Nghiên cứu đặc điểm của dòng gió khi qua dây cáp văng

NGUYỄN TRUNG HIẾU ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN TRUNG HIẾU KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THƠNG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ KHI QUA DÂY CÁP VĂNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG KHỐ 33.XGT Đà Nẵng - Năm 2018 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - NGUYỄN TRUNG HIẾU NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ KHI QUA DÂY CÁP VĂNG Chun ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng Mã số : 60.58.02.05 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VÕ DUY HÙNG Đà Nẵng – Năm 2018 MỤC LỤC Chương PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu 1.2 Tính cấp thiết mục tiêu đề tài 1.2.1 Tính cấp thiết 1.2.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Tìm hiểu nghiên cứu Thế giới Việt Nam 1.3.1 Tìm hiểu nghiên cứu giới 1.3.2 Tìm hiểu nước Chương TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIĨ LÊN CƠNG TRÌNH 2.1 Thành phần tĩnh tải trọng gió 2.1.1 Các thành phần lực khí động giả tĩnh dầm chủ 2.1.2 Biến dạng tĩnh ổn định tác dụng gió 10 2.2 Tác động động 11 Chương ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG 24 3.1 Phương pháp nghiên cứu 24 3.2 Phân tích đặc điểm dịng với vận tốc gió khác 25 3.2.1 Xét tương quan biểu đồ Phổ Năng lượng PSD hệ số Strouhal 26 3.2.2 Xét hàm gắn kết COHERENCE 42 3.3 Kết luận 51 3.4 Đề xuất hình dạng bề mặt khắc phục dao động 51 3.5 Đề xuất hướng nghiên cứu 53 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 Kết luận 54 Kiến nghị 54 NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG Học viên: Nguyễn Trung Hiếu Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 60.58.02.05 Khóa: K33 Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt - Thời gian gần nhà khoa học giới rằng, dây cáp văng dao động với biên độ lớn, phân kỳ điều kiện khô ( không mưa), gọi loại “dao động khô” Các nhà khoa học chứng minh tồn loại dao động thí nghiệm hầm gió quan trắc thực tế Đây loại dao động mới, việc nghiên cứu đặc điểm dịng gió qua dây văng điều kiện khơ bổ sung giải thích làm rõ tượng dao động khơ này, từ vào đặc điểm chế hình thành để tìm biện pháp hạn chế, khắc phục loại dao động Trong phạm vi luận văn sử dụng phương pháp mô số phần mềm matlab kết hợp với số liệu đo đạc thí nghiệm hầm gió để tác nhân hình thành nên dao động khơ, biến đổi dịng gió qua dây cáp văng, biến đổi phổ lượng vận tốc gió độ gắn kết vị trí, góc gió khác dây cáp văng xảy “dao động khơ” Từ khóa – cầu dây văng, dao động khô, dây cáp văng; dao động phân kỳ giới hạn, phổ lượng, rung động dây cáp văng chịu tác động gió Abstract: Recently, scientists in all over the world have shown that stay cables can oscillate with a huge amplitude and divergently in dry condition (not rainy), this phenomenon is called “dry galloping” Scientists have proved the existence of this oscillation via wind tunnel experiments as well as actual monitoring This is a new oscillation, analyses of air movement’s characteristics through stay cables in dry condition will supplement explanations and clarify this “dry galloping” Thus, we can find out solutions to restrict and overcome this oscillation based on its characteristics and origin In the scope of this essay, by using numerical simulation in Matlab combined with data collected from