Luận án Nghiên cứu biện pháp nâng cao ổn định khí động Flutter trong kết cấu cầu hệ treo

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN VĂN MỸ NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG FLUTTER TRONG KẾT CẤU CẦU HỆ TREO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – Năm 2015 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG NGUYỄN VĂN MỸ NGHIÊN CỨU BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG FLUTTER TRONG KẾT CẤU CẦU HỆ TREO Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông – Xây dựng Cầu hầm Mã số: 62580205-1 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TẬP THỂ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS. TS. Phạm Duy Hòa 2. GS. TS. Lê Xuân Huỳnh Hà Nội – Năm 2015 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Những nội dung, số liệu và kết quả trình bày trong luận án là hoàn toàn trung thực và chưa có tác giả nào công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Nguyễn Văn Mỹ iv LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tập thể cán bộ hướng dẫn khoa học: các thầy giáo PGS. TS Phạm Duy Hòa và GS. TS Lê Xuân Huỳnh đã tận tâm hướng dẫn, động viên khích lệ và có nhiều đóng góp ý kiến khoa học quý báu giúp tôi hoàn thành luận án và nâng cao năng lực khoa học. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong bộ môn Cầu và công trình ngầm của trường Đại học Xây dựng, bộ môn Cầu-Hầm của trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, trường Đại học Giao thông vận tải và Viện Cơ học đã có những ý kiến đóng góp giá trị và tạo điều kiện thuận lợi để tôi hoàn thành luận án. Và tôi cũng chân thành cám ơn Ban Giám hiệu trường Đại học Xây dựng, Ban Giám hiệu trường Đại học Bách khoa và Ban Giám đốc Đại học Đà Nẵng đã hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành công trình nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tôi bày tỏ lòng biết ơn vợ và các con, người thân trong gia đình và bạn bè đã động viên và giúp đỡ để tôi vượt qua những khó khăn trong quá trình làm luận án. Tác giả luận án Nguyễn Văn Mỹ v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................................iii LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iv MỤC LỤC .............................................................................................................. v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ......................................................................... viii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ............................................... xiii 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 vi 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 vii A. Những nội dung đã được thực hiện trong luận án ............................................ 107 B. Những đóng góp mới của luận án .................................................................... 108 C. Hướng nghiên cứu phát triển ........................................................................... 108 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ....................... 109 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 111 Tiếng Việt ........................................................................................................... 111 Tiếng Anh ........................................................................................................... 111 PHỤ LỤC................................................................................................................ I Phụ lục A: Phương pháp step-by-step của Matsumoto [57[63]................................. I Phụ lục B: Các bước phân tích ổn định flutter của kết cấu nhịp cầu Thuận .......... VII viii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các cầu hệ treo nhịp lớn với các biện pháp kiểm soát flutter [27] ............... 12 Bảng 1.2 Tiết diện các mô hình M1 đến M8 .............................................................. 21 Bảng 1.3 Các dạng fairing cho các mô hình M1 đến M8............................................ 21 Bảng 1.4 Tiết diện các mô hình S1 đến S12 ............................................................... 22 Bảng 1.5 Các dạng fairing cho các mô hình S1 đến S12 ............................................ 22 Bảng 1.6 Một số cầu hệ treo được thiết kế chống gió do các tư vấn nước ngoài ......... 33 Bảng 2.1 Các yêu cầu tỷ lệ mô hình thí nghiệm dao động tự do [109] ....................... 42 Bảng 2.2 Các yêu cầu đối với mô hình khí động cầu hoàn chỉnh [109] ...................... 42 Bảng 2.3 Kiểm chứng các hệ số lực tĩnh từ mô phỏng và thí nghiệm hầm gió ........... 53 Bảng 2.4 Kết quả các vi phân khí động đối với dao động thẳng đứng ........................ 