Phân tích ảnh hưởng của động lực do gió đối với công trình cầu-Caohoc.DOC

Phần 3 :

Phân tích ảnh hởng của tác dụng
động lực do gió đối với công trình cầu
3-1. Các đặc điểm của gió tự nhiên

3-1-1.Giới thiệu chung.

Đặc điểm nổi bật của gió tự nhiên là có tính nhiễu loạn.
Nguyên nhân của sự nhiễu loạn là do ma sát của các luồng
không khí đi qua các bề mặt tiếp xúc. Dòng không khí nhiễu
loạn thay đổi rất phức tạp mang nhiều yếu tố ngẫu nhiên cả
về không gian lẫn thời gian.
Đặc trng quan trọng nhất của gió là vận tốc gió. Vận tốc
gió tức thời tại một điểm bất kỳ nào đó trên mặt đất là
tổng hợp gồm thành phần vận tốc gió cơ bản và thành phần
vận tốc gió biến đổi do nhiễu loạn của luồng không khí
(thành phần xung).
Trong tính toán công trình thờng dùng giá trị trung bình
danh định của tốc độ gió. Theo định nghĩa nếu xét trong
thời gian đủ dài (thông thờng là 10 sec) có thể coi thành
phần xung bằng không thì chuyển động dòng gió đợc coi là
êm đều (gió bình quân).
Sự khác nhau giữa tốc độ trung bình và tốc độ thực tế
chính là do thành phần xung của tốc độ, nó gây ra hiện tợng
động học trong công trình. Hầu hết các nớc đều có các
nghiên cứu khảo sát về khí tợng và vẽ đợc bản đồ tốc độ gió
trên khắp lãnh thổ ở cao độ 10m so với mặt đất. Bản đồ gió
theo lãnh thổ của Việt Nam đã đợc Tổng cục khí tợng thuỷ
văn cung cấp.
Nói chung, tốc độ gió tăng từ giá trị bằng 0 ở cao độ sát

mặt đất cho đến một trị số cực đại nào đó ở chiều cao
chừng 500-1000 m so với mặt đất. Bề mặt gồ ghề của địa
hình sẽ cản trở sự di chuyển của dòng gió. Hiệu ứng này giảm
86


dần theo chiều cao và đến một độ cao nào đó thì coi nh
không còn ảnh hởng nữa. Độ cao đó gọi là lớp biên của khí
quyển tự do. Phần khí quyển ở bên trên lớp biên đó gọi là khí
quyển tự do. Độ cao lớp biên cũng còn gọi là độ cao gradient
và tốc độ gió ở độ cao đó gọi là tốc độ gradient. Tốc độ
này sẽ không thay đổi theo độ cao nữa. Trên hình 3-1 vẽ
biểu đồ biến đổi tốc độ gió theo độ cao so với mặt đất.
Còn trên hình 3-2 mô tả các biểu đồ tốc độ gió ở các địa
hình khác nhau (ví dụ, trong thành phố, vùng nông thôn, vùng
bờ biển).
ở khoảng không cách mặt đất 500 - 1000m, tốc độ gió
hầu nh không chịu ảnh hởng của điều kiện địa hình mặt
đất. Trong phạm vi dới 500m của tầng khí quyển thì tốc độ
gió chịu ảnh hởng của nhiều nhân tố nh vị trí địa lý, điều
kiện địa hình, độ gồ ghề mặt đất, độ cao, nhiệt độ v.v...
và không ngừng biến đổi theo không gian, thời gian, xung
quanh tốc độ gió bình quân so với mặt phẳng nằm ngang
(góc tác dụng hay còn gọi là góc cong), cờng độ của gió động,
thành phần, chu kỳ, tơng quan không gian v.v...

Hình 3-1: Biểu đồ biến đổi tốc độ gió theo độ cao so
với mặt đất.

--------- Biểu đồ vận tốc gió

có xét tới thành phần biến
87

______ Biểu đồ vận tốc gió


đổi

cơ bản

Hình 3-2: Các biểu đồ tốc độ gió ở các địa hình khác
nhau
Có thể biểu thị thành phần tốc độ gió theo hớng gió thổi
ở vị trí có cao độ z so với mặt đất trong một hệ tọa độ Đềcác gồm 3 trục, trục thẳng đứng (z), trục nằm ngang theo hớng gió thổi (x) và trục nằm ngang vuông góc với hớng gió thổi
(y) theo hệ thức sau:
Theo phơng gió thổi:
V(z) + v(x,y, z,t)
(1-1)
Theo phơng vuông góc với phơng gió thổi:
u(x, y, z, t)
(1-2)
Theo phơng thẳng đứng:
w(x, y, z, t)
(1-3)
trong đó:
V(z)- thành phần vận tốc gió cơ bản ở cao độ (z)
v, u, w - các thành phần do biến đổi nhiễu loạn (thành phần
xung)
88

