Khảo sát dao động của cáp dây văng có xét đến độ cứng chống uốn của dây dưới tác động của gió các biện pháp hạn chế dao động của dây cáp,luận văn thạc sỹ chuyên ngành xây dựng cầu hầm

Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang LỜI NĨI ĐẦU Hiện nay, Việt Nam số cơng trình cầu dâu văng quy mơ lớn hồn thành, số khác giai đoạn chuẩn bị xây dựng Cầu dây văng độ lớn xây dựng nước cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) hoàn thành năm 2000 với chiều dài nhịp 350m, tiếp hàng loạt dự án xây dựng cầu dây văng lớn khác cầu Kiền (Hải Phịng) nhịp 200m, Cầu Bính (Hải Phịng) nhịp 260m, cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh) mặt phẳng dây với nhịp 435m, Rạch Miễu (Bến Tre) nhịp 270m, cầu Cần Thơ nhịp 550m Phân tích dao động ổn định khí động cơng trình đặc biệt quan trọng phân tích, tính tốn thiết kế kết cấu Tuy nhiên, cơng việc tổ chức tư vấn nước ngồi thực hiện, kể với cơng trình tư vấn Việt Nam thiết kế Việc nghiên cứu phân tích dao động ổn định khí động nước bước đầu hạn chế, đặc biệt cơng trình cầu lớn Nhu cầu xây dựng cơng trình cầu lớn đặc biệt lớn thời gian tới đặt yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu toàn diện, mặt lý thuyết thực nghiệm vấn đề dao động ổn định khí động cơng trình Với nội dung “Khảo sát dao động cáp dây văng có xét đến độ cứng chống uốn dây tác động gió – biện pháp hạn chế dao động dây cáp”, luận văn gồm chương sau: Chương 1: Tổng quan tác động gió kết cấu cầu dây văng Chương 2: Phân tích dao động cáp dây văng Khái quát hệ thống giảm chấn sử dụng cho cầu dây văng Chương 3: Nghiên cứu biện pháp hạn chế dao động cáp dây văng Chương 4: Kết luận kiến nghị Sau thời gian hướng dẫn tận tình Thầy giáo TS Nguyễn Thạc Quang, đến luận văn tơi hồn thành Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến hướng dẫn Thầy giáo TS Nguyễn Thạc Quang hết lòng động viên, hướng dẫn q trình thực luận văn; Các thầy giáo trực tiếp giảng dạy suốt thời gian học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn quan tâm, giúp đỡ thầy cô giáo Bộ môn Cầu Hầm - Trường Đại học Giao thơng Vận tải; Các thầy giáo tồn thể anh chị Học Viên: Vũ Quang Thuận -1- Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang công tác Trường Đại học Giao thông Vận tải sở tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành chương trình học tập thực luận văn Vì thời gian khơng nhiều trình độ thân có hạn, sai sót khiếm khuyết luận văn điều khó tránh khỏi Rất mong thầy giáo góp ý chỉnh sửa để luận văn hoàn thiện Xin chân thành cảm ơn! Học viên Vũ Quang Thuận Học Viên: Vũ Quang Thuận -2- Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang MỞ ĐẦU Cầu dây văng áp dụng phát triển sở hoàn thiện hệ dàn dây Gisclard theo hướng tạo hệ bất biến hình gồm dây xiên (dây văng) chịu kéo dầm cứng chịu uốn Từ cầu đầu tiên, cầu Stromsund xây dựng Thụy Điển năm 1955, đến cầu dây văng ứng dụng rộng rãi toàn giới đạt thành tựu rực rỡ Hiện thống kê 600 cầu dây văng số lượng ngày tăng thêm nhanh chóng Các kỷ lục chiều dài nhịp liên tục bị vượt qua thời