Nghiên cứu ổn định khí động galloping đối với tháp cầu chịu tác động của gió và ứng dụng cho tháp cầu trần thị lý TP đà nẵng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG  NGUYỄN THÀNH LIÊM NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG GALLOPING ĐỐI VỚI THÁP CẤU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ ỨNG DỤNG CHO THÁP CẦU TRẦN THỊ LÝ–TP.ĐÀ NẴNG TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Đà Nẵng – Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ Phản biện 1: ………………………………………………………………………………… Phản biện 2: ………………………………………………………………………………… Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng họp Trường Đại học Bách Khoa vào ngày …… tháng …… năm……… Có thể tìm luận văn tại: - Trung Tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách Khoa - Thư viện Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hiện nay, cầu treo (dây văng, dây võng) nhịp lớn xây dựng ngày nhiều Việt Nam, với loạt cầu đại như:, cầu Cần Thơ, cầu Phú Mỹ, cầu Mỹ Thuận, cầu Thuận Phước, cầu Trần Thị Lý Tuy nhiên, kết cấu mảnh phức tạp nên cầu treo nhịp lớn nhạy cảm với tác dụng gió Trong nguyên nhân tác động gió lên cơng trình xem quan trọng Tại Việt Nam nước chịu ảnh hưởng nhiều gió, bão, đó, việc nghiên cứu ứng xử cầu treo nhịp lớn tác dụng gió cần thiết Trên địa bàn Đà Nẵng, cầu Trần Thị Lý đưa vào khai thác góp phần tăng thêm mỹ quan cho thành phố Tuy nhiên, sau đưa vào khai thác sử dụng xuất vấn đề cần quan tâm Đó phương tiện giao thơng ngang qua tháp cầu có va chạm bị té ngã xuất gió lớn Hiện tượng gọi hiệu ứng dao động galloping vùng đuôi Xuất phát từ thực tế đó, đề tài “Nghiên cứu ổn định khí động galloping tháp cầu chịu tác động gió ứng dụng cho tháp cầu Trần Thị Lý - TP Đà Nẵng“ chọn mong muốn làm rõ vấn đề này, đồng thời đưa giải pháp khuyến nghị cho vấn đề khai thác an toàn Mục tiêu nghiên cứu - Tổng quan tượng khí động đàn hồi tác động gió lên cơng trình cầu - Nghiên cứu phân tích ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp khơng có có xe ngang qua tháp cầu - Đưa giải pháp nâng cao ổn định galloping cầu Trần Thị Lý Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đánh giá ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp khơng có có xe qua cầu - Đề xuất giải pháp tối ưu nhằm nâng cao ổn định galloping đảm bảo an tồn khai thác bình thường - Phạm vi nghiên cứu: Phân tích tháp cầu Trần Thị Lý chịu tác động gió phương pháp “hầm gió số” với mơ hình tiết diện (2D) Phương pháp nghiên cứu Trên sở kết nghiên cứu hầm gió số quy đổi kết tính tốn từ phần mền mơ hình thực tế Qua xác định vận tốc gió tới hạn xảy ổn định Galloping Dựa kết đề xuất giải pháp nâng cao ổn định galloping đưa khuyến khuyến cáo mặc khai thác an toàn cho cầu Trần Thị Lý Ý nghĩa thực tiễn đề tài Đánh giá ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp khơng có có xe qua cầu Từ đó, đề xuất giải pháp tối ưu nhằm nâng cao ổn định galloping đảm bảo an tồn khai thác bình thường phương tiện giao thông BỐ CỤC ĐỀ TÀI Đề tài nghiên cứu gồm phần mở đầu chương: Mở đầu Chương Sự phát triển cầu dây văng tượng khí động đàn hồi lên kết cấu cầu chịu tác động gió Chương Nghiên cứu dao động galloping mơ hình “hầm gió số” Chương Đề xuất giải pháp nâng cao ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý Kết luận kiến nghị Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan tượng khí động đàn hồi lên kết cấu cầu chịu tác động gió 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 [9] Hình 1.1 Quan hệ tần số dao động riêng nhỏ chiều dài nhịp từ 40 cầu treo nhịp lớn giới [9] Khi nằm dòng gió, kết