Tiến Sĩ Nghiên cứu ứng dụng hệ giảm chấn chất lỏng trong kiểm soát dao động cho cầu dây văng tại Việt Nam

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
NĂM 2014
MỤC LỤC
PHẦN MỞ ĐẦU . 14
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 15
2. Mục tiêu và tư tưởng chính của luận án . 15
3. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 16
CHƯƠNG 1 . 17
TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG VÀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN DAO ĐỘNG SỬ
DỤNG THIẾT BỊ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG 17
1.1. Tổng quan về cầu dây văng và dao động của tháp cầu . 17
1.2. Tác động gây dao động và bài toán điều khiển dao động . 21
1.2.1. Tác động do hoạt tải 22
1.2.2. Tác động do động đất 23
1.2.3. Tác động do gió . 24
1.3. Kiểm soát dao động cho kết cấu bằng thiết bị điều khiển dao động (thiết bị
giảm chấn) 26
1.4. Tổng quan về hệ giảm chấn chất lỏng TLD 30
1.4.1. Thùng cứng chứa chất lỏng . 32
1.4.2. Chất lỏng và ảnh hưởng của chuyển động chất lỏng trong thùng chứa chất
lỏng TLD . 34
1.5. Tình hình nghiên cứu và ứng dụng hệ giảm chấn dùng chất lỏng (TLD). 37
1.6. Phân tích, đánh giá các nghiên cứu và ứng dụng giảm chấn TLD 42
1.6.1. Tháp hàng không Nagasaki – Nhật Bản (NAT) 44
1.6.2. Tháp Yokohama Marine – Nhật Bản (YMT) 45
1.6.3. Khách sạn Shin - Yokohama Prince – Nhật Bản (SYPH) . 45
1.6.4. Tháp sân bay quốc tế Tokyo (TIAT) . 46
1.7. Những vấn đề còn tồn tại và hướng nghiên cứu chính của luận án 48
CHƯƠNG 2 . 52
CƠ SỞ LÝTHUYẾT TÍNH TOÁN GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG VÀ HỆ TƯƠNG TÁC
GIỮA KẾT CẤU VỚI GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG (TLD) . 52
2.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của giảm chấn chất lỏng (TLD) 52
2.2. Cơ sở lý thuyết phân tích chuyển động của chất lỏng trong thùng chứa để tạo
hiệu quả giảm chấn. 53
2.3. Mô hình tính toán hệ giảm chấn chất lỏng (TLD) và hệ tương tác giữa kết cấu
và TLD. 56
2.4. Các tham số cơ bản và cơ chế tạo lực cản do chất lỏng chuyển động văng té
trong giảm chấn chất lỏng (TLD) . 59
2.5. Các phương pháp phân tích và giải bài toán làm việc chung giữa kết cấu và hệ
giảm chấn chất lỏng TLD . 66
2.5.1. Phương pháp truyền thống . 67
Trong đó m, c, k lần lượt là khối lượng, tín hcản và độ cứng của kết cấu 67
2.5.2. Phương pháp năng lượng . 67
2.6. Kết luận chương 2 . 73
CHƯƠNG 3 . 74
PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ GIẢM DAO ĐỘNG CHO THÁP CẦU DÂY VĂNG KHI SỬ
DỤNG HÀM ỨNG XỬ TẦN SỐ THIẾT LẬP CHO CÁC HỆ GIẢM CHẤN CHẤT
LỎNG 74
3.1 Giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD và các giả thiết cho xây dựng phương
trình hàm ứng xử tần số 74
3.2 Xây dựng hàm ứng xử tần số cho hệ tương tác giữa kết cấu và giảm chấn chất
lỏng đa tần số MTLD. 77
3.3 Phân tích, đánh giá hiệu quả của hệ MTLD so với STLD và kết cấu khi không
có TLD thông qua hàm ứng xử tần số thiết lập 84
3.3.1 Các trường hợp đề xuất cho khảo sát ảnh hưởng của các tham số đến hiệu
quả giảm chấn 85
3.3.2 Kết quả khảo sát ứng xử của kêt cấu khi gắn MTLD sử dụng phương trình
