Phân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOC

Phân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOCPhân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOC

Phần 3 :

Phân tích ảnh hởng của tác dụng

động lực do gió đối với công trình cầu

3-1 Các đặc điểm của gió tự nhiên

3-1-1.Giới thiệu chung

Đặc điểm nổi bật của gió tự nhiên là có tính nhiễu loạn Nguyên nhân của

sự nhiễu loạn là do ma sát của các luồng không khí đi qua các bề mặt tiếp xúc Dòng không khí nhiễu loạn thay đổi rất phức tạp mang nhiều yếu tố ngẫu nhiên cả về không gian lẫn thời gian

Đặc trng quan trọng nhất của gió là vận tốc gió Vận tốc gió tức thời tại

một điểm bất kỳ nào đó trên mặt đất là tổng hợp gồm thành phần vận tốc gió cơbản và thành phần vận tốc gió biến đổi do nhiễu loạn của luồng không khí(thành phần xung)

Trong tính toán công trình thờng dùng giá trị trung bình danh định của tốc

độ gió Theo định nghĩa nếu xét trong thời gian đủ dài (thông thờng là 10 sec)

có thể coi thành phần xung bằng không thì chuyển động dòng gió đợc coi là

êm đều (gió bình quân)

Sự khác nhau giữa tốc độ trung bình và tốc độ thực tế chính là do thànhphần xung của tốc độ, nó gây ra hiện tợng động học trong công trình Hầu hếtcác nớc đều có các nghiên cứu khảo sát về khí tợng và vẽ đợc bản đồ tốc độ giótrên khắp lãnh thổ ở cao độ 10m so với mặt đất Bản đồ gió theo lãnh thổ củaViệt Nam đã đợc Tổng cục khí tợng thuỷ văn cung cấp

Nói chung, tốc độ gió tăng từ giá trị bằng 0 ở cao độ sát mặt đất cho đếnmột trị số cực đại nào đó ở chiều cao chừng 500-1000 m so với mặt đất Bề mặt

gồ ghề của địa hình sẽ cản trở sự di chuyển của dòng gió Hiệu ứng này giảmdần theo chiều cao và đến một độ cao  nào đó thì coi nh không còn ảnh hởngnữa Độ cao đó gọi là lớp biên của khí quyển tự do Phần khí quyển ở bên trên

lớp biên đó gọi là khí quyển tự do Độ cao lớp biên cũng còn gọi là độ cao

gradient và tốc độ gió ở độ cao đó gọi là tốc độ gradient Tốc độ này sẽ không

thay đổi theo độ cao nữa Trên hình 3-1 vẽ biểu đồ biến đổi tốc độ gió theo độcao so với mặt đất Còn trên hình 3-2 mô tả các biểu đồ tốc độ gió ở các địahình khác nhau (ví dụ, trong thành phố, vùng nông thôn, vùng bờ biển)

ở khoảng không cách mặt đất 500 - 1000m, tốc độ gió hầu nh khôngchịu ảnh hởng của điều kiện địa hình mặt đất Trong phạm vi dới 500m củatầng khí quyển thì tốc độ gió chịu ảnh hởng của nhiều nhân tố nh vị trí địa lý,

điều kiện địa hình, độ gồ ghề mặt đất, độ cao, nhiệt độ v.v và không ngừngbiến đổi theo không gian, thời gian, xung quanh tốc độ gió bình quân so vớimặt phẳng nằm ngang (góc tác dụng hay còn gọi là góc cong), cờng độ của gió

động, thành phần, chu kỳ, tơng quan không gian v.v

Hình 3-1: Biểu đồ biến đổi tốc độ gió theo độ cao so với mặt đất.

- Biểu đồ vận tốc gió có xét

tới thành phần biến đổi Biểu đồ vận tốc gió cơ bản

Hình 3-2: Các biểu đồ tốc độ gió ở các địa hình khác nhau

Có thể biểu thị thành phần tốc độ gió theo hớng gió thổi ở vị trí có cao độ z

so với mặt đất trong một hệ tọa độ Đề-các gồm 3 trục, trục thẳng đứng (z), trụcnằm ngang theo hớng gió thổi (x) và trục nằm ngang vuông góc với hớng gióthổi (y) theo hệ thức sau:

Theo phơng gió thổi:

V(z) + v(x,y, z,t) (1-1)Theo phơng vuông góc với phơng gió thổi:

u(x, y, z, t) (1-2)Theo phơng thẳng đứng:

w(x, y, z, t) (1-3)trong đó:

V(z)- thành phần vận tốc gió cơ bản ở cao độ (z)

v, u, w - các thành phần do biến đổi nhiễu loạn (thành phần xung)

3.1.2 Tốc độ gió cơ bản

Do gió tự nhiên gần mặt đất, chịu ảnh hởng rất lớn về địa hình và độ gồghề mặt đất, nên phải căn cứ vào các số liệu quan trắc đợc về tốc độ gió ở vị trícầu mà suy đoán và xác định tốc độ gió Tuy nhiên, trong đại đa số tr ờng hợp ở

địa điểm xây dựng cầu không có hoặc không đủ số liệu quan trắc về tốc độ gió,nên không thể tìm ra một cách trực tiếp tốc độ gió thiết kế cho cầu; lúc đó cầnthông qua tài liệu về tốc độ gió gián tiếp để xác định đợc tốc độ gió thiết kế.Một loại tài liệu có thể dễ dàng tìm đợc là các tài liệu về tốc độ gió ở Trạm khítợng thuộc địa phơng xây dựng cầu

Ví dụ nh Tiêu chuẩn quan trắc về tốc độ gió quy định trong ngành khí tợngViệt nam và Trung Quốc là tốc độ gió bình quân 10 phút ở cao độ 10 m cáchmặt đất tại khu vực bằng phẳng thoáng đãng Theo quy định trong "Quy phạmthông dụng thiết kế cầu cống đờng bộ trung Quốc "(JTJ 021-89), áp lực gió cơbản tính trong kỳ hạn tái xuất hiện 100 năm; Trong “Tiêu chuẩn thiết kế cầuViệt nam 22TCN 272-05 “ cũng quy định nh trên

Do vậy có thể lấy tốc độ gió cơ bản là tốc độ gió tối đa trung bình trong

10 phút của kỳ hạn tái xuất hiện 100 năm ở cao độ 10m cách mặt đất bằng

phẳng thoáng đãng

Qua đó thấy rằng tốc độ gió cơ bản không phải là tốc độ gió tại vị trí xâydựng công trình cầu mà là tốc độ gió ở vùng địa mạo có tính đại diện (tức làmặt đất bằng phẳng thoáng đãng) của một vùng tơng đối rộng thuộc phạm quản

lý của Trạm khí tợng tại địa phơng xây dựng cầu Chỉ khi vị trí xây dựng cầunằm trong vùng bằng phẳng thoáng đãng thì tốc độ gió cơ bản mới đại diện chotốc độ gió ở vị trí xây dựng cầu cầu

Căn cứ vào tài liệu tham khảo Trung quốc và Nhật bản, thấy rằng tốc độgió tối đa hàng năm theo sự phân bố loại hình cực trị I, nên trong các hớng dẫntính toán tác động gió cho cầu cũng đề nghị lấy sự phân bố loại hình cực trị Ilàm phơng pháp tính tốc độ gió tối đa hàng năm chu kỳ tái hiện 100 năm

3-1.2.1 Phơng pháp xác định tốc độ gió cơ bản

3.1.2.1.1 Trờng hợp Trạm khí tợng tại địa phơng xây dựng cầu có đầy đủ số

liệu quan trắc về tốc độ gió thì thông thờng có thể giả thiết tuân theo phân bốdạng I của tốc độ gió tối đa năm, từ tốc độ gió tối đa bình quân năm 10 nămsuy ra trị số xác suất kỳ vọng toán học của tần suất xuất hiện 1% để làm tốc độgió cơ bản

3.1.2.1.2 Trờng hợp tại địa phơng xây dựng cầu thiếu các số liệu quan trắc về

tốc độ gió thì dùng bản đồ phân bố áp lực gió cơ bản; trị số của Việt nam có thể lấy từ Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 lấy áp lực gió cơ bản ở khu vực xây dựng cầu

tính đổi ra tốc độ gió cơ bản:

V10= 0, 836.V20 (1-4)

V20= 1 6, W0 (1-5)

trong đó:

W0: áp lực gió cơ bản ở khu vực xây dựng cầu, rút ra từ bản đồ phân bố áp lực

gió cơ bản trị số của Việt nam có thể lấy từ Tiêu chuẩn 22TCN 272-05)

V20: Tốc độ gió cơ bản ở độ cao 20m (đơn vị m/s)

V10: Tốc độ gió cơ bản ở độ cao 10m (đơn vị m/s)

3.1.2.1.3 Đối với những cầu quan trọng nằm trong quy hoạch thì ngay trong

thời kỳ bắt đầu quy hoạch, cần xây dựng Trạm quan trắc tốc độ gió để có các sốliệu tốc độ gió, chính xác hơn

3.1.2.1.4 Tính toán vận tốc gió cơ bản theo qui luật hàm Logarit

Theo phơng pháp này, vận tốc gió đợc xác định từ đặc trng của bản thândòng khí, đặc trng địa hình và sự tơng tác qua lại giữa dòng khí và địa hình mà

nó thổi qua ở gần bề mặt địa hình sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều cao

dV(z)/dz phụ thuộc vào , ρ và độ cao z.

Biểu thị tốc độ cơ bản gió theo quan hệ toán học dạng hàm Logarit đã đợc tácgiả Liu đề ra từ năm 1991:

V  m (1-6) trong đó:

vm - tốc độ cắt trợt hoặc tốc độ ma sát

vm =   / (1-7)với

 = cờng độ gió ở mặt đất

 = mật độ không khí

Với những cơn gió đặc biệt, tốc độ ma sát nằm trong khoảng từ 1-2m/s

k = hằng số Karman, lấy gần đúng bằng 0,4 dựa trên các thí nghiệm tronghầm gió và trong khí quyển

z - chiều cao từ bề mặt địa hình đến điểm tính gió

z0 - độ cao nhám bề mặt

Giá trị của z0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt của địa hình Các vật thể tạonhám trên bề mặt địa hình tạo nên các xoáy khí và lực ma sát ngăn cản sự dịchchuyển của dòng khí làm tăng mức độ nhiễu loạn của luồng khí Những bề mặt

địa hình có các vật thể thoát gió tốt ít gây nhám nh bề mặt đồi trọc thoải dàikhông coi là vật tạo nhám Nếu số vật nhám phân bố đều đặn trên bề mặt địahình, độ cao nhám bề mặt z0 có thể tính toán theo công thức kinh nghiệm sau

đây:

t

r A

A h

z0  0 , 5 (1-8)

ở đây:

h- chiều cao vật thể tạo nhám nh nhà cửa, công trình kiến trúc…

Ar - diện chắn gió của vật tạo nhám

At - diện tích mặt bằng của vật tạo nhám

Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode 1 sử dụng phơng pháp tính vận tốc gió cơbản bằng phơng pháp sử dụng hàm logarit đối với chiều cao tới 200m đồng thờichia địa hình thành 4 loại cơ bản và xác định các tham số k và z0 theo bảng 3-1 sau đây.

Bảng 3-1: Phân loại địa hình và các hệ số k, z0 theo EuroCode 1

IV Vùng đô thị có ít nhất 15% diện tích bề mặtbao phủ bởi nhà cửa có độ cao lớn hơn 15m 0,24 1,00

3.1.2.1.5 Tính toán vận tốc gió theo qui luật hàm số mũ

Một số Tiêu chuẩn về gió giả thiết rằng tốc độ gió trong khí quyển, phân

bố theo chiều cao thẳng đứng, theo quy luật hàm số mũ tức là:

Z V

II Trên ruộng vờn, đất bằng bằng phẳng trống trải; khu

vực có cây cối, khối kiến trúc thấp, tha thớt v.v 0,16III

Khu vực nhiều cây cối, khối kiến trúc thấp tầng dày

đặc; khu vực có khối kiên trúc cao tầng, trung tầngtha thớt; khu vực đồi gò thoải

0,22

IV Khu vực tập trung nhà cao tầng, trung tầng; khu vực

Nói chung "quy luật Logarit " đợc các nhà khí tợng học coi là đúng hơntrong phạm vi vùng khí quyển thấp, còn "quy luật luỹ thừa" không đợc dùngtrong ngành khí tợng học

Tuy nhiên, để đơn giản khi tính áp lực gió nên dùng công thức theo quy luậtluỹ thừa theo các Tiêu chuẩn tính toán công trình xây dựng của nhiều nớc

3.1.3 Tốc độ gió tiêu chuẩn dùng để thiết kế cầu

Một số tài liệu nghiên cứu cho thấy tốc độ gió bình quân phân bố theochiều cao có đặc điểm sau: ở chiều cao trên 100m, nó theo quy luật hàm số mũ,còn dới 100 m theo quy luật lôgarit

Giữa tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế và tốc độ gió cơ bản có công thức quan

hệ sau đây:

Vd = K1.VZ (1-10)Trong đó:

K1: Hệ số hiệu chỉnh không thứ nguyên có xét tới ảnh hởng độ cao và độ

gồ ghề mặt đất khác nhau (xem bảng 1.3) Trong đó địa hình loại II làloại địa hình tiêu chuẩn đã qui định trong định nghĩa gió cơ bản TheoTiêu chuẩn TCVN 2737-1995

Vd- vận tốc gió thiết kế (ở cao độ z)

Vz- vận tốc gió cơ bản ở cao độ z

Khi dùng công thức (1-10) để tính tốc độ gió chuẩn thiết kế Vd , thì chiềucao z trong bảng 1-3, về nguyên tắc, lấy mặt biển, mặt nớc hoặc mặt đất làmmặt chuẩn (đối với sông ngòi thì mặt chuẩn là mặt nớc có mực nớc trung bình

là mực nớc mà trong nửa năm không dới mức đó; đối với mặt biển lấy mặt biểntrung bình hoặc lấy vị trí thuỷ triều trung bình làm mặt chuẩn) Đối với dầmchủ, cao độ z là cự ly từ mặt cầu ở khẩu độ chính đến mặt chuẩn ; đối với trụcầu cao độ z là khảng cách từ 0.65 chiều cao trụ đến mặt chuẩn

Trong bảng 3-3, độ gồ ghề mặt đất từ loại I và III theo "Tập san thiết kếcầu đờng".của Trung Quốc

Độ gồ ghề mặt đất loại IV xem xét theo "Xây dựng công trình dân dụng"của Trung Quốc

0, 83

0, 83

0, 75

0, 75

bộ phận kết cấu cầu nh cột tháp của các cầu dây là khá cao so với mặt đất Khi

đó không thể dùng tốc độ gió bề mặt là tốc độ gió khống chế cho thiết kế toàn

bộ cầu Sự tăng tốc độ gió theo chiều cao có thể trở thành một yếu tố quan trọngcần xét kỹ trong lúc thiết kế cầu dây Phần nhô lên quá cao của cầu phải đợcthiết kế với tốc độ gió cao hơn so với tốc độ gió đợc dùng để thiết kế nhữngphần thấp hơn của cầu

Cần lu ý rằng vận tốc gió tính theo áp lực gió theo vùng qui định ở Tiêuchuẩn TCVN 2737-1995 nh các công thức 1-4 và 1-5 là đại diện cho cả khu vựcrộng trải dài theo lãnh thổ Việt Nam Khi khảo sát thiết kế cầu cần hết sức chú

ý sử dụng số liệu điều tra về vận tốc gió trong khu vực nh ví dụ tính toán chocầu Rạch Miễu dới đây

Ví dụ tính vận tốc gió cơ bản đối với cầu Rạch Miễu ở tỉnh Mỹ Tho

đã xét nh sau:

* Tốc độ gió tại trạm khí tợng Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang:

- Vận tốc gió lớn nhất bình quân 10 phút tại chiều cao 10 m cho chu kỳ 100năm:

V10,10= 15 m/s

- Tốc độ gió trận lớn nhất trong khoảng 1-3 giây tại chiều cao 10 m cho chu kỳ

100 năm:

Vg,10 = 28m/s

* Để thiên về an toàn, tốc độ gió thiết kế sẽ đợc lấy theo Tiêu chuẩn Châu Âu

(Euro Code 1) Phần 2- 4 theo vùng II với các tốc độ gió cơ bản nh sau:

+ V10,10 = 30m/s (giai đoạn khai thác)

+ V10,10 = 27m/s (giai đoạn thi công)

* Nếu dựa theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 thì quá trình tính sẽ nh sau Tại vị trícầu Rạch Miễu ở tỉnh Mỹ Tho, địa hình xung quanh khu vực xây dựng cầu cóthể đợc phân loại là loại II, nên đợc lấy số mũ  của phơng trình gió là 0,16;tốc độ gió cơ bản, tốc độ gió lớn nhất hàng năm tại độ cao 10 m với chu kỳ 100năm, trong địa hình tại khu vực xây dựng cầu đợc đề nghị lấy giá trị 30,0 m/s ởgiai đoạn sử dụng (V10) và bằng 27 m/s ở giai đoạn xây dựng (V5

10) Nh vậy cảhai cách tính đều tơng tự nhau

T vấn TEDI đã tính “Tốc độ gió thiết kế” của cầu Rạch Miễu nh sau:

Cao độ mặt cầu thiết kế của nhịp giữa cầu Rạch Miễu là 42,757m Thôngthờng, mực nớc cao nhất và thấp nhất lần lợt là 1,670m, 1,730m và -2,080m

Nh vậy chênh cao từ mặt cầu đến mặc nớc là 44,8m, và tốc độ gió thiết kếthông thờng tại cao độ mặt cầu với giai đoạn khai thác (Vd) đợc định nghĩa nhsau:

Vd = V10 (44,8 /10)0,16 = 1,271 x 30 =38.1 m/s Đối với giai đoạn thi công, tốc độ gió thiết kế ở cao độ mặt cầu là V5 lấybằng 0,9 lần trị số tơng ứng của giai đoạn khai thác , tơng ứng với chu kỳ lặp lại

25 năm, nghĩa là:

Vd = 0,9 x Vs

d = 0,9 x 38,1 = 34,3 m/s

Một số ví dụ khác:

Một số cầu dây Việt nam đã lấy các tốc độ gió nh sau:

Tên cầu dây văng Tốc độ gió cơ bản

V10, 10 (m/s)

Tốc độ gió ởcao độ mặt cầu

(1- 11)Trong đó:V 10: là tốc độ gió ở độ cao 10 m tại vị trí cầu, tính bằng (m/s)Trờng hợp tại địa phơng xây dựng cầu mà không có đầy đủ số liệu quantrắc khí tợng thì có thể tận dụng tính chất tơng quan số liệu quan trắc tốc độ giócủa Trạm khí tợng gần kề với vị trí cầu, suy ra V 10, sau đó áp dụng công thức1-11 để tính Vd

Khi khảo sát thấy địa hình tại vị trí xây dựng cầu có sự thay đổi tơng đốilớn trong phạm vi hẹp có thể phân tích lựa chọn trị số đa vào thiết kế theonguyên tắc sau:

 Trờng hợp phạm vi xét có hai loại hình có độ gồ ghề chênh lệch nhau

t-ơng đối lớn thì lấy trị số trung bình của chúng theo tỷ lệ diện tích

 Trờng hợp phạm vi xét tồn tại hai loại hình có độ gồ ghề gần nhau thì lấytrị số của loại nhỏ hơn

 Trờng hợp độ gồ ghề ở hai phía thợng, hạ lu khác nhau thì lấy trị số bênphía tơng đối nhỏ hơn

 Trờng hợp cầu vợt qua sông tơng đối nhỏ (dới 100m) thì lấy trị số thấphơn một mức của độ gồ ghề đã xác định và theo mặt đất không gồmchiều rộng sông

 Khi cầu vợt qua eo biển hoặc khe núi tơng đối hẹp có khả năng xuất hiệnhiện tợng hút gió hoặc khi địa hình tơng đối phức tạp thì có thể thông quaqua thí nghiệm Hầm gió của địa hình mô phỏng, quan trắc tốc độ gió tạithực địa hoặc đối chiếu với các tài liệu tốc độ gió có liên quan để xác

định tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế

Hình 3-3: Phạm vi xác định độ gồ ghề bề mặt vị trí cầu

3.1.4 Thành phần nhiễu loạn của gió

Các luồng gió ở lớp biên khí quyển luôn mang tính nhiễu loạn, điều này cónghĩa là dòng khí là dòng rối với chu kỳ ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ hơn 1 giâycho đến hàng phút Phơng pháp tốt nhất để xử lý các quá trình ngẫu nhiên là sửdụng các lý thuyết xác suất Mức độ nhiễu loạn của gió mà đặc trng là sự phân

bố tần số và tơng quan không gian đợc biểu diễn thông qua các thông số: độlệch chuẩn, thớc đo cờng độ nhiễu loạn, mật độ phổ năng lợng và hàm số tơngquan không gian.

3.1.4.1 Cờng độ dòng rối và độ lệch chuẩn

Gọi V là tốc độ gió bình quân của tốc độ gió V theo phơng luồng thổi củagió (phơng nằm ngang x); các tốc độ trung bình của tốc độ gió U theo phơngnằm ngang (y) vuông góc với phơng luồng thổi của gió và tốc độ gió bình quâncủa tốc độ gió W theo trục thẳng đứng (z) đều đợc giả định bằng 0, tức là:

0



U Gọi v, u, w là thành phần động (phân lợng giật) của V, U, W, gọi v,

u, w là phơng sai căn bậc hai (độ lệch chuẩn) của V, U, W

Trên địa hình bằng phẳng, dòng khí đợc giả thiết là đồng nhất theo phơngngang vì vậy các đặc tính xác suất đợc coi là không đổi theo phơng ngang Độlệch chuẩn v, u, w của thành phần nhiễu loạn chỉ phụ thuộc vào cao độ z sovới mặt đất

Theo kết quả nghiên cứu của Davenport (1967), Haris (1970), Armitt(1976) cho thấy các trị số độ lệch chuẩn nói trên gần nh không đổi đến 1/2chiều cao của lớp biên khí quyển ở cao độ 100-200m so với bề mặt nằm nganggiả định, giá trị gần đúng của độ lệch chuẩn có các giá trị:

v A.v u  0 , 75 v w  0 , 5 v (1-12)trong đó hằng số A 2,5 nếu z0 = 0,05m và A 1,8 nếu z0 = 0,3m

Cờng độ dòng của V, U, W đợc định nghĩa nh sau:

Iv(z)=

) z ( V

) z (

1 z

(1 -17)trong đó z0 là cao độ nhám và 2 , 5

Thớc đo cờng độ nhiễu loạn (cờng độ dòng rối) dùng để đo kích thớc xoáycủa luồng gió hoặc nói cách khác là đo độ lớn trung bình của từng cơn gió theo

hớng cho trớc Thớc đo cờng độ nhiễu loạn theo hớng i (x,y,z) của thành phầnnhiễu loạn thứ j (v,u,w) đợc tính theo công thức:

điểm i và i + r i đo tại cùng một thời điểm Nh vậy theo các hớng x, y, z sẽ có 9thớc đo cờng độ nhiễu loạn của 3 thành phần nhiễu loạn v, u, w

Cờng độ dòng rối ( cờng độ nhiễu loạn) thay đổi theo chiều cao và độ gồghề mặt đất Khi thiếu các số liệu quan trắc dòng gió tại vị trí cầu thì trị sốtrung bình của cờng độ dòng rối Iv có thế lấy trị số theo bảng 3-4 và có thể lấy

Iu=0, 88.Iv ; Iw= 0, 5.Iu

Tính chất tách cờng độ dòng rối tơng đối lớn, phạm vi phân tán đại thể là

30% trị số bình quân, trong thiết kế chống gió cho cầu cần lấy số liệu quantrắc gió mạnh để xác định cờng độ dòng rối, lúc đó cờng độ dòng lấy bằng 0,7lần trị số bình quân

Bảng 3-4: C ờng độ dòng rối (c ờng độ nhiễu loạn) IV

z - cao độ (m)

x

v

L - cờng độ nhiễu loạn theo hớng gió (m)

C và m - các hệ số phụ thuộc vào cao độ nhám z0 lấy theo hình 3-4

Hình 3-4: Quan hệ C và m với độ cao nhám z0

Các thớc đo cờng độ nhiễu loạn khác thờng biểu diễn qua cờng độ nhiễu loạn hớng gió x

 (1-20)

r ) exp( r / L x )

v z z

 (1-21)Với các thớc đo cờng độ nhiễu loạn x

v

z v

x v

áp dụng riêng biệt các công thức sau:

3 5 2

n

u

)501(

f200)

n(S.n





2 2

n

w

) 4 1 (

f 6 )

n ( S n

Z n

) Z ( U K

Trong đó:

k- hằng số không thứ nguyên Ky0, 4

Zd =H  Z0/K (1 -26)

H- chiều cao trung bình các vật kiến trúc xung quanh (m).

z0 - chiều cao nhám (m) xem bảng 3-6

Độ cao cách mặt đất nơi tốc độ gió bình quân UZo = 0 đợc tìm ra từ tốc độgió bình quân tại cao độ Zg, theo trị số  phân loại độ gồ ghề mặt đất của khuvực này Khi tốc độ gió bình quân ở cao độ Zg trên không của lớp biên giới khíquyển gần nh không bị ảnh hởng bởi mức độ gồ ghề mặt đất Trị số Zg của cáckhu vực độ gồ ghề bề mặt có thể lấy theo bảng

6000,05

7000,3

7001,0

3.1.4.3 Tơng quan không gian của tốc độ gió giật

Hàm tơng quan không gian Cohij(f) của tần số f của thành phần tốc độ gió giật i (i= u, v, w) tại hai điểm có cự ly ri theo phơng j (j = x, y, z) có thể bảng diễn gần đúng theo công thức sau:



Trong đó: ij : hệ số suy giảm không thứ nguyên,

ij : nằm trong phạm vi từ 7 - 20, trong thiết kế chống gió thông thờng lấy ij=7thiên về an toàn

Hàm tơng quan đợc Panofsky và Singer đề xuất năm 1965 định nghĩa là :      2

n , r Coh n

, r

C  (1-28)Trong đó căn bậc 2 của hàm tơng quan đợc Davenport đề xuất năm 1968 tínhtheo công thức:

Cohr , n e  f

 (1-29)Với:

   

 1  2

2 2 1

2 y

2 2 1

2 z

z V z V

y y C z z C n f

y1, y2 và z1, z2 - tọa độ 2 điểm trong không gian trong mặt phẳng vuông góc vớihớng gió

Czvà Cy là các hệ số suy giảm xác định nhờ các thí nghiệm hầm gió

Hình 3-5: Quan hệ Cy với vận tốc gió

và chiều cao Hình 3-6: Quan hệ Cvà chiều caoz với vận tốc gió

3.1.4.4 Góc tác dụng của gió (góc thổi của gió)

Trong thiết kế chống gió động lực cho cầu, phải xét tới ảnh hởng của góctác dụng của gió và lấy góc tác dụng trung bình của gió tốc độ cao tức thời làmtiêu chuẩn, thờng lấy là 30.

Góc tác dụng của gió trên mặt biển phẳng lặng và khu vực bằng phẳngrộng lớn thờng là 00, còn ở nơi địa hình phức tạp thì đợc xác định theo thínghiệm hầm gió với địa hình mô phỏng

3-2 Phân vùng gió theo tiêu chuẩn việt Nam

Phân vùng gió trên lãnh thổ Việt nam đợc chia theo địa giới hành chính,các đờng đậm nét trong bản đồ phân vùng gió là ranh giới giữa các vùng ảnh h-ởng của bão đợc đánh giá là yếu hoặc mạnh

Phân vùng áp lực gió theo địa giới hành chính ghi trong phụ lục E củaTiêu chuẩn tải trọng và các tác động TCVN -2737-1995, giá trị áp lực gió theobản đồ phân vùng gió trên lãnh thổ nớc ta ghi ở bảng 3-7

Bảng 3-7: Trị số áp lực gió tơng ứng với các vùng

Hình 3-7: Bản đồ phân vùng áp lực gió theo TCVN -2737-1995

3-4 tác động gió và ma đối với các công trình cầu

3-4-1.Khái niệm tác động của gió đối với công trình cầu

Công trình cầu thờng đợc xây dựng ở nơi trống trải và chịu gió mạnh Tảitrọng gió tác dụng lên cầu phụ thuộc vào kiểu cầu (ví dụ cầu bản, cầu dàn, cầudầm, cầu vòm, cầu dây văng, cầu treo dây võng,v.v ) cũng nh phụ thuộc tốc độgió, hớng gió, kích thớc và hình dạng cầu, các điều kiện địa hình, vùng khí hậunơi xây dựng cầu

Đối với kết cấu nhịp cầu có độ cứng lớn hay bộ phận mố trụ không quáthanh mảnh, tác động của gió gây ra áp lực khí động trên bề mặt chắn gió củakết cấu Tác dụng này có thể đợc xem xét một cách gần đúng và đơn giản nh áplực tĩnh theo hớng gió thổi phân bố đều trên bề mặt bộ phận kết cấu chắn gió

áp lực tĩnh của gió đợc tổ hợp cùng các thành phần tải trọng khác khi tính toánthiết kế công trình

Đối với các dạng kết cấu thanh mảnh, vợt nhịp lớn, độ cứng chống uốn vàxoắn tơng đối nhỏ nh cầu treo, cầu dây văng, cầu dàn liên hợp tác động củagió, đặc biệt là các cơn gió lớn gây trạng thái dao động cỡng bức mạnh với biên

độ lớn cho kết cấu Trong điều kiện thông thờng, các dao động cỡng bức nêutrên gây nên hiện tợng rung lắc (Buffeting) hay nâng hạ do xoáy khi (Vortex-Sheding) và sẽ tắt dần theo nguyên lý hao tán năng lợng Nhng trong nhiều tr-ờng hợp khi nghiên cứu dao động của kết cấu công trình dới tác động của gió

có vận tốc lớn cho thấy trong quá trình dao động trong không khí, do quan hệ

t-ơng tác qua lại giữa kết cấu và luồng khí thổi, bản thân dao động của kết cấu lạilàm phát sinh ra lực khí động bổ sung tạo thêm năng lợng mới cho dao động tựthân của kết cấu Khi tình huống này xảy ra dao động của bản thân kết cấu trởnên bị động, biên độ dao động đột ngột tăng nhanh gây mất ổn định động lựcdẫn tới phá hủy kết cấu Quá trình dao động mô tả nh trên, các lực khí độngmạnh đợc phát nguồn từ dao động ban đầu của bản thân công trình và do quátrình tơng tác cơ học qua lại giữa kết cấu và dòng khí chứ không phải có nguồngốc từ bản thân dòng khí thổi gọi là các dao động tự tự kích Hiện tợng mất ổn

định xảy ra do nguyên nhân này gọi chung là mất ổn định khí động đàn hồi,biểu hiện đặc trng ở các hiện tợng dao động chòng trành (Flutter) và dao độngtiến triển nhanh-dao động ”nhảy ngựa” (Galloping)

Các ảnh hởng do tác dụng động lực của gió đối với kết cấu mang tính đadạng và phức tạp, làm phát sinh thêm nội lực và chuyển vị cho kết cấu, đẩynhanh quá trình phá hoại mỏi, gây h hại cho các bộ phận của kết cấu, gây hiệuứng tâm lý đối với ngời qua cầu, thậm chí phá huỷ kết cấu khi xảy ra mất ổn

định động lực

Vai trò của các tác dụng khí động rất qua trọng khi thiết kế các công trìnhcầu treo hay cầu dây văng, trong nhiều trờng hợp tác dụng khí động ảnh hởngquyết định tới việc lựa chọn phơng án cho các loại cầu này

Khi tính toán ảnh hởng của gió lên các kết cấu nhịp cầu kiểu thông thờng,ngời thiết kế có thể chỉ quan tâm đến xét áp lực gió tĩnh Nhng trong tính toán

cầu dây võng và cầu dây xiên, các hiện tợng mất ổn định khí động học cần phải

đợc chú ý nhiều hơn Thờng thì áp lực gió tĩnh có thể gây biến dạng cho kết cấunhịp cầu Còn tác dụng động học của gió thì làm cho kết cầu bị rung hoặc dao

động mạnh Các cầu dây võng cũng nh cầu dây xiên đều rất nhạy cảm với tác

động của gió, khiến cho kết cấu nhịp dao động theo nhiều dạng thức khác nhau

ở tần số thấp và có thể dẫn đến hậu quả phá huỷ cầu Nếu có 2 cầu đặt quá gầnnhau, còn có thể xảy ra hiệu ứng Bernoulli khi dòng gió thổi qua khe hở giữa 2cầu và gây nguy hiểm cho cả 2 cầu đó

Nói chung, các tác động của gió lên cầu thờng đợc xét theo các đề mụcsau :

- áp lực gió lên bề mặt chắn gió

- Tác dụng động lực của dòng gió thổi

- ảnh hởng của các công trình lân cận làm thay đổi hớng gió và các đặc

tr-ng của dòtr-ng gió

Thực tế xây dựng các công trình cầu treo và cầu dây văng trên thế giới đãchứng tỏ sự cần thiết phải nghiên cứu một cách hết sức đầy đủ tác động của cácluồng khí đối với công trình Để nhận biết một cách tơng đối đầy đủ về tácdụng của gió đối với công trình cầu có thể phân tích sự cố phá hủy cầu Tacoma-Narrow sau đây :

Cầu Tacoma-Narrow vợt qua vịnh Tacoma thuộc bang Washington (HoaKỳ) Dạng kết cấu cầu treo 3 nhịp đối xứng, nhịp chính có chiều dài 853m, cácnhịp biên dài 335m Dầm chính dạng chữa I, bằng thép có chiều cao 2,5m.Công trình xây dựng hoàn thành năm 1940 sập đổ hoàn toàn 6 tháng sau đótrong một trận bão lớn

Quá trình xảy ra sự cố kỹ thuật, công trình dao động mạnh dới tác dụngcủa gió bão Vận tốc gió ban đầu là v = 16,8m/s (61Km / h), nhịp chính dao

động ở dạng 9 bớc sóng, biên độ dao động phân tích cho nhịp biên ở cùng thời

điểm là 120-150mm, tần số dao động fu = 0,5999 Hz Sau 2 giờ vận tốc giótăng lên v = 18,6m/s (67 Km/ h), biên độ dao động đột biến tăng lên 853mm.Dạng dao động ở nhịp chính thay đổi về dạng 1 bớc sóng với tần số fu = 0, 233Hz

Tác dụng động lực gây hiệu ứng vợt quá khả năng của kết cấu dầm cầudẫn đến gãy đứt và rơi đoạn dầm thứ nhất dài 8m, đoạn dầm thứ 2 dài 183m rơisau đó 1 giờ và đoạn dầm chính dài 533m bị rơi ngay tiếp sau 5 phút, công trình

bị phá hoại hoàn toàn

Kết quả phân tích kỹ thuật sau sự cố cho thấy thông số kỹ thuật về tần sốdao động riêng uốn ở dạng thứ nhất là fu = 0,145 Hz, tần số dao động riêngxoắn fx= 0,233 Hz

Tại thời điểm phá hoại kết cấu dao động kết hợp giữa uốn và xoắn, trong

đó dao động xoắn chiếm u thế Có thể thấy rằng ở giai đoạn đầu cầu dao độnguốn là chủ yếu với tần số cao f = 0,5999 Hz, khi vận tốc gió tăng lên tới trị số

tới hạn (v = 18,6 m/s) dao động xoắn dạng thứ 1 trở thành khống chế, khiến chotần số dao động uốn thay đổi Dao động uốn xoắn trở nên trùng một tần số,năng lợng khí động đợc bổ sung, dẫn tới mất ổn định khí động, sập đổ côngtrình.

Hình 3-8: Sự cố sập đổ cầu Tacoma do cộng hởng của dao động uốn, xoắn

3-4-2.Các hiệu ứng do tác động của gió đối với công trình cầu

3-4-2-1 á p lực gió lên bề mặt chắn gió

Tuỳ theo địa hình khu vực xây dựng cầu, tác dụng của luồng gió lên côngtrình sẽ có tính chất phức tạp và mức độ ảnh hởng khác nhau

Bản chất của tác động gió là sự di chuyển của các luồng khí thổi

Tác dụng đơn giản nhất là gây ra áp lực cho bề mặt chắn gió

áp lực gió tĩnh lên cầu đợc tính toán theo các nguyên lý quen thuộc củaCơ học chất lỏng Theo lý thuyết Bernoulli thì khi có dòng chất lỏng lý tởng tácdụng lên vật thể, mức độ tăng áp lực tĩnh sẽ bằng mức độ giảm áp lực động C-ờng độ áp lực gió cho dòng khí thổi “êm thuận” lý tởng, tác động vuông góc với

bề mặt chắn gió đợc tính theo công thức:

q  0 5 C  V 2 (1-31)trong đó:

q- áp lực gió (kN/m2)

- mật độ không khí (  1,3 kg/m3)

V- vận tốc gió thổi (m/s)

C- hệ số hình dạng, lấy tuỳ thuộc vào hình dạng của vật thể chắn gió.

Trị số của C là khá nhỏ đối với các cấu kiện hẹp và có dạng bề mặt thuônthoát gió (dạng lu tuyến) và sẽ là trị số lớn đối với cấu kiện to rộng và hìnhdạng không thoát gió êm thuận (mặt cắt dạng không lu tuyến) Hợp lực của lực gió tác dụng lên vật thể cản gió bao gồm thành phần lực nâng theo phơng thẳng đứng và lực theo hớng của dòng gió.

Hình 3-9: ảnh hởng của hình dạng mặt cắt đến hiệu ứng gió

Trên thực tế góc tới của gió thờng không vuông góc với bề mặt chắn gió vìvậy có thể phân ra 3 thành phần là lực theo phơng thẳng đứng, lực tác động theophơng ngang và mômen xoắn:

 áp lực theo phơng ngang T.

 áp lực theo phơng thẳng đứng N.

 Mô men xoắn có chiều tùy theo hớng tác động M.

Độ lớn của các lực trên phụ thuộc vào:

Cờng độ của áp lực gió q

Góc hợp giữa hớng gió và bề mặt hứng gió .

Hình dạng tiết diện hứng gió thông qua các hệ số ảnh hởng C T , C N và C M

Hình 3-10: Các thành phần của áp lực gióCác thành phần tải trọng gió tĩnh tác động lên một đơn vị chiều dài dầmchủ của kết cấu nhịp cầu có thể đợc xác định theo các công thức:

M

2

d C V 2

1

M   B (1-34)trong đó:

H - chiều cao diện tích hứng gió (Hình chiếu theo phơng đứng của phần

Tốc độ gió V trong công thức (1-31) đợc tính theo các công thức (1-10) và(1-11) là trị số trung bình trong một khoảng thời gian nào đó Đối với côngtrình thì tốc độ này cần phải đợc hiệu chỉnh tăng lên do sự nhiễu loạn chuyển

động của dòng gió, do lốc và v.v

Khi đó, dọc theo công trình tốc độ gió tại các điểm là:

Vh,L = ag Vd (3-35)Tơng tự, đối với công trình cao thì tốc độ gió tính toán là :

VhH = aH.Vd (3-36)Trong đó:

aH và ag- thừa số hiệu chỉnh, phụ thuộc vào chiều cao H và chiều dài của côngtrình lấy theo bảng 3-8 và 3-9

Khi tính toán thiết kế các công trình cầu có các bộ phận ở các cao độ khác

nhau thì phải tính toán tốc độ gió khác nhau tơng ứng với độ nhô cao của các bộphận Ví dụ cầu Fred Harman (Hoa kỳ) đã xét:

-Tốc độ gió 110m/h cho các bộ phận ở cao độ 10m

-Tốc độ gió 160m/h ở sàn mặt cầu, cao hơn mặt nớc sông 55m

-Tốc độ gió 195m/h ở đỉnh tháp, cao hơn mặt nớc sông 80m

3.4.2.2 Các hiệu ứng khí động do gió

a- Sự hình thành các xoáy khí và dao động nâng hạ Karman

Khi dòng khí chuyển động gặp các vật cản sẽ tạo thành ở phía sau vật cảndòng khí cùng với các xoáy khí ( hình 3-11), Các xoáy khí xuất hiện sẽ đóngvai trò nh các “ vật cản phụ” làm cho dòng khí không còn êm thuận nữa tạo racác lực nâng và hạ tác động vào vật cản gây dao động

Hình 3-11: Hiện tợng tạo thành các xoáy khí sau vật cản

Hiện tợng phát sinh các xoáy khí sau vật cản đợc Th Von Karman nghiêncứu từ đầu thế kỷ XIX và dòng khí thổi cùng với sự xuất hiện các xoáy khí đợc

mang tên ông Hiện tợng dao động của kết cấu theo hớng nâng hạ do tác dụngnày gọi là dao động Karman.

Hình 3-12: Tần số xuất hiện xoáy khí sau vật cảnTần số của lực nâng hạ do gió bằng tần số xuất hiện các xoáy khí sau vậtcản (hình 3-12) Kết quả nghiên cứu cho thấy tần số này phụ thuộc vào hìnhdạng, kích thớc của vật cản và tốc độ của luồng gió tác động Mối tơng quangiữa tần số dao động Karman với vận tốc của dòng khí và đặc trng hình dạngkích thớc của vật cản thể hiện qua tham số Reynolds (Re) và Strouhal (S):



vD

R e  (1 -37)

v

H f

f - tần số dao động cỡng bức do hiện tợng Karman tạo ra.

Nếu tần số f trùng hoặc là bội số của tần số dao động riêng của kết cấu,

đặc biệt là tần số dao động riêng uốn, thì có nguy cơ xảy ra cộng hởng

Hiện tợng Karman sẽ gây dao động của kết cấu theo phơng vuông góc vớihớng gió Nh vậy nếu dòng khí thổi vuông góc với vật cản thì sẽ gây dao đôngnâng hạ theo phơng thẳng đứng Nếu biên độ dao động này quá lớn sẽ gây pháhoại công trình

Mức độ nguy hiểm do khả năng xảy ra cộng hởng có chiều hớng gia tăng

khi chiều rộng cầu hẹp, chiều cao chắn gió của dầm lớn và tần số f cao

Tham số Reynolds (Re) xét đến ảnh hởng của hiệu ứng lớp biên khôngkhí Chỉ số Strouhal (S) phụ thuộc vào hình dạng của kết cấu cản gió

Cần lu ý thêm là không phải bất kỳ luồng gió thổi nào cũng có thể tạo racác xoáy khí làm phát sinh dao động nâng hạ Các nghiên cứu về khí động họccho vật cản hình trụ tròn cho thấy:

- Khoảng 150  Re 300 là giai đoạn chuyển tiếp, dòng khí trở thành cácxoáy khí nhiễu loạn,không có qui luật nhất định.

- Khi Re trong khoảng từ 300 đến 2x105 hình thành các xoáy khí theo chukỳ

- Khi Re trong khoảng từ 2x105 đến 5x106 hình thành các xoáy khí hỗnloạn

- Các giá trị lớn hơn lại hình thành xoáy khí theo chu kỳ

Hình 3-13: Phản ứng của dòng khí qua vật cản theo hệ số Reynold

Đặc điểm kích thích của các xoáy khí đối với hình trụ tròn mềm là sự xuấthiện các dao động mạnh theo hớng ngang với hớng gió trong một khoảng biến

đổi nhất định của tốc độ gió

Kinh nghiệm cho thấy rằng hình trụ tròn dao động theo hớng dọc và hớngngang với biên độ ngẫu nhiên và pha ngẫu nhiên và với tần số gần bằng tần sốdao động tự nhiên Khi tốc độ gió tăng lên thì biên độ dao động cũng tăng theo

Điều này đặc trng cho chế độ chuyển động êm cũng nh chuyển động nhiễuloạn, nghĩa là khi Re > Re*, trong đó Re* là số Reynoldd tơng ứng với sự mấtsức chịu và giảm sức cản bên hông, thì dao động ngang giảm

Theo sự quan sát các thí nghiệm cho ta thấy ứng với một tốc độ gió nhất

định thì tần số phát sinh các xoáy khí trở nên gần trùng với tần số dao độngriêng của hình trụ tròn nằm trong dòng gió và biên độ dao động của hình trụnày tăng lên Nh vậy đã xảy ra cộng hởng gió, tơng ứng với tốc độ gió tới hạn

và mất khả năng giảm chấn của hình trụ tròn

Tham số Reynolds (Re) chỉ chủ yếu nghiên cứu cho vật thể có dạng mặtcắt hình trụ tròn Sự thay đổi tần số xoáy khí phụ thuộc vào các dạng mặt cắtkhác nhau đợc bổ sung bằng chỉ số Strouhal Trên hình 3-14 thể hiện ảnh hởngcủa hình dạng mặt cắt đến sự hình thành các xoáy khí sau vật cản

Hình 3-14: ảnh hởng của hình dạng mặt cắt tới sự hình thành xoáy khí

sau vật cảnHình 3-15 cho thấy trạng thái dòng khí thổi qua một bản đặt thẳng đứng có

2 mép vát nhọn, tơng ứng với các giá trị khác nhau của số Reynolds

- Khi số Reynolds còn rất nhỏ (Re = 0,3) thì dòng gió lợn quanh các mép vátphía trên và phía dới của bản rồi lại chuyển động êm thuận tiếp tục

- Khi tốc độ gió tăng lên, trị số Reynolds cũng tăng theo đến Re = 10 thìdòng khí bị phân tách thành hai dòng ở phía sau mép bản và 2 xoáy khí lớn xuấthiện đối xứng tạo ra vùng xoáy ngay sát phía sau bản

- Khi mà trị số Reynolds tăng đến Re = 250 thì hai xoáy khí đối xứng sau bản

bị mất tính đối xứng và thay thế bằng các xoáy khí biến đổi lần lợt theo chu kỳthành các vùng xoáy nhiễu nh trên hình vẽ

- Nếu trị số Reynolds tăng cao đến lớn hơn 1000 thì nói chung sẽ xuất hiệnmột vùng xoáy nhiễu loạn phía sau bản Lúc này không có các xoáy khí lớn nữa

mà chỉ có một chuỗi nhiều xoáy khí nhỏ ở các mép trên và mép dới phía saubản, xung quanh đó là dòng chảy đều êm thuận

Hình 3-15 : Mô tả các dòng khí xoáy phía sau bản thảng đứng

Đối với dạng mặt cắt ngang có góc cạnh, trị số S không phụ thuộc vào R e

còn đối với các dạng mặt cắt khác hai trị số luôn phụ thuộc nhau (bảng 3-10 và3-11)

Bảng 3-10: Số Strouhal và Reynold của các mặt cắt điển hình

hớng vuông góc với dòng gió (chiều cao hình chiếu vật thể lên mặt phẳng đứng)

và tần số phát sinh f của xoáy khí đợc thể hiện trong công thức tính trị số

Strouhal nh sau :

Số Strouhal này phụ thuộc hình dạng vật thể hoặc kết cấu đang cản gió Ví

dụ một hình trụ tròn đờng kính d sẽ có số Strouhal bằng 0,22 và rút ra :

f = 0,22 V/ h

Nếu tần số f trùng hoặc là bội số của tần số dao động riêng của kết cấu,

đặc biệt là tần số dao động riêng uốn, thì có nguy cơ xảy ra cộng hởng.

Trong bảng 3-11 thể hiện mối liên hệ giữa tần số phát sinh f của xoáy khí

đ-ợc thể hiện trong công thức tính trị số Strouhal của một số dạng mặt cắt cầu

b- Dao động rung lắc ( Gust, Buffeting)

Dao động rung lắc là dao động cỡng bức biến đổi dới tác dụng của luồnggió rối ảnh hởng của dao động rung lắc tuỳ thuộc vào đặc tính động lực củacầu, đặc tính khí động của mặt cắt dầm chủ và đặc tính luồng gió rối

Do tính chất hỗn loạn của dòng khí rối nên lực tác động lên kết cấu có tính

(Chu kỳ)

Bảng 3-11: Số Strouhal của các dạng mặt cắt cầu

Mối quan hệ giữa tốc độ gió V, kích thớc đặc trng của vật cản h trong

ngẫu nhiên nên tạo nên trạng thái dao động rung lắc ngẫu nhiên.

Dao động rung lắc ngẫu nhiên là loại dao động có biên độ giới hạn vìchúng sinh ra tần số dao động cao, có thể dần đến làm kết cấu mỏi Nếu biên độcủa dao động rung lắc quá lớn sẽ làm con ngời cảm thấy mỏi mệt, thậm chí mất

an toàn khi xe chạy trên cầu với tốc độ cao

Đối với các dạng tác động nhiễu loạn của gió thông thờng, các số hạng bậc

2 của thành phần nhiễu loạn v, u, w rất nhỏ so với các giá trị tơng ứng của thànhphần gió cơ bản V vì vậy có thể bỏ qua Dựa trên giả thiết này, các thành phầncủa hệ số khí động CT, CN, và CM sẽ không phụ thuộc vào tần số của nhiễu loạn.Các giá trị lực cỡng bức ở trờng hợp dao động rung lắc ngẫu nhiên đợc tính toán

A C

B

A d

dC V

t , x v 2 1 C

0 N

dC V

t , x v 2 1 C

B

A C

T 2

r 0 M

trong đó: B - kích thớc cơ bản của kết cấu

A - diện tích chắn gió của kết cấu trên một đơn vị dài

r - khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến tâm quay có hiệu

0- góc tác động thực của gió xác định theo hình 3- 16

Hình 3-16: Lực Buffeting trên mặt cắt dầm

c- Dao động cộng h ởng xoáy khí (Vortex-Shedding)

Dòng gió thổi qua các kết cấu có hình dạng không tròn với các dạng mặtcắt tròn, chữ nhật, hoặc hình nhiều cạnh v.v đều có thể phát sinh ra các xoáykhí tạo thành các lực xoáy thay đổi đan chéo ở hai bên Khi mà tần số hiện t-ợng tách của dòng xoáy khí đạt gần bằng tần số dao động riêng của kết cấu thì

sẽ xuất hiện hiện tợng cộng hởng của kết cấu

Về lý thuyết thì chỉ có một trị số vận tốc gió gây ra tần số dao động lantoả của xoáy khí trùng với tần số dao động riêng của kết cấu gọi là vận tốc giócực hạn Tuy nhiên các nghiên cứu thực nghiệm cho thấy rằng khi vận tốc gió

đạt tới dải vận tốc trớc và ngay sau vận tốc cực hạn, kết cấu dao động với tần sốcủa xoáy khí đồng nhất với tần số dao động riêng của kết cấu Hiện tợng nàygọi là hiện tợng “khoá” tần số Trong vùng “ khoá” tần số, ở giải vận tốc giónhất định sẽ xảy ra hiện tợng cộng hởng làm tăng biên độ dao động của côngtrình Tuy nhiên do ảnh hởng của lực cản nên dao động sẽ tắt dần nên dao động

do ảnh hởng lan tỏa của xoáy khí còn gọi là dao động có biên độ giới hạn.Hiện tợng cộng hởng xoáy khí

(Vortex-Shedding) thờng xảy ra

với dải vận tốc gió thấp nên thờng

không gây phá hoại cho kết cấu

nhng lại gây ra hiện tợng mỏi và

đặc biệt là gây hiệu ứng tâm lý với

ngời khi qua cầu do mức độ dao

động mạnh của kết cấu ở miền

cộng hởng

Hình 3-17: Vùng “khóa” tần số

d- Mất ổn định khí động dạng dao động tiến triển nhanh (Galloping)

Đối với kết cấu và cấu kiện có hình dạng không tròn, có mặt cắt tơng tựhình chữ nhật với tỷ lệ cạnh dài trọng phạm vi nhất định, do hiệu ứng xác suất

âm của đờng cong lực nâng, các kết cấu có biên độ dao động nhỏ có thể liên tụchấp thụ năng lợng gió Khi đạt tới tốc độ gió tới hạn, năng lợng hấp thụ vào kếtcấu sẽ lớn hơn năng lợng do bộ giảm chấn kết cấu đã tiêu hao, sẽ hình thànhmột loại dao động riêng uốn theo phơng ngang vuông góc với phơng tác độngcủa gió

+ Hiện tợng Galloping theo phơng ngang hớng gió.

Hiện tợng này xảy ra với kết cấu thanh mảnh có dạng mặt cắt đặc biệt

nh hình chữ nhật, chữ H, chữa D Trong một số điều kiện nhất định, kết cấu này

có thể dao động với biên độ lớn theo phơng vuông góc với hớng gió tới Điều

đáng lu ý là dao động của kết cấu ở hiện tơng Galloping có tần số thấp hơnnhiều so với tần số dao động ở hiện tợng Vortex-Shedding

+ Hiện tợng Galloping do tách dòng Hiện tợng Galloping do tách dòng

xảy ra đối với các kết cấu cuối gió so với một kết cấu khác Nguyên nhân là dodòng không khí bị nhiễu loạn sau khi đi qua vật cản phía trớc Đối với cầu dâyvăng, hiện tợng này thờng xảy ra với các dây văng ở cuối gió, đặc biệt là trờnghợp các cầu đợc xây dựng phân kỳ thành 2 cầu song song nhau

Hình 3-18: Mô tả hiện tợng tách dòng do vật thể phía trớc gió

Khi xảy ra hiện tợng Galloping, kết cấu ở vị trí cuối gió dao động với tần

số nhỏ hơn tần số do hiện tợng Vortex-Shedding của chính nó và so với tần sốdao động của kết cấu đứng phía trớc gió

Nghiên cứu thực nghiệm cho thấy nguyên nhân của hiện tợng này do sựchồng chéo của nhiều trờng khí dạng tia cục bộ theo thời gian bên trong dòngtách Các tia cục bộ này còn gọi là vận tốc dòng cục bộ phát sinh lực kéo hớngvào tâm của dòng tách Khu vực cách tim dòng tách một đoạn bằng 1/2 chiềurộng của dòng tách là vùng mất ổn định Galloping Kết cấu trong vùng này sẽdao động với biên độ tăng dần cho tới khi đạt đến chu kỳ giới hạn Dao độngcủa kết cấu có quỹ đạo elip với trục dài gần nh nằm dọc theo hớng gió nh trênhình 3-19

Hình 3-19: Quỹ đạo chuyển động của vật thể nằm trong

vùng Galloping tách dòng

e- Hiện t ợng xoắn phân kỳ

Kết cấu chịu tác dụng của gió thờng có xu thế chống lại các lực kéo, lựcnâng và lực xoắn Khi vận tốc gió tăng lên, mômen xoắn cũng tăng theo từ đólàm tăng góc xoay quanh trục của kết cấu Mặt khác khi góc xoay thay đổi sẽ

làm tăng diện tích chắn gió và tiếp tục làm gia tăng áp lực lên kết cấu Quátrình này sẽ lặp đi lặp lại nhiều lần thành chu trình tơng ứng với vận tốc gió tớihạn nào đó, tơng ứng với tần số dao động xoắn của kết cấu dẫn đến kết cấu bịphá hoại do xoắn gọi là hiện tợng xoắn phân kỳ Hiện tợng mất ổn định xoắnphân kỳ phụ thuộc chủ yếu vào độ cứng chống xoắn cũng nh các điều kiện đặcthù khác của kết cấu.

Hình 3-20: Mômen và góc xoay trong hiện tợng xoắn phân kỳ

Hiện tợng xoắn phân kỳ gây ra mômen xoắn trên một đơn vị chiều dàidầm có chiều dài B tính theo công thức:

   V2B2CM 

2

1

M (1- 42)trong đó: CM() - hệ số khí động của mômen xoắn do gió

Với các góc xoay  rất nhỏ, mômen xoắn tính theo công thức 1-42 xấp xỉbằng:

M 0

M 2

2

1 d

dC C

B V 2

2 (1- 45)Với k là đacự trng độ cứng chống xoắn của dầm cầu

0 M

0 M

C k

Điều kiện xảy ra mất ổn định biểu diễn dới hệ thức:

k   CM0  0 (1- 48)

Vận tốc gió tới hạn để xảy ra hiện tợng xoắn phân kỳ:

'

0 M 2 c

C B

k 2 V

đứng (dao động uốn) mà còn xuất hiện cả dao động xoắn thậm chí cả dao độngdọc trục Trong điều kiện nhất định tính chất dao động của kết cấu chuyển sangdạng chịu tác động khí động khác, bất lợi hơn đó là hiện tợng mất ổn định khí

ảnh hởng của dao động tự kích thích sinh ra hiện tợng “vẫy” của một số bộphận công trình chẳng hạn nh cánh máy bay

Hiện tợng mất ổn định khí động do cộng hởng đồng thời của nhiều dao

động có nguyên nhân liên quan tới các dao động tự kích thích dẫn tới nguy cơ

phá hoại công trình gọi là hiện tơng flutter Đối với công trình cầu hiện tợng flutter xuất hiện chủ yếu khi có sự cộng hởng giữa các dao động uốn và xoắn.

Đây chính là nguyên nhân dẫn tới sự cố sụp đổ cầu Tacoma năm 1940

Đối với các công trình cầu có nhịp lớn, kết cấu thanh mảnh nh các hệ dànthép, cầu treo hay cầu dây văng vấn đề ổn định khí động thờng là nhân tố quyết

định mức độ an toàn của công trình Thực tế xây dựng đã chứng minh rằngphần lớn các sự cố xảy ra đối với các cầu treo trớc đây đều có nguyên nhân liênquan đến việc không đủ khả năng chịu tác động của gió Trên hình 3-21 mô tả

hiện tợng flutter đối với hệ dầm chính của cầu dây văng với trờng hợp dao động

uốn và dao động xoắn có cùng tần số và lệch pha nhau với độ lệch  /2 Tốc độgió có ảnh hởng trực tiếp tới khả năng xảy ra mất ổn định khí động, khi tốc độgió đạt tới mức độ gần tới tốc độ xảy ra cộng hởng, kích thích dao động và làmtăng biên độ dao động một cách đột ngột gây mất ổn định Tốc độ gió nguyhiểm sẽ có trị số khác nhau phụ thuộc vào cấu tạo của từng công trình cầu cụthể và gọi là vận tốc gió tới hạn (V gh)

Các lực khí đàn hồi tự kích thích của dạng dao động uốn và xoắn tác dụnglên kết cấu dầm đợc mô tả nh sau:

B H K H K 2

1 v B KA B KA

B KH KH

* 4 2 ,

, 2

*

*

* 2

* 1 2

(1- 50)

B V 2

1 u K u C u

c 2

*

1

c

B KA B

KA

B KH KH

* 4 2

* 3 2

* 4 2 k

B A K B A K

B H K H K

Đặc trng tác động của gió đợc biểu diễn bằng đại lợng khí động *

4

H làmtăng độ cứng chống uốn và *

đứng và dao động xoắn cộng hởng ở khoảng tần số n nằm ở khoảng giữa tần sốdao động riêng xoắn n và tần số dao động riêng uốn n. ở khoảng vận tốc giónày, năng lợng dao động truyền vào kết cấu lớn hơn năng lợng hao tán của kếtcấu làm xuất hiện hiện tợng dao động phân kỳ.

Do vậy, vận tốc gió giới hạn ( V gh ) để xảy ra hiện tợng Flutter đợc xác

định từ điều kiện cân bằng giữa năng lợng do dòng khí chuyển vào kết cấu

và năng lợng hao tán do lực cản bản thân kết cấu.

Sự nguy hiểm của dao động Flutter là đáng kể khi tần số dao động riêngcủa góc xoay n chỉ lớn hơn chút ít so với tần số dao động riêng uốn n. Điềucần lu ý thêm là trong quá trình dao động do cộng hởng Flutter, chuyển vịthẳng đứng và góc xoay xảy ra cùng một lúc nhng lệch pha Nguyên nhân của

sự lệch pha này là do sự truyền năng lợng từ dòng khí sang kết cấu Cùng với sựhiển thị trên hình 3-21 và hình 3-22 thể hịên sự lệch pha của hai thành phần dao

động uốn thẳng đứng và dao động xoắn

Hình 3-22: Mô tả sự lệch pha của các thành phần dao động thẳng uốn và xoắn

Điều kiện để xảy ra hiện tợng mất ổn định Flutter là:

2

1 K p A V 2

1 B

V C p B

v

c 2 2

Cần phân biệt hai dạng flutter là fluter cổ điển và flutter giật hay còn gọi

là fluter “nhảy ngựa”

Flutter cổ điển tơng ứng với các dòng khí thổi đều, êm thuận Khi tốc độ

gió yếu, các dao động khí đàn hồi sẽ tắt dần do tác dụng của tác nhân giảmchấn sẵn có trong kết cấu Các tác nhân giảm chấn sẵn có gồm các ma sát trongphụ thuộc vào vật liệu kết cấu và các ma sát ngoài nh lực cản của không khí.Khi tốc độ gió (đều, êm thuận) tăng cao đến một mức độ nào đó thì mà khả

năng giảm chấn của kết cấu hoặc bộ phận nào đó của kết cấu trở nên bằngkhông ở thời điểm này kết cấu không còn khả năng kháng chấn mà dao độnghoàn toàn theo đặc trng dao động của tác nhân kích thích Trạng thái cộng hởngxảy ra, biên độ dao động tăng lên rất nhanh xảy ra trạng thái mất ổn định khí

động

Đối với kết cấu trạng thái nêu trên tơng ứng với tác động của dao độnguốn-xoắn kết hợp Vận tốc gió tơng ứng để có thể xảy ra hiện tợng gọi là vậntốc gió tới hạn (V gh )

Các nghiên cứu đầy đủ hơn cho thấy trên thực tế gần nh không chỉ có cácdòng khí thổi êm thuận dù có tốc độ thổi cao Các luồng khí thổi trên thực tế th-ờng là các luồng “gió giật” có tốc độ thổi thay đổi theo từng ”cơn gió”

Tác động của các cơn “gió giật” tạo ra các xoáy khí hỗn loạn Khi tần sốdao động do các xoáy khí tạo ra trùng với tần số riêng của kết cấu sẽ nhanhchóng tiệm cận trạng thái cộng hởng dẫn đến hiện tợng mất ổn định khí động-hiện tơng flutter giật

Điều cần lu ý là hiện tợng fluter giật có thể xảy ra ở trạng thái vận tốc giókhông quá lớn vì vậy trong tác động tổng thể có thể không gây phá hoại côngtrình nhng đẩy nhanh tốc độ phá hoại mỏi

Cũng dễ dàng thấy đợc bản chất phức tạp và khó khăn trong việc nghiên

cứu đầy đủ về trạng thái flutter đặc biệt là flutter giật

3-4-3 Khái niệm về tác động do gió và m a kết hợp đối với cầu dây văng.

Có thể có tác động gió mà không có ma nhng tác động gây dao động của

ma luôn bao gồm sự kết hợp với các tác động gió

Các cơn ma có lu lợng lớn bao giờ cũng chia thành từng “đợt” với cờng độkhác nhau tạo thành tác động lực thay đổi theo thời gian gây ra dao động

Đối với tổng thể kết cấu, do cấu tạo đủ để chịu tải trọng khai thác nên tác

động do bản thân ma không lớn Tuy nhiên tác động ma kết hợp với hiện tợnglốc lớn có thể gây nguy hiểm cho công trình

Một ảnh hởng nguy hiểm khác của ma là tác động vào các bộ phận riêngcủa kết cấu ví dụ nh cáp cầu treo hay các dây văng làm tăng tĩnh tải, tăng biên

độ dao động và đẩy nhanh tốc độ phá hoại mỏi

3-4-3-1 Dao động cáp dây văng do tác động gió.

a Cộng hởng xoáy khí của dây văng

Nguyên lý chung khi có luồng không khí đi qua tuyến hình trụ của dâycáp sẽ làm phát sinh các xoáy khí Tần số do xoáy khí tạo ra tác động lên dâyvăng xác định bằng công thức quen thuộc (3-54)

H

v S

f t

 (1-54)

Số Strouhal của mặt cắt tròn dây cáp bằng 0.2, tần số xoáy khí của nóbiến đổi tuyến tính theo tốc độ gió Khi tần số xoáy khí và tần số dao độngngang một bậc nào đó của dây văng bằng nhau thì phát sinh cộng hởng xoáykhí, phát sinh dao động với biên độ lớn, tốc độ gió lúc này là tốc độ gió tới hạn.

Do tần số dao động của dây văng phản tác dụng lại dao động xoáy khí,trong một phạm vi tốc độ gió nhất định gần với tốc độ gió tới hạn thì tần sốxoáy khí bị tần số dây văng"giữ lại ", làm cho phạm vi tốc độ gió gây cộng h-ởng xoáy khí rộng thêm Cộng hởng xoáy khí quan sát đợc phần lớn là loại hìnhdao động bậc 4 hoặc bậc 5

Do các trị số của lực kéo, đờng kính, chiều dài của mỗi sợi cáp khônggiống nhau nên tần số dao động của chúng cũng khác nhau

b Dao động của cáp dây văng do gió quẩn (dao động vùng đuôi)

Bản chất vật lý là các xoáy khí sẽ gây dao động rung mạnh cho các dâycáp phía sau nó gọi là hiện tợng dao động do gió quẩn Trong cầu dây văng cócáp xếp thành dãy, cáp sau nằm vào khu vực đuôi dãy trớc, nếu lại nằm chínhvào khu vực dao động không ổn định, thì dãy cáp sau (phía khuất gió) phát sinhdao động lớn hơn dãy trớc (phía hứng gió) Đó là loại dao động khu vực đuôi.Khoảng cách giữa các cáp dây văng là tham số quan trọng nhất ảnh hởngtới dao động này Khi khoảng cách tim giữa hai cáp dây văng kề nhau gấp 4 lần

đờng kính của cáp thì dao động do gió quẩn của cáp sẽ nhỏ, khi khoảng cáchnày lớn hơn 5 lần đờng kính cáp thì không quan sát đợc dao động do gió quẩn

c Dao động cáp dây văng do gió xoáy sau tháp cầu tác động lên cáp.

Khi gió đi qua tháp theo hớng dọc cầu, đi qua tháp cầu sẽ tạo thành xoáykhí sau tháp tác động lên các dây văng ở khu vực đó Khi tần số phù hợp với tần

số dao động riêng tơng ứng với dạng dao động nào đó của cáp sẽ gây rung độnglớn vì khả năng kháng chấn của cáp dây văng thờng nhỏ

Để phân biệt ảnh hởng dao động do gió sau tháp tới cáp dây văng phải chú

ý tới hớng dao động của nó Dao động của cáp trong trờng hợp này phải là dao

động theo phơng ngang cầu Chỉ tiêu thứ 2 để phân biệt chính là tần số dao

động của cáp nếu tơng ứng với tần số hình thành xoáy khí sau tháp do thínghiệm thổi gió lên mô hình tháp thu đợc

3-4-3-2 Dao động cáp dây văng do tác động của ma và gió.

Khi ma, dòng nớc ma chảy theo dây dây văngcủa cầu dây văng, làm thay

đổi hình dạng ban đầu của mặt cắt, từ hình tròn thành hình tam giác giống nhcáp điện bị đóng băng Với tốc độ gió tới hạn nhất định, dây cáp sẽ xuất hiệndao động

Dao động do gió và ma kết hợp là dao động khí động bất ổn định do gió

và ma cùng tác động lên lớp vỏ HDPE bảo vệ cáp dây văng

Kết quả thí nghiệm trong các ống thổi gió cho thấy:

+ Khi có gió kết hợp với ma, tần số dao động rung của cáp nhỏ hơn so vớidao động chỉ các tác động gió tạo ra các xoáy khí nhng biên độ rung lại tănglên rất nhiều

+ Cơ chế dao động của gió, ma kết hợp là nớc ma tác động lên bề mặt cápphía đón gió và phía biên dới của cáp hình thành dòng nớc, mặt cắt tròn của cáplúc này thay đổi do sự tồn tại của dòng nớc làm cho hình thành mặt cắt bất ổn

định khí động

+ Các điều kiện bất lợi đối với dao động cáp do gió và ma kết hợp là: cáptrơn nhẵn, góc nghiêng tạo bởi cáp và mặt phẳng ngang 200-450, góc nghiêngcủa cáp với mặt phẳng thẳng đứng 200-400, hớng gió theo hớng cáp nghiêngxuống, tần số dao đông tơng ứng cấp 1 trong khoảng (0,4 - 3) Hz, vận tốc giótrung bình 8-15m/s, ma nhỏ hoặc ma vừa, bề mặt cáp dễ bị thấm nớc

Các nghiên cứu gần đây của Nhật Bản, Trung Quốc cho thấy biện pháphiệu quả để giảm dao động do gió và ma kết hợp là thay đổi độ nhẵn bề mặt của

vỏ HDPE của cáp nh đã giới thiệu trên hình 1-31

3.4.3.3 Cộng hởng tham số của dây văng

Khi dầm chủ của cầu dây văng chịu các loại kích thích bên ngoài, mặt cầuphát sinh dao động với tần số uốn chính sẽ làm cho dây cáp nối đoạn sau vớimặt cầu cũng dao động dọc với cùng tần số Khi tần số dao động mặt cầu và tần

số dao động ngang của cáp thoả mãn điều kiện là bội số của nhau thì sinh racộng hởng tham số của cáp kéo Đối với dây văng dài, dao động nhỏ của mặtcầu sẽ gây ra dao động ngang có biên độ lớn của cáp kéo

3-5 phơng pháp nghiên cứu ảnh hởng của tác động gió đối với công trình cầu.

3.5.1 KháI quát về tình hình nghiên cứu các hiện tợng khí động đối với kết cấu cầu

ảnh hởng của tác động gió đối với công trình cầu, nhất là đối với các kếtcấu hệ treo đã đợc quan tâm từ lâu đặc biệt là sau sự cố nổi tiếng của cầu treoqua vịnh Tacoma ở Mỹ năm 1940 Đến nay đã có nhiều công trình nghiên cứu

có giá trị về lĩnh vực này đợc công bố, tuy nhiên về mặt lý thuyết vẫn cha cóphơng pháp tính chính xác và thực sự đầy đủ các ảnh hởng của tác động gió đốivới các công trình cầu đặc biệt là cầu treo và cầu dây văng Nguyên nhân là dobài toán dao động công trình trong lĩnh vực này đòi hỏi phải giải những phơngtrình dao động phi tuyến phức tạp trong đó có những tham số phụ thuộc đặc

điểm cấu tạo hay đặc

trng tác động khó xác định

đ-ợc của các luồng gió xoáy.

Hớng nghiên cứu bổ trợ có

hiệu quả hơn là nghiên cứu thực

nghiệm qua các thí nghiệm

thổi gió lên mô hình cầu trong

Việc nghiên cứu ảnh hởng của tác động gió đối với công trình cầu có liênquan mật thiết với lý thuyết tính toán “ khí động học” đã đợc nghiên cứu nhiều

và có kết quả tốt trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy bay hay các thiết bị nghiêncứu vũ trụ hoặc tơng tự nh các nghiên cứu “thủy động học” của nghành chếtạo tàu biển [20], [81], [82]

Ví dụ, hiện tợng flutter đã đợc K.Ph.Theodorsen phát hiện và nghiên cứu

đầu tiên trong việc chế tạo cánh máy bay Từ những năm 1950 Bleich vàRocard đã áp dụng để nghiên cứu đối với các công trình cầu, đặc biệt là đối vớicác cầu treo và cầu dây văng Các thế hệ nghiên cứu nối tiếp sau đó, trong đó

có Kloppel đã bổ sung và phát triển bằng việc đa vào các hệ số thực nghiệmnhằm mục đích đạt đợc các kết quả tính toán phù hợp thực tế hơn

Kết quả nghiên cứu của các lĩnh vực khoa học liên quan chính là cơ sở đểcác chuyên gia xây dựng cầu phân tích các hiệu ứng đặc trng do tác động gió

đối với các công trình cầu

Vận tốc tới hạn của gió, tơng ứng với tần số và dạng dao động khác nhau

có thể xảy ra hiện tợng cộng hởng nguy hiểm, đợc rút ra từ thí nghiệm tácdụng của các luồng gió thổi với tốc độ và hớng tác dụng khác nhau lên mô hìnhnghiên cứu

Giải pháp này cho phép lựa chọn các đặc trng hình học và độ cứng phùhợp của kết cấu nhằm loại trừ khả năng xuất hiện các dao động nguy hiểm docác luồng gió tơng ứng với các hớng chuyển động và cờng độ dự kiến

Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và kết quả nghiên cứu thựcnghiệm, cùng với kinh nghiệm đúc kết đợc qua thực tiễn thiết kế, xây dựng vàkhai thác các công trình cầu ngời ta đã tìm ra đợc những chỉ tiêu về cấu tạo kếtcấu nhằm đảm bảo an toàn cho công trình dới các tác động của gió Các chỉtiêu này thờng có khuynh hớng: nâng cao độ cứng chống xoắn của kết cấu, sửdụng dạng dầm cứng có mặt cắt ngang hình hộp; tăng cờng độ cứng của hệbằng các dàn dây nằm trong mặt phẳng nghiêng; đặc biệt là chú trọng việc ápdụng các dầm cứng có mặt cắt ngang dạng thoát gió hoặc làm tăng chiều rộngcầu

Cần đặc biệt lu ý rằng tính chất tác động của gió lên công trình có tính

t-ơng hỗ tác động qua lại giữa đặc điểm của địa hình và cấu tạo của công trình(kết cấu chắn gió) Vì vậy các nghiên cứu về gió đối với công trình cần đợc tiếnhành theo các trình tự sau đây:

a- Nghiên cứu lựa chọn hình dạng, cấu tạo của kết cấu phù hợp với khảnăng chịu tác động gió Các nghiên cứu này chủ yếu dựa vào các kết quảnghiên cứu thổi gió trong các phòng thí nghiệm cho các phân đoạn của kết cấu(hình 3-24 và 3-25) Kết quả của giai đoạn này cho phép xác định mức độ ảnhhởng và tính chất tác động của gió đối với mỗi loại mặt cắt và cấu tạo của các

bộ phận kết cấu

b- Nghiên cứu mô hình tổng hợp với việc xây dựng các mô hình kết cấucông trình trên cơ sở thu nhỏ các mô hình thực tế Mục tiêu khảo sát hiệu ứng