NGUYỄN TRUNG HIẾU

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------------------------------------

NGUYỄN TRUNG HIẾU

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ
KHI QUA DÂY CÁP VĂNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

KHỐ 33.XGT
Đà Nẵng - Năm 2018


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

---------------------------------------

NGUYỄN TRUNG HIẾU

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ
KHI QUA DÂY CÁP VĂNG

Chun ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng
Mã số
: 60.58.02.05

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS VÕ DUY HÙNG

Đà Nẵng – Năm 2018


MỤC LỤC
Chương 1. PHẦN MỞ ĐẦU ............................................................................................ 1
1.1. Đặt vấn đề nghiên cứu. ............................................................................................. 1
1.2. Tính cấp thiết và mục tiêu của đề tài ......................................................................... 2
1.2.1 Tính cấp thiết ........................................................................................................... 2
1.2.2 Mục tiêu của đề tài .................................................................................................. 2
1.3. Tìm hiểu các nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam ................................................ 2
1.3.1 Tìm hiểu các nghiên cứu trên thế giới ..................................................................... 3
1.3.2 Tìm hiểu trong nước ................................................................................................ 5
Chương 2. TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIĨ LÊN CƠNG TRÌNH ................ 8
2.1 Thành phần tĩnh của tải trọng gió ............................................................................... 9
2.1.1 Các thành phần lực khí động giả tĩnh trên dầm chủ ................................................ 9
2.1.2 Biến dạng tĩnh mất ổn định dưới tác dụng của gió.................................................. 10
2.2 Tác động động ............................................................................................................ 11
Chương 3. ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG ....................... 24
3.1 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 24
3.2 Phân tích các đặc điểm của dịng với các vận tốc gió khác nhau ............................... 25

3.2.1 Xét tương quan biểu đồ giữa Phổ Năng lượng PSD và hệ số Strouhal ................... 26
3.2.2 Xét hàm gắn kết COHERENCE .............................................................................. 42
3.3 Kết luận....................................................................................................................... 51
3.4 Đề xuất các hình dạng bề mặt khắc phục dao động ................................................... 51
3.5 Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo. ................................................................... 53
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 54
1. Kết luận......................................................................................................................... 54
2. Kiến nghị. ..................................................................................................................... 54


NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CỦA DỊNG GIĨ ĐI QUA DÂY CÁP VĂNG
Học viên:

Nguyễn Trung Hiếu

Chuyên ngành:

Kỹ thuật xây dựng công trình giao thơng

Mã số: 60.58.02.05

Khóa: K33

Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN

Tóm tắt - Thời gian gần đây các nhà khoa học thế giới đã chỉ ra rằng, dây cáp văng có thể dao
động với biên độ lớn, phân kỳ trong điều kiện khô ráo ( không mưa), được gọi là loại “dao động khô”.
Các nhà khoa học đã chứng minh được sự tồn tại của loại dao động này bằng các thí nghiệm hầm gió
cũng như quan trắc thực tế.
Đây là một loại dao động mới, việc nghiên cứu các đặc điểm của dịng gió đi qua dây văng trong

điều kiện khơ ráo sẽ bổ sung giải thích và làm rõ hiện tượng dao động khơ này, từ đó có thể căn cứ vào
các đặc điểm cũng như cơ chế hình thành để tìm ra các biện pháp hạn chế, khắc phục loại dao động này.
Trong phạm vi luận văn này sử dụng phương pháp mô phỏng số bằng phần mềm matlab kết hợp
với các số liệu được đo đạc bằng thí nghiệm hầm gió để chỉ ra những tác nhân hình thành nên dao động
khơ, sự biến đổi của dịng gió khi đi qua dây cáp văng, sự biến đổi của phổ năng lượng vận tốc gió và
độ gắn kết tại các vị trí, các góc gió khác nhau của dây cáp văng khi xảy ra “dao động khơ”.
Từ khóa – cầu dây văng, dao động khơ, dây cáp văng; dao động phân kỳ hoặc giới hạn, phổ năng
lượng, rung động của dây cáp văng khi chịu tác động của gió.