3.1.2. Tốc độ gió cơ bản

Do gió tự nhiên gần mặt đất, chịu ảnh hởng rất lớn về
địa hình và độ gồ ghề mặt đất, nên phải căn cứ vào các số
liệu quan trắc đợc về tốc độ gió ở vị trí cầu mà suy đoán và
xác định tốc độ gió. Tuy nhiên, trong đại đa số trờng hợp ở
địa điểm xây dựng cầu không có hoặc không đủ số liệu
quan trắc về tốc độ gió, nên không thể tìm ra một cách trực
tiếp tốc độ gió thiết kế cho cầu; lúc đó cần thông qua tài
liệu về tốc độ gió gián tiếp để xác định đợc tốc độ gió thiết
kế. Một loại tài liệu có thể dễ dàng tìm đợc là các tài liệu về
tốc độ gió ở Trạm khí tợng thuộc địa phơng xây dựng cầu .
Ví dụ nh Tiêu chuẩn quan trắc về tốc độ gió quy định
trong ngành khí tợng Việt nam và Trung Quốc là tốc độ gió
bình quân 10 phút ở cao độ 10 m cách mặt đất tại khu vực
bằng phẳng thoáng đãng. Theo quy định trong "Quy phạm
thông dụng thiết kế cầu cống đờng bộ trung Quốc "(JTJ 02189), áp lực gió cơ bản tính trong kỳ hạn tái xuất hiện 100 năm;
Trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam 22TCN 272-05 cũng
quy định nh trên.
Do vậy có thể lấy tốc độ gió cơ bản là tốc độ gió tối
đa trung bình trong 10 phút của kỳ hạn tái xuất hiện
100 năm ở cao độ 10m cách mặt đất bằng phẳng thoáng
đãng.
Qua đó thấy rằng tốc độ gió cơ bản không phải là tốc độ
gió tại vị trí xây dựng công trình cầu mà là tốc độ gió ở vùng
địa mạo có tính đại diện (tức là mặt đất bằng phẳng
thoáng đãng) của một vùng tơng đối rộng thuộc phạm quản lý
của Trạm khí tợng tại địa phơng xây dựng cầu. Chỉ khi vị trí
xây dựng cầu nằm trong vùng bằng phẳng thoáng đãng thì

tốc độ gió cơ bản mới đại diện cho tốc độ gió ở vị trí xây
dựng cầu cầu.
Căn cứ vào tài liệu tham khảo Trung quốc và Nhật bản,
thấy rằng tốc độ gió tối đa hàng năm theo sự phân bố loại
89


hình cực trị I, nên trong các hớng dẫn tính toán tác động gió
cho cầu cũng đề nghị lấy sự phân bố loại hình cực trị I làm
phơng pháp tính tốc độ gió tối đa hàng năm chu kỳ tái hiện
100 năm.
3-1.2.1. Phơng pháp xác định tốc độ gió cơ bản
3.1.2.1.1. Trờng hợp Trạm khí tợng tại địa phơng xây dựng
cầu có đầy đủ số liệu quan trắc về tốc độ gió thì thông thờng có thể giả thiết tuân theo phân bố dạng I của tốc độ gió
tối đa năm, từ tốc độ gió tối đa bình quân năm 10 năm suy
ra trị số xác suất kỳ vọng toán học của tần suất xuất hiện 1%
để làm tốc độ gió cơ bản.
3.1.2.1.2. Trờng hợp tại địa phơng xây dựng cầu thiếu các số
liệu quan trắc về tốc độ gió thì dùng bản đồ phân bố áp lực
gió cơ bản; trị số của Việt nam có thể lấy từ Tiêu chuẩn
22TCN 272-05 lấy áp lực gió cơ bản ở khu vực xây dựng cầu
tính đổi ra tốc độ gió cơ bản:
V10= 0, 836.V20
(1-4)
V20= 1,6.W0

(1-5)

trong đó:
W0: áp lực gió cơ bản ở khu vực xây dựng cầu, rút ra từ bản

đồ phân bố áp lực gió cơ bản trị số của Việt nam có thể
lấy từ Tiêu chuẩn 22TCN 272-05)
V20: Tốc độ gió cơ bản ở độ cao 20m. (đơn vị m/s)
V10: Tốc độ gió cơ bản ở độ cao 10m. (đơn vị m/s)
3.1.2.1.3. Đối với những cầu quan trọng nằm trong quy hoạch
thì ngay trong thời kỳ bắt đầu quy hoạch, cần xây dựng
Trạm quan trắc tốc độ gió để có các số liệu tốc độ gió,
chính xác hơn.
3.1.2.1.4. Tính toán vận tốc gió cơ bản
hàm Logarit

90

theo qui luật


Theo phơng pháp này, vận tốc gió đợc xác định từ đặc
trng của bản thân dòng khí, đặc trng địa hình và sự tơng
tác qua lại giữa dòng khí và địa hình mà nó thổi qua. ở gần
bề mặt địa hình sự biến thiên của vận tốc gió theo chiều
cao dV(z)/dz phụ thuộc vào , và độ cao z.
Biểu thị tốc độ cơ bản gió theo quan hệ toán học dạng hàm
Logarit đã đợc tác giả Liu đề ra từ năm 1991:
1 z
V z vm ln
k z0
(1-6)
trong đó:
vm - tốc độ cắt trợt hoặc tốc độ ma sát
vm =

/

(1-7)
với
= cờng độ gió ở mặt đất
= mật độ không khí
Với những cơn gió đặc biệt, tốc độ ma sát nằm trong
khoảng từ 1-2m/s
k = hằng số Karman, lấy gần đúng bằng 0,4 dựa trên các thí
nghiệm trong hầm gió và trong khí quyển.
z - chiều cao từ bề mặt địa hình đến điểm tính gió.
z0 - độ cao nhám bề mặt.
Giá trị của z0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt của địa
hình. Các vật thể tạo nhám trên bề mặt địa hình tạo nên các
xoáy khí và lực ma sát ngăn cản sự dịch chuyển của dòng khí
làm tăng mức độ nhiễu loạn của luồng khí. Những bề mặt
địa hình có các vật thể thoát gió tốt ít gây nhám nh bề
mặt đồi trọc thoải dài không coi là vật tạo nhám. Nếu số vật
nhám phân bố đều đặn trên bề mặt địa hình, độ cao
nhám bề mặt z0 có thể tính toán theo công thức kinh nghiệm
91


sau đây:
z 0 0,5.h.

Ar
At

(1-8)
ở đây:
h- chiều cao vật thể tạo nhám nh nhà cửa, công trình kiến
trúc
Ar - diện chắn gió của vật tạo nhám.
At - diện tích mặt bằng của vật tạo nhám.
Tiêu chuẩn Châu Âu EuroCode 1 sử dụng phơng pháp tính
vận tốc gió cơ bản bằng phơng pháp sử dụng hàm logarit đối
với chiều cao tới 200m đồng thời chia địa hình thành 4 loại
cơ bản và xác định các tham số k và z0 theo bảng 3-1 sau đây.
Bảng 3-1: Phân loại địa hình và các hệ số k, z0 theo
EuroCode 1
Phân loại
Loại bề mặt
k
z0
độ nhám
(m)
bề mặt
I

Trên mặt biển, bờ biển, hồ ít nhất
5km bằng phẳng trớc gió, vùng nông
thôn không có chớng ngại vật

0.17

0.01

0,19

0,05

III

Vùng ngoại ô, khu công nghiệp và
0,22
vùng rừng lâu năm

0,30

IV

Vùng đô thị có ít nhất 15% diện
tích bề mặt bao phủ bởi nhà cửa có
độ cao lớn hơn 15m

1,00

II

Vùng trang trại có bờ rào, có các công
trình nông nghiệp nhỏ, nhà cửa,
cây cối

0,24

3.1.2.1.5. Tính toán vận tốc gió theo qui luật hàm số
mũ
Một số Tiêu chuẩn về gió giả thiết rằng tốc độ gió trong

khí quyển, phân bố theo chiều cao thẳng đứng, theo quy
luật hàm số mũ tức là:
92


VZ Z

V10 10



(1-

9)
Trong đó:
Vz
: tốc độ gió ở độ cao z (m/s)
V10 : tốc độ gió ở độ cao 10m (m/s)

: chỉ số mũ, đại lợng không thứ nguyên, có xét tới độ gồ
ghề mặt đất, Theo Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 lấy theo bảng
3-2.
Bảng 3-2: Phân loại độ gồ ghề của mặt đất theo Tiêu chuẩn
TCVN 2737-1995 .
Phân loại
độ gồ ghề
bề mặt
đất
I

Tình trạng bề mặt đất



Trên mặt biển, bờ biển
0,12
Trên ruộng vờn, đất bằng bằng phẳng
II
trống trải; khu vực có cây cối, khối kiến
0,16
trúc thấp, tha thớt v.v...
Khu vực nhiều cây cối, khối kiến trúc thấp
tầng dày đặc; khu vực có khối kiên trúc
III
0,22
cao tầng, trung tầng tha thớt; khu vực đồi
gò thoải.
Khu vực tập trung nhà cao tầng, trung
IV
0,30
tầng; khu vực đồi núi trập trùng.
Nói chung "quy luật Logarit " đợc các nhà khí tợng học coi là
đúng hơn trong phạm vi vùng khí quyển thấp, còn "quy luật
luỹ thừa" không đợc dùng trong ngành khí tợng học.
Tuy nhiên, để đơn giản khi tính áp lực gió nên dùng công
thức theo quy luật luỹ thừa theo các Tiêu chuẩn tính toán công
trình xây dựng của nhiều nớc.

93

3.1.3. Tốc độ gió tiêu chuẩn dùng để thiết kế cầu

Một số tài liệu nghiên cứu cho thấy tốc độ gió bình quân
phân bố theo chiều cao có đặc điểm sau: ở chiều cao trên
100m, nó theo quy luật hàm số mũ, còn dới 100 m theo quy
luật lôgarit.
Giữa tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế và tốc độ gió cơ bản
có công thức quan hệ sau đây:
Vd = K1.VZ
(1-10)
Trong đó:
K1: Hệ số hiệu chỉnh không thứ nguyên có xét tới ảnh hởng độ cao và độ gồ ghề mặt đất khác nhau (xem
bảng 1.3). Trong đó địa hình loại II là loại địa hình
tiêu chuẩn đã qui định trong định nghĩa gió cơ bản
Theo Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995.
Vd- vận tốc gió thiết kế (ở cao độ z)
Vz- vận tốc gió cơ bản ở cao độ z
Khi dùng công thức (1-10) để tính tốc độ gió chuẩn thiết
kế Vd , thì chiều cao z trong bảng 1-3, về nguyên tắc, lấy
mặt biển, mặt nớc hoặc mặt đất làm mặt chuẩn (đối với
sông ngòi thì mặt chuẩn là mặt nớc có mực nớc trung bình
là mực nớc mà trong nửa năm không dới mức đó; đối với mặt
biển lấy mặt biển trung bình hoặc lấy vị trí thuỷ triều
trung bình làm mặt chuẩn). Đối với dầm chủ, cao độ z là cự
ly từ mặt cầu ở khẩu độ chính đến mặt chuẩn ; đối với trụ
cầu cao độ z là khảng cách từ 0.65 chiều cao trụ đến mặt
chuẩn.
Trong bảng 3-3, độ gồ ghề mặt đất từ loại I và III theo
"Tập san thiết kế cầu đờng".của Trung Quốc

Độ gồ ghề mặt đất loại IV xem xét theo "Xây dựng công
trình dân dụng" của Trung Quốc
94


B¶ng 3-3: HÖ sè hiÖu chØnh K1
Ph©n lo¹i ®é
gå ghÒ
mÆt
®Êt
Cao ®é (m)
0 < z 5
5 < z  10
10 < z  15
15 < z  20
20 < z  25
25 < z  30
30 < z  35
35 < z  40
40 < z  45
45 < z  50
50 < z  60
60 < z  70
70 < z  80
80 < z  90
90 < z  100
100 < z  110
110 < z  120
120 < z  130
130 < z  140

140 < z  150
150 < z  160
160 < z  170
170 < z  180
180 < z  190
190 < z 200

I

II

1, 11
1, 46
1, 24
1, 29
1, 33
1, 36
1, 39
1, 41
1, 43
1, 45
1, 47
1, 50
1,53
1, 55
1, 57
1, 59
1, 61
1, 62
1, 64

1, 65
1, 67
1, 68
1, 69
1, 70
1, 71

1, 00
1.00
1.04
1, 09
1, 14
1, 18
1, 21
1, 24
1, 26
1, 28
1, 31
1, 35
1, 38
1, 41
1, 43
1, 46
1, 48
1, 50
1, 52
1, 53
1, 55
1, 57
1, 58

1, 60
1, 61

III

0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,

83
83
83
85
90
94
98
01
04
07
11
15
18
22
25
27
30
32
35
37
39
41
43
44
46

IV

0,

0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
0,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,
1,

75
75
75
75
75

75
77
80
83
86
90
94
98
02
06
09
12
14
17
20
22
24
26
29
31

§èi víi mét kÕt cÊu kh«ng qu¸ cao so víi mÆt ®Êt th× cã
95


thể chấp nhận dùng tốc độ gió trên bề mặt để tham khảo
suy ra tốc độ gió cho tính toán kết cấu. Điều này đúng với đa
số các cầu ở vùng nông thôn. Tuy nhiên có một số bộ phận kết
cấu cầu nh cột tháp của các cầu dây là khá cao so với mặt
đất. Khi đó không thể dùng tốc độ gió bề mặt là tốc độ gió

khống chế cho thiết kế toàn bộ cầu. Sự tăng tốc độ gió theo
chiều cao có thể trở thành một yếu tố quan trọng cần xét kỹ
trong lúc thiết kế cầu dây. Phần nhô lên quá cao của cầu phải
đợc thiết kế với tốc độ gió cao hơn so với tốc độ gió đợc dùng
để thiết kế những phần thấp hơn của cầu.
Cần lu ý rằng vận tốc gió tính theo áp lực gió theo vùng
qui định ở Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995 nh các công thức 1-4
và 1-5 là đại diện cho cả khu vực rộng trải dài theo lãnh thổ
Việt Nam. Khi khảo sát thiết kế cầu cần hết sức chú ý sử dụng
số liệu điều tra về vận tốc gió trong khu vực nh ví dụ tính
toán cho cầu Rạch Miễu dới đây.
Ví dụ tính vận tốc gió cơ bản đối với cầu Rạch Miễu
ở tỉnh Mỹ Tho đã xét nh sau:
* Tốc độ gió tại trạm khí tợng Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang:
- Vận tốc gió lớn nhất bình quân 10 phút tại chiều cao 10 m
cho chu kỳ 100 năm:
V10,10= 15 m/s.
- Tốc độ gió trận lớn nhất trong khoảng 1-3 giây tại chiều cao
10 m cho chu kỳ 100 năm:
Vg,10 = 28m/s.
* Để thiên về an toàn, tốc độ gió thiết kế sẽ đợc lấy theo Tiêu
chuẩn Châu Âu (Euro Code 1) Phần 2- 4 theo vùng II với các tốc
độ gió cơ bản nh sau:
+ V10,10 = 30m/s (giai đoạn khai thác)
+ V10,10 = 27m/s (giai đoạn thi công)
* Nếu dựa theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 thì quá trình tính
sẽ nh sau. Tại vị trí cầu Rạch Miễu ở tỉnh Mỹ Tho, địa hình
xung quanh khu vực xây dựng cầu có thể đợc phân loại là loại
96

II, nên đợc lấy số mũ của phơng trình gió là 0,16; tốc độ
gió cơ bản, tốc độ gió lớn nhất hàng năm tại độ cao 10 m với
chu kỳ 100 năm, trong địa hình tại khu vực xây dựng cầu đợc đề nghị lấy giá trị 30,0 m/s ở giai đoạn sử dụng (V 10) và
bằng 27 m/s ở giai đoạn xây dựng (V 5 10). Nh vậy cả hai cách
tính đều tơng tự nhau.
T vấn TEDI đã tính Tốc độ gió thiết kế của cầu Rạch
Miễu nh sau:
Cao độ mặt cầu thiết kế của nhịp giữa cầu Rạch Miễu
là 42,757m. Thông thờng, mực nớc cao nhất và thấp nhất lần lợt
là 1,670m, 1,730m và -2,080m. Nh vậy chênh cao từ mặt cầu
đến mặc nớc là 44,8m, và tốc độ gió thiết kế thông thờng tại
cao độ mặt cầu với giai đoạn khai thác (V d) đợc định nghĩa
nh sau:
Vd = V10 (44,8 /10)0,16 = 1,271 x 30 =38.1 m/s
Đối với giai đoạn thi công, tốc độ gió thiết kế ở cao độ
mặt cầu là V5d lấy bằng 0,9 lần trị số tơng ứng của giai đoạn
khai thác , tơng ứng với chu kỳ lặp lại 25 năm, nghĩa là:
Vd = 0,9 x Vs d = 0,9 x 38,1 = 34,3 m/s
Một số ví dụ khác:
Một số cầu dây Việt nam đã lấy các tốc độ gió nh sau:
Tên cầu dây
văng

