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

Xuất phát từ thực tế đó, 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“ được chọn mong muốn làm

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Đà Nẵng – Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ

Phản biện 1:

……… Phản biện 2:

Có thể tìm luận văn tại:

- Trung Tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

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 Cần Thơ, cầu Phú Mỹ, cầu Mỹ Thuận, cầu Thuận Phước, cầu Trần Thị Lý Tuy nhiên, do kết cấu thanh mảnh và phức tạp nên các cầu treo nhịp lớn cũng rất nhạy cảm với các tác dụng của gió Trong đó nguyên nhân do tác động của gió lên công trình được xem là quan trọng nhất Tại 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

Trên địa bàn Đà Nẵng, cầu 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 tháp cầu đã có va chạm hoặc bị té ngã khi xuất hiện những cơn gió lớn Hiện tượng này gọi là hiệu ứng của dao động galloping vùng đuôi

Xuất phát từ thực tế đó, 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“ được chọn mong muốn làm rõ vấn đề này, đồng thời đưa ra giải

pháp và khuyến nghị cho vấn đề khai thác an toàn

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

- Đánh giá ổn định galloping đối với tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp không có và có xe qua cầu

- 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

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu bằng hầm gió số và quy đổi các kết quả tính toán từ phần mền ra mô hình thực tế Qua đó xác định vận tốc gió tới hạn khi xảy ra mất ổn định Galloping Dựa trên kết quả đó đề xuất các giải pháp nâng cao ổn định galloping và đưa ra các khuyến khuyến cáo về mặc khai thác an toàn cho cầu Trần Thị Lý

5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

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 đối với các phương tiện giao thông

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

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 1.1 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]

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 (lực-phụ-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 sơ họa 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]

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

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; biên

độ này không chỉ không bị hạn chế mà còn tăng lên trong mỗi chu kỳ Việc dao động tăng lên sẽ làm cho các lực khí động tăng lên và gây ra các lực tự kích và dao động tự kích Một khi hiện tượng mất ổn định khí động này bắt đầu, 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

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 Dao động buffeting thường tăng một cách đơn điệu theo vận tốc gió trung bình và nói chung nó không dẫn đến sự phá hoại đột ngột nhưng có vai trò quan trọng trong quá trình khai thác sử dụng cầu nhịp lớn Các lực buffeting gồm lực nâng theo phương đứng, lực cản song song với hướng gió và mômen xoắn

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 Có hai phương pháp phân tích phản ứng buffeting là phương pháp tần số và phương pháp thời gian

“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 Blà 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 kết cấu nhịp cầu

1.1.4.1 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

Xét hai lăng trụ cách nhau vài lần đường kính như thể hiện ở hình 2.8 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 Thành phố Đà Nẵng, cầu Trần Thị Lý đã được đưa vào khai thác và góp phần tăng thêm mỹ quan cho thành phố Tuy nhiên, theo quan sát cho thấy, sau khi đưa vào khai thác sử dụng tại tháp cầu Trần Thị lý đã xuất hiện vấn đề cần quan tâm Đó là 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

Hình 1.8 Hình ảnh phương tiện giao thông tai nạn khi gặp gió bão tại tháp cầu Trần Thị Lý Đà Nẵng tháng 3/2015 [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

- Dao động rung lắc (Buffeting)

- Dao động tiến triển nhanh (Galloping)

Để phân tích sự tương tác giữa dòng gió và kết cấu, thí nghiệm hầm gió, đây là 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 Thì phương pháp số được áp dụng là mô phỏng động lực học chất lưu trên máy tính (Computational Fluid Dynamic-CFD) [21] Phương pháp nay 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

Chương 2: NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG GALLOPING VÀ MÔ HÌNH

“HẦM GIÓ SỐ”

2.1 Dao động galloping

2.1.1 Nguyên nhân và cơ chế gây nên lực khí động galloping

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 [12] [17] [18]

Hình 2.1 Dao động galloping do dòng gió ổn định gây ra

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 xảy ra galloping, công thức 2.8

