1
1.
Trong lun án c gng gii quyt ba v
- Phát trin tc gió flutter ti hn ca cu trên
ng un xon ca dm ch.
- Xây dng mt s phn mm chuyên dng tính toán vn tc gió ti
hn phc v cho vic kinh thit k và duy tu bng cu
treo.
- u khin th ng vn tc flutter ca cu treo b
ng hc
2.
Đối tượng nghiên cứu của luận án
Nghiên cu nh flutter ca mô hình mt ct dm cu 2D. T
u khin th ng nh flutter ca dm ch cu
treo.
Phạm vi nghiên cứu của luận án
Lun án trình bày áp dng c c l tính
toán s mt nh flutter ca mt s cu treo có chiu dài nhp ln.
Phn quan trng ca lun án trình bày ng dc
l u khin th ng flutter ca dm ch
cu treo b c (lp b ng
png hc (lp hai cánh vy).
3.
- c và mô hình
tính toán ca kt cu cu h dây.
- ng s: Phát tric lp ca
Matsumoto tính toán vn tc flutter ti hn ca cu khi có lp b
u chng hc) và khi không lp.
2
- c nghim: Tham gia l
4.
- Phát tric lp ca M. Matsumoto tính
vn tc gió ti hn ca mt ct cu 3 bc t do [116] sang tính toán
mô hình mt ct cu có lp b u chnh rung 4 bc t do.
- Xây d g trình tính toán vn tc gió ti hn: Flutter-
BK01 và Flutter-BK02, da trên phn mm MATLAB tính toán
vn tc flutter ti hn ca ci tác dng ca gió.
- u t ca b gim chn khng-cn
(TMD) cho dm ch cu h dây, t ng nhn xét,
khuyn ngh vic l t b tt ch t hiu qu
mong mun. Kt qu này có th áp dng trong nhng gii pháp gim
i tác dng ca gió ca mt cu treo bt k.
- Áp dng các kt qu nghiên cu tính toán cho mt mô hình mt
ct dm cu c th. Các kt qu c là hp lý gia tính toán lý
thuyt và thc nghim.
5.
Lun án gm n Kt lun, kin ngh vi 133
trang, 58 hình v th, 9 bng biu.
1
1.1
Hin nay, các kt cu cu h c
xây dng ngày càng nhiu ti Vit Nam vi kh t nhp ln
cùng vm v mt kin trúc m quan. Tuy nhiên, do có dng
kt cu thanh mnh nên các công trình c, dây võng rt
nhy cm vng ca gió bão.
1.2
nghiên cu ng cn công trình cu, u tiên ta
phi xây dng ca ci tác dng cn
i ta xây dng hai loi mô hình: mô hình mt ct và mô hình
toàn cu [35, 79, 94, 96, 141, 149, 153, 154].
V mc mô hình mt ct là mô hình h ng hai bc
t ng ung xon) hoc mô hình h ng ba
3
bc t do (dao ng ung xong ngang). Do dao
ng ngang ít có ng lng s dng mô
hình hai bc t do.
Mô hình toàn cc nghiên cu [35, 96, 141, 153, 154].
n t hu hn theo các
d xây dng mô hình và
ng toàn cu.
1.3
tính toán vn tc ti hn flutter cng s
d
- riêng phc
- m s phc
- dng tiêu chun Routh Hurwitz
- c lp
1.4
Do tính phc tp cng ca ci tác
dng ca gió, trong lu s dng mô hình mt c
nghiên cu tính toán mt nh flutter ca cu. Trong quá trình
nghiên cu chúng tôi th c lp ca GS. M.
i hc Kyoto) là m
xuu v có th nghiên
cu phát trin. Vi vy trong luu s dng và phát
tric lp tính toán vn tc flutter ca mô hình cu.
Trong lu dng và phát tric l
nghiên cu khin th ng kt cu cu dây s dng các
b gim chn kh ng-cn (TMD) và s dng các cánh vy b
ng.
