Nghiên cứu ứng dụng thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh cho tháp cầu dây văng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

VŨ QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ
GIẢM CHẤN CỘT CHẤT LỎNG ĐIỀU CHỈNH
CHO THÁP CẦU DÂY VĂNG

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM
MÃ SỐ : 60.58.25

luËn v¨n th¹c sü kü thuËt

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. PHẠM DUY HÒA

HÀ NỘI 2012


-1-

MỤC LỤC
MỤC LỤC .................................................................................................................................. 1
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU............................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ..................................................................................... 4
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................................. 8
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIÓ ĐỐI VỚI CÔNG TRÌNH CẦU
DÂY VĂNG ....................................................................................................................13

1.1. Đặc điểm của gió tự nhiên...................................................................................13

1.1.1. Giới thiệu chung. ..........................................................................................13
1.1.2. Vận tốc gió cơ bản. .......................................................................................14
1.1.2.1. Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm logarit. ..............................14
1.1.2.2. Phương pháp phân tích vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm..........16
1.1.3. Thành phần nhiễu loạn của gió.....................................................................18
1.1.3.1. Độ lệch chuẩn.........................................................................................19
1.1.3.2. Thước đo cường độ nhiễu loạn. .............................................................21
1.1.3.3. Hàm mật độ phổ năng lượng..................................................................22
1.1.3.4. Hàm số tương quan không gian. ............................................................23
1.1.3.5. Phân vùng gió ở Việt Nam.....................................................................24
1.2. Tác động của gió đối với công trình cầu dây văng. ............................................26
1.2.1. Giới thiệu chung. ..........................................................................................26
1.2.3. Thành phần tĩnh của tải trọng gió. ................................................................27
1.2.3.1. Các thành phần lực khí động giả tĩnh trên dầm chủ. .............................27
1.2.3.2. Các thành phần lực khí động giả tĩnh tác dụng lên tháp và dây văng. ..29
1.2.4. Đặc điểm dòng khí đi qua công trình. ..........................................................31
1.2.4.1. Lớp biên và sự tách dòng. ......................................................................31
1.2.4.2. Dạng tách dòng và xoáy khí sau công trình...........................................32


-2CHƯƠNG 2: CÁC BIỆN PHÁP NÂNG CAO ỔN ĐỊNH KHÍ ĐỘNG CỦA THÁP CẦU
DÂY VĂNG. ............................................................................................................................ 36

2.1. Biện pháp cải tiến mặt cắt kết cấu. ......................................................................36
2.2. Biện pháp thêm vào các lỗ thoát gió. ..................................................................39
2.3. Các nguồn kháng chấn. .......................................................................................40
2.4. Các nguồn kháng chấn bổ trợ. .............................................................................40
2.5. Giảm chấn thụ động (với phân tán năng lượng gián tiếp)...................................42
2.5.1. Giảm chấn khối lượng điều chỉnh (TMDs). .................................................42
2.5.2. Các ứng dụng của bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh. .............................43

2.5.3. Giảm chấn chất lỏng điều chỉnh (TLDs). .....................................................47
2.5.4. Các ứng dụng của bộ giảm chấn chất lỏng điều chỉnh. ................................49
CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN CỘT CHẤT LỎNG
ĐIỀU CHỈNH TLCD ........................................................................................................53

3.1. Mô hình tính toán của TLCD. .............................................................................53
3.2. Tuyến tính hóa tương đương. ..............................................................................54
3.2.1. Tuyến tính hóa hàm điều hòa........................................................................54
3.2.2. Tuyến tính hóa thuộc thống kê. ....................................................................55
3.2.3. Độ chính xác của tuyến tính hóa tương đương.............................................57
3.3. Thông số giảm chấn tối ưu. .................................................................................59
3.3.1. Kích động ngẫu nhiên ồn trắng.....................................................................61
3.3.2. Bộ lọc bậc nhất (FOF). .................................................................................64
3.3.3. Bộ lọc bậc hai (SOF). ...................................................................................66
3.3.4. Thí dụ............................................................................................................68
CHƯƠNG 4 : HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN CỘT CHẤT LỎNG ĐIỀU CHỈNH
TLCD TRONG VIỆC GIẢM DAO ĐỘNG THÁP CẦU DÂY VĂNG .................................. 70

4.1. Phương trình và các tham số dao động của tháp. ................................................70
4.2. Phương trình dao động của mô hình tháp khi có TLCD và không có TLCD. ....72


-3-

4.2.1. Trường hợp dao động tự do (Fe(t) = 0). ........................................................72
4.2.2. Trường hợp hệ chịu kích động điều hòa.......................................................73
4.2.3. Trường hợp hệ chịu kích động ngẫu nhiên ồn trắng.....................................74
4.3. Kết luận chương 4. ............................................................................................108
KẾT LUẬN............................................................................................................................. 110
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................................... 111

