Báo cáo khoa học: Phân tích ổn định khí động của cầu dây văng Bãi cháy

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

192
lượt xem 49
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tài liệu Báo cáo khoa học: Phân tích ổn định khí động của cầu dây văng Bãi Cháy cung cấp kiến thức về những tham số cơ bản, phương pháp mô hình hóa và phân tích kết cấu dây văng dưới tác động của gió bằng việc sử dụng phần mềm Mida - Civil và các lý thuyết khác, các dạng phần tử chính xác hiệu quả được sử dụng để mô hình hóa kết cấu cầu. Mời các bạn cùng tham khảo bài báo cáo để nắm bắt nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: Phân tích ổn định khí động của cầu dây văng Bãi cháy

Ph©n tÝch æn ®Þnh khÝ ®éng cña cÇu d©y v¨ng B∙I ch¸y PGS. ts. Hoµng hµ Bé m«n C«ng tr×nh Giao th«ng Thμnh phè Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i ths. NguyÔn V¨n l©m C«ng ty T− vÊn ThiÕt kÕ TEDI ths. B¹ch quèc sü §¹i häc §μ N½ng Tãm t¾t: Bμi viÕt giíi thiÖu mét ph−¬ng ph¸p m« h×nh ho¸ vμ ph©n tÝch kÕt cÊu cña cÇu d©y v¨ng d−íi t¸c ®éng cña giã b»ng viÖc sö dông phÇn mÒm Midas-Civil vμ c¸c lý thuyÕt kh¸c. C¸c d¹ng phÇn tö chÝnh x¸c vμ hiÖu qu¶ ®−îc sö dông ®Ó m« h×nh ho¸ kÕt cÊu cÇu. Mét phÇn tö thanh ®−îc dïng ®Ó m« h×nh ho¸ dÇm chñ, trô vμ c¸c th¸p cÇu. PhÇn tö c¸p víi liªn kÕt ë 2 ®Çu ®−îc m« t¶ nh− mét liªn kÕt ®μn håi vμ ®−îc chÊp nhËn ®Ó m« h×nh ho¸ c¸c c¸p d©y v¨ng. ViÖc ph©n tÝch b»ng phÇn mÒm MIDAS\Civil ®−îc thùc hiÖn trªn c«ng tr×nh cÇu d©y v¨ng thùc tÕ lμ cÇu B·i Ch¸y (Qu¶ng Ninh). Summary: This paper presents a method of modelling and analyzing the structure of cable- stayed bridges under the impact of the wind by using Midas - Civil software and other theories. Accurate and efficient finite elements are used for modelling the bridge structure. A beam element is adopted to model the girder, piers and the pylons. Whereas, a two-node catenary cable element described using exact analytical expressions for the elastic catenary, is CT 2 adopted to model the cables. Structural analysis by MIDAS - Civil is executed on Baichay Bridge (Quangninh). 1. Nh÷ng tham sè c¬ b¶n Bè trÝ chung tæng thÓ cÇu CÇu chÝnh gåm 6 nhÞp liªn tôc. S¬ ®å tæng thÓ cña cÇu hoµn chØnh vµ ph©n ®o¹n chi tiÕt cña kÕt cÊu giíi thiÖu trªn h×nh 1 vµ h×nh 2. H×nh 1. Tæng thÓ cÇu d©y v¨ng B·i Ch¸y
