Tài liệu Nghiên cứu xác định vận tốc gió tới hạn công trình cầu theo hiện tượng flutter

iii TÓM TẮT LUẬN VĂN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH VẬN TỐC GIÓ TỚI HẠN CÔNG TRÌNH CẦU THEO HIỆN TƢỢNG FLUTTER Học viên: Kiên Trung Nguyên. Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 8580205. Khóa: 36. Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Thiết kế cầu nhịp dài, cầu dây văng hoặc cầu dây võng phải chịu được các lực gây ra bởi tác động của gió. Ngoài ra, những cây cầu này rất nhạy cảm với tác động của gió do tính linh động, độ cản của kết cấu thấp và trọng lượng nhẹ. Các hiện tượng khí động lực học có thể được chia ra thành hai nhóm chính, bao gồm dao động với biên độ giới hạn và dao động với biên độ tăng dần. Dao động với biên độ giới hạn không chỉ xảy ra với các kết cấu cầu lớn mà còn ở các kết cấu nhỏ hơn. Phần này bao gồm dao động rung lắc (buffeting) và dao động xoáy khí. Trong khi đó, dao động với biên độ tăng dần chỉ xảy với các kết cấu cầu lớn, bao gồm dao động tự kích khí động học flutter và dao động tự kích khí động học theo phương uốn (galloping). Dựa trên mối quan hệ giữa biên độ dao động và vận tốc gió, có thể phân loại rằng dao động xoáy khí xảy ra ở vận tốc gió thấp, dao động rung lắc (buffeting) xảy ra ở vận tốc gió trung bình, còn dao động flutter xảy ra ở vận tốc gió cao. Nghiên cứu này trình bày phương pháp dự đoán hiện tượng mất ổn định khí động học flutter, bởi vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc thiết kế những cây cầu này. Từ khóa - flutter, độ cản của kết cấu, dao động rung lắc, dao động xoáy khí, biên độ giới hạn, biên độ tăng dần. STUDY PRESENTS METHOD FOR DETERMINING THE CRITICAL FLUTTER WIND SPEED OF BRIDGE CONSTRUCTION Abstract - The design of long span bridges, either suspension or cable stayed bridges must be withstood the forces induced by the wind effect. In addition, such bridges are highly susceptible to wind excitation because of their inherent flexibility, low structural damping and light in weight. The aerodynamic force can be divided into two main groups, including limited-amplitude response (limited vibration) and divergent amplitude response vibrations (divergent vibration). First category responses occur for not only large structure (flexible) but also secondary members. This part comprises of buffeting force and vortex-induced oscillation. Whereas second category responses occur for only large structure (flexible) and consist of flutter and galloping. Based on relationship between amplitude of response and wind velocity, it can be classified that the vortex-induced vibration usually occurs at low wind velocity range, the buffeting phenomenon is significant at medium velocity range up to high wind velocity, meanwhile, the flutter phenomenon occur at high wind velocity range. This study presents method for predicting the flutter phenomenon of aerodynamic instability, because it’s important role in the design of these structures. Keywords - flutter, structural damping, buffeting, vortex-induced oscillation, limited vibration, divergent vibration. iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................i LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... ii MỤC LỤC .....................................................................................................................iv DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: ..........................................................................1 2. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU: .................................................................................1 3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: .......................................................................................1 4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: ....................................................................................1 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: ...........................................................................1 6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN: .....................................................................................2 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH. ..................3 1.1. Sự phát triển cầu dây văng, dây võng trên thế giới và Việt Nam: .....................3 1.1.1. Sự phát triển cầu dây văng, dây võng trên thế giới: .......................................3 1.1.2. Sự phát triển cầu dây văng, dây võng iệt Nam: ........................................4 1.2. Các đặc trƣng của gió trong thiết kế công trình cầu. ..........................................5 i tr ng h uyển ........................................................................................5 