Luận văn Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán điều khiển bất ổn định khí động lực học của cầu cáp treo (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài toán điều khiển bất ổn định khí động lực học của cầu cáp treo (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HỒNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S K C0 0 3 6 1 5 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2012
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HỒNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ PHẠM THANH HỒNG ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO BÀI TỐN ĐIỀU KHIỂN BẤT ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU CÁP TREO NGÀNH: CƠNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫnn khoa học: TS. PHAN ĐỨC HUYNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2012
4. LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: PHẠM THANH HỒNG Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/ 02/1982 Nơi sinh: Thanh Hĩa Quê quán: Thanh Hĩa Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Phƣờng Tân Hiệp, Biên Hịa, Đồng Nai Điện thoại cơ quan: 0612223900 Điện thoại nhà riêng: 01684831125 Fax: E-mail: hoangspkt102@yahoo.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2/2010 đến 5/2012 Nơi học (trƣờng, thành phố): Sƣ phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ thuật cơng nghiệp. Tên đồ án, luận án hoặc mơn thi tốt nghiệp: 1. Cơng nghệ nhiệt luyện 2. Kỹ thuật đúc Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Ngƣời hƣớng dẫn: III. QUÁ TRÌNH CƠNG TÁC CHUYÊN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 03/2009 Cơng Ty Thang Máy Á Châu Thiết kế 09/2009 đến Trƣờng CĐN Đồng Nai Giáo viên nay 05/2010 đến Trƣờng Đại Học Sƣ Phạm Kỹ Học cao học ngành: Cơng nay Thuật TP.HCM nghệ chế tạo máy XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày tháng năm 2012 ( Ký tên, đĩng dấu) Ngƣời khai ký tên i
5. LỜI CAM ĐOAN Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tơi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc ai cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2012 Ngƣời cam đoan Phạm Thanh Hồng ii
6. LỜI CẢM ƠN Qua quá trình thực hiện luận văn, người nghiên cứu xin gởi lời cảm ơn chân thành đến: Về phía trường ĐH SPKT TP.HCM. Tơi xin chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu nhà trường đã tạo điều kiện thuận lợi cho tơi theo học lớp Cao học chuyên ngành Cơng nghệ chế tạo máy. Quý Thầy Cơ tham gia giảng dạy đã trang bị cho tơi nhiều kiến thức nền tảng quý báu. Đặc biệt là thầy TS. Phan Đức Huynh, trường ĐH SPKT TP.HCM là cán bộ hướng dẫn khoa học đã nhiệt tình giúp đỡ và hướng dẫn người nghiên cứu trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Về phía trường Cao đẳng nghề Đồng Nai, tơi chân thành cảm ơn: Ban giám hiệu, Khoa cơ khí chế tạo đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tơi tham gia khĩa học cũng như hồn thành đề tài luận văn này. Xin chân thành cảm ơn. Tp.HCM, ngày tháng năm 2012 Học viên thực hiện Phạm Thanh Hồng iii