57 Bảng 2.5 Kết quả các vi phân khí động đối với dao động xoay .................................. 57 Bảng 2.6 Các tham số mô hình tiết diện kết cấu nhịp cầu Thuận Phước ..................... 59 Bảng 2.7 Vận tốc flutter tới hạn của mô hình ............................................................. 64 Bảng 3.1 Sự thay đổi i iF x  theo vận tốc đối với tiết diện dạng không thoát gió .... 71 Bảng 3.2 Sự thay đổi i iF x  theo vận tốc đối với tiết diện dạng thoát gió ............... 71 Bảng 3.3 Quan hệ vi phân khí động-vận tốc flutter tiết diện dạng không thoát gió ..... 72 Bảng 3.4 Quan hệ vi phân khí động-vận tốc flutter tiết diện dạng thoát gió ............... 74 Bảng 3.5 Vận tốc flutter tới hạn đối với năm dạng tiết diện phân tích ........................ 77 Bảng 4.1 Vận tốc flutter xoắn tới hạn criU ứng với góc α và bề rộng B ...................... 87 Bảng 4.2 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với góc α và bề rộng B............... 87 Bảng 4.3 Vận tốc flutter xoắn tới hạn criU ứng với góc d/h và bề rộng B ................... 89 Bảng 4.4 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với góc d/h và bề rộng B ............ 89 Bảng 4.5 Vận tốc flutter xoắn tới hạn criU ứng với B và L/B ..................................... 91 Bảng 4.6 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với B và L/B .............................. 91 Bảng 4.7 Vận tốc flutter xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B ...................... 96 Bảng 4.8 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B .............. 97 Bảng 4.9 Vận tốc flutter xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B .................... 100 Bảng 4.10 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B........... 100 Bảng 4.11 Vận tốc flutter tới hạn xoắn criU ứng với góc  và bề rộng B .................. 102 ix Bảng 4.12 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B........... 102 Bảng 4.13 Vận tốc flutter xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B .................. 105 Bảng 4.14 Vận tốc flutter uốn-xoắn tới hạn criU ứng với góc  và bề rộng B .......... 105 Bảng 4.15 Tổng hợp miền hiệu quả của tham số hình học tiết diện .......................... 106 Bảng B.1 Vận tốc flutter tới hạn của mô hình ............................................................. X x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Quan hệ giữa tần số dao động riêng nhỏ nhất và chiều dài nhịp của 40 cầu ... 6 Hình 1.2 Sơ họa các hiện tượng khí động đàn hồi ........................................................ 7 Hình 1.3 Các chi tiết khí động [27] ............................................................................ 10 Hình 1.4 Nguyên lý thiết bị TMD .............................................................................. 11 Hình 1.5 Sự sụp đổ cầu Tacoma Narrows [66] ........................................................... 12 Hình 1.6 Quá trình xử lý bài toán ổn định khí động ................................................... 19 Hình 1.7 Mô hình tiết diện cầu Tacoma có gắn fairing .............................................. 20 Hình 1.8 Mô hình dầm kín và các dạng fairing cụt..................................................... 23 Hình 1.9 Mô hình tiết diện dầm hở ............................................................................ 23 Hình 1.10 Mặt cắt ngang có bố trí các chi tiết khí động ............................................. 24 Hình 1.11 Các lựa chọn tiết diện đảm bảo ổn định flutter .......................................... 25 Hình 1.12 Các dạng tiết diện ban đầu và có slot tương ứng ........................................ 26 Hình 1.13 Mô hình lưới dao động .............................................................................. 30 Hình 1.14 Các lưới biến dạng khi vật thể dao động a) uốn và b) xoắn........................ 30 Hình 1.15 Dạng hình học của bốn loại tiết diện ngang cầu......................................... 30 Hình 1.16 Các loại tiết diện ngang theo Lin Huang.................................................... 31 Hình 1.17 Các miền chia lưới đối với tiết diện hình chữ nhật và hộp ......................... 31 Hình 1.18 Hệ thống điều khiển tấm flap .................................................................... 35 Hình 1.19 Hệ thống điều khiển chủ động bằng tấm winglet ....................................... 36 Hình 1.20 Mô hình lý thuyết và thí nghiệm hầm gió với TMDs ................................. 36 Hình 1.21 Áp dụng giải pháp fairing cho cầu Nhật Tân [74] ...................................... 37 Hình 2.1 Sơ họa các miền chia lưới trong “hầm gió số” ............................................. 47 Hình 2.2 Sơ đồ thuật toán mô phỏng bằng phương pháp “hầm gió số” ...................... 