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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG 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 thông Mã số: 8580205 LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN VĂN MỸ Đà Nẵng - Năm 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Dương Minh Hải MỤC LỤC TRANG BÌA LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .1 Tính cấp thiết đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu .3 Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa thực tiễn đề tài Bố cục đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ VÀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .5 1.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC HIỆN TƯỢNG KHÍ ĐỘNG ĐÀN HỒI LÊN KẾT CẤU CẦU KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ 1.1.1 Dao động xốy khí (vortex shedding) 1.1.2 Dao động tròng trành (Flutter) 10 1.1.3 Dao động rung lắc (Buffeting) 11 1.1.4 Dao động tiến triển nhanh (Galloping) .14 1.1.5 Dao động tiến triển nhanh vùng đuôi 17 1.2 TỔNG QUAN TIẾT DIỆN CẦU TRONG KẾT CẤU HỆ TREO 18 1.2.1 Tiết diện bê tông cốt thép 18 1.2.2 Tiết diện thép 19 1.3 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 20 Kết luận chương .22 CHƯƠNG PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH DAO ĐỘNG FLUTTER KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ BẰNG PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” 23 2.1 DAO ĐỘNG FLUTTER 23 2.1.1 Cơ chế phát sinh dao động flutter .23 2.1.2 Phương trình dao động flutter .24 2.2 PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” 27 2.2.1 Lý thuyết “hầm gió số” .27 2.2.2 Các thông số “hầm gió số” 28 2.2.3 Trình tự thiết lập tính tốn tốn flutter: 31 2.3 XÁC ĐỊNH VẬN TỐC GIÓ TỚI HẠN ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP CẦU VÀM CỐNG 33 2.3.1 Giới thiệu chung cầu Vàm Cống .33 2.3.2 Mơ hình hóa mặt cắt ngang cầu Vàm Cống 35 2.3.3 Kết mô .36 Kết luận chương .51 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 52 3.1 CÁC GIẢI PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH FLUTTER ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP CẦU CÓ TIẾT DIỆN NGANG HỞ .52 3.2 ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẤU TẠO CÁNH VÁT GIÓ HỢP LÝ 52 3.2.1 Trường hợp cánh vát gió có a = 1.0m b = 1.5m .53 3.2.2 Trường hợp cánh vát gió có a = 1.0m b = 1.0m .56 3.2.3 Trường hợp cánh vát gió có a = 0.5m b = 1.5m .59 3.3 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TẤM LỆCH DỊNG HÌNH TAM GIÁC 63 Kết luận chương .68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 PHỤ LỤC 73 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN THẠC SĨ (BẢN SAO) BẢN SAO KẾT LUẬN CỦA HỘI ĐỒNG, BẢN SAO NHẬN XÉT CỦA CÁC PHẢN BIỆN (BẢN SAO) TRANG TÓM TẮT TIẾNG VIỆT & TIẾNG ANH 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 Học viên: Dương Minh Hải Chun ngành: Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 8580205, Khóa: 2016 – 2018, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt: Sự tương tác dịng gió rối kết cấu sinh tượng khí động đàn hồi Trong đó, ổn định khí động flutter vấn đề quan tâm hàng đầu thiết kế kết cấu cầu nhịp lớn chịu tác động gió Hơn nữa, kết cấu nhịp có tiết diện ngang hở dễ nhạy cảm ổn định flutter so với kết cấu nhịp có tiết diện hộp kín Luận văn sâu phân tích ổn định flutter tiết diện hở đưa giải pháp cấu tạo cánh vát gió hợp lý nhằm nâng cao ổn định khí động flutter Từ khóa - Flutter; ổn định khí động flutter; cánh vát gió; tiết diện ngang hở STUDY ON SOLUTION FAIRING DESIGN FOR BRIDGE STRUCTURE WITH OPEN CROSS SECTION TO IMPROVE AERODYNAMIC FLUTTER STABILITY Abstract – The interaction between turbulent winds and structures producing elastic aerodynamics Therein aerodynamic flutter instability has become the most important consideration for design of long-span bridges In addition, the bridge structure with open cross section is more