tổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoc

tổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoctổng quan về ảnh hưởng của động lực với công trình cầu-Caohoc

Phần 1

Tổng quan về ảnh hởng của các tác

dụng động lực đối với công trình cầu

1-1 Khái quát về ảnh hởng của các tác dụng động lực đối với công trình Cầu

Trong quá trình khai thác, ngoài các tải trọng tĩnh (trọng lợng bản thân kếtcấu, trọng lợng các bộ phận cấu tạo, lớp phủ mặt cầu, lan can ) kết cấu cầu cònthờng xuyên chịu tác động của các loại tải trọng động nh tải trọng di động trên kếtcấu nhịp, lực gió, lực va xô của tàu bè vào trụ cầu, lực động đất hay các tác độngkhác

Các tác dụng động lực đặc trng do tính chất tác động thay đổi theo thời gianlàm phát sinh hiện tợng dao động của công trình

ở trạng thái dao động, trong các bộ phận của kết cấu phát sinh hiệu ứng quántính dẫn tới việc gia tăng trị số nội lực và biến dạng, gây khó khăn cho việc khaithác bình thờng, thậm chí trong những điều kiện cụ thể hiệu ứng quán tính lànguyên nhân dẫn đến các sự cố công trình 19, [22], [62], [81]

Một hiện tợng cần đợc đặc biệt quan tâm khi nghiên cứu về dao động là hiệntợng cộng hởng Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu ứng động lực trong kết cấutăng lên rất nhanh khi tần số của tác nhân kích động ở trong khoảng xấp xỉ hoặc làbội số của tần số dao động riêng của kết cấu Đặc điểm đáng chú ý là hiện tợngcộng hởng có thể xảy ra ngay ở trong trờng hợp trị số tác động của tải trọng khôngthật lớn nh trờng hợp cầu qua sông Suilkill ở Philadelphia (Mỹ) xây dựng năm

1809 bị đổ năm 1811 khi có một đoàn súc vật qua cầu hay cầu qua sông Men(Pháp) xây dựng năm 1838 sập đổ năm 1850 ở dới tác dụng đồng thời của một

đoàn quân đi đều bớc qua cầu ở thời điểm gió mạnh

Điều này có ý nghĩa thực tế rất lớn và đã đợc đa vào trong các qui trình thiết

kế cầu của các nớc để tránh việc thiết kế và xây dựng các công trình có tần số dao

động riêng trùng hoặc là bội số so với tần số dao động của một trong những tácnhân kích động nhằm tránh nguy cơ xảy ra hiện tợng cộng hởng [21], [86]

Trạng thái dao động của kết cấu có thể do một hay nhiều tác nhân độnglực tác động đồng thời Ngợc lại, cùng một nhân tố tác dụng động lực có thể gâytrạng thái dao động phức tạp trong các bộ phận của công trình

Tác dụng động lực đợc coi là nguy hiểm và khó kiểm soát nhất gây ra dao

động đối với các công trình cầu là gió Tác động gió mang yếu tố ngẫu nhiên cả

về cờng độ, hớng tác động, tần số Ví dụ dới tác động các luồng gió xoáy có thểgây ra trong một số bộ phận của kết cấu nhịp cầu trạng thái dao động uốn, dao

động xoắn và cả dao động dọc trục [82] Điều này đòi hỏi các nhà thiết kế cần có

sự quan tâm nghiên cứu trạng thái dao động của kết cấu không chỉ theo một vài

phơng chính mà còn cần xem xét tới các dạng dao động khác và khả năng xảy rabất lợi do tác dụng đồng thời của chúng Đây cũng chính là ý nghĩa của các điềukhoản qui định trong các Qui trình thiết kế không cho phép tần số dao động riêngcủa kết cấu cầu theo các phơng khác nhau nằm trong phạm vi có thể xảy ra cộnghởng [21], [22], [62], [82].

