Nghiên cứu giải pháp cấu tạo cánh vát gió đối với kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở nhằm nâng cao ổn định khí động flutter

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA DƯƠNG MINH HẢI NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP CẤU TẠO CÁNH VÁT GIÓ ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ NHẰM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG FLUTTER Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số: 8580205 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng - Năm 2018 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ Phản biện 1: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY Phản biện 2: TS VÕ DUY HÙNG Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng họp Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng vào ngày 18 tháng 08 năm 2018 * Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm Học liệu Truyền thông Trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Xây dựng Cơng trình Giao thơng,Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Kết cấu cầu hệ treo đại (cầu treo cầu dây văng) kết cấu có nhiều đặc tính ưu việt mà thể khả vượt nhịp lớn, có hình dáng kiến trúc độc đáo giải pháp kết cấu ưu tiên lựa chọn Sau cố phá hủy cầu Tacoma Narrows Hoa Kỳ năm 1940 gió bão tượng khí động lực cho cơng trình cầu tập trung nghiên cứu quan tâm đặc biệt ổn định khí động lực thường diễn nhanh, đột ngột, khó lường, gây hư hại nghiêm trọng, hoặc/và sụp đổ cơng trình Khó khăn tốn phân tích ổn định khí động tác động gió lên cơng trình gây nhiều tượng; đồng thời cơng trình phản ứng phức tạp tác động gió Các nghiên cứu phải tiến hành đồng thời lý thuyết thực nghiệm Tuy nhiên, chưa có phương pháp số hay giải tích mơ tả đầy đủ tác động gió phản ứng cơng trình tác động gió Bài tốn ổn định khí động tiếp tục nghiên cứu phát triển Trong dạng ổn định khí động lực, ổn định flutter (dao động tròng trành) ổn định đặc trưng quan tâm hàng đầu thiết kế kết cấu nhịp cầu hệ treo chịu tác động gió Để kiểm sốt ổn định flutter, mặt cắt ngang cầu cần tối ưu hóa việc thay đổi hình dáng gắn chi tiết khí động; hoặc/và tham số động lực thay đổi nhằm tăng vận tốc flutter tới hạn Trong đó, gắn cánh vát gió (fairing) giải pháp tăng ổn định flutter hiệu thường áp dụng Hình dáng tiết diện hộp kín nhiều tác giả nghiên cứu Tuy nhiên, ổn định khí động tiết diện hở nghiên cứu Vì vậy, việc lựa chọn đề tài “ ả p áp ấ tạo vát ó đố vớ kết ấ ịp ầ ó t ết dệ a ằm â ao ổ đị k í độ fl tter” có tính cấp thiết Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu phân tích ổn định khí động flutter kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở - Đưa giải pháp cấu tạo cánh vát gió (fairing) tối ưu nhằm nâng cao ổn định khí động flutter Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Đánh giá ổn định khí động flutter kết cấu nhịp cầu dây văng (cầu Vàm Cống, tỉnh Đồng Tháp) có tiết diện ngang hở Từ đó, đề xuất giải pháp tối ưu nhằm nâng cao ổn định khí động flutter - Phạm vi nghiên cứu: Phân tích tốn ổn định khí động flutter kết cấu nhịp cầu dây văng có tiết diện ngang hở giải pháp fairing Phương pháp nghiên cứu Do tính phức tạp dòng rối đặc trưng khí động hệ kết cấudòng gió nên chưa có mơ hình tốn học hồn chỉnh mơ tả đầy đủ tương tác chúng Thí nghiệm hầm gió phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cần thiết thiếu việc thiết kế chống gió cho cầu hệ treo nhịp lớn Tuy nhiên, phương pháp cần chi phí lớn chưa có điều kiện thực Việt Nam Một hướng nghiên cứu lý thuyết mô tương tác kết cấu-dòng gió