7. TĨM TẮT 0o0 Cầu cáp treo với ƣu điểm nổi bật là khả năng vƣợt nhịp lớn qua các sơng sâu, thung lũng, eo biển, khi mà điều kiện xây dựng một số lƣợng lớn trụ cầu trở nên quá khĩ khăn và tốn kém, ngồi ra kết cấu của cầu cáp treo cũng mang lại hình dáng kiến trúc thanh mảnh và đặc sắc. Đặc điểm ở nƣớc ta là cĩ nhiều sơng rộng, biển lớn, vực sâu thì việc áp dụng kết cấu cầu cáp treo là một trong những phƣơng án đƣợc ƣu tiên trong việc đầu tƣ xây dựng cơ sở hạ tầng hiện nay và tƣơng lai. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính tốn kết cấu cầu cáp treo ở nƣớc ta chƣa đƣợc nhiều và luơn là bài tốn khĩ và việc tự động hĩa tính tốn càng phức tạp hơn. Sau tai nạn của cây cầu Tacoma Narrow vào năm 1940, vấn đề thiết kế chống giĩ đã trở thành một trong những bƣớc quan trọng nhất trong việc thiết kế cầu treo. Trong số những hiện tƣợng xảy ra với cấu trúc cầu treo dƣới tác dụng của lực giĩ nhƣ giới thiệu ở trên thì flutter đƣợc xem là hiện tƣợng nguy hiểm nhất Với mong muốn đĩng gĩp vào việc nghiên cứu và phát triển các vấn đề về khí động lực học của cầu cáp treo ở Việt Nam bằng phƣơng pháp mới; ngƣời hƣớng dẫn và học viên đã chọn đề tài: “Ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn cho bài tốn điều khiển bất ổn định khí động lực học của cầu cáp treo ”. Với đề tài trên, ngƣời hƣớng dẫn và học viên sử dụng flaps để điều khiển bất ổn định khí động lực học kết hợp với Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) viết chƣơng trình bằng ngơn ngữ Matlab nhằm phân tích bài tốn bất ổn định khí động lực học của cầu cáp treo. iv
8. ABSTRACT 0o0 For slings with outstanding advantages is the ability to exceed the large Svetlana through deep river valleys, Strait, when the conditions to build a large number of piers became too difficult and expensive, in addition tosuspension cable bridge structure also gives the shape slim and stylish architecture. Characteristics in our country is that there are many wide rivers, sea, deep structure, the application of the cable car is one of the preferred embodiment in the construction of the current infrastructure and future. However, the study of the structural calculations suspension cable bridge in our country has not been much and has always been a difficult problem and the automation of more complex calculations. After the accident of the Tacoma Narrow Bridge in 1940, the issue of wind-resistant design has become one of the most important steps in the design of suspension bridges. Among these phenomena occur with suspension bridge structure under the effect of wind power as introduced above, the flutter is considered the most dangerous phenomena With the desire to contribute to the research and development issues aerodynamics of the suspension cable bridge in Vietnam with new methods; instructor and students chose the theme: "The finite element method application to the control problem aerodynamic instability of demand cable car". With the topic, the instructor and students to use flaps to control the aerodynamic instability combined with the Finite Element Method (FEM) program written in Matlab language to analyze the instability problem aerodynamics of the bridge cable. v