Abstract: Recently, scientists in all over the world have shown that stay cables can oscillate with
a huge amplitude and divergently in dry condition (not rainy), this phenomenon is called “dry
galloping”. Scientists have proved the existence of this oscillation via wind tunnel experiments as well
as actual monitoring.
This is a new oscillation, analyses of air movement’s characteristics through stay cables in dry
condition will supplement explanations and clarify this “dry galloping”. Thus, we can find out solutions
to restrict and overcome this oscillation based on its characteristics and origin.
In the scope of this essay, by using numerical simulation in Matlab combined with data collected
from wind tunnel experiments, I will show out causes that form the “dry galloping”, the variation of air
movement through stay cable, the variation of air’s energy spectrum and velocity, as well as the
cohesion of each position and differential wind angles of stay cables during “dry galloping”.
Key words – Cable –Stayed Bridges; Dry galloping; divergent vibration or restricted amplitude
vibration, energy spectrum, vibration cable under wind attack.


MỤC LỤC BẢNG BIỂU- HÌNH ẢNH

a. Danh mục các hình vẽ
Số hiệu

Tên hình


Trang

Hình 1-1

Dao động của dây văng khi và khi khơng có dịng khí dọc cáp 4

Hình 1-2

Dữ liệu quan sát thực tế trên cáp nguyên mẫu

4

Hình 1-3

Biên độ giao động do gió gây ra trong những điều kiện khác
nhau

5

Hình 1-4

Hư hỏng do dao động dây cáp văng

6

Hình 1-5

Dao động do gió mưa kết hợp


7

Hình 1-6

Hư hỏng thiết bị giảm chấn

7

Hình 2-1

Thành phần lực tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ

9

Hình 2-2

Mơ hình hóa một vật thể dài mảnh

11

Hình 2-3

Vật bị biến dạng trong mặt phẳng vng góc với mặt phẳng

11

X-Z
Hình 2-4

Sự biến thiên vận tốc ở lớp biên


11

Hình 2-5

Phản ứng của dịng khí qua vật cản hình trụ theo số Reynold

13

Hình 2-6

Quan hệ giữa biên độ dao động và Scruton number

14

Hình 2-7

Lực Buffeting trên kết cấu dạng dầm

15

Hình 2-8

Biến thiên vận tốc gió kéo theo sự biến thiên lực tác dụng lên

16

kết cấu
Hình 2-9


Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt tới việc hình thành xốy
khí

17

Hình 2.10

Dao động của kết cấu do tác động của xoáy khí

17

Hình 2-11

Vùng “Khố” tần số

18

Hình 2-12

Mơ tả hiện tượng Flutter

20

Hình 2-13

Sự lệch pha của các dạng dao động trong hiện tượng Flutter

21

Hình 2-14


Mơ hình cáp chịu gió/ mưa kết hợp

22

Hình 3-1

Dao động khơ của dây cáp văng

29

Hình 3-2

Mơ phỏng góc gió trong thí nghiệm hầm gió

30

Hình 3.3

Sơ đồ bố trí cảm biến đo vận tốc gió theo thời gian

Hình 3-4
Hình 3-5
Hình 3.6
Hình 3.7

30

0


0

31

0

0

31

0

0

33

0

0

33

Phổ năng lượng tại vị trí 6D với góc α=25 ; β= 30
Phổ năng lượng tại vị trí 7D với góc α=25 ; β= 30
Phổ năng lượng tại vị trí 2D với góc α=25 ; β= 30
Phổ năng lượng tại vị trí 3D với góc α=25 ; β= 30


