Phân tích cơ chế ổn định khí động flutter đối với một số dạng tiết diện hộp trong kết cấu cầu nhịp lớn

TS. Nguyễn Văn Mỹ Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Người phản biện: PGS.TS. Hoàng Phương Hoa TS. Nguyễn Văn Thái

Tóm tắt: Mất ổn định khí động flutter là vấn đề được quan tâm hàng đầu trong thiết kế kết cấu cầu nhịp lớn chịu tác động của gió. Một trong những giải pháp nhằm ngăn chặn dao động flutter xảy ra là làm dạng thoát gió mặt cắt ngang cầu có tiết diện hộp với chi tiết khí động khác nhau. Trong bài báo này, một số mặt cắt ngang cầu có dạng hộp được phân tích nhằm đưa ra những cơ chế để nâng cao ổn định flutter.

Từ khóa: Khí động flutter, kết cấu, nhịp cầu lớn.

Abstract: Flutter instability has become the most important consideration for design of long-span bridges.  One of the applied approaches to suppress flutter instability is by streamlining the box girder cross section using various aerodynamic attachments. In this paper, some types of box-girder are analyzed  in order to propose the mechanism of increasing flutter stability.

Keywords: Aerodynamic Flutter, texture, large bridges.

1. Đặt vấn đề

Khi nằm trong dòng gió, kết cấu nhịp dịch chuyển và dao động, sau đó dao động này lại ảnh hưởng đến dòng gió xung quanh kết cấu. Dao động được tạo ra bởi sự tương tác này gọi là dao động tự kích và kết quả là sinh ra các lực khí động (lực-phụ-thuộc-dao-động). Nếu lực khí động tương tác một cách đáng kể và biên độ dao động tự kích phát triển theo thời gian với các đặc tính phân kỳ sẽ gây ra mất ổn định. Hiện tượng này được gọi là mất ổn định khí động, trong đó mất ổn định flutter (tròng trành) là mất ổn định đặc trưng nhất và được quan tâm hàng đầu trong thiết kế cầu hệ treo nhịp lớn [7][8].

Flutter là dao động do sự tương tác và trao đổi năng lượng giữa kết cấu cầu và dòng gió. Nếu năng lượng nạp vào do các lực khí động lớn hơn năng lượng phân tán do độ cản của kết cấu thì biên độ dao động sẽ tăng lên làm tăng các lực khí động và gây ra các lực tự kích và dao động tự kích. Có hai dạng mất ổn định là flutter xoắn và flutter uốn và xoắn [3][7][8].

Để kiểm soát mất ổn định flutter, mặt cắt ngang cầu cần được tối ưu hóa bằng việc thay đổi hình dáng và gắn các chi tiết khí động; hoặc/và các tham số động lực cũng có thể thay đổi nhằm tăng vận tốc flutter tới hạn. 2 giải pháp thiết kế được áp dụng: (1) tiết diện dầm chủ hình hộp dạng thoát gió và (2) sử dụng dàn cứng [8].

Hình 1.1: 5 dạng tiết diện hộp với các chi tiết khí động khác nhau

Khi dòng gió tương tác với kết cấu nhịp, hình dáng tiết diện ngang cầu luôn có vai trò quan trọng đối với cơ chế mất ổn định flutter. Việc nắm bắt được cơ chế gây ra mất ổn định này đối với những dạng tiết diện khác nhau là cần thiết, từ đó có thể can thiệp vào các cơ chế này nhằm nâng cao ổn định flutter. Trong bài báo này, 5 dạng tiết diện hộp điển hình với một số chi tiết khí động khác nhau (Hình 1.1) cần được đánh giá tính hiệu quả trong việc nâng cao ổn định flutter.

Để phân tích sự tương tác giữa kết cấu - dòng gió, kết quả nghiên cứu của bài báo dựa trên phương pháp mô phỏng động lực học chất lưu (CFD-Computational Fluid Dynamics), có thể được gọi là “hầm gió số” [1][2][4][5].

