Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter trong kết cấu cầu hệ treo

Chia sẻ: Na Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:146

Thêm vào BST

Báo xấu

61
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án nhằm tập hợp các vấn đề đã được nghiên cứu liên quan đến bài toán phân tích và các biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo; và từ đó cho thấy một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển;...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter trong kết cấu cầu hệ treo

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN VĂN MỸ NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG FLUTTER TRONG KẾT CẤU CẦU HỆ TREO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2015
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN VĂN MỸ NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG FLUTTER TRONG KẾT CẤU CẦU HỆ TREO Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông – Xây dựng Cầu hầm Mã số: 62580205-1 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Phạm Duy Hòa 2. GS. TS. Lê Xuân Huỳnh Hà Nội – Năm 2015
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Mỹ
iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học: các thầy giáo PGS. TS Phạm Duy Hòa và GS. TS Lê Xuân Huỳnh đã tận tâm hướng dẫn, động viên khích lệ và có nhiều đóng góp ý kiến khoa học quý báu giúp tôi hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Cầu và công trình ngầm của trường Đại học Xây dựng, bộ môn Cầu-Hầm của trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, trường Đại học Giao thông vận tải và Viện Cơ học đã có những ý kiến đóng góp giá trị và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án. Và tôi cũng chân thành cám ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Xây dựng, Ban Giám hiệu trường Đại học Bách khoa và Ban Giám đốc Đại học Đà Nẵng đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tôi bày tỏ lòng biết ơn vợ và các con, người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ để tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình làm luận án. Tác giả luận án Nguyễn Văn Mỹ
v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN...................................................................................................iii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv MỤC LỤC .............................................................................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ...............................................xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI........................................................................ 1 2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN.......................... 2 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ............................................................................. 3 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................................... 3 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................................ 3 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN ............................... 4 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN ............................................................................. 4 Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG FLUTTER TRONG ......... 6 1.1 DAO ĐỘNG FLUTTER TRONG CẦU HỆ TREO ........................................... 6 1.1.1 Các hiện tượng khí động đàn hồi .......................................................... 6 1.1.2 Dao động flutter ................................................................................... 7 1.1.3 Kiểm soát mất ổn định flutter ............................................................... 9 1.2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH FLUTTER TRONG CẦU HỆ ....... 12 1.2.1 Các nghiên cứu về phân tích bài toán flutter ....................................... 12 1.2.2 Các nghiên cứu về biện pháp nâng cao ổn định flutter ........................ 19 1.2.3 Các nghiên cứu ổn định flutter bằng phương pháp “hầm gió số” ........ 29 1.2.4 Thiết kế kháng gió cho một số cầu hệ treo ở Việt Nam ...................... 32 1.2.5 Các nghiên cứu về khí động ở Việt Nam ............................................ 35 1.3 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................................................. 38 1.3.1 Những kết quả chính đã được các nhà khoa học công bố .................... 38 1.3.2 Những nội dung nghiên cứu của luận án ............................................ 39 Kết luận Chương 1 ................................................................................................ 39 Chương 2: MÔ PHỎNG SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ DÒNG ........... 40 2.1 VÀI NÉT CƠ BẢN VỀ HẦM GIÓ ................................................................. 40