Tốc độ gió
cơ bản
V10, 10 (m/s)

Mỹ Thuận
Cần thơ

Rạch Miễu
Bính
Bãi Cháy
Kiền

33
40
30
30
40
45

Tốc độ gió ở
cao độ mặt
cầu
V10, MC (m/s)

Tốc độ gió ở
cao độ đỉnh
tháp
V10, DY (m/s)

38,1
47
47

97

50
50

Trờng hợp tại địa phơng xây dựng cầu có đầy đủ tài liệu
về tốc độ gió, thì tốc độ gió chuẩn thiết kế tính theo công
thức:
Vd = V10

Z

10



(1-

11)
Trong đó: V 10: là tốc độ gió ở độ cao 10 m tại vị trí cầu,
tính bằng (m/s)
Trờng hợp tại địa phơng xây dựng cầu mà không có đầy
đủ số liệu quan trắc khí tợng thì có thể tận dụng tính chất
tơng quan số liệu quan trắc tốc độ gió của Trạm khí tợng gần
kề với vị trí cầu, suy ra V 10, sau đó áp dụng công thức 1-11
để tính Vd.
Khi khảo sát thấy địa hình tại vị trí xây dựng cầu có sự
thay đổi tơng đối lớn trong phạm vi hẹp có thể phân tích
lựa chọn trị số đa vào thiết kế theo nguyên tắc sau:
Trờng hợp phạm vi xét có hai loại hình có độ gồ ghề
chênh lệch nhau tơng đối lớn thì lấy trị số trung bình
của chúng theo tỷ lệ diện tích.
Trờng hợp phạm vi xét tồn tại hai loại hình có độ gồ ghề

gần nhau thì lấy trị số của loại nhỏ hơn.
Trờng hợp độ gồ ghề ở hai phía thợng, hạ lu khác nhau thì
lấy trị số bên phía tơng đối nhỏ hơn.
Trờng hợp cầu vợt qua sông tơng đối nhỏ (dới 100m) thì
lấy trị số thấp hơn một mức của độ gồ ghề đã xác định
và theo mặt đất không gồm chiều rộng sông.
Khi cầu vợt qua eo biển hoặc khe núi tơng đối hẹp có
khả năng xuất hiện hiện tợng hút gió hoặc khi địa hình
tơng đối phức tạp thì có thể thông qua qua thí nghiệm
Hầm gió của địa hình mô phỏng, quan trắc tốc độ gió
tại thực địa hoặc đối chiếu với các tài liệu tốc độ gió có
liên quan để xác định tốc độ gió tiêu chuẩn thiết kế.

98


Hình 3-3: Phạm vi xác định độ gồ ghề bề mặt vị trí cầu
3.1.4. Thành phần nhiễu loạn của gió

Các luồng gió ở lớp biên khí quyển luôn mang tính nhiễu
loạn, điều này có nghĩa là dòng khí là dòng rối với chu kỳ
ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ hơn 1 giây cho đến hàng phút.
Phơng pháp tốt nhất để xử lý các quá trình ngẫu nhiên là sử
dụng các lý thuyết xác suất. Mức độ nhiễu loạn của gió mà
đặc trng là sự phân bố tần số và tơng quan không gian đợc
biểu diễn thông qua các thông số: độ lệch chuẩn, thớc đo cờng độ nhiễu loạn, mật độ phổ năng lợng và hàm số tơng
quan không gian.
3.1.4.1. Cờng độ dòng rối và độ lệch chuẩn
Gọi V là tốc độ gió bình quân của tốc độ gió V theo phơng luồng thổi của gió (phơng nằm ngang x); các tốc độ
trung bình của tốc độ gió U theo phơng nằm ngang (y)

vuông góc với phơng luồng thổi của gió và tốc độ gió bình
quân của tốc độ gió W theo trục thẳng đứng (z) đều đợc giả
định bằng 0, tức là:
U W 0 . Gọi v, u, w là thành phần
động (phân lợng giật) của V, U, W, gọi v, u, w là phơng sai
căn bậc hai (độ lệch chuẩn) của V, U, W.
Trên địa hình bằng phẳng, dòng khí đợc giả thiết là
đồng nhất theo phơng ngang vì vậy các đặc tính xác suất
đợc coi là không đổi theo phơng ngang. Độ lệch chuẩn v, u,

99


w của thành phần nhiễu loạn chỉ phụ thuộc vào cao độ z so
với mặt đất.
Theo kết quả nghiên cứu của Davenport (1967), Haris
(1970), Armitt (1976) cho thấy các trị số độ lệch chuẩn nói
trên gần nh không đổi đến 1/2 chiều cao của lớp biên khí
quyển. ở cao độ 100-200m so với bề mặt nằm ngang giả
định, giá trị gần đúng của độ lệch chuẩn có các giá trị:
v A.v
u 0,75 v
w 0,5 v
(1-12)
trong đó hằng số A 2,5 nếu z0 = 0,05m và A 1,8 nếu z0 =
0,3m
Cờng độ dòng của V, U, W đợc định nghĩa nh sau:

Iv = v
V

(1 -13)

Iu = u
U
(1-14)

Iw = w
W
(1 -15)
Cờng độ nhiễu loạn Iv(z) của thành phần nhiễu loạn v theo
phơng thổi của luồng gió tại cao độ z:
v (z)
Iv(z)=
V(z)
(1 -16)
Đối với địa hình bằng phẳng, cờng độ nhiễu loạn xấp xỉ
bằng:
1
Iu z
z
ln
z0
(1 -17)

trong đó z0 là cao độ nhám và v 2,5
V

100

ở độ cao từ 100 - 200m so với mặt đất, có thể coi thành
phần nhiễu loạn phân bố chuẩn với giá trị thực bằng 0 và độ
lệch chuẩn tính theo công thức (1-12)
Thớc đo cờng độ nhiễu loạn (cờng độ dòng rối) dùng để
đo kích thớc xoáy của luồng gió hoặc nói cách khác là đo độ
lớn trung bình của từng cơn gió theo hớng cho trớc. Thớc đo cờng độ nhiễu loạn theo hớng i (x,y,z) của thành phần nhiễu
loạn thứ j (v,u,w) đợc tính theo công thức:
i



L j (z, ri )dri
0

(1 -18)
Trong đó ( z , ri ) là hàm tơng quan không gian của nhiễu
loạn v giữa hai điểm i và i + ri đo tại cùng một thời điểm. Nh
vậy theo các hớng x, y, z sẽ có 9 thớc đo cờng độ nhiễu loạn
của 3 thành phần nhiễu loạn v, u, w.
Cờng độ dòng rối ( cờng độ nhiễu loạn) thay đổi theo
chiều cao và độ gồ ghề mặt đất. Khi thiếu các số liệu quan
trắc dòng gió tại vị trí cầu thì trị số trung bình của cờng
độ dòng rối Iv có thế lấy trị số theo bảng 3-4 và có thể lấy
Iu=0, 88.Iv ; Iw= 0, 5.Iu.
Tính chất tách cờng độ dòng rối tơng đối lớn, phạm vi
phân tán đại thể là 30% trị số bình quân, trong thiết kế
chống gió cho cầu cần lấy số liệu quan trắc gió mạnh để xác
định cờng độ dòng rối, lúc đó cờng độ dòng lấy bằng 0,7
lần trị số bình quân.
Bảng 3-4: Cờng độ dòng rối (cờng độ nhiễu loạn) IV

Phân loại
độ gồ ghề
I

II

III

IV

10 < Z 20

0.14

0.17

0.25

0.29

20 < Z 30

0.13

0.16

0.23

0.29

mặt đất
Cao độ (m)

101


30 < Z 40

0.12

0.15

0.21

0.28

40 < Z 50

0.12

0.15

0.20

0.26

50 < Z 70

0.11

0.14

0.18

0.24

70 < Z 100

0.11

0.13

0.17

0.22

100 < Z 150

0.10

0.12

0.16

0.19

150 < Z 200

0.10

0.12

0.15

0.18

Thớc đo cờng độ nhiễu loạn ở cao độ z từ 10 - 240m có
thể tính theo công thức kinh nghiệm do Counihan đề xuất
năm 1975:

Lxv Cz m
(1-19)
Trong đó:
z - cao độ (m)

Lxv - cờng độ nhiễu loạn theo hớng gió (m)
C và m - các hệ số phụ thuộc vào cao độ nhám z 0 lấy theo
hình 3-4.

Hình 3-4: Quan hệ C và m với độ cao nhám z0
Các thớc đo cờng độ nhiễu loạn khác thờng biểu diễn
qua cờng độ nhiễu loạn hớng gió Lxv .
Đo đồng thời vận tốc gió dọc trong mặt phẳng vuông góc
với hớng gió cho thấy quan hệ giữa hàm số tơng quan không
gian và thớc đo cờng độ nhiễu loạn nh sau:

102


v (ry ) exp( ry / Lxv )

(1-20)

v ( rz ) exp( rz / Lxv )
(1-21)
Với các thớc đo cờng độ nhiễu loạn Lyv 0,3Lxv ; Lzv 0,2Lxv
3.1.4.2. Hàm mật độ phổ năng lợng của dòng rối
Hàm mật độ phổ năng lợng của tốc độ gió động là lợng
đo to hay nhỏ thành phần đóng góp các tần số trong dòng
rối. Hàm mật độ phổ công suất theo chiều nằm ngang và
thẳng đứng tại cao độ z, tốc độ gió bình quân V(z), có thể
áp dụng riêng biệt các công thức sau:
n.Su (n )
200f

(1
2
5
n
(1 50f ) 3
-22)

n.Sw (n )
6f

2n
(1 4f ) 2

(1

-23)

Trong đó:
Su(n), Sw(n)
: lần lợt là hàm mật độ phổ năng lợng của gió
giật theo phơng gió xuôi nằm ngang và thẳng đứng.
n- tần số gió (Hz)
n.Z
f
(1
V(z)
-24)
n - tốc độ ma sát dòng khí (cũng gọi là tốc độ cắt)

K.U( Z)
n= Z Z d
ln
Z0
-25)
Trong đó:
k- hằng số không thứ nguyên Ky0, 4
Zd = H Z0/K
(1 -26)
103

(1


H - chiều cao trung bình các vật kiến trúc xung quanh (m).
z0 - chiều cao nhám (m) xem bảng 3-6
Độ cao cách mặt đất nơi tốc độ gió bình quân U Zo = 0
đợc tìm ra từ tốc độ gió bình quân tại cao độ Z g, theo trị số

phân loại độ gồ ghề mặt đất của khu vực này. Khi tốc độ
gió bình quân ở cao độ Z g trên không của lớp biên giới khí
quyển gần nh không bị ảnh hởng bởi mức độ gồ ghề mặt
đất. Trị số Zg của các khu vực độ gồ ghề bề mặt có thể lấy
theo bảng
Bảng 3-6
Phân loại độ gồ ghề
bề mặt
Zg(m)
Z0(m)

I

II

III

IV

500
0,01

600
0,05

700
0,3

700
1,0

3.1.4.3. Tơng quan không gian của tốc độ gió giật
Hàm tơng quan không gian Cohij(f) của tần số f của thành
phần tốc độ gió giật i (i= u, v, w) tại hai điểm có cự ly r i theo
phơng j (j = x, y, z) có thể bảng diễn gần đúng theo công
thức sau:
frj
Cohij(f) = exp( ij .
)
Uz
(1.27)
Trong đó:
ij : hệ số suy giảm không thứ nguyên,
ij : nằm trong phạm vi từ 7 - 20, trong thiết kế chống gió thông
thờng lấy ij=7 thiên về an toàn.
Hàm tơng quan đợc Panofsky và Singer đề xuất năm
1965 định nghĩa là :

C r , n Coh r , n

2

(1-28)
Trong đó căn bậc 2 của hàm tơng quan đợc Davenport đề
xuất năm 1968 tính theo công thức:

Coh r, n e f
(1-29)
104

Với:
2

f

2n C 2z z1 z 2 C 2y y1 y 2

2

V z1 V z 2

(1-30)
Trong công thức 1-30:
y1, y2 và z1, z2 - tọa độ 2 điểm trong không gian trong mặt
phẳng vuông góc với hớng gió
Czvà Cy là các hệ số suy giảm xác định nhờ các thí nghiệm
hầm gió

Hình 3-5: Quan hệ Cy với vận
tốc gió và chiều cao

Hình 3-6: Quan hệ Cz với vận
tốc gió và chiều cao

3.1.4.4. Góc tác dụng của gió (góc thổi của gió)
Trong thiết kế chống gió động lực cho cầu, phải xét tới
ảnh hởng của góc tác dụng của gió và lấy góc tác dụng trung
bình của gió tốc độ cao tức thời làm tiêu chuẩn, thờng lấy là
30.

Góc tác dụng của gió trên mặt biển phẳng lặng và khu
vực bằng phẳng rộng lớn thờng là 00, còn ở nơi địa hình
phức tạp thì đợc xác định theo thí nghiệm hầm gió với địa
hình mô phỏng.
3-2. Phân vùng gió theo tiêu chuẩn việt Nam

Phân vùng gió trên lãnh thổ Việt nam đợc chia theo địa
giới hành chính, các đờng đậm nét trong bản đồ phân vùng
gió là ranh giới giữa các vùng ảnh hởng của bão đợc đánh giá là
yếu hoặc mạnh.
105


Phân vùng áp lực gió theo địa giới hành chính ghi trong
phụ lục E của Tiêu chuẩn tải trọng và các tác động TCVN
-2737-1995, giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng gió trên
lãnh thổ nớc ta ghi ở bảng 3-7.
Bảng 3-7: Trị số áp lực gió tơng ứng với các vùng
Vùng áp lực gió trên
bản đồ
W0 (daN/m2)

I

II

III

IV

V

65

95

125

155

185

106


H×nh 3-7: B¶n ®å ph©n vïng ¸p lùc giã theo TCVN -2737-1995
107


3-4. tác động gió và ma đối với các công trình cầu

3-4-1.Khái niệm tác động của gió đối với công trình cầu

Công trình cầu thờng đợc xây dựng ở nơi trống trải và
chịu gió mạnh. Tải trọng gió tác dụng lên cầu phụ thuộc vào
kiểu cầu (ví dụ cầu bản, cầu dàn, cầu dầm, cầu vòm, cầu
dây văng, cầu treo dây võng,v.v...) cũng nh phụ thuộc tốc độ
gió, hớng gió, kích thớc và hình dạng cầu, các điều kiện địa
hình, vùng khí hậu nơi xây dựng cầu...
Đối với kết cấu nhịp cầu có độ cứng lớn hay bộ phận mố trụ

không quá thanh mảnh, tác động của gió gây ra áp lực khí
động trên bề mặt chắn gió của kết cấu. Tác dụng này có thể
đợc xem xét một cách gần đúng và đơn giản nh áp lực tĩnh
theo hớng gió thổi phân bố đều trên bề mặt bộ phận kết
cấu chắn gió. áp lực tĩnh của gió đợc tổ hợp cùng các thành
phần tải trọng khác khi tính toán thiết kế công trình.
Đối với các dạng kết cấu thanh mảnh, vợt nhịp lớn, độ cứng
chống uốn và xoắn tơng đối nhỏ nh cầu treo, cầu dây văng,
cầu dàn liên hợp...tác động của gió, đặc biệt là các cơn gió lớn
gây trạng thái dao động cỡng bức mạnh với biên độ lớn cho kết
cấu. Trong điều kiện thông thờng, các dao động cỡng bức nêu
trên gây nên hiện tợng rung lắc (Buffeting) hay nâng hạ do
xoáy khi (Vortex-Sheding) và sẽ tắt dần theo nguyên lý hao tán
năng lợng. Nhng trong nhiều trờng hợp khi nghiên cứu dao động
của kết cấu công trình dới tác động của gió có vận tốc lớn cho
thấy trong quá trình dao động trong không khí, do quan hệ
tơng tác qua lại giữa kết cấu và luồng khí thổi, bản thân dao
động của kết cấu lại làm phát sinh ra lực khí động bổ sung
tạo thêm năng lợng mới cho dao động tự thân của kết cấu. Khi
tình huống này xảy ra dao động của bản thân kết cấu trở
nên bị động, biên độ dao động đột ngột tăng nhanh gây
mất ổn định động lực dẫn tới phá hủy kết cấu. Quá trình
dao động mô tả nh trên, các lực khí động mạnh đợc phát
nguồn từ dao động ban đầu của bản thân công trình và do
108