Hình 3.8


Phổ năng lượng tại vị trí 4D với góc α=250; β= 300

34

Hình 3.9

Phổ năng lượng tại vị trí 5D với góc α=250; β= 300

34

Hình 3.10

Phổ năng lượng tại vị trí 7D với góc α=250; β= 00

35

Hình 3.11

Phổ năng lượng tại vị trí 2D với góc α=250; β= 00

35

Hình 3.12

Phổ năng lượng tại vị trí 3D với góc α=250; β= 450

36

Hình 3.13


Phổ năng lượng tại vị trí 6D với góc α=250; β= 450

36

Hình 3.14

Phổ năng lượng tại vị trí 3D với góc α=250; β= 00

38

Hình 3.15

Phổ năng lượng tại vị trí 4D với góc α=250; β= 00

38

Hình 3.16

Phổ năng lượng tại vị trí 5D với góc α=250; β= 00

39

Hình 3.17

Phổ năng lượng tại vị trí 6D với góc α=250; β= 00

39

Hình 3.18


Phổ năng lượng tại vị trí 2D với góc α=250; β= 450

40

Hình 3.19

Phổ năng lượng tại vị trí 4D với góc α=250; β= 450

40

Hình 3.20

Phổ năng lượng tại vị trí 5D với góc α=250; β= 450

41

Hình 3.21

Phổ năng lượng tại vị trí 7D với góc α=250; β= 450

41

Hình 3.22

Độ gắn kết tại vị trí 2D-7D với góc α=250; β= 300

43

Hình 3.23


Độ gắn kết tại vị trí 2D-6D với góc α=250; β= 300

43

Hình 3.24

Độ gắn kết tại vị trí 5D-3D với góc α=250; β= 300

44

Hình 3.25

Độ gắn kết tại vị trí 5D-4D với góc α=250; β= 300

44

Hình 3.26

Độ gắn kết tại vị trí 2D-5D với góc α=250; β= 00

46

Hình 3.27
Hình 3.28
Hình 3.29
Hình 3.30
Hình 3.31
Hình 3.32
Hình 3.33
Hình 3.34

Hình 3.35

0

0

46

0

0

47

0

0

47

0

0

Độ gắn kết tại vị trí 2D-6D với góc α=25 ; β= 0
Độ gắn kết tại vị trí 2D-7D với góc α=25 ; β= 0
Độ gắn kết tại vị trí 5D-4D với góc α=25 ; β= 0
Độ gắn kết tại vị trí 5D-3D với góc α=25 ; β= 0

48


0

0

48

0

0

49

0

0

49

0

0

50

0

0

50


Độ gắn kết tại vị trí 2D-5D với góc α=25 ; β= 45
Độ gắn kết tại vị trí 2D-6D với góc α=25 ; β= 45
Độ gắn kết tại vị trí 2D-7D với góc α=25 ; β= 45
Độ gắn kết tại vị trí 5D-3D với góc α=25 ; β= 45
Độ gắn kết tại vị trí 5D-4D với góc α=25 ; β= 45


b. Danh mục các Bảng biểu

Số hiệu

Tên Bảng

Trang

Bảng 2-1

Các loại tác động của gió lên cơng trình

9

Bảng 2-2

Hệ số lực cản của tháp cầu và dây văng

10

Bảng 3-1


Những thông số được đo ở thí nghiệm hầm gió

25

Tần số và độ giảm chấn của dây văng cầu Leonard P. Zakim

27

Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng3.4

Bunker Hill Bridge (USA- Báo cáo của FHWA)
Tần số và độ giảm chấn của dây văng cầu Sunshine Skyway

28

Bridge (St. Petersburg, FL) (USA- Báo cáo của FHWA)
Phương pháp đo bằng thí nghiệm hầm gió

30


Chương 1.
PHẦN MỞ ĐẦU
1.1.

Đặt vấn đề nghiên cứu.