iến thiên v n t gi trung nh th hi u : ........................................9 1 2 2 1 T ng iên kh quy n: ......................................................................................9 1 2 2 2 i n thiên v n t gi trung nh th o hi u o: .........................................9 n t gi trung nh ..................................................................................10 ng r i h uyển .......................................................................................11 1.3. Số iệu gió d ng trong thiết kế: ...........................................................................11 gi n .......................................................................................... 11 gi thiết ế .........................................................................................12 t nh gi t t gi ..........................................................................12 1.3.4. Phân v ng gi iệt ...........................................................................12 1.4. Phản ứng của c ng tr nh cầu dƣới tác d ng của tải tr ng gió: ........................12 1.5. Các hiện tƣ ng kh đàn h i: ................................................................................14 d ng t nh gi ên ầu .......................................................................14 1 5 1 1 i n ng và ng su t t nh: .........................................................................14 1512 t n nh ng ng: ......................................................................................15 1.5 1 3 t n nh xo n: ........................................................................................16 1.5.2. Các hiện tượng h ng học lên công trình cầu (airodynamic): ...............17 1521 o ng xoáy kh Vort x-Shedding): .......................................................17 v 1522 o ng t k h kh ng họ th o ph ng u n (Galloping):...................18 1523 o ng t k h kh ng họ lutt r: .......................................................18 1.6. M h nh dao động của cầu dây võng và cầu dây văng dƣới tác d ng của gió. .......................................................................................................................................19 ết u n hư ng .......................................................................................................20 Chƣơng 2. LÝ THUYẾT FLUTTER: .......................................................................21 2.1. Cơ sở lý thuyết về hiện tƣ ng f utter đối với công trình cầu: .......................... 21 2.1.1. Hệ phư ng tr nh d ng tự h h ng học u n xoắn c a hệ hai b c tự do. .............................................................................................................................. 21 2.1.2. ự nâng v n h ng . .....................................................................22 nh th flutter:.........................................................................23 2.2. Các phƣơng pháp ác đ nh f utter: .....................................................................25 nh flutter bằng phư ng ph p trực tiếp từ kết qu hầm gió [8]: .........25 2.2.1.1. Các lo i h m gió: .........................................................................................25 2.2.1.2. Lu t ồng d ng: ........................................................................................... 27 2.2.1.3. Các lo i thí nghiệm h m gió: .......................................................................28 2.2.1.4. Thí nghiệm h m gió ki u mô hình mặt c t: ..................................................29 2 2 1 5 Xá nh tham s flutter từ k t quả thí nghiệm trong h m gió: ...................33 nh utt r ằng phư ng ph p ướ p .............................................37 nh flutter bằng công thức nghiệm Selberg: .......................................41 Phư ng ph p ô phỏng (CFD): ...................................................................41 Kết lu n hư ng .......................................................................................................42 Chƣơng 3. XÁC ĐỊNH FLUTTER CHO MẶT CẮT NGANG TỔNG QUÁT: ...43 3.1. Phân t ch f utter theo phƣơng pháp bƣớc lặp: ..................................................43 nh tham s flutter c a m t cắt dạng h p mõng bằng phư ng ph p Theodorsen: ..................................................................................................................43 nh v n t gi utt r th phư ng ph p ước l p: ........................... 