wind tunnel experiments, I will show out causes that form the “dry galloping”, the variation of air movement through stay cable, the variation of air’s energy spectrum and velocity, as well as the cohesion of each position and differential wind angles of stay cables during “dry galloping” Key words – Cable –Stayed Bridges; Dry galloping; divergent vibration or restricted amplitude vibration, energy spectrum, vibration cable under wind attack MỤC LỤC BẢNG BIỂU- HÌNH ẢNH a Danh mục hình vẽ Số hiệu Tên hình Trang Hình 1-1 Dao động dây văng khơng có dịng khí dọc cáp Hình 1-2 Dữ liệu quan sát thực tế cáp nguyên mẫu Hình 1-3 Biên độ giao động gió gây điều kiện khác Hình 1-4 Hư hỏng dao động dây cáp văng Hình 1-5 Dao động gió mưa kết hợp Hình 1-6 Hư hỏng thiết bị giảm chấn Hình 2-1 Thành phần lực tĩnh tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ Hình 2-2 Mơ hình hóa vật thể dài mảnh 11 Hình 2-3 Vật bị biến dạng mặt phẳng vng góc với mặt phẳng 11 X-Z Hình 2-4 Sự biến thiên vận tốc lớp biên 11 Hình 2-5 Phản ứng dịng khí qua vật cản hình trụ theo số Reynold 13 Hình 2-6 Quan hệ biên độ dao động Scruton number 14 Hình 2-7 Lực Buffeting kết cấu dạng dầm 15 Hình 2-8 Biến thiên vận tốc gió kéo theo biến thiên lực tác dụng lên 16 kết cấu Hình 2-9 Ảnh hưởng hình dạng mặt cắt tới việc hình thành xốy khí 17 Hình 2.10 Dao động kết cấu tác động xốy khí 17 Hình 2-11 Vùng “Khố” tần số 18 Hình 2-12 Mơ tả tượng Flutter 20 Hình 2-13 Sự lệch pha dạng dao động tượng Flutter 21 Hình 2-14 Mơ hình cáp chịu gió/ mưa kết hợp 22 Hình 3-1 Dao động khơ dây cáp văng 29 Hình 3-2 Mơ góc gió thí nghiệm hầm gió 30 Hình 3.3 Sơ đồ bố trí cảm biến đo vận tốc gió theo thời gian Hình 3-4 Hình 3-5 Hình 3.6 Hình 3.7 30 0 31 0 31 0 33 0 33 Phổ lượng vị trí 6D với góc α=25 ; β= 30 Phổ lượng vị trí 7D với góc α=25 ; β= 30 Phổ lượng vị trí 2D với góc α=25 ; β= 30 Phổ lượng vị trí 3D với góc α=25 ; β= 30 Hình 3.8 Phổ lượng vị trí 4D với góc α=250; β= 300 34 Hình 3.9 Phổ lượng vị trí 5D với góc α=250; β= 300 34 Hình 3.10 Phổ lượng vị trí 7D với góc α=250; β= 00 35 Hình 3.11 Phổ lượng vị trí 2D với góc α=250; β= 00 35 Hình 3.12 Phổ lượng vị trí 3D với góc α=250; β= 450 36 Hình 3.13 Phổ lượng vị trí 6D với góc α=250; β= 450 36 Hình 3.14 Phổ lượng vị trí 3D với góc α=250; β= 00 38 Hình 3.15 Phổ lượng vị trí 4D với góc α=250; β= 00 38 Hình 3.16 Phổ lượng vị trí 5D với góc α=250; β= 00 39 Hình 3.17 Phổ lượng vị trí 6D với góc α=250; β= 00 39 Hình 3.18 Phổ lượng vị trí 2D với góc α=250; β= 450 40 Hình 3.19 Phổ lượng vị trí 4D với góc α=250; β= 450 40 Hình 3.20 Phổ lượng vị trí 5D với góc α=250; β= 450 41 Hình 3.21 Phổ lượng vị trí 7D với góc α=250; β= 450 41 Hình 3.22 Độ gắn kết vị trí 2D-7D với góc α=250; β= 300 43 Hình 3.23 Độ gắn kết vị trí 2D-6D với góc α=250; β= 300 43 Hình 3.24 Độ gắn kết vị trí 5D-3D với góc α=250; β= 300 44 Hình 3.25 Độ gắn kết vị trí 5D-4D với góc α=250; β= 300 44 Hình 3.26 Độ gắn kết vị trí 2D-5D với góc α=250; β= 00 46 Hình 3.27 Hình 3.28 Hình 3.29 Hình 3.30 Hình 3.31 Hình 3.32 Hình 3.33 Hình 3.34 Hình 3.35 0 46 0 47 0 47 0 Độ gắn kết vị trí 2D-6D với góc α=25 ; β= Độ gắn kết vị trí 2D-7D với góc α=25 ; β= Độ gắn kết vị trí 5D-4D với góc α=25 ; β= Độ gắn kết vị trí 5D-3D với góc α=25 ; β= 48 0 48 0 49 0 49 0 50 0 50 Độ gắn kết vị trí 2D-5D với góc α=25 ; β= 45 Độ gắn kết vị trí 2D-6D với góc α=25 ; β= 45 Độ gắn kết vị trí 2D-7D