9. Mục Lục MỤC LỤC LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CAM ĐOAN ii LỜI CẢM ƠN iii TĨM TẮT iv ABSTRACT v MỤC LỤC vi DANH SÁCH HÌNH ẢNH ix DANH SÁCH CÁC BẢNG xi CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC ĐÃ CƠNG BỐ 1 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU CÁP TREO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 3 1.2.1 Trên thế giới 3 1.2.1.1 Sự phát triển của chiều dài nhiệp chính từ nữa cuối thế kỷ XIX ở nƣớc Mỹ. 4 1.2.1.2 Xu hƣớng mới trong thiết kế kết cấu ở châu âu từ cuối chiến tranh thế giới thứ 2 tới những năm 1960 4 1.2.1.3 Sự phát triển ở châu Á từ thập kỷ 70 5 1.2.2 Sự phát triển của cầu cáp treo tại Việt Nam hiện nay 6 1.3 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 7 1.3.1 Mục tiêu, khách thể 7 1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 8 1.4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 8 1.5 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. 9 1.6 TĨM TẮT 10 CHƢƠNG 2: TẢI TRỌNG GIĨ ĐỐI VỚI CẦU 11 2.1 TẢI TRỌNG GIĨ ĐỐI VỚI CẦU 11 2.1.1 Hiện tƣợng flutter 11 vi
10. Mục Lục 2.1.2 Hiện tƣợng buffeting 12 2.1.3 Hiện tƣợng Vortex – Shedding 12 2.2 PHÂN TÍCH FLUTTER 13 2.2.1 Phƣơng trình chuyển động 14 2.2.2 Các lực tự kích 15 2.2.3 Dẫn xuất flutter 15 CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN CHO DẦM 17 3.1 PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 17 3.1.1 Giới thiệu 17 3.1.1.1 Các bƣớc tiến hành khi giải một bài tốn bằng phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 17 3.1.1.2 Ứng dụng của phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 19 3.1.2 Phƣơng Pháp Phần Tử Hữu Hạn Cho Dầm 20 3.1.2.1 Biến dạng dọc trục của thanh 20 3.1.2.2 Phần tử dầm hai nút 24 3.1.2.3. Phần tử dầm xoắn 30 3.2. DAO ĐỘNG TỰ DO – XÁC ĐỊNH TẦN SỐ DAO ĐỘNG THEO PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 33 CHƢƠNG 4: PHÂN TÍCH FLUTTER HAI BẬC TỰ DO VÀ FLUTTER CHO BÀI TỐN ĐA MODE 35 4.1 PHÂN TÍCH FLUTTER HAI BẬC TỰ DO 35 4.1.1 Giới thiệu 35 4.1.2 Thuật tốn phân tích flutter 2D 40 4.1.3 Trƣờng hợp nghiên cứu 41 4.1.4 Kết quả nghiên cứu 41 4.1.4.1 Trƣờng hợp G = 0 (khơng cĩ điều khiển) 41 4.1.4.2 Trƣờng hợp G ≠ 0 ( cĩ điều khiển) 42 4.1.4.3 Mối quan hệ giữa G và vận tốc Uflutter 43 4.2 PHÂN TÍCH FLUTTER CHO BÀI TỐN ĐA MODE 43 4.2.1 Giới thiệu 43 vii
11. Mục Lục 4.2.2. Thuật tốn phân tích flutter cho bài tốn đa mode 50 4.2.3 Tìm tần số riêng các modes và hình dạng các modes 51 4.2.3.1 Dao động tự do theo phƣơng đứng của cầu cáp treo 51 4.2.3.2 Dao động tự do xoắn của cầu cáp treo 54 4.2.3.3 Dao động tự do theo phƣơng ngang của cầu cáp treo 55 4.2.3.4 Trƣờng hợp nghiên cứu 58 4.2.3.5 Hình dạng modes 59 4.2.3.6 Tần số các modes 60 4.2.4 Kết quả 61 4.2.4.1 Trƣờng hợp G = 0 (khơng cĩ điều khiển) 61 4.2.4.2 Trƣờng hợp G ≠ 0 (cĩ điều khiển) 63 4.2.4.3 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa G và Uflutter 66 4.2.4.4 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số modes N và vận tốc Uflutter 67 CHƢƠNG 5: PHÂN TÍCH FLUTTER CỦA CẦU CÁP TREO BẰNG PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 68 5.1 PHÂN TÍCH FLUTTER CHO PHẦN TỬ DẦM 68 5.1.1 Xây dựng ma trận khối lƣợng, giảm xĩc và ma trận độ cứng của phần tử dầm 68 5.1.2 Lực khí động 73 5.2 TRƢỜNG HỢP NGHIÊN CỨU 77 5.3 TẦN SỐ CÁC MODES 77 5.4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 78 CHƢƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI 79 6.1 KẾT LUẬN 79 6.2 CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU TRONG TƢƠNG LAI 80 BÀI BÁO 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 98 viii