Gió là sự chuyển động của một khối khơng khí trong bầu khí quyển do sự

chênh lệch áp suất giữa các điểm khác nhau trên trái đất. Đặc điểm nổi bật của gió
tự nhiên là tính nhiễu loạn. Nguyên nhân cơ bản của sự nhiễu loạn là do ma sát của
luồng khơng khí khi đi qua các bề mặt. Dịng khơng khí nhiễu loạn thay đổi một
cách phức tạp và ngẫu nhiên cả trong khơng gian và theo thời gian, vì thế thường
được biểu diễn dưới dạng thống kê.
Cầu dây văng là một loại cầu bao gồm một hoặc nhiều trụ (thường được gọi
là tháp), với dây cáp neo chịu đỡ toàn bộ hệ mặt cầu và các dầm cầu. Dây cáp là bộ
phận chịu lực chính trong cầu dây văng. Trong quá trình khai thác sử dụng, dây cáp
văng thường bị dao động dưới tác dụng của: gió, gió mưa kết hợp, hoạt tải khai thác
và các tác động khác làm giảm khả năng khai thác an toàn và giảm tuổi thọ của
cơng trình.
Đối với dây cáp văng thì dao động do gió, gió mưa kết hợp là những dao động
phổ biến tác động trực tiếp và gây ảnh hưởng lớn. Dao động gió mưa kết hợp đã
được phát hiện và nghiên cứu từ những năm 70-80 của thế kỷ trước, nguyên nhân là
do nước mưa bám vào và chảy trên bề mặt dây cáp tạo thành hai dòng nước nhỏ,
những dòng nước làm thay đổi hình dạng của mặt cắt ngang cáp và lực khí động của
nó. Dịng phía dưới nằm trong cân bằng ổn định trong khi dịng phía trên khơng ổn
định, sự khơng ổn định của dịng nước phía trên gây ra thay đổi liên tục về đặc tính
khí động của dây cáp văng dẫn đến việc dây cáp văng mất ổn định. Mơ hình nghiên
cứu được đưa ra là mơ hình cáp chịu tác động của gió khâơng đổi trên suốt chiều
dài đồng thời chịu tác động của dịng nước chảy phía trên cáp. Vận tốc gió tác động
được khảo sát là từ 6-13m/s, tần số dao động cáp từ 1-3Hz, vị trí dịng nước chảy
trên cáp từ 15-450, hướng gió tác dụng lên cáp từ 20-600…
Với dao động do gió trong điều kiện khơ ráo là một loại dao động vừa mới
được phát hiện trong thời gian gần đây. Những nghiên cứu chỉ ra rằng: trong thời
tiết khơ ráo (khơng mưa) kèm theo gió với vận tốc cao dây văng bị kích thích dao
1


động với biên độ lớn. Những nghiên cứu đã chỉ ra những nguyên nhân và đặc điểm

cơ bản của loại dao động này. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu, nhiều đo đạc
thực tế về đặc điểm, cơ chế dao động và biện pháp đối phó với loại dao động.
Nhìn chung dao động do gió được chia là 2 loại chính: dao động với biên độ
vừa phải và dao động với biên độ phân kỳ. Dao động phân kỳ là loại dao động tăng
dần biên độ theo thời gian khi vận tốc gió khơng đổi và là loại dao động gây nguy
hiểm cho cầu dây văng. Một vài đặc điểm của dao động như sau:
-

Dao động gây ra những hư hại cho dây văng và hệ neo phụ kiện,

-

Khi dao động xảy ra, dây cáp có thể dao động phân kỳ hoặc giới hạn,

-

Dao động gây ra cho dây văng trong điều kiện vận tốc gió cao,

-

Dao động này chỉ xảy ra ở những góc gió nhất định.
Trong những nghiên cứu hiện tại thì các đặc điểm của dao động này đã được

làm rõ ở những mức độ nhất định bằng nhiều phương pháp khác nhau, thí nghiệm
hầm gió, phân tích. Tuy nhiên, cơ chế của loại dao động này vẩn đang được làm rõ
và biện pháp đối phó với dao động này vẫn đang phát triển.
1.2.

Tính cấp thiết và mục tiêu của đề tài


1.2.1 Tính cấp thiết
Dao động khô được đánh giá là 1 trong 2 loại dao động gây ra biên độ lớn
( Cùng với dao động do mưa gió kết hợp). Ảnh hưởng nguy hiểm đến kết cấu.
Do đó việc nghiên cứu các biện pháp hạn chế loại dao động này là hết sức
quan trọng
1.2.2 Mục tiêu của đề tài
Nghiên cứu tìm ra các đặc điểm của dịng gió đi qua dây cáp văng với vận tốc
gió khác nhau.
Phân tích sự tương quan giữa các đại lượng vận tốc, tần số, thời gian, Phổ năng
lượng, độ gắn kết
1.3.