Hình 1-1: Một số dạng kết cấu chịu ảnh hởng lớn của hiện tợng dao động

ảnh hởng của tác động gió đối với công trình cầu cần đợc xem xét một cách

kỹ lỡng không chỉ ở giai đoạn đã xây dựng xong mà cả trong quá trình xây lắpcông trình Tơng ứng với sơ đồ cha hoàn chỉnh của kết cấu ở một số giai đoạn thicông, có thể xảy ra các tình huống bất lợi nh trờng hợp tần số dao động riêng củakết cấu với tần số dao động uốn và xoắn do gió gây ra gần trùng nhau dẫn đếnviệc xuất hiện nguy cơ xảy ra sự cố đối với công trình [62], [81], [82] Điều nàycần đợc đặc biệt chú ý khi xây dựng các cầu nhịp lớn bằng phơng pháp hẫng.Tác dụng của tải khai thác: ôtô, tàu hỏa hay các phơng tiện giao thông kháccũng thờng xuyên gây ra trạng thái dao động phức tạp đối với các công trình cầu.Tùy thuộc tốc độ chuyển động, sự thay đổi vị trí tác động của tải trọng theo thờigian gây nên trạng thái dao động cỡng bức đối với kết cấu nhịp cầu và dẫn tới khảnăng phát sinh các phụ tải theo chiều hớng bất lợi Bài toán động lực đối với tảitrọng di động càng trở nên có ý nghĩa thực tế hơn đối với các công trình cầu nhịplớn, cầu treo và cầu dây văng trong điều kiện sử dụng các phơng tiện vận tải caotốc hiện nay [81], [86]

Lực va chạm của tàu bè đi lại dới sông vào trụ cầu cũng gây ra các dao độngcủa hệ thống theo phơng ngang hay phơng dọc cầu Giá trị của lực va phụ thuộcvào tải trọng toàn phần của tàu bè Đối với các công trình quan trọng thì có thểdùng các kết cấu chống va để loại trừ hoàn toàn ảnh hởng của tác động này đốivới công trình.

Một tác dụng động lực nữa có thể gây ảnh hởng lớn đối với công trình cầu,hầm là động đất Khi xảy ra động đất, trong công trình sẽ xuất hiện các hiệu ứngquán tính tơng ứng Tại nền đất đặt móng của công trình sẽ xuất hiện các tác độngliên tiếp của các loại sóng dao động khác nhau Lực do động đất có hớng bất kỳtrong không gian và thay đổi theo thời gian cả về hớng, tốc độ tác dụng và trị số.Các tác dụng động đất theo hớng ngang thờng gây ra các dao động ngang nguyhiểm, làm cho công trình bị lật đổ hay dịch trợt Các dao động do nguyên nhânnày theo phơng thẳng đứng thờng nhỏ và ít nguy hiểm hơn ảnh hởng do động

đất đối với các công trình cầu không thờng xuyên xảy ra nhng mức độ nguy hiểmthờng khó kiểm soát vì vậy cũng cần đợc quan tâm đúng mức

Các nghiên cứu về ảnh hởng của động đất đối với công trình cầu cho thấy vớinhững chấn động không lớn của địa chất ( động đất nhỏ hơn cấp 6 theo thang độRichter ) thì ảnh hởng của động đất đối với công trình trên thực tế là không đáng

kể Việc tính toán ảnh hởng động đất đối với công trình cần thực hiện đối với cấp

động đất lớn hơn cấp 7

Ngoài ra các tác dụng động lực khác nh tải trọng va chạm, tổ hợp các tácdụng động lực phức tạp, các tác dụng động mang tính ngẫu nhiên cũng cần đợcxét đến trong các điều kiện cụ thể 81

Bên cạnh những ảnh hởng mang tính trực tiếp, dễ nhận biết kể trên do các tácdụng động lực, cũng cần lu ý thêm rằng việc xảy ra trạng thái dao động có tính th-ờng xuyên, với biên độ lớn chính là nguyên nhân đẩy nhanh tốc độ phá hoại mỏicủa các bộ phận của cầu đặc biệt là đối với kết cấu nhịp dàn thép, cầu treo trong

đó gồm cả các dạng cầu dây văng hay cầu liên tục có hệ cáp căng ngoài(Extradosed)

Ngoài ra, ở những mức độ ảnh hởng không lớn, các hiệu ứng động lực do dao

động tuy cha gây h hỏng cho công trình nhng có thể tạo cảm giác khó chịu haytâm lý sợ hãi cho ngời điều khiển phơng tiện hay hành khách khi qua cầu Yêu cầukhai thác của các công trình cầu có chất lợng cao hiện nay đòi hỏi ngời thiết kếlựa chọn một cách kỹ lỡng hơn các giải pháp cấu tạo và kích thớc của công trìnhnhằm hạn chế trong mức độ có thể ảnh hởng của dao động