vi 2.1.1 Lớp biên của hầm gió......................................................................... 40 2.1.2 Mô hình trong hầm gió ....................................................................... 41 2.2 PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” .................................................................. 43 2.2.1 Phương trình RANS ........................................................................... 43 2.2.2 Phương pháp tính ............................................................................... 44 2.2.3 Xác định các tham số khí động........................................................... 45 2.2.4 Thuật toán mô phỏng ......................................................................... 48 2.3 KIỂM ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” CHO MỘT SỐ KẾT CẤU .. 49 2.3.1 Tiết diện tròn ..................................................................................... 50 2.3.2 Tiết diện ngang cầu Great Belt ........................................................... 53 2.3.3 Tiết diện tấm mỏng phẳng .................................................................. 55 2.3.4 Kết cấu nhịp cầu treo Thuận Phước .................................................... 59 Kết luận Chương 2: ............................................................................................... 64 Chương 3: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁT SINH MẤT ỔN ĐỊNH FLUTTER.... 65 3.1 DAO ĐỘNG FLUTTER .................................................................................. 65 3.1.1 Dao động flutter xoắn (1DOF) ........................................................... 65 3.1.2 Dao động flutter uốn-xoắn (2DOF) .................................................... 66 3.1.3 Phân tích ảnh hưởng của các vi phân khí động đến dao động flutter ... 69 3.2 PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH FLUTTER ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP ...... 75 3.2.1 Phân tích cơ chế phát sinh và ngăn chặn mất ổn định flutter ............... 75 3.2.2 Phân tích ảnh hưởng của các “tham số cản” đến ổn định flutter.......... 78 3.3 PHÂN TÍCH MỘT BIỆN PHÁP CẢI TIẾN FAIRING CONG LÕM .............. 81 Kết luận Chương 3: ............................................................................................... 84 Chương 4: PHÂN TÍCH VÀ XÁC ĐỊNH MIỀN THAM SỐ HIỆU QUẢ CỦA .... 86 4.1 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA GÓC FAIRING VÀ VỊ TRÍ MÉP....... 86 4.1.1 Khảo sát miền hiệu quả của góc fairing .............................................. 86 4.1.2 Khảo sát đồng thời các tham số góc fairing và vị trí mép đón gió ....... 88 4.2 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA CHIỀU DÀI TẤM SPOILER ............. 91 4.3 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA BỀ RỘNG KHE SLOT ....................... 92 4.4 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA GÓC FAIRING LÕM ......................... 95 4.4.1 Phân tích miền hiệu quả của góc fairing tam giác lõm ........................ 95 4.4.2 Phân tích miền hiệu quả của góc fairing cong lõm............................ 101 Kết luận Chương 4: ............................................................................................. 106 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 107
vii A. Những nội dung đã được thực hiện trong luận án ............................................ 107 B. Những đóng góp mới của luận án .................................................................... 108 C. Hướng nghiên cứu phát triển ........................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 111 Tiếng Việt ........................................................................................................... 111 Tiếng Anh ........................................................................................................... 111 PHỤ LỤC................................................................................................................ I Phụ lục A: Phương pháp step-by-step của Matsumoto [57[63]................................. I Phụ lục B: Các bước phân tích ổn định flutter của kết cấu nhịp cầu Thuận .......... VII
viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các cầu hệ treo nhịp lớn với các biện pháp kiểm soát flutter [27] ............... 12 Bảng 1.2 Tiết diện các mô hình M1 đến M8 .............................................................. 21 Bảng 1.3 Các dạng fairing cho các mô hình M1 đến M8............................................ 21 Bảng 1.4 Tiết diện các mô hình S1 đến S12 ............................................................... 22 Bảng 1.5 Các dạng fairing cho các mô hình S1 đến S12 ............................................ 22 Bảng 1.6 Một số cầu hệ treo được thiết kế chống gió do các tư vấn nước ngoài ......... 33 Bảng 2.1 Các yêu cầu tỷ lệ mô hình thí nghiệm dao động tự do [109] ....................... 42 Bảng 2.2 Các yêu cầu đối với mô hình khí động cầu hoàn chỉnh [109] ...................... 42 Bảng 2.3 Kiểm chứng các hệ số lực tĩnh từ mô phỏng và thí nghiệm hầm gió ........... 53 Bảng 2.4 Kết quả các vi phân khí động đối với dao động thẳng đứng ........................ 57 Bảng 2.5 Kết quả các vi phân khí động đối với dao động xoay .................................. 57 Bảng 2.6 Các tham số mô hình tiết diện kết cấu nhịp cầu Thuận Phước..................... 59 Bảng 2.7 Vận tốc flutter tới hạn của mô hình ............................................................. 64 Bảng 3.1 Sự thay đổi Fi x i theo vận tốc đối với tiết diện dạng không thoát gió .... 71 Bảng 3.2 Sự thay đổi Fi x i theo vận tốc đối với tiết diện dạng thoát gió ............... 71 Bảng 3.3 Quan hệ vi phân khí động-vận tốc flutter tiết diện dạng không thoát gió..... 72 Bảng 3.4 Quan hệ vi phân khí động-vận tốc flutter tiết diện dạng thoát gió ............... 74 Bảng 3.5 Vận tốc flutter tới hạn đối với năm dạng tiết diện phân tích ........................ 77 Bảng 4.1 Vận tốc flutter xoắn tới hạn U cri ứng với góc α và bề rộng B...................... 87 Bảng 4.2 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với góc α và bề rộng B............... 87 Bảng 4.3 Vận tốc flutter xoắn tới hạn U cri ứng với góc d/h và bề rộng B ................... 89 Bảng 4.4 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với góc d/h và bề rộng B............ 89 Bảng 4.5 Vận tốc flutter xoắn tới hạn U cri ứng với B và L/B ..................................... 91 Bảng 4.6 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với B và L/B .............................. 91 Bảng 4.7 Vận tốc flutter xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B...................... 96 Bảng 4.8 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B .............. 97 Bảng 4.9 Vận tốc flutter xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B.................... 100 Bảng 4.10 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B........... 100 Bảng 4.11 Vận tốc flutter tới hạn xoắn U cri ứng với góc  và bề rộng B.................. 102
ix Bảng 4.12 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B........... 102 Bảng 4.13 Vận tốc flutter xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B.................. 105 Bảng 4.14 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn U cri ứng với góc  và bề rộng B.......... 105 Bảng 4.15 Tổng hợp miền hiệu quả của tham số hình học tiết diện .......................... 106 Bảng B.1 Vận tốc flutter tới hạn của mô hình ............................................................. X
x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quan hệ giữa tần số dao động riêng nhỏ nhất và chiều dài nhịp của 40 cầu ... 6 Hình 1.2 Sơ họa các hiện tượng khí động đàn hồi ........................................................ 7 Hình 1.3 Các chi tiết khí động [27] ............................................................................ 10 Hình 1.4 Nguyên lý thiết bị TMD .............................................................................. 11 Hình 1.5 Sự sụp đổ cầu Tacoma Narrows [66]........................................................... 12 Hình 1.6 Quá trình xử lý bài toán ổn định khí động ................................................... 19 Hình 1.7 Mô hình tiết diện cầu Tacoma có gắn fairing .............................................. 20 Hình 1.8 Mô hình dầm kín và các dạng fairing cụt..................................................... 23 Hình 1.9 Mô hình tiết diện dầm hở ............................................................................ 23 Hình 1.10 Mặt cắt ngang có bố trí các chi tiết khí động ............................................. 24 Hình 1.11 Các lựa chọn tiết diện đảm bảo ổn định flutter .......................................... 25 Hình 1.12 Các dạng tiết diện ban đầu và có slot tương ứng........................................ 26 Hình 1.13 Mô hình lưới dao động .............................................................................. 