Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán điều khiển bất ổn định khí động lực học của cầu cáp treo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HOÀNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HOÀNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HOÀNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫnn khoa học: TS PHAN ĐỨC HUYNH Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: PHẠM THANH HỒNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/ 02/1982 Nơi sinh: Thanh Hóa Quê quán: Thanh Hóa Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: Phƣờng Tân Hiệp, Biên Hòa, Đồng Nai Điện thoại quan: 0612223900 Điện thoại nhà riêng: 01684831125 Fax: E-mail: hoangspkt102@yahoo.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2/2010 đến 5/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Công nghệ nhiệt luyện Kỹ thuật đúc Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án thi tốt nghiệp: Ngƣời hƣớng dẫn: III QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian 03/2009 09/2009 đến 05/2010 đến Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Công Ty Thang Máy Á Châu Thiết kế Trƣờng CĐN Đồng Nai Giáo viên Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Học cao học ngành: Công nghệ chế tạo máy XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC ( Ký tên, đóng dấu) Ngày tháng năm 2012 Ngƣời khai ký tên i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng Ngƣời cam đoan Phạm Thanh Hoàng ii năm 2012 LỜI CẢM ƠN Qua trình thực luận văn, người nghiên cứu xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: Về phía trường ĐH SPKT TP.HCM Tôi xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu nhà trường tạo điều kiện thuận lợi cho theo học lớp Cao học chuyên ngành Công nghệ chế tạo máy Quý Thầy Cô tham gia giảng dạy trang bị cho nhiều kiến thức tảng quý báu Đặc biệt thầy TS Phan Đức Huynh, trường ĐH SPKT TP.HCM cán hướng dẫn khoa học nhiệt tình giúp đỡ hướng dẫn người nghiên cứu suốt trình thực luận văn Về phía trường Cao đẳng nghề Đồng Nai, tơi chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu, Khoa khí chế tạo tạo điều kiện thuận lợi cho tơi tham gia khóa học hồn thành đề tài luận văn Xin chân thành cảm ơn Tp.HCM, ngày tháng năm 2012 Học viên thực Phạm Thanh Hồng iii TĨM TẮT - 0o0 Cầu cáp treo với ƣu điểm bật khả vƣợt nhịp lớn qua sông sâu, thung lũng, eo biển,…khi mà điều kiện xây dựng số lƣợng lớn trụ cầu trở nên q khó khăn tốn kém, ngồi kết cấu cầu cáp treo mang lại hình dáng kiến trúc mảnh đặc sắc Đặc điểm nƣớc ta có nhiều sơng rộng, biển lớn, vực sâu…thì việc áp dụng kết cấu cầu cáp treo phƣơng án đƣợc ƣu tiên việc đầu tƣ xây dựng sở hạ tầng tƣơng lai Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính tốn kết cấu cầu cáp treo nƣớc ta chƣa đƣợc nhiều ln tốn khó việc tự động hóa tính tốn phức tạp Sau tai nạn cầu Tacoma Narrow vào năm 1940, vấn đề thiết kế chống gió trở thành bƣớc quan trọng việc thiết kế cầu treo Trong số tƣợng xảy với cấu trúc cầu treo dƣới tác dụng lực gió nhƣ giới thiệu flutter đƣợc xem tƣợng nguy hiểm nhất… Với mong muốn đóng góp vào việc nghiên cứu phát triển vấn đề khí động lực học cầu cáp treo Việt Nam