45 3.1.3. Kết qu và th o lu n: .....................................................................................48 3.2. Một số biện pháp nâng cao ổn đ nh flutter. .......................................................49 3.2.1. Biện pháp kiể t h ng b ng: .........................................................49 3.2.2. Biện pháp kiể t h ng ch ng: ......................................................54 3.2.3. Biện pháp kiể td ng c a cầu Akashi Kaikyo: .............................. 54 Kết lu n hư ng .......................................................................................................55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................56 KẾT LUẬN ..................................................................................................................56 KIẾN NGHỊ .................................................................................................................56 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 57 vi DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1. Cầu kashi Kaikyo..........................................................................................3 Hình 1.2. Cầu Bắc Bàn Giang .........................................................................................3 Hình 1.3. Cầu Millau Viaduct. ........................................................................................4 Hình 1.4. Cầu Golden Gate. ............................................................................................ 4 Hình 1.5. Cầu Tsing Ma ..................................................................................................4 Hình 1.6. Brighton Chain Pier .........................................................................................5 Hình 1.7. Cầu Tacoma Narrows ......................................................................................5 Hình 1.8. Biến thiên vận tốc khí do lực ma sát bề mặt. ..................................................6 Hình 1.9. Mô hình tầng biên khí quyển. ..........................................................................9 Hình 1.10. Mô hình thống kê xác định vận tốc gió trung bình cực đại. ........................11 Hình 1.11. Các thành phần lực khí động tác dụng lên vật cản. .....................................15 Hình 1.12. Mô hình nghiên cứu mất ổn định uốn ngang dầm I. ...................................15 Hình 1.13. Mô hình nghiên cứu mất ổn định xoắn ........................................................16 Hình 1.14. Hiện tượng khóa tần số. ...........................................................................18 Hình 1.15. Hiện tượng mất ổn định flutter đối với công trình cầu. ............................... 19 Hình 2.1. Mô hình dao động flutter. ..............................................................................21 Hình 2.2. Các dạng mặt cắt cầu được thực nghiệm tìm tham số flutter. .......................24 Hình 2.3. Minh họa kiểu hầm gió chu trình gió hở. ......................................................26 Hình 2.4. Minh họa kiểu hầm gió chu trình gió kín. .....................................................26 Hình 2.5. Mặt bằng bố trí hầm gió tại Đại học Quốc gia Yokohama (Nhật Bản).........26 Hình 2.6. Mô hình thí nghiệm mặt cắt trong hầm gió. ..................................................30 Hình 2.7. Kết quả quan trắc và đánh giá các hiện tượng tác dụng động do gió. ...........32 Hình 2.8. Kết quả thu được từ thí nghiệm 3 thành phần lực tĩnh của gió. ....................33 Hình 2.9. Cơ cấu thí nghiệm hầm gió đối với phương pháp lực . .................................34 Hình 2.10. Mô hình mặt cắt trong hầm gió của trường đại học Coruña. .....................35 Hình 2.11. Các dao động tự do thu được ở tốc độ 2m/s trong hầm gió. .......................35 Hình 2.12. Các tham số flutter thu được từ phương pháp dao động tự do . ..................36 Hình 2.13: Biểu đồ quan hệ liên tục giữa z(t) và y(t) trong thực tế. ............................. 38 Hình 2.14: Kết quả đo được mối quan hệ giữa z(t) và y(t). ..........................................38 Hình 3.1. Đồ thị các tham số flutter Ai*, Hi* (i = 1,...,4) theo vận tốc gió chiết giảm. ..44 Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi giá trị hệ số cản tỷ lệ theo vận tốc gió. ............48 Hình 3.3. Mặt cắt dầm gắn thêm các cánh nhỏ để thay đổi dòng khí. .......................... 49 Hình 3.4. Tiết diện nguyên mẫu. ...................................................................................50 Hình 3.5. Tiết diện có gắn thêm tấm mở rộng............................................................... 50 Hình 3.6. Mối quan hệ giữa biên độ dao động và tốc độ gió. .......................................51 Hình 3.7. Mối quan hệ giữa biên độ dao động và tốc độ gió . 52 vii Hình 3.8. Mối quan hệ giữa biên độ dao động và tốc độ gió . 