NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ KHI QUA DÂY CÁP VĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG Học viên: Nguyễn Trung Hiếu Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K33 Trường Đại học Bách kh

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ

KHI QUA DÂY CÁP VĂNG

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ

KHI QUA DÂY CÁP VĂNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số : 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS VÕ DUY HÙNG

Đà Nẵng – Năm 2018

MỤC LỤC

Chương 1 PHẦN MỞ ĐẦU 1

1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1

1.2 Tính cấp thiết và mục tiêu của đề tài 2

1.2.1 Tính cấp thiết 2

1.2.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Tìm hiểu các nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam 2

1.3.1 Tìm hiểu các nghiên cứu trên thế giới 3

1.3.2 Tìm hiểu trong nước 5

Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ LÊN CÔNG TRÌNH 8

2.1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió 9

2.1.1 Các thành phần lực khí động giả tĩnh trên dầm chủ 9

2.1.2 Biến dạng tĩnh mất ổn định dưới tác dụng của gió 10

2.2 Tác động động 11

Chương 3 ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG 24

3.1 Phương pháp nghiên cứu 24

3.2 Phân tích các đặc điểm của dòng với các vận tốc gió khác nhau 25

3.2.1 Xét tương quan biểu đồ giữa Phổ Năng lượng PSD và hệ số Strouhal 26

3.2.2 Xét hàm gắn kết COHERENCE 42

3.3 Kết luận 51

3.4 Đề xuất các hình dạng bề mặt khắc phục dao động 51

3.5 Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo 53

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

1 Kết luận 54

2 Kiến nghị 54

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG

Học viên: Nguyễn Trung Hiếu

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Thời gian gần đây các nhà khoa học thế giới đã chỉ ra rằng, dây cáp văng có thể dao

động với biên độ lớn, phân kỳ trong điều kiện khô ráo ( không mưa), được gọi là loại “dao động khô” Các nhà khoa học đã chứng minh được sự tồn tại của loại dao động này bằng các thí nghiệm hầm gió cũng như quan trắc thực tế

Đây là một loại dao động mới, việc nghiên cứu các đặc điểm của dòng gió đi qua dây văng trong điều kiện khô ráo sẽ bổ sung giải thích và làm rõ hiện tượng dao động khô này, từ đó có thể căn cứ vào các đặc điểm cũng như cơ chế hình thành để tìm ra các biện pháp hạn chế, khắc phục loại dao động này Trong phạm vi luận văn này sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm matlab kết hợp với các số liệu được đo đạc bằng thí nghiệm hầm gió để chỉ ra những tác nhân hình thành nên dao động khô, sự biến đổi của dòng gió khi đi qua dây cáp văng, sự biến đổi của phổ năng lượng vận tốc gió và

độ gắn kết tại các vị trí, các góc gió khác nhau của dây cáp văng khi xảy ra “dao động khô”

Từ khóa – cầu dây văng, dao động khô, dây cáp văng; dao động phân kỳ hoặc giới hạn, phổ năng

lượng, rung động của dây cáp văng khi chịu tác động của gió

Abstract: Recently, scientists in all over the world have shown that stay cables can oscillate with

a huge amplitude and divergently in dry condition (not rainy), this phenomenon is called “dry galloping” Scientists have proved the existence of this oscillation via wind tunnel experiments as well

as actual monitoring

This is a new oscillation, analyses of air movement’s characteristics through stay cables in dry condition will supplement explanations and clarify this “dry galloping” Thus, we can find out solutions

to restrict and overcome this oscillation based on its characteristics and origin

In the scope of this essay, by using numerical simulation in Matlab combined with data collected from wind tunnel experiments, I will show out causes that form the “dry galloping”, the variation of air movement through stay cable, the variation of air’s energy spectrum and velocity, as well as the cohesion of each position and differential wind angles of stay cables during “dry galloping”

Key words – Cable –Stayed Bridges; Dry galloping; divergent vibration or restricted amplitude

vibration, energy spectrum, vibration cable under wind attack

MỤC LỤC BẢNG BIỂU- HÌNH ẢNH

a Danh mục các hình vẽ

Hình 1-1 Dao động của dây văng khi và khi không có dòng khí dọc cáp 4 Hình 1-2 Dữ liệu quan sát thực tế trên cáp nguyên mẫu 4

Hình 1-3 Biên độ giao động do gió gây ra trong những điều kiện khác

nhau

5

Hình 2-1 Thành phần lực tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ 9

Hình 2-3 Vật bị biến dạng trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng

X-Z

11

Hình 2-5 Phản ứng của dòng khí qua vật cản hình trụ theo số Reynold 13 Hình 2-6 Quan hệ giữa biên độ dao động và Scruton number 14

Hình 2-8 Biến thiên vận tốc gió kéo theo sự biến thiên lực tác dụng lên

Hình 2-13 Sự lệch pha của các dạng dao động trong hiện tượng Flutter 21

Hình 3-2 Mô phỏng góc gió trong thí nghiệm hầm gió 30 Hình 3.3 Sơ đồ bố trí cảm biến đo vận tốc gió theo thời gian 30 Hình 3-4 Phổ năng lượng tại vị trí 6D với góc α=250; β= 300 31 Hình 3-5 Phổ năng lượng tại vị trí 7D với góc α=250; β= 300 31 Hình 3.6 Phổ năng lượng tại vị trí 2D với góc α=250; β= 300

33 Hình 3.7 Phổ năng lượng tại vị trí 3D với góc α=250; β= 300

33

Hình 3.8 Phổ năng lượng tại vị trí 4D với góc α=250; β= 300 34 Hình 3.9 Phổ năng lượng tại vị trí 5D với góc α=250; β= 300 34 Hình 3.10 Phổ năng lượng tại vị trí 7D với góc α=250; β= 00 35 Hình 3.11 Phổ năng lượng tại vị trí 2D với góc α=250; β= 00 35 Hình 3.12 Phổ năng lượng tại vị trí 3D với góc α=250; β= 450 36 Hình 3.13 Phổ năng lượng tại vị trí 6D với góc α=250; β= 450 36 Hình 3.14 Phổ năng lượng tại vị trí 3D với góc α=250; β= 00 38 Hình 3.15 Phổ năng lượng tại vị trí 4D với góc α=250; β= 00