2. Phương trình dao động flutter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bằng phương pháp step-by-step và phương pháp lặp tần số [6], các phương trình vi phân ở trên được giải; từ đó trạng thái tới hạn bắt đầu xảy ra mất ổn định flutter được xác định (vận tốc flutter tới hạn nhỏ nhất), đó là tổng cản kết cấu + khí động bằng không. 

3. Phân tích cơ chế phát sinh và ngăn chẶn mất ổn đỊnh futter

Các tiết diện thể hiện ở Hình 1.1 với các thông số động lực được lấy như nhau sẽ được mô phỏng khi chịu tác động của dòng khí trong “hầm gió số” với các vận tốc dòng U khác nhau. Các hình từ 3.1 đến 3.5 thể hiện các phổ vận tốc và phổ áp suất của dòng xung quanh tiết diện và có thể nhận thấy như sau:

- Tiết diện hình chữ nhật (Hình 3.1): Sự tách dòng xảy ra rất mạnh tại mép đón gió và hình thành xoáy khí di chuyển và gắn chặt lên trên bề mặt tiết diện. Bề rộng cầu càng lớn dòng xoáy khí càng gắn chặt. Hơn nữa, dòng xoáy khí vẫn xuất hiện mạnh ở vùng đuôi của tiết diện.

Hình 3.1: Phổ vận tốc và phổ áp suất đối với tiết diện hình chữ nhật

 

- Tiết diện fairing (Hình 3.2): Có thể nhận thấy rằng không có sự tách dòng ở mép đón gió và chỉ xảy ra ở mép cuối fairing phía dòng tới. Sau khi tách dòng, dòng xoáy khí được hình thành trên bề mặt tiết diện yếu hơn so với tiết diện hình chữ nhật và dòng xoáy khí ở vùng đuôi cũng yếu hơn. 

Hình 3.2: Phổ vận tốc và phổ áp suất đối với tiết diện fairing

- Tiết diện hình thang (Hình 3.3): Thực chất đây là dạng tiết diện fairing. Tuy nhiên, một đặc tính khí động khác nhau cơ bản là không có sự tách dòng tại mép trên của fairing nên dòng xoáy khí càng yếu hơn trên bề mặt tiết diện và tại vùng đuôi so với tiết diện fairing.

Hình 3.3: Phổ vận tốc và phổ áp suất đối với tiết diện hình thang

- Tiết diện hình spoiler (Hình 3.4): Cũng như đối với tiết diện fairing, tại mép đón gió không xảy ra sự tách dòng mà sự tách dòng diễn ra ở mép cuối fairing phía dòng tới. Khác với tiết diện fairing, dòng khí gắn chặt trên bề mặt đón gió nhiều hơn và cường độ dòng xoáy khí trên bề mặt tiết diện cũng như phía vùng đuôi yếu hơn.

Hình 3.4: Phổ vận tốc và phổ áp suất đối với tiết diện spoiler

 

- Tiết diện slot (Hình 3.5): Dạng tiết diện này cũng có đặc tính dòng tương tự như đối với tiết diện fairing. Tuy nhiên, do cấu tạo thêm khe hở ở giữa tiết diện nên có sự trộn dòng giữa phía trên và phía dưới tiết diện nên chênh lệch áp suất bề mặt tiết diện giảm đi, nghĩa là lực khí động tự kích giảm đi.

Hình 3.5: Phổ vận tốc và phổ áp suất đối với tiết diện slot

 

Ngoài ra, dựa vào các phương trình 1 và 2, kết quả tính toán vận tốc flutter tới hạn ứng với flutter xoắn (1DOF) và flutter uốn-xoắn (2DOF) đối với các dạng tiết diện ở trên.

Bảng 3.1. Vận tốc flutter tới hạn đối với 5 dạng tiết diện phân tích

 

Từ kết quả mô phỏng và vận tốc flutter tới hạn, cơ chế dao động flutter như sau:

- Tiết diện hình chữ nhật có sự xuất hiện sự tách dòng rất mạnh tại mép dòng tới. Dòng xoáy khí sau khi tách dòng lại gắn chặt trở lại bề mặt tiết diện. Đây là loại tiết diện có vận tốc flutter tới hạn nhỏ nhất.