53 Hình 3.9. Mặt cắt dầm gắn bộ điều khiển sự ảnh hưởng của dòng khí. ........................54 Hình 3.10. Mô phỏng cầu Akashi Kaikyo. ....................................................................54 Hình 3.11. Mặt cầu thiết kết kiểu Open grating. ........................................................... 54 Hình 3.12. Hình ảnh mặt cầu Akashi Kaikyo. ............................................................... 55 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Thang đo gió Beaufort: ....................................................................................7 Bảng 1.2. Chiều cao nhám bề mặt. ................................................................................10 Bảng 1.3. Trị số áp lực gió tương ứng với các v ng. ....................................................12 Bảng 1.4. Phân loại các hiện tượng khí động lực học cơ bản. ......................................13 Bảng 1.5. Danh sách các cây cầu bị phá hủy bởi gió. ...................................................14 Bảng 2.1. Các loại thí nghiệm hầm gió cho kết cấu nhịp. .............................................28 Bảng 2.2. Các thông số của mô hình thu nhỏ trong thí nghiệm mô hình mặt cắt. ........30 1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI: Hiện nay, các cây cầu treo (dây văng, dây võng) nhịp lớn đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều tại Việt Nam, với một loạt các cây cầu hiện đại như: cầu Kiền, cầu Bính, cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, cầu Phú Mỹ, cầu Mỹ Thuận, cầu Thuận Phước, cầu Nhật Tân, cầu Trần Thị Lý... Tuy nhiên, do kết cấu thanh mảnh và phức tạp nên các cây cầu treo nhịp lớn cũng rất nhạy cảm với các tác dụng của gió. Việt Nam là nước chịu ảnh hưởng nhiều của gió bão, do đó việc nghiên cứu ứng xử của cầu treo nhịp lớn dưới tác dụng của gió là hết sức cần thiết. 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 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. Khi nằm trong dòng gió, kết cấu nhịp dịch chuyển và dao động, sau đó dao động này lại ảnh hưởng đến dòng gió xung quanh kết cấu. Dao động được tạo ra bởi sự tương tác này gọi là dao động tự kích và kết quả là sinh ra các lực khí động (lực phụ thuộc dao động). Nếu lực khí động tương tác một cách đáng kể và biên độ dao động tự kích phát triển theo thời gian với các đặc tính phân kỳ sẽ gây ra mất ổn định. Hiện tượng này được gọi là mất ổn định khí động [1]. Trong đó vấn đề nổi bật là cần nghiên cứu là cơ chế gây ra mất ổn định khí động flutter, vì khi xảy ra flutter kết cấu sẽ dao động với biên độ phóng đại và không giới hạn đến khi kết cấu bị sụp đổ, nên nó đóng vai trò quan trọng trong thiết kế những cây cầu này. 2. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU: - Dầm cầu dây văng, dây võng; - Hiện tượng mất ổn định flutter của công trình cầu. 3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU: Xác định vận tốc gió flutter cho mặt cắt ngang tổng quát dạng hộp mõng. 4. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU: - Nghiên cứu sự làm việc của cầu dưới tác dụng của tải trọng gió. - Tập hợp các vấn đề đã được nghiên cứu liên quan đến bài toán phân tích và các biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo; từ đó cho thấy một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. 5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU: Phân tích mất ổn định flutter là việc đi tìm vận tốc tới hạn flutter của cầu, thông qua các tham số flutter được xác định từ dạng mặt cắt tổng quát dạng hộp mõng. Có hai phương pháp giải tích hay d ng: phương pháp trị riêng phức và phương pháp bước 2 lặp. Luận văn này trình bày việc áp dụng phương pháp bước lặp để tính toán sự mất ổn định flutter của cầu dây treo có chiều dài nhịp lớn. 6. BỐ CỤC CỦA LUẬN VĂN: Chƣơng 1: Tổng quan về gió tác d ng ên c ng tr nh: 1.1. Sự phát triển cầu dây văng, dây võng trên thế giới và Việt Nam; 1.2. Các đặc trưng của gió trong thiết kế công trình cầu; 1.3. Số liệu gió d ng trong thiết kế; 1.4. Phản ứng của công trình cầu dưới tác dụng của tải trọng gió; 1.5. Các hiện tượng khí đàn hồi; 1.6. Mô hình dao động của cầu dây võng và cầu dây văng dưới tác dụng của gió; Kết luận chương 1. Chƣơng 2: Lý thuyết F utter: 2.1. Cơ sở lý thuyết về hiện tượng flutter đối với công trình cầu; 2.2. Các phương pháp xác định flutter. Kết luận chương 2. Chƣơng 3. Xác đ nh F utter cho mặt cắt ngang tổng quát: 3.1. Phân tích flutter theo phương pháp bước lặp; 3.2. Một số giải pháp nâng cao ổn định flutter cho công trình cầu. Kết luận chương 3. Kết uận và kiến ngh 3 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ GIÓ TÁC DỤNG LÊN CÔNG TRÌNH. 