gian ngắn, nhiều cầu trở thành di sản văn hóa, biểu tượng kiến trúc, đánh dấu phát triển khoa học kỹ thuật thời đại Cầu Tatara – Nhật Bản với nhịp 890m hồn thành năm 1999 cầu có chiều dài nhịp lớn Trong hội nghị chuyên đề cầu dây văng tổ chức Thụy Điển năm 2000, Áo năm 2003, kết cấu cầu dây văng tiếp tục nhận định xu hướng phát triển năm tới Nhiều dự án cầu dây văng nhịp 1000m nghiên cứu cầu qau vịnh Mesina (Italia), cầu qua vịnh Storebelt (Đan Mạch) cầu qua eo biển Gibraltar nối liên châu lục Âu – Phi Trong thời gian gần đây, với phát triển mạnh mẽ ngành công nghệ vật liệu tạo loại vật liệu có trọng lượng ngày giảm cường độ ngày tăng cao tạo điều kiện phát triển cho cầu dây văng đại Các kết cấu ngày trở nên mảnh hơn, có trọng lượng thấp vượt độ lớn Tuy nhiên, việc áp dụng loại vật liệu trọng lượng thấp, cường độ cao, tức giảm độ cứng chống uốn chống xoắn, làm cho kết cấu có biến dạng lớn nhạy cảm với dao động tác động bên Do vậy, đánh giá tác động gây dao động hoạt tải, gió động đất có vai trị quan trọng thiết kế với loại hình kết cấu Sau cầu Tacoma Narrow Mỹ bị đổ hoàn toàn vào tháng 10 năm 1940 tác động gió vấn đề thu hút quan tâm lớn nhiều tác giả dù trước có số cơng trình cầu giới bị đánh giá nhạy với dao động hay bị phá hủy cục tác dụng động lực gió Cũng kể từ cố nghiên cứu sau tượng khí động đặc biệt gió làm thay đổi quan niệm thiết kế cầu độ lơn, lúc phân tích động, khí động lực địa chấn làm ảnh hưởng đinh tới việc xác định kích thước sơ đồ nhịp lớn Học Viên: Vũ Quang Thuận -3- Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang Trong tác động gió lên cơng trình cầu nghiên cứu mỏi dao động, ổn định quan tâm đặc biệt Mất ổn định khí động thường diễn nhanh, đột ngột, khó lường gây hư hại nghiêm trọng cho cơng trình Phân tích dao động, ổn định khí động cho cơng trình cầu treo cầu dâu văng độ lớn Khó khăn tốn phân tích dao động, ổn định khí động lực học chỗ tác động gió lên cơng tình có nhiều tượng, đồng thời cơng trình phản ứng phức tạp tác động gió Các nghiên cứu dao động ổn định khí động phải tiến hành đồng thời lý thuyết thực nghiệm, chưa có phương pháp số giải tích mơ tả tồn tác động gió Bài tốn ổn định khí động tiếp tục nghiên cứu phát triển, gần nhờ việc áp dụng kỹ thuật tổ hợp dao động tốn trị riêng việc giải phương trình khí động lực làm tăng độ xác phân tích lý thuyết Đồng thời nghiên cứu lý thuyết gắn liền với nghiên cứu thực nghiệm mơ hình phịng thí nghiệm thực địa cơng trình cầu treo cầu dây văng quy mơ lớn Song song với việc nghiên cứu phân tích dao động ổn định khí động cầu dây văng, việc nghiên cứu ứng dụng thiết bị giảm chấn để giảm dao động kết cấu cầu dâu văng phát triển Nhiều cầu giới sử dụng thiết bị giảm chấn nhằm giảm dao động cáp văng, dầm, tháp cầu tác động có tính chu kỳ tải trọng gió, mưa gió kết hợp, hoạt tải, động đất Học Viên: Vũ Quang Thuận -4- Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI KẾT CẤU CẦU DÂY VĂNG 1.1 TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI KẾT CẤU 1.1.1 Đặc điểm gió tự nhiên a Giới thiệu chung