Khảo sát dao động của cáp dây văng dưới tác động gió và các biện pháp hạn chế - Luận văn thạc sỹ chuyên ngành xây dựng cầu hầm

• Tác giả: Vũ Quang Thuận
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thạc Quang
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm
• Đề tài: Khảo sát dao động cáp dây văng dưới tác động gió và biện pháp hạn chế
• Loại tài liệu: luận văn thạc sỹ

• LỜI NÓI ĐẦU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI KẾT CẤU CẦU DÂY VĂNG
• 1.1. TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI KẾT CẤU
• 1.1.1. Đặc điểm của gió tự nhiên
• 1.1.2. Giới thiệu chung
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA CÁP DÂY VĂNG. KHÁI QUÁT VỀ CÁC HỆ THỐNG GIẢM CHẤN SỬ DỤNG CHO CẦU DÂY VĂNG
• 3. CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU CÁC BIỆN PHÁP HẠN CHẾ DAO ĐỘNG CỦA CÁP DÂY VĂNG
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Tổng quan về tác động của gió đối với kết cấu cầu dây văng

Tác động của gió đối với kết cấu cầu dây văng là một vấn đề quan trọng trong thiết kế và phân tích kỹ thuật. Gió tự nhiên có tính nhiễu loạn cao, gây ra các dao động phức tạp trên kết cấu cầu. Phân tích dao động và ổn định khí động là yêu cầu thiết yếu để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình. Các nghiên cứu về tác động gió đã chỉ ra rằng gió không chỉ gây ra lực tĩnh mà còn tạo ra các lực động lực học, đặc biệt là trên các cầu có khẩu độ lớn. Việc hiểu rõ các đặc tính của gió và cách nó tương tác với kết cấu cầu là bước đầu tiên trong việc thiết kế các biện pháp hạn chế dao động hiệu quả.

1.1 Đặc điểm của gió tự nhiên

Gió tự nhiên được đặc trưng bởi sự chuyển động của khối không khí do chênh lệch áp suất. Tính nhiễu loạn của gió là yếu tố chính gây ra các dao động trên kết cấu cầu. Vận tốc gió được biểu diễn dưới dạng tổng của vận tốc cơ bản và thành phần biến đổi ngẫu nhiên. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng thành phần biến đổi này có ảnh hưởng lớn đến dao động cáp dây văng. Việc phân tích vận tốc gió và các thành phần nhiễu loạn là cơ sở để thiết kế các biện pháp giảm dao động hiệu quả.

1.2 Tác động của gió lên kết cấu cầu

Tác động gió lên kết cấu cầu bao gồm cả lực tĩnh và lực động lực học. Lực gió ngang được tính toán dựa trên vận tốc gió, diện tích hứng gió và hệ số cản. Các cầu dây văng, đặc biệt là những cầu có khẩu độ lớn, rất nhạy cảm với dao động do gió. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các thiết bị giảm chấn là một trong những biện pháp hạn chế dao động hiệu quả nhất. Các thiết bị này giúp giảm thiểu tác động của gió lên cáp dây văng, dầm và tháp cầu.

II. Phân tích dao động của cáp dây văng

Phân tích dao động của cáp dây văng là một phần quan trọng trong thiết kế cầu. Các dao động này có thể được gây ra bởi nhiều yếu tố, trong đó tác động gió là nguyên nhân chính. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng dao động của cáp dây văng có thể dẫn đến mất ổn định khí động, gây nguy hiểm cho công trình. Việc phân tích dao động cần kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm để đạt được kết quả chính xác. Các giải pháp kỹ thuật như sử dụng hệ thống giảm chấn đã được áp dụng rộng rãi để giảm thiểu các dao động này.

2.1 Các hệ thống giảm chấn

Các hệ thống giảm chấn được sử dụng để giảm thiểu dao động cáp dây văng do tác động gió. Các thiết bị này hoạt động bằng cách hấp thụ năng lượng dao động, từ đó giảm biên độ dao động của cáp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các hệ thống giảm chấn hiệu quả có thể cải thiện đáng kể độ ổn định của cầu. Các biện pháp hạn chế dao động này đã được áp dụng thành công trên nhiều cầu dây văng lớn trên thế giới.

2.2 Phân tích lý thuyết và thực nghiệm

Phân tích dao động của cáp dây văng cần kết hợp cả lý thuyết và thực nghiệm. Các mô hình lý thuyết giúp dự đoán các dao động dựa trên các thông số kỹ thuật của cầu. Tuy nhiên, các thí nghiệm thực tế trong phòng thí nghiệm và trên công trường là cần thiết để xác nhận độ chính xác của các mô hình này. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp cả hai phương pháp này giúp đạt được kết quả phân tích chính xác hơn.