1.1. Sự phát triển cầu dây văng, dây võng trên thế giới và Việt Nam: Sự ph t triển ầu dây văng, dây võng trên thế giới Trong khoảng 50 năm qua kỹ thuật xây dựng cầu dây văng, dây võng phát triển rất nhanh chóng trên thế giới. Các nhà thiết kế luôn cố gắng vươn tới các cây cầu có chiều dài nhịp lớn. Theo thời gian c ng với sự phát triển của máy tính điện tử cũng như công nghệ thiết bị thi công, vật liệu xây dựng và trình độ khoa học kỹ thuật, cầu treo ngày càng vượt nhịp lớn. Có thể điểm qua một số cây cầu ấn tượng như: - Cầu kashi Kaikyo (Hình 1.1) là cây cầu treo dài nhất thế giới, với chiều dài nhịp chính lên tới gần 2 km, tổng chiều dài cầu khoảng 3,9 km. Cây cầu này nằm trên đường cao tốc Honshu - Shikoku bắc qua vịnh Akashi, một tuyến giao thông huyết mạch của Nhật Bản. - Cầu Bắc Bàn Giang (Hình 1.2) bắc qua một khe núi nối hai tỉnh Vân Nam và Quý Châu (Trung Quốc), hiện giữ kỷ lục cầu cao nhất thế giới, xét theo khoảng cách từ cầu đến bề mặt bên dưới. Cầu cao 564 m so với con sông Bắc Bàn bên dưới và dài 1.341m. nh 1 1 u Akashi Kaikyo nh 1 2 C u B c Bàn Giang. - Xét về chiều cao của cấu trúc bên trên cầu, công trình giữ kỷ lục cầu cao nhất thế giới hiện là cầu Millau Viaduct - Pháp (Hình 1.3). Cầu dài 2.460m với đểm cao nhất của cây cầu đạt 342 m. Về phương diện th m mỹ, một số cầu được xem là biểu tượng cho cả một v ng, cả một quốc gia như: Cầu Golden Gate của Mỹ (Hình 1.4), Cầu Tsing Ma (Hình 1.5) của Hồng Kông . 4 nh 1 3 nh 1 4 u ol n t u ill u Vi u t nh 1 5 u Tsing Sự phát triển của cầu treo dây văng, dây võng không còn đơn thuần là đáp ứng nhu cầu giao thông mà nó còn là mục tiêu và thách thức lớn đối với các nhà khoa học để có một chiếc cầu mang lại n t đặc trưng riêng độc đáo về kết cấu, kiến trúc hơn nữa là kỷ lục về chiều dài nhịp. 1.1.2. Sự phát triển cầu dây văng, dây võng iệt Nam: Với một đất nước có bề dày lịch sử trải qua nhiều thăng trầm nên công nghệ thiết kế và thi công cầu ở Việt Nam còn khá ít kinh nghiệm và non tr so với các nước phát triển. Lịch sử phát triển xây dựng cầu treo ở Việt Nam gắn liền với quá trình lịch sử của đất nước. Từ giữa năm 1965, nhằm phục vụ công tác đảm bảo giao thông trong cuộc chiến tranh chống Mỹ cứu nước đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu các biện pháp vượt sông bằng hệ cáp treo. Từ đó, các sản ph m cầu treo được ra đời như cầu cáp 5 Vĩnh Tuy (Hà Giang), Đoan Vỹ (Nam Hà) năm 1965 – 1968, cầu cáp Đoan H ng (Vĩnh Phú) năm 1966 .. Cho đến nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật c ng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài. Các cây cầu treo (dây văng, dây võng) nhịp lớn đã và đang được xây dựng ngày càng nhiều tại Việt Nam, với một số cây cầu hiện đại như: cầu Kiền, cầu Bính, cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, cầu Thuận Phước, cầu Nhật Tân, cầu Trần Thị Lý... Vừa qua, cầu Vàm Cống cũng đã chính thức thông xe, là cầu nối của tuyến giao thông huyết mạch của các tỉnh miền Tây với các v ng lân cận. Đặc điểm nổi bậc của kết cấu hệ treo là tính th m mỹ cao nhưng kết cấu rất thanh mảnh và độ cứng thấp nên rất nhạy cảm với tác động tải trọng động, đặc biệt là tải trọng gió. Bên cạnh sự phát triển của cầu dây văng, dây võng trong những năm qua trên thế giới và Việt Nam. Vấn đề nghiên cứu mất ổn định khí động học cần phải được đặc biệt quan tâm, Việt Nam là nước nằm trong v ng chịu ảnh hưởng nhiều của gió bão cho nên việc nghiên cứu ảnh hưởng của gió lên công trình cầu là hết sức cần thiết. Trong lịch sử, đã có nhiều sự cố do mất ổn định khí động học phải được kể đến như: cầu Brighton Chain Pier, xây dựng năm 1822 tại Anh, bị phá hủy phần dầm cầu bởi một cơn bão vào năm 1836 (Hình 1.6); cầu Tacoma Narrows tại Mỹ bị phá hủy vào năm 1940 (Hình 1.7) do dao động flutter. Sau sự cố sụp đổ của cầu Tacoma Narrows các công trình cầu mới được bắt đầu nghiên cứu ổn định dưới tác dụng của khí động. nh 1 6 righton h in i r nh 1 7 u T om rrows 1.2. Các đặc trƣng của gió trong thiết kế c ng tr nh cầu. 1.2.1. i tr ng h uyển Gió hay sự chuyển động tương đối của các khối không khí so với mặt đất có nguồn gốc phát sinh từ bức xạ nhiệt khác nhau giữa các v ng trên bề mặt Trái đất. Mặt trời, với nhiệt độ bề mặt khoảng 60000K (độ Kelvin, tương đương 55000C), là 6 nguồn cung cấp nhiệt lượng cho Trái đất. Năng lượng từ mặt trời truyền đến Trái đất dưới dạng các bức xạ có bước sóng ngắn, và trong sự cân bằng nhiệt lý tưởng, nhiệt độ của bề mặt Trái đất ổn định khoảng 2500K. Bầu khí quyển của Trái đất không hấp thu nhiệt lượng từ các bức xạ này do bước sóng ngắn, mà lại nhận nhiệt lượng từ mặt đất thông qua các bức xạ có bước sóng dài hơn. Do Trái đất quay quanh trục nghiêng so với mặt ph ng hoàng đạo và đặc điểm địa lý tự nhiên, bức xạ diễn ra không đồng đều giữa các v ng trên bề mặt Trái đất, dẫn đến sự chênh lệch nhiệt độ không khí. Sự chênh lệch nhiệt độ này là nguồn gốc phát sinh ra gió. X t cân bằng khí động lực học, chuyển