phƣơng pháp mới; ngƣời hƣớng dẫn học viên chọn đề tài: “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho toán điều khiển bất ổn định khí động lực học cầu cáp treo ” Với đề tài trên, ngƣời hƣớng dẫn học viên sử dụng flaps để điều khiển bất ổn định khí động lực học kết hợp với Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) viết chƣơng trình ngơn ngữ Matlab nhằm phân tích tốn bất ổn định khí động lực học cầu cáp treo iv ABSTRACT - 0o0 - For slings with outstanding advantages is the ability to exceed the large Svetlana through deep river valleys, Strait, when the conditions to build a large number of piers became too difficult and expensive, in addition tosuspension cable bridge structure also gives the shape slim and stylish architecture Characteristics in our country is that there are many wide rivers, sea, deep structure, the application of the cable car is one of the preferred embodiment in the construction of the current infrastructure and future However, the study of the structural calculations suspension cable bridge in our country has not been much and has always been a difficult problem and the automation of more complex calculations After the accident of the Tacoma Narrow Bridge in 1940, the issue of wind-resistant design has become one of the most important steps in the design of suspension bridges Among these phenomena occur with suspension bridge structure under the effect of wind power as introduced above, the flutter is considered the most dangerous phenomena With the desire to contribute to the research and development issues aerodynamics of the suspension cable bridge in Vietnam with new methods; instructor and students chose the theme: "The finite element method application to the control problem aerodynamic instability of demand cable car" With the topic, the instructor and students to use flaps to control the aerodynamic instability combined with the Finite Element Method (FEM) program written in Matlab language to analyze the instability problem aerodynamics of the bridge cable v Mục Lục MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TÓM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC ĐÃ CƠNG BỐ 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU CÁP TREO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Trên giới 1.2.1.1 Sự phát triển chiều dài nhiệp từ cuối kỷ XIX nƣớc Mỹ 1.2.1.2 Xu hƣớng thiết kế kết cấu châu âu từ cuối chiến tranh giới thứ tới năm 1960 1.2.1.3 Sự phát triển châu Á từ thập kỷ 70 1.2.2 Sự phát triển cầu cáp treo Việt Nam 1.3 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu, khách thể 1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 1.4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 1.6 TÓM TẮT 10 CHƢƠNG 2: TẢI TRỌNG GIÓ ĐỐI VỚI CẦU 11 2.1 TẢI TRỌNG GIÓ ĐỐI VỚI CẦU 11 2.1.1 Hiện tƣợng flutter 11 vi Mục Lục 2.1.2 Hiện tƣợng buffeting 12 2.1.3 Hiện tƣợng Vortex – Shedding 12 2.2 PHÂN TÍCH FLUTTER 13 2.2.1 Phƣơng trình chuyển động 14 2.2.2 Các lực tự kích 15 2.2.3 Dẫn xuất flutter 15 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO DẦM 17 3.1 PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 17 3.1.1 Giới thiệu 17 3.1.1.1 