máy tính (Computational Wind EngineeringCWE), thuật tốn động lực học chất lưu máy tính (Computational Fluid Dynamics-CFD) sử dụng Do đó, phương pháp CWE gọi “hầm gió số” (Numerial wind tunnel) Phương pháp “hầm gió số” áp dụng để phân tích tốn ổn định flutter Ý nghĩa thực tiễn đề tài Từ việc đánh giá mức độ ổn định flutter kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở, qua đề xuất giải pháp fairing tối ưu nhằm nâng cao ổn định khí động flutter Bố cục đề tài Đề tài nghiên cứu gồm phần mở đầu chương: Mở đầu Chương Tổng quan tượng khí động đàn hồi lên kết cấu cầu chịu tác động gió vấn đề nghiên cứu Chương Phân tích ổn định dao động flutter kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở phương pháp “hầm gió số” Chương Đề xuất giải pháp cấu tạo cánh vát gió kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở nhằm nâng cao ổn định flutter Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 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 VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ Cầu hệ treo (cầu treo cầu dây văng) loại kết cấu phận chịu lực dây cáp làm vật liệu có cường độ cao Do dây túy 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 tháp cao, chúng dễ uốn dễ bị dao động kích thích; dao động tác động gió xem quan trọng Trong thiết kế cầu hệ treo nhịp lớn, cần xét dạng dao động gió gây vấn đề ổn định khí động là: Dao động xốy khí (vortex shedding), dao động tròng trành (flutter), dao động rung lắc (buffeting) dao động tiến triển nhanh (galloping) 1.1.1 Dao động xốy khí (vortex shedding) Các dao động xốy khí gây lên kết cấu dao động mà kết cấu tương tác với dòng gió bên ngồi chúng tạo thành phần xốy khí Tần số xốy khí xác định từ hệ số Strouhal St: fV St U D (1.1) Trong đó: fv tần số xốy khí; D kích thước đặc trưng kết cấu, thường lấy bề rộng vuông góc hướng gió; U vận tốc dòng gió tới St hệ số Strouhal, trụ tròn St 0,2 ứng với hầu hết vận tốc gió khác Phương trình dao động xốy khí kết cấu bậc tự viết: mh 2m Trong đó: n n h m h U DCL sin V t (1.2) m khối lượng kết cấu; h chuyển vị thẳng đứng; tỷ số cản kết cấu; n tần số dao động riêng kết cấu; CL hệ số lực nâng; tần số xoáy khí, từ phương trình (1.1) lấy St U D V 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 khơng khơng 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 Phương trình dao động viết: m h I h h h h h Lh (1.4) M (1.5) Trong đó: m khối lượng đơn vị chiều dài nhịp; I mômen quán tính; tỷ số cản kết cấu ứng với uốn xoắn; h h Lh tần số ứng với uốn xoắn; và M lực đứng mơmen khí động tự kích đơn vị chiều dài nhịp Đây vấn đề quan trọng sâu nghiên cứu phân tích chương 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 Các lực khí động tác dụng đơn vị chiều dài kết cấu nhịp viết: L t U t BCL (1.6a) D t U t BC D (1.6b) M t U t B2 C M Trong đó: số chuyển tiếp; (1.6c) ký hiệu lực biểu diễn theo trục vận tốc góc tới vận tốc gió trung bình U ; góc tới tăng thêm thành phần nhiễu loạn gây 1.1.4 Dao động tiến triển nhanh (Galloping) “Galloping” thuật ngữ dùng để mơ 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 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 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 Phương trình dao động thẳng đứng kết cấu bậc tự viết: mh ch kh dCL UB CD d h U (1.16) Với c hệ số cản kết cấu k hệ số độ cứng 1.1.5 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 Galloping vùng xảy dây cáp văng cầu dây văng dây treo cầu treo Nó xảy với 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 1.2 TỔNG QUAN TIẾT DIỆN CẦU TRONG KẾT CẤU HỆ TREO Hiện nay, cầu dây văng có 02 loại tiết diện ngang bê tông cốt thép thép có dạng kín hở; cầu treo dây võng có tiết diện ngang thép có dạng dàn dầm hộp kín 1.3 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Hiện nay, kết cấu cầu hệ dây (dây văng dây võng) với khả vượt nhịp lớn với ưu điểm mặt kiến trúc mỹ quan xây dựng ngày nhiều Việt Nam Tuy nhiên, có dạng kết cấu mảnh nên cơng trình cầu dây văng, dây võng nhạy cảm với tác động gió bão Trên giới có học sinh động việc cầu bị phá hủy gió bão Trường hợp tiếng sụp đổ cầu Tacoma Narrows Hoa Kỳ năm 1940 (Hình 1.11) Hình 1.11 Sụp đổ cầu treo Tacoma Narrows (Nguồn: Internet) Sau cố sụp đổ cầu Tacoma Narrows ổn định khí động flutter, vấn đề ảnh hưởng gió lên cơng trình quan tâm Vì vậy, để phân tích tương tác dòng gió kết cấu, thí nghiệm hầm gió cần thiết, qua có giải pháp thiết kế kháng gió phù hợp cho cầu hệ dây nhịp lớn Đây phương pháp thực nghiệm thiếu, 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 Hiện nay, thí nghiệm hầm gió chủ yếu nước ngồi thực Bên cạnh đó, phương pháp số mô động lực học chất lưu máy tính CFD (Computational Fluid Dynamic) có tính ưu việt với chi phí thấp, cần thời gian ngắn cho kết tương đối xác thí nghiệm hầm gió Phương pháp dần thay cho phương pháp thí nghiệm hầm gió, gọi “hầm gió số” Ổn định khí động hình dáng tiết diện hộp kín nhiều tác giả nghiên cứu Tuy nhiên, ổn định khí động tiết diện hở nghiên cứu Xuất phát từ thực tế đó, luận văn làm rõ tác động gió cơng trình, đồng thời đưa giải pháp fairing tối ưu để nâng cao ổn định khí động flutter kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở Kết luận chương - Kết nghiên cứu chương tổng quan tượng khí động đàn hồi cơng trình cầu chịu tác động gió, gồm: + Dao động xốy khí (Vortex Shedding) + Dao động tròng trành (Flutter) + Dao động rung lắc (Buffeting) + Dao động tiến triển nhanh (Galloping) Trong đó, ổn định Flutter kết cấu nhịp cầu quan tâm hàng đầu, tiết diện hở - Sử dụng mô động lực “hầm gió số” máy tính (Computational Fluid Dynamic-CFD) [24] để nghiên cứu giải pháp fairing tối ưu kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở nhằm nâng cao ổn định khí động flutter chương CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG FLUTTER KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ BẰNG PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” 2.1 DAO ĐỘNG FLUTTER 2.1.1 Dao động flutter bậc tự (1-D) Phân tích flutter 1-D xét dao động xoắn túy kết cấu nhịp Khi đó, phương trình chuyển động viết: 2 B I C0 K0 U B KA*2 K A*3 (2.1) U 2 B 2 0 U B KA*2 K A*3 (2.2) 2I U Trong đó: I mơmen quán tính khối lượng kết cấu; tỷ số cản kết cấu ứng với dao động xoắn; tần số vòng dao động riêng kết cấu ứng với dao động xoắn; 0 K0 I C0 2I ; (2.3) C0 K0 I (2.4) 2.1.2 Dao động flutter hai bậc tự (2-D) Với hệ có hai bậc tự do, lực khí động tự kích bao gồm lực theo phương đứng phương xoắn Do ảnh hưởng lực kép này, kết cấu cầu có * thể ổn định flutter tiết diện kết cấu nhịp có vi phân flutter A âm theo phương xoắn Phương trình chuyển động kết cấu phân tích flutter 2-D viết đây: mh C0h h I C0 K 0h h K0 h U B KH1* U KH*2 B U K H*3 h U B2 KA1* U KA*2 B U K A*3 K H*4 h B K A*4 h B (2.11a) (2.11b) 10 Hình 2.3 Trình tự bước xác định vận tốc tới hạn flutter 2.3 XÁC ĐỊNH VẬN TỐC GIÓ TỚI HẠN ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP CẦU VÀM CỐNG 2.3.1 Giới thiệu chung cầu Vàm Cống Cầu Vàm Cống dài tổng cộng 2,97km; phần bắc qua sơng dài 870m, nhịp gồm 73 đốt dầm thép có tổng chiều dài 450m, dài số cầu có nhịp thép miền Nam Việt Nam Cầu dẫn phía Đồng Tháp có kết cấu dầm super-T bê tông cốt thép dự ứng lực, chiều dài 1.099,7m; cầu dẫn phía 11 Cần Thơ có kết cấu dầm super-T bê tông cốt thép dự ứng lực, chiều dài 999,7m (hình 2.4) Mặt cắt ngang cầu cầu dẫn có quy mơ 25,8m gồm: bốn xe giới rộng 14m, hai xe thô sơ rộng 6m, dải phân cách rộng 1,5m, lan can bên rộng 1m dải an toàn bên rộng 1,15m hình 2.5 Thực bước tính toán sơ đồ với tham số động lực tham số kết cấu mơ hình cầu Vàm Cống Bảng 2.2 Bảng 2.2 Các tham số động lực, kết cấu cầu Vàm Cống Các tham số kết cấu b Kη Kϕ 0.344 787.73 63.25 Các tham số động lực m(kg/m) I(kgm2/m) Cη Cϕ 4.89 0.05994 0.8689 0.01947 Các đặc trưng dao động tự fη fϕ ζη ζϕ 2.02 5.17 0.007 0.005 Hình 2.4 Sơ đồ nhịp cầu Vàm Cống 12 Hình 2.5 Mặt cắt ngang điển hình cầu Vàm Cống 2.3.2 Mơ hình hóa mặt cắt ngang cầu Vàm Cống Xét mặt cắt ngang cầu Vàm Cống mô dao động miền chịu tác động dòng gió, có tỉ lệ 1:75 so với kích thước thực tế cầu Miền phân tích chia thành ba miền nhỏ, miền gần mặt cắt chia loại lưới hình tứ giác với kích thước nhỏ, hệ thống lưới tam giác khơng sử dụng với lưới tính tốn miền thứ hai lưới tứ giác chia miền thứ ba, nhằm mục đích giảm thời gian phân tích đảm bảo độ xác tốn B Hình 2.6 Mơ hình mặt cắt ngang cầu Vàm Cống Vận tốc vào dòng gió u 0-12 m/s; miền phân tích tốn thể hình 2.7 13 Hình 2.7 Hệ thống lưới tồn miền phân tích Hình 2.8 Miền phân tích điều kiện biên tốn (với u, v thành phần vận tốc theo phương x y) 2.3.3 Kết mô Sau q trình tính tốn chương trình kết thúc, ta thu giá trị hệ số lực tĩnh theo thời gian Thực mô với góc tới khảo sát là: 0o, +3o, -3o, +5o, -5o 14 Hình 2.10 Phân bố ứng suất xung quanh mặt cắt ngang Từ xác định hệ số vi phân khí động A1*, A2*, A3*, A4*, H1* H2* H3* H4* Hình 2.13 Biểu đồ hệ số vi phân khí động góc tới 0o Khi tăng vận tốc gió đầu vào tổng cản thay đổi kết cấu thay đổi theo quy luật định Từ thấy rằng, với vận tốc gió lớn dễ gây ổn định Flutter Hình 2.14 hình thể mối quan hệ tổng cản vận tốc gió đầu vào góc tới 0o 15 Hình 2.14 Kết tính tốn tổng cản cầu Vàm Cống theo hai tốn dao động góc gió 0o ậ xét: Từ đồ thị thể mối quan hệ tổng cản vận tốc gió, ta có vận tốc gió triết giảm tới hạn theo CFD 9.8m/s Bảng 2.5 Bảng thông số tần số dao động cầu Vàm Cống Thơng số Mơ hình Thực f 5.17 0.5551 Tính tốn vận tốc gió thực tế cầu nguyên theo công thức: U mohinh fthucte Bthucte U mohinh 0.5551 75 9.8 0.5551 75 Uthucte 78.92m / s f mohinh Bmohinh 5.17 5.17 Tương tự cho trường hợp lại, vận tốc gió triết giảm tới hạn theo CFD trường hợp khảo sát với góc gió là: o, +3o, -3o, +5o, -5o trình bày bảng 2.14 Bảng 2.14 Tổng hợp vận tốc gió tới hạn cầu Vàm Cống với góc tới khảo sát là: 0o, +3o, -3o, +5o, -5o Góc tới 0o +3o +5o -3o -5o Vận tốc tới hạn mơ hình 9.8m/s 9.6m/s 9.7m/s 9.8m/s 9.9m/s Vận tốc tới hạn thực 78.92m/s 77.31m/s 78.11m/s 78.92m/s 79.72m/s Kết luận chương - Đã tính tốn vận tốc flutter tới hạn kết cấu nhịp cầu Vàm Cống phương pháp “hầm gió số” theo mơ hình tiết diện - Việc nâng cao ổn định khí động flutter cho kết cấu nhịp cầu Vàm Cống giải pháp gắn cánh vát gió (fairing) nghiên cứu chương 16 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤU TẠO CÁNH VÁT GIÓ KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ NHẰM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH FLUTTER 3.1 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH FLUTTER ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ Căn kết tính tốn chương 2, bảng 2.14 Qua xác định vận tốc tới hạn gây nên ổn định