động của một phần tử khí trong khí quyển sẽ chịu sự tác động của các lực sau: - Lực do biến thiên áp suất ngang: lực sinh ra do biến thiên áp suất ngang sẽ làm cho không khí di chuyển từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp (biểu diễn bởi các đường đ ng áp). - Lực Coriolis: lực biểu kiến trong chuyển động tròn quanh trục của Trái đất, xác định bởi: Trong đó: m là khối lượng phần tử khí, là vận tốc góc của chuyển động Trái đất, v là vận tốc tương đối của phần tử khí so với mặt đất. - Lực ly tâm: Trong đó, r là bán kính cong của Trái đất. - Lực ma sát: bề mặt Trái đất có tác động làm chậm sự chuyển động của phần tử khí thông qua lực ma sát. Càng gần mặt đất thì ma sát càng nhiều và tốc độ di chuyển khí càng giảm (Hình 1.8). Lực ma sát do vậy phụ thuộc dạng địa hình bề mặt đất. nh 1 8 i n thiên v n t kh ol m sát mặt 7 Khi lượng định tác động của gió lên công trình, các thang đo gió thường được sử dụng, trong đó Thang đo Beaufort là thang đo phổ biến nhất. Thang sức gió Beaufort ban đầu có 13 cấp (từ 0 tới 12) và được mở rộng thành 18 cấp (từ 0 tới 17) năm 1946, khi các cấp từ 13 tới 17 được thêm vào. Bảng thang độ và miêu tả dưới đây liệt kê đầy đủ 18 cấp gió và 1 cấp phụ (18+) trở lên cho những cơn bão vượt xa thang độ mở rộng 1 (cấp 17). ảng 1 1 Th ng o gi u ort: Cấp Beaufort 0 1 2 3 4 5 Vận tốc gió ở 10 m trên mực nƣớc biển (hải lý / km/h / mph) Mô tả nhỏ hơn 1 / nhỏ hơn 1 / 1 Êm đềm 1-3 / 1-5 / 1-3 Gió rất nhẹ 4-6 / 6-11 / 4-7 Gió thổi nhẹ vừa phải 7-10 / 12-19 / 8-12 Gió nhẹ nhàng 11-16 / 20-28 / 13-18 Gió vừa phải 17-21 / 29-38 / 19-24 Gió mạnh vừa phải Độ cao sóng (m) Tình trạng mặt biển Tình trạng đất liền Ph ng lặng Mặt đất êm đềm, hầu như lặng gió. Sóng lăn tăn, không có ngọn. Chuyển động của gió thấy được trong khói. Sóng lăn tăn. Cảm thấy gió trên da trần. Tiếng lá xào xạc. Sóng lăn tăn lớn. Lá và cọng nhỏ chuyển động theo gió. 1 Sóng nhỏ. Bụi và giấy rời bay lên. Những cành cây nhỏ chuyển động. 2 Sóng dài vừa phải (1,2 m). Có một chút bọt và bụi nước. Cây nhỏ đu đưa. 0 0,1 0,2 0,6 6 22-27 / 39-49 / 25-31 Gió mạnh 3 Sóng lớn với chỏm bọt và bụi nước. Cành lớn chuyển động. Sử dụng ô khó khăn. 7 28-33 / 50-61 / 32-38 Gió mạnh 4 Biển cuộn sóng và bọt bắt đầu có vệt. Cây to chuyển động. Phải có 8 sự gắng sức khi đi ngược gió. 8 9 10 11 34-40 / 62-74 / 39-46 41-47 / 75-88 / 47-54 Gió mạnh hơn Gió rất mạnh 48-55 / 89-102 / 55-63 Gió bão 56-63 / 103-117 / 64-72 Gió bão dữ dội 5,5 Sóng cao vừa phải với ngọn sóng gãy tạo ra nhiều bụi. Các vệt bọt nước. Cành nhỏ gãy khỏi cây. 7 Sóng cao (2,75 m) với nhiều bọt hơn. Ngọn sóng bắt đầu cuộn lại. Nhiều bụi nước. Một số công trình xây dựng bị hư hại nhỏ. 9 Sóng rất cao. Mặt biển trắng xóa và xô mạnh vào bờ. Tầm nhìn bị giảm. Cây bật gốc. Một số công trình xây dựng hư hại vừa phải. 11,5 Sóng cực cao. Nhiều công trình xây dựng hư hỏng. 14+ Các con sóng khổng lồ. Không gian bị bao phủ bởi bọt và bụi nước. Biển hoàn toàn trắng với các bụi nước. Nhiều công trình hư hỏng nặng. 14+ Sóng biển cực kỳ mạnh. Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn. Sức phá hoại cực kỳ lớn. 14+ Sóng biển cực kỳ mạnh. Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn. Sức phá hoại cực kỳ lớn. 14+ Sóng biển cực kỳ mạnh. Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn. Sức phá hoại cực kỳ lớn. Sức phá hoại cực kỳ lớn. Sức phá hoại cực kỳ lớn. 64 / 118-133 / 73 và cao hơn Gió bão cực mạnh 76 / 134-149 / 88 Gió bão cực mạnh 85 / 150-166 / 98 Gió bão cực mạnh 94 / 167-183 / 109 Gió bão cực mạnh 16* 104 / 184-201 / 120 Gió bão cực mạnh 14+ Sóng biển cực kỳ mạnh. Đánh đắm tàu biển có trọng tải lớn. 17* 114 / 202-220 / 131 Gió bão cực 14+ Sóng biển cực kỳ mạnh. Đánh đắm tàu 12 13* 14* 15* 9 mạnh > 18+ >119 / >221 / >137 Gió bão cực kỳ mạnh biển có trọng tải lớn. Sóng biển vô cùng Sức phá hoại 14+ mạnh. Đánh đắm tàu cực kỳ tàn bạo. biển có trọng tải rất lớn. 1. iến thiên v n t gi trung nh th hi u [3]: 1.2.2.1. T ng iên kh quy n: Khái niệm tầng biên thường được đề cập trong các bài toán liên quan đến tương tác giữa lưu chất và một vật thể rắn. Dòng lưu chất trong tầng biên khi đó là dòng chảy rối do sự phát sinh những xoáy động từ chuyển động ngang giữa các lớp lưu chất. Một thí dụ là tầng biên dày 2-3 mm của khí lưu xung quanh bề mặt cánh máy bay đang chuyển động. Trường hợp của gió trong khí quyển, như đã trình bày ở mục (1.2.1), bề mặt Trái đất có tác động làm chậm chuyển động của không khí thông qua lực ma sát, và khoảng không gian mà trong đó chuyển động của không khí được đặc trưng bởi lực ma sát gọi là tầng biên khí quyển. Với: UG = vận tốc gió chảy tầng phía trên tầng biên khí quyển. U(z,t) = vận tốc gió tại thời điểm t, ở độ cao z trong tầng biên khí quyển. ̅ (z) = vận tốc