30 Hình 1.14 Các lưới biến dạng khi vật thể dao động a) uốn và b) xoắn........................ 30 Hình 1.15 Dạng hình học của bốn loại tiết diện ngang cầu......................................... 30 Hình 1.16 Các loại tiết diện ngang theo Lin Huang.................................................... 31 Hình 1.17 Các miền chia lưới đối với tiết diện hình chữ nhật và hộp ......................... 31 Hình 1.18 Hệ thống điều khiển tấm flap .................................................................... 35 Hình 1.19 Hệ thống điều khiển chủ động bằng tấm winglet ....................................... 36 Hình 1.20 Mô hình lý thuyết và thí nghiệm hầm gió với TMDs ................................. 36 Hình 1.21 Áp dụng giải pháp fairing cho cầu Nhật Tân [74] ...................................... 37 Hình 2.1 Sơ họa các miền chia lưới trong “hầm gió số”............................................. 47 Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán mô phỏng bằng phương pháp “hầm gió số” ...................... 49 Hình 2.3 Miền phân tích tiết diện tròn trong “hầm gió số”......................................... 50 Hình 2.4 Tạo lưới trong miền tính toán ...................................................................... 51 Hình 2.5 Phổ áp suất trong miền tính toán ................................................................. 51 Hình 2.6 Phổ véc tơ vận tốc trong miền tính toán ...................................................... 52 Hình 2.7 Đường cong hệ số lực cản và lực nâng theo thời gian của tiết diện tròn....... 52 Hình 2.8 Mặt cắt ngang cầu Great Belt theo tỷ lệ 1:80 ............................................... 53 Hình 2.9 Miền phân tích tiết diện Great Belt trong “hầm gió số” ............................... 53 Hình 2.10 Miền tạo lưới ............................................................................................ 54 Hình 2. 11 Phổ áp suất và phổ vận tốc ....................................................................... 54
xi Hình 2.12 Biểu độ CL và CM theo “hầm gió số” và thí nghiệm hầm gió ..................... 55 Hình 2.13 Miền phân tích tấm mỏng phẳng trong “hầm gió số”................................. 56 Hình 2.14 Miền tạo lưới tấm mỏng phẳng ................................................................. 56 Hình 2.15 Phổ áp suất và phổ vận tốc ........................................................................ 57 Hình 2.16 Quan hệ giữa H*1 và H*4 với vận tốc triết giảm ........................................ 58 Hình 2.17 Quan hệ giữa A*1 và A*4 với vận tốc triết giảm ........................................ 58 Hình 2.18 Quan hệ giữa H*2 và H*3 với vận tốc triết giảm ........................................ 58 Hình 2.19 Quan hệ giữa A*2 và A*3 với vận tốc triết giảm ........................................ 59 Hình 2.20 Mặt chính diện và mặt cắt ngang cầu treo Thuận Phước............................ 60 Hình 2.21 Miền phân tích mặt cắt ngang cầu Thuận Phước ....................................... 61 Hình 2.22 Miền tạo lưới mặt cắt ngang cầu Thuận Phước.......................................... 61 Hình 2.23 Kết quả H*1 và H*4 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.24 Kết quả H*2 và H*3 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.25 Kết quả A*1 và A*4 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.26 Kết quả A*2 và A*3 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.27 Quan hệ giữa tổng cản và vận tốc dòng với các góc tới 0o, +3o và -3o........ 63 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán mất ổn định flutter .............................................................. 68 Hình 3.2 a) Tiết diện dạng không thoát gió và b) Tiết diện dạng thoát gió ................. 69 Hình 3.3 Các tiết diện ngang cầu ............................................................................... 75 Hình 3.4 Mô phỏng sự tương tác dòng khí với các dạng mặt cắt ngang cầu ............... 76 Hình 3.5 Quan hệ giữa “tham số cản” C1 với vận tốc dòng U .................................... 79 Hình 3.6 Quan hệ giữa “tham số cản” C2 với vận tốc dòng U .................................... 80 Hình 3.7 Quan hệ giữa “tham số cản” C3 với vận tốc dòng U .................................... 80 Hình 3.8 Quan hệ giữa “tham số cản” C4 với vận tốc dòng U .................................... 80 Hình 3.9 Quan hệ giữa “tham số cản” C5 với vận tốc dòng U .................................... 