susceptible to flutter instability than the bridge structure with closed box section This study will analyze flutter instability for the open section and provide a reasonable solution fairing design to improve aerodynamic flutter stability Keyword - Flutter; Aerodynamic flutter instability; fairing; open cross section DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 Tên bảng Trang Các yêu cầu tỷ lệ mơ hình thí nghiệm dao động tự Các tham số động lực, kết cấu cầu Vàm Cống Bảng giá trị hệ số vi phân khí động cầu Vàm Cống từ mơ CFD góc tới 0o Kết tính tốn tổng cản mơ hình cầu Vàm Cống góc tới 0o Bảng thông số tần số dao động cầu Vàm Cống Bảng giá trị hệ số vi phân khí động cầu Vàm Cống từ mơ CFD góc tới +3o Kết tính tốn tổng cản mơ hình cầu Vàm Cống góc tới +3o Bảng giá trị hệ số vi phân khí động cầu Vàm Cống từ mơ CFD góc tới +5o Kết tính tốn tổng cản mơ hình cầu Vàm Cống góc tới +5o Bảng giá trị hệ số vi phân khí động cầu Vàm Cống từ mơ CFD góc tới -3o Kết tính tốn tổng cản mơ hình cầu Vàm Cống góc tới -3o Bảng giá trị hệ số vi phân khí động cầu Vàm Cống từ mơ CFD góc tới -5o Kết tính tốn tổng cản mơ hình cầu Vàm Cống góc tới -5o Tổng hợp vận tốc gió tới hạn cầu Vàm Cống với góc tới khảo sát là: 0o, +3o, -3o, +5o, -5o Tổng cản theo α U đầu vào ứng với a = 1m b = 1.5m Vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác trường hợp a = 1m b = 1.5m Tổng cản theo α U đầu vào ứng với a = 1m b = 1m Vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác trường hợp a = 1m b = 1m Tổng cản theo α U đầu vào ứng với a = 0.5m b = 1.5m Vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác trường hợp a = 0.5m b = 1.5m 31 33 39 40 41 41 42 44 45 46 47 49 50 51 54 55 57 58 60 61 Số hiệu 3.7 3.8 Tên bảng Tổng cản theo φ U đầu vào bố trí lệch dịng hình tam giác Vận tốc gió tới hạn ứng với góc φ khác bố trí lệch dịng hình tam giác Trang 65 66 DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình Quan hệ tần số dao động riêng nhỏ chiều dài nhịp từ 40 cầu treo nhịp lớn giới 1.2 Biên độ dao động ứng với vận tốc gió 1.3 Hiện tượng dao động gió tác động lên kết cấu cầu 1.4 Hiện tượng khóa chặt dao động xốy khí 1.5 Hiện tượng flutter xoắn 1.6 Các lực gió buffeting tác dụng lên kết cấu nhịp 1.7 Dao động galloping dòng gió ổn định gây 1.8 Galloping vùng 1.9 Tiết diện bê tông cốt thép 1.10 Tiết diện thép 1.11 Sụp đổ cầu treo Tacoma Narrows 2.1 Sơ họa miền chia lưới “hầm gió số” 2.2 Sơ đồ thuật tốn mơ phương pháp “hầm gió số” 2.3 Trình tự bước xác định vận tốc tới hạn flutter 2.4 Sơ đồ nhịp cầu Vàm Cống 2.5 Mặt cắt ngang điển hình cầu Vàm Cống 2.6 Mơ hình mặt cắt ngang cầu Vàm Cống 2.7 Hệ thống lưới tồn miền phân tích 2.8 Miền phân tích điều kiện biên tốn 2.9 Phương góc tới khảo sát 2.10 Phân bố ứng suất xung quanh mặt cắt ngang 2.11 Biểu đồ hệ số lực tĩnh CL 10s đầu dao động xoắn 1.1 2.12 Biểu đồ hệ số lực tĩnh CM 10s đầu dao động xoắn 2.13 Biểu đồ hệ số vi phân khí động góc tới 0o Kết tính tốn tổng cản cầu Vàm Cống theo hai tốn dao động 2.14 góc gió 0o 2.15 Biểu đồ hệ số vi phân khí động góc tới +3o Kết tính tốn tổng cản cầu Vàm Cống theo hai toán dao động 2.16 góc gió +3o 2.17 Biểu đồ hệ số vi phân khí động góc tới +5o Kết tính tốn tổng cản cầu Vàm Cống theo hai tốn dao động 2.18 góc gió +5o Trang 11 13 15 17 19 20 20 29 30 32 34 34 35 36 36 37 37 38 38 39 40 42 43 44 45 Số Tên hình hiệu 2.19 Biểu đồ hệ số vi phân khí động góc tới -3o Kết tính tốn tổng cản cầu Vàm Cống theo hai tốn dao động 2.20 góc gió -3o 2.21 Biểu đồ hệ số vi phân khí động góc tới -5o Kết tính tốn tổng cản cầu Vàm Cống theo hai tốn dao động 2.22 góc gió -5o 3.1 Mặt cắt ngang cầu Vàm Cống bố trí fairing với a, b thay đổi Phân bố ứng suất xung quanh mặt cắt ngang khảo sát bố trí 3.2 fairing Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào trường hợp a 3.3 = 1m b = 1.5m Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác 3.4 trường hợp a = 1m b = 