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân loại địa hình và các hệ số κ, z0 (m) ...........................................15
Bảng 1.2. Phân loại độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn 2737-1995......................16
Bảng 1.3. Hệ số điều chỉnh vận tốc gió thiết kế..................................................18
Bảng 1.4. Cường độ nhiễu loạn với các độ cao thay đổi (z0 = 0.04m)...............20
Bảng 1.5. Thước đo cường độ nhiễu loạn của thành phần nhiễu loạn theo hướng
gió Iu ....................................................................................................................21
Bảng 1.6. Phân vùng áp lực gió ở Việt Nam.......................................................24
Bảng 1.7. Phân loại ảnh hưởng của các hiện tượng khí động tới kết cấu..........27
Bảng 1.8. Phân loại hệ số CD theo mặt cắt.........................................................30
Bảng 2.1: Thiết bị giảm bổ trợ và số lượng lắp đặt ở Nhật Bản, bao gồm các tòa
nhà dự kiến sẽ xây dựng sau năm 1997. .............................................................42
Bảng 2.2. Cơ cấu đỡ khối lượng và giảm chấn cho TMDs ở Nhật Bản............43
Bảng 2.3. Các cấu hình khác của TMDs hiện nay đang áp dụng.......................45
Bảng 2.4. Các ứng dụng giảm chấn chất lỏng khác ở Nhật Bản. .................52
Bảng 3.1. Các hàm số lực mẫu ...........................................................................60
Bảng 3.2. Sự so sánh các thông số tối ưu cho TMD và TLCD ...........................63
Bảng 3.3. Các thông số tối ưu cho kích động ngẫu nhiên ồn trắng ứng với các tỷ
lệ khối lượng khác nhau. .....................................................................................64
Bảng 3.4. Các thông số tối ưu cho FOF ứng với các thông số khác nhau v1 .....65


-4-

Bảng 3.5. Các thông số giảm chấn tối ưu cho FOF ứng với tỷ số khối lượng thay
đổi........................................................................................................................65
Bảng 3.6. Các thông số giảm chấn tối ưu cho SOF tương ứng các giá trị khác
nhau của b1..........................................................................................................67
Bảng 3.7. Các thông số giảm chấn tối ưu cho SOF ứng các tỷ số khối lượng thay

đổi........................................................................................................................68

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Quan hệ giữa vận tốc gió theo hướng gió với chiều cao....................13
Hình 1.2: So sánh giữa phương pháp logarit (z0 = 0.02m) và phương pháp kinh
nghiệm (α = 0.128) xác định vận tốc cơ bản .....................................................17
Hình 1.3: Bản đồ phân vùng áp lực gió..............................................................25
Hình 1.4: Thành phần động của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ.................28
Hình 1.5: Sự biến thiên vận tốc ở lớp biên .........................................................31
Hình 1.6: Hệ số Raynolds phụ thuộc vào hệ số CD đối với mặt cắt trụ hình tròn
.............................................................................................................................33
Hình 1.7: Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt trụ với các hệ số ℜe khác nhau....33
Hình 1.8: Các dạng hình thành xoáy khí. ...........................................................34
Hình 1.9: Số Strouhal cho một số mặt cắt điển hình. .........................................34
Hình 1.10: Quan hệ số Strouhal so với số Raynolds với mặt cắt trụ tròn..........35
Hình 2.1: Các dạng mặt cắt thoát gió tốt ...........................................................36
Hình 2.2: (a) Tòa nhà MHI Yokohama, (b) Hiệu quả của thay đổi hình dạng mặt
cắt dọc theo trục thẳng đứng ..............................................................................37
Hình 2.3: (a) Tòa nhà Jin Mao, (b) Tháp đôi Petronas......................................38
Hình 2.4: Trung tâm tài chính thế giới Thượng Hải...........................................39
Hình 2.5: Sơ đồ của các thiết bị kháng chấn bổ trợ khác nhau sử dụng hiệu ứng
quán tính..............................................................................................................41


-5-

Hình 2.6: (a) Tháp điều khiển sân bay quốc gia Washington; (b) Tháp
Boston’s Hancock...............................................................................................44
Hình 2.7: (a) Tháp Sydney,(b) Citicorp Center................................................46
Hình 2.8: Sơ đồ của gia đình TLD.....................................................................45

Hình 2.9: Khách sạn Hoàng Tử Shin Yokohama và các đơn vị TSD lắp đặt50
Hình 2.10: Khách sạn Cosima và mặt cắt ngang LCD-PA.............................52
Hình 3.1: Mô hình hệ thống kết cấu - TLCD ......................................................53
Hình 3.2. Các kết quả phi tuyến và tuyến tính hóa tương đương .......................58
Hình 3.3. Lịch sử thời gian ứng với ξ = 75 ........................................................59
Hình 4.1 : Mô hình gió tĩnh tác động trên cầu Bãi Cháy ...................................78
Hình 4.2: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 3%; α = 0.7).....................80
Hình 4.3: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 4%,; α = 0.7)....................81
Hình 4.4: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 5%,; α = 0.7)....................81
Hình 4.5: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 2%,; α = 0.8)....................82
Hình 4.6: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 3%,; α = 0.8)....................82
Hình 4.7: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 4%,; α = 0.8)....................83
Hình 4.8: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 5%,; α = 0.8)....................83
Hình 4.9: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 2%,; α = 0.9)....................84
Hình 4.10: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 3%,; α = 0.9)..................84
Hình 4.11: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 4%,; α = 0.9)..................85
Hình 4.12: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - ξf (với µ = 5%,; α = 0.9)..................85
Hình 4.14: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - µ (với η = 0.9; α = 0.7) ...................86
Hình 4.15: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - µ (với η = 1; α = 0.7) ......................87
Hình 4.16: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - µ (với η = 1.1; α = 0.7) ...................87
Hình 4.17: Biều đồ mối quan hệ giữa ∆ - µ (với η = 1.15; α = 0.7) .................88
Hình 4.18: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 0.85; α = 0.8) .........................88


-6-

Hình 4.19: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 0.9; α = 0.8) ...........................89
Hình 4.20: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1; α = 0.8)..............................89
Hình 4.21: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1.1; α = 0.8) ...........................90
Hình 4.22: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1.15; α = 0.8) .........................90