2
2.1
2.1.1
10
/U m s
4
2.1.2
/
d
U m s
10 1
.
d
U U E
(2.3)
2.1.3
2.2
2.2.1
2.2.1.1 Biến dạng và ứng suất tĩnh
g và momen
46, 149]
2
1
2
D
D U BC
(2.5)
2
1
2
L
L U BC
(2.6)
22
1
2
M
M U B C
(2.7)
2.2.1.2 Các hiện tượng mất ổn định tĩnh
a. Mất ổn định uốn ngang
xz
y
vuông góc
]
3
28.3
zT
cr
EI GI
q
L
(2.10)
5
(2.5) [125]
1/2
2
cr
cr
D
q
U
CB
(2.11)
b Mất ổn định xoắn
V
2
0
2
'
cr
M
k
U
BC
(2.19)
2.2.2
2.2.2.1 Dao động do xoáy khí (Vortex-induced vibration)
a. Giới thiệu chung - Hiện tượng lock-in
1
các xoáy khí luân phi
s
f
Strouhal [149]
s
fB
St
U
(2.20)
K
lock-in.
b. Mô hình phân tích hiện tượng dao động gió cuộn xoáy
2
1
sin
2
LS s
F U BC t
(2.21)
g, p
g [68, 109, 149]
6
2
11
2
2
12
2
2
1
( ) 1 ( ) ( )sin
2
L
m y y y
y y y
U B Y K Y K C K t
B U B
(2.23)
2.2.2.2 Dao động do gió mưa (Rain-wind-induced vibration)
uchi,
.
0
0
yy
y
M C K
(2.34)
2.2.2.3 Dao động do rối của dòng khí (Buffeting)
g
m
A
k
và
0
c
(hình 2.9)
x
0
mx c x kx P x P t
(2.37)
D
P x AC Ux
(2.38)
2.2.2.4 Dao động phía cuối gió (Wake-induced vibration)
a. Cộng hưởng luồng gió rối
cr
U
]
2
cr
t
B
U
T
(2.42)
b. Cộng hưởng xoáy khí
cr
U
k
f
]
7
k
cr
t
Hf
U
S
(2.43)
c. Hiệu ứng giao thoa
tháp và d].
2.2.2.5 Dao động tự kích khí động học theo phương uốn (Galloping)
.
0
0
L
D
dC
C
d
(2.57)
2.2.2.6 Hiện tượng dao động tự kích khí động học uốn xoắn (Flutter)
a. Hệ phương trình dao động tự kích khí động học uốn xoắn của
hệ hai bậc tự do
Hình 2.13 Mô hình dao động flutter
(hình 2.13) :
( ) ( ) ( )
h h h
mh t c h t k h t L
(2.58)
k
B
U
h
k
h
h
L
M
,mI
h
c
c
8
( ) ( ) ( )I t c t k t M
(2.59)
b. Lực nâng và momen khí động
]
2 * *
12
2 * 2 *
34
1
( ) ( )
2
( ) ( )
h
hB
L U B KH K KH K
UU
h
K H K K H K
B
(2.64)
2 2 * *
12
2 * 2 *
34
1
( ) ( )
2
( ) ( )
hB
M U B KA K KA K
UU
h
K A K K A K
B
(2.65)
K
là
c. Mô hình flutter ba bậc tự do
[138]
2 * * 2 *
1 2 3
2 * * 2 *
4 5 6
1
2
h
hB
L U B KH KH K H
UU
h p p
K H KH K H
B U B
(2.66)
2 2 * * 2 *
1 2 3
2 * * 2 *
4 5 6
1
2
hB
M U B KA KA K A
UU
h p p
K A KA K A
B U B
(2.67)
2 * * 2 *
1 2 3
2 * * 2 *
4 5 6
1
2
p
pB
D U B KP KP K P
UU
p h h
K P KP K P
B U B
(2.68)
trình chuy]
( ) ( ) ( )
h h h
mh t c h t k h t L
(2.69)
( ) ( ) ( )I t c t k t M
(2.70)
9
p p p
mp t c p t k p t D
(2.71)
2.3
2.3.1
2.3.2
175]).
2.3.3
50, 108, 134, 160].
2.4
2.4.1
2 2 2 3
2 2 2 2
2
2
ei
b b L
e
b P t T L
w w w w
m c EI c A
t t x x x t
I c GI M
t t x x
(2.160)
2.4.2 -
trình d-
11
, sin , , sin
nn
jj
jj
jj
w x t h t x x t t x
LL
(2.163)
( ) ( ) ( )
hL
mh t c h t k h t A
(2.177)
( ) ( ) ( )
L
I t c t k t M
(2.178)
2.5
-
10
dòng
---wind-induced
-
h
3
TREO THEO MÔ HÌNH
,
3.1
[153]
h
và
. P
]
( ) ( ) ( )
h h h
mh t c h t k h t L
(3.1)
( ) ( ) ( )I t c t k t M
(3.2)
ình (2.64), (2.65).
3.1.4
flutter
**
, 1, ,4
ii
A H i
[143].
.
11
flutter
**
,
ii
AH
3.2 Tính toán
3.
K K K M q D q C q 0
(3.17)
T
h
q
;
;;K K KM D C
(3.17) :
t
te
qq
(3.18)
Bươ
́
c 1: :
0
sin
FF
t
F
et
(3.22)
Bươ
́
c 2:
Bươ
́
c 3:
,
,
2
20
F F F
(3.67)
3/2
2 2 * 2 * * 2
1 3 1 2 1 2 1
* * 2 * * 2
1 3 2 4 2 1 1
* * 1/2
4 3 2 2
[ { 1 sin
1 sin 1 (cos sin )
(cos sin )}]
F F F F
F F F
F
A A H
A H A H
AH
(3.68)
* * * 2
1 2 1 2 1 2 1 1
* * * * 2 * *
1 3 2 2 4 2 1 4 3 2
2 2 { 1 sin cos
sin cos 1 sin sin }
F F F
F
FF
A A H
A H A H A H
(3.69)
12
H(3.68) và (3.69)
F
và
F
Newton-
,
FF
.
3.3
.
2
34,8kg, 0,71kgm , 2790N/m, 70,8Nm/rad
0, 2 0,420m, 0.79m
h
h
m I k k
c c B b l
Hình 3.5 Hình dáng mặt cắt mô hình thí nghiệm (đơn vị: mm)
Hình 3.6 Mô hình thí nghiệm với TMD trong thí nghiệm hầm gió
.
13
-BK01 ta t
:
9.31m/s; 9.42rad/s
FF
U
.
9.8m/s
F
U
, %.
vài
Kết quả tính toán vận tốc flutter
F
U
(m/s)
1
2
3
4
21.78
39.6
74.1
19.4
]
21.5
40.2
73.0
15.5
[165]
20.6
41.3
70.2
16.1
21.90
41.73
73.54
23.16
]
1.3%
1.49%
1.5%
25.16%
utter-
:
40.14m/s; 0.978rad/s
FF
U
. ],
39.2m/s;
F
U
0.995rad/s
F
[146] là 2.4%.
-
23.75m/s; 0.9671rad/s
FF
U
.
trong tà] là
23.6 m/s;
F
U
0.97rad/s
F
n
[153] là 0.64%.
-
:
72.5m/s; 1.2711rad/s
FF
U
],
72.5 / ;
F
U m s
1.28rad/s
F
tro] là 0%.
14
-ó flutter
t :
75.5m/s; 3.1249rad/s
FF
U
.
48.1m/s
F
U
hF
f f f
công trình khác.
3.5
-
-
-
-BK01.
-
m-
- -
er-
-BK01.