12. Danh sách hình ảnh DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1. 1: Cầu Thuận Phƣớc (Đà Nẵng-Việt Nam) 1 Hình 1. 2 Mặt cầu với các flaps ở đầu và đuơi 3 Hình 2.1: Hiện tƣợng flutter 11 Hình 2. 2: Hiện tƣợng buffeting 12 Hình 2. 3: Hiện tƣợng Vortex – Shedding 12 Hình 2. 4: Sơ đồ xuất hiện các xốy khí phía sau vật thể hình trịn 13 Hình 2. 5: Các lực khí động lực học và các chuyển vị tƣơng ứng trên một mặt cầu 15 Hình 3. 1: Thanh chịu tải dọc trục 20 Hình 3. 2: Các lực tác dụng lên phân tố dx 21 Hình 3. 3: Phần tử hai nút cho bài tốn bậc 4, một chiều 24 Hình 3. 4: Phần tử dầm hai nút 26 Hình 3. 5: Phần tử dầm và hệ thống tọa độ địa phƣơng 30 Hình 4. 1: Lƣu đồ phân tích flutter 2D 40 Hình 4. 2: Vận tốc flutter của phân tích hiện tƣợng flutter 2D (G = 0) 41 Hình 4. 3: Vận tốc flutter của phân tích hiện tƣợng flutter 2D (G = -5) 42 Hình 4. 4: Vận tốc flutter của phân tích hiện tƣợng flutter 2D (G = 5) 42 Hình 4. 5: Mối quan hệ giữa G và Uflutter 43 Hình 4. 6: Mơ hình cầu cáp treo 43 Hình 4. 7: Lƣu đồ phân tích flutter cho bài tốn đa mode 51 Hình 4. 8: Kết hợp giữa chuyển vị theo phƣơng đứng và xoay 52 Hình 4. 9: Biểu đồ xác định phần tử hữu hạn 52 Hình 4. 10: Chuyển vị theo phƣơng ngang 56 Hình 4. 11: Mode uốn 59 Hình 4. 12: Mode xoắn 59 Hình 4. 13: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 4 modes (G = 0) 61 Hình 4. 14: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 6 modes (G = 0) 61 Hình 4. 15: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 8 modes (G = 0) 62 Hình 4. 16: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 10 modes (G = 0) 62 ix
13. Danh sách hình ảnh Hình 4. 17: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 4 modes (G = -5) 63 Hình 4. 18: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 6 modes (G = -5) 63 Hình 4. 19: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 8 modes (G = -5) 64 Hình 4. 20: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 10 modes (G = -5) 64 Hình 4. 21: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 6 modes (G = 5) 65 Hình 4. 22: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 8 modes (G = 5) 65 Hình 4. 23: Phân tích flutter của multi-mode khi số modes là 10 modes (G = 5) 66 Hình 4. 24: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa G và Uflutter 66 Hình 4. 25: Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa số modes N và Uflutter (G = 0) 67 Hình 5. 1: Phần tử dầm 2 nút mỗi nút năm bậc tự do 68 Hình 5. 2: Phân tích flutter khi số modes là 10 modes 78 x
14. Danh sách các bảng DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 4. 1: Các tham số của cấu trúc cho phân tích rung động 2D 41 Bảng 4. 2: Mối quan hệ giữa Uflutter và G 43 Bảng 4. 3: Các tham số của cấu trúc cho phân tích flutter đa mode 59 Bảng 4. 4: Tần số riêng các modes 60 Bảng 4. 5: Uflutter khi G = -5 ÷ 5 67 Bảng 5. 1: Các tham số của cấu trúc cho phân tích flutter 77 Bảng 5. 2: Tần số riêng các modes 77 xi