Gió chuyển động khối khơng khí bầu khí chênh lệch áp suất điểm khác trái đất Đặc điểm bật gió tự nhiên tính nhiễu loạn Ngun nhân nhiễu loạn ma sát luồng khơng khí qua bề mặt Dịng khơng khí nhiễu loạn thay đổi cách phức tạp ngẫu nhiên ca không gian theo thời gian Vì thế, thường biễu diễn dạng thống kê Vận tốc gió thời điểm biểu diễn dạng tổng vận tốc vận tốc biến đổi biểu diễn cho thành phần nhiễu loạn luồng khơng khí Theo định nghĩa, sau thời gian đủ dài( thông thường 10 giây), thành phần biến đổi có giá trị khơng Hình 1-1: Quan hệ vận tốc gió theo hướng gió với chiều cao Trong tọa độ Đềcác với trục x theo hướng gió, trục y nằm ngang trục z hướng lên trên, vận tốc gió độ cao z thời điểm t biểu diễn sau: - Theo hướng gió: U(z) + u (x,y,z,t) - Theo phương vng góc hướng gió: v(x, y, z, t) - Theo phương thẳng đứng: w(x, y, z, t) Trong thành phần vận tốc U(z) phụ thuộc vào độ cao z, thành phần u, v, w biểu diễn thành phần biến đổi luồng gió Vận tốc U(z) thành phần biến đổi theo hướng gió ln quan tâm đặc biệt chúng có tác động chủ yếu đến cơng trình Học Viên: Vũ Quang Thuận -5- Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang Vận tốc gió bản: Tốc độ gió trung bình khoảng thời gian định định nghĩa bởi: U ( z)     u(t )dt (1.1)  : khoảng thời gian lấy trung bình Tùy thuộc vào mục đích sử dụng đo tốc độ gió khoảng thời gian khác Nếu khoảng thời gian  từ vài phút đến vài giờ, ta có vận tốc gió kéo dài , cịn khoảng thời gian trung bình vài giây ta có vận tốc gió giật Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm logarit Vận tốc gió xác định từ đặc trưng thân dịng khí, đặc trưng địa hình tương tác dịng khí địa hình mà qua Ở gần bề mặt địa hình, biến thiên vận tốc theo chiều cao dU(z)/dz phụ thuộc vào  ,  , chiều cao z so với bề mặt địa hình Nếu phía thượng lưu dịng khơng khí bề mặt phẳng kéo dài, vận tốc gió tính theo cơng thức sau: U ( z )  u* Với z ln k z0 (1.2) k: hệ số Karman Z0: độ cao nhám bề mặt u*: vận tốc ma sát tính theo cơng thức: u*  0   : áp suất cắt bề mặt địa hình  : mật độ khơng khí Đối với trận gió đặc biệt, vận tốc ma sát nằm khoảng từ đến 2m/s Độ cao nhám bề mặt z0 biểu diễn kích thước xốy khí đặc trưng hình thành ma sát dịng khí bề mặt địa hình Giá trị z0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt địa hình tạo nên vật thể gọi vật nhám Các vật nhám sinh lực ma sát ngăn cản dịch chuyển luồng khí làm tăng nhiễu loạn luồng khí Những vật thể có hình dạng gió bề mặt tương đối nhám đồi đặn, Học Viên: Vũ Quang Thuận -6- Luân văn Thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang dìa khơng coi vật nhám Đối với địa hình có vật nhám phân bố đặn, độ cao nhám bề mặt xác định theo công thức kinh nghiệm sau đây: z  0,5h Với Ar At (1.3) h: độ cao vật nhám Ar: diện tích chắn gió At: diện tích mặt vật nhám Nếu diện tích chắn gió diện tích chắn gió diện tích mặt vật nhám tương đương độ lớn, dong khí sữ chuyển lên đỉnh vật nhám tạo nên bề mặt Tiêu chuẩn Châu Âu (Eurocode 1) sử dụng phương pháp tính vận tốc gió hàm logarit chiều cao tới 200m đa chia