với góc α=25 ; β= 45 Độ gắn kết vị trí 5D-3D với góc α=25 ; β= 45 Độ gắn kết vị trí 5D-4D với góc α=25 ; β= 45 b Danh mục Bảng biểu Số hiệu Tên Bảng Trang Bảng 2-1 Các loại tác động gió lên cơng trình Bảng 2-2 Hệ số lực cản tháp cầu dây văng 10 Bảng 3-1 Những thơng số đo thí nghiệm hầm gió 25 Tần số độ giảm chấn dây văng cầu Leonard P Zakim 27 Bảng 3.2 Bảng 3.3 Bảng3.4 Bunker Hill Bridge (USA- Báo cáo FHWA) Tần số độ giảm chấn dây văng cầu Sunshine Skyway 28 Bridge (St Petersburg, FL) (USA- Báo cáo FHWA) Phương pháp đo thí nghiệm hầm gió 30 Chương PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu Gió chuyển động khối khơng khí bầu khí chênh lệch áp suất điểm khác trái đất Đặc điểm bật gió tự nhiên tính nhiễu loạn Ngun nhân nhiễu loạn ma sát luồng khơng khí qua bề mặt Dịng khơng khí nhiễu loạn thay đổi cách phức tạp ngẫu nhiên không gian theo thời gian, thường biểu diễn dạng thống kê Cầu dây văng loại cầu bao gồm nhiều trụ (thường gọi tháp), với dây cáp neo chịu đỡ toàn hệ mặt cầu dầm cầu Dây cáp phận chịu lực cầu dây văng Trong trình khai thác sử dụng, dây cáp văng thường bị dao động tác dụng của: gió, gió mưa kết hợp, hoạt tải khai thác tác động khác làm giảm khả khai thác an toàn giảm tuổi thọ cơng trình Đối với dây cáp văng dao động gió, gió mưa kết hợp dao động phổ biến tác động trực tiếp gây ảnh hưởng lớn Dao động gió mưa kết hợp phát nghiên cứu từ năm 70-80 kỷ trước, nguyên nhân nước mưa bám vào chảy bề mặt dây cáp tạo thành hai dòng nước nhỏ, dòng nước làm thay đổi hình dạng mặt cắt ngang cáp lực khí động Dịng phía nằm cân ổn định dịng phía khơng ổn định, khơng ổn định dịng nước phía gây thay đổi liên tục đặc tính khí động dây cáp văng dẫn đến việc dây cáp văng ổn định Mơ hình nghiên cứu đưa mơ hình cáp chịu tác động gió khâơng đổi suốt chiều dài đồng thời chịu tác động dịng nước chảy phía cáp Vận tốc gió tác động khảo sát từ 6-13m/s, tần số dao động cáp từ 1-3Hz, vị trí dịng nước chảy cáp từ 15-450, hướng gió tác dụng lên cáp từ 20-600… Với dao động gió điều kiện khô loại dao động vừa phát thời gian gần Những nghiên cứu rằng: thời tiết khô (khơng mưa) kèm theo gió với vận tốc cao dây văng bị kích thích dao động với biên độ lớn Những nghiên cứu nguyên nhân đặc điểm loại dao động Trên giới có nhiều nghiên cứu, nhiều đo đạc thực tế đặc điểm, chế dao động biện pháp đối phó với loại dao động Nhìn chung dao động gió chia loại chính: dao động với biên độ vừa phải dao động với biên độ phân kỳ Dao động phân kỳ loại dao động tăng dần biên độ theo thời gian vận tốc gió khơng đổi loại dao động gây nguy hiểm cho cầu dây văng Một vài đặc điểm dao động sau: - Dao động gây hư hại cho dây văng hệ neo phụ kiện, - Khi dao động xảy ra, dây cáp dao động phân kỳ giới hạn, - Dao động gây cho dây văng điều kiện vận tốc gió cao, - Dao động xảy góc gió định Trong nghiên cứu đặc điểm dao động làm rõ mức độ định nhiều phương pháp khác nhau, thí nghiệm hầm gió, phân tích Tuy nhiên, chế loại dao động vẩn làm rõ biện pháp đối phó với dao động phát triển 1.2 Tính cấp thiết mục tiêu đề tài 1.2.1 Tính cấp thiết Dao động khơ đánh giá loại dao động gây biên độ lớn ( Cùng với dao động mưa gió kết hợp) Ảnh hưởng nguy hiểm đến kết cấu Do việc nghiên cứu biện pháp hạn chế loại dao động quan trọng 1.2.