III. Nghiên cứu các biện pháp hạn chế dao động của cáp dây văng

Các biện pháp hạn chế dao động của cáp dây văng là một phần quan trọng trong thiết kế và xây dựng cầu. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các thiết bị giảm chấn và các giải pháp kỹ thuật khác có thể giảm thiểu đáng kể các dao động do tác động gió. Các biện pháp này không chỉ cải thiện độ ổn định của cầu mà còn kéo dài tuổi thọ của công trình. Việc nghiên cứu và áp dụng các biện pháp hạn chế dao động là cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả của các cầu dây văng.

3.1 Thiết bị giảm chấn

Các thiết bị giảm chấn là một trong những biện pháp hạn chế dao động hiệu quả nhất. Các thiết bị này hoạt động bằng cách hấp thụ năng lượng dao động, từ đó giảm biên độ dao động của cáp. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các thiết bị giảm chấn hiệu quả có thể cải thiện đáng kể độ ổn định của cầu. Các giải pháp kỹ thuật này đã được áp dụng thành công trên nhiều cầu dây văng lớn trên thế giới.

3.2 Các giải pháp kỹ thuật khác

Ngoài các thiết bị giảm chấn, các giải pháp kỹ thuật khác như tối ưu hóa thiết kế cáp và sử dụng vật liệu có độ cứng cao cũng được áp dụng để giảm thiểu dao động cáp dây văng. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết hợp các giải pháp này có thể mang lại hiệu quả cao trong việc hạn chế dao động và cải thiện độ ổn định của cầu.

IV. Kết luận và kiến nghị

Khảo sát dao động cáp dây văng dưới tác động gió và biện pháp hạn chế là một nghiên cứu quan trọng trong lĩnh vực xây dựng cầu hầm. Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc hiểu rõ tác động gió và áp dụng các biện pháp hạn chế dao động hiệu quả là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và độ bền của cầu. Các giải pháp kỹ thuật như sử dụng thiết bị giảm chấn và tối ưu hóa thiết kế cáp đã được chứng minh là có hiệu quả cao. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển các biện pháp hạn chế dao động là cần thiết để đáp ứng nhu cầu xây dựng các cầu dây văng lớn và hiện đại trong tương lai.

Tổng quan nghiên cứu

Cầu dây văng là loại công trình cầu có khả năng vượt nhịp lớn, được ứng dụng rộng rãi trên thế giới với hơn 600 công trình đã xây dựng. Ở Việt Nam, các cầu dây văng quy mô lớn như cầu Mỹ Thuận (nhịp chính 350m), cầu Cần Thơ (nhịp chính 550m) đã được hoàn thành, đồng thời nhiều dự án cầu dây văng lớn khác đang trong giai đoạn chuẩn bị xây dựng. Tuy nhiên, việc nghiên cứu về dao động và ổn định khí động của các công trình cầu dây văng tại Việt Nam còn rất hạn chế, chủ yếu dựa vào tư vấn nước ngoài.

Dao động và ổn định khí động là vấn đề then chốt trong thiết kế cầu dây văng, đặc biệt khi sử dụng vật liệu nhẹ, cường độ cao làm kết cấu mảnh mai, dễ bị ảnh hưởng bởi tác động gió. Nghiên cứu này tập trung khảo sát dao động của cáp dây văng có xét đến độ cứng chống uốn của dây dưới tác động của gió, đồng thời đề xuất các biện pháp hạn chế dao động nhằm nâng cao độ bền và an toàn cho công trình. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công trình cầu dây văng lớn tại Việt Nam và các hiện tượng khí động lực học liên quan, trong khoảng thời gian từ năm 2000 đến nay.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế kết cấu cầu dây văng, giảm thiểu nguy cơ dao động gây hư hại, đồng thời góp phần phát triển ngành cầu đường trong nước, đáp ứng nhu cầu xây dựng các công trình cầu lớn trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình khí động lực học kết cấu cầu dây văng, bao gồm:

• Lý thuyết dao động tuyến tính của dây cáp văng: Mô hình toán học mô tả chuyển động dao động của dây cáp, xét đến ứng suất tĩnh và ứng suất động, phân tích các chế độ dao động trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng, dựa trên công trình của Irvine và các nghiên cứu thực nghiệm.

• Các hiện tượng khí động lực học chính tác động lên cầu dây văng: Bao gồm hiện tượng Buffeting (dao động cưỡng bức do nhiễu loạn gió), Vortex-shedding (dao động xoáy khí), Galloping (dao động tiến triển nhanh), và Flutter (dao động tròng trành tự kích thích). Mỗi hiện tượng có đặc điểm và ảnh hưởng riêng biệt đến kết cấu, được mô tả qua các hệ số khí động, tần số dao động và vận tốc gió tới hạn.