38 Hình 3.16 Phổ năng lượng tại vị trí 5D với góc α=250; β= 00

39 Hình 3.17 Phổ năng lượng tại vị trí 6D với góc α=250; β= 00

39 Hình 3.18 Phổ năng lượng tại vị trí 2D với góc α=250; β= 450

40 Hình 3.19 Phổ năng lượng tại vị trí 4D với góc α=250; β= 450 40 Hình 3.20 Phổ năng lượng tại vị trí 5D với góc α=250; β= 450 41 Hình 3.21 Phổ năng lượng tại vị trí 7D với góc α=250; β= 450 41 Hình 3.22 Độ gắn kết tại vị trí 2D-7D với góc α=250; β= 300 43 Hình 3.23 Độ gắn kết tại vị trí 2D-6D với góc α=250; β= 300 43 Hình 3.24 Độ gắn kết tại vị trí 5D-3D với góc α=250; β= 300 44 Hình 3.25 Độ gắn kết tại vị trí 5D-4D với góc α=250; β= 300

44 Hình 3.26 Độ gắn kết tại vị trí 2D-5D với góc α=250; β= 00

46 Hình 3.27 Độ gắn kết tại vị trí 2D-6D với góc α=250; β= 00

46 Hình 3.28 Độ gắn kết tại vị trí 2D-7D với góc α=250; β= 00

47 Hình 3.29 Độ gắn kết tại vị trí 5D-4D với góc α=250; β= 00 47 Hình 3.30 Độ gắn kết tại vị trí 5D-3D với góc α=250; β= 00 48 Hình 3.31 Độ gắn kết tại vị trí 2D-5D với góc α=250; β= 450 48 Hình 3.32 Độ gắn kết tại vị trí 2D-6D với góc α=250; β= 450 49 Hình 3.33 Độ gắn kết tại vị trí 2D-7D với góc α=250; β= 450 49 Hình 3.34 Độ gắn kết tại vị trí 5D-3D với góc α=250; β= 450 50 Hình 3.35 Độ gắn kết tại vị trí 5D-4D với góc α=250; β= 450

50

b Danh mục các Bảng biểu

Bảng 2-1 Các loại tác động của gió lên công trình 9 Bảng 2-2 Hệ số lực cản của tháp cầu và dây văng 10 Bảng 3-1 Những thông số được đo ở thí nghiệm hầm gió 25

Bảng 3.2 Tần số và độ giảm chấn của dây văng cầu Leonard P Zakim

Bunker Hill Bridge (USA- Báo cáo của FHWA)

27

Bảng 3.3 Tần số và độ giảm chấn của dây văng cầu Sunshine Skyway

Bridge (St Petersburg, FL) (USA- Báo cáo của FHWA)

28

Bảng3.4 Phương pháp đo bằng thí nghiệm hầm gió 30

Chương 1

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Gió là sự chuyển động của một khối không khí trong bầu khí quyển do sự

chênh lệch áp suất giữa các điểm khác nhau trên trái đất Đặc điểm nổi bật của gió

tự nhiên là tính nhiễu loạn Nguyên nhân cơ bản của sự nhiễu loạn là do ma sát của luồng không khí khi đi qua các bề mặt Dòng không khí nhiễu loạn thay đổi một cách phức tạp và ngẫu nhiên cả trong không gian và theo thời gian, vì thế thường được biểu diễn dưới dạng thống kê

Cầu dây văng là một loại cầu bao gồm một hoặc nhiều trụ (thường được gọi

là tháp), với dây cáp neo chịu đỡ toàn bộ hệ mặt cầu và các dầm cầu Dây cáp là bộ phận chịu lực chính trong cầu dây văng Trong quá trình khai thác sử dụng, dây cáp văng thường bị dao động dưới tác dụng của: gió, gió mưa kết hợp, hoạt tải khai thác

và các tác động khác làm giảm khả năng khai thác an toàn và giảm tuổi thọ của công trình

Đối với dây cáp văng thì dao động do gió, gió mưa kết hợp là những dao động phổ biến tác động trực tiếp và gây ảnh hưởng lớn Dao động gió mưa kết hợp đã được phát hiện và nghiên cứu từ những năm 70-80 của thế kỷ trước, nguyên nhân là

do nước mưa bám vào và chảy trên bề mặt dây cáp tạo thành hai dòng nước nhỏ, những dòng nước làm thay đổi hình dạng của mặt cắt ngang cáp và lực khí động của

nó Dòng phía dưới nằm trong cân bằng ổn định trong khi dòng phía trên không ổn định, sự không ổn định của dòng nước phía trên gây ra thay đổi liên tục về đặc tính khí động của dây cáp văng dẫn đến việc dây cáp văng mất ổn định Mô hình nghiên cứu được đưa ra là mô hình cáp chịu tác động của gió khâông đổi trên suốt chiều dài đồng thời chịu tác động của dòng nước chảy phía trên cáp Vận tốc gió tác động được khảo sát là từ 6-13m/s, tần số dao động cáp từ 1-3Hz, vị trí dòng nước chảy trên cáp từ 15-450, hướng gió tác dụng lên cáp từ 20-600…

Với dao động do gió trong điều kiện khô ráo là một loại dao động vừa mới được phát hiện trong thời gian gần đây Những nghiên cứu chỉ ra rằng: trong thời tiết khô ráo (không mưa) kèm theo gió với vận tốc cao dây văng bị kích thích dao

động với biên độ lớn Những nghiên cứu đã chỉ ra những nguyên nhân và đặc điểm

cơ bản của loại dao động này Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, nhiều đo đạc thực tế về đặc điểm, cơ chế dao động và biện pháp đối phó với loại dao động

Nhìn chung dao động do gió được chia là 2 loại chính: dao động với biên độ vừa phải và dao động với biên độ phân kỳ Dao động phân kỳ là loại dao động tăng dần biên độ theo thời gian khi vận tốc gió không đổi và là loại dao động gây nguy hiểm cho cầu dây văng Một vài đặc điểm của dao động như sau:

- Dao động gây ra những hư hại cho dây văng và hệ neo phụ kiện,

- Khi dao động xảy ra, dây cáp có thể dao động phân kỳ hoặc giới hạn,

- Dao động gây ra cho dây văng trong điều kiện vận tốc gió cao,

- Dao động này chỉ xảy ra ở những góc gió nhất định

Trong những nghiên cứu hiện tại thì các đặc điểm của dao động này đã được làm rõ ở những mức độ nhất định bằng nhiều phương pháp khác nhau, thí nghiệm hầm gió, phân tích Tuy nhiên, cơ chế của loại dao động này vẩn đang được làm rõ

và biện pháp đối phó với dao động này vẫn đang phát triển

1.2 Tính cấp thiết và mục tiêu của đề tài

1.2.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu tìm ra các đặc điểm của dòng gió đi qua dây cáp văng với vận tốc gió khác nhau

Phân tích sự tương quan giữa các đại lượng vận tốc, tần số, thời gian, Phổ năng lượng, độ gắn kết