Tìm hiểu các nghiên cứu trên Thế giới và Việt Nam
2


1.3.1 Tìm hiểu các nghiên cứu trên thế giới
Dao động của cáp trong điều kiện thời tiết khô ráo (dao động khô) là một thuật
ngữ mới và khái niệm của loại dao động này đang được làm rõ ràng hơn trong thời
gian gần đây. Theo định nghĩa chung, trong điều kiện thời tiết khơng mưa cộng với
vận tốc gió lớn làm cho dây cáp văng bị kích thích dao động với biên độ hạn chế.
Mặc dù trên thế giới đã có nhiều báo cáo thực tế về hiện tượng này. Nhưng
chưa nói rỏ về nguyên nhân xảy ra hiện tượng. Gần đây, một số nghiên cứu cho
thấy hiện tượng này xảy bằng quan sát thực tế hiện trường và thí nghiệm hầm gió.
Tuy nhiên, các nghiên cứu chưa chỉ ra đầy đủ các đặc tính, cũng như phương pháp
kiểm sốt dao động.
Dao động khô của dây cáp văng được quan sát trong các thí nghiệm của ơng
Saito, ơng Honda và ông Matsumoto cùng các cộng sự. Ở vùng cận hạn của hệ số
Reynolds ( hay ở vận tốc gió tương đối).
Khi dịng gió đi qua dây cáp văng làm chi biên độ phản ứng của dây cáp văng

tăng mạnh dẫn đến dao động kiểu phân kỳ. Loại dao động tăng dần biên độ theo
thời gian khi vận tốc gió khơng đổi và là loại dao động rất nguy hiểm cho cầu dây
văng. Do đó việc đánh giá sự giảm khí động lên dây cáp là một cách hiệu quả để
nghiên cứu các cơ chế của loại dao động này.
Đồng thời, họ cũng chỉ ra rằng cơ chế tạo ra sự gián đoạn ở những giai đoạn
khác nhau là nguyên nhân của sự phân tách liên kết phần trên và dưới của dịng
ngăn cách. Vì sự liên kết của 2 dịng ngăn cách thường tạo nên áp lực lên mặt trên
và mặt dưới của dâp cáp trở nên đồng nhất. Matsumoto et al. đã làm sáng tỏ vai trò
của dòng liên quan đến sự gia tăng không ổn định bằng cách thực hiện thí nghiệm
hầm gió khi có và khơng có dịng quanh trục theo Hình 1-1 Kết quả kiểm nghiệm
chỉ rõ rằng dịng theo trục gần vết nứt có thể gia tăng biến động. Trước đó,
Matsumoto at el cũng chỉ ra rằng dịng chảy quanh trục cũng được hình dung trên
cây cầu thực bằng cách dùng các sợi quang cho dây cách tĩnh nguyên mẫu kèm theo
hướng gió khoảng 40º-50º. Tuy nhiên cơ chế dòng chảy quanh trục vẫn chưa được
hiểu cặn kẽ.

3


Hình 1-1: Dao động của dây văng khi và khi khơng có dịng khí dọc cáp
Hơn nữa. Matsumoto đã giải thích sự khác nhau của tiêu chí Saito và tiêu chí
FHWA là ở sự phụ thuộc số Scruton, bằng cách phân loại sự gia tăng thành dao
động khác nhau và dao động bất ổn với biên độ hạn chế. Theo số liệu Scruton và sơ
đồ vận tốc độ gió. Nguời ta nhận ra rằng tiêu chí FHWA và tiêu chí Saito tương
xứng với sự gia tăng ổn định và không ổn định, tương ứng, theo Hình 1-2 Tuy nhiên,
vẫn cịn nhiều thơng tin cần được đưa ra. Trong các thí nghiệm của Cheng cùng các
cộng sự, cả hai loại chuyển động khác nhau và rung động với biên độ giới hạn trong
điều kiện tốc độ gió bị suy giảm đều được ghi nhận. Tuy nhiên, các đặc tính và các
điều kiện kích thích của hai hiện tượng trên là hồn tồn khác nhau. Trong khi điều
đầu tiên có những phản ứng tương tự như dao động thì điều sau xảy ra chỉ trong

phạm vi hạn chế khi tốc độ gió giảm và chúng có biên độ giới hạn khác nhau.

