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 : Phân tích ảnh hởng tác dụng động lực gió công trình cầu 3-1 Các đặc điểm gió tự nhiên 3-1-1.Giới thiệu chung Đặc điểm bật gió tự nhiên có tính nhiễu loạn Nguyên nhân nhiễu loạn ma sát luồng không khí qua bề mặt tiếp xúc Dòng không khí nhiễu loạn thay đổi phức tạp mang nhiều yếu tố ngẫu nhiên không gian lẫn thời gian Đặc trng quan träng nhÊt cđa giã lµ vËn tèc giã VËn tốc gió tức thời điểm mặt đất tổng hợp gồm thành phần vận tốc gió thành phần vận tốc gió biến đổi nhiễu loạn luồng không khí (thành phần xung) Trong tính toán công trình thờng dùng giá trị trung bình danh định tốc độ gió Theo định nghĩa xét thời gian đủ dài (thông thờng 10 sec) coi thành phần xung không chuyển động dòng gió đợc coi êm (gió bình quân) Sự khác tốc độ trung bình tốc độ thực tế thành phần xung tốc độ, gây tợng động học công trình Hầu hết nớc có nghiên cứu khảo sát khí tợng vẽ đợc đồ tốc độ gió khắp lãnh thổ cao độ 10m so với mặt đất Bản đồ gió theo lãnh thổ Việt Nam đợc Tổng cục khí tợng thuỷ văn cung cấp Nói chung, tốc độ gió tăng từ giá trị cao độ sát mặt đất trị số cực đại chiều cao chừng 500-1000 m so với mặt đất Bề mặt gồ ghề địa hình cản trở di chuyển dòng gió Hiệu ứng giảm 86 dần theo chiều cao đến độ cao coi nh không ảnh hởng Độ cao gọi lớp biên khí tự Phần khí bên lớp biên gọi khí tự Độ cao lớp biên gọi độ cao gradient tốc độ gió độ cao gọi tốc độ gradient Tốc độ không thay đổi theo độ cao Trên hình 3-1 vẽ biểu đồ biến đổi tốc độ gió theo độ cao so với mặt đất Còn hình 3-2 mô tả biểu đồ tốc độ gió địa hình khác (ví dụ, thành phố, vùng nông thôn, vùng bờ biển) khoảng không cách mặt đất 500 - 1000m, tốc độ gió hầu nh không chịu ảnh hởng điều kiện địa hình mặt đất Trong phạm vi dới 500m tầng khí tốc độ gió chịu ảnh hởng nhiều nhân tố nh vị trí địa lý, điều kiện địa hình, độ gồ ghề mặt đất, độ cao, nhiệt độ v.v không ngừng biến đổi theo không gian, thời gian, xung quanh tốc độ gió bình quân so với mặt phẳng nằm ngang (góc tác dụng hay gọi góc cong), cờng độ gió động, thành phần, chu kỳ, tơng quan không gian v.v Hình 3-1: BiĨu ®å biÕn ®ỉi tèc ®é giã theo ®é cao so với mặt đất - Biểu đồ vận tốc gió có xét tới thành phần biÕn 87 BiĨu ®å vËn tèc gió đổi Hình 3-2: Các biểu đồ tốc độ gió địa hình khác Có thể biểu thị thành phần tốc độ gió theo hớng gió thổi vị trí có cao độ z so với mặt đất hệ tọa độ Đềcác gồm trục, trục thẳng đứng (z), trục nằm ngang theo hớng gió thổi (x) trục nằm ngang vuông góc với híng giã thỉi (y) theo hƯ thøc sau: Theo ph¬ng gió thổi: V(z) + v(x,y, z,t) (1-1) Theo phơng vuông gãc víi ph¬ng giã thỉi: u(x, y, z, t) (1-2) Theo phơng thẳng đứng: w(x, y, z, t) (1-3) đó: V(z)- thành phần vận tốc gió cao độ (z) v, u, w - thành phần biến đổi nhiễu loạn (thành phần xung) 88 3.1.2 Tốc độ gió Do gió tự nhiên gần mặt đất, chịu ảnh hởng lớn địa hình độ gồ ghề mặt đất, nên phải vào số liệu quan trắc đợc tốc độ gió vị trí cầu mà suy đoán xác định tốc độ gió Tuy nhiên, đại đa số trờng hợp địa điểm xây dựng cầu không đủ số liệu quan trắc tốc độ gió, nên tìm cách trực tiếp tốc độ gió thiết kế cho cầu; lúc cần thông qua tài liệu tốc độ gió gián tiếp để xác định đợc tốc độ gió thiết kế Một loại tài liệu dễ dàng tìm đợc tài liệu tốc độ gió Trạm khí tợng thuộc địa phơng xây dựng cầu Ví dụ nh Tiêu chuẩn quan trắc tốc độ gió quy định ngành khí tợng Việt nam Trung Quốc tốc độ gió bình quân 10 phút cao độ 10 m cách mặt đất khu vực phẳng thoáng đãng Theo quy định "Quy phạm thông dụng thiết kế cầu cống đờng trung Quốc "(JTJ 02189), áp lực gió tính kỳ hạn tái xuất 100 năm; Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam 22TCN 272-05 quy định nh Do lấy tốc độ gió tốc độ gió tối đa trung bình 10 phút kỳ hạn tái xuất 100 năm cao độ 10m cách mặt đất phẳng thoáng đãng Qua thấy tốc độ gió tốc độ gió vị trí xây dựng công trình cầu mà tốc độ gió vùng địa mạo có tính đại diện (tức mặt đất phẳng thoáng đãng) vùng tơng đối rộng thuộc phạm quản lý Trạm khí tợng địa phơng xây dựng cầu Chỉ vị trí xây dựng cầu nằm vùng phẳng thoáng đãng tốc độ gió đại diện cho tốc độ gió vị trí xây dựng cầu cầu Căn vào tài liệu tham khảo Trung quốc Nhật bản, thấy tốc độ gió tối đa hàng năm theo phân bố loại 89 hình cực trị I, nên hớng dẫn tính toán tác động gió cho cầu đề nghị lấy phân bố loại hình cực trị I làm phơng pháp tính tốc độ gió tối đa hàng năm chu kỳ tái 100 năm 3-1.2.1 Phơng pháp xác định tốc độ gió 3.1.2.1.1 Trờng hợp Trạm khí tợng địa phơng xây dựng cầu có đầy đủ số liệu quan trắc tốc độ gió thông thờng giả thiết tuân theo phân bố dạng I tốc độ gió tối đa năm, từ tốc độ gió tối đa bình quân năm 10 năm suy trị số xác suất kỳ vọng toán học tần suất xuất 1% để làm tốc độ gió 3.1.2.1.2 Trờng hợp địa phơng xây dựng cầu thiếu số liệu quan trắc tốc độ gió dùng đồ phân bố áp lực gió bản; trị số cđa ViƯt nam cã thĨ lÊy tõ Tiªu chn 22TCN 272-05 lấy áp lực gió khu vực xây dựng cầu tính đổi tốc độ gió bản: V10= 0, 836.V20 (1-4) V20= 1,6.W0 (1-5) đó: W0: áp lực gió khu vực xây dựng cầu, rút từ đồ phân bố áp lực gió trị số Việt nam lấy từ Tiêu chuẩn 22TCN 272-05) V20: Tốc độ gió độ cao 20m (đơn vị m/s) V10: Tốc độ gió độ cao 10m (đơn vị m/s) 3.1.2.1.3 Đối với cầu quan trọng nằm quy hoạch thời kỳ bắt đầu quy hoạch, cần xây dựng Trạm quan trắc tốc ®é giã ®Ĩ cã c¸c sè liƯu tèc ®é giã, xác 3.1.2.1.4 Tính toán vận tốc gió hàm Logarit 90 theo qui luật Theo phơng pháp này, vận tốc gió đợc xác định từ đặc trng thân dòng khí, đặc trng địa hình tơng tác qua lại dòng khí địa hình mà thổi qua gần bề mặt địa hình biến thiên vận tốc gió theo chiều cao dV(z)/dz phụ thuộc vào , độ cao z Biểu thị tốc độ gió theo quan hệ toán học dạng hàm Logarit đợc tác giả Liu đề từ năm 1991: z V z vm ln k z0 (1-6) ®ã: vm - tốc độ cắt trợt tốc độ ma sát vm = / (1-7) víi = cêng ®é giã mặt đất = mật độ không khí Với gió đặc biệt, tốc độ ma sát nằm kho¶ng tõ 1-2m/s k = h»ng sè Karman, lÊy gần 0,4 dựa thí nghiệm hầm gió khí z - chiều cao từ bề mặt địa hình đến điểm tính gió z0 - độ cao nhám bề mặt Giá trị z0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt địa hình Các vật thể tạo nhám bề mặt địa hình tạo nên xoáy khí lực ma sát ngăn cản dịch chuyển dòng khí làm tăng mức độ nhiễu loạn luồng khí Những bề mặt địa hình có vật thể thoát gió tốt gây nhám nh bề mặt đồi trọc thoải dài không coi vật tạo nhám Nếu số vật nhám phân bố đặn bề mặt địa hình, độ cao nhám bề mặt z0 tính toán theo công thức kinh nghiệm 91 sau đây: z 0,5.h Ar At (1-8) đây: h- chiều cao vật thể tạo nhám nh nhà cửa, công trình kiến trúc Ar - diện chắn gió vật tạo nhám At - diện tích mặt vật tạo nhám Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode sử dụng phơng pháp tính vận tốc gió phơng pháp sử dụng hàm logarit chiều cao tới 200m đồng thời chia địa hình thành loại xác định tham số k z0 theo bảng 3-1 sau Bảng 3-1: Phân loại địa hình hệ số k, z0 theo EuroCode Phân loại Loại bề mặt k z0 độ nhám (m) bề mặt I Trên mặt biển, bê biĨn, hå Ýt nhÊt 5km b»ng ph¼ng tríc giã, vùng nông thôn chớng ngại vật 0.17 0.01 0,19 0,05 III Vùng ngoại ô, khu công nghiệp 0,22 vùng rừng lâu năm 0,30 IV Vùng đô thị cã Ýt nhÊt 15% diƯn tÝch bỊ mỈt bao phđ nhà cửa có độ cao lớn 15m 1,00 II Vùng trang trại có bờ rào, có công trình nông nghiệp nhỏ, nhà cửa, cối 0,24 3.1.2.1.5 Tính toán vận tốc gió theo qui luật hàm số mũ Một số Tiêu chuẩn gió giả thiết tốc độ gió khí quyển, phân bố theo chiều cao thẳng đứng, theo quy luật hàm số mũ tức lµ: 92 VZ Z V10 10 (1- 9) Trong ®ã: Vz : tèc ®é giã ë ®é cao z (m/s) V10 : tèc ®é giã ë ®é cao 10m (m/s) : chØ số mũ, đại lợng không thứ nguyên, có xét tới độ gồ ghề mặt đất, Theo Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 lấy theo bảng 3-2 Bảng 3-2: Phân loại độ gồ ghề mặt đất theo Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 Phân loại độ gồ ghề bề mặt đất I Tình trạng bề mặt đất Trên mặt biển, bờ biển 0,12 Trên ruộng vờn, đất bằng phẳng II trống trải; khu vực có cối, khối kiến 0,16 trúc thÊp, tha thít v.v Khu vùc nhiỊu c©y cèi, khối kiến trúc thấp tầng dày đặc; khu vực có khối kiên trúc III 0,22 cao tầng, trung tầng tha thớt; khu vực đồi gò thoải Khu vực tập trung nhà cao tầng, trung IV 0,30 tầng; khu vực đồi núi trập trùng Nói chung "quy luật Logarit " đợc nhà khí tợng học coi phạm vi vùng khí thấp, "quy luật luỹ thừa" không đợc dùng ngành khí tợng học Tuy nhiên, để đơn giản tính áp lực gió nên dùng công thức theo quy luật luỹ thừa theo Tiêu chuẩn tính toán công trình xây dựng nhiều nớc 93 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 theo chiều cao có đặc điểm sau: chiều cao 100m, theo quy luật hàm số mũ, dới 100 m theo quy luật lôgarit Giữa tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế tốc độ gió 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 độ gồ ghề mặt đất khác (xem bảng 1.3) Trong địa hình loại II loại địa hình tiêu chuẩn qui định định nghĩa gió Theo Tiªu chuÈn TCVN 2737-1995 Vd- vËn tèc giã thiÕt kÕ (ở cao độ z) Vz- vận tốc gió cao độ z Khi dùng công thức (1-10) để tính tốc độ gió chuẩn thiết kế Vd , chiều cao z bảng 1-3, nguyên tắc, lấy mặt biển, mặt nớc mặt đất làm mặt chuẩn (đối với sông ngòi mặt chuẩn mặt nớc có mực nớc trung bình mực nớc mà nửa năm không dới mức đó; mặt biển lấy mặt biển trung bình lấy vị trí thuỷ triều trung bình làm mặt chuẩn) Đối với dầm chủ, cao độ z cự ly từ mặt cầu độ đến mặt chuẩn ; trụ cầu cao độ z khảng cách từ 0.65 chiều cao trụ đến mặt chuẩn Trong bảng 3-3, độ gồ ghề mặt đất từ loại I III theo "Tập san thiết kế cầu đờng".của Trung Quốc Độ gồ ghề mặt đất loại IV xem xét theo "Xây dựng công trình dân dụng" Trung Quốc 94 Bảng 3-3: Hệ số hiệu chỉnh K1 Phân loại độ gồ ghề mặt ®Êt Cao ®é (m) < z 5 < z 10 10 < z 15 15 < z 20 20 < z 25 25 < z 30 30 < z 35 35 < z 40 40 < z 45 45 < z 50 50 < z 60 60 < z 70 70 < z 80 80 < z 90 90 < z 100 100 < z 110 110 < z 120 120 < z 130 130 < z 140 140 < z 150 150 < z 160 160 < z 170 170 < z 180 180 < z 190 190 < z 200 I II 1, 11 1, 46 1, 24 1, 29 1, 33 1, 36 1, 39 1, 41 1, 43 1, 45 1, 47 1, 50 1,53 1, 55 1, 57 1, 59 1, 61 1, 62 1, 64 1, 65 1, 67 1, 68 1, 69 1, 70 1, 71 1, 00 1.00 1.04 1, 09 1, 14 1, 18 1, 21 1, 24 1, 26 1, 28 1, 31 1, 35 1, 38 1, 41 1, 43 1, 46 1, 48 1, 50 1, 52 1, 53 1, 55 1, 57 1, 58 1, 60 1, 61 III 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 83 83 83 85 90 94 98 01 04 07 11 15 18 22 25 27 30 32 35 37 39 41 43 44 46 IV 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 75 75 75 75 75 75 77 80 83 86 90 94 98 02 06 09 12 14 17 20 22 24 26 29 31 §èi víi kết cấu không cao so với mặt đất có 95 Việc tính toán đợc thực nhờ chơng trình máy tính chuyên dụng Căn vào giá trị riêng i (i=1, 2, n) véc tơ V tơng ứng với dạng dao động riêng kết cấu, ta tính đợc tần số riêng fui (i=1, 2, n) dạng dao động Mô hình toán đơn giản cách đa toán dao động dầm mang khối lợng tập trung nhịp (mô hình bậc tự do) Tần số riêng dao động uốn tơng ứng với mô hình bậc tự đợc tính toán theo công thức sau : fu 2 g y max (3-102) : fu - tần số riêng dao động uèn cña kÕt cÊu; g - gia tèc träng trêng, g = 9,81 m/s2; ymax- ®é tÜnh lín nhÊt mặt cắt nhịp Theo nghiên cứu Mathivat tần số tính theo công thức (3-102) sai số chừng 10% so với tần số dao động thực tế dầm [62] Tần số riêng dao động xoắn đợc tính theo công thức sau: fx (3-103) ®ã : B fu , 2r fu - tÇn sè riêng dao động uốn kết cấu; fx - tần số riêng dao động xoắn kết cấu; r - b¸n kÝnh qu¸n tÝnh cđa tiÕt diƯn; B - chiều rộng cầu 177 Đối với cầu dây văng sử dụng dầm cứng có mặt cắt ngang hình hộp, tần số riêng dao động xoắn phụ thuộc vào độ cứng chống xoắn thể qua công thức: fx GJ t L Jp (3-104) 3-6-2-2-3-5 C¸c yêu cầu thiết kế tần số dao động riêng kết cấu Trong toán thiết kế cần tính toán tần số dao động riêng: - Dao động riêng uốn theo phơng thẳng đứng - Dao động riêng uốn theo phơng ngang - Dao động riêng xoắn - Dao động dọc trục Nguyên lý chung phải thay đổi cấu tạo cho đảm bảo tần số dao động nêu không trùng bội số để tránh cộng hởng Đặc biệt lu ý đến kết cấu nhịp hệ dây dễ xảy ổn định khí động liên quan đến hiƯu øng tù kÝch thÝch, chØ cÇn trïng mét tần số trạng thái ổn định diễn nhanh yêu cầu không thỏa mãn Theo kết nghiên cứu Mathivat tỷ số fu fx cần chênh lệch 2,5 lần nhằm tránh tác dụng cộng hởng [22], [62] 3-6-2-2-4 Kiểm tra tốc độ giới hạn lý thuyết tợng flutter Trái với tợng cộng hởng, lực đợc cung cấp lợng trờng hợp flutter chuyển động kết cấu Sự ổn định thờng đợc biểu thị trớc tợng flutter (sự tròng trành dòng gió) Bắt đầu từ tốc độ gió định (gọi tốc độ gió giới hạn V gh) kết 178 cấu nhịp nhận thêm phần lợng mà triệt tiêu khả tự giảm chấn Khi xảy chuyển động uốn xoắn kết hợp lực khí động với biên độ tăng nhanh đột ngột phá huỷ kết cấu Để đảm bảo cho kết cấu không bị phá hoại tợng flutter cần dùng khái niệm tốc độ giới hạn gió (Vgh) Tốc độ giới hạn phụ thuộc vào tỷ số tần số dao động riêng uốn với xoắn kết cấu Trị số vận tốc gió tới hạn (Vgh) đợc xác định ứng với công trình cầu cụ thể qui định cấu tạo chúng với đặc trng tần số dao động riêng Về mặt lý thuyết, vận tốc gió tới hạn đợc xác định vào biểu đồ hình 3- 51 tuỳ thuộc vào tỷ số tần số riêng xoắn tần số riêng uốn, nh tuỳ thuộc khối lợng bề rộng b kết cấu nhịp cầu Công thức xét cho trờng hợp lý thuyết chung Trên thực tế cần phải hiệu chỉnh kết tính toán lý thuyết theo kết thu đợc từ thực nghiệm Hầm gió Bằng phơng pháp nửa giải tích, nửa thực nghiệm, Kloppel (1967) kết hợp tính toán tốc độ tới h¹n nhê lý thut cđa Theodorsen víi sù hiƯu chØnh nhờ hệ số triết giảm xét đến hình dạng kết cấu nhịp (đây hệ số điều chỉnh đợc xác định từ mô hình thí nghiệm thổi gió) Hệ số điều chỉnh lấytheo công thức: Vgh, tt = V gh, lt (3-105) Trong ®ã: Vgh,lt - tốc độ giới hạn lý thuyết gió xét ảnh hởng flutter Vgh,tt - tốc độ giới hạn thùc tÕ cđa giã xÐt ¶nh hëng 179 flutter - hệ số điều chỉnh đợc xác định từ mô hình thí nghiệm thổi gió phụ thuộc hình dạng mặt cắt đợc rút từ thí nghiệm đợc thể nh hình 3-52 Hệ sè cã thÓ lÊy nh sau: = 0,8 víi tiÕt diƯn tho¸t giã tèt; = 0,1 víi dầm đặc, tiết diện hở Điều kiện đảm bảo an toàn tốc độ giới hạn gió tìm ®ỵc xÐt ®Õn hiƯn tỵng flutter ( Vgh,tt ) cần phải lớn tốc độ lớn gió xảy khu vực xây dựng cầu Cần phải thiết kế cho tốc độ gió giới hạn cầu dây văng cao mäi tèc ®é giã thùc tÕ cã thĨ xt hiƯn vị trí cầu trình khai thác cầu, ví dụ 100 năm, (tơng ứng với mức độ an toàn định trớc) Với loại cầu dây văng, xu hớng chọn kết cấu nhịp có độ cứng chống xoắn lớn tốt Cách chọn kiểu bố trí cầu có hai mặt phẳng dây thay cho sơ đồ cầu mặt phẳng dây tăng khả chống xoắn cho kết cấu 180 Hình 3- 51: Tốc độ giới hạn lý thuyết tợng flutter b - 1/2 chiỊu réng cÇu; f b - tÇn số riêng dao động uốn; f t - tần số riêng dao động xoắn; m - khối lợng đơn vị dài dầm; - mật độ không khí; - độ giảm logarit; r -bán kính quán tính mặt cắt ngang Hơn cáp xiên hai bên nên đợc bố trí chụm đầu đỉnh cột tháp hình chữ A Ngoài ra, mở rộng mặt cắt ngang cầu hay bố trí cáp neo vào mặt cầu cách tăng khả chống xoắn cho kết cấu cầu Mặt khác, mặt cầu rộng có khả chống dao động gió tốt Cần phải tránh thiết kế cấu tạo cầu có nhịp bề ngang hẹp 181 182 H×nh 3-52: HƯ sè hiƯu chØnh = Vtt / Vlt Giá trị hệ số vào khoảng 0,8 kết cấu nhịp dạng dạng hình hộp mỏng thoát gió, giá trị giảm đến 0,1 mặt cắt dạng hở nh kiểu dầm có sờn Tất dạng mặt cắt ngang gần kết cấu nhịp thực tế hiển nhiên cha đợc thí nghiệm Hầm gió Phơng pháp gần Tuy nhiên cho phép ớc lợng nhanh chóng xem liệu cầu dây có nhạy cảm hay không với tợng flutter (tròng trành dòng gió), điều kiện mà có thông tin 183 dạng hình học cầu, trọng lợng thân cầu, độ cứng kèm theo tính toán tần số dao động riêng uốn tần số dao động riêng xoắn Các tốc độ gió tới hạn vừa tính đợc đem so sánh với tốc độ gió mạnh điều tra đo đạc đợc suốt thời gian 30 năm khu vực xây dựng cầu Ngoài ra, dòng gió cã thĨ t¸c dơng theo híng gãc so víi phơng nằm ngang, điều làm tăng khả ổn định Thực tế góc không vợt trị số 30 - 90 (trị số trung bình độ), điều dẫn đến giảm hệ số tuỳ theo dạng mặt cắt : - Đối với kết cấu nhịp có mặt cắt ngang dạng thoát gió: = / = = 1/ (3-106) - §èi víi kÕt cÊu nhịp hình hộp: = / = = 1/ (3-107) 3-6-2-2-5- Phơng pháp tính toán kết cấu chịu flutter xoắn Bản chất phơng pháp dùng đồng thời nghiệm toán lý thuyết dao động xoắn số biểu thức nhận đợc từ thực nghiệm Đờng lối tăng đáng kể độ xác kết giải Các đặc trng flutter : - Tốc độ tới hạn Vth - Tần số dao động vòng v Bằng thực nghiệm kết hợp với tính toán xác định mối quan hệ tốc độ tới hạn tần số dao động flutter dạng mặt cắt khác Các nhà khoa học Đức nghiên cứu nhiều mô hình với hình dạng khác hầm thí nghiệm khí động xác định đợc tốc độ tới hạn flutter tần số vòng tơng ứng 184 Chiều dài mô hình khoảng 1,22 - 2,00 m, chiÒu réng 0,40 0,46 m; chØ sè logarit tắt dao động xoắn uốn tơng ứng 0,005 0,1010 Trong kết cấu bình thờng, tắt dần dao động đợc định đặc điểm hệ thống, nội ma sát liên kết nội ma sát vật liệu công trình, đặc tính giảm chấn kết cấu Nó đợc đặc trng hệ số phân rã lợng dao động hệ thống kết cÊu k = / Trong ®ã - chØ số logarit dao động Khi dòng khí thổi qua quanh vËt thĨ sÏ xt hiƯn hiƯu øng gi¶m chÊn khí động (a) , gây chuyển động vật thể dòng gió Hệ số tổng cộng phân rã lợng dao động tc = k + a (3-108) Trong trờng hợp mà a lấy giá trị âm xuất kích thích khí động học Còn t c lấy giá trị âm xảy dao động tăng đột ngột Trên sở điều nói nghiên cứu khác nữa, tính toán tham số S = B / v (3-109) mà giá trị mặt cắt dạng hình chữ nhật hẹp tuỳ thuộc vào tỷ số tàn số riêng xoắn x tần số riêng uốn u đợc vẽ hình 3-53; xét hai tình :có kể đến tính giảm chấn (theo thực nghiêm mô hình, nét vẽ II) không kể đến tính giảm chấn (theo lý thuyết, nét vẽ I) 185 Hình 3-53: Giá trị tham sè St tuú theo tû sè x / u Lời giải lý thuyết phơng trình vi phân dao động xoắn nhỏ thành mỏng cho phép xác định tốc độ flutter tới hạn nh hàm số tần số vòng Lấy tích phân gần phơng trình thứ hai hệ (3-109) cho để xác định tốc độ flutter: l l EJ ' '.dz (GJ k Nr )( ' ) dz V2f = 0 .F.r S l 2 B k m dz g B 0 2 (3-110) Trong ®ã ®· xÐt đến quan hệ tần số tốc độ flutter, nghĩa tham số St Đối với cầu dây nhịp cần phải thêm vaò độ cứng chống xoắn tuý GJX thành phần 0,5 Hb2, với H lực đẩy ngang, b khoảng cách treo đo theo chiều rộng mặt cắt ngang Khi ta cho hàm số tiệm cận gần (z) tơng ứng với điều kiện biên xoắn, nhận đợc công thức trờng hợp khác Sau xét vài dạng đặc trng dầm Đối với dầm công-xon dài l tốc độ gió tới hạn : 2GJ K EJ N.r Vf = 2.l.B km GJ K 4.l G.I K 111) r = (JX + JY) / F 186 1/2 (3- (3-112) = + 2m r2 S/ ( km B4) (3-113) ®ã : B - chiều rộng mặt cắt ngang GJk EJ - độ cứng mặt cắt dầm (thanh) chịu xoắn - mật độ không khí , b»ng 0,129 10 -2 T/ m2 N - lùc nén dầm (thanh) km - đạo hàm hệ số mô men khí động ,lấy theo thực nghiệm (đối với mặt cắt dạng phẳng mỏng km 1) JX , JX , F - tơng ứng mô men quán tính diện tích mặt cắt ngang m - khối lợng rải dọc kết cấu nhịp Đối với cầu treo nhịp dài L lực đẩy ngang H tốc độ gió tới hạn b»ng n. 2.G.I K EJ n2 H.b2 N.r Vf = l.B km GJ K 2.G.I k G.I k l2 1/2 (3-114) đó, lực nén N , tác động lên dầm cứng lực đẩy ngang H tuỳ theo cấu tạo cầu Khi H = nhận đợc công thức dầm nhịp gối giản đơn Ví dụ tính toán (theo Phơng pháp tính toán kết cấu chịu flutter xoắn) Dầm có sơ đồ công-xon trình lắp ghép với độ dài phần hẫng L = 200 m rộng b = 40 m Các đặc trng kết cấu nhịp : EJ = GJk = 108 kN.m2 m = 20,4 T/m 187 r = 15 m km = = 0,129.10 -2 T/ m2 k / u = 2,2 S = 0,67 Kh«ng xét đến tính giảm chấn kết cấu Tính toán theo công thức (1-36) đợc kết = 2,33 Vf = 104,5 m/s Tần số flutter f = Vf S / b = 1,75 (đơn vị đo 1/ s) Trị số f nằm khoảng tần số dao động uốn tần số dao động xoắn Tính gần nh sau: f = 0,5 ( k + u) vPk Khi = có tốc độ tới hạn phân kỳ, ë vÝ dơ nµy lµ b»ng = 159,6 m/s NÕu thực tính toán nh nhng có kể đến tính giảm chấn S = 0,2 Kết nhận đợc = 1,118, tốc độ flutter sÏ lµ vf = 150,9 m/s Nh vËy, viƯc xÐt đến tính giảm chấn thân kết cấu nâng cao độ xác xác định tốc độ tới hạn flutter Trị số kết lớn nhiều Từ suy thực hành thiết kế bỏ qua không xét tính giảm chấn thân kết cấu thiên an toàn mà lại đơn giản tính toán Còn thực hành kiểm định cầu cũ cần phải xét tính giảm chấn thân kết cấu để kết xác cao Các công thức nêu chủ yếu dành cho dạng mặt cắt ngang hình chữ nhật hẹp (khi xác định lực khí động) Tuy nhiên áp dụng công thức cho dạng mặt cắt ngang khác, cách đa thêm vào tốc độ tới hạn flutter hệ số hình dạng mặt cắt dựa theo tài liệu thực nghiệm Kloppel (hình 3-54) Phơng pháp tính 188 toán nêu có đủ độ xác đơn giản để sử dụng trình thiết kế sơ Hình 3-54 : Hệ số hình dạng số dạng mặt cắt Tốc độ flutter xoắn tính đợc hệ thống phức tạp hơn, sử dụng phơng pháp số Tơng tự với việc xác định tốc độ phân kỳ trờng hợp cụ thể (công thøc (3-113) cã: Vf = 2.1,min B km.z (3-116) Nh vËy, phơng pháp tính toán độ ổn định khí động - tổng quát đơn giản để sử dụng thực tế thiết kế cầu Một hớng nghiên cứu quan trọng khác tăng cờng khả chống gió tăng cờng khả tự giảm chấn học kết cấu công trình, đặc biệt dạng công trình nhạy cảm với tác động gió VỊ triÕt lý khoa häc cã thĨ thÊy r»ng c¸c biện pháp phân tích mô hình thí nghiệm thổi gió dựa nguyên lý xác suất thống kê để đảm bảo an toàn Tuy nhiên mô hình thí nghiệm khó phản ánh hoàn toàn xác tác động thực tế luồng gió Điều đặc biệt lu ý tính chất tác động có liên quan tới khí mang nhiều tính ngẫu nhiên biến đổi khó lờng 189 Việc tăng cờng khả kháng chấn kết cấu coi giải pháp có tính chủ động Giải pháp có hiệu cấu tạo thiết bị giảm chấn nguyên lý tăng hiệu lực đệm nhớt Trong trình dao động nội ma sát kết cấu tăng lên đóng vai trò nh nhân tố làm tăng trình tắt chấn Hớng dẫn ôn tập phần Câu hỏi: I- Khái quát tác động gió ma công trình cầu Các vấn đề gợi ý chuẩn bị : Khái niệm Hiệu ứng tác động gió công kết cấu cầu - áp lực lên bề mặt chắn gió - Các hiệu ứng khí động gió Khái niệm tác động gió ma cầu dây văng Phơng pháp nghiên cứu ảnh hởng tác động gió kết cấu cầu Các vấn đề nghiên cứu ảnh hởng khí động kết cấu cầu treo cầu dây văng II Nội dung phân tích ảnh hởng tác động gió toán thiết kế công trình cầu Các vấn đề gợi ý chuẩn bị : Khái quát Các nội dung tính toán ảnh hởng tác động gió toán thiết kế cầu - a Tính toán tác động gió công trình cầu cứng theo hớng tĩnh hoá toán động - b Tính toán tác động gió công trình cầu theo mô hình toán khí động 190 191 ... số áp lực gió tơng ứng với vùng Vùng áp lực gió đồ W0 (daN/m2) I II III IV V 65 95 125 155 185 106 Hình 3-7: Bản đồ phân vùng áp lực gió theo TCVN -2737-1995 107 3-4 tác động gió ma công trình. .. hiệu ứng tác động gió công trình cầu 3-4-2-1 áp lực gió lên bề mặt chắn gió Tuỳ theo địa hình khu vực xây dựng cầu, tác dụng luồng gió lên công trình có tính chất phức tạp mức độ ảnh hởng khác... áp lực tĩnh mức độ giảm áp lực động Cờng 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: 111 q 0.5 C V (1-31) đó: q- áp lực gió