1.3 Tìm hiểu các nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam

1.3.1 Tìm hiểu các nghiên cứu trên thế giới

Dao động của cáp trong điều kiện thời tiết khô ráo (dao động khô) là một thuật ngữ mới và khái niệm của loại dao động này đang được làm rõ ràng hơn trong thời gian gần đây Theo định nghĩa chung, trong điều kiện thời tiết không mưa cộng với vận tốc gió lớn làm cho dây cáp văng bị kích thích dao động với biên độ hạn chế

Mặc dù trên thế giới đã có nhiều báo cáo thực tế về hiện tượng này Nhưng chưa nói rỏ về nguyên nhân xảy ra hiện tượng Gần đây, một số nghiên cứu cho thấy hiện tượng này xảy bằng quan sát thực tế hiện trường và thí nghiệm hầm gió Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa chỉ ra đầy đủ các đặc tính, cũng như phương pháp kiểm soát dao động

Dao động khô của dây cáp văng được quan sát trong các thí nghiệm của ông Saito, ông Honda và ông Matsumoto cùng các cộng sự Ở vùng cận hạn của hệ số Reynolds ( hay ở vận tốc gió tương đối)

Khi dòng gió đi qua dây cáp văng làm chi biên độ phản ứng của dây cáp văng tăng mạnh dẫn đến dao động kiểu phân kỳ Loại dao động tăng dần biên độ theo thời gian khi vận tốc gió không đổi và là loại dao động rất nguy hiểm cho cầu dây văng Do đó việc đánh giá sự giảm khí động lên dây cáp là một cách hiệu quả để

nghiên cứu các cơ chế của loại dao động này

Đồng thời, họ cũng chỉ ra rằng cơ chế tạo ra sự gián đoạn ở những giai đoạn khác nhau là nguyên nhân của sự phân tách liên kết phần trên và dưới của dòng ngăn cách Vì sự liên kết của 2 dòng ngăn cách thường tạo nên áp lực lên mặt trên

và mặt dưới của dâp cáp trở nên đồng nhất Matsumoto et al đã làm sáng tỏ vai trò của dòng liên quan đến sự gia tăng không ổn định bằng cách thực hiện thí nghiệm

hầm gió khi có và không có dòng quanh trục theo Hình 1-1 Kết quả kiểm nghiệm

chỉ rõ rằng dòng theo trục gần vết nứt có thể gia tăng biến động Trước đó, Matsumoto at el cũng chỉ ra rằng dòng chảy quanh trục cũng được hình dung trên cây cầu thực bằng cách dùng các sợi quang cho dây cách tĩnh nguyên mẫu kèm theo hướng gió khoảng 40º-50º Tuy nhiên cơ chế dòng chảy quanh trục vẫn chưa được hiểu cặn kẽ

Hình 1-1: Dao động của dây văng khi và khi không có dòng khí dọc cáp

Hơn nữa Matsumoto đã giải thích sự khác nhau của tiêu chí Saito và tiêu chí FHWA là ở sự phụ thuộc số Scruton, bằng cách phân loại sự gia tăng thành dao động khác nhau và dao động bất ổn với biên độ hạn chế Theo số liệu Scruton và sơ

đồ vận tốc độ gió Nguời ta nhận ra rằng tiêu chí FHWA và tiêu chí Saito tương

xứng với sự gia tăng ổn định và không ổn định, tương ứng, theo Hình 1-2 Tuy nhiên,

vẫn còn nhiều thông tin cần được đưa ra Trong các thí nghiệm của Cheng cùng các cộng sự, cả hai loại chuyển động khác nhau và rung động với biên độ giới hạn trong điều kiện tốc độ gió bị suy giảm đều được ghi nhận Tuy nhiên, các đặc tính và các điều kiện kích thích của hai hiện tượng trên là hoàn toàn khác nhau Trong khi điều đầu tiên có những phản ứng tương tự như dao động thì điều sau xảy ra chỉ trong phạm vi hạn chế khi tốc độ gió giảm và chúng có biên độ giới hạn khác nhau

Hình 1-2 Dữ liệu quan sát thực tế trên cáp nguyên mẫu

Hình 1-3: Biên độ giao động do gió gây ra trong những điều kiện khác nhau

Tính bất ổn trong mô hình dòng chảy trong dãy hệ số Re và cách nó tương tác với nhiễu động gió và góc nghiêng là rất quan trọng để hình thành cách điều kiện của dao động khô Một vài thành phần gây ra dao động tương tự cũng được tìm ra,

ở đó các đặc tính hầu như bất biến phải kết hợp với tính bất ổn để tạo ra phản ứng bất thường Sự chuyển đổi đột ngột, sự chậm trễ giữ tải và chuyển động, và độ cứng của sức gió thành phần là những đặc tính khác thường thấy ở các trường hợp trước

và trường hợp này

Trong các nghiên cứu hiện nay, đặc tính của sợi cáp trong dao động khô đã được làm rõ ở một mức độ và nhiều cách tiếp cận khác đã được đề ra nhằm nghiên cứu vấn đề này Tuy nhiên, vẫn tồn tại một ít bất đồng giữa các kết luận về cơ chế của dao động khô Thêm vào đó, các dòng chảy quanh cáp vẫn còn nhiều nghi vấn

và chưa được làm rõ Vì vậy, để hoàn thành tài liệu cho dao động khô, vẫn cần tiến hành nhiều nghiên cứu hơn

1.3.2 Tìm hiểu trong nước

Ở nước ta hiện nay, cầu dây văng đang được áp dụng thịnh hành vì kết cấu thanh mảnh và có tính thẩm mỹ cao Tuy nhiên việc chưa nắm bắt được các loại dao động của dây văng, đặc biệt là dao động khô sẽ ảnh hưởng đến khai thác, tuổi thọ của công trình và ảnh hưởng đến tâm lý của người dân khi qua cầu Do đó việc nắm bắt loại dao động khô này là hết sức bức thiết nhằm đảm bảo quá trình khai thác và

sử dụng cầu dây văng Nhìn chung ở Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu về loại

dao động này, cũng như việc chế tạo dây cáp văng đối phó với loại dao động khô chưa được phát triển Đồng thời gần đây, nhiều công trình cầu dây văng được đưa vào sử dụng ở nhiều thành phố của Việt Nam như Cầu Cần Thơ, Cầu Nhật Tân, Cầu Trần Thị Lý, Cầu Bính, Cầu Bãi Cháy,… do đó nhu cầu tìm ra biển pháp để đối phó với dao động khô của dây văng càng trở nên bức thiết

Những hình ảnh hư hỏng dây cáp văng :

Hình 1-4: Hư hỏng do dao động dây cáp văng

Hình 1-5: Dao động do gió mưa kết hợp

Hình 1-6: Hư hỏng thiết bị giảm chấn

Chương 2

TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ LÊN CÔNG TRÌNH

Những ảnh hưởng của gió

Công trình cầu thường được xây dựng ở nơi trống trải và chịu gió mạnh Tác 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 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)