35000 86000 129500 435000 129500 86000 40000 27 X 6500 = 175500 35000 35000 27 X 6500 = 175500 14000 27 X 6500 = 175500 35000 35000 27 X 6500 = 175500 5000 Hon Gai Bai Chay 40250 25T 25T 25T 5400 5400 2100 10000 10000 P5 A1 H.W.L + 1.94 P6A L.W.L - 1.46 P1 P3 P2 P4 MAIN BRIDGE AND DEVIDED SEGMENTS 35000 86000 129500 435000 129500 86000 35900 35900 35900 35900 4500 4500 4100 31x6500=201500 19800 31x6500=201500 31x6500=201500 19800 31x6500=201500 4100 3200 H×nh 2. S¬ ®å tæng thÓ vμ c¸c bé phËn chi tiÕt cña cÇu a- DÇm chñ: DÇm chñ cña cÇu cã cÊu t¹o phï hîp chÞu t¸c ®éng giã gåm mét hép b»ng bª CT 2 t«ng cèt thÐp dù øng lùc ®−îc t¨ng c−êng b»ng hÖ thèng c¸c thanh chèng chÐo b»ng thÐp nhåi bª t«ng, phÝa trong c¸c thanh ë vÞ trÝ neo d©y v¨ng cã c¸p c−êng ®é cao. C¸c thanh chèng chÐo võa cã nhiÖm vô gi¶m khÈu ®é tÝnh to¸n cho b¶n mÆt cÇu võa truyÒn lùc nhæ tõ c¸c d©y v¨ng xuèng ®¸y dÇm nh»m ®¶m b¶o an toµn cho b¶n mÆt cÇu… Dµn d©y v¨ng ®−îc bè trÝ ë gi÷a cña mÆt c¾t ngang hép. Cã 4 lµn xe «t« vµ 2 lµn ng−êi ®i bé bè trÝ ë hai bªn mÆt ph¼ng dµn d©y. Chi tiÕt mÆt c¨t ngang xem trªn h×nh 3 b- CÊu t¹o th¸p cÇu: CÇu sö dông 2 th¸p d¹ng cét ®¬n cã kÝch th−íc rÊt thanh m¶nh. ChiÒu cao mçi th¸p tÝnh tõ sµn cÇu lµ 90 m. MÆt c¾t ngang th¸p thÓ hiÖn trªn h×nh 4. c- C¸c tham sè cña c¸p d©y v¨ng C¸p dïng lo¹i tao 15,2 mm, tham sè kü thuËt chñ yÕu nh− sau: - M« ®un ®µn håi : 195000 MPa. §−êng kÝnh danh ®Þnh : 150 mm2. - - Khèi l−îng danh ®Þnh : 1.18 kg/m C¸c tham sè vÒ chiÒu dµi, ®−êng kÝnh, lùc c¨ng cña mçi c¸p d©y v¨ng theo sè liÖu cña h·ng Freyssinet ghi trong b¶ng 1. Tham sè kü thuËt cña vËt liÖu chÝnh ghi ë b¶ng 2
DETAIL SECTION AT START OF SEGMENT - No.1 SECTION 2-2 2% 2% H×nh 3. CÊu t¹o chi tiÕt mÆt c¾t ngang dÇm chñ SIDE VIEW FRONT VIEW 6-6 4500 3000 275 1900 275 1200 2100 1200 275 275 750 1500 750 SIDE SPAN CENTER SPAN 1 1 30 30 0 0 50 50 20 20 ° 1 29 2 .6 0 2 .4 9 4 89 2 2 S5 ° 150 S1 6 20 S5 5 S2 S5 4 S3 1200 S5 3 S4 S5 50 2 0 S5 3 3 S5 1 S6 S5 1000 0 S7 S4 CT 2 9 S8 S4 8 S9 S4 7 0 S1 2 X1 5 =4 2 0 2 X1 5 =4 2 0 S4 7 70 75 7 70 75 6 1 S1 S4 2 5 S1 S4 4 3 S1 S4 3 4 S1 S4 2 5 S1 S4 1 6 S1 S4 0 17 S S3 8 9 S1 S3 9 8 S1 S3 0 7 S2 S3 21 6 S3 S 900 900 00 00 2 5 2 S S 34 23 S S 70 50 33 24 2X1 5 =3 0 S ° S 700 744 50.5 70 32 25 48.5 037 S ° 76 S3 S3 S2 S2 S2 10 S2 8 9 420 420 05 05 370 65 25300 6000 1000 4000 1000 4 4 3000 2% 2% 68 2 5 5 65 34 0 35 parabola 34 59 70 70 7 6000 4 0 59 0 34 4 7 700 700 700 700 7100 7100 9900 9900 8500 8500 6 6 H×nh 4. CÊu t¹o th¸p cÇu