• Khái niệm và tính toán lực khí động giả tĩnh và động lực: Bao gồm các hệ số lực cản, lực nâng, momen xoắn tác động lên dầm cầu, tháp cầu và dây cáp văng, được xác định qua thí nghiệm hầm gió và tiêu chuẩn thiết kế như 22TCN272-05.

• Độ cứng chống uốn của dây cáp văng: Xét đến ảnh hưởng của lớp vữa hoặc epoxy bảo vệ làm tăng độ cứng chống uốn, ảnh hưởng đến tần số và biên độ dao động của dây cáp.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Tổng hợp số liệu thực tế từ các công trình cầu dây văng lớn tại Việt Nam và quốc tế, dữ liệu thí nghiệm hầm gió, các tiêu chuẩn thiết kế gió và khí động lực học, cùng các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về dao động dây cáp.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng mô hình toán học tuyến tính để phân tích dao động dây cáp, kết hợp với các phương pháp xác định lực khí động giả tĩnh và động lực. Áp dụng các công thức tính vận tốc gió cơ bản, cường độ nhiễu loạn, hệ số lực cản và momen xoắn theo tiêu chuẩn và tài liệu chuyên ngành. Phân tích các hiện tượng khí động lực học đặc trưng như Flutter, Galloping, Vortex-shedding dựa trên các tham số khí động và cơ học kết cấu.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ năm 2000 đến nay, tập trung vào các công trình cầu dây văng đã xây dựng và đang triển khai tại Việt Nam, đồng thời cập nhật các tiến bộ nghiên cứu quốc tế trong lĩnh vực khí động học cầu dây văng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của gió lên dao động dây cáp văng: Vận tốc gió thiết kế tại các công trình cầu dây văng lớn dao động trong khoảng 6-18 m/s, với biên độ dao động dây cáp có thể lên đến 1m trong trường hợp mưa/gió kết hợp. Các hiện tượng dao động như Buffeting và Vortex-shedding gây ra dao động cưỡng bức với biên độ giới hạn, trong khi hiện tượng Flutter và Galloping có thể gây dao động tự kích thích với biên độ tăng nhanh, nguy cơ mất ổn định kết cấu.

2. Tác động của độ cứng chống uốn dây cáp: Việc tăng độ cứng chống uốn của dây cáp thông qua lớp vữa hoặc epoxy làm giảm biên độ dao động và tăng tần số dao động tự nhiên, góp phần hạn chế hiện tượng dao động tự kích thích. So sánh các chế độ dao động cho thấy dây cáp có độ cứng cao hơn có khả năng chống lại hiện tượng xoắn phân kỳ và Flutter hiệu quả hơn.

3. Hiệu quả của các hệ thống giảm chấn: Các thiết bị giảm chấn được áp dụng cho cầu dây văng giúp giảm biên độ dao động dây cáp dưới tác động của gió và mưa/gió kết hợp, nâng cao tuổi thọ kết cấu và đảm bảo an toàn khai thác. Tỷ lệ giảm biên độ dao động có thể đạt trên 30% khi sử dụng các hệ thống giảm chấn phù hợp.

4. So sánh với các nghiên cứu quốc tế: Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo thực nghiệm và lý thuyết trên thế giới, đồng thời chỉ ra sự cần thiết phát triển nghiên cứu chuyên sâu tại Việt Nam để chủ động trong thiết kế và thi công cầu dây văng quy mô lớn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các dao động dây cáp là do tác động phức tạp của gió với đặc tính nhiễu loạn cao, kết hợp với các hiện tượng khí động lực như xoáy khí và dao động tự kích thích. Việc áp dụng vật liệu nhẹ, cường độ cao làm giảm độ cứng chống uốn khiến dây cáp dễ bị dao động lớn hơn. Các số liệu thực nghiệm và mô hình toán học cho thấy, tăng độ cứng chống uốn và sử dụng thiết bị giảm chấn là giải pháp hiệu quả để kiểm soát dao động.

So với các nghiên cứu quốc tế, Việt Nam còn hạn chế về thiết bị thí nghiệm hầm gió và kinh nghiệm thiết kế chống gió chuyên sâu, dẫn đến phụ thuộc vào tư vấn nước ngoài. Việc phát triển nghiên cứu nội địa sẽ giúp nâng cao năng lực thiết kế, giảm chi phí và tăng tính chủ động trong các dự án cầu dây văng lớn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ tần số dao động dây cáp theo vận tốc gió, bảng so sánh biên độ dao động trước và sau khi sử dụng thiết bị giảm chấn, cũng như sơ đồ mô tả các hiện tượng khí động lực tác động lên dây cáp.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường nghiên cứu và phát triển thiết bị thí nghiệm hầm gió trong nước nhằm phục vụ phân tích khí động lực học cầu dây văng, nâng cao độ chính xác trong thiết kế và kiểm tra chống gió. Thời gian thực hiện: 2-3 năm; Chủ thể: Viện nghiên cứu, trường đại học chuyên ngành.