Hình 4.23: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 0.85; α = 0.9) .........................91
Hình 4.24: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 0.9; α = 0.9) ...........................91
Hình 4.25: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1; α = 0.9)..............................92
Hình 4.26: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1.1; α = 0.9) ...........................92
Hình 4.27: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – µ (với η = 1.15; α = 0.9) .........................93
Hình 4.28: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.7; ξf = 2%) ..........................93
Hình 4.29: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.8; ξf = 2%) ..........................94
Hình 4.30: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.9; ξf = 2%) ..........................94
Hình 4.31: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.7; ξf = 4%) ..........................95
Hình 4.32: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.8; ξf = 4%) ..........................95
Hình 4.33: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.9; ξf = 4%) ..........................96
Hình 4.34: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.7; ξf = 6%) ..........................96
Hình 4.35: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.8; ξf = 6%)………………….97
Hình 4.36: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – η (với α = 0.9; ξf = 6%) ..........................97
Hình 4.37: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.85; ξf = 2%) ........................98
Hình 4.38: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.9; ξf = 2%) ..........................98
Hình 4.39: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.95; ξf = 2%) ........................99
Hình 4.40: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1; ξf = 2%) .............................99
Hình 4.41: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.05; ξf = 2%) ......................100
Hình 4.42: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.1; ξf = 2%) ........................100
Hình 4.43: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.15; ξf = 2%) ......................101


-7-

Hình 4.44: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.85; ξf = 4%) ......................101
Hình 4.45: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.9; ξf = 4%) ........................102
Hình 4.46: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.95; ξf = 4%) ......................102
Hình 4.47: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1; ξf = 4%) ...........................103
Hình 4.48: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.05; ξf = 4%) ......................103

Hình 4.49: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.1; ξf = 4%) ........................104
Hình 4.50: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.15; ξf = 4%) ......................104
Hình 4.51: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.85; ξf = 6%) ......................105
Hình 4.52: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.9; ξf = 6%) ........................105
Hình 4.53: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 0.95; ξf = 6%) ......................106
Hình 4.54: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1; ξf = 6%) ...........................106
Hình 4.55: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.05; ξf = 6%) ......................107
Hình 4.56: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.1; ξf = 6%) ........................107
Hình 4.57: Biểu đồ mối quan hệ ∆ – α (với η = 1.15; ξf = 6%) ......................108


-8-

LỜI CÁM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới PGS.TS. Phạm Duy Hòa, người đã tận tình chỉ dẫn
tôi trong suốt quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy, cô giáo trong bộ môn Cầu và
Công trình ngầm, trường Đại học Xây dựng đã dành thời gian góp ý giúp tôi hoàn thiện
luận văn của mình. Xin cảm ơn thầy giáo ThS. Cù Việt Hưng, bộ môn Cầu và Công
trình ngầm, trường Đại học Xây dựng đã cung cấp, chia sẻ nhiều thông tin quý báu.
Xin cảm ơn gia đình và anh chị tại thư viện trường Đại học Xây dựng đã tạo điều
kiện, động viên, giúp đỡ tôi trong ngày tháng học tập và nghiên cứu.

Vũ Quang Dũng


-9-

MỞ ĐẦU
Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh (TLCD) lần đầu tiên được đề xuất bởi

Sakai vào năm 1989 và được áp dụng chủ yếu cho nhà cao tầng hoặc các kết cấu thanh
mảnh để làm giảm chuyển động ngang. Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh là
một loại thiết bị kiểm soát rung động dựa trên chuyển động của một khối chất lỏng
trong một thùng chứa để chống lại các lực tác dụng bên ngoài làm tiêu tan năng lượng.
TLCD có lợi thế nhất định so với các loại thiết bị giảm chấn khác, chẳng hạn như dễ
dàng điều chỉnh tần số, xử lý dễ dàng, chi phí thấp, hình dạng tùy ý và dễ dàng chế tạo
để thích ứng với các kết cấu khác nhau, … Vì vậy nó là một thiết bị thích hợp hơn để
kiểm soát rung động của các kết cấu lớn.
Phương trình tương tác giữa kết cấu - TLCD có nguồn gốc từ việc nghiên cứu kết
cấu và sự tương tác cản. Hệ thống kết hợp của kết cấu - TLCD là phi tuyến do đặc
trưng cản phi tuyến của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh. Sự tương tác
TLCD với kết cấu dưới sự kích thích điều hòa về mặt lý thuyết được nghiên cứu trong
phạm vi tần số và miền thời gian. Phương pháp tuyến tính hóa tương đương được sử
dụng để phân tích hệ thống trong miền tần số. Các phản ứng theo thời gian của hệ
thống thu được thông qua giải pháp số dựa vào phương pháp Runge-Kutta-Fehlberg.
Sau đó, qua thí nghiệm dao động tự do và cưỡng bức, được thực hiện đối với kết cấu
khác nhau và các thông số TLCD. Mô phỏng số dựa trên mô hình thí nghiệm cũng
được thực hiện. Sự ảnh hưởng của các thông số TLCD đối với hiệu quả điều chỉnh
được nghiên cứu. So sánh được thực hiện giữa các kết quả thí nghiệm và mô phỏng lý
thuyết. Các thí nghiệm cho kết quả kiểm tra tốt để phát triển mô hình lý thuyết. Có thể
kết luận rằng TLCD có thể làm giảm chuyển động có hại cho kết cấu tháp cầu dây
văng.


