Tiến Sĩ Nghiên cứu biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter trong kết cấu cầu hệ treo

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2015
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 1
2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN 2
3. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU . 3
4. PHẠM VI NGHIÊN CỨU . 3
5. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 3
6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN . 4
7. CẤU TRÚC CỦA LUẬN ÁN . 4
Chương 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG FLUTTER TRONG . 6
1.1 DAO ĐỘNG FLUTTER TRONG CẦU HỆ TREO . 6
1.1.1 Các hiện tượng khí động đàn hồi 6
1.1.2 Dao động flutter . 7
1.1.3 Kiểm soát mất ổn định flutter . 9
1.2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH FLUTTER TRONG CẦU HỆ . 12
1.2.1 Các nghiên cứu về phân tích bài toán flutter . 12
1.2.2 Các nghiên cứu về biện pháp nâng cao ổn định flutter 19
1.2.3 Các nghiên cứu ổn định flutter bằng phương pháp “hầm gió số” 29
1.2.4 Thiết kế kháng gió cho một số cầu hệ treo ở Việt Nam 32
1.2.5 Các nghiên cứu về khí động ở Việt Nam 35
1.3 VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU . 38
1.3.1 Những kết quả chính đã được các nhà khoa học công bố 38
1.3.2 Những nội dung nghiên cứu của luận án 39
Kết luận Chương 1 39
Chương 2: MÔ PHỎNG SỰ TƯƠNG TÁC GIỮA KẾT CẤU VÀ DÒNG . 40
2.1 VÀI NÉT CƠ BẢN VỀ HẦM GIÓ . 40
2.1.1 Lớp biên của hầm gió . 40
2.1.2 Mô hình trong hầm gió . 41
2.2 PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” 43
2.2.1 Phương trình RANS . 43
2.2.2 Phương pháp tính . 44
2.2.3 Xác định các tham số khí động . 45
2.2.4 Thuật toán mô phỏng . 48
2.3 KIỂM ĐỊNH PHƯƠNG PHÁP “HẦM GIÓ SỐ” CHO MỘT SỐ KẾT CẤU 49
2.3.1 Tiết diện tròn . 50
2.3.2 Tiết diện ngang cầu Great Belt . 53
2.3.3 Tiết diện tấm mỏng phẳng 55
2.3.4 Kết cấu nhịp cầu treo Thuận Phước 59
Kết luận Chương 2: . 64
Chương 3: NGHIÊN CỨU CƠ CHẾ PHÁT SINH MẤT ỔN ĐỊNH FLUTTER 65
3.1 DAO ĐỘNG FLUTTER 65
3.1.1 Dao động flutter xoắn (1DOF) . 65
3.1.2 Dao động flutter uốn-xoắn (2DOF) 66
3.1.3 Phân tích ảnh hưởng của các vi phân khí động đến dao động flutter . 69
3.2 PHÂN TÍCH CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH FLUTTER ĐỐI VỚI KẾT CẤU NHỊP 75
3.2.1 Phân tích cơ chế phát sinh và ngăn chặn mất ổn định flutter . 75
3.2.2 Phân tích ảnh hưởng của các “tham số cản” đến ổn định flutter 78
3.3 PHÂN TÍCH MỘT BIỆN PHÁP CẢI TIẾN FAIRING CONG LÕM 81
Kết luận Chương 3: . 84
Chương 4: PHÂN TÍCH VÀ XÁC ĐỊNH MIỀN THAM SỐ HIỆU QUẢ CỦA 86
4.1 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA GÓC FAIRING VÀ VỊ TRÍ MÉP . 86
4.1.1 Khảo sát miền hiệu quả của góc fairing 86
4.1.2 Khảo sát đồng thời các tham số góc fairing và vị trí mép đón gió . 88
4.2 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA CHIỀU DÀI TẤM SPOILER . 91
4.3 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA BỀ RỘNG KHE SLOT . 92
4.4 PHÂN TÍCH MIỀN HIỆU QUẢ CỦA GÓC FAIRING LÕM . 95
4.4.1 Phân tích miền hiệu quả của góc fairing tam giác lõm 95
4.4.2 Phân tích miền hiệu quả của góc fairing cong lõm 101
Kết luận Chương 4: . 106
KẾT LUẬN . 107