Hình 1-2. Dữ liệu quan sát thực tế trên cáp nguyên mẫu

4


Hình 1-3: Biên độ giao động do gió gây ra trong những điều kiện khác nhau
Tính bất ổn trong mơ hình dịng chảy trong dãy hệ số Re và cách nó tương tác
với nhiễu động gió và góc nghiêng là rất quan trọng để hình thành cách điều kiện
của dao động khô. Một vài thành phần gây ra dao động tương tự cũng được tìm ra,
ở đó các đặc tính hầu như bất biến phải kết hợp với tính bất ổn để tạo ra phản ứng
bất thường. Sự chuyển đổi đột ngột, sự chậm trễ giữ tải và chuyển động, và độ cứng
của sức gió thành phần là những đặc tính khác thường thấy ở các trường hợp trước
và trường hợp này.
Trong các nghiên cứu hiện nay, đặc tính của sợi cáp trong dao động khô đã
được làm rõ ở một mức độ và nhiều cách tiếp cận khác đã được đề ra nhằm nghiên
cứu vấn đề này. Tuy nhiên, vẫn tồn tại một ít bất đồng giữa các kết luận về cơ chế
của dao động khơ. Thêm vào đó, các dòng chảy quanh cáp vẫn còn nhiều nghi vấn
và chưa được làm rõ. Vì vậy, để hồn thành tài liệu cho dao động khô, vẫn cần tiến
hành nhiều nghiên cứu hơn.
1.3.2 Tìm hiểu trong nước
Ở nước ta hiện nay, cầu dây văng đang được áp dụng thịnh hành vì kết cấu
thanh mảnh và có tính thẩm mỹ cao. Tuy nhiên việc chưa nắm bắt được các loại dao
động của dây văng, đặc biệt là dao động khô sẽ ảnh hưởng đến khai thác, tuổi thọ
của cơng trình và ảnh hưởng đến tâm lý của người dân khi qua cầu. Do đó việc nắm
bắt loại dao động khơ này là hết sức bức thiết nhằm đảm bảo quá trình khai thác và
sử dụng cầu dây văng. Nhìn chung ở Việt Nam chưa có nhiều nghiên cứu về loại
5



dao động này, cũng như việc chế tạo dây cáp văng đối phó với loại dao động khơ
chưa được phát triển. Đồng thời gần đây, nhiều cơng trình cầu dây văng được đưa
vào sử dụng ở nhiều thành phố của Việt Nam như Cầu Cần Thơ, Cầu Nhật Tân, Cầu
Trần Thị Lý, Cầu Bính, Cầu Bãi Cháy,… do đó nhu cầu tìm ra biển pháp để đối phó
với dao động khơ của dây văng càng trở nên bức thiết.
Những hình ảnh hư hỏng dây cáp văng :

Hình 1-4: Hư hỏng do dao động dây cáp văng

6


Hình 1-5: Dao động do gió mưa kết hợp

Hình 1-6: Hư hỏng thiết bị giảm chấn

7


Chương 2.
TỔNG QUAN VỀ TÁC ĐỘNG CỦA GIĨ LÊN CƠNG TRÌNH

Những ảnh hưởng của gió
Cơng trình cầu thường được xây dựng ở nơi trống trải và chịu gió mạnh. Tác
dụng của gió lên cơng trình cầu nói chung hay cầu dây văng nói riêng chia làm 2
nhóm: tác dụng tĩnh và tác dụng động. Ngoài ra cũng phải xem xét tới ảnh hưởng
của các cơng trình lân cận làm thay đổi hướng gió và các đặc trưng của dịng gió.
Thơng thường, áp lực gió tĩnh có thể gây biến dạng cho kết cấu cầu, cịn tác dụng
động học của gió làm cho kết cấu cầu bị rung hoặc dao động mạnh.