- 10 -

Hầu hết các tài liệu về TLCD nhấn mạnh việc nghiên cứu hiệu quả của thiết bị
TLCD trên các ứng dụng khác nhau. Một số tài liệu thảo luận việc xác định các thông
số tối ưu như tỷ lệ điều chỉnh tần số tối ưu và hệ số tổn thất cột áp tối ưu. Trong luận
văn này, tác giả chủ yếu nghiên cứu về hiệu quả của thiết bị TLCD đối với việc giảm

dao động của tháp cầu dây văng thông qua xác tỷ số chuyển vị của tháp cầu khi lắp
TLCD và không lắp TLCD.
Luận văn gồm có những nội dung chính sau.
Tên đề tài luận văn:
Nghiên cứu ứng dụng thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh cho tháp cầu
dây văng.
Lý do chọn đề tài:
- Thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh (TLCD) là một loại thiết bị kiểm
soát rung động dựa trên chuyển động của một khối chất lỏng trong một thùng chứa để
chống lại các lực tác dụng bên ngoài làm tiêu tan năng lượng. TLCD có lợi thế nhất
định so với các loại thiết bị giảm chấn khác, chẳng hạn như dễ dàng điều chỉnh tần số,
xử lý dễ dàng, chi phí thấp, hình dạng tùy ý và dễ dàng chế tạo để thích ứng với các kết
cấu khác nhau, … Vì vậy nó là một thiết bị thích hợp hơn để kiểm soát rung động của
các kết cấu lớn.
Mục đích nghiên cứu:
- Phân tích ảnh hưởng của các thông số của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều
chỉnh đối với việc giảm dao động của tháp cầu dây văng.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng
điều chỉnh đối với việc giảm dao động của tháp cầu dây văng;
- Nghiên cứu mối tương quan giữa chuyển vị của tháp khi lắp TLCD và chuyển vị
của tháp khi không lắp TLCD;


- 11 -

Phương pháp nghiên cứu:
- Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với các tính toán cụ thể.
Cơ sở khoa học và thực tiễn:
- Dựa vào phương trình tương tác giữa kết cấu - TLCD có nguồn gốc từ việc

nghiên cứu kết cấu và sự tương tác cản. Hệ thống kết hợp của kết cấu - TLCD là phi
tuyến do đặc trưng cản phi tuyến của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh. Sự
tương tác TLCD với kết cấu dưới sự kích thích điều hòa về mặt lý thuyết được nghiên
cứu trong phạm vi tần số và miền thời gian. Phương pháp tuyến tính hóa tương đương
được sử dụng để phân tích hệ thống trong miền tần số.
Kết quả đạt được:
- Ảnh hưởng của tỷ số tần số dao động riêng giữa tần số dao động riêng của
TLCD và tần số dao động riêng của tháp ( η = ωf/ωS ), tỷ số chiều dài giữa chiều dài
theo phương ngang của cột chất lỏng và chiều dài toàn bộ cột chất lỏng ( α = b/l ) và tỷ
số khối lượng giữa khối lượng TLCD và khối lượng tháp ( µ = mf/MS ) đối với tỷ số
chuyển vị hiệu dụng giữa chuyển vị hiệu dụng của tháp khi có lắp TLCD và chuyển vị
hiệu dụng của tháp khi không lắp TLCD ( ∆ ). Ta thấy rằng khi tỷ số khối lượng µ tăng
thì hiệu quả giảm chấn sẽ tăng lên. Nhưng tỷ số khối lượng µ cũng chỉ tăng tới một giá
trị nhất định vì nếu tỷ số khối lượng µ lớn thì kích thước TLCD sẽ lớn, do đó sẽ không
thể bố trí TLCD được do kích thước tháp cầu dây văng là cố định. Trong đề tài này,
mục đích của tôi là phân tích hiệu quả của các tỷ số khối lượng µ, tỷ số chiều dài α và
tỷ số tần số dao động riêng η đối với việc giảm dao động cho tháp cầu dây văng nên
cũng không đi theo hướng xác định tỷ số khối lượng µ tối đa.
- Ngoài ra, ta cũng nhận thấy rằng tỷ số chiều dài α cũng ảnh hưởng nhiều đến
việc giảm dao động cho tháp cầu dây văng. Tỷ số chiều dài α cũng tăng đến một giá trị
giới hạn nào đó, vì nếu tỷ số chiều dài α lớn quá thì kích thước b và l của TLCD cũng
tăng lên, do đó việc bố trí TLCD trên tháp cầu trở lên phức tạp và tăng chi phí.


- 12 -

- Tỷ số tần số dao động riêng η hiệu quả nhất trong khoảng 0.95 – 1.05.
- Từ các kết quả tính toán trên cho thấy yếu tố phi tuyến của hệ khá nhỏ (tỷ số cản
của TLCD ξf < 6%) đã làm thay đổi rất lớn hiệu quả giảm chấn. Do đó việc áp dụng
phương pháp tuyến tính hóa Caughey trong bài toán này là đáng tin cậy.

- Ảnh hưởng của độ mở van thông ( hay hệ số tổn thất cột áp ξ ) đối với hiệu quả
giảm chấn cho tháp cầu dây văng là rất nhạy. Do đó, chỉ cần điều chỉnh độ mở van
thông một rải rất hẹp cũng có thể điều chỉnh được dao động của tháp cầu dây văng.
Luận văn gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về tác động của gió đối với công trình cầu dây văng.
Chương 2: Các biện pháp nâng cao ổn định khí động của tháp cầu dây văng.
Chương 3: Phân tích dao động của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh
TLCD.
Chương 4: Hiệu quả của thiết bị giảm chấn cột chất lỏng điều chỉnh TLCD trong
việc giảm dao động tháp cầu dây văng.