Các bƣớc tiến hành giải toán phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 17 3.1.1.2 Ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 19 3.1.2 Phƣơng Pháp Phần Tử Hữu Hạn Cho Dầm 20 3.1.2.1 Biến dạng dọc trục 20 3.1.2.2 Phần tử dầm hai nút 24 3.1.2.3 Phần tử dầm xoắn 30 3.2 DAO ĐỘNG TỰ DO – XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 33 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH FLUTTER HAI BẬC TỰ DO VÀ FLUTTER CHO BÀI TOÁN ĐA MODE 35 4.1 PHÂN TÍCH FLUTTER HAI BẬC TỰ DO 35 4.1.1 Giới thiệu 35 4.1.2 Thuật toán phân tích flutter 2D 40 4.1.3 Trƣờng hợp nghiên cứu 41 4.1.4 Kết nghiên cứu 41 4.1.4.1 Trƣờng hợp G = (khơng có điều khiển) 41 4.1.4.2 Trƣờng hợp G ≠ ( có điều khiển) 42 4.1.4.3 Mối quan hệ G vận tốc Uflutter 43 4.2 PHÂN TÍCH FLUTTER CHO BÀI TỐN ĐA MODE 43 4.2.1 Giới thiệu 43 vii Mục Lục 4.2.2 Thuật tốn phân tích flutter cho toán đa mode 50 4.2.3 Tìm tần số riêng modes hình dạng modes 51 4.2.3.1 Dao động tự theo phƣơng đứng cầu cáp treo 51 4.2.3.2 Dao động tự xoắn cầu cáp treo 54 4.2.3.3 Dao động tự theo phƣơng ngang cầu cáp treo 55 4.2.3.4 Trƣờng hợp nghiên cứu 58 4.2.3.5 Hình dạng modes 59 4.2.3.6 Tần số modes 60 4.2.4 Kết 61 4.2.4.1 Trƣờng hợp G = (khơng có điều khiển) 61 4.2.4.2 Trƣờng hợp G ≠ (có điều khiển) 63 4.2.4.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ G Uflutter 66 4.2.4.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số modes N vận tốc Uflutter 67 CHƢƠNG 5: PHÂN TÍCH FLUTTER CỦA CẦU CÁP TREO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 68 5.1 PHÂN TÍCH FLUTTER CHO PHẦN TỬ DẦM 68 5.1.1 Xây dựng ma trận khối lƣợng, giảm xóc ma trận độ cứng phần tử dầm 68 5.1.2 Lực khí động 73 5.2 TRƢỜNG HỢP NGHIÊN CỨU 77 5.3 TẦN SỐ CÁC MODES 77 5.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 78 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI 79 6.1 KẾT LUẬN 79 6.2 CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI 80 BÀI BÁO 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 viii Danh sách hình ảnh DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1: Cầu Thuận Phƣớc (Đà Nẵng-Việt Nam) Hình Mặt cầu với flaps đầu đuôi Hình 2.1: Hiện tƣợng flutter 11 Hình 2: Hiện tƣợng buffeting 12 Hình 3: Hiện tƣợng Vortex – Shedding 12 Hình 4: Sơ đồ xuất xốy khí phía sau vật thể hình trịn 13 Hình 5: Các lực khí động lực học chuyển vị tƣơng ứng mặt cầu 15 Hình 1: Thanh chịu tải dọc trục 20 Hình 2: Các lực tác dụng lên phân tố dx .21 Hình 3: Phần tử hai nút cho toán bậc 4, chiều 24 Hình 4: Phần tử dầm hai nút 26 Hình 5: Phần tử dầm hệ thống tọa độ địa phƣơng 30 Hình 1: Lƣu đồ phân tích flutter 2D 40 Hình 2: Vận tốc flutter phân tích tƣợng flutter 2D (G = 0) 41 Hình 3: Vận tốc flutter phân tích tƣợng flutter 2D (G = -5) 42 Hình 4: Vận tốc flutter phân tích tƣợng flutter 2D (G = 5) 42 Hình 5: Mối quan hệ G Uflutter 43 Hình 6: Mơ hình cầu cáp treo 43 Hình 7: Lƣu đồ phân tích flutter cho toán đa mode 51 Hình 8: Kết hợp chuyển vị theo phƣơng đứng xoay .52 Hình 9: Biểu đồ xác định phần tử hữu hạn 52 Hình 10: Chuyển vị theo phƣơng ngang .56 Hình 11: Mode uốn 59 Hình 12: Mode xoắn 59 Hình 13: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = 0) 61 Hình 14: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = 0) 61 Hình 15: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = 0) 62 Hình 16: Phân tích flutter multi-mode số modes 10 modes (G = 0) 62 ix Danh sách hình ảnh Hình 17: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = -5) 63 Hình 18: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = -5) 63 Hình 19: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = -5) 64 Hình 20: Phân tích flutter multi-mode số modes 10 modes (G = -5) 64 Hình 21: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = 5) 65 Hình 22: Phân tích flutter multi-mode số modes modes (G = 5) 65 Hình 23: Phân tích flutter multi-mode số modes 10 modes (G = 5) 66 Hình 24: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ G Uflutter .66 Hình 25: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ số modes N Uflutter (G = 0) 67 Hình 1: Phần tử dầm nút nút năm bậc tự .68 Hình 2: Phân tích flutter số modes 10 modes .78 x Danh sách bảng DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 1: Các tham số cấu trúc cho phân tích rung động 2D 41 Bảng 2: Mối quan hệ Uflutter G 43 Bảng 3: Các tham số cấu trúc cho phân tích flutter đa mode 59 Bảng 4: Tần số riêng modes 60 Bảng 5: Uflutter G = -5 ÷ 67 Bảng 1: Các tham số cấu trúc cho phân tích flutter 77 Bảng 2: Tần số riêng modes 77 xi Chương 1- Tổng Quan CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC ĐÃ CƠNG BỐ Cầu cáp treo với ƣu điểm bật khả vƣợt nhiệp lớn qua sông sâu, thung lũng, eo biển,…khi mà điều kiện xây dựng số lƣợng lớn trụ cầu trở nên khó khăn tốn kém, kết cấu cầu cáp treo mang lại hình dáng kiến trúc mảnh đặc sắc Đặc điểm nƣớc ta có nhiều sơng rộng, biển lớn, vực sâu…thì việc áp dụng kết cấu cầu cáp treo phƣơng án đƣợc ƣu tiên việc đầu tƣ xây dựng sở hạ tầng tƣơng lai Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính tốn kết cấu cầu cáp treo nƣớc ta chƣa đƣợc nhiều ln tốn khó việc tự động hóa tính tốn phức tạp Đối với cầu có nhịp dài (chiều dài nhịp > 3000m) đƣợc thiết kế hay đƣợc thi cơng u cầu kỹ thuật cao Cầu có nhịp dài cầu Akashi Kaikyo Nhật Bản (nhịp dài 1991m) Chúng ta tin tƣơng lai với dạng tiết diện cầu đƣợc nâng cấp, cáp nhẹ, phát triển hệ thống điều khiển chiều dài nhịp lên đến 5000m Đối với cầu có nhịp dài, bên cạnh vấn đề cƣờng độ vật liệu (cáp), thiết kế kinh tế (khối lƣợng dầm nhẹ), an toàn động đất ổn định dầm gió vấn đề nghiêm trọng – flutter buffeting, đặc biệt tỉ số bề rộng cầu chiều dài nhịp bé so sánh với cầu Hình 1: Cầu Thuận Phƣớc (Đà Nẵng-Việt Nam) Chương 1- Tổng Quan Cầu Tacoma Narrows đƣợc xây dựng năm 1940 cầu với nhịp dài 853m lớn thứ ba giới lúc giờ, sau xây dựng xong kết cấu nhịp cầu xuất dao động uốn với biên độ lên đến 8.5m xảy với dao động xoắn (PGS TS Nguyễn Viết Trung, TS Hoàng Hà 2004) Cầu bị đổ sập dƣới tốc độ gió 19m/s vào thời điểm tháng sau hoàn thành (PGS TS Nguyễn Viết Trung, TS Hoàng Hà 2004) Sau tai nạn này, vấn đề thiết kế chịu gió trở thành vấn đề cốt yếu cầu cáp treo Tuy cố cầu treo làm tăng thêm mức độ thận trọng thiết kế mà không hạn chế bƣớc phát triển cầu treo Cầu Tacoma Narrows đƣợc xây dựng lại năm 1950 với chiều dài nhịp tƣơng tự cầu cũ nhƣng