15. Chương 1- Tổng Quan CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN CHUNG VỀ LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU, CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI NƢỚC ĐÃ CƠNG BỐ Cầu cáp treo với ƣu điểm nổi bật là khả năng vƣợt nhiệp lớn qua các sơng sâu, thung lũng, eo biển, khi mà điều kiện xây dựng một số lƣợng lớn trụ cầu trở nên quá khĩ khăn và tốn kém, ngồi ra kết cấu của cầu cáp treo cũng mang lại hình dáng kiến trúc thanh mảnh và đặc sắc. Đặc điểm ở nƣớc ta là cĩ nhiều sơng rộng, biển lớn, vực sâu thì việc áp dụng kết cấu cầu cáp treo là một trong những phƣơng án đƣợc ƣu tiên trong việc đầu tƣ xây dựng cơ sở hạ tầng hiện nay và tƣơng lai. Tuy nhiên, việc nghiên cứu tính tốn kết cấu cầu cáp treo ở nƣớc ta chƣa đƣợc nhiều và luơn là bài tốn khĩ và việc tự động hĩa tính tốn càng phức tạp hơn. Đối với những cây cầu cĩ nhịp rất dài (chiều dài nhịp chính > 3000m) đang đƣợc thiết kế hay đang đƣợc thi cơng thì yêu cầu kỹ thuật là rất cao. Cầu cĩ nhịp chính dài nhất hiện nay là cầu Akashi Kaikyo ở Nhật Bản (nhịp chính dài 1991m). Chúng ta cĩ thể tin rằng trong tƣơng lai với dạng tiết diện cầu đƣợc nâng cấp, cáp nhẹ, và sự phát triển của hệ thống điều khiển thì chiều dài nhịp cĩ thể lên đến 5000m. Đối với cầu cĩ nhịp chính rất dài, bên cạnh các vấn đề về cƣờng độ vật liệu (cáp), thiết kế kinh tế (khối lƣợng dầm nhẹ), an tồn động đất thì ổn định của dầm trong giĩ là một vấn đề nghiêm trọng – flutter và buffeting, đặc biệt khi tỉ số giữa bề rộng cầu và chiều dài nhịp chính là bé khi so sánh với cầu hiện tại. Hình 1. 1: Cầu Thuận Phƣớc (Đà Nẵng-Việt Nam) 1
16. Chương 1- Tổng Quan Cầu Tacoma Narrows đƣợc xây dựng năm 1940 cầu với nhịp giữa dài 853m lớn thứ ba trên thế giới lúc bấy giờ, ngay sau khi xây dựng xong kết cấu nhịp cầu đã xuất hiện dao động uốn với biên độ lên đến 8.5m xảy ra cùng với dao động xoắn (PGS. TS. Nguyễn Viết Trung, TS. Hồng Hà 2004). Cầu này bị đổ sập dƣới tốc độ giĩ 19m/s vào thời điểm chỉ 4 tháng sau khi hồn thành (PGS. TS. Nguyễn Viết Trung, TS. Hồng Hà 2004). Sau tai nạn này, vấn đề thiết kế chịu giĩ trở thành vấn đề cốt yếu đối với cầu cáp treo. Tuy vậy các sự cố về cầu treo chỉ làm tăng thêm mức độ thận trọng khi thiết kế mà khơng hề hạn chế bƣớc phát triển của cầu treo. Cầu Tacoma Narrows mới đã đƣợc xây dựng lại năm 1950 với chiều dài nhịp tƣơng tự cầu cũ nhƣng đã cải tiến sử dụng dầm cứng kiểu dàn. Cầu Severn đƣợc xây dựng bằng cách sử dụng dầm hộp đƣợc xếp thành từng lớp và đạt đƣợc sự ổn định đối với lực giĩ trong khoảng thời gian dài. Cầu Akashi Kaikyo thiết kế với độ ổn định theo chiều dọc trong nhịp trung tâm nằm dọc theo đƣờng tâm của dầm cứng loại giàn nhằm cải thiện sự ổn định khí động học. Tuy nhiên, mặt cắt ngang của dàn thƣờng tạo ra lực giĩ lớn. Trong tƣơng lai, dầm cứng kiểu giàn tiếp tục là sự lựa chọn cho việc thiết kế cầu treo với nhịp chính dài, đặc biệt là từ gĩc độ của sự ổn định khí động học. Một trong những giải pháp đầy hứa hẹn là sự thay đổi của mặt cắt ngang (mặt cắt ngang nhiều hộp). Những lợi thế khí động học của giải pháp này đã đƣợc khai thác trong việc thiết kế dầm của cầu bắc qua eo biển Messina (Brown 1996, 1999), với nhịp chính dài 3300 m. Ngày nay, dầm hộp và dầm giàn thƣờng đƣợc sử dụng vì tính kinh tế và tiết kiệm của chúng. Đối với những cây cầu treo cĩ nhịp chính dài hàng cây số, thì phƣơng pháp điều khiển kiểm sốt nhằm đạt đƣợc sự ổn định khí động học đã đƣợc nghiên cứu (Dung, et al 1996, Miyata 1994). Trong đĩ, việc phịng ngừa hiện tƣợng flutter bằng phƣơng pháp bị động cũng đƣợc đề xuất (Songpol 1998, Wilde, et al 1996). Kưrlin và Starossek (2007) cũng đề xuất các bộ giảm xĩc khối lƣợng hoạt động để tăng cƣờng sự ổn định hiện tƣợng flutter. Với điều khiển tuyến tính, xác định đƣợc tốc độ giĩ flutter của mơ hình tăng khoảng 16.5%. 2