- 13 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIĨ ĐỐI VỚI
CƠNG TRÌNH CẦU DÂY VĂNG
1.1. Đặc điểm của gió tự nhiên.
1.1.1. Giới thiệu chung.
Đặc điểm của gió tự nhiên là tính nhiễu loạn. Ngun nhân cơ bản của sự nhiễu
loạn là do ma sát của luồng khơng khí khi đi qua các bề mặt. Dòng khơng khí nhiễu
loạn thay đổi một cách phức tạp và ngẫu nhiên trong khơng gian và theo thời gian, vì
thế thường được biểu diễn dưới dạng tổng của vận tốc cơ bản và vận tốc biến đổi thể
hiện thành phần nhiễu loạn của luồng khơng khí. Theo định nghĩa, sau một thời gian đủ
dài (thơng thường là 10s), thành phần biến đổi có giá trị bằng khơng.

z

U(z) + u(x,y,z)
U(z) : Vận tốc gió
cơ bản

u(x,y,z) :
Thành phần nhiễu loạn
theo hướng gió

x
Hướng gió

Hình 1.1: Quan hệ giữa vận tốc gió theo hướng gió với chiều cao.
(đường nét liền là vận tốc gió tức thời, đường nét đứt là vận tốc gió cơ bản)
Trong hệ tọa độ Descartes với trục x theo hướng gió, trục y nằm ngang và trục z
hướng lên trên, vận tốc gió tại độ cao z ở thời điểm t được biểu diễn như sau:
-

Theo hướng gió: U(z) + u(x,y,z,t).

-

Theo phương vng góc hướng gió: v(x,y,z,t).

-

Theo phương thẳng đứng: w(x,y,z,t).


- 14 -

Trong đó thành phần vận tốc gió cơ bản U(z) chỉ phụ thuộc vào độ cao z, các
thành phần u, v và w biểu diễn các thành phần biến đổi của luồng gió. Vận tốc cơ bản
U(z) và thành phần biến đổi theo hướng gió luôn được quan tâm đặc biệt chúng có tác
động chủ yếu đến công trình.

1.1.2. Vận tốc gió cơ bản.
Có một số phương pháp xác định vận tốc gió cơ bản, trong đó được sử dụng
tương đối phổ biến là phương pháp tính vận tốc sử dụng hàm logarit và phương pháp
theo kinh nghiệm.
1.1.2.1. Phương pháp tính vận tốc gió sử dụng hàm logarit.
Theo phương pháp này, vận tốc gió được xác định từ đặc trưng của bản thân dòng
khí, đặc trưng địa hình và sự tương tác giữa dòng khí và địa hình mà nó đi qua. Ở gần
bề mặt địa hình, sự biến thiên của vận tốc theo chiều cao dU(z)/dz chỉ phụ thuộc vào
τ0, ρ và chiều cao z so với bề mặt địa hình. Nếu ở phía thượng lưu dòng không khí là
bề mặt kéo dài, vận tốc gió cơ bản được tính theo công thức sau:
U ( z ) = u*

1

κ

ln

z
z0

(1.1)

Trong đó, k là hệ số Kaman, z0 là độ cao nhám bề mặt, u* là vận tốc ma sát được
tính theo công thức:
κ=

u*2
2

(1.2)

τ0
ρ

(1.3)

U 10
u* =

Với τ0 là áp suất mặt cắt tại bề mặt địa hình và ρ là mật độ không khí. Đối với
những trận gió đặc biệt, vận tốc ma sát nằm trong khoảng từ 1 đến 2m/s.
U 10 là vận tốc gió cơ bản ứng với độ cao 10m.

Độ cao nhám bề mặt z0 biểu diễn kích thước của xoáy khí đặc trưng hình thành do
ma sát giữa dòng khí và bề mặt địa hình. Giá trị của z0 phụ thuộc vào độ nhám bề mặt


- 15 -

địa hình được tạo nên bởi các vật thể gọi là vật nhám có trên đó. Các vật này tạo nên
lực ma sát ngăn cản sự dịch chuyển của luồng khí và do đó làm tăng sự nhiễu loạn của
luồng khí. Những vật thể có hình dạng thoát gió và bề mặt tương đối ít nhám như một
quả đồi đều đặn, dài không được coi là vật nhám. Nếu một số vật nhám phân bố đều
đặn trên địa hình, độ cao nhám của bề mặt có thể xác định theo công thức kinh nghiệm
sau đây:
z 0 = 0.5h

Ar
At

( 1.4)

Trong đó h là độ cao vật nhám, Ar là diện tích tích chắn gió và At là diện tích trên
mặt bằng của vật nhám. Nếu diện tích chắn gió và diện tích trên mặt bằng của vật nhám
tương đương nhau về độ lớn, dòng khí sẽ chuyển lên đỉnh của vật nhám tạo nên một bề
mặt mới. Về mặt toán học, sự thay đổi của cao độ cơ sở được biểu diễn trong công thức
xác định vận tốc như sau:
U ( z ) = u*

1

κ

ln

z
z0

( 1.5)

Tiêu chuẩn châu âu EuroCode1 sử dụng phương pháp tính vận tốc gió cơ bản
bằng hàm logarit đối với chiều cao tới 200m đã chia bề mặt địa hình thành 4 loại cơ
bản và xác định các trị số κ, z0 như trong bảng dưới đây:
Bảng 1.1. Phân loại địa hình và các hệ số κ, z0 (m)
Phân loại độ
nhám bề
mặt

Loại bề mặt

κ

z0
(m)
0.01

I

Trên mặt biển, bờ biển, hồ có ít nhất 5km bằng phẳng 0.17
trước gió, vùng nông thôn không có chướng ngại vật

II

Vùng trang trại có bờ rào, có các công trình nông 0.19
nghiệp nhỏ, nhà cửa, cây cối.
Vùng ngoại ô, khu công nghiệp và vùng rừng lâu năm. 0.22

0.05

Vùng đô thị có ít nhất 15% diện tích bề mặt bao phủ 0.24
bởi nhà cửa có độ cao lớn hơn 15m.