quá trình tơng tác cơ học qua lại giữa kết cấu và dòng khí
chứ không phải có nguồn gốc từ bản thân dòng khí thổi gọi
là các dao động tự tự kích. Hiện tợng mất ổn định xảy ra do

nguyên nhân này gọi chung là mất ổn định khí động đàn
hồi, biểu hiện đặc trng ở các hiện tợng dao động chòng trành
(Flutter) và dao động tiến triển nhanh-dao động nhảy ngựa
(Galloping).
Các ảnh hởng do tác dụng động lực của gió đối với kết cấu
mang tính đa dạng và phức tạp, làm phát sinh thêm nội lực và
chuyển vị cho kết cấu, đẩy nhanh quá trình phá hoại mỏi,
gây h hại cho các bộ phận của kết cấu, gây hiệu ứng tâm lý
đối với ngời qua cầu, thậm chí phá huỷ kết cấu khi xảy ra mất
ổn định động lực.
Vai trò của các tác dụng khí động rất qua trọng khi thiết
kế các công trình cầu treo hay cầu dây văng, trong nhiều trờng hợp tác dụng khí động ảnh hởng quyết định tới việc lựa
chọn phơng án cho các loại cầu này.
Khi tính toán ảnh hởng của gió lên các kết cấu nhịp cầu
kiểu thông thờng, ngời thiết kế có thể chỉ quan tâm đến
xét áp lực gió tĩnh. Nhng trong tính toán cầu dây võng và
cầu dây xiên, các hiện tợng mất ổn định khí động học cần
phải đợc chú ý nhiều hơn. Thờng thì áp lực gió tĩnh có thể
gây biến dạng cho kết cấu nhịp cầu. Còn tác dụng động học
của gió thì làm cho kết cầu bị rung hoặc dao động mạnh.
Các cầu dây võng cũng nh cầu dây xiên đều rất nhạy cảm với
tác động của gió, khiến cho kết cấu nhịp dao động theo
nhiều dạng thức khác nhau ở tần số thấp và có thể dẫn đến
hậu quả phá huỷ cầu. Nếu có 2 cầu đặt quá gần nhau, còn có
thể xảy ra hiệu ứng Bernoulli khi dòng gió thổi qua khe hở
giữa 2 cầu và gây nguy hiểm cho cả 2 cầu đó.
Nói chung, các tác động của gió lên cầu thờng đợc xét
theo các đề mục sau :
- áp lực gió lên bề mặt chắn gió
109

- Tác dụng động lực của dòng gió thổi
- ảnh hởng của các công trình lân cận làm thay đổi hớng
gió và các đặc trng của dòng gió.
Thực tế xây dựng các công trình cầu treo và cầu dây
văng trên thế giới đã chứng tỏ sự cần thiết phải nghiên cứu một
cách hết sức đầy đủ tác động của các luồng khí đối với công
trình. Để nhận biết một cách tơng đối đầy đủ về tác dụng
của gió đối với công trình cầu có thể phân tích sự cố phá
hủy cầu Tacoma-Narrow sau đây :
Cầu Tacoma-Narrow vợt qua vịnh Tacoma thuộc bang
Washington (Hoa Kỳ). Dạng kết cấu cầu treo 3 nhịp đối xứng,
nhịp chính có chiều dài 853m, các nhịp biên dài 335m. Dầm
chính dạng chữa I, bằng thép có chiều cao 2,5m. Công trình
xây dựng hoàn thành năm 1940 sập đổ hoàn toàn 6 tháng
sau đó trong một trận bão lớn.
Quá trình xảy ra sự cố kỹ thuật, công trình dao động
mạnh dới tác dụng của gió bão. Vận tốc gió ban đầu là v =
16,8m/s (61Km / h), nhịp chính dao động ở dạng 9 bớc sóng,
biên độ dao động phân tích cho nhịp biên ở cùng thời điểm
là 120-150mm, tần số dao động f u = 0,5999 Hz. Sau 2 giờ
vận tốc gió tăng lên v = 18,6m/s (67 Km/ h), biên độ dao động
đột biến tăng lên 853mm. Dạng dao động ở nhịp chính thay
đổi về dạng 1 bớc sóng với tần số fu = 0, 233 Hz.
Tác dụng động lực gây hiệu ứng vợt quá khả năng của kết
cấu dầm cầu dẫn đến gãy đứt và rơi đoạn dầm thứ nhất dài
8m, đoạn dầm thứ 2 dài 183m rơi sau đó 1 giờ và đoạn dầm
chính dài 533m bị rơi ngay tiếp sau 5 phút, công trình bị
phá hoại hoàn toàn.

Kết quả phân tích kỹ thuật sau sự cố cho thấy thông số
kỹ thuật về tần số dao động riêng uốn ở dạng thứ nhất là f u =
0,145 Hz, tần số dao động riêng xoắn fx= 0,233 Hz
Tại thời điểm phá hoại kết cấu dao động kết hợp giữa uốn
110