bề mặt địa hình thành loại xác định trị số k, zo bảng Bảng 1-1 Phân loại địa hình hệ số k, zo Phân loại độ Loại bề mặt nhám bề mặt k zo (m) 0,17 0,01 0,19 0,05 0,22 0,3 0,24 Trên mặt biển, bờ biển, hồ có I km phẳng trước gió, vùng nơng thơn khơng có chướng ngại vật Vùng trang trại có bờ rào, có cơng II trình nơng nghiệp nhỏ, nhà cửa, cối III Vùng ngoại ô, khu công nghiệp vùng rừng lâu năm Vùng thị có 15% diện tích bề IV mặt bao phủ nhà cửa có độ cao lớn 15m Phương pháp tính vận tốc gió theo cơng thức kinh nghiệm (hàm mũ) Để tiện sử dụng, số tiêu chuẩn gió sử dụng công thức kinh nghiệm sau để xác định vận tốc gió bản: Học Viên: Vũ Quang Thuận -7- Luân văn Thạc sỹ  z U ( z )  U h   z0 GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang     (1.4) Trong đó: Uh0: vận tốc gió độ cao tham chiếu thường lấy z 0=10m Trị số  hệ số khơng thứu ngun xác định tính nhám bề mặt địa hình Theo tiêu chuẩn 2737-1995, Tải trọng tác động- tiêu chuẩn thiết kế phân loại độ nhám bề mặt, cho trị số độ nhám  bảng 1-2 Bảng 1-2 Phân loại độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn 2737-1995 Phân loại độ nhám bề mặt I Tình trạng bề mặt đất  Trên mặt biển, bờ biển 0,12 Đồng ruộng, vườn cây, đất bãi rộng II phẳng Khu vực có cối 0,16 khối kiến trúc tầng thấp thưa thớt Khu vực có cối khối kiến trúc III tầng thấp dày đặc Khu vực có khối kiến trúc tầng trung tầng cao thưa 0,22 thớt Khu vực đồi núi thoải Khu vực có khối kiến trúc tầng trung, IV cao dày đặc Khu đồi núi chia cắt 0,3 mạnh Trị số độ nhám bề mặt địa hình cơng trình cầu có thay đổi tương đối lớn phạm vi hẹp xác định theo nguyên tắc sau: - Khi phạm vi xét tồn loại hình có mức độ nhám chênh tương đối lớn theo tỷ lệ diện tích lấy trí số bình qn chúng - Khi phạm vi xét tồn loại hình có mức độ nhám gần kề Lấy trị số loại nhỏ - Khi phía thượng hạ lưu cần tồn loại độ nhám khác nhau, lấy trị số bên phía tương đối nhỏ Học Viên: Vũ Quang Thuận -8- Luân văn Thạc sỹ - GVHD: TS Nguyễn Thạc Quang Khi chiều rộng sông cần vượt tương đối nhỏ (như loại nhỏ 100m), phải lấy trị số thấp hơn1 mức độ nhám xác định theo mặt đất không gồm chiều rộng sông - Khi cầu vượt qua nơi có địa hình tương đối đặc biệt, thơng qua thí nghiệm hầm gió địa hình mơ phỏng, quan trắc tốc độ gió thực đia theo tài liệu tốc độ gió có liên quan để xác định tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế Khi thiết kế cơng tình, vận tốc gió thiết kế Ud tính theo công thức sau: U d  k.U ( z ) (1.5) Với k: hệ số khơng thứ ngun tính đến thay đổi vận tốc gió theo điều kiện địa hình độ cao Hệ số k lấy theo tài liệu tính tốn gió b Thành phần nhiễu loạn gió Gió lớp biên khí ln có nhiễu loạn, điều có nghĩa dịng khí dòng rối với chu kỳ ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ giây hàng phút Đặc tính ngẫu nhiên thành phần nhiễu loạn dịng khí xác định lý thuyết xác suất Hàm phân bố hàm mật độ xác suất Nếu ký hiệu f(u) hàm mật độ xác suất F(u) hàm phân phối xác suất thành phần tốc độ gió trung bình Chúng có quan hệ sau: u F (u )  P(U  u )   f (u )du (1.6) o Trong đó: P(U