1

III
IV

0.3

- 16 -

1.1.2.2. Phương pháp phân tích vận tốc gió theo công thức kinh nghiệm.
Để tiện sử dụng, một số tiêu chuẩn về gió sử dụng công thức kinh nghiệm sau để
xác định vận tốc gió cơ bản:
 z
U ( z ) = U h 0 
 z0





α

( 1.6)

Trong đó Uh0 là vận tốc gió ở một độ cao tham chiếu và thường được lấy bằng
10m. Trị số α là trị số không đơn vị xác định tính nhám của bề mặt địa hình:


1




α = 

(

)
ln
z
z
ref
0



( 1.7)

Với zref là độ cao tham chiếu, zref có thể bằng chiều cao trung bình trong khu vực
phù hợp với yêu cầu,
Tiêu chuẩn 2737-1995 Tải trọng và tác động - Tiêu chuẩn thiết phân loại độ nhám
bề mặt và cho trị số độ nhám α như bảng dưới đây:
Bảng 1.2. Phân loại độ nhám bề mặt theo tiêu chuẩn 2737-1995
Phân loại
độ nhám

Tình trạng bề mặt

α

bề mặt
I

Trên mặt biển, bờ biển.

0.12

II

Đồng ruộng, vườn cây, bãi đất rộng bằng phẳng, khu vực có

0.16

cây cối và khối kiến trúc thấp tầng thưa thớt.
III

Khu vực có cây cối và khối kiến trúc thấp tầng dày đặc. Khu

0.22

vực có khối kiến trúc tầng trung và tầng cao thưa thớt. Khu
vực đồi núi thoải.
IV

Khu vực có khối kiến trúc tầng trung và tầng cao dày đặc.
Khu vực đồi núi chia cắt mạnh.

0.30


- 17 -

Hình 1.2: So sánh giữa phương pháp logarit (z0 = 0.02m) và phương pháp kinh
nghiệm (α = 0.128) xác định vận tốc cơ bản .
Trị số nhám bề mặt khi địa hình đối với công trình cầu có sự thay đổi tương đối
lớn trong phạm vi hẹp có thể xác định theo nguyên tắc sau:
-

Khi trong phạm vi xét tồn tại hai loại hình có mức độ nhám chênh nhau tương
đối lớn, theo tỷ lệ diện tích lấy trị số bình quân của chúng ;

-

Khi trong phạm vi xét tồn tại hai loại hình có mức độ nhám gần kề nhau, lấy trị
số của loại nhỏ hơn ;

-

Khi phía thượng, hạ lưu cầu tồn hai loại độ nhám khác nhau, lấy trị số bên phía
tương đối nhỏ hơn ;

-

Khi chiều rồng sông cần vượt nhỏ (ví dụ loại nhỏ hơn 100m), phải lấy trị số
thấp hơn một mức độ nhám đã xác định và theo mặt đất không gồm chiều rộng
sông.

-

Khi cầu vượt qua eo biển hoặc eo núi tương đối chật hẹp, có khả năng xuất hiện
hiện tượng thu hẹp hoặc địa hình nơi đó tương đối đặc biệt, có thể thông qua thí
nghiệm hầm gió của địa hình mô phỏng, quan trắc tốc độ gió thực địa hoặc
chiểu theo tài liệu tốc độ gió có liên quan để xác định tốc độ gió tiêu chuẩn thiết
kế.
Khi thiết kế công trình, vận tốc gió thiết kế Ud tính theo công thức sau:

- 18 -

U d = kxU ( z )

( 1.8)

Trong đó k là hệ số không thứ nguyên tính đến sự thay đổi vận tốcgió theo điều
kiện địa hình và độ cao, hệ số k lấy theo bảng 1.3.
1.1.3. Thành phần nhiễu loạn của gió.
Như đã trình bày ở trên, gió trong lớp biên khí quyển luôn có sự nhiễu loạn, điều
đó có nghĩa là dòng khí là dòng rối với chu kì ngẫu nhiên biến đổi từ nhỏ hơn 1 giây
cho đến hàng phút Vì thế không có cách nào khác là phải sử dụng các lý thuyết về xác
suất để xác định đặc tính ngẫu nhiên của thành phần nhiễu loạn của dòng khí. Mức độ
nhiễu loạn của gió mà đặc trưng là sự phân bố tần số và tương quan khônggian được
biểu diễn thông qua các thông số: độ lệch chuẩn, thước đo cường độ nhiễu loạn, mật độ
phổ năng lượng và hàm số tương quan không gian.
Bảng 1.3. Hệ số điều chỉnh vận tốc gió thiết kế
Phân loại độ nhám mặt đất