hàm ứng xử tần số đã thiết lập 86
3.4 Kết luận chương 3 . 99
CHƯƠNG 4 . 100
THỰC HIỆN THÍ NGHIỆM MÔ HÌNH TRÊN BÀN RUNG NHẰM ĐÁNH GIÁ HIỆU
QUẢ GIẢM DAO ĐỘNG CỦA GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG TLD 100
4.1. Tổng quan và mục đích thí nghiệm . 100
4.2. Bàn rung và sự phù hợp của thiết bị cho thí nghiệm đối chứng 100
4.3. Lựa chọn mô hình thí nghiệm và mô hình kết cấu cho thí nghiệm . 102 4.3.1. Mô hình thí nghiệm . 102
4.3.2. Mô hình kết cấu cho thí nghiệm 103
4.4. Phân tích mô hình kết cấu cho thí nghiệm và các trường hợp thí nghiệm 105
4.4.1. Phân tích xác định tần số dao động riêng và các mode dao động của mô
hình thí nghiệm sử dụng phần mềm phân tích kết cấu Midas Civil 105
4.4.2. Các trường hợp khảo sát thí nghiệm 107
4.5. Thực hiện thí nghiệm . 110
4.6. Đánh giá kết quả đo đạc mô hình kết cấu thí nghiệm khi so sánh với phân tích
sử dụng hàm ứng xử tần số thiết lập 114
Chi tiết kết quả thí nghiệm các trường hợp của mô hình kết cấu trên bàn rung: . 115
4.7. Kết luận chương 4 . 125
CHƯƠNG 5 . 126
HỆ GIẢM CHẤN CHẤT LỎNG ÁP DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU BÃI CHÁY –
VIỆT NAM 126
5.1. Tổng quan về cầu dây văng Bãi Cháy tại Việt Nam. 126
5.2. Gió và biện pháp giảm dao động do gió khi sử dụng thiết bị giảm chấn dùng
chất lỏng TLD cho cầu dây văng Bãi Cháy – Việt Nam 127
5.2.1. Gió và ảnh hưởng của gió đến sự làm việc của tháp cầu Bãi Cháy . 127
5.2.2. Tổng quan về giảm chấn chất lỏng TLD hiện có tại cầu Bãi Cháy . 128
5.3. Nghiên cứu tính toán kiểm chứng hiệu quả của giảm chấn chất lỏng đa tần số
(MTLD) trên mô hình công trình cầu Bãi Cháy có xem xét ảnh hưởng của tần số dao
động riêng của kết cấu tháp cầu. 134
5.2.3. Tính toán kiểm chứng, thiết kế giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) cho
tháp cầu Bãi Cháy sử dụng tần số thiết kế chỉ đạo f = 0.1886Hz lấy từ phân tích
kết cấu trên phần mềm . 134
5.2.4. Tính toán kiểm chứng, thiết kế MTLD cho tháp cầu Bãi Cháy sử dụng tần
số thiết kế chỉ đạo f0 = 0.2Hz 140
5.4. Kết luận chương 5 . 143
KẾT LUẬN . 145
KIẾN NGHỊ VỀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO . 148
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN
ÁN . 149
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 150

PHẦN MỞ ĐẦU
Ảnh hưởng của các tác động động lực học đối với các kết cấu nhạy cảm như các tòa nhà
cao tầng, tháp hàng không, và cầu dây văng, dây võng luôn được quan tâm và xem xét
trong các thiết kế. Thông qua nhiều nghiên cứu có thể dễ dàng nhận thấy rằng tác động
động lực học gây dao động cho các kết cấu công trình làm tăng khả năng mất ổn định
động lực do cộng hưởng, tăng nội lực và biến dạng trong các bộ phận kết cấu, đẩy nhanh
tốc độ phá hoại do mỏi, gây hư hỏng và giảm tuổi thọ của các phương tiện, và đặc biệt là
gây ra hiệu ứng tâm lý cho người sử dụng.
Đối với cầu dây văng, các tác động được kể đến này bao gồm: tác động thường xuyên do
gió, tác động của hoạt tải và các tác động mang tính chất tức thời khác như động đất, va
xô tàu bè hoặc ô tô vào trụ cầu.