17. Chương 1- Tổng Quan Trong đĩ điều khiển theo phƣơng pháp bị động thì hấp dẫn hơn từ một quan điểm thực tế. Nếu một cơ cấu thích hợp cho một hệ thống bị động đƣợc phát minh ra, nĩ cĩ thể dễ dàng đƣợc áp dụng cho các cây cầu thực tế bởi vì tính đơn giản và độ tin cậy cao. Một loại của hệ thống bị động là điều chỉnh khối lƣợng giảm chấn TMD đã đƣợc kiểm tra (Okada, et al 1998, Lin, et al. 2000, Kwon, et al. 2000, 2004, Gua, et al. 1998, 2001, 2002) và hiệu quả của nĩ đã đƣợc chứng minh là cĩ hiệu quả chống lại flutter và buffeting. Các nghiên cứu về điều khiển khí động học bằng cách sử dụng những tấm điều khiển winglets và flaps đƣợc đề xuất và phát triển (Kobayashi, et al. 1992, 1996, 1998, 2001 và 2005). Một nghiên cứu lý thuyết đƣợc mở rộng về điều khiển flutter của cây cầu bằng cách sử dụng mơ hình tƣơng tự nhƣ đề xuất của Kobayashi đã đƣợc trình bày (Wilde, et al 1998, Preidikman và Mook 1998, Nis sen, et al. 2004). Hình 1. 2 Mặt cầu với các flaps ở đầu và đuơi Do đĩ, sử dụng flaps để điều khiển bất ổn định khí động lực học kết hợp với Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) nhằm phân tích bài tốn bất ổn định khí động lực học của cầu cáp treo là vấn đề nghiên cứu trong luận văn nay. 1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU CÁP TREO TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Trên thế giới Cầu cáp treo đƣợc phát triển từ thế kỷ XIX dựa trên cơ sở sự phát triển của các dạng kết cấu cầu và cơng nghệ sản xuất thép. Cầu Jacobs Creek đƣợc xây dựng ở Mỹ năn 1801 theo thiết kế của Finley, cĩ nhịp giữa là 2.3m. Đặc điểm nổi bật của cầu là cĩ dầm chủ dạng dàn để tạo ra độ cứng cần thiết đối với cầu và tạo sự phân 3
18. Chương 1- Tổng Quan bố tải trọng qua tháp treo cáp vì thế hạn chế đƣợc đáng kể sự biến dạng của cáp. Cầu Clipfton là cây cầu cáp treo cổ nhất hiện cịn sử dụng cho ơ tơ qua lại, đƣợc khởi cơng xây dựng năm 1831 và hồn thành năm 1864 ở nƣớc Anh. 1.2.1.1 Sự phát triển của chiều dài nhiệp chính từ nữa cuối thế kỷ XIX ở nƣớc Mỹ. Trong cuối thế kỹ XIX, nƣớc Mỹ là nơi xây dựng nhiều cầu cáp treo nhịp dài nhất nhƣ: Nhịp Năm hồn TT Tên cầu Đại điểm dài nhất thành 01 Niagara 246m 1855 Sơng New York East (lần dầu tiên 02 Broklyn 486m 1883 dây thép đƣợc sử dụng.) 03 Manhattan 448 1903 // 04 Williamsburg 448m 1909 Thƣợng lƣu Sơng New York East 05 Geore Washington 1067m 1931 Sơng Hudson ở New York 06 704m 1936 VỊNH Sanfancisco Oakland 07 Golden Gate 1280m 1937 Vịnh Francisco 08 Tacoma Narrows 853m 1940 Lớn thứ 3 trên thế giới lúc bấy giờ 09 Mackinac Straits 1158m 1956 10 Verrazaro Narrows 1298m 1964 Giữ kỷ lục thế giới17 năm 1.2.1.2 Xu hƣớng mới trong thiết kế kết cấu ở châu âu từ cuối chiến tranh thế giới thứ 2 tới những năm 1960. Cầu cáp treo phỗ biến ở châu âu ngay cả khi nhịp giữa của chúng khơng yêu cầu quá dài. Tại nƣớc Anh mặc dù cầu Forth Road, với nhịp giữa 1006m đƣợc xây dựng sử dụng dàn dây; cầu Severn với nhịp giữa 988m xây dựng với dầm hộp và dây treo cáp chéo năm 1966. Thiết kế độc đáo này đã cách mạng hĩa cơng nghệ cầu cáp treo. Cầu Humber với nhịp giữa dài 1410m là cầu dài nhất thế giới trƣớc năm 1997 đƣợc xây dựng theo cơng nghệ cầu Severn. Tại Bồ Đào Nha, cầu 25 de Abril 4