81 Hình 3.10 Tiết diện ngang cầu có fairing vát xiên và cong lõm.................................. 82 Hình 3.11 Phổ vận tốc và phổ áp suất xung quanh tiết diện có fairing vát xiên .......... 83 Hình 3.12 Phổ vận tốc và phổ áp suất xung quanh tiết diện có fairing cong lõm ........ 83 Hình 3.13 Biểu đồ hệ số áp suất tại bề mặt của tiết diện fairing vát xiên và cong lõm 84 Hình 4.1 Tiết diện ngang cầu với biện pháp fairing ................................................... 86 Hình 4.2 Đường hồi quy Ucri,i/Ucr,18 ứng với bề rộng B khác nhau ............................. 88 Hình 4.3 Vị trí mép đón gió của tiết diện fairing ........................................................ 88 Hình 4.4 Quan hệ giữa Ucri, d/h và B với =24o ........................................................ 89
xii Hình 4.5 Quan hệ giữa Ucri, d/h và B với =26o ........................................................ 90 Hình 4.6 Quan hệ giữa Ucri, d/h và B với =28o ........................................................ 90 Hình 4.7 Tiết diện ngang cầu dùng biện pháp spoiler................................................. 91 Hình 4.8 Đường hồi quy Ucri,i/Ucr,0 theo L/B ứng với B khác nhau............................. 92 Hình 4.9 Tiết diện ngang cầu dùng biện pháp slot ..................................................... 93 Hình 4. 10 Quan hệ giữa tổng cản với vận tốc dòng theo các bề rộng cầu khác nhau . 94 Hình 4.11 Đường hồi quy Ucri,i/Ucri,0 theo S/B ứng với B khác nhau .......................... 95 Hình 4.12 Các dạng fairing tam giác lõm của tiết diện hình lục giác.......................... 96 Hình 4.13 Quan hệ giữa vận tốc flutter tới hạn theo góc  ứng với B khác nhau ........ 98 Hình 4.14 Đường hồi quy Ucri,/Ucri,0 theo  ứng với B khác nhau ............................. 99 Hình 4.15 Tiết diện hình thang với fairing tam giác lõm .......................................... 100 Hình 4.16 Quan hệ giữa vận tốc flutter tới hạn theo góc  ứng với B khác nhau ...... 100 Hình 4.17 Đường hồi quy Ucri,/Ucri,0 theo  ứng với B khác nhau ........................... 101 Hình 4.18 Định nghĩa góc fairing cong lõm  đối với tiết diện hình lục giác ........... 101 Hình 4.19 Các mô hình tiết diện với các góc  và bán kính cong lõm ..................... 102 Hình 4.20 Quan hệ giữa vận tốc flutter tới hạn theo góc  ứng với B khác nhau ...... 103 Hình 4.21 Đường hồi quy Ucri,/Ucri,0 theo  ứng với B khác nhau ........................... 103 Hình 4.22 Tiết diện hình thang với fairing cong lõm ............................................... 104 Hình 4.23 Các mô hình tiết diện với các góc  và bán kính cong lõm ..................... 104 Hình 4.24 Quan hệ giữa vận tốc flutter tới hạn theo góc  ứng với B khác nhau ...... 105 Hình 4.25 Đường hồi quy Ucri,/Ucri,0 theo  ứng với B khác nhau ........................... 105 Hình B.1 Tạo mô hình trong GAMBIT .....................................................................VII Hình B.2 Miền tạo lưới trong GAMBIT ...................................................................VII Hình B.3 Đưa miền tạo lưới từ GAMBIT vào FLUENT ......................................... VIII Hình B.4 Các vi phân flutter theo vận tốc gió triết giảm ............................................. X Hình B.5 Quan hệ tổng cản với vận tốc dòng ứng với góc tới 0 o ................................. X
xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU BTCT Bêtông cốt thép Buffeting Dao động rung lắc CFD Thuật toán động lực học chất lưu (Computational Fluid Dynamics) CWE Mô phỏng tương tác dòng gió với kết cấu trên máy tính (Computational Wind Engineering) Cầu hệ treo Cầu treo và cầu dây văng dầm cứng DPMS Hệ thống đo áp lực (Dynamics Pressure Measurement System) Fairing Cạnh vát thoát gió Flap Cánh rẽ gió Flutter Dao động tròng trành Galloping Dao động tiến triển nhanh Grating Lưới hở Slot Khe/rãnh ở giữa tiết diện ngang cầu Spoiler Tấm lệch dòng Step-by-step Phương pháp từng bước của Matsumoto TMD Tunned mass damper - Thiết bị cản điều chỉnh khối lượng Vertical stablizer Bộ ổn định thẳng đứng Vortex-shedding Dao động xoáy khí Wind nose Mũi gió Winglet Tấm dẫn dòng A*i , H *i , Pi* Vi phân khí động/vi phân flutter B Bề rộng cầu C0, C0h Độ cản của kết cấu ứng với dao động xoắn và uốn d Khoảng cách từ mép đón gió đến biên trên tiết diện hộp D; h Chiều cao dầm chủ h; y Chuyển vị thẳng đứng I Mômen quán tính khối lượng trên một đơn vị chiều dài K, K0h Độ cứng của kết cấu ứng với dao động xoắn và uốn K B U Tần số triết giảm
xiv m Khối lượng kết cấu nhịp trên một đơn vị chiều dài U Vận tốc gió/dòng Ured Vận tốc gió/dòng triết giảm Ucri Vận tốc gió/dòng tới hạn của mô hình ;  Chuyển vị góc xoắn 0 , 0h Tần số vòng dao động riêng của xoắn và uốn tương ứng  , F Tần số vòng dao động của hệ kết cấu-dòng khí 0 , 0h Tỷ số cản của kết cấu ứng với dao động xoắn và uốn tương ứng t Độ nhớt rối k Động năng của dòng rối trên một đơn vị khối lượng  Hao tán năng lượng trên một đơn vị khối lượng  Tỷ trọng của dòng
1 MỞ ĐẦU 1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Kết cầu cầu hệ treo hiện đại là kết cấu có nhiều đặc tính ưu việt mà ở đó thể hiện khả năng vượt nhịp lớn, có hình dáng kiến trúc độc đáo và là giải pháp kết cấu được ưu tiên lựa chọn. Trong thời gian gần đây, nhiều cầu có kết cấu dạng hệ treo nổi tiếng đã xây dựng như cầu Tatara (Nhật Bản, 1998), Akashi Kaiyo (Nhật Bản, 1998), Sutong (Trung Quốc, 2008), Russky (Nga, 2012)…; ngoài ra một số dự án cầu nhịp rất lớn đang và sẽ được xây dựng như cầu Messina (Ý, nhịp chính 3300m), Gibraltar (Tây Ban Nha và Ma Rốc, 5000m), ... Ở Việt Nam, nhiều cầu hệ treo đã được đầu tư xây dựng và đưa vào khai thác như cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long, 2000), Bãi Cháy (Quảng Ninh, 2006), Cần Thơ (Cần Thơ, 2010), Thuận Phước (Đà Nẵng, 2009), Trần Thị Lý (Đà Nẵng, 2013), cầu Nhật Tân (Hà Nội, 2015), … và một số dự án cầu đang và sẽ triển khai như Vàm Cống, Cao Lãnh (Đồng Tháp), … Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngành sản xuất vật liệu đã tạo ra những sản phẩm có tính năng cao, tạo điều kiện phát triển mới cho các cầu dây văng và cầu treo hiện đại. Các kết cấu ngày càng trở nên thanh mảnh hơn, có trọng lượng nhỏ hơn và có thể vượt những khẩu độ lớn hơn. Tuy nhiên, những kết cấu này lại nhạy cảm với các nguyên nhân gây dao động. Do vậy, nghiên cứu các tác động và cơ chế gây ra dao động, trong đó có tác động của gió, luôn có ý nghĩa quan trọng trong thiết kế các loại hình kết cấu này. Trong các hiệu ứng động do tác động của gió lên công trình cầu, vấn đề mất ổn định khí động luôn được quan tâm đặc biệt vì nó thường diễn ra nhanh, đột ngột, khó lường và gây hư hại nghiêm trọng hoặc/và sụp đổ công trình. Khó khăn của bài toán phân tích ổn định khí động là các tác động do gió lên công trình có thể gây ra nhiều hiện tượng; đồng thời công trình cũng phản ứng rất phức tạp đối với tác động của gió. Các nghiên cứu phải tiến hành đồng thời cả lý thuyết và thực nghiệm; tuy nhiên hiện nay chưa có một phương pháp số hay giải tích nào mô tả được đầy đủ các tác động của gió và phản ứng của công trình dưới tác động của gió. Bài toán ổn
2 định khí động hiện vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển; trong đó vấn đề nổi bật là cần mô tả rõ nét cơ chế gây ra mất ổn định flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo. Từ đó, các biện pháp kiểm soát được phân tích và miền tham số hình học hiệu quả của tiết diện ngang cầu được xác định nhằm nâng cao ổn định flutter. Ở Việt Nam hiện nay, một số công trình cầu hệ treo quy mô lớn đã hoàn thành, một số khác đang trong giai đoạn chuẩn bị và xây dựng. Việc thiết kế chống gió đối với kết cấu cầu này còn hạn chế và vấn đề này chủ yếu đều do các tổ chức tư vấn nước ngoài thực hiện. Do vậy, nhu cầu xây dựng các công trình cầu hệ treo trong thời gian tới đã đặt ra sự cần thiết nghiên cứu chuyên sâu vấn đề kiểm soát ổn định khí động flutter đối với ngành xây dựng cầu Việt Nam. Vì vậy, đề tài Nghiên cứu biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter trong kết cấu cầu hệ treo có tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 1. Tập hợp các vấn đề đã được nghiên cứu liên quan đến bài toán phân tích và các biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo; và từ đó cho thấy một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển. 2. Vận dụng tốt phương pháp CWE-“hầm gió số”, trong đó nắm vững thuật toán CFD để mô phỏng sự tương tác giữa dòng gió và kết cấu theo mô hình tiết diện và kiểm định kết quả. Với độ chính xác phù hợp, phương pháp CWE-“hầm gió số” đóng vai trò công cụ trong phân tích ổn định khí động flutter. 3. Phân tích hai bài toán mất ổn định flutter xoắn và flutter uốn-xoắn, đánh giá mức độ và vai trò ảnh hưởng của các vi phân khí động đến tổng cản hệ kết cấu- dòng gió và vận tốc gió flutter tới hạn. Mô tả và phân tích rõ hơn các cơ chế gây mất ổn định flutter đối với các tiết diện ngang cầu với một số giải pháp khí động khác nhau; từ đó kiến nghị một giải pháp cải tiến fairing cong lõm nhằm nâng cao ổn định flutter, cho phép tăng vận tốc gió flutter tới hạn. 4. Xác định miền tham số hình học hiệu quả của tiết diện hộp, ứng với một số giải pháp khí động, để nâng cao ổn định flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo.