I

II

III

IV

0
1.11

1.00

0.83

0.75

5 < z ≤ 10

1.16

1.00

0.83

0.75

10 < z ≤ 15

1.24

1.04

0.83

0.75

15 < z ≤ 20

1.29

1.09

0.85

0.75

20 < z ≤ 25

1.33

1.14

0.90

0.75

25 < z ≤ 30

1.36

1.18

0.94

0.75

30 < z ≤ 35

1.39

1.21

0.98

0.77

35 < z ≤ 40

1.41

1.24

1.01

0.80

40 < z ≤ 45

1.43

1.26

1.04

0.83

45 < z ≤ 50

1.45

1.28

1.07

0.86

50 < z ≤ 60

1.47

1.31

1.11

0.90

Cao độ (m)


- 19 -

60 < z ≤ 70

1.50

1.35

1.15

0.94

70 < z ≤ 80

1.53

1.38

1.18

0.98

80 < z ≤ 90

1.55

1.41

1.22

1.02

90 < z ≤ 100

1.57

1.43

1.25

1.06

100 < z ≤ 110

1.59

1.46

1.27

1.09

110 < z ≤ 120

1.61

1.48

1.30

1.12

120 < z ≤ 130

1.62

1.50

1.32

1.14

130 < z ≤ 140

1.64

1.52

1.35

1.17

140 < z ≤ 150

1.65

1.53

1.37

1.20

150 < z ≤ 160

1.67

1.55

1.39

1.22

160 < z ≤ 170

1.68

1.57

1.41

1.24

170 < z ≤ 180

1.69

1.58

1.43

1.26

180 < z ≤ 190

1.70

1.60

1.44

1.29

190 < z ≤ 200

1.71

1.61

1.46

1.31

1.1.3.1. Độ lệch chuẩn.
Trên địa hình bằng phẳng, dòng khí được giả thiết là đồng nhất theo phương
ngang, vì thế các đặc tính xác suất được coi là không đổi theo phương ngang. Độ lệch
chuẩn σu, σv và σw của các thành phần nhiễu loạn chỉ phụ thuộc vào độ cao z so với
mặt đất. Kết quả một số nghiên cứu thực nghiệm của Davenport (1967), Haris (1970),
Armitt (1976) cho thấy các trị số độ lệch chuẩn nói trên thường giảm rất chậm theo
chiều cao đến độ cao bằng độ cao công trình. Theo Armitt (1976), trị số độ lệch chuẩn
gần như không đổi đến 1/2 chiều cao của lớp biên khí quyển bên trong. Ở độ cao 100200m so với bề mặt nằm ngang giả định, giá trị gần đúng của độ lệch chuẩn của các


- 20 -

thành phần nhiễu loạn u theo hướng gió, v theo phương vương góc với hướng gió và w
theo phương đứng là:
σu = Au*

σv ≈ 0.75σu

;

;

σw ≈ 0.50σu

( 1.9)

Trong đó hằng số A ≈ 2.5 nếu z0 = 0.05m và A ≈ 1.8 nếu z0 = 0.3m.
Cường độ nhiễu loạn Iu(z) của thành phần nhiễu loạn u theo hướng gió tại độ cao
z được định nghĩa là:
I u (z) =

σ u (z)

( 1.10)

U (z)

Trong đó σu(z) là độ lệch chuẩn của thành phần nhiễu loạn u và U(z) là vận tốc
gió cơ bản tại độ cao z. Đối với các địa hình bằng phẳng, cường độ nhiễu loạn xấp xỉ
bằng:
I u (z) =

1

( 1.11)

ln z 
 z0 

Trong đó z0 là độ cao nhám và giá trị σu/u* được lấy bằng 2.5.
Ở trên độ cao từ 100-200m so với mặt đất, có thể coi các thành phần nhiễu loạn
có phân bố chuẩn với giá trị bằng không và độ lệch chuẩn tính theo công thức (1.9).
Bảng 1.4. Cường độ nhiễu loạn với các độ cao thay đổi (z0 = 0.04m)
Chiều cao z (m)

Iu(z)

2

0.26

5

0.21

10

0.18

20

0.16

50

0.14

100

0.13


- 21 -

1.1.3.2. Thước đo cường độ nhiễu loạn.
Thước đo cường độ nhiễu loạn dùng để đo kích thước xoáy của luồng gió hoặc
nói theo cách khác là độn lớn trung bình của từng cơn theo hướng gió cho trước.
Thước đo cường độ nhiễu loạn theo hướng i(i=x,y,z) của các thành phần nhiễu loạn
j(j=u,v,w) được tính theo công thức:
∞

Lij = ∫ ρ j ( z , ri )dri

( 1.12)

0

Trong đó ρj(z, ri) là hàm tương quan không gian của nhiễu loạn u giữa hai điểm i
và i+ri đo tại cùng một thời điểm. Như vậy, theo các hướng x, y, z sẽ có 9 thước đo
cường độ nhiễu loạn của 3 thành phần nhiễu loạn u,v và w. Thước đo cường độ nhiễu
loạn phụ thuộc vào độ cao z, vận tốc gió và độ nhám của bề mặt địa hình mà đại diễn là
độ cao nhám z0. Thước đo cường độ nhiễu loạn có thể tham khảo trong bảng dưới đây.
Bảng 1.5. Thước đo cường độ nhiễu loạn của thành phần nhiễu loạn theo
hướng gió Iu
Phân loại độ nhám bề mặt

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

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

Cao độ (m)

Thước đo cường độ nhiễu loạn ở độ cao z từ 10-240m có thể tính theo công thức
kinh nghiệm do Counihan (1975) đề xuất:

- 22 -

Lxu = C.z m

( 1.13)

Trong đó C và m phụ thuộc vào độ cao nhám z0 và được xác định theo hình 1.2,
Lxu và m tính bằng m. Theo công thức (1.11) thì thước đo cường độ nhiễu loạn tỷ lệ

nghịch với độ nhám bề mặt.
Các thước đo cường độ nhiễu loạn khác thường biểu diễn thường được biểu diễn
thông qua cường độ nhiễu loạn theo hướng gió Lxu . Do đồng thời vận tốc gió dọc trong
mặt phẳng vuông góc với hướng gió cho thấy quan hệ giữa hàm số tương quan không
gian và thước đo cường độ nhiễu loạn theo hướng gió như sau:
ρu (ry ) = e

− ry
Lux

;

ρ u (rz ) = e

− rz

Lux

( 1.14)

Với thước đo cường độ nhiễu loạn Luy ≈ 0.3Lux ; Lzu ≈ 0.2 Lxu
1.1.3.3. Hàm mật độ phổ năng lượng.
Sự phân bổ tần số của thành phần nhiễu loạn theo hướng gió u được biểu diễn bởi
hàm mật độ phổ năng lượng không thứ nguyên RN(z,n) với:
RN (z, n ) =

n.S u ( z , n )
σ u2 (z )

( 1.15)

Trong đó n là tần số tính bằng Hz và Su(z,n) là phổ năng lượng của thành phần
nhiễu loạn theo hướng gió.
Năng lượng nhiễu loạn phát sinh ở tần số thấp và bị tiêu hao ở tần số cao. Tại
vùng trung gian năng lượng sinh ra cân bằng với năng lượng mất đi và phổ năng lượng
nhiễu loạn độc lập với cơ chế sinh ra và hao tán năng lượng. Hàm mật độ phổ năng
lượng RN không thứ nguyên đối với các tần số trong vùng trung gian được tính theo
công thức:
R N ( z , n ) = A. f L−2 / 3

( 1.16)


- 23 -

Trong đó A là hệ số phụ thuộc rất ít vào chiều cao và thường được lấy bằng A =
0.14 đối với các kết cấu có độ cao đến 200m, tần số không thứ nguyên được tính theo
công thức:
fL =

n.L ( z )
U (z)

( 1.17)

Với L(z) là thước đo cường độ nhiễu loạn theo chiều cao.
Để thuận tiện trong sử dụng, Simiu và Scalan (1986) đã đề xuất hàm mật độ phổ
năng lượng đã được điều chỉnh cho mục đích thiết kế công trình như sau:
RN (z, n ) =

n.S u ( z , n )
200 f z
=
2
u*
(1 + 50 f z )5 / 3

( 1.18)

Trong đó u là vận tốc ma sát tính theo công thức (1.1) , f z =

n.z
U (z)

1.1.3.4. Hàm số tương quan không gian.
Sự phụ thuộc của các thành phần nhiễu loạn giữa hai điểm cho trước do kích
thước của các xoáy khí trong dòng khí tại tần số f được biểu diễn thông qua phân bố
ngang chuẩn hóa. Sự phân bố không gian của thành phần nhiễu loạn dọc theo hướng
gió được thể hiện thông qua phân bố ngang chuẩn hóa như sau:

Sucr1u2 (r ,n ) = SuC1u2 (r ,n ) + i.S uQ1u2 (r ,n )

Trong đó i =

( 1.19)

− 1 , các chỉ số u1, u2 thể hiện giá trị tại hai điểm cách nhau một

khoảng là r.
Hàm số tương quan được Panofsky và Singer (1965) định nghĩa là:
C (r , n ) = [Coh(r , n )]

2

( 1.20)

Trong đó căn bậc hai của hàm tương quan được Davenport (1968) đề xuất tính
theo công thức Coh(r,n) = e-f với
f =

2.n. C z2 ( z1 − z 2 ) + C y2 ( y1 − y 2 )
U ( z1 ) + U ( z 2 )

( 1.21)


- 24 -

Trong đó y1, y2 và z1, z2 là tọa độ của hai điểm nằm trên đường thẳng vuông góc
với hướng gió, các hệ số Cy, Cz là các hệ số suy giảm xác định theo thực nghiệm. Căn

cứ vào kết quả thí nghiệm hầm gió, Vickery (1970) đề xuất công thức sau để tính phân
bố ngang chuẩn hóa trong lĩnh vực kỹ thuật.
Sucr1u2 (r ,n ) = S 1/ 2 ( z1 , n ).S 1/ 2 ( z 2 , n ).e − f

( 1.22)

Trong đó f tính theo công thức 1.21 với các hệ số Cy = 16, Cz = 10, S(z,n) là hàm
mật độ phổ năng lượng. Các hệ số suy giảm Cy, Cz không chỉ phụ thuộc vào độ nhám
bề mặt mà theo kết quả thực nghiệm còn phụ thuộc vào độ cao và vận tốc gió như thể
hiện dưới đây:
1.1.3.5. Phân vùng gió ở Việt Nam.
Phân vùng áp lực gió theo địa giới hành chính cho trong phụ lục E tiêu chuẩn Tải
trọng và tác động TCVN 2737-1995, và trích dẫn trong tài liệu [4] của tác giả PGS.TS
Trần Viết Liễn, GS.TSKH Nguyễn Đăng Bích giá trị áp lực gió theo bản đồ phân vùng
gió trên lãnh thổ Việt Nam chia làm 6 cấp tương ứng các trị số như sau:
Bảng 1.6. Phân vùng áp lực gió ở Việt Nam