L D 0

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 2.2 Galloping vùng đuôi [9]

Galloping vùng đuôi có thể xảy ra đối với các dây cáp văng trong cầu dây văng hoặc các dây treo trong cầu treo Nó xảy ra vận tốc gió lớn và dẫn đến biên độ dao động lớn Các dao động này gây ra mỏi cho các cáp treo hạ lưu tại

vị trí neo cáp trong cầu treo và cũng tương tự như vậy đối với cầu dây văng Tuy nhiên, galloping vùng đuôi chỉ xảy ra với điều kiện tần số dao động của lăng trụ hạ lưu thấp hơn so với tần số xoáy khí của cả hai lăng trụ thượng và hạ lưu Những trường hợp như vậy, khi lăng trụ phía hạ lưu đặt cách lăng trụ phía thượng lưu vài lần đường kính thì lăng trụ phía hạ lưu đi vào vùng mất ổn định galloping Hình 2.2

Quá trình đó cứ tiếp diễn và công trình dao động với biên độ ngày một tăng cho đến khi sụp đổ Như vậy, do ảnh hưởng của góc tới, chuyển động của công trình ảnh hưởng rất lớn đến lực ngang tác dộng nhiều nhất lên các công trình

2.2 Tổng quan về phương pháp “hầm gió số”

Galloping là một dạng mất ổn định khí động và là một bài toán phức tạp, đòi hỏi sự phân tích, đánh giá và nghiên cứu trên nhiều cơ sở và nhiều yếu tố

Do đó, để phân tích mất ổn định galloping của cầu dây văng dưới tác động của gió thì có hai phương pháp: (1) Phương pháp thí nghiệm hầm gió; (2) Phương pháp “hầm gió số”

2.2.1 Lý thuyết “hầm gió số”

Việc áp dụng phương pháp “hầm gió số” với kết quả có độ chính xác đáp ứng yêu cầu có ý nghĩa quan trọng trong bài toán mô phỏng sự tương tác giữa kết cấu và dòng gió Trong chương này, một số kết cấu như tiết diện tròn, tấm mỏng phẳng, tiết diện ngang cầu Great Belt và cầu Thuận Phước được mô phỏng theo mô hình tiết diện bằng phương pháp “hầm gió số” với kết quả có sai

số chấp nhận được

2.2.2 Các thông số cơ bản về “hầm gió số”

2.2.2.1 Điều kiện biên

Các điều kiện biên về gió trong ngành cầu thông thường là dòng vào, dòng ra, tính đối xứng, tính tuần hoàn/chu kỳ và tường Dòng gió xuất phát từ các biên mà dòng đi vào Độ lớn và góc tới của dòng được cập nhập tại các biên này Các đại lượng đặc trưng dòng rối như k,  và  phải được định nghĩa cũng tại biên này Các biên mà dòng đi ra thường ở xa kết cấu và tại đó các dòng phải đạt đến trạng thái phát triển hoàn toàn [21] [22]

2.2.2.2 Tạo lưới

Đối với phương pháp “hầm gió số”, miền tính toán nói chung được rời rạc thành ba miền lưới như: (1) Miền lưới lớp biên cứng: liên kết cứng cùng với tiết diện ngang; (2) Miền lưới lưới dao động: bị biến dạng sau mỗi bước thời gian phân tích; và (3) Miền lưới tĩnh: không bị biến dạng Các miền lưới lớp biên và miền lưới tĩnh có thể được tạo bởi các lưới tứ giác, trong khi đó miền lưới dao động có thể được tạo bởi các lưới tam giác [21] [22]

Hình 2.3 Sơ họa các miền chia lưới trong “hầm gió số”