Việc phân tích ảnh hởng của các tác dụng động lực đối với các công trìnhcầu, đặc biệt là đối với dạng kết cấu nhịp có tính “nhạy cảm” với tác dụng độnglực nh cầu treo hay cầu dây văng là vấn đề thờng gặp nhiều khó khăn và đòi hỏiquá trình nghiên cứu công phu Nguyên nhân do tính chất tác động của các tảitrọng động rất phức tạp, thay đổi theo thời gian và thờng mang tính ngẫu nhiên vìvậy cho đến nay, vấn đề này vẫn cần đợc tiếp tục nghiên cứu bổ sung và thu hút

sự quan tâm của không ít tác giả trên thế giới [29], [43], [46], [47], [53], [59],[67].

Nội dung nghiên cứu ảnh hởng của các tác dụng động lực đối với các côngtrình cầu cần đợc tập trung vào những vấn đề sau:

 Vấn đề ổn định khí động học

 Tác dụng xung kích của hoạt tải khai thác (tải trọng di động)

 ảnh hởng do lực động đất

 Hiệu ứng tâm lý đối với ngời điều khiển phơng tiện và hành khách khi qua cầu

ảnh hởng do các tác dụng động lực thờng không quá lớn đối với các cầucứng, nhịp nhỏ hoặc trung bình, ngợc lại mức độ bất lợi của các tác nhân động lực

có xu hớng tăng lên tỷ lệ với chiều dài vợt nhịp, độ thanh mảnh của kết cấu Cáckết quả nghiên cứu về lĩnh vực này sẽ tạo điều kiện cho việc thiết kế và xây dựngcác công trình cầu có chất lợng cao và đảm bảo an toàn

1-2 ảnh hởng của tác động do hoạt tải (tải trọng di động ) đối với các công trình cầu

1-2-1.Phân tích các yếu tố kích động của tải trọng di động

Trong quá trình di động trên mặt cầu hoạt tải (tải trọng di động) gây ra trạngthái dao động cho kết cấu cầu Trạng thái dao động do tập hợp của nhiều nhân tốkích động đó là:

1-2-1-1 Vận tốc di chuyển của tải trọng

Xét một mô hình dầm giản đơn nh

trên hình 1-1, nếu tác dụng vào một lực

tĩnh P vào vị trí có toạ độ theo phơng

ngang z kết cấu sẽ phát sinh chuyển vị

tức thời Khi lực P di động vào dầm với

vân tốc v chuyển vị của kết cấu sẽ

không xuất hiện tức thời mà thay đổi

theo thời gian và vị trí của tải trọng

Hình 1-1Nói cách khác sẽ phát sinh gia tốc chuyển vị của kết cấu Nh vậy các phân tốtrong kết cấu sẽ phát sinh lực quán tính xuất hiện trong quá trình kết cấu chuyển

vị Lực này phụ thộc vào trị số độ võng của dầm và vị trí tác dụng của tải trọng

1-2-1-2 Tác động do chuyển động của các phần khối lợng không cân bằng của hoạt tải.

Các phơng tiện vận tải thờng có cấu tạo các phần khối lợng không cân bằng

Đối với tàu hoả là các phần khối lợng lệch tâm của bánh đà hay chuyển động củacác thanh giàng trongđầu máy

Trong động cơ ôtô cũng thờng cấu tạo các bộ phận không cân bằng trong cáccơ cấu quay hay chuyển động của các pít tông

Khi vận hành các phần khối lợng không cân bằng chịu các lực quán tính lytâm, tạo ra các lực kích động có trị số thay đổi với chu kỳ biến thiên phụ thuộcvào vận tốc chuyển động của hoạt tải.

Một lực kích động thay đổi theo thời gian tại một vị trí cũng gây ra trạng tháidao động cho kết cấu

1-2-1-3 Sự va đập của bánh xe với những chỗ không bằng phẳng của mặt đờng trên cầu

Va đập có tính quy luật xảy ra ở chỗ nối ray trên cầu hay các khe biến dạng ở

đầu các nhịp cầu

Va đậpcó tính ngẫu nhiên xảy ra ở chỗ có khuyết tật hay chỗ không bằngphẳng có nguyên nhân từ sự mài mòn không đều của bánh tàu hoả và đờng ray tàuhoả