19. Chương 1- Tổng Quan đƣợc thiết kế cho tải trọng xe lửa và ơ tơ đƣợc hồn thành năm 1966 với nhịp chính là 1013m. năm 1998 cầu Great Belt East với nhịp chính dài 1624m đƣợc hồn thành ở Đan Mạch cĩ dầm cứng dạng dầm hộp (đứng thứ 2 thế giới hiện nay). 1.2.1.3 Sự phát triển ở châu Á từ thập kỷ 70. Tại Nhật Bản việc nghiên cứu đề xuất kết cấu cầu Honshu Shikoku đƣợc bắt đầu bởi Hội kỹ sƣ cơng trình Nhật Bản năm 1961. Cơng nghệ thiết kế cầu cáp treo nhịp lớn đƣợc áp dụng ở cầu Honshu Shikoku, đã ảnh hƣởng quyết định tới cấu tạo của cầu Kanmom, hồn thành năm 1972 với nhịp giữa dài 712m sau đĩ là các cầu Namhac hồn thành năm 1973 ở Hàn Quốc với nhịp chính dài 400m, cũng nhƣ cầu Hirado hồn thành năm 1977 với nhịp chính dài 465m. Cầu Innoshima với nhịp chính dài 770m đƣợc xây dựng năm 1983 là cây cầu cáp treo đầu tiên trong dự án cầu Honshu Shikoku, tiếp theo cầu Ohnaruto 704m và trong năm 1937 cầu Golden Gate với nhịp giữa 1280m. Năm 1940 cầu Tacoma Narrows với nhịp giữa dài 853m, lớn thứ ba trên thế giới lúc bấy giờ. Ngay sau khi xây dựng xong kết cấu nhịp cầu đã xuất hiện dao động uốn với biên độ lên đến 8.5m xảy ra cùng với dao động xoắn, cầu này bị đổ sập dƣới tốc độ giĩ 19m/s vào thời điểm chỉ 4 tháng sau khi hồn thành. Sau tai nạn này, vấn đề thiết kế chịu giĩ trở thành vấn đề cốt yếu đối với cầu cáp treo. Tuy vậy các sự cố về cầu treo chỉ làm tăng thêm mức độ thận trọng khi thiết kế mà khơng hề hạn chế bƣớc phát triển của cầu treo. Cầu Tacoma Narrows mới đã đƣợc xây dựng lại năm 1950 với chiều dài nhịp tƣơng tự cầu cũ nhƣng đã cải tiến sử dụng dầm cứng kiểu dàn. Cầu Mackinac Straits với nhịp giữa dài 1158m đƣợc xây dựng nhƣ là cầu cáp treo lớn tƣơng đƣơng với cầu Golden Gate năm 1956 và cầu Verrazaro Narrows với nhịp giữa 1298m, giữ kỷ lục thế giới sau khoảng thời gian 17 năm, đƣợc xây dựng năm 1964. Dự án cầu Honshu Shikoku cải tạo và nâng cấp cơng nghệ năm 1988 để sử dụng phù hợp cho cầu đƣờng tầu cao tốc. Tuyến này bao gồm hệ thống hàng loạt các cầu cáp treo loại lớn nhƣ là cầu Minami Bisan Seto với nhịp 1100m, cầu Kita 5
20. Chương 1- Tổng Quan Bisan Seto với nhịp chính dài 990m, cầu Shimotsui Sento với nhịp chính dài 910m. Cầu Akashi Kaikyo hồn thành năm 1998 với nhịp chính dài nhất thế giới 1991m, thể hiện sự tích lũy kinh nghiệm cơng nghệ xây dựng từ trƣớc tới nay. Tại Thỗ Nhỉ Kỳ cầu Bosporus đƣợc xây dựng năm 1973 với nhịp chính dài 1074m, cùng thời gian này cầu Bosporus thứ hai đƣợc xây dựng với nhịp chính dài 1090m sau đĩ đổi tên là cầu Fail Sulta Mehmet, đƣợc hồn thành năm 1988. Tại Trung Quốc cầu Sting Ma (Hồng Cơng) cho xe lửa và ơ tơ đi chung với nhịp chính dài 1377m đƣợc hồn thành năm 1977. Cầu qua sơng Xi Li Yangtre với nhịp chính 900m và cầu Jing Yin Yangtre với nhịp chính 1385m. 1.2.2 Sự phát triển của cầu cáp treo tại Việt Nam hiện nay Trong những năn chiến tranh, hệ thống cầu cống của nƣớc ta bị đánh phá nhiều. Để phục vụ kịp thời cho tiền tuyến cần phải xây dựng lại các cây