2.2.2.3 Sai số của kết quả “hầm gió số”

Xiaobing Lui và cộng sự (2012) đã sử dụng phần mềm FLUENT để mô phỏng hai loại tiết diện hình chữ nhật và tiết diện hộp trong bài toán phân tích mất ổn định galloping Kết quả mô phỏng của các tác giả này cho thấy vận tốc galloping tới hạn có sai số khoảng 6% đối với tiết diện chữ nhật và khoảng 11% đối với tiết diện hộp so với kết quả từ thí nghiệm hầm gió

Ge Y.J và Xiang H.F (2008) đã áp dụng so sánh ba phương pháp số cơ bản là: Direct numerial simulation (DNS), Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) và Large eddy simulation (LES), Kết quả vi phân khí động khi xác định bằng ba phương pháp FEM, RVM và FLUENT, So sánh với kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm đối với vi phân khí động, vận tốc galloping tới hạn của ba tiết diện trên có sai số lần lượt là 13.5%, 17.1% và 9.6% đối với FLUENT, 2.7%, 2.8% và 0.7% đối với FEM và 10.2%, 16.2% và 34.4% đối với RVM

2.2.2.3 Mô hình tiết diện (section model)

Đối với cầu nhịp lớn, hai mô hình toàn cầu và mô hình một phần được áp dụng trong thí nghiệm hầm gió với mục đích khác nhau Tuy nhiên hầu hết mô hình một phần, hay còn gọi là mô hình tiết diện, thường được áp dụng [21][22][16]

Đối với các mô hình khi dao động tự do, tỷ số cản của mô hình lấy bằng

tỷ số cản của kết cấu thực Trong tất cả các trường hợp mô hình động, tỷ số mô hình vận tốc triết giảm phải thỏa mãn yêu cầu [21][22][16]

trong đó f là tần số dòng hoặc kết cấu; B là bề rộng cầu; và m, p là các chỉ

số liên quan đến mô hình và kết cấu thực

Mô hình tiết diện có thể được chế tạo với tỷ lệ từ 1/50 đến 1/25 và các yêu cầu về tỷ lệ kích thước giữa mô hình và kết cấu thực được liệt kê ở bảng 2.1

Bảng 2.1 Các yêu cầu tỷ lệ mô hình thí nghiệm dao động tự do [21] [22]

1 

2.3 Phân tích ổn định galloping đối với tháp cầu trường hợp không có xe

Để mô phỏng mất ổn định galloping tại tháp cầu, trước hết cần xác đinh hướng gió thổi bất lợi nhất cho tháp, đồng thời cũng là hướng gió gây nên các hiện tượng mất ổn định galloping vùng đuôi Theo số liệu quan trắc thực tế tại cầu Trần Thị Lý thì cho thấy, có 3 hướng gió thổi chính đó là: (1) Gió thổi theo phương vuông góc 900, (2) gió thổi theo phương góc 1800, (3) gió thổi theo phương góc 00

Tuy nhiên qua quan trắc thực tế cho thấy, hướng gió thổi nhiều nhất và có ảnh hưởng bất lợi đến các phương tiện tham gia thông đó là hướng thổi theo phương ngang cầu (hướng góc 900

) và hướng thổi theo phương dọc cầu Do đó chọn 2 hướng này để khảo sát nghiên cứu cho mất ổn định galloping

Hình 2.8: Hướng gió thổi phương ngang cầu

Hình 2.9: Hướng gió thổi phương dọc cầu

2.3.1 Kiểm tra điều kiện ổn định tại tháp theo phương ngang cầu

Xét mặt cắt ngang tháp ở cao độ + 11.203 với các thông số như hình 2.10:

Hình 2.10: Miền tính toán theo phương ngang tại tháp cầu

Sau quá trình tạo lưới bằng phần mềm Gambit (hình 2.11) và tính toán bằng phần mềm Fluent với số bước tính toán 2000 bước với các vận tốc của thí nghiệm tại các góc gió + 10, +5, +3, 0 , -3, -5 -10 Kết quả thu được phổ vận tốc và phổ vecto như hình 2.12

Hình 2.12: Phổ vận tốc và phổ áp suất tại góc + 10 theo phương ngang

của tháp cầu