3-3 1-1 350 4500 350 350 350 4717 275 600 700 600 275 275 600 700 600 275 750 750 275 275 1000 1000 1200 2100 1200 2717 3000 3000 1500 1500 R300 R300 750 750 275 275 975 975 120 120 975 975 120 120 230 230 230 230 275 1325 1325 275 2000 1325 275 275 1325 2217 5200 5417 5-5 6-6 6700 70 0 350 6000 350 275 600 700 600 275 750 275 1000 4000 1000 3000 8500 1500 R300 750 275 975 975 120 120 70 230 230 0 1325 275 3500 275 1325 CT 2 8500 H×nh 4 (tiÕp) B¶ng 1. C¸c tham sè c¬ b¶n cña d©y v¨ng DiÖn DiÖn Lùc Khèi Lùc Khèi Sè tÝch Sè tÝch Sè Sè c¨ng l−îng Sè Sè c¨ng l−îng l−îng l−îng mÆt mÆt hiÖu hiÖu hiÖu hiÖu trong ®¬n vÞ trong ®¬n vÞ tao c¾t tao c¾t c¸p neo d©uy dµi c¸p neo d©uy dµi c¸p ngang c¸p ngang (kN) (kg/m) (kN) (kg/m) (mm2) (mm2) S1 71 75 10650 7800 95.90 S29 35 37 5250 3399 48.10 S2 71 75 10650 7638 95.90 S30 35 37 5250 3641 48.10 S3 71 75 10650 7559 95.90 S31 35 37 5250 3592 48.10 S4 71 75 10650 7463 95.90 S32 35 37 5250 3720 48.10 S5 71 75 10650 7364 95.90 S33 35 37 5250 3764 48.10 S6 71 75 10650 7254 95.90 S34 35 37 5250 3729 48.10 S7 57 61 8550 6024 77.00 S35 35 37 5250 3621 48.10
S8 57 61 8550 6109 77.00 S36 35 37 5250 3450 48.10 S9 57 61 8550 6175 77.00 S37 45 55 6750 4916 61.40 S10 57 61 8550 6219 77.00 S38 45 55 6750 4954 61.40 S11 57 61 8550 6440 77.00 S39 45 55 6750 5000 61.40 S12 57 61 8550 6414 77.00 S40 45 55 6750 5009 61.40 S13 57 61 8550 6373 77.00 S41 45 55 6750 4985 61.40 S14 57 61 8550 6314 77.00 S42 45 55 6750 4928 61.40 S15 45 55 6750 5025 61.40 S43 57 61 8550 5991 77.00 S16 45 55 6750 5063 61.40 S44 57 61 8550 6095 77.00 S17 45 55 6750 5074 61.40 S45 57 61 8550 6173 77.00 S18 45 55 6750 5051 61.40 S46 57 61 8550 6241 77.00 S19 45 55 6750 5043 61.40 S47 57 61 8550 6040 77.00 S20 45 55 6750 5050 61.40 S48 57 61 8550 6011 77.00 S21 35 37 5250 3769 48.10 S49 57 61 8550 5958 77.00 S22 35 37 5250 3859 48.10 S50 57 61 8550 5885 77.00 S23 35 37 5250 3888 48.10 S51 71 75 10650 7092 95.90 CT 2 S24 35 37 5250 3893 48.10 S52 71 75 10650 7207 95.90 