Việc nghiên cứu ảnh hưởng động học chủ yếu được thực hiện đối với các kết cấu cầu
dây văng và dây võng – các kết cấu đang được áp dụng rộng rãi bởi có tính thẩm mỹ cao
và khả năng vượt nhịp lớn. Các kết cấu này khá thanh mảnh nên nhạy cảm với các tác
động động, gây ra các vấn đề liên quan đến tính ổn định khí động học hoặc trạng thái
mỏi do dao động như là: tác động của hoạt tải, tác động của gió và tác động của động
đất Mỗi loại tác động này mang những nét đặc trưng riêng khi tác động vào kết cấu.
Để giải quyết bài toán ổn định, giảm dao động bất lợi cho kết cấu, việc thiết kế kháng
chấn đã trở thành yêu cầu bắt buộc trong quá trình thiết kế và xây dựng. Trong các giải
pháp kháng chấn, giải pháp sử dụng thiết bị giảm chấn kiểu bị động nói chung và bộ
giảm chấn dùng chất lỏng (TLD) nói riêng rất có hiệu quả bởi các lý do như khả năng hấp
thụ cũng như tiêu tán năng lượng dao động cao ngay cả với các kích động nhỏ; dễ chế tạo
và lắp đặt; giá thành thấp nên khá phù hợp trong điều kiện nước ta.
Trên thế giới việc áp dụng giảm chấn chất lỏng (TLD) để giảm dao động cho các công
trình xây dựng nói chung và cho cầu dây văng nói riêng đã nhận được sự quan tâm của
nhiều nhà khoa học. Ở Việt Nam, năm 2006, lần đầu tiên hệ giảm chấn chất lỏng được áp
dụng để giảm dao động do gió cho tháp cầu dây văng Bãi Cháy. Hàng loạt các câu hỏi
đặt ra về việc áp dụng hệ giảm chấn này và kèm theo là các nghiên cứu muốn tìm ra câu
trả lời để các kỹ sữ Việt Nam có thể tính toán, thiết kế và áp dụng cho các công trình
khác. Tại cầu Bãi cháy không chỉ có 1 thùng chất lỏng mà rất nhiều thùng nhỏ và lại
được bố trí ở nhiều vị trí dọc theo chiều cao tháp. Tại các vị trí khác nhau số lượng các
thùng lại khác nhau. Vậy hiệu quả của hệ giảm chấn dùng chất lỏng này thế nào và ảnh
hưởng của số lượng, cách bố trí các thùng đến hiệu quả giảm dao động thế nào là những
câu hỏi cần được làm sáng tỏ.
Đề tài tập trung vào nghiên cứu TLD bao gồm: nghiên cứu tổng quan về cấu tạo, nguyên
lý làm việc và nguyên lý chung tính toán hệ TLD khi được lắp đặt vào kết cấu. Nghiên
cứu mô hình tính toán thiết kế TLD để nhằm khảo sát được sự ảnh hưởng của các tham
số TLD đến hiệu quả giảm dao động của TLD cho các kết cấu dạng cột, từ đó thúc đẩy
việc ứng dụng cho thiết kế kháng chấn cho tháp cầu dây văng. Luận án chỉ ra có 2 loại hệ
TLD cơ bản là: Loại chỉ bao gồm 1 hoặc nhiều thùng chứa chất lỏng có cùng tần số dao
động riêng – gọi là loại giảm chấn chất lỏng đơn tần số (viết tắt là STLD) và loại gồm
nhiều thùng chứa chất lỏng với các thùng có tần số dao động riêng khác nhau trong một
dải tần số tính toán nào đó – gọi là loại giảm chấn chất lỏng đa tần số (viết tắt là
MTLD).Nghiên cứu về hệ STLD khá đầy đủ với nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học
trên thế giới, trong khi nghiên cứu về hệ MTLD còn sơ sài và chủ yếu là các nghiên cứu
thực nghiệm, bán thực nghiệm. Để làm rõ hơn về khả năng áp dụng hệ MTLD thông qua
việc phân tích tính toán mô hình làm việc chung giữa kết cấu và MTLD, là đối tượng
nghiên cứu chính của luận án.
1. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Giảm dao động có hại cho các kết cấu, tăng hiệu quả hoạt động của kết cấu là xu hướng
luôn được quan tâm trong một xã hội phát triển. Việc nghiên cứu áp dụng hệ thiết bị giảm
dao động - hệ giảm chấn – lắp đặt vào kết cấu nói chung và hệ giảm chấn chất lỏng nói
riêng làm giảm dao động cho kết cấu là vấn đề được nhiều nhà khoa học quan tâm. Để
theo kịp với trình độ phát triển khoa học công nghệ, làm sáng tỏ một hệ thiết bị mới và
khả năng áp dụng tại Việt Nam – hệ giảm chấn chất lỏng TLD, tạo tài liệu tốt cho các nhà
nghiên cứu, các kỹ sư trong việc thiết kế hệ TLD cho các kết cấu khác nhằm giảm dao
động cho kết cấu dưới tác động động, việc nghiên cứu đề tài này sẽ là rất cần thiết. Đề tài
đề cập tới các vấn đề nghiên cứu về lý thuyết các hệ giảm chấn dùng chất lỏng (viết tắt là
TLD) nói chung và ứng dụng hệ giảm chấn này cho cầu dây văng là phù hợp với điều
kiện tự nhiên cũng như kinh tế xã hội ở Việt Nam và thông qua đó mở ra khả năng có thể
tính toán thiết kế và áp dụng hệ giảm chấn chất lỏng TLD cho các dạng kết cấu công
trình khác nhau tại Việt Nam.
2. Mục tiêu và tư tưởng chính của luận án
Nghiên cứu chi tiết về hệ giảm chấn chất lỏng bao gồm: cấu tạo, đặc tính làm việc và các
thông số có liên quan tới hiệu quả giảm dao động cho tháp cầu dây văng đặc biệt là cầu
dây văng một mặt phẳng dây. Xây dựng hàm ứng xử tần số để đánh giá khả năng giảm
dao động cho kết cấu khi có lắp đặt giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD). Khảo sát các
trường hợp về ảnh hưởng của các tham số đến hiệu quả này. Xây dựng một thí nghiệm
trên mô hình đặt trên bàn rung được tiến hành nhằm xây dựng cơ sở dữ liệu đối chứng
với kết quả khảo sát lý thuyết trên hàm toán học đã xây dựng. Cuối cùng phân tích tính
toán mô hình giảm chấn chất lỏng đa tần số (MTLD) trong trường hợp nếu sử dụng cho
tháp cầu Bãi Cháy tại Việt Nam. Tính toán thiết kế này được so sánh với tính toán thiết
kế theo mô hình hiện tại (hệ giảm chấn chất lỏng đơn tần số) đã lắp đặt tại đây.
Chi tiết các nội dung nghiên cứu trong luận án như sau:
- Nghiên cứu lý thuyết về hệ thống giảm chấn chất lỏng TLD. Các đặc tính của hệ đơn
giảm chấn STLD và hệ đa giảm chấn MTLD và cơ chế tạo lực cản làm giảm dao động
của kết cấu. Tính khả thi của việc áp dụng TLD cho thiết kế giảm chấn cho tháp cầu
dây văng.
- Nghiên cứu thiết lập hàm ứng xử tần số phản ánh ứng xử của kết cấu theo tỷ lệ tần số
kích động với tần số kết cấu trong các trường hợp kết cấu lắp đặt hệ STLD và MTLD.
- So sánh hiệu quả của hệ SLTD và hệ MTLD trong việc giảm dao động cho kết cấu.
- Xây dựng và tiến hành thí nghiệm trên mô hình thực nghiệm để đối chiếu với kết quả
nghiên cứu lý thuyết.
- Khảo sát về một số tham số hợp lý cho hệ MTLD nhằm tăng hiệu quả giảm dao động
cho hệ.
- Áp dụng các nghiên cứu về hệ MTLD tính toán kiểm chứng cho sơ đồ công trình cầu
Bãi cháy. So sánh hiệu quả của hệ thiết kế mới (giảm chấn chất lỏng đa tần số MTLD)
với hệ giảm chấn hiện có (giảm chấn chất lỏng đơn tần số STLD) tại công trình.