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 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 Các tác động và ảnh hưởng của gió tới kết cấu:

Loại tác động Tên tiếng Việt Tên tiếng Anh

Tác động động Dao động giới hạn

-Dao động rung lắc -Dao động cuộn xoáy -Hiệu ứng do mưa gió kết hợp -Dao động giật

Dao động không giới hạn

-Dao động lên xuống -Dao động tròng trành

Nomianal vibration

-Buffeting -Vortex-induced oscillation -Rain-wind induced vibration -Wake induced vibration

Divergent type flutter

-Galopping -Flutter

Bảng 2-1: Các loại tác động của gió lên công trình

2.1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió

2.1.1 Các thành phần lực khí động giả tĩnh trên dầm chủ

Tải trọng gió lực tĩnh tác dụng trên đơn vị chiều dài dầm chủ theo hệ toạ độ

hướng trục cầu được thể hiện trong Hình 2-1, để tính toán tải trọng gió của cả 3

hướng:

Hình 2-1 Thành phần lực tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ

Tải trong gió theo phương ngang và phương thẳng đứng phụ thuộc và các hệ

số CD, CL, CM là các hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mô men xoắn theo các phương của trục dầm chủ

Các hệ số lực cản CD, CL, CM phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt, vận tốc gió, góc tới của gió và cách chính xác nhất là xác định các trị số này thông qua thí nghiệm hầm gió Trong nhiều tài liệu hướng dẫn tính toán về gió đều đưa ra các giá trị hệ số lực cản lấy theo kinh nghiệm

Các thành phần lực khí động giả tĩnh tác dụng lên dây văng

Lực kéo tác dụng lên dây cáp văng được tính theo công thức sau:

CD của tháp cầu và dây văng có thể lấy theo bảng sau:

Bảng 2-2 Hệ số lực cản của tháp cầu và dây văng

2.1.2 Biến dạng tĩnh mất ổn định dưới tác dụng của gió

Loại này bao gồm hai dạng: Biến dạng uốn mất ổn định và hiện tượng oằn ngang

a) Biến dạng uốn mất ổn định

Biến dạng mất ổn định được nhận thấy điển hình tại các cầu mảnh, khi cầu bị

mất ổn định Do tính chất không đối xứng của dầm cầu, hoặc góc tác dụng của

gió khiến cho mặt cầu bị uốn, dẫn đến diện tích chắn gió ngày càng tăng lên làm

cho lực tác dụng lên dầm lớn lên theo Sự gia tăng này lặp đi lặp lại dẫn đến sự

mất ổn định thăng bằng của dầm cầu

b) Sự oằn ngang

Hình 2-2: Mô hình hóa một vật thể dài mảnh

Xét một ví dụ minh họa đơn giản như trong Hình 1-2 Đối với những kết cấu

dài và mảnh, khả năng chịu uốn trong mặt phẳng chứa sườn dầm của kết cấu là lớn,

nhưng khả năng chịu xoắn trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng này lại yếu

hơn nhiều Khi tác dụng lực P trong Hình 1-3 vượt qua một giá trị giới hạn, kết cấu

sẽ đột nhiên bị xoắn Đây gọi là hiện tượng oằn ngang

Hình 2-3: Vật bị biến dạng trong mặt phẳng vuông góc với mặt phẳng X-Z

2.2 Tác động động

a Lớp biên và sự tách dòng Hình 2-4 Sự biến thiên

vận tốc ở lớp biên

Các quan sát thực nghiệm cho thấy khi dòng khí đi qua vật cản không chuyển động có bề mặt trơn tru, không khí sẽ tiếp xúc với bề mặt vật thể Hiện tượng này là nguyên nhân làm giảm vận tốc của dòng khí ở lớp tiếp giáp với bề mặt vật thể, sau đây gọi là lớp biên Trong lớp biên, vận tốc dòng tăng từ giá trị bằng 0 tại bề mặt vật thể (không xảy ra hiện tượng trượt) đến giá trị vận tốc ở phần còn lại của dòng khí (dòng ngoài)

b Số Reynold

Do có trọng lượng, không khí được chứng minh là tuân thủ định luật hai Newton Hai yếu tố có ảnh hưởng quan trọng nhất đến dòng khí là quán tính và tính nhớt Số Reynold (e) được định nghĩa là tỷ lệ giữa lực quán tính và lực cản nhớt

e quy định đặc tính và các hiện tượng có thể xảy ra của dòng khí khi đi qua công trình Lực quán tính I, theo định luật Bernoulli được xác định theo công thức

L U V

2 2

3x10 5 <e <3x10 6 3x10

6 <Re

Hình 2-5 Phản ứng của dòng khí qua vật cản hình trụ theo số Reynold

Số Reynold sẽ cho biết đặc điểm của dòng khí và môi trường phía sau vật thể

là dòng ổn định, dòng hỗn loạn, có xoáy khí, vùng trống và tính chất tách hay dính

trở lại của dòng khí Hình 2-5 thể hiện phản ứng của dòng khí đi qua vật thể hình trụ

tròn ứng với các trường hợp số Reynold khác nhau Khi số Reynold bé gần như không có sự tách phía sau vật thể của dòng khí và nếu dòng phía trước là ổn định thì

ra khỏi vật thể cũng là ổn định Với số Reynod đủ lớn dòng khí qua vật thể sẽ bị tách qua biên, đồng thời phía sau tạo thành các xoáy khí xuất hiện có chu kỳ gọi là xoáy khí Karman Khi số Reynold tương đối lớn dòng khí phía sau công trình xuất hiện nhiễu loạn tách dòng, lúc này dòng khí phía sau hỗn loạn, không đối xứng, xuất hiện xoáy khí đan xen, kích thước và tần số xuất hiện các xoáy khí khác nhau

c Số Strouhal

Hiện tượng tách dòng có hình thành xoáy khí phía sau vật cản được biểu diễn

qua hệ số không thứ nguyên S (số Strouhal):

d Số Scruton

Thực nghiệm

Lý thuyết Yo/D

Hình 2-6 Quan hệ giữa biên độ dao động và Scruton number

e Các hiện tượng khí đàn hồi

Một kết cấu nằm trong dòng khí phải chịu áp lực bề mặt do chuyển động của dòng khí đó Nếu dòng khí có nhiễu loạn, áp lực bề mặt này chính là nguyên nhân gây ra dao động cho kết cấu