- Tiết diện fairing khắc phục được nhược điểm của tiết diện hình chữ nhật là sự tách dòng không xảy ở mép đón gió mà xảy tại mép các cuối fairing. Tuy nhiên, sự tách dòng tại mép cuối này yếu hơn, áp suất dòng tại mặt trên và mặt dưới tiết diện yếu hơn và cường độ dòng vùng đuôi cũng nhỏ hơn. Như vậy, tiết diện fairing có vận tốc flutter tới hạn cao hơn tiết diện chữ nhật nên ổn định flutter tốt hơn.

- Tiết diện hình thang do triệt tiêu sự tách dòng tại mép fairing phía trên tiết diện nên nâng cao được ổn định flutter hơn so với tiết diện fairing.

- So với tiết diện fairing, tiết diện spoiler cũng có đặc tính dòng tương tự nhưng áp suất tại mặt trên và dưới của tiết diện yếu hơn và cường độ dòng vùng đuôi nhỏ hơn. Do đó, tiết diện spoiler ổn định flutter hơn tiết diện fairing.

- Do cấu tạo khe slot ở giữa tiết diện ngang nên có sự trộn dòng dẫn đến chênh lệch áp suất mặt trên và dưới tiết diện ngang nhỏ hơn. Vì vậy, tiết diện slot có vận tốc flutter tới hạn cao nhất. Nói cách khác, nó có đặc tính khí động flutter tốt nhất.

Qua phân tích cơ chế phát sinh flutter của các dạng tiết diện ở trên, một số nguyên tắc nhằm ngăn chặn mất ổn định flutter xảy ra là:

- Ngăn ngừa sự tách dòng;

- Hạn chế dòng xoáy khí gắn chặt trở lại trên bề mặt tiết diện;

- Giảm chênh lệch áp suất bề mặt của tiết diện.

4. Kết luận

Cơ chế nâng cao ổn định khí động flutter đối với kết cấu cầu nhịp lớn có tiết diện hộp là ngăn ngừa sự tách dòng; hạn chế dòng xoáy khí gắn chặt trở lại trên bề mặt tiết diện và giảm chênh lệch áp suất bề mặt của tiết diện.

Tiết diện slot thường đem lại ổn định khí động tốt nhất và tiết diện hình thang ổn định flutter tốt hơn tiết diện fairing thông thường.

Tài liệu tham khảo

[1]. Duy-Hoa Pham, Van-My Nguyen (2014), Flutter Instability Controls of Cable-supported Bridges by Investingating Fairing Angles and Spoiler Lengths, National Symposium with international participation on Vibration and Control of Structure under Wind Action, Bach Khoa Publishing House, Hanoi, ISBN 978-604-911-943-9.

[2]. Duy-Hoa Pham, Van-My Nguyen (2014), Flutter instability controls of long-span cable-supported bridge by investigating the optimum of fairing, spoiler and slot, The 2014 World Congress on Advances in Civil, Environmental, and Materials Research (ACEM14), Korea, ISBN 978-89-89693-38-3-93530.

[3]. Y.J. Ge, H.F. Xiang (2008), Recent development of bridge aerodynamics in China, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96 (2008) 736-768.

[4]. Ge Y.J., Xiang H.F. (2008), Computational models and methods for aerodynamic flutter of long-span bridges, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics 96, 1912-1924.

[5]. Giuseppe Vairo (2003), A Numerial Model for Wind Loads Simulation on Long-Span Bridges, Elsevier, Simulation Modelling Practice and Theory 11, 315-351.

[6]. Matsumoto Masaru, Matsumiya Hisato, Fujiwara Shinya, Ito Yasuaki (2010), New consideration on flutter properties based on step-by-step analysis, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamic, 98, 429-437.

[7]. You-Lin Xu (2013), Wind Effects on Cable-Supported Bridges, Wiley.

[8]. Yozo Fujino, Dionysius Siringringo (3/2013), Vibration Mechanisms and Controls of Long-Span Bridges: A Review, Structural Engineering International.