Đối với cầu ôtô, sự thiếu bằng phẳng của mặt đờng trên cầu càng có tínhngẫu nhiên và phân bố trên diện rộng hơn do nguyên nhân thi công hay các hhỏng mặt cầu không đợc sửa chữa kịp thời

1-2-1-4 Dao động của kết cấu lò so hay bộ phận giảm chấn của phơng tiện giao thông

Nhíp xe hay bộ phận giảm chấn

của các phơng tiện vận tải làm việc theo

nguyên lý đàn hồi Khi các phơng tiện

chuyển động hệ thống này sẽ dao động

theo các quỹ đạo rất phức tạp, phát sinh

hiệu ứng quán tính làm thay đổi trị số

lực tác động do khối lợng của các

ph-ơng tiện vận tải lên kết cấu dẫn đến dao

động kết cấu ( hình 1-2)

Hình 1-2Mức độ phức tạp của yếu tố này sẽ tăng thêm nếu xét tới mô hình không giancủa các cấu tạo nhíp xe và giảm chấn

1-2-1-5 Tác động lắc ngang của hoạt tải

Sự thiếu chính xác trong khâu chế tạo cũng nh các tác động của mặt đờng tạo

ra sự lắc ngang khi hoạt tải di động Trị số của lực lắc có xu thế gia tăng tỷ lệ vớivận tốc chuyển động Nhân tố này đợc đặc biệt chú ý trong nghiên cứu các dao

động không gian của kết cấu nhịp

1-2-1-6 ảnh hởng do các đoàn tải trọng di động hỗn độn trên cầu và sự bứt phá khỏi mặt cầu của phơng tiện vận tải.

Đây là vấn đề rất phức tạp đang trong quá trình nghiên cứu cùng với sự hỗ trợcủa các lý thuyết thống kê xác suất

1-2-1-7 Tác động của sự thay đổi đột ngột về biến dạng ( tĩnh) của kết cấu nhịp.

Vấn đề này xuất hiện trong các cầu dùng cho đờng sắt khi giữa các thànhphần của đoàn tàu (các toa xe kế tiếp nhau) có sự xắp xếp quá chênh lệch về trọngtải gây ra mức chênh lêch về độ võng (xét theo trạng thái tĩnh) quá lớn

Hiện tợng này gọi là “ cởng bức động học” không phải ”động lực học”

1-2-2 Tổng quan về nghiên cứu ảnh hởng của hoạt tải (tải trọng di động )đối với công trình cầu

Việc nghiên cứu ảnh hởng động lực của tải trọng di động trên công trình cómột ý nghĩa thực tế quan trọng đối với công trình cầu

Bài toán này đã đợc các kỹ s ngời Anh quan tâm nghiên cứu từ năm 1847 sau

vụ đổ cầu Trester 29 Mức độ phức tạp của bài toán càng gia tăng khi xây dựngphơng pháp tính theo mô hình càng sát với thực tế, do đó cho đến nay vẫn ch a cólời giải chính thức và đầy đủ cho bài toán này 19

Có hai hớng nghiên cứu ảnh hởng của các tác động của hoạt tải đối với côngtrình cầu 39, [49], [81]:

1- Hớng thứ nhất: nghiên cứu trạng thái công trình dới tác dụng của tải

trọng đã đợc dự kiến trớc mức độ ảnh hởng của nó

2- Hớng thứ hai: nghiên cứu trạng thái công trình trong hệ thống đồng bộ

"kết cấu nhịp - hoạt tải " đồng thời xét đến sự tác động qua lại giữa các thành phầncủa hệ thống

Theo hớng thứ nhất, ảnh hởng do tác dụng động lực của hoạt tải đợc xét đến

bằng cách gia tăng trị số tính toán tĩnh tơng ứng thông qua hệ số động lực (1+ ).

Nội lực hay chuyển vị do hoạt tải gây ra tại bộ phận bất kỳ của kết cấu đợc tínhtoán theo công thức :

S d ( 1 ) S t (1-1)

trong đó: S đ - nội lực hay chuyển vị do tác dụng động của hoạt tải;

S t - nội lực hay chuyển vị do tác dụng tĩnh của hoạt tải;

(1+  ) - hệ số động lực.

Giá trị S đ sẽ đợc tổ hợp cùng giá trị nội lực hay chuyển vị do tĩnh tải hay cáctác động khác gây ra đối với kết cấu và là căn cứ để tính toán điều kiện bền chocông trình

Nh vậy tác dụng động của hoạt tải đã đợc thay thế bằng tác dụng tĩnhnhng có trị số tải trọng lớn hơn Cách tính toán này đơn giản và tiện lợi trong thiết

kế Trong các hệ thống tiêu chuẩn thiết kế cầu, vấn đề thờng giải quyết theo hớngnghiên cứu thứ nhất

Trong công thức tính hệ số động lực (1-1),  chính là phần trị số phụ tải cần

bổ sung để xét đến tác dụng động lực của hoạt tải, có thể đợc xác định theo các lý

thuyết dao động công trình nh trên

Tuy nhiên, trên thực tế do tính chất tác động của hoạt tải phụ thuộc nhiềuyếu tố phức tạp ( khuyết tật của bánh xe, vận tốc chuyển động thay đổi, độ khôngbằng phẳng của mặt cầu, khe biến dạng, hệ số cản do cấu tạo của liên kết hoặc dotính chất của vật liệu ) [27] nên thuận lợi hơn cả là tiến hành theo phơng phápnghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

Có hai phơng pháp để tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm:

 Tiến hành thử nghiệm các loại tải trọng tiêu chuẩn di động trên các môhình hay kết cấu cầu thực tế

 Đặt các trạm quan trắc tại một số cầu trên các tuyến đờng, tiến hành đo

đạc các hiệu ứng động lực phát sinh trong kết cấu dới tác dụng của hoạt tải khaithác ngẫu nhiên trong thời gian một số năm Kết quả thu đợc các phổ tải trọng

động từ đó xác định đợc hệ số động lực nhờ các phơng pháp phân tích xác xuấtthống kê

Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với kết quả nghiên cứu thựcnghiệm sẽ cho phép đa ra các kết luận đủ mức độ tin cậy về giá trị của các hệ

số động lực để đa vào quy trình thiết kế

Hớng nghiên cứu thứ nhất phù hợp với điều kiện tốc độ chuyển động củahoạt tải không cao Tuy nhiên, đối với các công trình cầu trên đờng cao tốc thìvấn đề dao động của kết cấu nhịp cùng với đoàn hoạt tải di động trên nó ở mộtvùng tốc độ nào đó có thể gây ra tình trạng nguy hiểm đặc biệt cho công trình

sự phát triển rất mạnh của công nghệ tin học trên thế giới, khó khăn ở khâu tínhtoán đã đợc giải quyết bằng cách áp dụng các phơng pháp số với sự hỗ trợ của cácchơng tình máy tính

Hiện nay đã có các chơng trình tính toán cho phép tính đợc trực tiếp trị sốcủa ứng suất động hay độ võng động tại vị trí bất kỳ của kết cấu ở một thời điểmbất kỳ cần nghiên cứu Việc khảo sát trong phạm vi rộng các tham số đầu vào vàcơ chế chuyển động của hoạt tải trên cầu sẽ cho phép dự đoán các trạng thái nguyhiểm có thể xảy ra nh vùng vận tốc nguy hiểm hay tình huống bất lợi về cự li giữacác hoạt tải trên cầu, khả năng cộng hởng

Kết quả nghiên cứu lý thuyết theo hớng nghiên cứu thứ hai cũng cần đợckiểm chứng so với có kết quả thí nghiệm trên mô hình và các thực nghiệm đo đạctrên các cầu thực tế để có đủ độ tin cậy cần thiết 19, [29], [43].

1-3 ảnh hởng của tác động gió và ma đối với các công trình cầu

1-3-1.Phân tích tác động của gió đối với công trình cầu

1.3.1.1 á p lực gió lên bề mặt chắn gió

Các dạng công trình cầu có độ cứng nhỏ, đặc biệt là kết cấu nhịp hệ treo có

đặc trng “nhậy cảm” với tác động gió

Tuỳ theo địa hình khu vực xây dựng cầu, tác dụng của luồng gió lên côngtrình sẽ có tính chất phức tạp và mức độ ảnh hởng khác nhau

Bản chất của tác động gió là sự di chuyển của các luồng khí thổi

Tác dụng đơn giản nhất là gây ra áp lực cho bề mặt chắn gió Cờng độ áp lựcgió cho dòng khí thổi “êm thuận” lý tởng, tác động vuông góc với bề mặt chắn gió

đợc tính theo công thức:

q 0.5C V2 (1-2)trong đó:

q- áp lực gió (kN/m2)

- mật độ không khí (  1,3 kg/m3)

V- vận tốc gió thổi (m/s)

C- hệ số hình dạng, lấy tuỳ thuộc vào hình dạng của vật thể chắn gió.

Trên thực tế góc tới của gió thờng không vuông góc với bề mặt chắn gió vìvậy có thể phân ra 3 thành phần là lực theo phơng thẳng đứng, lực tác động theophơng ngang và mômen xoắn:

 áp lực theo phơng ngang T

 áp lực theo phơng thẳng đứng N

 Mô men xoắn có chiều tùy theo hớng tác động M.

Độ lớn của các lực trên phụ thuộc vào:

 Cờng độ của áp lực gió q

 Góc hợp giữa hớng gió và bề mặt hứng gió .

 Hình dạng tiết diện hứng gió thông qua các hệ số ảnh hởng C T , C N và C M

Hình 1-3: Các thành phần của áp lực gióCác thành phần tải trọng gió tác động lên kết cấu nhịp cầu có thể đợc xác

định theo các công thức:

T C T q H L (1-3)

N C N q H L (1-4)

M C M q B H L (1-5)trong đó:

2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0.0 -0.4 -0.8 -1.2 -1.6 -2.0 -10 0

- -6 0 -2 0 0 0 2 0 6 0 10 0 - -6 0 -2 0 0 0 2 0 6 0 10 0 6 0 -2 0 0 0 2 0 6 0 10 0

Trên thực tế các luồng gió thổi vào bề mặt chắn gió không êm thuận mà thay

đổi cờng độ theo thời gian hình thành sự tác động theo từng đợt nh các “đợt sóng”vì vậy gây nên các xung động vì vậy khi tính toán thiết kế công trình các lực tác

đông tính theo các công thức (1-3), (1-4) và (1-5) phải đa thêm vào hệ số khí động

nđ với ý nghĩa tơng tự nh hệ số động lực của hoạt tải (1+)

Chú ý tới công thức (2-2) trị số áp lực gió sẽ phụ thuộc vào vận tốc gió Cácnghiên cứu thực tế cho thấy tốc độ gió phụ thuộc vào 2 yếu tố rất quan trọng: + Chiều cao tới vật chắn gió.

+ Độ gồ ghề của địa hình

Nhìn chung, tốc độ tăng dần từ rất nhỏ ở sát mặt đất đến trị số lớn nhất ở cao

độ vào khoảng 0,5 đến 1,0 Km chiều cao Bề mặt gồ ghề của địa hình sẽ cản trở sự

di chuyển của dòng gió Hiệu ứng này giảm dần theo chiều cao và đến một độ cao

 nào đó thì có thể coi nh không bị ảnh hởng nữa Giới hạn độ cao nói trên gọi làbiên của khí quyển tự do Phần khí quyển ở phía trên lớp biên đó đợc gọi là khíquyển tự do Độ cao lớp biên còn gọi là gradient cao độ và tốc độ gió tơng ứng với

nó gọi là tốc độ gió gradient

Trên hình 1-5 mô tả biểu đồ tốc độ gió theo độ cao so với mặt đất

Hình 1-5: Biểu đồ tốc độ gió theo độ cao so với mặt đấtTốc độ gió tại một điểm nào đó phụ thuộc vào địa hình và vùng lãnh thổ nhtốc độ gió ở vùng ven biển, vùng trung du, khu vực thành phố là khác nhau Đểbiểu trng cho tốc độ gió tại một khu vực điều tra ngời ta chọn vận tốc gió chuẩn ởcao độ 10m so với mặt đất (Vn)

Tất nhiên là tốc độ gió đợc dùng làm chuẩn (Vn) cũng thay đổi theo từng thờigian khác nhau Với mục tiêu đảm bảo an toàn, trong Tiêu chuẩn thiết kế côngtrình chịu tải trọng gió của nhiều nớc đã lấy tốc độ gió chuẩn lớn nhất xảy ra ởkhu vực xây dựng công trình trong vòng 100 năm để làm cơ sở tính toán thiết kế.Tốc độ gió ở độ cao h so với mặt đất có thể đợc suy ra từ tốc độ gió chuẩn ởcao độ 10m theo công thức:

h

h V

V (1-6)trong đó:

 - hệ số tuỳ thuộc điều kiện địa hình lấy theo bảng 1-1

Bảng 1-1

Nơi không có rừng, thoáng 0,16

Nơi có rừng 0,28

Khi tính toán thiết kế các công trình cầu có các bộ phận ở các cao độ khác

nhau thì phải tính toán tốc độ gió khác nhau tơng ứng với độ nhô cao của các bộphận Ví dụ cầu Fred Harman (Hoa kỳ) đã xét:

-Tốc độ gió 110m/h cho các bộ phận ở cao độ 10m

-Tốc độ gió 160m/h ở sàn mặt cầu, cao hơn mặt nớc sông 55m

-Tốc độ gió 195m/h ở đỉnh tháp, cao hơn mặt nớc sông 80m

1.3.1.2 Các hiệu ứng khí động do gió

a- Sự hình thành các xoáy khí và dao động nâng hạ Karman

Khi dòng khí chuyển động gặp các vật cản sẽ tạo thành ở phía sau vật cảndòng khí cùng với các xoáy khí ( hình 1-6), Các xoáy khí xuất hiện sẽ đóng vai trò

nh các “ vật cản phụ” làm cho dòng khí không còn êm thuận nữa tạo ra các lựcnâng và hạ tác động vào vật cản gây dao động

Hình 1-6: Hiện tợng tạo thành các xoáy khí sau vật cảnHiện tợng phát sinh các xoáy khí sau vật cản đợc Th Von Karman nghiêncứu từ đầu thế kỷ XIX và dòng khí thổi cùng với sự xuất hiện các xoáy khí đợcmang tên ông Hiện tợng dao động của kết cấu theo hớng nâng hạ do tác dụng nàygọi là dao động Karman

Hình 1-7: Tần số xuất hiện xoáy khí sau vật cảnTần số của lực nâng hạ do gió bằng tần số xuất hiện các xoáy khí sau vật cản(hình 1-7) Kết quả nghiên cứu cho thấy tần số này phụ thuộc vào hình dạng, kíchthớc của vật cản và tốc độ của luồng gió tác động Mối tơng quan giữa tần số dao

động Karman với vận tốc của dòng khí và đặc trng hình dạng kích thớc của vậtcản thể hiện qua tham số Reynolds (Re) và Strouhal (S):



vB

R e  (1 - 7)

v

H f

f - tần số dao động cỡng bức do hiện tợng Karman tạo ra.

Nếu tần số f trùng hoặc là bội số của tần số dao động riêng của kết cấu, đặc

biệt là tần số dao động riêng uốn, thì có nguy cơ xảy ra cộng hởng

Mức độ nguy hiểm do khả năng xảy ra cộng hởng có chiều hớng gia tăng khi

chiều rộng cầu hẹp, chiều cao chắn gió của dầm lớn và tần số f cao

Chỉ số Strouhal (S) phụ thuộc vào hình dạng của kết cấu cản gió

Hiện tợng Karman sẽ gây dao động của kết cấu theo phơng vuông góc với ớng gió Nh vậy nếu dòng khí thổi vuông góc với vật cản thì sẽ gây dao đông nânghạ theo phơng thẳng đứng Nếu biên độ dao động này quá lớn sẽ gây phá hoạicông trình

h-Cần lu ý thêm là không phải bất kỳ luồng gió thổi nào cũng có thể tạo ra cácxoáy khí làm phát sinh dao động nâng hạ Các nghiên cứu về khí động học cho vậtcản hình trụ tròn cho thấy:

- Khi Re trong khoảng từ 300 đến 2x105 hình thành các xoáy khí theo chu kỳ

- Khi Re trong khoảng từ 2x105 đến 5x106 hình thành các xoáy khí hỗn loạn

- Các giá trị lớn hơn lại hình thành xoáy khí theo chu kỳ

Tuy vậy trên thực tế các dòng khí tác động không hoàn toàn vuông góc vớivật chắn gió và thay đổi hớng một cách liên tục tạo thành tác động rất phức tạp lêncông trình Trạng thái dao động không còn chỉ thuần túy theo phơng thẳng đứng(dao động uốn) mà còn xuất hiện cả dao động xoắn thậm chí cả dao động dọctrục Trong điều kiện nhất định tính chất dao động của kết cấu chuyển sang dạng

chịu tác động khí động khác, bất lợi hơn đó là hiện tợng mất ổn định khí động

-hiện tợng fluter

b- Mất ổn định khí động lực - hiện t ơng fluter

Một dạng tác động khác của gió đối với công trình cầu là dao động tự kíchthích Dao động thẳng đứng do việc tạo thành các xoáy khí thuộc dạng dao độngkích thích, trong trờng hợp này các lực kích thích tạo ra năng lợng làm cho côngtrình tự dao động theo tần số của mình gọi là hiện tợng dao động tự kích thích

ảnh hởng của dao động tự kích thích sinh ra hiện tợng “vẫy” của một số bộ phậncông trình chẳng hạn nh cánh máy bay

Hiện tợng mất ổn định khí động do cộng hởng đồng thời của nhiều dao động

có nguyên nhân liên quan tới các dao động tự kích thích dẫn tới nguy cơ phá hoại

công trình gọi là hiện tơng flutter Đối với công trình cầu hiện tợng flutter xuất

hiện chủ yếu khi có sự cộng hởng giữa các dao động uốn và xoắn Đây chính lànguyên nhân dẫn tới sự cố sụp đổ cầu Tacoma năm 1940 (hình 1-8)

Hình 1-8: Sự cố sập đổ cầu Tacoma do cộng hởng của dao động uốn, xoắn

Đối với các công trình cầu có nhịp lớn, kết cấu thanh mảnh nh các hệ dànthép, cầu treo hay cầu dây văng vấn đề ổn định khí động thờng là nhân tố quyết

định mức độ an toàn của công trình Thực tế xây dựng đã chứng minh rằng phầnlớn các sự cố xảy ra đối với các cầu treo trớc đây đều có nguyên nhân liên quan

đến việc không đủ khả năng chịu tác động của gió Trên hình 1-9 mô tả hiện tợng

flutter đối với hệ dầm chính của cầu dây văng với trờng hợp dao động uốn và dao

động xoắn có cùng tần số và lệch pha nhau với độ lệch  /2 Tốc độ gió có ảnh ởng trực tiếp tới khả năng xảy ra mất ổn định khí động, khi tốc độ gió đạt tới mức

h-độ gần tới tốc h-độ xảy ra cộng hởng, kích thích dao h-động và làm tăng biên h-độ dao

động một cách đột ngột gây mất ổn định Tốc độ gió nguy hiểm sẽ có trị số khácnhau phụ thuộc vào cấu tạo của từng công trình cầu cụ thể và gọi là vận tốc giótới hạn (V gh)

Hình 1-9: Hiện tợng flutter đối với dầm mặt cầu Cần phân biệt hai dạng fluter là fluter cổ điển và fluter giật hay còn gọi là

fluter “nhảy ngựa”

Fluter cổ điển tơng ứng với các dòng khí thổi đều, êm thuận Khi tốc độ gió

yếu, các dao động khí đàn hồi sẽ tắt dần do tác dụng của tác nhân giảm chấn sẵn

có trong kết cấu Các tác nhân giảm chấn sẵn có gồm các ma sát trong phụ thuộcvào vật liệu kết cấu và các ma sát ngoài nh lực cản của không khí Khi tốc độ gió(đều, êm thuận) tăng cao đến một mức độ nào đó thì mà khả năng giảm chấn củakết cấu hoặc bộ phận nào đó của kết cấu trở nên bằng không ở thời điểm này kếtcấu không còn khả năng kháng chấn mà dao động hoàn toàn theo đặc trng dao

động của tác nhân kích thích Trạng thái cộng hởng xảy ra, biên độ dao động tănglên rất nhanh xảy ra trạng thái mất ổn định khí động

Đối với kết cấu trạng thái nêu trên tơng ứng với tác động của dao động xoắn kết hợp Vận tốc gió tơng ứng để có thể xảy ra hiện tợng gọi là vận tốc giótới hạn (V gh)

uốn-Các nghiên cứu đầy đủ hơn cho thấy trên thực tế gần nh không chỉ có cácdòng khí thổi êm thuận dù có tốc độ thổi cao Các luồng khí thổi trên thực tế th-ờng là các luồng “gió giật” có tốc độ thổi thay đổi theo từng ”cơn gió”

Tác động của các cơn “gió giật” tạo ra các xoáy khí hỗn loạn Khi tần số dao

động do các xoáy khí tạo ra trùng với tần số riêng của kết cấu sẽ nhanh chóngtiệm cận trạng thái cộng hởng dẫn đến hiện tợng mất ổn định khí động-hiện tơngfluter giật