hướng của thí nghiệm hầm gió cầu bãi cháy

hướng của thí nghiệm, hầm gió cầu bãi cháy

Bảng 3-41 Cường độ luồng khí quẩn theo Hướng dẫn Thiết kế của Hiệp hội

Đường bộ Nhật Bản Loại

Do đó, các tham số luồng khí quẩn cho luồng khí TBLF mục tiêu là

Cường độ : Iu = 0.12 (tại cao độ của dầm )

Tỷ lệ : Lux = 90m ( 60 cm với tỷ lệ 1/150)

Tỷ lệ : Luy= 50m ( 33cm với tỷ lệ 1/150) Hình 3-68 và 3-69 cho thấy trắc đứng của gió và cường độ luồng khí quẩn cho 2 loại luồng khí thí nghiệm Các tham số luồng khí quẩn trong Hình 3-

68 và 3-69 thỏa mãn được các điều kiện về Luồng khí TBLF mục tiêu trong hầm gió được sử dụng cho thí nghiệm

Hình 3.69 Tham số khí quẩn của hai loại luồng khí thí nghiệm

Hướng của thí nghiệm hầm gió

Hướng của luồng khí thí nghiệm được xác định bằng cách xem xét các điều kiện khắc nghiệt nhất đối với độ an toàn kết cấu của cầu chống lại tác động của gió Do đó, hướng của luồng khí thí nghiệm là hướng theo trục vu ông góc với cầu, và hướng của luồng khí được tóm tắt như trong Bảng 3-43

Bảng 3-43 Hướng gió của mỗi luồng khí

Khoảng tốc độ gió (m/s) Từ 0.5 đến 6.0 Từ 0.5 đến 6.0

Các trường hợp thí nghiệm hầm gió

Tóm tắt thí nghiệm hầm gió được nêu trong Bảng 3-44

Bảng 3-44 Các trường hợp của thí nghiệm hầm gió

3-2-2-9 Phép đo của thí nghiệm hầm gió

Đối với các phép đo, toạ độ của mô hình được xác định như Hình 3-70 Vị trí

đo chuyển vị được thể hiện như Hình 3-71 Về phép đo chuyển vị, thiết bị cảm ứng chuyển vị bằng laze và thiết bị cảm ứng chuyển vị quang học được

sử dụng tương ứng cho dầm và tháp

Hình 3-71 Vị trí của các phép đo chuyển vị

Bảng 3-45 thể hiện vị trí và hướng của mỗi thiết bị cảm ứng trong mô hình thí nghiệm

Bảng 3-45 Vị trí đo chuyển vị và các thành phần của hệ thống hiển thị thời

gian Thành phần của phép đo

Sử dụng đường cong V-D và V-θ

Tỷ lệ mẫu của mỗi số liệu đáp ứng cho dao động của dầm (= thiết b ị cảm ứng chuyển vị bằng laze) là 100Hz với thiết bị lọc tần số thấp có tần số cắt là 30Hz Đối với trường hợp dao động của tháp (= thiết b ị cảm ứng chuyển vị bằng quang học), tỷ lệ mẫu được đặt là 60Hz với thiết bị lọc 30Hz Chu kỳ của mỗi số liệu của cả dầm và tháp được lập là 150 giây trong thời gian thí nghiệm Thời đoạn này trong mẫu dữ liệu tương đương với 3X10 phút trong thời gian thực tế đối với cầu thật

3-2-2-10 Kết quả thí nghiệm đối với luồng khí đồng nhất êm thuận

Luồng khí đồng nhất êm thuận được sử dụng đ ể kiểm tra độ ổn định khí đàn hồi Trong trường hợp này đã kiểm tra các hạng mục sau:

A) Sự mất ổn định khí động học(ví dụ: rung chao đảo, phi nước đại) sẽ không xảy ra

B) Dao động xảy ra do tác động của gió xoáy ở dưới mức cho phép, sử dụng đường cong V-D và V-θ

Tốc độ gió bắt đầu gây ra sự mất ổn định khí động học

Tốc độ gió bắt đầu gây ra sự mất ổn định khí động học có thể được xác định bằng cách sử dụng “Hướng dẫn Thiết kế của Hiệp hội Đường bộ Nhật bản (1991)” do Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản cung cấp

Tốc độ gió khởi điểm Urg gây ra hiện tượng phi nước đại như sau;

Urg = Ud x1.2 x1.0 = 60.0 m/s

Trong đó Ud là tốc độ gió thiết kế tại cao độ mặt cầu Hơn nữa, tốc độ gió khởi điểm Ur gây ra trường hợp rung do gió xoáy của cả hai chuyển động rung lên xuống và rung xoắn như sau;

Ur = Ud = 50 m/s Biên độ cho phép của dao động do gió xoáy trong chuyển động lên xuống và xoắn như sau;

1) Chuyển động lên xuống ha = 0.04 / fh (m) 2) Chuyển động xoắn θa = 2.28 / b fθ (độ) trong đó cả fh và fθ là tần suất tự nhiên của chuyển động lên xuống và xoắn Tham số b là khoảng cách từ giữa dầm đến tâm của bản cánh dành cho người đi bộ

Bảng 3-46 Tốc độ gió khởi điểm và biên độ cho phép cho mỗi trường hợp

mất ổn định khí động học

Sự mất ổn định khí động Tốc độ gió

khởi điểm (m/s)

Tần số tự nhiên (Hz) Biên độ cho phép

Phi nước đại 60.0 Rung chao đảo 66.0

Xoắn

50.0

0.3759 0.5642 (độ)

Đường cong V-D và đường cong V-θ

Trong tài liệu này, các kết quả thí nghiệm không thể hiện tất cả các vị trí đo mô tả trong Bảng 3-45 mà chỉ thể hiện cho các vị trí tâm của nhịp giữa và

đỉnh tháp phía Hòn Gai

Hình 3-72 ~ 3-76 thể hiện các kết quả thí nghiệm đối với trường hợp luồng khí đồng nhất êm thuận với góc tác động α = 0.0 độ Hình 3-77 ~ 3-81 thể hiện các kết quả thí nghiệm hầm gió đối với trường hợp luồng khí đồng nhất

êm thuận với góc tác động α = +3.0 độ

Từ những biểu đồ này, các số liệu đáp ứng thí nghiệm được tóm tắt như sau

(1) Các dao động do gió xoáy trong chuyển động lên xuống xuất hiện tại vận tốc 6.6 m/s đối với mode đứng thứ nhất và 18.1 m/s đối với mode

đứng thứ hai tại nhịp giữa của dầm (xem Hình 3-72) Biên độ của các dao động này có thể dự tính là khoảng 10cm đối với cầu thật

(2) Trong trường hợp xoắn, dao động do gió xoáy xuất hiện ở tốc độ gió khoảng 25 m/s ( xem Hình 3-73) Dự tính rằng biên độ của dao động

do gió xoáy này là khoảng 0.7 đến 0.9 độ, ngay cả khi độ giảm chấn của kết cấu được giữ ở giá trị 0.02 theo độ giảm loga Các giá trị này vượt quá biên độ cho phép 0.56 độ trong Bảng 3-46

(3) Không có khả năng xuất hiện trường hợp phi nước đại trong tất các các trường hợp thí nghiệm Tuy nhiên, có sự xuất hiện của hiện tượng rung chao đảo trong khu vực tốc độ gió lớn hơn 81m/s tại góc tác

động α = +3 độ (xem Hình 3-74) Tuy nhiên tốc độ gió 81 m/s lại cao hơn tốc độ gió gây ra hiện tượng rung chao đảo Urf = 66 m/s nêu trong bảng 3-46

(4) Về cơ bản, Cầu Bãi Cháy có mức độ hoạt động khí đàn hồi tốt ở cả trường hợp rung lên xuống và rung xoắn trên phư ơng diện an toàn kết cấu Tuy nhiên, sự xuất hiện của hiện tượng dao động do gió xoáy ở khoảng tốc độ gió 25m/s có thể tạo ra một số vấn đề đối với khả n ăng khai thác của cầu trong giai đoạn khai thác