cải tiến sử dụng dầm cứng kiểu dàn Cầu Severn đƣợc xây dựng cách sử dụng dầm hộp đƣợc xếp thành lớp đạt đƣợc ổn định lực gió khoảng thời gian dài Cầu Akashi Kaikyo thiết kế với độ ổn định theo chiều dọc nhịp trung tâm nằm dọc theo đƣờng tâm dầm cứng loại giàn nhằm cải thiện ổn định khí động học Tuy nhiên, mặt cắt ngang dàn thƣờng tạo lực gió lớn Trong tƣơng lai, dầm cứng kiểu giàn tiếp tục lựa chọn cho việc thiết kế cầu treo với nhịp dài, đặc biệt từ góc độ ổn định khí động học Một giải pháp đầy hứa hẹn thay đổi mặt cắt ngang (mặt cắt ngang nhiều hộp) Những lợi khí động học giải pháp đƣợc khai thác việc thiết kế dầm cầu bắc qua eo biển Messina (Brown 1996, 1999), với nhịp dài 3300 m Ngày nay, dầm hộp dầm giàn thƣờng đƣợc sử dụng tính kinh tế tiết kiệm chúng Đối với cầu treo có nhịp dài hàng số, phƣơng pháp điều khiển kiểm soát nhằm đạt đƣợc ổn định khí động học đƣợc nghiên cứu (Dung, et al 1996, Miyata 1994) Trong đó, việc phịng ngừa tƣợng flutter phƣơng pháp bị động đƣợc đề xuất (Songpol 1998, Wilde, et al 1996) Körlin Starossek (2007) đề xuất giảm xóc khối lƣợng hoạt động để tăng cƣờng ổn định tƣợng flutter Với điều khiển tuyến tính, xác định đƣợc tốc độ gió flutter mơ hình tăng khoảng 16.5% Chương 1- Tổng Quan Trong điều khiển theo phƣơng pháp bị động hấp dẫn từ quan điểm thực tế Nếu cấu thích hợp cho hệ thống bị động đƣợc phát minh ra, dễ dàng đƣợc áp dụng cho cầu thực tế tính đơn giản độ tin cậy cao Một loại hệ thống bị động điều chỉnh khối lƣợng giảm chấn TMD đƣợc kiểm tra (Okada, et al 1998, Lin, et al 2000, Kwon, et al 2000, 2004, Gua, et al 1998, 2001, 2002) hiệu đƣợc chứng minh có hiệu chống lại flutter buffeting Các nghiên cứu điều khiển khí động học cách sử dụng điều khiển winglets flaps đƣợc đề xuất phát triển (Kobayashi, et al 1992, 1996, 1998, 2001 2005) Một nghiên cứu lý thuyết đƣợc mở rộng điều khiển flutter cầu cách sử dụng mơ hình tƣơng tự nhƣ đề xuất Kobayashi đƣợc trình bày (Wilde, et al 1998, Preidikman Mook 1998, Nis sen, et al 2004) Hình Mặt cầu với flaps đầu Do đó, sử dụng flaps để điều khiển bất ổn định khí động lực học kết hợp với Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nhằm phân tích tốn bất ổn định khí động lực học cầu cáp treo vấn đề nghiên cứu luận văn 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU CÁP TREO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Trên giới Cầu cáp treo đƣợc phát triển từ kỷ XIX dựa sở phát triển dạng kết cấu cầu công nghệ sản xuất thép Cầu Jacobs Creek đƣợc xây dựng Mỹ năn 1801 theo thiết kế Finley, có nhịp 2.3m Đặc điểm bật cầu có dầm chủ dạng dàn để tạo độ cứng cần thiết cầu tạo phân Chương 1- Tổng Quan bố tải trọng qua tháp treo cáp hạn chế đƣợc đáng kể biến dạng cáp Cầu Clipfton cầu cáp treo cổ cịn sử dụng cho tơ qua lại, đƣợc khởi cơng xây dựng năm 1831 hồn thành năm 1864 nƣớc Anh 1.2.1.1 Sự phát triển chiều dài nhiệp từ cuối kỷ XIX nƣớc Mỹ Trong cuối kỹ XIX, nƣớc Mỹ nơi xây dựng nhiều cầu cáp treo nhịp dài nhƣ: TT Tên cầu Nhịp Năm hoàn dài thành Đại điểm 01 Niagara 246m 1855 02 Broklyn 486m 1883 03 Manhattan 448 1903 // 04 Williamsburg 448m 1909 Thƣợng lƣu Sông New York East 05 Geore Washington 1067m 1931 Sông Hudson New