cấu nhịp dịch chuyển dao động; sau dao động lại ảnh hưởng đến dòng gió xung quanh kết cấu Dao động tạo tương tác gọi dao động tự kích kết sinh lực khí động (lực-phụ-thuộc-dao-động) Hiện tượng dao động kết cấu lực khí động tương tác cách đáng kể gọi tượng khí động đàn hồi phụ thuộc vào miền vận tốc gió sơ họa hình 1.1 có bốn dạng dao động thiết kế cầu xoáy khí (vortex-shedding), tiến triển nhanh (galloping), tròng trành (flutter) rung lắc (buffeting) [2] [5] 1.1.1 Dao động xốy khí (vortex shedding) Trong kết cấu cầu hệ treo nhịp lớn, tượng khóa chặt xảy tần số xốy khí gần tần số dao động riêng phận kết cấu cầu kết cấu nhịp cáp Khi điều xảy ra, xuất dao động lớn trở thành nguồn lượng quan trọng gây nguy mỏi Vì vậy, biên độ dao động xốy khí phải kiềm chế với giới hạn định thiết kế cầu, chế tổng quát phản ứng kết cấu cầu dao động xốy khí cần phải tìm Dao động xốy khí cần quan tâm tháp cầu nhịp lớn, trình xây dựng Trong trình xây dựng, tháp đứng tự Nó có tần số dao động riêng thấp tiết diện tẹt thường gây dao động xốy khí ngồi mặt phẳng tháp Dao động xốy khí lớn gây cản trở q trình thi cơng tháp, tháp thép; cần thiết phải kiểm sốt dao động 1.1.2 Dao động tròng trành (Flutter) Flutter dao động tương tác trao đổi lượng kết cấu cầu dòng gió; lực khí động tác động lên cầu với dao động Nếu lượng nạp vào lực khí động lớn lượng phân tán độ cản kết cấu biên độ dao động kết cấu nhịp tăng lên; biên độ không không bị hạn chế mà tăng lên chu kỳ Việc dao động tăng lên làm cho lực khí động tăng lên gây lực tự kích dao động tự kích Một tượng ổn định khí động bắt đầu, gây phá hủy cầu cách ngẫu nhiên Những kết cấu nhịp cầu có tỷ số bề rộng chiều cao B D tương đối lớn có nguy ổn định flutter 1.1.3 Dao động rung lắc (Buffeting) Khi kết cấu cầu hệ treo nằm trường gió, chịu tác dụng lực gió tĩnh động gây tương ứng thành phần vận tốc gió trung bình nhiễu loạn Tác động buffeting lên cầu dao động ngẫu nhiên hình thành thành phần gió nhiễu loạn Vận tốc gió nhiễu loạn gồm hai phương đứng ngang, việc phân tích cần xét đến dao động ngẫu nhiên theo góc tới Dao động buffeting thường tăng cách đơn điệu theo vận tốc gió trung bình nói chung khơng dẫn đến phá hoại đột ngột có vai trò quan trọng q trình khai thác sử dụng cầu nhịp lớn Các lực buffeting gồm lực nâng theo phương đứng, lực cản song song với hướng gió mơmen xoắn Trong thiết kế kháng gió cầu nhịp lớn, phản ứng buffeting cần quan tâm để xác định kích thước phận kết cấu Hơn nữa, lực tự kích tương tác gió Để mơ hình tác động tải trọng gió buffeting, cần quan tâm đến lực buffeting thành phần gió nhiễu loạn lực tự kích tương tác gió-kết cấu cầu Có hai phương pháp phân tích phản ứng buffeting phương pháp tần số phương pháp thời gian 1.1.4 Dao động tiến triển nhanh (Galloping) “Galloping” thuật ngữ dùng để mô tả dao động có biên độ lớn xảy theo phương gió ngang tần số thấp nhiều so với tần số xốy khí Galloping dạng ổn định thơng thường dây cáp, tháp cầu, dầm có tiết diện có hình dạng khơng tròn (hình chữ nhật chữ “D”) Biên độ dao động gấp mười lần lớn kích thước tiết diện Ngồi ra, galloping xảy số kết cấu cầu có trọng lượng nhẹ khơng phải dạng ổn định đặc trưng kết cấu cầu hệ treo nhịp lớn Galloping thường xảy với tần số triết giảm ( B U ) thấp; với B bề rộng kết cấu nhịp chiều rộng đặc trưng,  tần số dao động U vận tốc gió trung bình Bởi tần số triết giảm thấp nên giả thiết áp lực lực khí động lên kết cấu nhịp thay đổi theo vận tốc dòng tới giống dòng ổn định (giả thiết giả tĩnh) Vì vậy, số liệu khí động trung bình (các hệ số lực nâng lực cản) sử dụng để mô tả tượng galloping cho kết cấu nhịp cầu 1.1.4.1 Dao động tiến triển nhanh vùng đuôi Galloping vùng tượng dao động lăng trụ phía hạ lưu dòng rối vùng lăng trụ phía thượng lưu Xét hai lăng trụ cách vài lần đường kính thể hình 2.8 Do tuần hồn dòng gió phía (cùng chiều kim đồng hồ nửa ngược chiều nửa dưới), lăng trụ đặt nửa vùng đuôi di chuyển dao động ngược chiều kim đồng hồ theo đường elip Hơn nữa, lăng trụ tự di chuyển nửa dao động ngược chiều kim đồng hồ Dao động gọi galloping vùng đuôi Đây vấn đề quan trọng sâu nghiên cứu phân tích chương 2, 1.2 Vấn đề nghiên cứu Tại Thành phố Đà Nẵng, cầu Trần Thị Lý đưa vào khai thác góp phần tăng thêm mỹ quan cho thành phố Tuy nhiên, theo quan sát cho thấy, sau đưa vào khai thác sử dụng tháp cầu Trần Thị lý xuất vấn đề cần quan tâm Đó phương tiện giao thông ngang qua tháp, đặc biệt phương tiện xe máy bị tai nạn té ngã, va chạm giao thông xuất gió lớn Hiện tượng gọi hiệu ứng dao động galloping vùng Hình 1.8 Hình ảnh phương tiện giao thơng tai nạn gặp gió bão tháp cầu Trần Thị Lý Đà Nẵng tháng 3/2015 [Nguồn: Internet] Hình 1.8 cho thấy phương tiện giao thông ngang qua tháp, đặc biệt phương tiện xe máy bị tai nạn té ngã, va chạm giao thông xuất gió lớn Hiện tượng gọi hiệu ứng dao động galloping vùng đuôi Tuy nhiên thực tế vấn đề chưa nhận quan tâm mức nghiên cứu chuyên sâu Xuất phát từ thực tế đó, luận văn làm rõ tác động gió cơng trình đồng thời đưa giải pháp nâng cao ổn định khí động học nói chung ổn định galloping nói riêng Kết luận chương Kết nghiên cứu chương tổng quan tượng khí động đàn hồi cơng trình cầu chịu tác động gió: - Dao động xốy khí (vortex shedding) - Dao động tròng trành (Flutter) - Dao động rung lắc (Buffeting) - Dao động tiến triển nhanh (Galloping) Để phân tích tương tác dòng gió kết cấu, thí nghiệm hầm gió, phương pháp có độ xác cao Tuy nhiên, phương pháp đòi hỏi chi phí lớn, trang thiết bị đại chưa có điều kiện áp dụng Việt Nam Thì phương pháp số áp dụng mơ động lực học chất lưu máy tính (Computational Fluid Dynamic-CFD) [21] Phương pháp có tính ưu việt với chi phí thấp cần thời gian ngắn cho kết tương đối xác thí nghiệm hầm gió số Do vậy, sử dụng mơ số CFD hầm gió số để giải vấn đề chương 2,3 Chương 2: NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG GALLOPING VÀ MƠ HÌNH “HẦM GIÓ SỐ” 2.1 Dao động galloping 2.1.1 Nguyên nhân chế gây nên lực khí động galloping Galloping dạng ổn định thông thường dây cáp, tháp cầu, dầm có tiết diện có hình dạng khơng tròn (hình chữ nhật chữ “D”) Biên độ dao động gấp mười lần lớn kích thước tiết diện Ngồi ra, galloping xảy số kết cấu cầu có trọng lượng nhẹ dạng ổn định đặc trưng kết cấu cầu hệ treo nhịp lớn [12] [17] [18] Hình 2.1 Dao động galloping dòng gió ổn định gây Rõ ràng galloping tượng phụ thuộc vào vận tốc có kết hợp với việc xảy độ cản khí động âm Kết cấu xảy galloping tính toán cách kiểm tra hệ số lực nâng lực cản trung bình theo thời gian   Độ dốc âm lực nâng biểu thị xu hướng xảy galloping, công thức 2.8  dCL   CD  0   d  0 (2.8) Galloping thường xảy với tần số triết giảm ( B U ) thấp; với B bề rộng kết cấu nhịp chiều rộng đặc trưng,  tần số dao động U vận tốc gió trung bình Bởi tần số triết giảm thấp nên giả thiết áp lực lực khí động lên kết cấu nhịp thay đổi theo vận tốc dòng tới giống dòng ổn định (giả thiết giả tĩnh) hình 2.1 2.1.2 Dao động tiến triển nhanh Galloping vùng đuôi Galloping vùng đuôi tượng dao động lăng trụ phía hạ lưu dòng rối vùng lăng trụ phía thượng lưu [11] Hình 2.2 Galloping vùng [9] Galloping vùng xảy dây cáp văng cầu dây văng dây treo cầu treo Nó xảy vận tốc gió lớn dẫn đến biên độ dao động lớn Các dao động gây mỏi cho cáp treo hạ lưu vị trí neo cáp cầu treo tương tự cầu dây văng Tuy nhiên, galloping vùng đuôi xảy với điều kiện tần số dao động lăng trụ hạ lưu thấp so với tần số xốy khí hai lăng trụ thượng hạ lưu Những trường hợp vậy, lăng trụ phía hạ lưu đặt cách lăng trụ phía thượng lưu vài lần đường kính lăng trụ phía hạ lưu vào vùng ổn định galloping Hình 2.2 Q trình tiếp diễn cơng trình dao động với biên độ ngày tăng sụp đổ Như vậy, ảnh hưởng góc tới, chuyển động cơng trình ảnh hưởng lớn đến lực ngang tác dộng nhiều lên cơng trình 2.2 Tổng quan phương pháp “hầm gió số” Galloping dạng ổn định khí động tốn phức tạp, đòi hỏi phân tích, đánh giá nghiên cứu nhiều sở nhiều yếu tố Do đó, để phân tích ổn định galloping cầu dây văng tác động gió có hai phương pháp: (1) Phương pháp thí nghiệm hầm gió; (2) Phương pháp “hầm gió số” 2.2.1 Lý thuyết “hầm gió số” Việc áp dụng phương pháp “hầm gió số” với kết có độ xác đáp ứng u cầu có ý nghĩa quan trọng tốn mơ tương tác kết cấu dòng gió Trong chương này, số kết cấu tiết diện tròn, mỏng phẳng, tiết diện ngang cầu Great Belt cầu Thuận Phước mơ theo mơ hình tiết diện phương pháp “hầm gió số” với kết có sai số chấp nhận 2.2.2 Các thơng số “hầm gió số” 2.2.2.1 Điều kiện biên Các điều kiện biên gió ngành cầu thơng thường dòng vào, dòng ra, tính đối xứng, tính tuần hồn/chu kỳ tường Dòng gió xuất phát từ biên mà dòng vào Độ lớn góc tới dòng cập nhập biên Các đại lượng đặc trưng dòng rối k ,   phải định nghĩa biên Các biên mà dòng thường xa kết cấu dòng phải đạt đến trạng thái phát triển hoàn toàn [21] [22] 2.2.2.2 Tạo lưới Đối với phương pháp “hầm gió số”, miền tính tốn nói chung rời rạc thành ba miền lưới như: (1) Miền lưới lớp biên cứng: liên kết cứng với tiết diện ngang; (2) Miền lưới lưới dao động: bị biến dạng sau bước thời gian phân tích; (3) Miền lưới tĩnh: khơng bị biến dạng Các miền lưới lớp biên miền lưới tĩnh tạo lưới tứ giác, miền lưới dao động tạo lưới tam giác [21] [22] 10 Bảng 2.1 Các u cầu tỷ lệ mơ hình thí nghiệm dao động tự [21] [22] Tỷ lệ kích Các tham số thước L Chiều dài U Vận tốc gió  2L Khối lượng đơn vị chiều dài Khối lượng quán tính đơn vị  4L chiều dài L U Tần số kết cấu Tỷ số cản 2.3 Phân tích ổn định galloping tháp cầu trường hợp khơng có xe Để mơ ổn định galloping tháp cầu, trước hết cần xác đinh hướng gió thổi bất lợi cho tháp, đồng thời hướng gió gây nên tượng ổn định galloping vùng đuôi Theo số liệu quan trắc thực tế cầu Trần Thị Lý cho thấy, có hướng gió thổi là: (1) Gió thổi theo phương vng góc 900, (2) gió thổi theo phương góc 1800, (3) gió thổi theo phương góc 00 Tuy nhiên qua quan trắc thực tế cho thấy, hướng gió thổi nhiều có ảnh hưởng bất lợi đến phương tiện tham gia thơng hướng thổi theo phương ngang cầu (hướng góc 900 ) hướng thổi theo phương dọc cầu Do chọn hướng để khảo sát nghiên cứu cho ổn định galloping Hình 2.8: Hướng gió thổi phương ngang cầu Hình 2.9: Hướng gió thổi phương dọc cầu 11 2.3.1 Kiểm tra điều kiện ổn định tháp theo phương ngang cầu Xét mặt cắt ngang tháp cao độ + 11.203 với thơng số hình 2.10: Hình 2.10: Miền tính tốn theo phương ngang tháp cầu Sau trình tạo lưới phần mềm Gambit (hình 2.11) tính tốn phần mềm Fluent với số bước tính tốn 2000 bước với vận tốc thí nghiệm góc gió + 10, +5, +3, , -3, -5 -10 Kết thu phổ vận tốc phổ vecto hình 2.12 Hình 2.12: Phổ vận tốc phổ áp suất góc + 10 theo phương ngang tháp cầu 12 Hình 2.13: Biểu đồ xác đinh vận tốc tới hạn gió theo phương ngang cầu Nhận xét: Từ kết tính tốn từ bảng 2.2 hình 2.13 cho thấy vận tốc gió tới hạn theo CFD 24.99m/s Áp dụng công thức 2.11 xác định vận tốc tới hạn cầu nguyên 48.18m/s tương ứng với tốc độ gió 173.45km/h phù hợp với thang gió cấp bão theo Beaufort cấp 15 2.3.2 Kiểm tra điều kiện ổn định tháp theo phương dọc cầu Xét mặt cắt ngang tháp cao độ + 11.203 với thơng số hình 2.14: Hình 2.14: Miền tính tốn tháp cầu theo phương dọc cầu Sau trình tạo lưới phần mềm Gambit (hình 2.15) tính tốn phần mềm Fluent với số bước tính tốn 2000 bước với vận tốc góc gió + 10, +5, +3, , -3, -5 -10 Kết thu phổ vận tốc phổ vecto hình 2.16 13 Hình 2.16 Phổ vận tốc phổ áp suất góc + 10 theo phương dọc cầu Hình 2.17: Biểu đồ xác đinh vận tốc tới hạn gió theo phương dọc cầu Nhận xét: Từ kết tính tốn từ bảng 2.3 hình 2.17 cho thấy vận tốc gió tới hạn theo CFD 27.8m/s Áp dụng công thức 2.11 xác định vận tốc tới hạn cầu nguyên 53.23m/s tương ứng với tốc độ gió 191.65km/h phù hợp với thang gió cấp bão theo Beaufort cấp 16 2.4 Phân tích ổn định galloping tháp cầu trường hợp có xe Căn kết nghiên cứu trên, nhận thấy phương ngang cầu bất lợi so với phương dọc cầu Do chọn phương ngang cầu làm phương nghiên cứu Mặt khác ổn định sảy tháp cầu có gió lớn lúc phương tiện giao thơng (xe máy) qua tháp bị ảnh hưởng Do đó, để đánh giá tổng thể trạng cần tiến khảo sát xét xe trường hợp vị trí nghiên cứu hình 2.18: Hình 2.18: Sơ đồ vị trí xe cần khảo sát nghiên cứu 2.4.1 Xét trường hợp xe số 1: Để xác định vận tốc tới hạn tháp cầu ta xét mặt cắt ngang tháp cầu 14 chân tháp cao độ + 11.203 Với kích thước mặt cắt ngang cầu 3.5m + 11.25m + 5m + 11.25m + 3.5m =34.5m Do chọn khoảng cách từ tim tháp đến xe 0.9D=9m (hình 2.19) Hình 2.19: Miền lưới tính tốn trường hợp tháp + xe Sau q trình tính tốn phần mềm Fluent với số bước tính tốn 2000 bước với vận tốc từ 1-10m/s thí nghiệm góc gió + 10, +5, +3, , -3, -5 -10 Sau q trình tính tốn chương trình kết thúc, Kết thu phổ vận tốc phổ vecto hình 2.21 Hình 2.21: Phổ vận tốc phổ vecto góc – 10 tháp + xe Kết tính tốn cho trường hợp xe lại thể bảng 2.8 sau: 15 Bảng 2.8 Bảng tổng hợp kết vận tốc tới hạn xe St Utính U Uthực tế Cấp Xe Utới hạn ftần số thực tế t (m/s) (km/h) gió tốn Xe U=10 U=9.93 1.928 19.15 68.95 Xe U=8 U=7.96 1.928 15.34 55.22 Xe U=8 U=7.97 1.928 15.35 55.26 Xe U=8 U=7.79 1.928 15.54 54.13 Kết luận chương Căn kết tính tốn cho kết luận: - Trong trường hợp khơng có xe xem tháp cầu chịu ảnh hưởng trực tiếp gió Lúc điều kiện ổn định Galloping xác đinh với vận tốc tới hạn theo phương dọc cầu 53.23m/s (191.65km/h) theo phương ngang cầu 48.18m/s (174.908km/h) (hình 2.13, hình 2.17) - Trường hợp có xe, xét vị trí nghiên cứu sảy ổn định Galloping vận tốc gió đạt từ 15m/s (55km/h) trở lên Trong trường hợp xe xem bất lợi Do khuyến cáo trường hợp gió đạt cấp trở lên khuyến cáo khơng nên cho xe máy vào xe 16 Chương 3: ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH GALLOPING ĐỐI VỚI THÁP CẦU TRẦN THỊ LÝ 3.1 Các giải pháp nâng cao ổn định galloping tháp cầu Căn kết tính tốn chương , bảng 2.8, Qua xác định vận tốc tới hạn gây nên ổn định galloping xe trường hợp khác nhạu Từ kết đó, cho thấy nguyên ngân dẫn đến vụ va chạm, té ngã trongclip hình 1.8 Do đó, để nâng cao ổn định galloping tháp cầu Trần Thí Lý đảm bảo an tồn cho xe lưu thơng bình thường qua tháp cầu Trần Thị Lý, đề xuất hai giải pháp sau đây: Giải pháp 1: Thay đổi tiết diện tháp Đây xem phương án giúp hạn chế ổn định Galloping vùng đuôi sảy Việc thay đổi tiết diện góc cạnh giúp hạn chế dòng gió rối giảm vận tốc gió đáng kể, tạo điều kiện cho phương tiện lưu thông tháp dễ dàng hình 3.1 Hình 3.1 Phương án thay đổi tiết diện tháp[12] Giải pháp 2: Lắp đặt chắn tối ưu chắn Việc dùng chắn giúp mở rộng vùng cản gió bên tháp cầu, tạo êm thuận cho xe qua tháp, giảm thiểu ảnh hưởng tối đa gió đến với phương tiện tham gia giao thơng Do trường hợp dùng chắn đề xuất hai giải pháp: (1) Dùng chắn đặc hình 3.2, (2) Dùng chắn dạng lưới hình 3.3 Hình 3.2: Tấm chắn đặc thực tế Hình 3.3: Một chắn dạng lưới 17 Nhận xét: Qua đề xuất giải pháp trên, giải pháp thay đổi tiết diện tháp, góp phần nâng cao ổn định galloping hiệu không cao Mặt khác, tháp thi công xong nên việc can thiệp cải thiện tiết diện khó khả thi, lại ảnh hưởng đến làm việc kết cấu Bên cạnh đó, xét yếu tố kinh tế tính thấm mỹ có phần hạn chế Do phương án khơng hợp lý Đối với giải pháp 2, dùng chắn đặc So với phương án cải thiện tiết diện tháp việc dùng chắn đặc mang lại hiệu tối ưu hơn, giúp nâng cao ổn đinh galloping (vì vùng cản gió mở rộng hơn) Tuy nhiên xét yếu tố kinh tế tình thẩm mỹ thì dùng chắn đặc chưa đạt kết tối ưu 3.2 Nghiên cứu giải pháp chắn đặc Từ kết nghiên cứu xe vị trí khác nhau, để nâng cao ổn định galloping việc dùng chắn đặc Các thơng số đầu vào khảo sát theo tỷ lệ L/D = 0.25 – 1.5 Trong L : chiều dài chắn chọn khảo sát, D: đường kính tháp mơ hình 3.4 Và khảo sát với tỷ lệ rỗng từ L/D = 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5 cho trường hợp xe, với vận tốc gió từ – 15m/s góc khảo sát từ +10,+5,+3,0,-3,- 5,- 10 3.2.1 Trường hợp 1: Chọn chiều dài chắn với tỷ lệ L/D = 0.25 Để mở rộng vùng cản gió an tồn chọn rào chắn đặc Chiều dài chọn theo tỷ lệ L/D = 0.25 tương ứng với chiều dài thực tế cầu 2.5m bên tháp Và tiến hành khảo sát tính tốn cho trường hợp xe vị trí hình 3.4 Hình 3.4 Sơ đồ vị trí tính tốn xe trường hợp tháp có chắn đặc khơng rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Sau q trình tính toán phần mềm Fluent, kết thu giá trị biểu đồ quang phổ vận tốc vecto hình 3.5, 3.6, 3.7, 3.8: 18 Hình 3.5 Phổ vận tốc phổ vecto xe góc - 10 trường hợp tháp có chắn đặc khơng rỗng với tỷ lệ L/D=0.25 Tổng hợp kết tính theo bảng 3.2 bảng 3.5: Bảng 3.2 Bảng tổng hợp kết vận tốc tới hạn xe trường hợp L/D=0.25 St Utính U Uthực tế Cấp Xe Utới hạn ftần số thực tế t (m/s) (km/h) gió tốn Xe U=12 U=10.36 1.928 19.99 71.98 Xe U=9 U=8.967 1.928 17.29 62.25 Xe U=10 U=9.123 1.928 17.59 63.32 Xe U=10 U=8.931 1.928 17.22 61.99 Bảng 3.5 Bảng tổng hợp kết vận tốc dao động xe cho tỷ lệ lại St Trường Utính Uthựctế Uthựctế Cấp Xe Utới hạn ftần số t hợp (m/s) (km/h) gió tốn Xe U=12 U=10.36 1.928 19.99 71.98 Xe U=9 U=8.967 1.928 17.29 62.25 L/D = 0.5 Xe U=10 U=9.123 1.928 17.59 63.32 Xe U=10 U=8.931 1.928 17.22 61.99 Xe U=12 U=10.59 1.928 20.43 73.56 Xe U=10 U=9.398 1.928 18.12 65.23 L/D = 0.75 Xe U=10 U=9.46 1.928 18.24 65.66 Xe U=10 U=9.22 1.928 17.77 63.98 L/D = Xe U=12 U=11.51 1.928 22.20 79.71 19 St Trường t hợp L/D = 1.5 Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Xe Utính tốn U=11 U=11 U=11 U=14 U=13 U=13 U=13 Utới hạn ftần số U=10.09 U=10.32 U=10.11 U=13.22 U=12.82 U=12.83 U=12.66 1.928 1.928 1.928 1.928 1.928 1.928 1.928 Uthựctế Uthựctế Cấp (m/s) (km/h) gió 19.47 70.09 19.9 71.67 19.5 70.19 26.6 95.77 10 24.73 89.03 10 24.75 89.11 10 24.41 80.09 10 Hình 3.14 Biểu đồ so sánh đánh giá kết chắn theo tỉ lệ hệ số có chắn khơng có chắn Nhận xét: Từ kết so sánh hình 3.14, cho thấy việc mở rộng chắn lớn cho thấy vùng an tồn mở rộng hiệu nâng cao ổn định Galloping cao Kết tính tốn cho thấy tỷ lệ chắn đạt đến L/D = 1.5 ổn định galloping xe trường hợp đạt đến cấp 10 Tuy nhiên, kết tính hợp lý xét tính an tồn cho người điều khiển giao thơng khuyến cáo khơng nên cho xe lưu thơng vào trường hợp gió đạt cấp 10 3.3 Nghiên cứu giải pháp chắn dạng lưới Từ kết nghiên cứu trên, việc sử dụng chắn đặc góp phần nâng cao ổn định galloping cho tháp cầu Trần Thị Lý so với không sử dụng chắn Tuy nhiên, bên cạnh kết đạt việc dùng chắn đặc tồn hạn chế mặt kinh tế thẩm mỹ Do đó, đề xuất dùng giải pháp chắn dạng lưới để khắc phục nhược điểm Đối với chắn dạng lưới, thông số đầu vào khảo sát theo tỷ lệ L/D = 0.25 – 1.5 khảo sát rỗng với tỷ lệ rỗng từ 10% - 70% cho trường hợp xe, với vận tốc gió từ – 15m/s góc khảo sát từ +10,+5,+3,0,-3,- 5,- 10 20 3.3.1 Trường hợp 1: Chọn chiều dài chắn với tỷ lệ L/D = 0.25 3.3.1.1 Chọn chắn có tỷ lệ rỗng 10% Để tối ưu hiệu chắn mang lại, đề xuất làm rỗng chắn với tỷ lệ L/D=0.25 khảo sát rỗng 10%, 20% 70% Các thơng số tính tốn tương tự hình 3.15: Hình 3.15 Sơ đồ xe trường hợp tháp có chắn L/D=0.2, rỗng 10% Sau q trình tính tốn phần mềm Fluent, kết biểu đồ quang phổ hình 3.16: Hình 3.16 Phổ vận tốc phổ vecto xe góc - 10 trường hợp tháp có chắn L/D=0.25 rỗng 10% Tổng hợp kết tính theo bảng sau: 21 Bảng 3.7 Bảng tổng hợp kết vận tốc tới hạn xe cho trường hợp lại St Utính Uthực tế Uthực tế Cấp Xe Utới hạn ftần số t (m/s) (km/h) gió tốn Xe U=10 U=10.1 1.928 19.47 70.12 Xe U=9 U=8.89 1.928 17.14 61.72 Xe U=9 U=8.92 1.928 17.19 61.91 Xe U=9 U=8.51 1.928 17.07 61.45 3.3.1.2 Khảo sát chắn cho trường hợp tỷ lệ rỗng lại : 20% 70% Tổng hợp kết tính tốn trường hợp xe với tỷ lệ % lỗ rỗng chắn ta thu bảng kết tổng hợp bảng 3.8 sau: Bảng 3.8 Bảng tổng hợp kết vận tốc tới hạn trường hợp sử dụng chắn với tỷ lệ L/D=0.25 xét tỷ lệ rỗng từ 10% - 70% Tỷ lệ Vận tốc tới hạn V (m/s) STT rỗng Xe Xe Xe Xe (%) 10% 19.48 16.73 17.20 17.07 20% 19.51 17.17 17.23 17.16 30% 19.60 17.21 17.29 17.23 40% 19.66 17.31 17.53 17.50 50% 17.24 17.34 17.23 19.88 60% 19.60 17.19 17.29 17.22 70% 19.50 16.99 17.24 17.09 Hình 3.20 Biểu đồ so sánh kết việc sử dụng chắn có độ rỗng tỷ lệ L/D=0.25 so sánh kết với không dùng chắn trường hợp xe 22 3.3.2 Tính tốn tương tự xét % tỷ lệ rỗng từ 10% - 70% cho tỷ lệ chiều dài chắn lại L/D = 0.5, 0.75, 1,1.5 Tổng hợp kết tính tối ưu biện pháp dùng chắn đặc có rỗng Qua nhận thấy, việc mở rộng chắn kết hợp với tối ưu biện pháp làm rỗng chắn hiệu tăng lên rõ rệt, kết tính tóm tắt bảng (3.9) Bảng 3.9 Bảng tổng hợp kết tối ưu % độ rỗng khảo sát trường hợp tỷ lệ L/D = 0.25 – 1.5 Vận tốc tới hạn V (m/s) Tỷ lệ Tỷ lệ STT L/D rỗng Xe Xe Xe Xe L/D=0.25 40% 19.66 17.31 17.53 17.50 L/D=0.5 40% 20.13 19.66 19.56 19.23 L/D=0.75 50% 20.80 20.77 20.60 20.50 L/D=1 50% 23.66 23.61 23.14 22.54 L/D=1.5 60% 27.01 25.73 25.40 25.28 Hình 3.21 Biểu đồ đánh giá hiệu suất nâng cao ổn định galooping việc sử dụng chắn có độ rỗng tỷ lệ L/D=1.5 với kết không dùng chắn 3.4 Khuyến nghị mặt khai thác an toàn cho tháp cầu Trần Thị Lý Qua nghiên cứu cho thấy, tượng Galloping vùng đuôi xảy mùa mưa bão vận tốc gió cấp trở lên kết hợp với tháp cầu Trần Thị Lý gây Do đưa khuyến nghị mặt khai thác an toàn cho phương tiện tham gia giao thông qua cầu giai đoạn mùa mưa bão đến Việt Nam Đà Nẵng nằm khu vực thường xuyên chị ảnh hưởng bão nhiệt đới Một biện pháp cảnh bảo hiệu gắn thiết bị cảnh báo gió: 23 - Khi vận tốc gió đạt cấp trở lên tức vận tốc 13.9-17.1m/s 5061km/h Dấu hiệu nhận biết lúc cối rung chuyển mạnh có khả sảy Galloping Do cảnh báo đồng thời hạn chế phương tiện giao thông xe đạp, xe máy cảnh báo oto - Khi vận tốc gió đạt cấp trở lên tức vận tốc 17.2-20.7m/s 6274km/ Dấu hiệu nhận biết lúc cối gãy cành, tốc mái ngược gió Lúc sảy ổn định Galloping Thì cấm phương tiện giao thông xe máy, xe đạp người Đồng thời hạn chế xe oto - Khi vận tốc gió cấp trở lên tức 20.8-24.4m/s 75-88km/h Lúc gió cực mạnh Do với trường hợp cấm phương tiện giao thông Nếu vận tốc gió từ 25m/s trở lên đóng cầu Kết luận chương 3: Đối với giải pháp dùng chắn đặc, kết nghiên cứu cho thấy dùng với tỷ lệ L/D = 1-1.5 (bảng 3.5, hình 3.14 ) giúp nâng cao ổn định galloping cao gấp 1.3 lần so với khơng dùng chắn Tuy nhiên, xét mặt kinh tế chưa mang lại hiệu cao có phần gây ảnh hưởng tổng thể đến mỹ quan kết cầu cầu thẩm mỹ cầu Đối với giải pháp dùng chắn dạng lưới Cho thấy dùng chắn với tỷ lệ L/D = 1-1.5 tỷ lệ rỗng từ 40% - 60% đạt hiệu cao nâng cao ổn định galloping gấp 1.7 lần so với khơng dùng chắn (bảng 3.10, hình 3.21) Bên cạnh đó, việc dùng chắn dạng lưới giúp khắc phục nhược điểm chắn đặc Hình 3.22 Biểu đồ so sánh phương án nâng cao ổn định galloping Vậy, qua việc đề xuất giải pháp, nghiên cứu phân tích (hình 3.22) Thì giải pháp dùng chắn dạng lưới đem lại kết tối ưu cho giải pháp nâng cao ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý so với giải pháp lại Qua đó, đảm bảo an tồn giao thơng cho xe qua lại bình thường qua cầu tháp cầu Trần Thị Lý, mùa mưa bão 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Bằng phương pháp nghiên cứu mơ “hầm gió số” phần mền CFD 2D để giải thích tượng xe máy qua cầu bị va chạm ngã ngang tháp cầu Trần Thị Lý Nguyên nhân tượng ổn định galloping vùng Một số kết đạt luận văn là: - Trong trường hợp xe: Thì tháp cầu đảm bảo điều kiện ổn định Galloping với vận tốc tới hạn theo phương dọc cầu 53.23m/s (191.65km/h) theo phương ngang cầu 48.18m/s (174.908km/h) Tổng hợp kết hình 2.13, hình 2.17 - Trường hợp có xe: Tại vị trí nghiên cứu sảy ổn định Galloping vận tốc gió đạt từ 15m/s (55km/h) trở lên Bên cạnh khuyến cáo trường hợp xe khuyến cáo khơng nên vào xe gió đat đến cấp Tổng hợp kết bảng 2.8 - Trường hợp dùng chắn đặc: Với tỷ lệ L/D = 1-1.5 giúp nâng cao ổn định hiệu gấp 1.59 lần so với không dùng chắn Tổng hợp kết bảng 3.5 - Trường hợp dùng chắn dạng lưới: Với chắn có tỷ lệ L/D = – 1.5 có tỷ lệ rỗng từ 40% - 60% đạt hiệu nâng cao ổn định Galloping lên 1.84 lần so với việc không sử dụng chắn gấp 1.12 lần so với việc dùng chắn không rỗng Tổng hợp kết bảng 3.10, hình 3.21 Vậy, phương pháp nghiên cứu mơ “hầm gió số” CFD để nghiên cứu cho tượng ổn định tháp cầu Trần Thị Lý – Tp Đà Nẵng Qua đó, cho thấy kết làm rõ nguyên nhân phương tiện giao thông xe máy bị té ngã, bị lật qua tháp cầu trường hợp gió lớn Nguyên nhân tượng ổn định galloping vùng đuôi sảy Đồng thời đưa giải pháp giúp nâng cao ổn định galloping vùng đuôi cho tháp cầu Trần Thị Lý Kiến nghị định hướng phát triển đề tài Trên sở kết đạt đề tài, định hướng cho phát triển đề tài sau: - Nghiên cứu sâu tương tác dòng gió kết cấu để nâng cao độ xác phương pháp tính tốn Từ áp dụng công tác thiết kế thực tế mà không cần phải sử dụng đến thí nghiệm hầm gió - Nâng cao độ xác phương pháp CFD cách định hướng đến phát triển nghiên cứu 3D kết hợp với tạo lưới tốt nâng cao thời gian phân tích ... hồi tác động gió lên cơng trình cầu - Nghiên cứu phân tích ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý trường hợp có xe ngang qua tháp cầu - Đưa giải pháp nâng cao ổn định galloping cầu Trần Thị Lý Đối. .. nâng cao ổn định galloping tháp cầu Trần Thị Lý Kết luận kiến nghị 3 Chương 1: TỔNG QUAN CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Tổng quan... qua tháp cầu có va chạm bị té ngã xuất gió lớn Hiện tượng gọi hiệu ứng dao động galloping vùng Xuất phát từ thực tế đó, đề tài Nghiên cứu ổn định khí động galloping tháp cầu chịu tác động gió ứng