Ngoài ra, chuyển động hoặc biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của áp lực bề mặt sẽ làm thay đổi điều kiện biên của dòng khí, từ đó dẫn đến làm thay đổi lực khí động Sự thay đổi của lực khí động lại có ảnh hưởng ngược lại tới chuyển động hoặc biến dạng của kết cấu Các hiện tượng có đặc điểm như trên được gọi là các hiện tượng khí đàn hồi, nghiên cứu về các hiện tượng này chính là nghiên cứu về quan hệ giữa lực khí động với chuyển động của kết cấu

Mất ổn định khí động là hiện tượng có thể xảy ra chỉ do sự hình thành các xoáy khí sau công trình cố định Trong trường hợp dòng khí làm biến dạng kết cấu dưới tác động của lực khí động dẫn đến biến dạng ban đầu của kết cấu tiếp tục tăng đến đến biên độ của dao động thì sẽ xảy ra hiện tượng mất ổn định khí đàn hồi Những dạng mất ổn định khí động đơn giản như hiện tượng Vortex-Shedding có thể

cũng làm biến dạng kết cấu, tạo nên hiện tượng có các tính chất giống hiện tượng khí đàn hồi Tất cả các trạng thái mất ổn định khí đàn hồi đều tạo nên lực khí động tác dụng lên kết cấu như là nguyên nhân gây dao động của kết cấu Những lực như vậy được gọi là các lực tự kích

f Hiện tượng Buffeting (dao động rung lắc)

Dòng khí hỗn loạn véc tơ vận tốc dòng khí thay đổi cả giá trị và hướng tại một điểm, sẽ phát sinh lực biến đổi tác dụng vào công trình mà biên độ của lực này là hàm của mật độ và cường độ hỗn loạn Do vậy công trình bị dao động cưỡng bức dọc theo hướng gió dưới tác dụng của lực biến đổi này Do tính chất hỗn loạn của gió nên các lực tác động này là lực ngẫu nhiên Hiện tượng này được gọi là hiện tượng Buffeting do sự hỗn loạn của dòng khí

Một hiện tượng khác cũng do lực gió phát sinh từ sự nhiễu loạn của dòng khí gây ra dao động cưỡng bức của công trình, nhưng nguyên nhân của nhiễu loạn là do dòng khí khi vượt qua các vật cản phía trước gió tạo ra sự hỗn loạn khi tới công trình nằm phía sau Hiện tượng này được gọi là Buffeting do tách dòng

Đối với các nhiễu loạn của gió thông thường và các tần số của nhiễu loạn nằm trong phạm vi ứng dụng xây dựng công trình, các số hạng bậc 2 của các thành phần nhiễu loạn u, v, w là rất nhỏ so với số hạng bậc 2 của vận tốc gió U nên có thể bỏ qua Vì vậy, các hệ số khí động CD, CL, CM không phụ thuộc vào tần số của nhiễu loạn Như vậy có thể xác định giá trị lực cưỡng bức do hiện tượng Buffeting qua các giá trị B là kích thước cơ bản của kết cấu, A là diện tích chắn gió của kết cấu trên một đơn vị chiều dài, r là khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến trục xoay có hiệu, α0 là góc tác động thực của gió xác định như hình sau:

Hình 2-7 Lực Buffeting trên kết cấu dạng dầm

Độ lớn của dao động rung lắc tỉ lệ với bình phương vận tốc rối của gió Kết cấu cầu có thể bị sập khi tác dụng của gió vượt quá giới hạn chịu lực của cầu, hoặc

do hiện tượng mỏi Trong hiện tượng này, lực tác dụng lớn nhất lên công trình là lực tác dụng theo phương ngang vuông góc với mặt cầu và nằm trong mặt phẳng ngang Lực tác dụng theo phương thẳng đứng và theo phương xoắn vuông góc với trục cầu khá nhỏ so với lực tác dụng theo phương ngang nên nhiều khi có thể bỏ qua trong tính toán Lực tác dụng lên kết cấu gây bởi hiện tượng dao động rung-lắc

được tính như sau: Tổng tác dụng = Tác dụng tĩnh+ Tác dụng động

Trong thiết kế, người ta cần phải tính toán sao cho tổng tác dụng lớn nhất gây bởi tác dụng tĩnh và tác dụng động không vượt qua giá trị thiết kế cho phép của kết cấu

Hình 2-8: Biến thiên vận tốc gió kéo theo sự biến thiên lực tác dụng lên kết cấu

g Hiện tượng Vortex-Shedding (dao động xoáy khí)

Trong trường hợp hệ số Reynold nằm trong khoảng tạo xoáy khí thì dòng khí qua công trình tạo thành các xoáy khí không đối xứng, làm xuất hiện áp lực dương,

âm thay đổi nhau ở hai bên bề mặt của kết cấu Hợp lực của chúng biểu hiện là lực khí động (lực kích thích xoáy khí) theo chiều ngang hướng gió tác dụng lên kết cấu, gây ra dao động ngang kết cấu gọi là dao động xoáy khí

Tần số xoáy khí xác định dựa trên công thức tính số Strouhal:

t v

f S U

D

Hình 2-9 Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt tới việc hình thành xoáy khí

Vận tốc tới hạn gây cộng hưởng do lan tỏa xoáy khí xác định theo :

t

v cr

S

D f

a) Trước khi cộng hưởng; b) Khi cộng hưởng

Hình 2.10 Dao động của kết cấu do tác động của xoáy khí

Thực nghiệm thấy rằng, khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng xoáy khí tốc độ gió lúc này là tốc độ gió tới hạn, tần số của dây văng phản tác dụng lại tần số của xoáy khí Trong phạm vi tốc độ gió nhất định gần với tốc độ gió tới hạn, tần số của xoáy khí bị tần số của dây văng khóa lại “Lock-in” làm cho phạm vi của tốc độ gió tới hạn gây cộng hưởng xoáy khí rộng thêm Hiện tượng này còn gọi là hiện tượng

“khoá” tần số Sự khóa tần số này làm tăng thêm tính tương quan của lực xoáy 3 chiều của kết cấu, sinh ra sức cản khí động làm giảm sức cản vốn có của kết cấu

Do kết cấu có lực cản nên dao động là tắt dần

Vùng khóa Tần số

Hình 2-11 Vùng “Khoá” tần số

h Hiện tượng Galloping (dao động tiến triển nhanh)

- Hiện tượng Galloping theo hướng ngang gió

Hiện tượng Galloping là hiện tượng mất ổn định của các kết cấu mảnh có hình dạng mặt cắt đặc biệt như hình chữ nhật, hình chữ “D” Trong một số điều kiện nhất định, các kết cấu này có thể dao động với biên độ lớn theo phương vuông góc với hướng gió tới Dao động của kết cấu ở hiện tượng Galloping xảy ra ở tần số thấp hơn nhiều so với tần số dao động ở hiện tượng Vortex-Shedding

Trong hiện tượng Galloping, quan hệ giữa góc tới của gió với mặt cắt ngang kết cấu phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc của kết cấu theo phương vuông góc hướng gió Kinh nghiệm cho thấy, hệ số khí động theo phương dọc và ngang hướng gió xác định từ điều kiện tĩnh là hàm của góc tới là đủ để xây dựng phương pháp phân tích hiện tượng Galloping Do đó, hiện tượng Galloping xảy ra ngay cả với lực kích động tĩnh

- Hiện tượng Galloping do tách dòng

Hiện tượng Galloping do tách dòng xảy ra đối với các kết cấu ở phía cuối gió

so với một kết cấu khác Nguyên nhân của hiện tượng này là do dòng khí bị nhiễu loạn sau khi đi qua kết cấu khác ở phía trước Trong cầu dây văng, hiện tượng này thường xảy ra với các dây văng ở phía cuối gió, đặc biệt trong các cầu xây dựng phân kỳ thành hai cầu song song nhau

Hình 2-13 Mô tả hiện tượng tách dòng ở vật thể phía trước gió

Hiện tượng Galloping do tách dòng chỉ xảy ra trong điều kiện tần số đáp ứng của kết cấu ở phía cuối gió nhỏ hơn tần số do hiện tượng Vortex-Shedding của nó

và so với tần số của các kết cấu ở phía trước gió Cũng như hiện tượng Galloping theo hướng ngang gió, Galloping do tách dòng có thể được xác định bằng các hệ số

mô tả các hiệu ứng khí động và có thể đo được

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy nguyên nhân của hiện tượng này là do sự chồng chéo của nhiều trường khí dạng tia cục bộ theo thời gian bên trong dòng tách Các tia cục bộ hay còn gọi là các vận tốc dòng cục bộ phát sinh lực kéo hướng vào tâm của dòng tách Khu vực cách tim dòng tách một đoạn bằng ¼ chiều rộng dòng tách là vùng mất ổn định Galloping Kết cấu nằm trong vùng này sẽ bắt đầu dao động với biên độ tăng dần cho đến khi đạt được chu kỳ giới hạn

i Hiện tượng xoắn phân kỳ

Kết cấu chịu tác dụng của gió có xu hướng chống lại các lực kéo, nâng và xoắn Khi vận tốc gió tăng lên, mô men xoắn cũng tăng theo, từ đó làm tăng chuyển

vị góc xoay quanh trục của kết cấu Mặt khác, khi góc xoay tăng lên lại làm tăng diện tích chắn gió và tiếp tục làm tăng áp lực lên kết cấu Chu trình này lặp đi lặp lại nếu vận tốc gió đạt một giới hạn nào đó, tương ứng với độ cứng chống xoắn của kết cấu, khiến cho kết cấu bị xoắn tới lúc phá hoại Hiện tượng mất ổn định do xoắn phân kỳ chỉ phụ thuộc vào độ cứng chống xoắn cũng như các điều kiện đặc thù khác

Tách dòng Gió

Khoảng cách

Nâng Kéo

Vận tốc Lực kéo Lực nâng

của kết cấu có thể làm vận tốc gió tăng lên cùng với trạng thái xoay quanh trục của

nó mà không phụ thuộc vào cường độ cực hạn của kết cấu

j Hiện tượng Flutter (dao động tròng trành)

Hiện tượng Flutter là hiện tượng mất ổn định do cộng hưởng dao động của thành phần góc xoay và chuyển vị thẳng đứng Hiện tượng Flutter xảy ra khi tần số dao động riêng của góc xoay xấp xỉ bằng tần số dao động riêng của chuyển vị thẳng đứng

Các lực khí đàn hồi tự kích của dạng dao động uốn và xoắn tác dụng lên kết cấu dầm như sau liên quan đến  là mật độ không khí, U là vật tốc gió, B là chiều rộng mặt cầu, K=B/U là tần số không thứ nguyên và *

i

H , *

i

A là các hằng số khí động Flutter

Hình 2-12 Mô tả hiện tượng Flutter

Đặc tính của tải trọng gió biểu diễn bằng các đại lượng khí động *

H làm tăng

độ cứng chống uốn và *

A làm giảm độ cứng chống xoắn Tải trọng gió do chuyển động của kết cấu sẽ làm giảm khoảng cách của tần số biểu kiến n n Flutter xảy

ra ở vận tốc mà tại đó tải trọng gió do chuyển động của kết cấu có dao động đứng

và xoay cộng hưởng ở tần số n nằm giữa n và n Tại vận tốc gió này, năng lượng dao động truyền vào kết cấu lớn hơn khả năng hao tán do lực cản của kết cấu sẽ làm

kết cấu dao động phân kỳ Do vậy, vận tốc gió cực hạn để hiện tượng Flutter xảy ra

xác định từ điều kiện cân bằng giữa năng lượng do dòng khí truyền vào kết cấu và

năng lượng hao tán do lực cản của bản thân kết cấu

Sự nguy hiểm của dao động do Flutter là đáng kể khi tần số dao động riêng

của góc xoay n chỉ lớn hơn chút ít so với tần số dao động riêng của chuyển vị n

Trong quá trình dao động do cộng hưởng Flutter, chuyển vị thẳng đứng và góc xoay

xảy ra cùng một lúc nhưng lệch pha Nguyên nhân của sự lệch pha này là do sự

truyền năng lượng từ dòng khí sang kết cấu Hình 2-16 dưới đây thể hiện sự lệch

pha của hai dao động thẳng đứng và dao động của góc xoay

Hình 2-13 Sự lệch pha của các dạng dao động trong hiện tượng Flutter

k Dao động do gió mưa kết hợp

Dao động của dây cáp văng do ảnh hưởng của mưa và gió kết hợp được phát

hiện lần đầu tiên bởi Hikami và Shiraishi (1987) trên cầu dây văng Meiko-Nishi

(Nhật Bản) và sau đó được quan trắc ở nhiều công trình cầu dây văng khác trên thế

giới Hiệu ứng đặc biệt này tạo biên độ dao động lớn của cáp tại dải tần số thấp Ở

tần số dao động rất thấp thường cỡ 1-3Hz, số Scruton nhỏ (ở cầu Meiko-Nishi số

Scruton ước tính bằng 1.7), biên độ dao động rất cao cỡ 0.2 đến 1.0 m Với biên độ

dao động lớn như vậy có thể dẫn tới các va chạm giữa các bó cáp liền kề nhau

Nguyên nhân của dao động này là nước mưa bám vào và chảy trên bề mặt dây

cắt ngang cáp và lực khí động của nó Dòng phía dưới nằm trong trạng thái cân bằng ổn định trong khi dòng phía trên không ổn định Dòng nước phía trên ở vị trí góc nghiêng tại đó có sự cân bằng giữa trọng lực, lực mao dẫn và lực động học Sự không ổn định của dòng nước phía trên gây ra thay đổi liên tục đặc tính khí động của dây cáp văng dẫn đến việc dây cáp văng mất ổn định Cùng với dây cáp dao động, dòng nước phía trên cáp có khuynh hướng dao động dọc theo bề mặt cáp theo hướng chu vi và dao động này có thể kết hợp với dao động xoắn của dây cáp, tạo ra dạng khí động cản bị động (cản âm) dẫn đến làm tăng dao động