York 704m 1936 VỊNH Sanfancisco Oakland 06 Sông New York East (lần dầu tiên dây thép đƣợc sử dụng.) 07 Golden Gate 1280m 1937 Vịnh Francisco 08 Tacoma Narrows 853m 1940 Lớn thứ giới lúc 09 Mackinac Straits 1158m 1956 10 Verrazaro Narrows 1298m 1964 Giữ kỷ lục giới17 năm 1.2.1.2 Xu hƣớng thiết kế kết cấu châu âu từ cuối chiến tranh giới thứ tới năm 1960 Cầu cáp treo phỗ biến châu âu nhịp chúng không yêu cầu dài Tại nƣớc Anh cầu Forth Road, với nhịp 1006m đƣợc xây dựng sử dụng dàn dây; cầu Severn với nhịp 988m xây dựng với dầm hộp dây treo cáp chéo năm 1966 Thiết kế độc đáo cách mạng hóa cơng nghệ cầu cáp treo Cầu Humber với nhịp dài 1410m cầu dài giới trƣớc năm 1997 đƣợc xây dựng theo công nghệ cầu Severn Tại Bồ Đào Nha, cầu 25 de Abril Chương 1- Tổng Quan đƣợc thiết kế cho tải trọng xe lửa tơ đƣợc hồn thành năm 1966 với nhịp 1013m năm 1998 cầu Great Belt East với nhịp dài 1624m đƣợc hồn thành Đan Mạch có dầm cứng dạng dầm hộp (đứng thứ giới nay) 1.2.1.3 Sự phát triển châu Á từ thập kỷ 70 Tại Nhật Bản việc nghiên cứu đề xuất kết cấu cầu Honshu Shikoku đƣợc bắt đầu Hội kỹ sƣ cơng trình Nhật Bản năm 1961 Cơng nghệ thiết kế cầu cáp treo nhịp lớn đƣợc áp dụng cầu Honshu Shikoku, ảnh hƣởng định tới cấu tạo cầu Kanmom, hoàn thành năm 1972 với nhịp dài 712m sau cầu Namhac hoàn thành năm 1973 Hàn Quốc với nhịp dài 400m, nhƣ cầu Hirado hồn thành năm 1977 với nhịp dài 465m Cầu Innoshima với nhịp dài 770m đƣợc xây dựng năm 1983 cầu cáp treo dự án cầu Honshu Shikoku, cầu Ohnaruto 704m năm 1937 cầu Golden Gate với nhịp 1280m Năm 1940 cầu Tacoma Narrows với nhịp dài 853m, lớn thứ ba giới lúc Ngay sau xây dựng xong kết cấu nhịp cầu xuất dao động uốn với biên độ lên đến 8.5m xảy với dao động xoắn, cầu bị đổ sập dƣới tốc độ gió 19m/s vào thời điểm tháng sau hoàn thành Sau tai nạn này, vấn đề thiết kế chịu gió trở thành vấn đề cốt yếu cầu cáp treo Tuy cố cầu treo làm tăng thêm mức độ thận trọng thiết kế mà không hạn chế bƣớc phát triển cầu treo Cầu Tacoma Narrows đƣợc xây dựng lại năm 1950 với chiều dài nhịp tƣơng tự cầu cũ nhƣng cải tiến sử dụng dầm cứng kiểu dàn Cầu Mackinac Straits với nhịp dài 1158m đƣợc xây dựng nhƣ cầu cáp treo lớn tƣơng đƣơng với cầu Golden Gate năm 1956 cầu Verrazaro Narrows với nhịp 1298m, giữ kỷ lục giới sau khoảng thời gian 17 năm, đƣợc xây dựng năm 1964 Dự án cầu Honshu Shikoku cải tạo nâng cấp công nghệ năm 1988 để sử dụng phù hợp cho cầu đƣờng tầu cao tốc Tuyến bao gồm hệ thống hàng loạt cầu cáp treo loại lớn nhƣ cầu Minami Bisan Seto với nhịp 1100m, cầu Kita Chương 1- Tổng Quan Bisan Seto với nhịp dài 990m, cầu Shimotsui Sento với nhịp dài 910m Cầu Akashi Kaikyo hồn thành năm 1998 với nhịp dài giới 1991m, thể tích lũy kinh nghiệm cơng nghệ xây dựng từ trƣớc tới Tại Thỗ Nhỉ Kỳ cầu Bosporus đƣợc xây dựng năm 1973 với nhịp dài 1074m, thời gian cầu Bosporus thứ hai đƣợc xây dựng với nhịp dài 1090m sau đổi tên cầu Fail Sulta Mehmet, đƣợc hoàn thành năm 1988 Tại Trung Quốc cầu Sting Ma (Hồng Công) cho xe lửa tơ chung với nhịp dài 1377m đƣợc hồn thành năm 1977 Cầu qua sơng Xi Li Yangtre với nhịp 900m cầu Jing Yin Yangtre với nhịp 1385m 1.2.2 Sự phát triển cầu cáp treo Việt Nam Trong năn chiến tranh, hệ thống cầu cống nƣớc ta bị đánh phá nhiều Để phục vụ kịp thời cho tiền tuyến cần phải xây dựng lại cầu bị phá hoại Khi việc xây dựng cầu cáp treo giải pháp hợp lý nhanh chóng Cho đến nay, cầu cáp treo giữ vị trí quan trọng giao thơng miền núi, phục vụ đắc lực cho công phát triển kinh tế xã hội cho vùng sâu, vùng xa nƣớc ta Những vị trí vƣợt sơng mà có độ thơng thuyền lớn việc sử dụng cầu treo có ƣu điểm làm xáo trộn chế độ dịng chảy tự nhiên sơng, mang lại hiệu thiết thực kinh tế kỹ thuật Hơn nữa, cầu treo thƣờng tạo dáng vẻ đẹp tạo điểm nhấn kiến trúc khu đô thị lớn Ở Việt Nam bắt đầu xây dựng cầu treo bán vĩnh cửu từ năm 1965 Những cầu treo loại cầu cáp khơng cổng (chỉ có hệ dây) với độ 80 ÷ 120m, ứng dụng rộng thời kỳ chiến tranh (1965 ÷ 1975) Đối với loại cầu có độ từ 120 ÷ 200m thƣờng áp dụng loại cầu cáp có cổng (có hai hệ dây) Vào năm 1965, 1966 xây dựng cầu cáp treo qua Sông Lô với độ 104m, cầu Kỳ Cùng có độ 120m Năm 1967, cầu cáp Việt Trì với độ 225m, cầu Đuống độ 190m Năm 1969 xây dựng cầu Đò Quan (Nam Định) với độ 190m, với sơ đồ cáp chủ đƣợc bố trí theo dạng bắt chéo hai dây Sau Chương 1- Tổng Quan thời kỳ này, hàng loạt cầu treo dầm cứng đƣợc xây dựng nhƣ cầu Bảo Nhai, độ 140m; cầu Hang Tôm, độ 140m; cầu Cốc Pài, độ 100m; cầu treo Cửa Rào, độ 130m Năm 1980 thiết kế cầu treo Sơng Hồng với chiều dài tồn cầu 1206m Trong năm gần số cầu cáp treo đƣợc xây dựng nhƣ cầu Thanh Thạch (Quảng Bình), cầu H‟ling (Đắc Lắc), cầu Thuận Phƣớc (Đà Nẵng)…Đắc biệt dự án xây dựng cầu Nhật Tân (Hà Nội) có đề xuất phƣơng án cầu cáp treo với đặc điểm chọn sơ bộ: độ nhịp 500 ÷ 600m, đô nhịp biên 145 ÷ 180m 1.3 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu, khách thể Hiện kết cấu cầu dây nói chung loại cầu cáp treo nói riêng khẳng định tính ƣu việt nó, khơng mặt kiến trúc mỹ quan hay khả vƣợt nhịp lớn mà mặt công nghệ thi công Tuy nhiên Việt Nam việc xây dựng cầu cáp treo nhịp lớn cịn mẻ Đã có số dự án nƣớc hay hợp tác với nƣớc ngồi thiết kế thi cơng cầu cáp treo đƣợc xúc tiến triển khai khẩn trƣơng, góp phần cho việc đời cơng trình cầu treo đại Việt Nam Các kết cấu cầu đại ngày nhẹ nhạy cảm với vấn đề động học Vì thiết kế cầu ln phải ý đến việc tính tốn dao động Các dao động cầu chia làm hai loại: Dao động nguy hiểm mặt cƣờng độ (độ mỏi) kết cấu Loại dao động ảnh hƣởng đến sức khoẻ tâm - sinh lý ngƣời qua cầu Các dao động khí đàn hồi, hấp thụ lƣợng dịng khí chuyển thành tƣợng flutter gặp số điều kiện định Flutter tƣợng nguy hiểm cầu, lịch sử xây dựng cầu khắp giới cho thấy rõ việc lờ hay xét không đầy đủ đến hiệu ứng khí động học dẫn đến thảm hoạ phá huỷ cầy (cầu Tacoma) Do tính tốn động học cầu phải vừa đảm bảo an toàn kết cấu vừa đảm bảo tiện nghi khai thác cầu S K L 0 ... dẫn học viên chọn đề tài: ? ?Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho toán điều khiển bất ổn định khí động lực học cầu cáp treo ” Với đề tài trên, ngƣời hƣớng dẫn học viên sử dụng flaps để điều khiển. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HOÀNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH:... TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HỒNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: