NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG FLUTTER TRONG KẾT CẤU CẦU HỆ TREO. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

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