Hình 2-14 Mô hình cáp chịu gió/ mưa kết hợp

Việc phân tích lý thuyết ảnh hưởng của gió mưa kết hợp đối với bài toán dao động dây văng gặp rất nhiều khó khăn Dưới sự trợ giúp của các thí nghiệm hầm gió, người ta đã có thể kết luận độ cản dao động khí động có thể đạt giá trị âm, dẫn đến các dao động tự kích thích Dao động này có xu hướng càng ngày càng phát triển mạnh Đây là một dạng dao động nguy hiểm Việc thí nghiệm để tìm giá trị độ cản khí động âm là rất quan trọng Vấn đề này chỉ có thể giải quyết triệt để nhờ vào các thí nghiệm hầm gió kết hợp phun nước tạo mưa nhân tạo trên mô hình toàn phần thu nhỏ

Qua quan sát thực tế, điều kiện để xảy ra hiện tượng mất ổn định do tác động của mưa và gió kết hợp có thể tổng hợp như sau:

 Mưa bình thường, mưa phùn nhẹ hoặc mưa rào đều có thể dẫn đến dao động (trừ trường hợp mưa quá to ngăn cản việc hình thành các dòng nước chảy trên bề mặt ống bọc cáp)

 Tốc độ gió vừa phải, khoảng 6-18m/s, chủ yếu trong trường hợp 8-12m/s

 Tần số dao động của cáp 0.6-3 Hz

 Phạm vi đường kính cáp từ 140mm đến 225 mm

 Số Reynold từ 6x104 đến 2x105

 Hầu hết các trường hợp cáp đặt phía khuất mặt tháp,

 Hầu hết các trường hợp góc xiên của cáp 20-45 độ so với phương ngang

j Dao động trong điều kiện khô ráo

Thời gian gần đây các nhà khoa học thế giới đã chỉ ra rằng, dây cáp văng có thể dao động với biên độ lớn phân kỳ trong điều kiện khô ráo ( không mưa), đây được gọi là loại “dao động khô” Các nhà khoa học đã chứng minh được sự tồn tại của loại dao động này bằng các thí nghiệm hầm gió cũng như quan trắc thực tế Theo định nghĩa chung, dao động khô là loại dao động có biên độ lớn xảy ra trong điều kiện khô ráo và thường xảy ra ở vận tốc gió cao Đặc điểm cũng như cơ chế hình thành loại dao động này vẫn đã được thế giới rất quan tâm và chưa có nhiều xuất bản về hiện tượng này Các nhà khoa học nhật bản như Honda, Matsumoto cũng đã chỉ ra sự tồn tại của hoạt động này Đây là một loại dao động mới, việc nghiên cứu các đặc điểm của dòng gió đi qua dây văng trong điều kiện khô ráo sẽ bổ sung giải thích và làm rõ hiện tượng dao động khô này, từ đó có thể căn cứ vào các đặc điểm cũng như cơ chế hình thành để tìm ra các biện pháp hạn chế

Những đặc điểm cơ bản của dao động khô

- Dao động gây ra những hư hại cho dây văng và hệ neo phụ kiện,

- Khi dao động xảy ra, dây cáp có thể dao động phân kỳ hoặc giới hạn,

- Dao động gây ra cho dây văng trong điều kiện vận tốc gió cao,

- Dao động này chỉ xảy ra ở những góc gió nhất định

Những đặc điểm, cơ chế gây ra dao động khô sẽ được làm rõ ở chương sau bằng những phân tích từ thí nghiệm hầm gió, biểu đồ tương quan giữa các đại lượng đặc trưng như vận tốc gió, tần số kích thích, phổ năng lượng và độ tương quan giữa các vị trí trên dây cáp văng

Chương 3

ĐẶC ĐIỂM CỦA DÒNG GIÓ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG

3.1 Phương pháp nghiên cứu

Với sự tiến bộ của khoa học công nghệ, cho phép chúng ta tiếp cận việc thực

nghiệm những công trình bằng phương pháp mô phỏng số và mô hình hóa kết cấu thí nghiệm trong hầm gió Từ đó giúp chúng ta đánh giá các hạn chế, ảnh hưởng của

gió lên kết cấu công trình nhằm tìm ra các biện pháp để cải thiện thiết kế, đảm bảo

an toàn cho công trình trong quá trình thi công và khai thác

a Phương pháp mô phỏng số

Mô phỏng số là sự kết hợp giữa mô hình số và các phương pháp số giải mô hình đó, gắn kết quả mô phỏng số với những đặc tính cụ thể nhằm thực hiện tối ưu hóa quá trình thực nghiệm

Mô phỏng số bằng nhiều phương pháp tính như: phương pháp phần tử hữu hạn, sai phân hữu hạn, biến phân, hoặc phần tử biên… nhưng áp dụng phổ biến nhất là phương pháp phần tử hữu hạn bởi nó có thể giải quyết các bài toán với các điều kiện phức tạp và miền xác định bất kỳ

Matlab: là một môi trường tính toán số và lập trình cho phép tính toán số với

ma trận, thực hiện thuật toán, giúp đơn giản hóa việc thực hiện những bài toán kỹ thuật

b Phương pháp Thí nghiệm hầm gió

Đối với công tác thiết kế cầu, các tác động do gió gây ra đều được nêu ra và tính toán cẩn thận, tuy nhiên phương pháp tính toán chỉ là các công thức mang tính

lý thuyết, chính vì vậy để đánh giá một cách chính xác hơn cần một phương pháp thực tế mô phỏng được các tính toán trên lý thuyết đó là mô hình hóa kết cấu thí nghiệm hầm gió

Các tính toán trên lý thuyết được mô hình bằng các kết cấu tương tự như nguyên mẫu nhưng thu nhỏ về kích thước theo một tỷ lệ đồng dạng Mô hình sẽ được thí nghiệm trong hầm gió với các điều kiện tương tự như thực tế tại khu vực

thi công Hầm gió thường dùng để thiết kế kháng gió, cung cấp các thông tin được một cách đáng tin cậy về tác động của gió lên công trình

Các thông số được xác định trong hầm gió: Bảng 3-1

Thí nghiệm mô hình với dây

kéo căng

Kết cấu dầm (mô hình đàn hồi) Thí nghiệm mô hình cầu

Kết cấu dầm (mô hình đàn hồi), cột tháp, dây cáp… Bảng 3-1 : Những thông số được đo ở thí nghiệm hầm gió

3.2 Phân tích các đặc điểm của dòng với các vận tốc gió khác nhau

Một kết cấu nằm trong dòng khí phải chịu áp lực bề mặt do chuyển động của dòng khí đó Nếu dòng khí có nhiễu loạn, áp lực bề mặt này chính là nguyên nhân gây ra dao động cho kết cấu

Ngoài ra, chuyển động hoặc biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của áp lực bề mặt sẽ làm thay đổi điều kiện biên của dòng khí, từ đó dẫn đến làm thay đổi lực khí động Sự thay đổi của lực khí động lại có ảnh hưởng ngược lại tới chuyển động hoặc biến dạng của kết cấu Các hiện tượng có đặc điểm như trên được gọi là các hiện tượng khí đàn hồi, nghiên cứu về các hiện tượng này chính là nghiên cứu về quan hệ giữa lực khí động với chuyển động của kết cấu

Mất ổn định khí động là hiện tượng có thể xảy ra chỉ do sự hình thành các xoáy khí sau công trình cố định Trong trường hợp dòng khí làm biến dạng kết cấu dưới tác động của lực khí động dẫn đến biến dạng ban đầu của kết cấu tiếp tục tăng đến đến biên độ của dao động thì sẽ xảy ra hiện tượng mất ổn định khí đàn hồi Những dạng mất ổn định khí động có thể cũng làm biến dạng kết cấu, tạo nên hiện tượng có các tính chất giống hiện tượng khí đàn hồi Tất cả các trạng thái mất ổn

định khí đàn hồi đều tạo nên lực khí động tác dụng lên kết cấu như là nguyên nhân gây dao động của kết cấu

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài sẽ dùng các kết quả đo đạc từ thí nghiệm hầm gió tại Nhật Bản, và phân tích bằng phần mềm Matlab để tìm ra các cơ chế các đặc trưng của dòng gió đi qua cáp văng trong điều kiện khô ráo Hai đặc điểm đề tài tập trung phân tích giải thích là hàm phổ năng lượng của dòng và độ gắn kết giữa các thành phần của dây cáp văng khi có kích thích

3.2.1 Xét tương quan biểu đồ giữa Phổ Năng lượng PSD và hệ số Strouhal

a Phổ năng lượng vận tốc gió

Phổ năng lượng là đại lượng đặc trưng cho năng lượng hoặc công suất khi xét

ở một miền tần số hoặc một miền vận tốc

Biến đổi của một hàm tuần hoàn bất kỳ trong hàm tương quan cho biết các đặc trưng của vận tốc gió trong miền tần số- và đó chính là Phổ năm lượng của vận tốc

gió Power Spectral Density (PSD) ký hiệu làSu.

1

( )2

Trong đó: Ru: tương quan giữa 2 vị trí

Khi gió đi qua dây cáp văng với vận tốc là U, sẽ gây ra những đặc trưng của vận tốc gió tương ứng với miền tần số f nhất định, sự tương quan giữa 2 đại lượng vận tốc U và tần số f gây ra phổ năng lượng

Bằng các thông số xác định được qua thí nghiệm hầm gió và chạy biểu đồ với

phần mềm matlab ta tìm sự tương quan giữa các đại lượng vận tốc U, tần số f và

phổ năng lượng

Tần số dao động riêng và độ giảm chấn của dây văng có thể tham khảo ở Bảng 3.2 ở đây chúng ta có thể thấy rằng tần số dao động riêng của dây văng nằm trong khoảng từ 0.8-1.1Hz khi chưa lắp đặt giảm chấn và 1.04-1.42Hz khi đã lắp đặt giảm chấn Tuy nhiên ở đây nhịp chính khoảng 227m, do đó với những cây cầu có nhịp

lớn hơn và dây văng cũng dài hơn thì các khoảng tần số này còn có nhiều thay đổi,

ở Bảng 3.3 khi đo đạc tại cầu Sunshine Skyway Bridge (St Petersburg, FL), thì tần

số dao động riêng của dây văng nằm trong khoảng 0.61-2.92Hz cho mode 1 và 5.87 Hz cho mode 2 và 1.82-8.8Hz cho mode 3

1.2-Vậy trong phạm vị luận văn này ta xét đến những kích thích dao động mà vận tốc gió U gây ra biến thiên về phổ năng lượng và tần số dao động xấp xỉ tần số dao động riêng của kết cấu ( Nằm trong khoảng f= (0,5 – 3) Hz)

Bảng 3.2 Tần số và độ giảm chấn của dây văng cầu Leonard P Zakim Bunker Hill

Bridge (USA- Báo cáo của FHWA)

Bảng 3.3 Tần số và độ giảm chấn của dây văng cầu Sunshine Skyway Bridge (St

Petersburg, FL) (USA- Báo cáo của FHWA)

b Số liệu đo đạc hầm gió

Thí nghiệm hầm gió được thực hiện tại Nhật Bản Ở trong thí nghiệm này, Vận tốc gió ở vùng lưng của cáp văng được đo lần lượt các vị trí theo dây cáp và hướng đo nằm theo hướng gió Dây cáp được bố trí ở trong hầm gió sao cho hướng gió tác dụng với dây cáp văng với các góc ngang 0, 30 và 45 độ, và gốc nghiêng của dây cáp văng là khoảng 25 độ như hình bên dưới Phong kế được lắp đặt ở vùng lưng từ 2D -7D ( Với D là đường kính của dây văng D=0.158mm) Tần số lấy mẫu Sampling Frequency 1000Hz, thời gian lấy mẫu là 60s Như vậy mỗi chuổi số liệu

ta lấy được 60000 mẫu đo Dao động của dây văng ứng với góc gió 0, 30,

25-45 có thể tham khảo ở hình bên dưới của nghiên của nhóm tác giả Katsuchi và cộng

sự

0 0.4

Dry condition

 b :

25-0 25-15 25-30 25-45 25-60

Hình 3-1: Dao động khô của dây cáp văng

Phổ năng lượng (PSD) của sự thay đổi vận tốc gió theo phương đứng gần vùng lưng của cáp văng được thể hiện như các hình sau:

Vận tốc gió được đo là 5m/s, 10m/s và 15 m/s Đối với góc α=250; β= 300

Vận tốc gió được đo là 5m/s, 10m/s, 15 m/s và 20m/s đối với góc α=250; β= 00

; và α=250; β= 450