gió trung bình ở độ cao z trong tầng biên khí quyển. nh 1.9 h nh t ng iên kh quy n 1.2.2.2. i n thiên v n t gi trung nh th o hi u o: Với mô hình tầng biên khí quyển trong Hình 1.9, khi z ≤ zG, với zG = chiều cao tầng biên, vận tốc gió tại một vị trí được biểu diễn như tổng của hai đại lượng: (1) giá trị trung bình biến thiên theo chiều cao, và (2) dao động quanh giá trị trung bình với đặc trưng của dòng rối. 10 Trong khi dòng rối tầng biên có tính chất của một quá trình ngẫu nhiên, các quan sát thực tế cho thấy vận tốc gió trung bình lại có quy luật biến thiên nhất định. Những nghiên cứu đầu tiên đã đề nghị vận tốc gió trung bình biến thiên theo chiều cao bởi quy luật logarith như sau: ̅ ̅ Trong đó: và ̅ lần lượt là chiều cao tham chiếu (giá trị phổ biến = 10 m t) và vận tốc gió đo tại chiều cao tham chiếu, và là chiều cao nhám bề mặt. Chiều cao nhám bề mặt tính bằng m t, thay đổi t y theo địa hình, cho trong Bảng 1.2. ảng 1 2. hi u o nhám mặt Simiu & Scanlan, 1996. Dạng đ a h nh (m) Sa mạc 0.0001 – 0.001 Đồng cỏ thấp 0.01 – 0.04 Đồng cỏ cao 0.04 – 0.1 Rừng thông 0.9 – 1 Thị trấn 0.8 – 1.2 Thành phố 2–3 1.2. nt gi trung nh Tốc độ gió trung bình trong một khoảng thời gian nhất định được định nghĩa bởi: U  z  1 T u (t )dt T 0 Với T là khoảng thời gian lấy trung bình. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, có thể đo tốc độ gió trong khoảng thời gian khác nhau. Nếu khoảng thời gian T bằng từ một vài phút đến vài giờ, ta có vận tốc gió kéo dài, còn khi khoảng thời gian trung bình là vài giây thì ta có vận tốc gió giật. Để thiết kế công trình chịu tải trọng gió, cần xác định giá trị lớn nhất có thể xảy ra của vận tốc gió trung bình ̅ trong suốt niên hạn sử dụng của công trình, hay trong một chu kỳ lặp lại xác định, tức là trong 50 hoặc 100 năm. Trong khi đó, dữ liệu đo đạc ̅ tại các trạm thường chỉ lại được thu giữ trong thời gian giới hạn, như là dưới 10 năm. Lý thuyết thống kê sẽ được áp dụng để tìm vận tốc gió trung bình cực trị cần biết. 11 Các bước tiến hành được tóm tắt như sau: {𝑥 , 𝑥 … , 𝑥𝑚 }, thí dụ: m = 10 ̅̅̅ ̅̅̅ Năm thứ 1 {̅ max } ̅̅̅ ̅̅̅ Năm thứ 2 } {̅ xj Một mô hình thống kê của y, với max ̅̅̅ ̅̅̅ V i Uk Một mô hình thông kê của 𝑥 y ≡ max {𝑥 , 𝑥 … , 𝑥𝑁 } {̅ Năm thứ m Dữ liệu vận tốc gió trung bình cực đại theo năm N = niên hạn công trình, thí dụ N =50 Ước giá trị trung bình của y (𝑦̅) max 𝑦̅ = giá trị kỳ vọng của vận tốc gió trung bình cực đại trong N năm } v nt gi trung nh i trong ngày th k v nt gi trung nh i trong năm th j nh 1 10 h nh th ng kê xá nh v n t gi trung nh i ng r i h uyển Dòng rối khí quyển được định nghĩa là những chuyển động h n loạn, không trật tự của gió trong khí quyển, với hướng và vận tốc thay đổi đột ngột. Theo mô tả của Panofsky, dòng rối khí quyển có các đặc trưng sau: - Chuyển động ba chiều và có thể xoáy tròn. - Liên tục (do vậy biểu diễn bởi các hàm liên tục). - Phi tuyến (chi phối bởi các phương trình vi phân tuyến). - Khuếch tán năng lượng (chuyển đổi năng lượng và nhiệt năng). - Tiêu tán năng lượng. 1.3. Số iệu gió d ng trong thiết kế: 1.3 gi n Tốc độ gió cơ bản là tốc độ gió tối đa trung bình trong 10 phút của kỳ hạn tái xuất hiện 100 năm ở cao độ 10m cách mặt đất bằng ph ng thoáng đãng. Trong trường hợp trạm khí tượng tại địa phương xây dựng cầu thiếu các số liệu quan trắc về tốc độ gió thì dùng bản đồ phân bố áp lực gió cơ bản, trị số của Việt Nam có thể lấy từ Tiêu chu n 22TCN 272-05, lấy áp lực gió cơ bản ở khu vực xây dựng cầu tính đổi ra tốc độ gió cơ bản: 12 , √ , Trong đó: W0: Áp lực gió cơ bản ở khu vực xây dựng cầu, rút ra từ bản đồ phân bố áp lực gió cơ bản tr s của Việt nam có th l y từ Tiêu chuẩn 22TCN 272-05. V20: Tốc độ gió cơ bản ở độ cao 20m. (đơn vị m/s) V10: Tốc độ gió cơ bản ở độ cao 10m. (đơn vị m/s) 1. gi thiết ế Vận tốc gió thiết kế được tính theo công thức: Trong đó: là hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió theo cao trình và loại mặt đất. 1.3 t nh gi t t gi Gió có thể được coi là sự chuyển động nhiễu loạn của không khí. Chuyển động này có đặc điểm là không theo quy luật và luôn thay đổi theo không gian và thời gian. Trong tính toán công trình, thông thường gió được đặc trưng bởi ba thành phần vận tốc U(t), V(t),W(t) theo ba phương của hệ quy chiếu. Các thành phần này phụ thuộc vào vận tốc theo trung bình theo hướng chính của luồng gió U và các thành phần động u(t), v(t), w(t): U(t) = U + u(t) V(t) = v(t) W(t) = w(t) Thành phần động của tốc độ gió luôn biến đổi có thể được miêu tả bằng các đặc tính như cường độ rối, hàm mật độ phổ công suất của dòng rối, kích thước dòng rối và tương quan không gian của dòng rối. 1.3.4 Phân v ng gi iệt Phân vùng gió trên lãnh thổ Việt Nam được chia theo địa giới hành chính, các đường đậm nét trong bản