3 3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Giải pháp cấu tạo của tiết diện hộp ngang cầu nhằm nâng cao ổn định flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo. 4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU Sử dụng mô hình tiết diện và xét bài toán mất ổn định flutter theo hai dạng xoắn và uốn-xoắn. Kết cấu nhịp cầu hệ treo có mặt cắt ngang cầu là tiết diện hộp thép. 5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Do tính phức tạp của dòng rối và các đặc trưng khí động của hệ kết cấu-dòng gió nên hiện nay chưa có mô hình toán học hoàn chỉnh nào mô tả đầy đủ sự tương tác giữa chúng. Thí nghiệm hầm gió là một phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cần thiết không thể thiếu trong việc thiết kế chống gió cho cầu hệ treo nhịp lớn. Tuy nhiên, đây cũng là phương pháp cần chi phí lớn và chưa có điều kiện thực hiện tại Việt Nam. Một hướng nghiên cứu lý thuyết là mô phỏng tương tác kết cấu-dòng gió trên máy tính (Computational Wind Engineering-CWE), trong đó thuật toán động lực học chất lưu trên máy tính (Computational Fluid Dynamics-CFD) được sử dụng. Do đó, phương pháp CWE có thể gọi là “hầm gió số” (Numerial wind tunnel). Phương pháp “hầm gió số” rất thuận lợi trong việc hiển thị chi tiết dòng khí xung quanh và sự phân bố áp lực gió lên bề mặt kết cấu với chi phí chủ yếu phục vụ cho việc tính toán, ngoài ra không cần tốn thêm khoản kinh phí nào khác. Tuy nhiên, kết quả đạt được đã được kiểm định đánh giá và so sánh với kết quả từ thí nghiệm hầm gió và phương pháp khác. Với sai số nhỏ, mức độ chính xác của phương pháp là tin cậy được. Vì vậy, phương pháp “hầm gió số” được tác giả luận án áp dụng để phân tích các bài toán mất ổn định flutter. Trong các bài toán ổn định flutter, theo GS. Katsuchi, các vi phân khí động có thể được xem là “hộp đen”. Do vậy, cần thiết sử dụng công cụ toán học để đánh giá mức độ và vai trò ảnh hưởng của các vi phân này đến cơ chế mất ổn định flutter.
4 Ngoài ra, các tham số hình học của tiết diện với các giải pháp khí động khác nhau có ảnh hưởng đến ổn định flutter. Vì vậy, cần nghiên cứu khảo sát và xác định miền tham số hiệu quả làm định hướng trong thiết kế dạng hình học tiết diện ngang của kết cấu cầu hệ treo chịu tác động của gió. 6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN Ý nghĩa khoa học của luận án là đánh giá vai trò của các vi phân khí động đến ổn định flutter và phân tích các cơ chế gây ra mất ổn định flutter một cách rõ ràng hơn đối với kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang dạng hộp thép với một số giải pháp khí động như fairing, spoiler và slot nhằm ngăn chặn/triệt tiêu khả năng mất ổn định flutter của kết cấu nhịp. Kiến nghị một giải pháp cải tiến-fairing cong lõm cùng với cơ chế nâng cao ổn định flutter đạt hiệu quả cao hơn. Ý nghĩa thực tiễn của luận án là xác định miền tham số hình học hiệu quả của tiết diện ngang cầu với một số giải pháp khí động như fairing (dạng vát xiên và lõm), spoiler và slot để nâng cao ổn định flutter đối với kết cấu cầu hệ treo. Các kết quả đạt được sẽ giúp ích cho các nhà thiết kế có nhiều lựa chọn hơn trong việc đề xuất các dạng mặt cắt ngang cầu khi thiết kế kết cấu nhịp chịu tác động của gió. 7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN Nội dung luận án gồm có: Mở đầu, 4 Chương và Kết luận. Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng nghiên cứu, phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu. ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận án. Chương 1: Tổng quan nghiên cứu ổn định flutter trong cầu hệ treo chịu tác động của gió Phân tích tổng quan các nghiên cứu đối với cơ chế mất ổn định flutter trong kết cấu cầu hệ treo nhịp lớn, các biện pháp nâng cao ổn định flutter và phương pháp “hầm gió số”. Từ đó, xác định nội dung cần tập trung nghiên cứu của luận án.
5 Chương 2: Mô phỏng sự tương tác giữa kết cấu và dòng gió bằng phương pháp “hầm gió số” Bằng phương pháp “hầm gió số”, sự tương tác giữa kết cấu và dòng gió được mô phỏng với các dao động uốn và xoắn; từ đó các tham số khí động như hệ số lực tĩnh và vi phân khí động được xác định nhằm phân tích bài toán mất ổn định flutter. Phương pháp này được luận án áp dụng để mô phỏng các tiết diện tròn, tấm mỏng phẳng, mặt cắt ngang cầu Great Belt và cầu Thuận Phước theo mô hình tiết diện. Kết quả từ phương pháp này được đánh giá và kiểm định tính chính xác bằng cách so sánh với kết quả từ thí nghiệm hầm gió và kết quả tính theo phương pháp khác. Chương 3: Nghiên cứu cơ chế phát sinh mất ổn định flutter đối với kết cấu nhịp của cầu hệ treo Trình bày bài toán mất ổn định flutter xoắn và uốn-xoắn nhằm tìm ra vận tốc gió tới hạn, thời điểm mất ổn định futter có thể xảy ra. Trên cơ sở đó, các vi phân khí động được đánh giá mức độ và vai trò ảnh hưởng đến khả năng mất ổn định flutter. Hơn nữa, các tiết diện hộp dạng hình chữ nhật, fairing, hình thang, spoiler và slot được mô phỏng nhằm phân tích và mô tả cơ chế phát sinh mất ổn định flutter đối với từng tiết diện. Từ đó, cải tiến một biện pháp fairing cong lõm và xác định được cơ chế nâng cao ổn định flutter của nó. Chương 4: Phân tích và xác định miền tham số hình học hiệu quả của tiết diện với các biện phân nâng cao ổn định flutter kết cấu nhịp cầu hệ treo Trên cơ sở mô phỏng hàng loạt mô hình tiết diện với dao động uốn và xoắn và phân tích bài toán ổn định flutter, luận án đã xác định miền tham số hình học hiệu quả của tiết diện hộp với một số giải pháp khí động là fairing (vát xiên, tam giác lõm và cong lõm), spoiler và slot. Kết luận: Trình bày các nội dung đã thực hiện trong luận án. Trình bày những đóng góp mới của luận án có ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn. Hướng nghiên cứu phát triển tiếp tục.
6 Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG FLUTTER TRONG CẦU HỆ TREO NHỊP LỚN CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ 1.1 DAO ĐỘNG FLUTTER TRONG CẦU HỆ TREO 1.1.1 Các hiện tượng khí động đàn hồi Cầu hệ treo là loại kết cấu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây cáp làm bằng vật liệu có cường độ cao. Do dây chỉ thuần tuý chịu kéo nên tận dụng triệt để khả năng chịu lực của vật liệu, vì thế cầu hệ treo là hệ có khối lượng nhỏ nhất và có khả năng vượt nhịp lớn hơn so với các loại cầu khác. Hơn nữa, cùng với hình dáng kiến trúc độc đáo nên cầu hệ treo là giải pháp kết cấu được ưu tiên lựa chọn. Bên cạnh những ưu điểm này, cầu hệ treo có nhược điểm chính là độ cứng nhỏ và nhạy cảm với các nguyên nhân gây dao động như gió và tải trọng có tính chu kỳ. Khi cầu có chiều dài nhịp càng lớn, chúng càng dễ uốn và dễ bị dao động kích thích (Hình 1.1); trong đó dao động do tác động của gió được xem là quan trọng nhất [3][27] [30][38][66][68][82][101]. Hình 1.1 Quan hệ giữa tần số dao động riêng nhỏ nhất và chiều dài nhịp của 40 cầu hệ treo nhịp lớn nhất thế giới [27] Khi nằm trong dòng gió, kết cấu nhịp có thể dịch chuyển và dao động; sau đó dao động này lại ảnh hưởng đến dòng gió xung quanh kết cấu. Dao động tạo ra bởi