1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
MỞ ĐẦU
Kết cầu cầu hệ treo hiện đại là kết cấu có nhiều đặc tính ưu việt mà ở đó thể
hiện khả năng vượt nhịp lớn, có hình dáng kiến trúc độc đáo và là giải pháp kết cấu
được ưu tiên lựa chọn. Trong thời gian gần đây, nhiều cầu có kết cấu dạng hệ treo
nổi tiếng đã xây dựng như cầu Tatara (Nhật Bản, 1998), Akashi Kaiyo (Nhật Bản,
1998), Sutong (Trung Quốc, 2008), Russky (Nga, 2012) ; ngoài ra một số dự án
cầu nhịp rất lớn đang và sẽ được xây dựng như cầu Messina (Ý, nhịp chính 3300m),
Gibraltar (Tây Ban Nha và Ma Rốc, 5000m), . Ở Việt Nam, nhiều cầu hệ treo đã
được đầu tư xây dựng và đưa vào khai thác như cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long, 2000),
Bãi Cháy (Quảng Ninh, 2006), Cần Thơ (Cần Thơ, 2010), Thuận Phước (Đà Nẵng,
2009), Trần Thị Lý (Đà Nẵng, 2013), cầu Nhật Tân (Hà Nội, 2015), và một số
dự án cầu đang và sẽ triển khai như Vàm Cống, Cao Lãnh (Đồng Tháp),
Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, ngành sản xuất vật
liệu đã tạo ra những sản phẩm có tính năng cao, tạo điều kiện phát triển mới cho các
cầu dây văng và cầu treo hiện đại. Các kết cấu ngày càng trở nên thanh mảnh hơn,
có trọng lượng nhỏ hơn và có thể vượt những khẩu độ lớn hơn. Tuy nhiên, những
kết cấu này lại nhạy cảm với các nguyên nhân gây dao động. Do vậy, nghiên cứu
các tác động và cơ chế gây ra dao động, trong đó có tác động của gió, luôn có ý
nghĩa quan trọng trong thiết kế các loại hình kết cấu này.
Trong các hiệu ứng động do tác động của gió lên công trình cầu, vấn đề mất



ổn định khí động luôn được quan tâm đặc biệt vì nó thường diễn ra nhanh, đột ngột,
khó lường và gây hư hại nghiêm trọng hoặc/và sụp đổ công trình. Khó khăn của bài
toán phân tích ổn định khí động là các tác động do gió lên công trình có thể gây ra
nhiều hiện tượng; đồng thời công trình cũng phản ứng rất phức tạp đối với tác động
của gió. Các nghiên cứu phải tiến hành đồng thời cả lý thuyết và thực nghiệm; tuy
nhiên hiện nay chưa có một phương pháp số hay giải tích nào mô tả được đầy đủ
các tác động của gió và phản ứng của công trình dưới tác động của gió. Bài toán ổn định khí động hiện vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển; trong đó vấn đề nổi
bật là cần mô tả rõ nét cơ chế gây ra mất ổn định flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ
treo. Từ đó, các biện pháp kiểm soát được phân tích và miền tham số hình học hiệu
quả của tiết diện ngang cầu được xác định nhằm nâng cao ổn định flutter.
Ở Việt Nam hiện nay, một số công trình cầu hệ treo quy mô lớn đã hoàn
thành, một số khác đang trong giai đoạn chuẩn bị và xây dựng. Việc thiết kế chống
gió đối với kết cấu cầu này còn hạn chế và vấn đề này chủ yếu đều do các tổ chức tư
vấn nước ngoài thực hiện. Do vậy, nhu cầu xây dựng các công trình cầu hệ treo
trong thời gian tới đã đặt ra sự cần thiết nghiên cứu chuyên sâu vấn đề kiểm soát ổn
định khí động flutter đối với ngành xây dựng cầu Việt Nam.
Vì vậy, đề tài Nghiên cứu biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter
trong kết cấu cầu hệ treo có tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN
1. Tập hợp các vấn đề đã được nghiên cứu liên quan đến bài toán phân tích
và các biện pháp nâng cao ổn định khí động flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo;
và từ đó cho thấy một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
2. Vận dụng tốt phương pháp CWE-“hầm gió số”, trong đó nắm vững thuật
toán CFD để mô phỏng sự tương tác giữa dòng gió và kết cấu theo mô hình tiết diện
và kiểm định kết quả. Với độ chính xác phù hợp, phương pháp CWE-“hầm gió số”
đóng vai trò công cụ trong phân tích ổn định khí động flutter.
3. Phân tích hai bài toán mất ổn định flutter xoắn và flutter uốn-xoắn, đánh
giá mức độ và vai trò ảnh hưởng của các vi phân khí động đến tổng cản hệ kết cấudòng
gió và vận tốc gió flutter tới hạn. Mô tả và phân tích rõ hơn các cơ chế gây
mất ổn định flutter đối với các tiết diện ngang cầu với một số giải pháp khí động
khác nhau; từ đó kiến nghị một giải pháp cải tiến fairing cong lõm nhằm nâng cao
ổn định flutter, cho phép tăng vận tốc gió flutter tới hạn.
4. Xác định miền tham số hình học hiệu quả của tiết diện hộp, ứng với một
số giải pháp khí động, để nâng cao ổn định flutter đối với kết cấu nhịp cầu hệ treo.