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
- 2 -
CHƯƠNG 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 (F
e
(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
, z
0
(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 (z
0
= 0.04m)...............20
Bảng 1.5. Thước đo cường độ nhiễu loạn của thành phần nhiễu loạn theo hướng
gió I
u
....................................................................................................................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 C
D
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 v
1
.....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 b
1
..........................................................................................................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 (z
0
= 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 C
D
đối với mặt cắt trụ hình tròn
.............................................................................................................................33
Hình 1.7: Sự phân bố ứng suất trên mặt cắt trụ với các hệ số
ℜ
e 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