S25 35 37 5250 3873 48.10 S53 71 75 10650 7310 95.90 S26 35 37 5250 3874 48.10 S54 71 75 10650 7402 95.90 S27 35 37 5250 3910 48.10 S55 71 75 10650 7476 95.90 S28 35 37 5250 3763 48.10 S56 71 75 10650 7967 95.90 B¶ng 2. CÊp bª t«ng cña kÕt cÊu Bé phËn kÕt cÊu Ký hiÖu §¬n vÞ DÇm Th¸p Trô CÊp bª t«ng C45 C55 C35 Kg/m3 Dung träng yc 2500 2500 2500 C−êng ®é chÞu nÐn ë tuæi 28 f'c MPa 45 55 35 ngµy Modul ®µn håi MPa 36057 39862 31799 Ec = 0,043 x yc1,5 x f ' c C−êng ®é chÞu nÐn tÝnh to¸n fc = 0,4 f'c MPa 18.0 22.0 14.0 C−êng ®é chÞu kÐo tÝnh to¸n MPa 4.2 4.7 3.7 fr = 0,63 x f ' c
2. Ph©n tÝch kÕt cÊu b»ng MIDAS\CIVIL 2.1 M« h×nh kÕt cÊu Tõ nh÷ng tham sè thùc tÕ, kÕt cÊu cÇu ®−îc m« h×nh ho¸ cã m« h×nh tæng thÓ nh− trªn h×nh 5. C¸c ®iÒu kiÖn biªn liªn kÕt nh− h×nh 6, mÆt c¾t ngang dÇm, th¸p cÇu vµ c¸c d©y v¨ng ®−îc m« t¶ chi tiÕt trªn h×nh 7. H×nh 5. M« h×nh ho¸ tæng thÓ kÕt cÊu H×nh 6. M« t¶ ®iÒu kiÖn biªn CT 2 H×nh 7. M« h×nh dÇm chñ, th¸p cÇu vμ d©y v¨ng 2.2. KÕt qu¶ ph©n tÝch TÇn sè dao ®éng tù do cña dÇm chñ t−¬ng øng víi c¸c d¹ng dao ®éng kh¸c nhau. S¸u d¹ng dao ®éng uèn theo ph−¬ng th¼ng ®øng ®Çu tiªn cña kÕt cÊu dÇm chñ vµ gi¸ trÞ tÇn sè t−¬ng øng thÓ hiÖn trªn c¸c h×nh tõ 8 ®Õn 11. C¸c d¹ng dao ®éng xo¾n kh«ng ®èi xøng cña dÇm chñ vµ gi¸ trÞ tÇn sè t−¬ng øng thÓ hiÖn trªn h×nh 12, dao ®éng uèn xo¾n ®ång thêi thÓ hiÖn ë h×nh 13. H×nh 8. Dao ®éng uèn d¹ng thø nhÊt vμ thø hai H×nh 9. Dao ®éng uèn d¹ng thø ba vμ thø t−
H×nh 10. Dao ®éng uèn d¹ng thø n¨m vμ thø s¸u H×nh 11. C¸c gi¸ trÞ tÇn sè t−¬ng øng H×nh 12. Dao ®éng xo¾n kh«ng ®èi xøng H×nh 13. Dao ®éng uèn xo¾n kÕt hîp 3. Ph©n tÝch æn ®Þnh KhÝ ®éng cña kÕt cÊu cÇu b·I ch¸y 3.1 TÇn sè dao ®éng tù do 3.1.1 TÝnh tÇn sè dao ®éng uèn theo ph−¬ng ph¸p gÇn ®óng CT 2 TÇn sè dao ®éng riªng uèn cã thÓ ph©n tÝch theo c«ng thøc gÇn ®óng: 1.1 g 1/ 2 fB = ( ) (1) 2π v max trong ®ã vmax gi¸ trÞ biÕn d¹ng sù tÜnh ®iÖn cùc ®¹i (cña) hÖ thèng d−íi träng l−îng b¶n th©n kÕt cÊu. B»ng viÖc ph©n tÝch víi phÇn mÒm Midas / Civil chóng ta cã kÕt qu¶ nh− trong h×nh 14. 1.1 9.81 1 / 2 fB = =0.3116 (Hz) ( ) 2 π 3.1 H×nh 14. TÝnh to¸n ®é vâng do tÜnh t¶i b¶n th©n kÕt H×nh 15. BiÕn d¹ng tÜnh cña dÇm cÇu d−íi t¸c cÊu b»ng MIDAS/Civil dông cña lùc F0