cầu đã bị phá hoại. Khi đĩ việc xây dựng cầu cáp treo là một trong những giải pháp hợp lý và nhanh chĩng nhất. Cho đến nay, cầu cáp treo vẫn giữ một vị trí quan trọng trong giao thơng miền núi, phục vụ đắc lực cho cơng cuộc phát triển kinh tế xã hội cho vùng sâu, vùng xa ở nƣớc ta. Những vị trí vƣợt sơng mà cĩ khẩu độ thơng thuyền lớn thì việc sử dụng cầu treo sẽ cĩ ƣu điểm vì ít làm xáo trộn chế độ dịng chảy tự nhiên của sơng, mang lại hiệu quả thiết thực về kinh tế kỹ thuật. Hơn nữa, các cầu treo thƣờng tạo dáng vẻ đẹp và tạo điểm nhấn kiến trúc giữa khu đơ thị lớn. Ở Việt Nam bắt đầu xây dựng cầu treo bán vĩnh cửu từ năm 1965. Những chiếc cầu treo đầu tiên là những loại cầu cáp khơng cổng (chỉ cĩ một hệ dây) với khẩu độ 80 ÷ 120m, ứng dụng rộng trong thời kỳ chiến tranh (1965 ÷ 1975). Đối với loại cầu cĩ khẩu độ từ 120 ÷ 200m thƣờng áp dụng loại cầu cáp cĩ cổng (cĩ hai hệ dây). Vào năm 1965, 1966 đã xây dựng cầu cáp treo qua Sơng Lơ với khẩu độ 104m, cầu Kỳ Cùng cĩ khẩu độ 120m. Năm 1967, cầu cáp Việt Trì với khẩu độ 225m, cầu Đuống khẩu độ 190m. Năm 1969 xây dựng cầu Đị Quan (Nam Định) với khẩu độ 190m, với sơ đồ cáp chủ đƣợc bố trí theo dạng bắt chéo hai dây. Sau 6
21. Chương 1- Tổng Quan thời kỳ này, hàng loạt cầu treo dầm cứng đã đƣợc xây dựng nhƣ cầu Bảo Nhai, khẩu độ 140m; cầu Hang Tơm, khẩu độ 140m; cầu Cốc Pài, khẩu độ 100m; cầu treo Cửa Rào, khẩu độ 130m. Năm 1980 đã thiết kế cầu treo Sơng Hồng với chiều dài tồn cầu là 1206m. Trong những năm gần đây một số cầu cáp treo mới đƣợc xây dựng nhƣ cầu Thanh Thạch (Quảng Bình), cầu H‟ling (Đắc Lắc), cầu Thuận Phƣớc (Đà Nẵng) Đắc biệt trong dự án xây dựng cầu Nhật Tân (Hà Nội) cĩ đề xuất phƣơng án cầu cáp treo với các đặc điểm chọn sơ bộ: khẩu độ nhịp chính 500 ÷ 600m, khẩu đơ nhịp biên 145 ÷ 180m. 1.3 MỤC TIÊU, KHÁCH THỂ VÀ ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU 1.3.1 Mục tiêu, khách thể Hiện nay kết cấu cầu dây nĩi chung và loại cầu cáp treo nĩi riêng đang khẳng định tính ƣu việt của nĩ, khơng chỉ về mặt kiến trúc mỹ quan hay khả năng vƣợt nhịp lớn mà về mặt cơng nghệ thi cơng. Tuy nhiên ở Việt Nam hiện nay việc xây dựng cầu cáp treo nhịp lớn vẫn cịn khá mới mẻ. Đã cĩ một số dự án trong nƣớc hay hợp tác với nƣớc ngồi thiết kế và cả thi cơng cầu cáp treo đang đƣợc xúc tiến triển khai khẩn trƣơng, gĩp phần cho việc ra đời những cơng trình cầu treo hiện đại đầu tiên tại Việt Nam. Các kết cấu cầu hiện đại ngày nay đều nhẹ hơn và do đĩ nhạy cảm hơn với các vấn đề động học. Vì thế trong thiết kế cầu luơn phải chú ý đến việc tính tốn dao động. Các dao động của cầu cĩ thể chia làm hai loại: 1. Dao động nguy hiểm về mặt cƣờng độ (độ mỏi) đối với kết cấu. 2. Loại dao động ảnh hƣởng đến sức khoẻ và tâm - sinh lý của ngƣời qua cầu. Các dao động khí đàn hồi, hấp thụ năng lƣợng của dịng khí cĩ thể chuyển thành hiện tƣợng flutter nếu gặp một số điều kiện nhất định. Flutter là hiện tƣợng rất nguy hiểm đối với cầu, lịch sử xây dựng cầu trên khắp thế giới đã cho thấy rõ việc lờ đi hay xét khơng đầy đủ đến các hiệu ứng khí động học cĩ thể dẫn đến thảm hoạ phá huỷ cầy (cầu Tacoma). Do vậy mọi tính tốn động học đối với cầu đều phải vừa đảm bảo an tồn kết cấu và vừa đảm bảo sự tiện nghi trong khai thác cầu. 7
22. S K L 0 0 2 1 5 4