đồ phân vùng gió là ranh giới giữa các vùng ảnh hưởng của bão được đánh giá là yếu hoặc là mạnh. Phân vùng áp lực gió theo địa giới hành chính cho trong phụ lục E tiêu chu n tải trọng và tác động TCVN 2737-1995, giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng gió trên lãnh thổ Việt Nam chia làm 5 cấp tương ứng với các trị số như sau. ảng 1 3 Tr s áp l gi t ng ng v i á v ng V ng áp lực I II III IV V gió trên bản đồ W0(daN/m2) 65 95 125 155 185 1.4. Phản ứng của c ng tr nh cầu dƣới tác d ng của tải tr ng gió: Công trình cầu thường được xây dựng ở nơi trống trải và chịu gió mạnh. Tác 13 dụng của gió lên công trình cầu nói chung hay cầu dây văng nói riêng chia làm 2 nhóm: tác dụng tĩnh và tác dụng động lực. Ngoài ra cũng phải xem xét tới ảnh hưởng của các công trình lân cận làm thay đổi hướng gió và các đặc trưng của dòng gió. Thông thường, áp lực gió tĩnh có thể gây biến dạng cho kết cấu cầu, còn tác dụng động học của gió làm cho kết cấu cầu bị rung hoặc dao động mạnh. Khi dòng khí nhiễu loạn đi qua công trình phát sinh các lực khí động biến đổi theo thời gian làm cho kết cấu dao động cưỡng bức. Trong nhóm này có các hiện tượng dao động rung lắc (Buffeting) và dao động xoáy khí (Vortex-Shedding). Các dao động cưỡng bức nói trên có tính chất tắt dần do hao tán năng lượng cơ học. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp khi nghiên cứu dao động kết cấu ở vận tốc gió lớn thấy rằng bản thân dao động kết cấu lại phát sinh ra lực khí động bổ sung tạo thêm năng lượng mới cho dao động tự thân, dao động của bản thân kết cấu trở thành bị động, lúc này biên độ dao động đột ngột tăng nhanh gây mất ổn định động lực và phá huỷ kết cấu. Các dao động tự kích thích do các lực khí động được phát sinh từ bản thân dao động ban đầu của công trình hay do tương tác cơ học giữa kết cấu và dòng khí chứ không phải có nguồn gốc từ tác động dòng khí. Mất ổn định theo dạng này gọi là gọi chung là mất ổn định khí đàn hồi, biểu hiện ở các hiện tượng dao động tròng trành (Flutter) và dao động tiến triển nhanh(Galloping). Phản ứng của công trình dưới tác dụng của gió không phải là một hiện tượng đơn thuần mà là tổng hợp các hiện tượng khí động lực học cơ bản. Có thể phân loại các hiện tượng này như trong Bảng 1.4. Bảng 1.4. Phân lo i các hiện t ợng kh ng l c họ ản. Loại tác dụng Tên tiếng Việt Tên tiếng nh Tác dụng tĩnh Biến dạng và ứng suất tĩnh Mất ổn định tĩnh Mất ổn định uốn ngang Mất ổn định xoắn Tác dụng động Dao động với biên độ giới hạn Limited vibration Dao động do xoáy khí Vortex-Shedding Dao động do gió-mưa Rain-wind-induced vibration Dao động do rối của dòng khí Buffeting Dao động phía cuối gió Wake-induced vibration Dao động tự kích với biên độ tăng dần Divergent vibration Dao động tự kích theo phương uốn Galloping Dao động tự kích theo phương Flutter uốn-xoắn Static deflection and stress Static instability Lateral buckling Divergence Các ảnh hưởng do tác dụng động lực của gió vào kết cấu có thể gây mỏi, hư hại các bộ phận chịu lực của kết cấu, hay ảnh hưởng tâm lý tới người qua cầu, thậm chí 14 gây phá huỷ kết cấu trong trường hợp mất ổn định khí động. Các ảnh hưởng tới tâm lý xuất phát từ việc kết cấu bị cộng hưởng ngay với vận tốc gió thông thường làm dao động của kết cấu phức tạp. Bảng 1.5. nh sá h á y u phá hủy i gi 1.5. hiện tượng h nh i Khi công trình biến dạng hay chuyển động đáng kể dưới tác động của tải trọng gió, những biến dạng hay chuyển động này có thể làm thay đổi điều kiện biên của dòng khí lưu, từ đó điều chỉnh trở lại sự hình thành tải trọng gió; và đến lượt tải trọng gió có khả năng lại gây khuếch đại biến dạng hay chuyển vị bất lợi cho công trình. Đây được gọi là các hiện tượng khí đàn hồi. Như vậy, khí đàn hồi học là ngành khoa học nghiên cứu các hiện tượng mất ổn định xảy ra do tương tác đáng kể giữa các lực khí động lực học và chuyển động của công trình. Có thể thấy khí đàn hồi học có vai trò hết sức quan trọng trong thiết kế các công trình có kết cấu mềm và thanh mảnh xuất hiện ngày càng nhiều trong cuộc sống hiện đại ngày nay như cầu dây võng, cầu dây văng, cáp truyền tải điện,... Trước khi tìm hiểu các hiện tượng khí đàn hồi liên quan đến tương tác động giữa tải trọng gió và công trình, cần nhận biết một số dạng mất ổn định công trình do tải gió tĩnh như là mất ổn định ngang và mất ổn định xoắn. 1.5 d ng t nh gi ên ầu 1.5 1 1 i n ng và ng su t t nh: Đây là các hiện tượng tĩnh, không phụ thuộc vào thời gian, chúng được gây ra bởi vận tốc gió trung bình. Xét một vật cản có dạng lăng trụ, đặt trong luồng gió thổi đều với vận tốc U, khi đó tác dụng của luồng gió lên vật cản gồm 3 thành phần: lực nâng L vuông góc với hướng gió thổi, lực đ y D trùng với hướng gió thổi và momen xoắn M quanh tâm uốn (hình 1.11).