4
-
(TMD)
4.1
(hình 4.1)
12
2
12
1 1 1
2 2 2
2
2
0
0
C C C h h h
C C C C C C
C C C C C C
C C C C C C
m m h m y m y c h k h L
I m b m b y m b y c k M
m h m b m y c y k y
m h m b m y c y k y
(4.8)
15
Hình 4.1 Mô hình tính toán
Bươ
́
c 1:
:
0
sin
FF
t
F
et
(4.16)
Bươ
́
c 2: Thay
,,
0 0 10 0
/ , / ,hy
20 0
/,y
12
,,
h y y
,
FF
. V
0 10 20
,,h y y
là
12
,,
h y y
12
,,h y y
Bươ
́
c 3:
2
20
F F F
(4.63)
16
2
01
11
0
2
02
22
0
33
**
00
14
00
4
*2
2
1 sin 2 cos
1 sin 2 cos
sin cos sin
22
/ 2 2
2
F C C F F y F y
C C F F y F y
F F h h F h
F C C F
y
mb
y
m b c
hh
BB
AA
B
A I m b
(4.64)
2 2 2
01
11
0
22
02
22
0
3
*2
0
1
0
34
2 * 2 * 2
0
43
0
1 cos sin
1 cos sin
sin 1
2
cos sin / 2
22
F C C F F y F y
C C F F y F y
F F h F
F h h F F C C
y
mb
y
m b k
h
B
A
h
BB
A A I m b
(4.65)
(4.64), (4.65)
,
FF
.
Phân tích
Belt.
0.058,0.116,0.174kg; 7N/m; 0.081Ns/m;
0.05,0.10,0.15,0.20m
C C C
C
m k c
b
17
Hình 4.4 Mô hình thí nghiệm với TMD trong thí nghiệm hầm gió
Hình 4.5 Bố trí chung của thí nghiệm mặt cắt dầm cầu với TMD
end plates
bridge girder
TMD
damper pot
traverse
18
Bảng so sánh kết quả lý thuyết và thực nghiệm
/
F
U m s
C
k
= 2*7 N/m,
C
c
= 2*0.081 Ns/m),
C
m
= 2*0.058; 2*0.116; 2*0.174 kg
C
m kg
C
bm
0.05
0.1
0.15
0.2
2*0.058
Lý
9.84
9.8
9.71
9.54
9.9
9.85
9.8
9.9
2*0.116
8.96
9.42
10.07
10.87
9.4
9.8
10.2
10.7
2*0.174
9.04
9.26
9.62
10.07
9.6
9.7
9.9
10
4.4
km/h).
12.4m, 142.4kg, 18.1663Ns/m, 108.5311N/m
C C C C
b m c k
S-BK02,
50.7m/s; 0.89rad/s
FF
U
]:
49.5m/s; 0.86Hz
FF
U
] là 2.42%.
4.
4.5.1 g
th
, , ,
C C C C
b m c k
min max
0,05m; 0,2m; 0,05m
C C C
b b b
min max
0,116kg; 9*0,116kg; 0,116kg
C C C
m m m
19
min max
2*4N/m; 2*10N/m; 2*1N/m
C C C
k k k
min max
0,081Ns/m; 4*0,081Ns/m; 0,081Ns/m
C C C
c c c
0,2m; 0,116kg; 2*0,081Ns/m;
Copt Copt Copt
b m c
2*5N/m; 16.1m/s
Copt F opt
kU
Hiu sut:
16,1 9,31
*100 72,93%
9,31
Fopt F
F
UU
U
4.5.2
, , ,
C C C C
b m c k
min max
3,4m; 12,4 ; 1m
C C C
b b m b
min max
50kg/m; 200kg/m; 10kg/m
C C C
m m m
min max
50N/m/m; 150N/m/m; 10N/m/m
C C C
k k k
min max
2Ns/m/m; 20Ns/m/m; 2Ns/m/m
C C C
c c c
11,4m
C opt
b
;
90kg/m
C opt
m
;
4Ns/m/m
C opt
c
;
80N/m/m; 73.9m/s
C opt Fopt
kU
Hiu sut:
73,9 40,14
% *100 84,11%
40,14
Fopt F
F
UU
U
4.