2. Áp dụng rộng rãi các hệ thống giảm chấn cho dây cáp văng trong các dự án cầu dây văng mới và cải tạo cầu hiện hữu để giảm thiểu dao động, tăng tuổi thọ kết cấu. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Chủ đầu tư, nhà thầu thi công.

3. Đào tạo chuyên sâu về khí động học cầu dây văng cho kỹ sư thiết kế và thi công nhằm nâng cao năng lực nội bộ, giảm sự phụ thuộc vào tư vấn nước ngoài. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Trường đại học, các tổ chức đào tạo chuyên ngành.

4. Xây dựng tiêu chuẩn và hướng dẫn thiết kế chống gió phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, bao gồm các quy định về vận tốc gió thiết kế, hệ số lực cản, và biện pháp hạn chế dao động dây cáp. Thời gian thực hiện: 2 năm; Chủ thể: Bộ Xây dựng, các cơ quan quản lý chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế cầu và kết cấu: Nắm bắt kiến thức chuyên sâu về dao động dây cáp và khí động học cầu dây văng để áp dụng trong thiết kế an toàn, hiệu quả.

2. Chủ đầu tư và quản lý dự án cầu đường: Hiểu rõ các rủi ro liên quan đến dao động khí động và các biện pháp giảm thiểu để đảm bảo chất lượng và an toàn công trình.

3. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, giao thông vận tải: Cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm để phát triển nghiên cứu sâu hơn về khí động học cầu dây văng.

4. Nhà thầu thi công và bảo trì cầu: Áp dụng các biện pháp kỹ thuật và thiết bị giảm chấn phù hợp nhằm kiểm soát dao động trong quá trình thi công và khai thác.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao dao động dây cáp văng lại nguy hiểm cho cầu dây văng?
   Dao động dây cáp văng có thể gây ra mỏi vật liệu, hư hại kết cấu và ảnh hưởng đến an toàn khai thác. Biên độ dao động lớn còn gây tâm lý không an toàn cho người sử dụng.

2. Các hiện tượng khí động lực nào ảnh hưởng đến cầu dây văng?
   Bao gồm Buffeting (dao động cưỡng bức do gió nhiễu loạn), Vortex-shedding (dao động xoáy khí), Galloping (dao động tiến triển nhanh), và Flutter (dao động tròng trành tự kích thích).

3. Làm thế nào để giảm dao động dây cáp văng?
   Sử dụng các thiết bị giảm chấn, tăng độ cứng chống uốn của dây cáp, thiết kế mặt cắt khí động học và áp dụng biện pháp thi công phù hợp.

4. Phương pháp nghiên cứu dao động dây cáp văng là gì?
   Kết hợp mô hình toán học tuyến tính, phân tích khí động lực học, thí nghiệm hầm gió và khảo sát thực tế tại công trình.

5. Tại sao cần nghiên cứu khí động học cầu dây văng tại Việt Nam?
   Việt Nam có điều kiện khí hậu nhiều bão, gió mạnh, do đó nghiên cứu khí động học giúp thiết kế cầu an toàn, bền vững và phù hợp với điều kiện thực tế.

Kết luận

• Cầu dây văng là công trình có nhịp lớn, dễ bị ảnh hưởng bởi dao động khí động, đặc biệt là dao động dây cáp văng dưới tác động của gió và mưa/gió kết hợp.
• Các hiện tượng khí động lực như Buffeting, Vortex-shedding, Galloping và Flutter đều có ảnh hưởng đáng kể đến an toàn kết cấu.
• Độ cứng chống uốn của dây cáp và các hệ thống giảm chấn là yếu tố quan trọng trong việc kiểm soát dao động.
• Việt Nam cần phát triển nghiên cứu nội địa về khí động học cầu dây văng, nâng cao năng lực thiết kế và thi công.
• Các bước tiếp theo bao gồm đầu tư thiết bị thí nghiệm, đào tạo chuyên sâu và xây dựng tiêu chuẩn thiết kế chống gió phù hợp.

Hành động ngay hôm nay: Các đơn vị liên quan nên phối hợp triển khai nghiên cứu và áp dụng các biện pháp giảm dao động để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các dự án cầu dây văng trong tương lai.