flutter cầu Vàm Cống trường hợp góc gió tới khác Do đó, để nâng cao ổn định flutter kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở, đề xuất giải pháp gắn phụ kiện khí động khác cánh vát gió (fairing), mũi gió (wind nose), cánh rẽ gió (wind flap), đổi hướng gió (deflector) lệch dòng (spoiler) Trong phạm vi luận văn nghiên cứu 02 giải pháp để giải vấn đề trên: Bố trí cánh vát gió (fairing) bố trí lệch dòng (spoiler) hình tam giác 3.2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤU TẠO CÁNH VÁT GIÓ HỢP LÝ Nghiên cứu mặt cắt ngang mơ hình cầu Vàm Cống sử dụng giải pháp bố trí fairing thực số thay đổi kích thước hình học (chiều rộng a, chiều dài cánh vát b) hình 3.1 Từ đó, ta lựa chọn dạng mặt cắt ngang cho tối ưu hóa ảnh hưởng tượng Flutter nhất, đồng thời làm sở để thiết kế sơ mặt cắt ngang cầu cho có lợi a b Hình 3.1 Mặt cắt ngang cầu Vàm Cống bố trí fairing với a, b thay đổi 17 Hình 3.2 Phân bố ứng suất xung quanh mặt cắt ngang khảo sát bố trí fairing 3.2.1 Trường hợp cánh vát gió có a = 1.0m b = 1.5m Tiến hành khảo sát mặt cắt bố trí fairing với kích thước a 1m b 1.5m giá trị góc α khảo sát là: 10o, 20o… 120o Mỗi mặt cắt ngang tiến hành khảo sát với vận tốc gió đầu vào 5, 8, 10, 12 m/s để tìm vận tốc gió mà tổng cản có giá trị 0, vận tốc gió tới hạn cần tìm Hình 3.3 Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào trường hợp a = 1m b = 1.5m 18 Hình 3.4 Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác trường hợp a = 1m b = 1.5m Từ hình 3.3 biểu đồ quan hệ tổng cản hệ kết cấu với vận tốc gió đầu vào, ta xác định vận tốc gió tới hạn kết cấu ứng với góc α khác Những kết vận tốc gió tới hạn lập thành biểu đồ hình 3.4 cho thấy vận tốc gió tới hạn kết cấu giảm mạnh góc α từ 20o lên 70o Tuy nhiên tiếp tục tăng α vận tốc gió tới hạn khơng giảm nữa, lúc giải pháp fairing tối ưu 3.2.2 Trường hợp cánh vát gió có a = 1.0m b = 1.0m Hình 3.5 Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào trường hợp a = 1m b = 1m 19 Hình 3.6 Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác trường hợp a = 1m b = 1m Từ hình 3.5 biểu đồ quan hệ tổng cản hệ kết cấu với vận tốc gió đầu vào, ta xác định vận tốc gió tới hạn kết cấu ứng với góc α khác Những kết vận tốc gió tới hạn lập thành biểu đồ hình 3.6 cho thấy vận tốc gió tới hạn kết cấu giảm mạnh góc α từ 20 o lên 70o tương tự trường hợp a 1m b 1.5m Tuy nhiên tiếp tục tăng α vận tốc gió tới hạn không giảm nữa, lúc giải pháp fairing tối ưu 3.2.3 Trường hợp cánh vát gió có a = 0.5m b = 1.5m Hình 3.7 Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào trường hợp a = 0.5m b = 1.5m 20 Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác trường hợp a = 0.5m b = 1.5m Từ hình 3.7 biểu đồ quan hệ tổng cản hệ kết cấu với vận tốc gió đầu vào, ta xác định vận tốc gió tới hạn kết cấu ứng với góc α khác Những kết vận tốc gió tới hạn lập thành biểu đồ hình 3.8 cho thấy vận tốc gió tới hạn kết cấu giảm mạnh góc α từ 20 o lên 60o tương tự trường hợp Tuy nhiên tiếp tục tăng α vận tốc gió tới hạn khơng giảm nữa, lúc giải pháp fairing tối ưu Kết luận: Khi thay đổi góc α hoặc/và thay đổi kích thước fairing tổng cản kết cấu có thay đổi đáng kể theo quy luật định Trong trường hợp giải pháp fairing mang lại tính ổn định flutter, góc α ≥ 60o giải pháp tối ưu Kết chứng minh phù hợp với mặt cắt cầu 21 c Hình 3.9 Biểu đồ tổng hợp trường hợp khảo sát bố trí fairing với góc khác Khi bố trí cánh vát gió cho kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở, giải pháp cánh vát gió có hiệu việc nâng cao ổn định flutte α ≥ 60o Cụ thể, bố trí cánh vát gió với góc α = 80o vận tốc gió kết cấu tăng 2% a 1.0m b 1.5m; tăng 4% a 1.0m b 1.0m; tăng 19% a = 0.5m b = 1.5m so với tiết diện ban đầu Như vậy, sở để giúp tối ưu hóa mặt cắt ngang hở chịu tác động gió giai đoạn thiết kế sơ với giải pháp bố trí cánh vát gió 3.3 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TẤM LỆCH DỊNG HÌNH TAM GIÁC Nghiên cứu mặt cắt ngang mơ hình cầu Vàm Cống sử dụng giải pháp bố trí lệch dòng hình tam giác thực số thay đổi kích thước hình học (chiều rộng đáy c, góc đỉnh φ) hình 3.10 Hình 3.10 Mặt cắt ngang cầu Vàm Cống bố trí lệch dòng hình tam giác với góc đỉnh φ thay đổi 22 Hình 3.11 Phân bố ứng suất xung quanh mặt cắt ngang khảo sát bố trí lệch dòng hình tam giác Biểu đồ quan hệ gữa tổng cản vận tốc gió với trường hợp khảo sát hình 3.12 Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào bố trí lệch dòng hình tam giác Hình 3.13 Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc φ khác bố trí lệch dòng hình tam giác 23 Từ hình 3.12 biểu đồ quan hệ tổng cản hệ kết cấu với vận tốc gió đầu vào, ta xác định vận tốc gió tới hạn kết cấu tăng mạnh ứng với giá trị φ từ 60o lên 90o Đây miền giá trị tối ưu góc đỉnh φ bố trí giải pháp lệch dòng cho kết cấu nhằm nâng cao ổn định flutter Kết luận chương - Khi bố trí cánh vát gió cho kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở, giải pháp cánh vát gió có hiệu tối ưu việc nâng cao ổn định flutter góc α ≥ 60o Như vậy, sở để giúp tối ưu hóa mặt cắt ngang hở chịu tác động gió giai đoạn thiết kế sơ với giải pháp bố trí cánh vát gió - Khi bố trí lệch dòng hình tam giác có bề rộng 1m cho kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở, miền giá trị tối ưu góc đỉnh φ việc nâng cao ổn định flutter từ 60o lên 90o 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Có thể sử dụng phương pháp mơ tương tác kết cấu - dòng gió máy tính (Computational Wind Engineering-CWE) với thuật tốn động lực học chất lưu máy tính (Computational Fluid Dynamics-CFD) để phân tích tốn tương tác kết cấu dòng gió, giai đoạn thiết kế định hướng thiết kế sơ - Việc dùng giải pháp cánh vát gió mang lại hiệu nâng cao ổn định khí động kết cấu nhịp: + Đối với giải pháp cánh vát gió: Giải pháp cánh vát gió có hiệu việc nâng cao ổn định flutter α có giá trị từ 60o trở lên Cụ thể, bố trí cánh vát gió với góc α 80o vận tốc gió kết cấu tăng 2% a = 1.0m b 1.5m; tăng 4% a 1.0m b 1.0m; tăng 19% a = 0.5m b 1.5m so với tiết diện ban đầu + Đối với giải pháp cánh vát tam giác: Với lệch dòng hình tam giác có bề rộng 1m, miền giá trị tối ưu góc đỉnh φ để nâng cao ổn định flutter từ 60o lên 90o Khi góc đỉnh φ 90o vận tốc gió tới hạn kết cấu đạt giá trị lớn 13.5m/s, kết cấu chịu dao động flutter tốt 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 cơng 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 ... tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu phân tích ổn định khí động flutter kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở - Đưa giải pháp cấu tạo cánh vát gió (fairing) tối ưu nhằm nâng cao ổn định khí động flutter. .. cho kết cấu nhằm nâng cao ổn định flutter Kết luận chương - Khi bố trí cánh vát gió cho kết cấu nhịp cầu có tiết diện ngang hở, giải pháp cánh vát gió có hiệu tối ưu việc nâng cao ổn định flutter. .. Cống giải pháp gắn cánh vát gió (fairing) nghiên cứu chương 16 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤU TẠO CÁNH VÁT GIÓ KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ NHẰM NÂNG CAO ỔN ĐỊNH FLUTTER 3.1 CÁC GIẢI PHÁP