổ công trình. Khó khăn của bài toán phân tích ổn định khí động là các tác động do gió lên công trình có thể gây ra nhiều hiện tượng; đồng thời công trình cũng phản ứng rất phức tạp đối với tác động của gió. Các nghiên cứu phải tiến hành đồng thời cả lý thuyết và thực nghiệm. Tuy nhiên hiện nay chưa có một phương pháp số hay giải tích nào mô tả được đầy đủ các tác động của gió và phản ứng của công trình dưới tác động của gió. Bài toán ổn định khí động hiện vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển. Ở Việt Nam hiện nay, một số công trình cầu hệ treo quy mô lớn đã hoàn thành, một số khác đang trong giai đoạn chuẩn bị và xây dựng. Việc thiết kế chống gió đối với kết cấu cầu này còn hạn chế và vấn đề này chủ yếu đều do các tổ chức tư vấn nước ngoài thực hiện. Do vậy, nhu cầu xây dựng các công trình cầu hệ treo trong thời gian tới đã đặt ra sự cần thiết nghiên cứu chuyên sâu vấn đề kiểm soát ổn định khí động đối với ngành xây dựng cầu Việt Nam. Trên địa bàn Đà Nẵng, cầu dây văng Trần Thị Lý đã được đưa vào khai thác và góp phần tăng thêm mỹ quan cho thành phố. Tuy nhiên, sau khi đưa vào khai thác sử dụng đã xuất hiện vấn đề cần quan tâm. Đó là các phương tiện giao thông đi ngang qua 2 tháp cầu đã có va chạm hoặc bị lật ngã khi xuất hiện những cơn gió tương đối lớn gây ra mất an toàn cho người và phương tiện giao thông. Xuất phát từ thực tế đó, việc lựa chọn đề tài “Nghiên cứu ổn định khí động galloping đối với tháp cầu chịu tác động của gió và ứng dụng cho tháp cầu Trần Thị Lý - TP Đà Nẵng“ có tính cấp thiết. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Tổng quan các hiện tượng khí động đàn hồi do tác động của gió lên công trình cầu. - Nghiên cứu và phân tích mất ổn định galloping đối với tháp cầu Trần Thị Lý trong trường hợp không có và có xe ngang qua tháp cầu. - Đưa ra giải pháp nâng cao ổn định galloping đối với cầu Trần Thị Lý. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đánh giá ổn định galloping đối với tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp không có và có xe qua cầu. Từ đó, đề xuất giải pháp tối ưu nhằm nâng cao ổn định galloping đảm bảo an toàn khai thác bình thường. - Phạm vi nghiên cứu: Phân tích tháp cầu Trần Thị Lý chịu tác động của gió bằng phương pháp “hầm gió số” với mô hình tiết diện (2D). 4. Phương pháp nghiên cứu Do tính phức tạp của dòng rối và các đặc trưng khí động của hệ kết cấu-dòng gió nên hiện nay chưa có mô hình toán học hoàn chỉnh nào mô tả đầy đủ sự tương tác giữa chúng. Thí nghiệm hầm gió là một phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cần thiết không thể thiếu trong việc thiết kế chống gió cho cầu hệ treo nhịp lớn. Tuy nhiên, đây cũng là phương pháp cần chi phí lớn và chưa có điều kiện thực hiện tại Việt Nam. Một hướng nghiên cứu lý thuyết là mô phỏng tương tác kết cấu-dòng gió trên máy tính (Computational Wind Engineering-CWE), trong đó thuật toán động lực học chất lưu trên máy tính (Computational Fluid Dynamics-CFD) được sử dụng. Do đó, phương pháp CWE có thể gọi là “hầm gió số” (Numerial wind tunnel). Phương pháp “hầm gió số” rất thuận lợi trong việc hiển thị chi tiết dòng khí xung quanh và sự phân bố áp lực gió lên bề mặt kết cấu với chi phí chủ yếu phục vụ cho việc tính toán. Kết quả đạt được đã được kiểm định đánh giá và so sánh với kết quả từ thí nghiệm hầm gió và phương pháp khác. Mức độ chính xác của phương pháp là có thể tin cậy được, nhất là trong giai đoạn thiết kế ban đầu. Vì vậy, phương pháp “hầm gió số” được áp dụng để phân tích các bài toán mất ổn định galloping. 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Từ việc đánh giá mức độ mất ổn định galloping đối với tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp không có và có xe qua cầu, qua đó giải pháp tối ưu được đề xuất nhằm nâng cao ổn định galloping đảm bảo an toàn khai thác bình thường đối với các phương tiện giao thông. 3 6. BỐ CỤC ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu gồm phần mở đầu và 3 chương: Mở đầu. Chương 1. Sự phát triển của cầu dây văng và các hiện tượng khí động đàn hồi lên kết cấu cầu khi chịu tác động của gió. Chương 2. Nghiên cứu dao động galloping và mô hình “hầm gió số”. Chương 3. Đề xuất giải pháp nâng cao ổn định galloping đối với tháp cầu Trần Thị Lý. Kết luận và kiến nghị. 4 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tổng quan về các hiện tượng khí động đàn hồi lên kết cấu cầu khi chịu tác động của gió Cầu hệ treo là loại kết cấu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây cáp làm bằng vật liệu có cường độ cao. Do dây chỉ thuần tuý chịu kéo nên tận dụng triệt để khả năng chịu lực của vật liệu, vì thế cầu hệ treo là hệ có khối lượng nhỏ nhất và có khả năng vượt nhịp lớn hơn so với các loại cầu khác. Hơn nữa, cùng với hình dáng kiến trúc độc đáo nên cầu hệ treo là giải pháp kết cấu được ưu tiên lựa chọn. Bên cạnh những ưu điểm này, cầu hệ treo có nhược điểm chính là độ cứng nhỏ và nhạy cảm với các nguyên nhân gây dao động như gió và tải trọng có tính chu kỳ. Khi cầu có chiều dài nhịp càng lớn, chúng càng dễ uốn và dễ bị dao động kích thích (Hình 1.1); trong đó dao động do tác động của gió được xem là quan trọng nhất [9]. 1.1 Hình 1.1 Quan hệ giữa tần số dao động riêng nhỏ nhất và chiều dài nhịp từ 40 cầu treo nhịp lớn nhất thế giới [9] Khi nằm trong dòng gió, kết cấu nhịp có thể dịch chuyển và dao động; sau đó dao động này lại ảnh hưởng đến dòng gió xung quanh kết cấu. Dao động tạo ra bởi sự tương tác này được gọi là dao động tự kích và kết quả là sinh ra các lực khí động (lựcphụ-thuộc-dao-động). Hiện tượng dao động kết cấu và lực khí động tương tác một cách đáng kể được gọi là hiện tượng khí động đàn hồi và phụ thuộc vào miền vận tốc gió như được mô tả trên hình 1.1, trong đó có bốn dạng dao động trong thiết kế cầu là xoáy khí (vortex-shedding), tiến triển nhanh (galloping), tròng trành (flutter) và rung lắc (buffeting) [2] [5]. 5 Hình 1.1 Sơ họa các hiện tượng khí động đàn hồi Khi kết cấu dịch chuyển, lực khí động tương tác đáng kể và biên độ dao động tự kích phát triển theo thời gian với các đặc tính phân kỳ và gây ra mất ổn định. Hiện tượng này được gọi là mất ổn định khí động và có ba loại mất ổn định xảy ra trong tiết diện ngang cầu là galloping, flutter xoắn và flutter uốn-xoắn. Đối với tháp cầu, một trong những vấn đề quan tâm hàng đầu là mất ổn định galloping [2]. 1.1.1 Dao động xoáy khí (vortex shedding) Trong kết cấu cầu hệ treo nhịp lớn, hiện tượng khóa chặt xảy ra khi tần số xoáy khí gần bằng một trong những tần số dao động riêng của một bộ phận trong kết cấu cầu như kết cấu nhịp hoặc cáp. Khi điều đó xảy ra, sẽ xuất hiện dao động lớn và trở thành một nguồn năng lượng quan trọng gây nguy cơ mỏi. Vì vậy, biên độ dao động xoáy khí phải được kiềm chế với một giới hạn nhất định trong thiết kế cầu, và cơ chế tổng quát của phản ứng kết cấu cầu do dao động xoáy khí cần phải được tìm ra. Tuy nhiên, vì dạng hình học phức tạp của kết cấu nên các đặc tính dòng gió quanh kết cấu và các phản ứng thích hợp của chúng cũng phức tạp. Chính vì vậy, mô hình giải tích đơn giản hóa được sử dụng để mô phỏng lực xoáy khí. Phương trình dao động xoáy khí đối với kết cấu một bậc tự do có thể được viết 1 mh  2mn h  mn2 h  U 2 DCL sin V t 2 Trong đó: m là khối lượng của kết cấu; h là chuyển vị thẳng đứng;  là tỷ số cản của kết cấu; n là tần số dao động riêng của kết cấu; C L là hệ số lực nâng; V là tần số xoáy khí lấy bằng 2St  U D  . (1.1) 6 Vế phải của phương trình (1.1) FV  12 U2 DCL sin V t được gọi là lực xoáy khí. Khi n  V , nghĩa là phản ứng khóa chặt trong kết cấu xảy ra, nghiệm phương trình (1.1) sẽ là h max  DCLU 2 DCL  2 4mn 162ScS2t (1.2) Ngoài thí nghiệm hầm gió, phản ứng xoáy khí của tiết diện ngang cầu cũng có thể được tính toán bằng mô phỏng trên máy tính CFD. Kết quả mô phỏng CFD có thể tin cậy được khi so sánh với kết quả từ thí nghiệm hầm gió mặc dù nó còn phải mất nhiều thời gian trước khi nó thay thế hoàn toàn thí nghiệm hầm gió. Dao động xoáy khí cũng cần được quan tâm đối với các tháp cầu nhịp lớn, nhất là trong quá trình xây dựng. Trong quá trình xây dựng, tháp đứng tự do. Nó có tần số dao động riêng thấp và tiết diện tẹt của nó thường gây ra dao động xoáy khí ngoài mặt phẳng của tháp. Dao động xoáy khí có thể lớn và gây cản trở quá trình thi công tháp, nhất là đối với tháp bằng thép; do đó cần thiết phải kiểm soát dao động. 1.1.2 Dao động tròng trành (Flutter) Flutter là dao động do sự tương tác và trao đổi năng lượng giữa kết cấu cầu và dòng gió; khi đó các lực khí động tác động lên cầu cùng với dao động của nó. Nếu năng lượng nạp vào do các lực khí động lớn hơn năng lượng phân tán do độ cản của kết cấu thì biên độ dao động của kết cấu nhịp sẽ tăng lên trong mỗi chu kỳ và gây ra các lực tự kích và dao động tự kích thì nó sẽ gây ra phá hủy cầu một cách ngẫu nhiên. Những kết cấu nhịp cầu có tỷ số bề rộng và chiều cao B D tương đối lớn càng có nguy cơ mất ổn định flutter. Xét một kết cấu nhịp cầu được mô hình với N bậc tự do dưới tác dụng của lực khí động. Vế trái của phương trình (1.3) diễn tả các đặc tính của kết cấu như các ma trận đối xứng về khối lượng ( M ), độ cản kết cấu ( C ) và độ cứng ( K ); trong khi đó vế phải của phương trình diễn tả các lực khí động không ổn định phụ thuộc vào dao động ( FV và FD ). Thuật ngữ ”phụ thuộc vào dao động” có nghĩa rằng các lực này chứa không những giá trị tức thời mà còn chứa cả ảnh hưởng của dao động trước đó. Các lực này được định nghĩa như một hàm của tần số không thứ nguyên K  B U , vận tốc kết cấu x  t  và chuyển vị kết cấu x  t  : Mx  t   Cx  t   Kx  t   FV  K  x  t   FD (K)x  t  (1.3) Phương trình (1.3) có thể được viết lại dưới dạng Mx  t   Px  t   Qx  t   0 (1.4) trong đó P  C  FV  K  và Q  K  FD  K  là tổng cản và tổng độ cứng của hệ. Các ma trận P và Q có thể được phân thành P  P1  P2 và Q  Q1  Q2 , các chỉ số 1 và 2 ký hiệu cho ma trận đối xứng và ma trận đối xứng chéo. Khi đạo hàm thế năng và 7 động năng của hệ trong phương trình (1.4), ta được: T T E  T  U   x  t  P1x  t   x  t  Q2 x  t    (1.5) Vì vậy, số gia của tổng năng lượng của hệ dao động trong khoảng thời gian T0 có thể được viết bởi: T0 T0 E  I1  I 2    x  t  P1x  t  dt   x  t  Q2 x  t  dt T 0 T (1.6) 0 Phương trình (1.6) cho thấy rằng tổng năng lượng tăng và hệ trở nên mất ổn định chỉ khi E  0 . Điều kiện mất ổn định này được định nghĩa như mất ổn định flutter, và có hai điều kiện cần thiết để xuất hiện flutter là I1 và I 2 . I1 mô tả điều kiện liên quan đến độ cản khí động và năng lượng do dao động một bậc tự do riêng lẻ gây ra. I 2 liên quan đến độ cứng khí động và dao động kép và được gọi là flutter kép. Hình 1.3 Mô phỏng dao động flutter xoắn [18] Xét một tiết diện ngang cầu chịu tác động của dòng nhẵn được thể hiện ở hình 1.3. Tiết diện được giả thiết có hai bậc tự do: chuyển vị do uốn h và xoắn  . Phương trình dao động có thể viết: m h  2h h h  h2 h   Lh (1.7) I   2    2    M (1.8) Trong đó: m là khối lượng trên một đơn chiều dài nhịp; I là mômen quán tính;  h và  là tỷ số cản kết cấu ứng với uốn và xoắn; h và  là các tần số ứng với uốn và xoắn; L h và M  lực đứng và mômen khí động tự kích trên 1 đơn vị chiều dài Trong trường hợp mất ổn định một bậc tự do, điều kiện được gọi là flutter uốn khi dao động thẳng đứng chiếm ưu thế hơn dao động xoắn; trong khi đó sẽ là flutter xoắn khi dao động xoắn chiếm ưu thế hơn uốn. Trong trường hợp I 2 chiếm ưu thế, mất ổn định được gọi là flutter kép và nó có liên quan đến độ lệch pha hoặc ảnh hưởng giữa các mode dao động khác nhau. 8 1.1.3 Dao động rung lắc (Buffeting) Khi một kết cấu cầu hệ treo nằm trong trường gió, nó sẽ chịu tác dụng của các lực gió tĩnh và động gây ra tương ứng bởi thành phần vận tốc gió trung bình và nhiễu loạn. Tác động buffeting lên cầu là dao động ngẫu nhiên được hình thành bởi thành phần gió nhiễu loạn. Vận tốc gió nhiễu loạn gồm cả hai phương đứng và ngang, do đó việc phân tích cần xét đến dao động ngẫu nhiên theo góc tới. Trong thiết kế kháng gió của cầu nhịp lớn, phản ứng buffeting rất cần quan tâm để xác định kích thước các bộ phận kết cấu. Hơn nữa, các lực tự kích do sự tương tác gió. Để mô hình tác động của tải trọng gió buffeting, cần quan tâm đến các lực buffeting do thành phần gió nhiễu loạn và các lực tự kích do tương tác gió-kết cấu cầu. Hình 1.4 Các lực gió và buffeting tác dụng lên kết cấu nhịp Bằng cách dùng giả thiết giả tĩnh như hình 1.4, các lực khí động tác dụng trên 1 đơn vị chiều dài kết cấu nhịp có thể được viết: 1 L  t   U 2  t  BCL  0    (1.9a) 2 1 D  t   U 2  t  BCD  0    (1.9b) 2 1 M  t   U 2  t  B2CM  0    (1.9c) 2 trong đó chỉ số  ký hiệu các lực được biểu diễn theo trục vận tốc chuyển tiếp;  0 là góc tới của vận tốc gió trung bình U ; và  là góc tới tăng thêm do thành phần nhiễu loạn gây ra (Hình 1.4). Các hệ số khí động có thể được biểu diễn bằng phép triển khai Taylor với hai số hạng đầu tiên như sau: CL  0     CL  0   C'L  0   (1.10a) CD  0     CD  0   C'D  0   (1.10b) CM  0     CM  0   C'M  0   (1.10c) Trong thiết kế cầu nhịp lớn, buffeting phải được quan tâm xem xét vì sự biến dạng dưới tác dụng của nó có thể gây ra mỏi kết cấu, bất tiện cho người sử dụng và hạn chế giao thông qua cầu. [12] 9 1.1.4 Dao động tiến triển nhanh (Galloping) “Galloping” là