3.1.2 . TÝnh tÇn sè dao ®éng uèn dïng phÇn mÒm MIDAS/Civil. KÕt qu¶ ghi trªn h×nh 11, tÇn sè dao ®éng riªng uèn t−¬ng øng víi d¹ng dao ®éng uèn thø nhÊt theo kÕt qu¶ ph©n tÝch b»ng phÇn mÒm MIDAS/Civil b»ng: fB = 0.3071 (Hz) 3.1.3. TÇn sè tÝnh to¸n Nh− vËy hai ph−¬ng ph¸p ®· cho sai sè: Δ fB = 0.3116 0.3071 = 0.45 % Bëi sai sè rÊt nhá nh− vËy trong tr−êng hîp nµo ®ã chóng ta cã thÓ sö dông ph−¬ng ph¸p xÊp xØ ®Ó x¸c ®Þnh tÇn sè c¬ b¶n trong kiÓu uèn ®èi xøng th¼ng ®øng. Cho sù kiÓm tra æn ®Þnh khÝ ®éng häc, c¸c gi¸ trÞ sau cña tÇn sè ®−îc chän: TÇn sè dao ®éng riªng uèn d¹ng ®èi xøng: fB = f1 = 0.3071 (Hz) TÇn sè dao ®éng riªng uèn d¹ng kh«ng ®èi xøng: fB = f2 = 0.4342 (Hz) TÇn sè dao ®éng riªng xo¾n: fT = 0.599 (Hz) TÇn sè dao ®éng riªng uèn- xo¾n: fT1 = 0.980 (Hz) CT 2 3.2. KiÓm tra æn ®Þnh khÝ ®éng dao ®éng do xo¸y khÝ (Vortex - shedding) Tõ tèc ®é giã tíi h¹n: fh V= (2) S ë ®©y: h = 3.97 ( M) lµ toµn bé chiÒu cao sµn cÇu. f lµ tÇn sè (cña) c¸c xo¸y khÝ S = 0.19 lµ trÞ b×nh qu©n (cña) sè (cña) Strouhal cho h×nh mÆt c¾t ngang dÇm Trong tr¹ng th¸i tíi h¹n, x¶y ra tr¹ng th¸i nguy hiÓm khi cã sù céng h−ëng cña hai tÇn sè do c¸c xo¸y khÝ vµ cña kÕt cÊu khi dao ®éng n©ng h¹ c−ìng bøc lµ f = 0.3071 (Hz). 0.3071 * 3.97 V= = 6.4 m/s = 23 Km/h 0.19 VËn tèc giã trªn cã thÓ kiÓm tra chØ sè Reynolds: VB Re = (3) ν ë ®©y: B = 25.3 (m) lµ chiÒu réng cÇu (xem h×nh 3). ν = 0.15 ( cm2 /s) lµ ®é nhít ®éng häc [6]
6.4 * 25.3 = 1.08 * 10 7 (>107) Re = −4 0.15 * 10 V2 Cã F(t) = F0 sin ϖ.t ; víi: F0 = ρ Ch 2 6.4 2 F0 = 1.3 * * 0.4 * 3.97 = 42.3 N/m 2 ρ ≈ 1.3 (kg / m3) lµ mËt ®é kh«ng khÝ [6]. C hoÆc CN lµ ®Æc tr−ng n©ng lùc n©ng phô thuéc vµo h×nh d¹ng mÆt c¾t, tû lÖ B/h = 25.3/3.97 = 6.4. Tham chiÕu c¸c tµi liÖu trªn cã CN = 0.4. Biªn ®é dao ®éng cùc ®¹i ®−îc x¸c ®Þnh theo ph−¬ng tr×nh (3) víi ®é gi¶m logarit = 0,05: π 1 F0 π v= = v stat ˆ ˆ (4) δk B δ ˆ ë ®©y vstat lµ sù biÕn d¹ng tÜnh cùc ®¹i (cña) dÇm chñ do F0. Víi s¬ ®å t¶i (cña) F0 trong ˆ m« h×nh chóng ta cã kÕt qu¶ nh− trong h×nh 15, vstat = 0.004m. π v= 0.004 = 0.25 m = 250 mm ˆ 0.05 Dao ®éng uèn th¼ng ®øng do xo¸y khÝ cã biªn ®é cùc ®¹i lµ 250 mm t−¬ng øng víi tÇn sè b»ng 0.3071 Hz lµ chÊp nhËn ®−îc theo quan ®iÓm t¸c ®éng t©m lý do dao ®éng c¸c xo¸y khÝ CT 2 g©y ra. Gi¸ trÞ gia tèc t−¬ng øng lµ: ˆ && = 4 π 2 f 2 v = 4 * π 2 * (0.3071) 