Trường hợp góc tác động của lực gió α = 0 độ

Hình 3-72 Chuyển động đứng tại 1/2 ở nhịp giữa

Hình 3-73 Chuyển động xoắn tại 1/2 ở nhịp giữa

Hình 3-74 Chuyển động ngang tại 1/2 ở nhịp giữa

Hình 3-75 Chuyển động ngang theo phương vuông góc trục cầu ở tháp

phía Hòn Gai

Hình 3-76 Chuyển động ngang theo phương dọc cầu ở tháp phía Hòn Gai

Trường hợp góc tác động của lực gió α = +3 độ

Hình 3-77 Chuyển động đứng tại 1/2 nhịp giữa

Hình 3-78 Chuyển động xoắn tại 1/2 ở nhịp giữa

Hình 3-79 Chuyển động ngang tại 1/2 ở nhịp giữa

Hình 3-80 Chuyển động ngang theo phương vuông góc trục cầu ở tháp

phía Hòn Gai

Hình 3-81 Chuyển động ngang theo phương dọc cầu ở tháp phía Hòn Gai

3-2-2-11 Kết quả thí nghiệm đối với luồng khí quẩn lớp bao

Luồng khí quẩn lớp bao được sử dụng để khảo sát các đáp ứng đối với các

luồng khí tại công trường thi công Trong trường hợp này, có thể xác nhận rằng giả định của phân tích phi tuyến và/ hoặc các tham số tải trọng gió giật

được sử dụng trong thiết kế có phù hợp hay không sử dụng đường cong V-D hoặc đường cong V-θ từ các thí nghiệm hầm gió với luồng khí quẩn lớp bao

1- Tham số tải trọng gió trong giai đoạn thiết kế Các tải trọng gió thiết kế của cầu chính Bãi Cháy có thể được giả định sử dụng phương trình sau, trong giai đoạn thiết kế lại để tránh mất ổn định kết cấu của tháp

n D

ZC A G

cầu Phương ngang Phương dọc

Hệ số đáp ứng gió giật Ghi chú bổ sung Dầm 1.5 0.45 1.65 Xem (4) Tháp 1.8 1.8 1.65 Xem (4) Trụ P2 1.6 0.48 1.65 Xem (1) Trụ P3&P4 1.4 0.42 1.65 Xem (2)

Hệ dây 0.6 0.6 1.65 Xem (3) (1) trích từ Hướng dẫn thiết kế cho cầu đường bộ dưới tác động của tải trọng gió do Hiệp hội Đường bộ Nhật Bản cung cấp (pp 60-61)

(2) trích từ tài liệu tiếng Nhật (3) trích từ tiêu chuẩn do Cơ quan quản lý cầu Honshu-Shikoku ở Nhật Bản cung cấp (4) trích từ các kết quả nghiên cứu hầm gió đối với các mặt cắt tương tự (Viện Công nghệ Shimizu, tháng 9 năm 2003)

2- Đường cong V-D và đường cong V-θ

Hình 3-82 ~ 3-86 thể hiện kết quả thí nghiệm hầm gió cho trường hợp luồng khí quẩn lớp bao với góc tác động α = 0.0 độ Hình 3-87 ~ 3-91 cũng thể hiện kết quả thí nghiệm hầm gió trong trường hợp luồng khí quẩn lớp bao với góc tác động α = +3 độ

(1) Tải trọng gió giật (=rung giật) nhỏ hơn tải trọng gió vượt trội, là các kết quả khả quan do khối lượng lớn và độ giảm chấn của dầm bê t ông

mà có

(2) Các giá trị đáp ứng lớn nhất được tóm tắt trong bảng 3-48 (3) Chuyển vị do gió của tháp gây ra bởi tác động của gió thiết kế vuông góc với nhịp cầu là lớn Giá trị lớn nhất của chuyển vị đỉnh tháp từ thí nghiệm hầm gió (góc tác động α=0 độ) là khoảng 2.5m Giá trị này

có thể tăng lên do các hoạt động phi tuyến sau khi xuất hiện vết nứt tại chân tháp

(4) Đáp ứng gió giật của dầm là khá lớn Chuyển vị lớn nhất 0.58m theo phương thẳng đứng và góc xoắn lớn nhất 1.06 độ tại điểm giữa của dầm phải được xem xét về giá trị của tải trọng gió tĩnh tương đương của dầm theo cả chuyển động đứng và chuyển động xoắn