49 Hình 2.3 Miền phân tích tiết diện tròn trong “hầm gió số” ......................................... 50 Hình 2.4 Tạo lưới trong miền tính toán ...................................................................... 51 Hình 2.5 Phổ áp suất trong miền tính toán ................................................................. 51 Hình 2.6 Phổ véc tơ vận tốc trong miền tính toán ...................................................... 52 Hình 2.7 Đường cong hệ số lực cản và lực nâng theo thời gian của tiết diện tròn....... 52 Hình 2.8 Mặt cắt ngang cầu Great Belt theo tỷ lệ 1:80 ............................................... 53 Hình 2.9 Miền phân tích tiết diện Great Belt trong “hầm gió số” ............................... 53 Hình 2.10 Miền tạo lưới ............................................................................................ 54 Hình 2. 11 Phổ áp suất và phổ vận tốc ....................................................................... 54 xi Hình 2.12 Biểu độ CL và CM theo “hầm gió số” và thí nghiệm hầm gió ..................... 55 Hình 2.13 Miền phân tích tấm mỏng phẳng trong “hầm gió số” ................................. 56 Hình 2.14 Miền tạo lưới tấm mỏng phẳng ................................................................. 56 Hình 2.15 Phổ áp suất và phổ vận tốc ........................................................................ 57 Hình 2.16 Quan hệ giữa H*1 và H*4 với vận tốc triết giảm ........................................ 58 Hình 2.17 Quan hệ giữa A*1 và A*4 với vận tốc triết giảm ........................................ 58 Hình 2.18 Quan hệ giữa H*2 và H*3 với vận tốc triết giảm ........................................ 58 Hình 2.19 Quan hệ giữa A*2 và A*3 với vận tốc triết giảm ........................................ 59 Hình 2.20 Mặt chính diện và mặt cắt ngang cầu treo Thuận Phước ............................ 60 Hình 2.21 Miền phân tích mặt cắt ngang cầu Thuận Phước ....................................... 61 Hình 2.22 Miền tạo lưới mặt cắt ngang cầu Thuận Phước .......................................... 61 Hình 2.23 Kết quả H*1 và H*4 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.24 Kết quả H*2 và H*3 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.25 Kết quả A*1 và A*4 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.26 Kết quả A*2 và A*3 từ thí nghiệm hầm gió và “hầm gió số”...................... 62 Hình 2.27 Quan hệ giữa tổng cản và vận tốc dòng với các góc tới 0o, +3o và -3o ........ 63 Hình 3.1 Sơ đồ tính toán mất ổn định flutter .............................................................. 68 Hình 3.2 a) Tiết diện dạng không thoát gió và b) Tiết diện dạng thoát gió ................. 69 Hình 3.3 Các tiết diện ngang cầu ............................................................................... 75 Hình 3.4 Mô phỏng sự tương tác dòng khí với các dạng mặt cắt ngang cầu ............... 76 Hình 3.5 Quan hệ giữa “tham số cản” C1 với vận tốc dòng U .................................... 79 Hình 3.6 Quan hệ giữa “tham số cản” C2 với vận tốc dòng U .................................... 80 Hình 3.7 Quan hệ giữa “tham số cản” C3 với vận tốc dòng U .................................... 80 Hình 3.8 Quan hệ giữa “tham số cản” C4 với vận tốc dòng U .................................... 80 Hình 3.9 Quan hệ giữa “tham số cản” C5 với vận tốc dòng U .................................... 81 Hình 3.10 Tiết diện ngang cầu có fairing vát xiên và cong lõm .................................. 82 Hình 3.11 Phổ vận tốc và phổ áp suất xung quanh tiết diện có fairing vát xiên .......... 83 Hình 3.12 Phổ vận tốc và phổ áp suất xung quanh tiết diện có fairing cong lõm ........ 83 Hình 3.13 Biểu đồ hệ số áp suất tại bề mặt của tiết diện fairing vát xiên và cong lõm 84 Hình 4.1 Tiết diện ngang cầu với biện pháp fairing ................................................... 86 Hình 4.2 Đường hồi quy Ucri,i/Ucr,18 ứng với bề rộng B khác nhau ............................. 88 Hình 4.3 Vị trí mép đón gió của tiết diện fairing ........................................................ 88 Hình 4.4 Quan hệ giữa Ucri, d/h và B với =24 o ........................................................ 89 xii Hình 4.5 Quan hệ giữa Ucri, d/h và B với =26 o ........................................................ 90 Hình 4.6 Quan hệ giữa Ucri, d/h và B với =28 o ........................................................ 90 Hình 4.7 Tiết diện ngang cầu dùng biện pháp spoiler................................................. 91 Hình 4.8 Đường hồi quy Ucri,i/Ucr,0 theo L/B ứng với B khác nhau ............................. 92 Hình 4.9 Tiết diện ngang cầu dùng biện pháp slot ..................................................... 93 Hình 4. 10 Quan hệ giữa tổng cản với vận tốc d