2 * 0.25 = 0.93 m/s2 ˆ v Tham chiÕu víi c¸c tµi liÖu cña RenÐ Walther [6] tr¹ng th¸i dao ®éng xo¸y khÝ víi gia tèc b»ng 0.93 m/s2 lµ chÊp nhËn ®−îc. 3.4. KiÓm tra æn ®Þnh khÝ ®éng d¹ng dao ®éng trßng trμnh (Flutter) Sö dông ph−¬ng ph¸p Kloppel, chóng ta cã: m μ= (5) πρb 2 Trong ®ã m lµ khèi l−îng ph©n bè ®Òu theo ®¬n vÞ dµI cña cÇu bao gåm c¶ mét nöa khèi l−îng b¶n th©n cña c¸p m = 14.1735*2450+588038/2/866=35065 Kg/m b = B/2 = 25.3/2 = 12.65 m 35065 μ= = = 53.65 2 π * 1.3 * 12.65 2 πρb
J 22.5536 r= = = 1,1 m (b¸n kÝnh qu¸n tÝnh cùc) F 14.1735 fT 0.599 r 1 .1 ε= = = 1.95 = δ=0.05; =0.087 ; fB 0.3071 b 12.65 Tham chiÕu tíi tµi liÖu cña RenÐ Walther, phÐp néi suy víi nh÷ng tham sè μ, δ, ε , r/b. Tèc ®é tíi h¹n lý thuyÕt cña dao ®éng trßng trµnh (Flutter): V = 7.8 → Vcrit theor = 7.8*2*π*0.3071*12.65 = 190.4 m/s 2π.fB .b Sö dông hÖ sè ®iÒu chØnh η = 0.82 cã ®−îc vËn tèc giã tíi h¹n b¸n thùc nghiÖm: 0.82*190.4 = 156.1 m/s. Vcrit actual, α=0˚ = §èi víi cao ®é sµn cÇu vµ d¹ng mÆt c¾t dÇm h×nh hép: 156.1/3 = 52 m/s Vcrit actual, α=±6˚ = VËn tèc giã lín nhÊt kh¶o s¸t ë eo Cöa Lôc lµ 49,5 m/s cho thÊy ®iÒu kiÖn æn ®Þnh khÝ ®éng theo d¹ng dao ®éng trßng trµnh (Flutter) kÕt cÊu ®ñ an toµn. 4. KÕt luËn - Sö dông phÇn mÒm MIDAS/Civil cïng víi øng dông lý thuyÕt khÝ ®éng ®· ph©n tÝch æn CT 2 ®Þnh cña kÕt cÊu cÇu d©y v¨ng B·i Ch¸y d−íi t¸c dông cña giã ë hai d¹ng t¸c ®éng ®Æc tr−ng lµ dao ®éng xo¸y khÝ (Vortex-shedding) vµ dao ®éng trßng trµnh (Flutter). - KÕt qu¶ ph©n tÝch trïng víi kÕt qu¶ tÝnh to¸n thiÕt kÕ theo [1] ®· chøng tá ®é tin cËy cña c¸c phÐp ph©n tÝch kiÓm tra. - KÕt qu¶ nghiªn cøu cã thÓ bæ sung vµo c¸c kinh nghiÖm ph©n tÝch kÕt cÊu cÇu treo vµ cÇu d©y v¨ng chÞu t¸c ®éng cña giã ë ViÖt Nam. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. Hå s¬ thiÕt kÕ cÇu B·i Ch¸y. [2]. KÕt qu¶ thö t¶i CDV B·i Ch¸y – Tr−êng §¹i häc GTVT, 10/2006 . [3]. Hoμng Hμ. Ph©n tÝch kÕt cÊu c«ng tr×nh cÇu - hÇm – Tr−êng §¹i häc GTVT, 2006. [4]. Glen V. Berg. Vibration of Structures and Machines. Springer-Verlag, New York. USA-1993. [5]. Steen Krenk. Complex modes and frequencies in damped strutural vibrations. Journal of Soud and Vibrations 270 (2004). [6]. Rene Walther, Bernard Houriet, Walmar Isler, Piere MoÏa. Cable-Stayed Bridges. London, 1988