1.5m Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào trường hợp a 3.5 = 1m b = 1m Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác 3.6 trường hợp a = 1m b = 1m Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào trường hợp a 3.7 = 0.5m b = 1.5m Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc α khác 3.8 trường hợp a = 0.5m b = 1.5m Biểu đồ tổng hợp trường hợp khảo sát bố trí fairing với góc 3.9 khác Mặt cắt ngang cầu Vàm Cống bố trí lệch dịng hình tam giác 3.10 với góc đỉnh φ thay đổi Phân bố ứng suất xung quanh mặt cắt ngang khảo sát bố trí 3.11 lệch dịng hình tam giác Biểu đồ quan hệ tổng cản với vận tốc gió đầu vào bố trí 3.12 lệch dịng hình tam giác Biểu đồ quan hệ vận tốc gió tới hạn ứng với góc φ khác 3.13 bố trí lệch dịng hình tam giác Trang 47 48 49 50 52 53 55 56 58 59 60 61 62 63 64 66 67 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 Trong thời gian gần đây, với phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, ngành sản xuất vật liệu tạo sản phẩm có tính cao, tạo điều kiện phát triển cho cầu dây văng cầu treo đại Các kết cấu ngày trở nên mảnh hơn, có trọng lượng nhỏ vượt độ lớn Tuy nhiên, kết cấu lại nhạy cảm với nguyên nhân gây dao động Do vậy, nghiên cứu đánh giá tác động động lực hoạt tải, gió động đất ln đóng vai trị quan trọng phân tích thiết kế loại hình kết cấu 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 Ở Việt Nam, số công trình cầu hệ treo quy mơ lớn hồn 91 Phụ lục 4: Tạo mesh cho mặt cắt ngang cầu bố trí tam giác 90o / Journal File for GAMBIT 2.4.6, Database 2.4.4, ntx86 SP2007051421 / Identifier "default_id5936" Phan Thanh Hoang / File opened for write Sat Apr 13 17:41:35 2013 solver select "FLUENT 5/6" /Tao cac diem vung vertex create "A" coordinates -0.1723 -0.0219 vertex create "B" coordinates -0.1723 0.0094 vertex create "C" coordinates 0.0129 vertex create "D" coordinates 0.1723 0.0094 vertex create "E" coordinates 0.1723 -0.0219 vertex create "F" coordinates 0.1667 -0.0219 vertex create "G" coordinates 0.1667 -0.0129 vertex create "1" coordinates -0.1667 -0.0129 vertex create "2" coordinates -0.1667 -0.0219 vertex create "11" coordinates 0.1820 -0.0219 vertex create "12" coordinates 0.1820 -0.0229 vertex create "13" coordinates 0.1620 -0.0229 vertex create "14" coordinates 0.1620 -0.0219 vertex create "15" coordinates -0.1620 -0.0219 vertex create "16" coordinates -0.1620 -0.0229 vertex create "17" coordinates -0.1820 -0.0229 vertex create "18" coordinates -0.1820 -0.0219 vertex create "20" coordinates -0.1723 0.0057 vertex create "21" coordinates -0.1723 -0.0076 vertex create "24" coordinates -0.1789 -0.0009 92 vertex create "30" coordinates 0.1723 0.0057 vertex create "31" coordinates 0.1723 -0.0076 vertex create "34" coordinates 0.1789 -0.0009 vertex create "H" coordinates -0.2064 0.0688 vertex create "I" coordinates 0.2752 0.0688 vertex create "J" coordinates 0.2752 -0.0688 vertex create "K" coordinates -0.2064 -0.0688 vertex create "L" coordinates -0.4472 0.2408 vertex create "M" coordinates 0.6192 0.2408 vertex create "N" coordinates 0.6192 -0.2408 vertex create "O" coordinates -0.4472 -0.2408 vertex create "P" coordinates -3.44 3.44 vertex create "Q" coordinates 6.88 3.44 vertex create "R" coordinates 6.88 -3.44 vertex create "S" coordinates -3.44 -3.44 /Noi cac diem lai edge create "A21" straight "A" "21" edge create "2124" straight "21" "24" edge create "2420" straight "24" "20" edge create "20B" straight "20" "B" edge create "BC" straight "B" "C" edge create "CD" straight "C" "D" edge create "D30" straight "D" "30" edge create "3034" straight "30" "34" edge create "3431" straight "34" "31" edge create "31E" straight "31" "E" edge create "E11" straight "E" "11" 93 edge create "1112" straight "11" "12" edge create "1213" straight "12" "13" edge create "1314" straight "13" "14" edge create "14F" straight "14" "F" edge create "FG" straight "F" "G" edge create "G1" straight "G" "1" edge create "12" straight "1" "2" edge create "215" straight "2" "15" edge create "1516" straight "15" "16" edge create "1617" straight "16" "17" edge create "1718" straight "17" "18" edge create "18A" straight "18" "A" edge create "HI" straight "H" "I" edge create "IJ" straight "I" "J" edge create "JK" straight "J" "K" edge create "KH" straight "K" "H" edge create "24H" straight "24" "H" edge create "24K" straight "24" "K" edge create "34I" straight "34" "I" edge create "34J" straight "34" "J" edge create "LM" straight "L" "M" edge create "MN" straight "M" "N" edge create "NO" straight "N" "O" edge create "OL" straight "O" "L" edge create "HL" straight "H" "L" edge create "KO" straight "K" "O" edge create "IM" straight "I" "M" edge create "JN" straight "J" "N" 94 edge create "PQ" straight "P" "Q" edge create "QR" straight "Q" "R" edge create "RS" straight "R" "S" edge create "SP" straight "S" "P" edge create "LP" straight "L" "P" edge create "OS" straight "O" "S" edge create "MQ" straight "M" "Q" edge create "NR" straight "N" "R" /Tao mat face create "Face1" wireframe "KH" "24H" "24K" real face create "Face2" wireframe "24H" "2420" "20B" "BC" "CD" "D30" "3034" "34I" "HI" real face create "Face3" wireframe "IJ" "34I" "34J" real face create "Face4" wireframe "G1" "12" "215" "1516" "1617" "1718" "18A" "A21" "2124" "24K" "3431" "31E" "E11" "1112" "1213" "1314" "14F" "FG" "34J" "JK" real face create "Face5" wireframe "KO" "KH" "HL" "OL" real face create "Face6" wireframe "HL" "HI" "IM" "LM" real face create "Face7" wireframe "IM" "IJ" "JN" "MN" real face create "Face8" wireframe "KO" "JK" "JN" "NO" real face create "Face9" wireframe "LP" "OL" "OS" "SP" real face create "Face10" wireframe "MQ" "LM" "LP" "PQ" real face create "Face11" wireframe "NR" "MN" "MQ" "QR" real face create "Face12" wireframe "NR" "NO" "OS" "RS" real /Gop mat face merge "Face1" "Face2" mergelower face merge "Face1" "Face3" mergelower face merge "Face1" "Face4" mergelower 95 face merge "Face5" "Face6" mergelower face merge "Face5" "Face7" mergelower face merge "Face5" "Face8" mergelower face merge "Face9" "Face10" mergelower face merge "Face9" "Face11" mergelower face merge "Face9" "Face12" mergelower /Chia diem tren doan thang edge picklink "2420" "20B" "BC" "CD" "D30" "3034" "G1" "12" "215" "1516" "1617" "1718" "18A" "A21" "2124" "3431" "31E" "E11" "1112" "1213" "1314" "14F" "FG" edge mesh "2420" "20B" "BC" "CD" "D30" "3034" "G1" "12" "215" "1516" "1617" "1718" "18A" "A21" "2124" "3431" "31E" "E11" "1112" "1213" "1314" "14F" "FG" successive ratio1 size 0.0015 edge picklink "KH" "HI" "IJ" "JK" edge mesh "KH" "HI" "IJ" "JK" successive ratio1 size 0.003 edge picklink "LM" "MN" "NO" "OL" edge mesh "LM" "MN" "NO" "OL" successive ratio1 size 0.05 edge picklink "PQ" "QR" "RS" "SP" edge mesh "PQ" "QR" "RS" "SP" successive ratio1 size 0.15 /Tao luoi face mesh "Face1" pave size face mesh "Face5" triangle size face mesh "Face9" pave size /Dieu kien bien physics create "MCN" btype "WALL" edge "2420" "20B" "BC" "CD" 96 "D30" "3034" "G1" "12" "215" "1516" "1617" "1718" "18A" "A21" "2124" "3431" "31E" "E11" "1112" "1213" "1314" "14F" "FG" physics create "DK_VAO" btype "VELOCITY_INLET" edge "SP" physics create "BIEN_TREN" btype "WALL" edge "PQ" physics create "BIEN_DUOI" btype "WALL" edge "RS" physics create "DK_RA" btype "PRESSURE_OUTLET" edge "QR" /Tao vung physics create "vung1" ctype "FLUID" face "Face1" physics create "vung2" ctype "FLUID" face "Face5" physics create "vung3" ctype "FLUID" face "Face9" / Xuat file export fluent5 "TG1,90.msh" nozval ... 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. .. ngang hở dễ nhạy cảm ổn định flutter so với kết cấu nhịp có tiết diện hộp kín Luận văn sâu phân tích ổn định flutter tiết diện hở đưa giải pháp cấu tạo cánh vát gió hợp lý nhằm nâng cao ổn định khí. .. 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