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu tìm đặc điểm dịng gió qua dây cáp văng với vận tốc gió khác Phân tích tương quan đại lượng vận tốc, tần số, thời gian, Phổ lượng, độ gắn kết 1.3 Tìm hiểu nghiên cứu Thế giới Việt Nam 1.3.1 Tìm hiểu nghiên cứu giới Dao động cáp điều kiện thời tiết khô (dao động khô) thuật ngữ khái niệm loại dao động làm rõ ràng thời gian gần Theo định nghĩa chung, điều kiện thời tiết không mưa cộng với vận tốc gió lớn làm cho dây cáp văng bị kích thích dao động với biên độ hạn chế Mặc dù giới có nhiều báo cáo thực tế tượng Nhưng chưa nói rỏ nguyên nhân xảy tượng Gần đây, số nghiên cứu cho thấy tượng xảy quan sát thực tế trường thí nghiệm hầm gió Tuy nhiên, nghiên cứu chưa đầy đủ đặc tính, phương pháp kiểm sốt dao động Dao động khô dây cáp văng quan sát thí nghiệm ơng Saito, ơng Honda ông Matsumoto cộng Ở vùng cận hạn hệ số Reynolds ( hay vận tốc gió tương đối) Khi dịng gió qua dây cáp văng làm chi biên độ phản ứng dây cáp văng tăng mạnh dẫn đến dao động kiểu phân kỳ Loại dao động tăng dần biên độ theo thời gian vận tốc gió khơng đổi loại dao động nguy hiểm cho cầu dây văng Do việc đánh giá giảm khí động lên dây cáp cách hiệu để nghiên cứu chế loại dao động Đồng thời, họ chế tạo gián đoạn giai đoạn khác nguyên nhân phân tách liên kết phần dịng ngăn cách Vì liên kết dòng ngăn cách thường tạo nên áp lực lên mặt mặt dâp cáp trở nên đồng Matsumoto et al làm sáng tỏ vai trò dịng liên quan đến gia tăng khơng ổn định cách thực thí nghiệm hầm gió có khơng có dịng quanh trục theo Hình 1-1 Kết kiểm nghiệm rõ dòng theo trục gần vết nứt gia tăng biến động Trước đó, Matsumoto at el dịng chảy quanh trục hình dung cầu thực cách dùng sợi quang cho dây cách tĩnh nguyên mẫu kèm theo hướng gió khoảng 40º-50º Tuy nhiên chế dòng chảy quanh trục chưa hiểu cặn kẽ với biên độ lớn tác động gió điều kiện khơ tổ hợp đồng thời gió/ mưa kết hợp Có nhiều nghiên cứu giới để tìm biện pháp giảm độ nhạy cảm biên độ dao động lớn dây cáp văng sử dụng loại thiết bị giảm chấn, liên kết dây cáp văng với dây cáp phụ (cross-tie) sử dụng dây cáp phụ kết hợp đồng thời với thiết bị giảm chấn ngoài, thay đổi độ nhẵn bề mặt ống bảo vệ cáp làm cản trở dòng chảy nước mưa Việc dây văng bị kích thích dao động dịng gió có vận tốc cao tần số thấp nên ta triệt tiêu dao động nguy hiểm cách thay đổi dãi tần số dao động nằm phạm vi dãi tần số dao động riêng kết cấu cách bố trí thiết bị để làm giảm tác dụng bất lợi lực kích thích gây ra, làm giảm dao động ngăn khơng để xảy tượng cộng hưởng xốy khí hay gọi hệ thống giảm chấn Các kiểu hệ thống giảm chấn cho cơng trình cầu: + Giảm chấn điều chỉnh khối lượng: gắn vật nặng lên kết cấu để hấp thu lượng kết cấu Sau triệt tiêu lượng nhờ thiết bị giảm chấn + Hệ thống giảm chấn kiểu điều chỉnh cột chất lỏng: + Giảm chấn nhớt + Giám chấn kiểu khối lượng chủ động + Giảm chấn ma sát Tất phương pháp áp dụng phổ biến nhiều cầu dây văng giới đem lại hiệu khả quan Trong chương này, tập trung vào biện pháp tăng tính ổn định khí động cáp văng: Hiện loại dây cáp văng đại bọc vỏ (hay đặt ống), xử lý hình dạng, để làm giảm nguy dao động dây cáp văng tác động gió mưa Các hình dạng tạo ảnh hưởng rỏ ràng đến hiệu ứng khí động học dây cáp văng, nên việc nghiên cứu hình dáng bề mặt dây cáp cần phải nghiên cứu xem xét đến việc giảm ảnh hưởng gió qua dây cáp văng 52 Đề xuất hình dáng dây cáp văng: + Ống trụ trịn + Ống nhựa HDPE truyền thống có vịng đặt cách xa Có tác dụng gờ giọt nước, ngăn khơng cho nước chảy thành dịng dọc theo dây văng + Ống với ba rãnh dọc phần tạo thành kênh dẫn nước + Ống nhựa có rãnh xoắn ốc, đường kính 1,3mm rãnh hướng theo chiều riêng có bước 30cm 3.5 Đề xuất hướng nghiên cứu Việc nghiên cứu, đề xuất phương án kỹ thuật nhằm giảm thiểu ảnh hưởng xấu, dao động nguy hiểm cho kết cấu để điều chỉnh tần số dao động kết cấu nằm khu vực gây nguy hiểm Nghiên cứu phương án biến đổi hình dạng bề mặt làm thay đổi đặc tính dòng qua bề mặt dây cáp văng Việc giảm diện tích đón gió dây cáp văng vấn đề cần nêu Hiện tồn hai hệ thống dây cáp văng: + Hệ thống tao sợi song song (PSS) tao sợi song song với mạ kẽm bọc lớp HDPE Các tao 15mm bọc ống nhựa bao để giúp giải tượng khí động học + Hệ thống sợi song song (PWS) dây văng cấu tạo từ sợi dây mạ kẽm song song xoắn nhẹ để giữ ổn định bọc lớp HDPE dày Do đặc thù cơng nghệ phần lớn đường kính dây PSS lớn PWS (khoảng cách hạn chế tao cáp ống bọc) Nên hệ thống dây cáp theo kiểu PWS có khả chịu gió lớn gây ảnh hưởng đến kết cấu sử dụng nhiều cho cầu nhịp lớn Với hệ số Reynolds thường nằm khoảng 2.105 - 5.105 tùy thuộc vào bề mặt dây cáp Vấn đề tồn hạn chế sức kháng mỏi sức kháng ăn mòn dây cáp có đường kính nhỏ Vì thay đổi (giảm) diện tích bề mặt đón gió điều cần xem xét đến 53 Chương KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận - Đề tài phân tích làm rõ đặc tính phổ lượng (PSD) vận tốc gió qua dây văng độ gắn kết dịng gió qua góc gió khác - Qua phân tích thấy rằng, vận tốc gió tăng lên với xuất dịng gió phía sau dây văng với tần số thấp mang lượng cao - Dịng gió sau dây văng có tần số thấp mang lượng cao có độ gắn kết (Coherence) cao vị trí dọc theo dây cáp Từ đó, dịng gió kích thích dao động cho dây văng điều kiện không mưa Kiến nghị - Qua phân tích ta thấy rằng, để loại hạn chế loại dao động khô, cần làm giảm lượng dịng gió qua dây văng, hạn chế hình thành dịng gió tần số thấp qua dây văng giảm độ gắn kết dòng qua dây văng thay đổi bề mặt Tuy nhiên nghiên cứu chuyên sâu cần tiến hành để tiếp tục phát triển đề tài Sử dụng bề mặt dây cáp văng hạn chế tượng cộng hưởng xốy khí phía sau dây cáp 54 Tài liệu tham khảo GS.TS Lê Đình Tâm/ Phạm Duy Hịa (2000) “Cầu Dây Văng” Khoa Học Kỹ Thuật TP Hà Nội Hồng Nam (2016) “Gió tác động gió lên cơng trình” Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh TP Hồ Chí Minh Saito, T., M Matsumoto, and M Kitazawa Rain-wind Excitation of Cables on Cable-stayed Higashi-Kobe Bridge and Cable Vibration Control in Proc of Cable-stayed and Suspension Bridges 1994 Honda, A., et al Wind tunnel test on rain-induced vibration of the stay cable in Proceedings of International Symposium on Cable Dynamics 1995 Lie`ge, Belgium Matsumoto, M Observed behaviour of prototype cable vibration and its generation mechanism in Bridge Aerodynamics 1998 Balkema, Rotterdam 55 ... hầm gió, biểu đồ tương quan đại lượng đặc trưng vận tốc gió, tần số kích thích, phổ lượng độ tương quan vị trí dây cáp văng 23 Chương ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG 3.1 Phương pháp nghiên. .. cáp văng đo vị trí theo dây cáp hướng đo nằm theo hướng gió Dây cáp bố trí hầm gió cho hướng gió tác dụng với dây cáp văng với góc ngang 0, 30 45 độ, gốc nghiêng dây cáp văng khoảng 25 độ hình... động mưa gió kết hợp) Ảnh hưởng nguy hiểm đến kết cấu Do việc nghiên cứu biện pháp hạn chế loại dao động quan trọng 1.2.2 Mục tiêu đề tài Nghiên cứu tìm đặc điểm dịng gió qua dây cáp văng với