thuật ngữ dùng để mô tả dao động có biên độ lớn xảy ra theo phương gió ngang tại tần số thấp hơn nhiều so với tần số xoáy khí. Galloping là dạng mất ổn định thông thường đối với các dây cáp, tháp cầu, dầm có tiết diện có hình dạng không tròn (hình chữ nhật hoặc chữ “D”). Biên độ dao động có thể gấp mười lần hoặc lớn hơn kích thước tiết diện. Ngoài ra, galloping có thể xảy ra trong một số kết cấu cầu có trọng lượng nhẹ nhưng đây không phải là dạng mất ổn định đặc trưng đối với kết cấu cầu hệ treo nhịp lớn. Galloping thường xảy ra với tần số triết giảm ( B U ) thấp; với B là bề rộng kết cấu nhịp hoặc chiều rộng đặc trưng,  là tần số dao động và U là vận tốc gió trung bình. Bởi vì tần số triết giảm thấp nên có thể giả thiết áp lực hoặc lực khí động lên kết cấu nhịp thay đổi theo vận tốc dòng tới giống như đối với dòng ổn định (giả thiết giả tĩnh). Vì vậy, các số liệu khí động trung bình (các hệ số lực nâng và lực cản) có thể được sử dụng để mô tả hiện tượng galloping cho một kết cấu nhịp cầu. Xét một dòng ổn định 2-D đi qua một tiết diện kết cấu như được thể hiện ở hình 1.5. Mặc dù vận tốc dòng tới U là nằm ngang nhưng vận tốc thực tác động lên kết cấu là U  với góc tới có hiệu  vì dao động kết cấu theo phương h . Dựa vào giả thiết giả tĩnh, lực cản và lực nâng có thể được biểu diễn như sau: Hình 1.5 Dao động galloping do dòng gió ổn định gây ra 1 FD     U2 BCD    2 1 FL     U2 BCL    2 trong đó: D    và L    là lực cản và lực nâng lên tiết diện kết cấu; U  là vận tốc gió với góc tới có hiệu  ; B  2b là bề rộng kết cấu; CD    và CL    là các hệ số lực cản và lực nâng. Khi đó lực thẳng đứng có thể được tính: 1 Fh     U2 B CD    sin   CL    cos  2 (1.11) (1.12) 10 1  U 2 B CD    tan   CL    sec   2 (1.13) Giả thiết rằng dao động của hệ là nhỏ, do đó   h U  0 . Áp dụng phép triển khai đối với phương trình (1.13) và chỉ xét hai số hạng đầu tiên, ta được: Fh     Fh  0   Fh  1 1 h  dC  .  U 2 BCL  U 2 B  L  CD  . 2 2  d  0 U  0 (1.14) Bỏ qua các thành phần tĩnh, phương trình (1.14) được viết lại: 1 h  dC  Fh     U 2 B  L  CD  . 2  d  0 U (1.15) Đây là biểu thức giả tĩnh của lực khí động tác dụng lên tiết diện kết cấu theo phương h .Phương trình dao động thẳng đứng của kết cấu một bậc tự do có thể được viết: 1 h  dC  mh  ch  kh  U 2 B  L  CD  . 2  d  0 U (1.16) Với c là hệ số cản của kết cấu và k là hệ số độ cứng. Vế phải của phương trình (1.16) cho thấy rằng lực khí động là một lực cản. Lực này làm thay đổi tổng lực cản của hệ thống. Theo tiêu chuẩn Glauert-Den Hartog [11], hiện tượng galloping xảy ra khi tổng lực cản C (kết cấu + khí động) triệt tiêu; khi đó: 1  dC  C  2m  UB  L  0   CD   0    0 2  d  (1.17) Chú ý rằng tỷ số cản của kết cấu  là dương; do đó để hệ thống mất ổn định galloping chỉ khi độ cản phần khí động âm, nghĩa là:  dCL   CD  0   d  0 (1.18) Rõ ràng rằng galloping là hiện tượng phụ thuộc vào vận tốc có kết hợp với việc xảy ra độ cản khí động âm. Kết cấu xảy ra galloping có thể được tính toán bằng cách kiểm tra các hệ số lực nâng và lực cản trung bình theo thời gian tại   0 . Độ dốc âm của lực nâng biểu thị xu hướng xáy ra galloping. 1.1.5 Dao động tiến triển nhanh vùng đuôi Galloping vùng đuôi là hiện tượng trong đó dao động của lăng trụ phía hạ lưu là do dòng rối trong vùng đuôi của lăng trụ phía thượng lưu. 11 Hình 1.6 Galloping vùng đuôi [9] Xét hai lăng trụ cách nhau vài lần đường kính như thể hiện ở hình 1.6. Do sự tuần hoàn của dòng gió ở phía đuôi (cùng chiều kim đồng hồ ở nửa trên và ngược chiều ở nửa dưới), lăng trụ đặt ở nửa trên vùng đuôi nếu di chuyển sẽ dao động ngược chiều kim đồng hồ theo đường elip. Hơn nữa, lăng trụ tự do di chuyển ở nửa dưới sẽ dao động ngược chiều kim đồng hồ. Dao động như vậy gọi là galloping vùng đuôi. Đây là vấn đề quan trọng sẽ được đi sâu nghiên cứu và phân tích chương 2, 3. 1.2 Vấn đề nghiên cứu Tại Việt Nam với hơn 3000km bờ biển, trung bình hàng năm Việt Nam phải chịu ảnh hưởng 9-12 cơn bão gây ra tổn thất, thiệt hại về người và tài sản hàng nghỉn tỷ đỗng mỗi năm [4]. Bên cạnh đó là các tai nạn do gió bão gây ra đối với các công trình cầu đã dẫn đến các vụ tai nạn, va cha chạm gây thiệt hại về người và tài sản rất lớn. Hình 1.7 cho thấy những tác hại của gió đối với các phương tiện giao thông khi lưu thông trên đường, cầu và nhất là xe máy đã bị ngã hoặc quật ngã, kể cả các phương tiện vận tải lớn như Container…Điều đó cho thấy tác hại của gió đối với phương tiên tham gia giao thông là rất lớn. Hình 1.7 Hình ảnh phương tiện giao thông tai nạn khi gặp gió bão [Nguồn: Internet] 12 Bên cạnh, đó tại Thành phố Đà Nẵng, những năm trở lại đây Đà Nẵng đã chịu ảnh hưởng của biến đổi khí hậu. Trung bình mỗi năm có từ 3-4 cơn bão, 2-3 đợt áp thấp nhiệt đới ảnh hưởng trực tiếp đến Đà Nẵng. Cùng với đó là nhiều cơn gió với vận tốc lớn ảnh hưởng nghiêm trọng đến công trình giao thông và người tham gia giao thông. Thực tế kết quả ghi nhận tại hình 1.8 vào thời điểm ảnh hương cơn bão số 3 2015 tại cầu Trần Thị Lý. [2] [4] Hình 1.8 Hình ảnh phương tiện giao thông tai nạn khi gặp gió bão tại tháp cầu Trần Thị Lý Đà Nẵng 2015 [Nguồn: Internet] Hình 1.8 cho thấy rằng các phương tiện giao thông đi ngang qua tháp, đặc biệt là các phương tiện xe máy đã bị tai nạn hoặc té ngã, va chạm giao thông khi xuất hiện những cơn gió lớn. Hiện tượng này được gọi là hiệu ứng của dao động galloping vùng đuôi. Tuy nhiên trên thực tế vấn đề này chưa nhận được sự quan tâm đúng mức cũng như những nghiên cứu chuyên sâu. Xuất phát từ thực tế đó, luận văn sẽ làm rõ hơn những tác động của gió đối với công trình và đồng thời đưa ra những giải pháp nâng cao ổn định khí động học nói chung và mất ổn định galloping nói riêng. Kết luận chương 1 Kết quả nghiên cứu chương 1 đã tổng quan các hiện tượng khí động đàn hồi đối với công trình cầu chịu tác động của gió: - Dao động xoáy khí (vortex shedding) - Dao động tròng trành (Flutter) - Dao động rung lắc (Buffeting) - Dao động tiến triển nhanh (Galloping) Để phân tích sự tương tác giữa dòng gió và kết cấu thì ứng dụng thí nghiệm hầm gió là một phương pháp có độ chính xác cao. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi chi phí lớn, trang thiết bị hiện đại và chưa có điều kiện áp dụng tại Việt Nam. Do đó việc áp dụng mô phỏng động lực “hầm gió số” trên máy tính (Computational Fluid 13 Dynamic-CFD). [20][21] được ứng dụng nhiều trong các nghiên cứu. Cho đến nay, phương pháp này có tính ưu việt với chi phí thấp và cần thời gian ngắn nhưng cho kết quả tương đối chính xác đối với thí nghiệm hầm gió số. Do vậy, sử dụng mô phỏng số CFD bằng hầm gió số để giải quyết lần lượt các vấn đề trên ở chương 2,3.