-
-
-
-80%.
-
20
-
5
Hình 5.1 Mô hình tính toán của hệ dầm cầu-2 cánh vẫy
1 2 2 2 1 1 1 2h h h w w
m m m h m e me k h c h L L L
(5.15)
22
2 2 1 1 1 1 2 2 1 1 2 2
1 1 2 2 1 1 2 2
w w w w
w w w w w w
m e me h I m e m e k k k
c c c M e L e L
(5.16)
1
1 1 1 1 1 1
w
w w w w w
I k c M
(5.17)
2
2 2 2 2 2 2
w
w w w w w
I k c M
(5.18)
21
và các c
Bươ
́
c 1:
0
sin
FF
t
F
et
(5.35)
Bươ
́
c 2: Thay
,,
vào
12
0 0 10 0 20 0
/ , / , / , , ,
ww
w w h
h
,
FF
. V
0 10 20
,,
ww
h
12
,,
ww
h
là
12
,,
ww
h
Bươ
́
c 3:
2
20
F F F
(5.84)
22
3
2 * * *
0 1 2
2 2 1 1 1 1 11 2 12
0
22
3
2 * 2 * 2 *
0 1 2 0
4 1 41 2 42 1 2
00
4
*
21
1 sin 2 cos
2 2 2
sin cos sin
2 2 2
2
ww
F F F h F h F F F
ww
F h h F F F h w w
F
F
h B B
B
m e m e A e H e H
h B B h
B
A e H e H c c c
B
Ae
1
1 1 2
2 2 3 3
2 * 2 * 2 * *
1 2 1 10 1
11 2 12 1 1 31 1 1 21
0
33
2 * *
10 2 20 2
2 2 32 2 2 22
00
20
0
sin
2 2 2 2
sin cos sin
22
w
w w w
w w w w w
F F w F w F
F
w w w w
F w F w F
F
w
B B B B
H e H k e H c e H
BB
k e H c e H
22
22
1 1 2 2
sin cos / 2
ww
FF
I m e m e
(5.85)
22
22
3
2 2 2 * * *
0 1 2
2 2 1 1 1 1 11 2 12
0
22
3
2 2 * 2 * 2 *
0 1 2 0
4 1 41 2 42 1
00
4
2
2
1 cos sin
2 2 2
sin 1 cos sin
2 2 2
2
ww
F F F h F h F F F
ww
F h F F F F h h F w
wF
h B B
B
m e m e A e H e H
h B B h
B
A e H e H k k
B
kA
11
1 2 2
2 2 3
* 2 2 * 2 2 * 2 *
1 2 1 10
3 1 41 2 42 1 1 31
0
33
* 2 2 *
1 10 2 20
1 1 21 2 2 32
00
3
2
22
cos sin
2 2 2
sin 1 cos sin
22
2
ww
w w w
w w w w
F F w F F
w w w w
w F F F w F F
w
w
B B B
e H e H k e H
BB
c e H k e H
B
ce
2
* 2 2 2
20
22 1 1 2 2
0
sin 1 /
w
w
F F F
H I m e m e
(5.86)
(5.85), (5.86)
,
FF
.
40.14(m/s)
F
U
1 2 1 2 1 2
0,1 , 0,5 , 0
w w w w
B B B e e B c c
3
7850kg/m
w
,
0,02m
.
Hình 5.3 Vận tốc gió flutter tới hạn thay đổi theo
12
,
ww
kk
23
theo tính
:
58(m/s)
Fopt
U
58 40,14
*100 44,49%
40,14
-
-
24
Flutter-
-
-
-
MATLAB.
-
-
- ng
80%.
-
ng-
-