Bảng 3-48 Đáp ứng lớn nhất từ thí nghiệm hầm gió với luồng khí quẩn lớp bao

Góc tác động α = +0 độ

WL (U50 = 50 m/s ) 1.3 WL

Điểm Vị trí Vuông

góc trục cầu

Dọc trục cầu (cm) Thẳng đứng

Z (cm)

Xoắn θ Vuông

góc trục cầu

Dọc trục cầu (cm) Thẳng đứng

Dọc trục cầu (cm) Thẳng đứng

Z (cm)

Xoắn θ Vuông

góc trục cầu

Dọc trục cầu (cm) Thẳng đứng

Trường hợp góc tác động của lực gió α = 0 độ

Hình 3-82 Chuyển động đứng tại 1/2 nhịp giữa

Hình 3-84 Chuyển động ngang tại 1/2 nhịp giữa

Hình 3-85 Chuyển động ngang vuông góc trục cầu ở tháp phía Hòn Gai

Hình 3-86 Chuyển động ngang dọc trục cầu ở tháp phía Hòn Gai

Trường hợp góc tác động của lực gió α =+3 độ

Hình 3-87 Chuyển động đứng tại 1/2 nhịp giữa

Hình 3-88 Chuyển động xoắn tại 1/2 nhịp giữa

Hình 3-89 Chuyển động ngang tại 1/2 nhịp giữa

Hình 3-90 Chuyển động ngang vuông góc trục cầu ở tháp phía Hòn Gai

Hình 3-91 Chuyển động ngang dọc trục cầu ở tháp phía Hòn Gai

3- Xác định tham số tải trọng gió trong thiết kế

Tham số tải trọng gió được nêu trong Bảng 3-47 được sử dụng trong thiết kế giải pháp chống mất ổn định của tháp ban đầu Các tham số đó được xác nhận bằng cách sử dụng các số liệu thu được từ các thí nghiệm hầm gió và phân tích phi tuyến như trong Bảng 3-49

Bảng 3-49 Xác định các tham số tải trọng gió

hầm gió Sai số Mật độ không khí ρ (kg/m 3 ) 1.170 1.222 - 1.170 1.222 -

Đáp ứng tuyến tính trước khí nứt 36.90 36.86 0.00 147.53 173.32 -0.17

đoạn thiết kế là khoảng 0.92 giá trị trong hầm gió Mặt khác, hệ số đáp ứng gió giật sử dụng trong phân tích phi tuyến là 1.1 giá trị trong thí nghiệm hầm gió (xem Bảng 3-49)

Trong trường hợp đáp ứng của dầm, chuy ển vị ngang lớn nhất của dầm từ thí nghiệm hầm gió tương tự như giá trị thu được từ phân tích phi tuyến (xem Hình 3-94) Cả hệ số khí động và hệ số đáp ứng gió giật trong ph ân tích phi tuyến cũng tương tự như trong thí nghiệm hầm gió Điều này thể hiện trong Bảng 3-49

Hình 3-92 Mối liên hệ giữa tải trọng gió và chuyển vị của tháp phía Bãi Cháy

Hình 3-93 Mối liên hệ giữa tải trọng gió và chuyển vị của tháp phía Hòn Gai

Hình 3-94 Mối liên hệ giữa tải trọng gió và chuyển vị tại 1/2 nhịp giữa

3-2-2-12 Kết luận và kiến nghị

Thí nghiệm hầm gió đã được tiến hành sử dụng mô hình đàn hồi Các mục

đích khác của thí nghiệm này là xác nhận các tham số áp dụng trong thiết kế,

sự xuất hiện của hiện tượng rung do gió xoáy và s ự mất ổn định động học do gió Từ thí nghiệm hầm gió sử dụng mô hình nguyên mẫu đàn hồi 3 chiều, các kết quả thí nghiệm được tóm tắt như sau:

(1) Tháp

Hệ số khí động học cho tháp trong phân tích phi tuyến được giả định trong giai đoạn thiết kế là khoảng 0.9 lần giá trị trong thí nghiệm hầm gió Mặt khác, hệ số phản ứng gió giật sử dụng trong ph ân tích phi tuyến bằng 1.1 lần giá trị trong thí nghiệm hầm gió (xem Bảng 3-49) Tuy nhiên, xem xét cả hai tác động, tổng tải trọng gió sử dụng trong phân tích có thể tương đương với lực gió thực trong thí nghiệm hầm gió

(2) Dầm

(a) Các tham số thiết kế Trong trường hợp đáp ứng của dầm, chuy ển vị ngang lớn nhất của dầm từ các thí nghiệm hầm gió tương tự với giá trị thu được từ phân tích phi

tuyến (xem Hình 3-94) Cả hệ số khí động và hệ số đáp ứng gió giật trong phân tích phi tuyến đều tương tự như trong thí nghiệm hầm gió như thể hiện trong Bảng 3-49

(b) Các dao động do gió xoáy

Các dao động do gió xoáy trong chuy ển động lên xuống xuất hiện tại vận tốc 6.6 m/s cho mode đứng thứ nhất và 18.1m/s cho mode đứng thứ hai tại tâm nhịp giữa của dầm (xem Hình 3-72) Biên độ của các dao động này có thể dự tính khoảng 10cm trong cầu thật, nhỏ hơn giá trị cho phép

Đối với trường hợp xoắn, dao động do gió xoáy xuất hiện ở tốc độ khoảng 25m/s (xem Hình 3-73 và 3-78) Dự tính rằng biên độ của dao động do gió xoáy này là khoảng 0.7 đến 0.9 độ, ngay cả khi độ giảm chấn của kết cấu được giữ ở giá trị 0.02 theo độ giảm loga Tuy nhiên dao động do gió xoáy này chỉ xuất hiện trong trường hợp luồng khí êm thuận, và trên th ực

tế thì phải là luồng khí quẩn Hơn nữa, tốc độ gió 25m/s là khá cao và không thường xuyên xuất hiện Và “Tiêu chuẩn Thiết kế cầu Việt Nam 22-TCN-272-01” chỉ ra rằng điều kiện khai thác thông thường là điều kiện loại trừ trường hợp tốc độ gió vượt quá 25m/s (=18m/s đối với tốc độ gió trung bình trong 10 phút)

Do đó, có thể nói rằng không có vấn đề gì về dao động xoắn gây ra do gió xoáy cả

(c) Biến dạng

Dầm có biên độ dao động lớn gây ra do gió giật Chuyển vị lớn nhất là 0.58m theo phương thẳng đứng và góc xoắn lớn nhất là 1.06 độ dưới tác

động của gió ở vận tốc 50m/s tại điểm giữa của dầm

Phân tích khung tuyến tính đã được tiến hành sử dụng điều kiện tải tr ọng thu được từ các kết quả của thí nghiệm hầm gió để kiểm tra ứng suất của dầm Phân tích này cho thấy các thanh cốt thép bổ sung trong bản hẫng là cần thiết đối với ứng suất kéo xuất hiện xung quanh tâm của nhịp và hệ

đỡ (Tham khảo Phụ lục) (3) Hiện tượng rung chao đảo và phi nước đại

quá tốc độ gió khởi điểm gây rung chao đảo Urf = 66 m/s trong Bảng

3-46 Và góc tác động sẽ gần bằng 0 dưới tốc độ gió như vậy w = 81 m/s

Do đó cầu Bãi Cháy không có vấn đề về hiện tượng rung chao đảo và phi nước đại

(4) Thiết bị giảm chấn trong tháp

Thí nghiệm hầm gió cho thấy rằng sẽ không xảy ra dao động do gió xoáy và hiện tượng phi nước đại đối với tháp Thiết bị giảm chấn trong tháp chỉ có thể làm giảm đáp ứng động học và tăng cường đặc tính giảm chấn của tháp Do chuyển vị động học là khoảng 30% tổng mức chuyển vị tại đỉnh tháp, có thể dự tính rằng độ giảm trong tổng mức chuyển vị tại đỉnh tháp chỉ tối đa là 10%

Xem xét tầm quan trọng của cầu Bãi Cháy, có thể đề xuất lắp thiết bị giảm chấn trong tháp để đảm bảo độ an toàn cao hơn