Luận án Tính toán ổn định khí động flutter của dầm chủ trong kết cấu cầu hệ dây bằng phương pháp bước lặp

Tên luận án:

Không được cung cấp trong văn bản.

Ngành:

Không được cung cấp trong văn bản.

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Tài liệu này tập trung nghiên cứu về hiện tượng mất ổn định flutter của cầu nhịp lớn, một vấn đề cấp thiết trong lĩnh vực xây dựng cầu, đặc biệt sau sự cố cầu Tacoma Narrows và trong bối cảnh Việt Nam thường xuyên chịu ảnh hưởng của gió bão. Mục tiêu chính của luận án là phát triển các phương pháp tính toán và phần mềm chuyên dụng (Flutter-BK01, Flutter-BK02) để xác định vận tốc gió flutter tới hạn của cầu treo, dựa trên mô hình dao động uốn xoắn của dầm chủ. Đồng thời, nghiên cứu các giải pháp điều khiển thụ động dao động flutter bằng phương pháp cơ học (sử dụng bộ giảm chấn khối lượng-cản - TMD) và phương pháp khí động học (sử dụng cánh vẫy).

Phạm vi nghiên cứu bao gồm việc phân tích ổn định flutter của mô hình mặt cắt dầm cầu 2D và điều khiển thụ động ổn định flutter của dầm chủ cầu treo thông qua việc áp dụng phương pháp bước lặp. Các phương pháp nghiên cứu chính bao gồm mô hình hóa cơ học và tính toán kết cấu cầu hệ dây, mô phỏng số bằng phương pháp bước lặp của Matsumoto để tính vận tốc flutter tới hạn, và thực nghiệm tại phòng thí nghiệm của Đại học Kỹ thuật Hamburg để đánh giá ảnh hưởng của TMD.

Những kết quả nổi bật bao gồm việc mở rộng phương pháp bước lặp của Matsumoto từ hệ 3 bậc tự do lên 4 bậc tự do có gắn bộ điều chỉnh rung, phát triển thành công hai chương trình tính toán Flutter-BK01 và Flutter-BK02. Các kết quả tính toán vận tốc gió flutter tới hạn cho nhiều cầu cụ thể như Tacoma Narrows, Jiangyin, Great Belt và Vàm Cống đã chứng minh độ tin cậy của phần mềm. Đặc biệt, nghiên cứu chỉ ra rằng việc lắp đặt bộ TMD có thể nâng cao vận tốc gió flutter tới hạn lên khoảng 70-80%, và sử dụng hai cánh vẫy có thể tăng khoảng 45%, với các kết quả lý thuyết và thực nghiệm tương đối phù hợp.

Mục lục chi tiết:

MỞ ĐẦU

• 1. Mục đích nghiên cứu của luận án

• 2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• 3. Phương pháp nghiên cứu

• 4. Những kết quả mới đạt được

• 5. Bố cục của luận án

1 TỔNG QUAN

• 1.1 Cầu hệ dây và gió

• 1.2 Mô hình dao động của cầu dây võng và cầu dây văng dưới tác dụng của gió

• 1.3 Các phương pháp tính vận tốc flutter tới hạn

• 1.4 Nội dung của luận án

2 NHẬN DẠNG TÁC DỤNG CỦA GIÓ VÀ MÔ HÌNH DAO ĐỘNG FLUTTER CỦA DẦM CHỦ TRONG KẾT CẤU CẦU HỆ DÂY

• 2.1 Số liệu gió dùng trong thiết kế

  • 2.1.1 Tốc độ gió cơ bản U10 m/s
  • 2.1.2 Tốc độ gió thiết kế Ud m/s
  • 2.1.3 Đặc tính giật của tốc độ gió

• 2.2 Các hiện tượng dao động của cầu phát sinh bởi gió

  • 2.2.1 Tác dụng tĩnh của gió lên cầu
  • 2.2.1.1 Biến dạng và ứng suất tĩnh
  • 2.2.1.2 Các hiện tượng mất ổn định tĩnh
  • 2.2.2 Tác dụng động của gió lên cầu
  • 2.2.2.1 Dao động do xoáy khí (Vortex-induced vibration)
  • 2.2.2.2 Dao động do gió mưa (Rain-wind-induced vibration)
  • 2.2.2.3 Dao động do rối của dòng khí (Buffeting)
  • 2.2.2.4 Dao động phía cuối gió (Wake-induced vibration)
  • 2.2.2.5 Dao động tự kích khí động học theo phương uốn (Galloping)
  • 2.2.2.6 Hiện tượng dao động tự kích khí động học uốn xoắn (Flutter)

  • 2.3 Các mô hình lực gió tự kích tác dụng lên dầm cầu

    • 2.3.1 Mô hình lực theo miền tần số
    • 2.3.2 Mô hình lực tự kích theo miền thời gian
    • 2.3.3 Mô hình lực gió á bình ổn

  • 2.4 Một phương án nhận dạng các tham số của mô hình dao động flutter hai bậc tự do

    • 2.4.1 Thiết lập phương trình dao động uốn xoắn của dầm cầu
    • 2.4.2 Biến đổi hệ phương trình dao động uốn-xoắn của dầm về hệ các phương trình vi phân thường

  • 2.5 Kết luận chương 2

  3 TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH FLUTTER CỦA DẦM CHỦ CẦU TREO THEO MÔ HÌNH MẶT CẮT HAI BẬC TỰ DO BẰNG PHƯƠNG PHÁP BƯỚC LẶP

  • 3.1 Mô hình dao động mặt cắt của dầm chủ theo lý thuyết flutter cổ điển

    • 3.1.1 Các giả thiết cơ bản của lý thuyết flutter cổ điển
    • 3.1.2 Hệ phương trình dao động tự kích khí động học uốn xoắn hai bậc tự do
    • 3.1.3. Lực nâng và momen khí động
    • 3.1.4 Xác định các tham số flutter

  • 3.2 Tính toán vận tốc tới hạn flutter cho hệ hai bậc tự do bằng phương pháp bước lặp

    • 3.2.1 Phân tích ổn định hệ phương trình dao động tự kích khí động học uốn xoắn hai bậc tự do
    • 3.2.2 Thuật toán phương pháp bước lặp

  • 3.3 Mô hình thí nghiệm mặt cắt dầm cầu tại trường Đại học Kỹ thuật Hamburg

  • 3.4 Tính toán vận tốc gió tới hạn mô hình mặt cắt của một vài cầu cụ thể

    • 3.4.1 Tập hợp các số liệu với mặt cắt GB của tác giả Thiesemann
    • 3.4.2 Cầu Great Belt của Đan Mạch
    • 3.4.3 Cầu Tacoma Narrows cũ của Mỹ
    • 3.4.4 Cầu Jiangyin của Trung Quốc
    • 3.4.5 Cầu Vàm Cống của Việt Nam

  • 3.5 Kết luận chương 3

  4 ĐIỀU KHIỂN THỤ ĐỘNG DAO ĐỘNG FLUTTER CỦA DẦM CHỦ CẦU TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC

  • 4.1 Thiết lập phương trình chuyển động

  • 4.2 Sử dụng phương pháp bước lặp giải hệ phương trình vi phân chuyển động

  • 4.3 Nâng cao vận tốc gió flutter tới hạn của mô hình thí nghiệm tại trường Đại học kỹ thuật Hamburg

  • 4.4 Nâng cao vận tốc gió flutter tới hạn của cầu Great Belt của Đan Mạch

  • 4.5 Tính toán tối ưu các tham số của bộ giảm chấn TMD

    • 4.5.1 Trường hợp mô hình thí nghiệm tại Trường Đại học Kỹ thuật Hamburg
    • 4.5.2 Trường hợp cầu Great Belt của Đan Mạch

  • 4.5 Kết luận chương 4

  5 ĐIỀU KHIỂN THỤ ĐỘNG DAO ĐỘNG FLUTTER CỦA DẦM CHỦ CẦU TREO BẰNG PHƯƠNG PHÁP KHÍ ĐỘNG

  • 5.1 Thiết lập phương trình chuyển động

  • 5.2 Phương trình lực khí động trong trường hợp dầm cầu và các cánh vẫy xem như tấm phẳng

  • 5.3 Sử dụng phương pháp bước lặp giải hệ phương trình vi phân chuyển động

  • 5.4 Thí dụ áp dụng

  • 5.5 Kết luận chương 5

  KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

  • Các kết quả chính của luận án

  • Các vấn đề cần nghiên cứu tiếp