Khi dịng khí nhiễu loạn đi qua cơng trình phát sinh các lực khí động biến đổi
theo thời gian làm cho kết cấu dao động cưỡng bức. Trong nhóm này có các hiện
tượng dao động rung lắc (Buffeting) và dao động xốy khí (Vortex-Shedding). Các
dao động cưỡng bức nói trên có tính chất tắt dần do hao tán năng lượng cơ học. Tuy
nhiên, trong nhiều trường hợp khi nghiên cứu dao động kết cấu ở vận tốc gió lớn
thấy rằng bản thân dao động kết cấu lại phát sinh ra lực khí động bổ sung tạo thêm
năng lượng mới cho dao động tự thân, dao động của bản thân kết cấu trở thành bị
động, lúc này biên độ dao động đột ngột tăng nhanh gây mất ổn định động lực và
phá huỷ kết cấu. Các dao động tự kích thích do các lực khí động được phát sinh từ
bản thân dao động ban đầu của cơng trình hay do tương tác cơ học giữa kết cấu và
dịng khí chứ khơng phải có nguồn gốc từ tác động dịng khí. Mất ổn định theo dạng
này gọi là gọi chung là mất ổn định khí đàn hồi, biểu hiện ở các hiện tượng dao
động tròng trành) Flutter và dao động tiến triển nhanh (Galloping).
Các ảnh hưởng do tác dụng động lực của gió vào kết cấu có thể gây mỏi, hư
hại các bộ phận chịu lực của kết cấu, hay ảnh hưởng tâm lý tới người qua cầu, thậm
chí gây phá huỷ kết cấu trong trường hợp mất ổn định khí động. Các ảnh hưởng tới
tâm lý xuất phát từ việc kết cấu bị cộng hưởng ngay với vận tốc gió thơng thường
làm dao động của kết cấu phức tạp. Các tác động và ảnh hưởng của gió tới kết cấu:

8


Loại tác động
Tác động tĩnh

Tác động động

Tên tiếng Việt

Tên tiếng Anh


Tác động tĩnh ổn định

Stable response

Ứng suất và biến dạng tĩnh

Static response

Tác động tĩnh mất ổn định

Unstable response

Biến dạng uốn mất ổn định

Divergence

Sự oằn ngang

Lateral buckling

Dao động giới hạn

Nomianal vibration

-Dao động rung lắc

-Buffeting

-Dao động cuộn xoáy


-Vortex-induced oscillation

-Hiệu ứng do mưa gió kết hợp

-Rain-wind induced vibration

-Dao động giật

-Wake induced vibration

Dao động khơng giới hạn

Divergent type flutter

-Dao động lên xuống

-Galopping

-Dao động trịng trành

-Flutter

Bảng 2-1: Các loại tác động của gió lên cơng trình
2.1

Thành phần tĩnh của tải trọng gió

2.1.1 Các thành phần lực khí động giả tĩnh trên dầm chủ
Tải trọng gió lực tĩnh tác dụng trên đơn vị chiều dài dầm chủ theo hệ toạ độ

hướng trục cầu được thể hiện trong Hình 2-1, để tính tốn tải trọng gió của cả 3
hướng:

Hình 2-1. Thành phần lực tĩnh của tải trọng gió tác dụng lên dầm chủ
Tải trong gió theo phương ngang và phương thẳng đứng phụ thuộc và các hệ
số CD, CL, CM là các hệ số lực cản, hệ số lực nâng, hệ số mô men xoắn theo các
phương của trục dầm chủ.
9


Các hệ số lực cản CD, CL, CM phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt, vận tốc gió,
góc tới của gió và cách chính xác nhất là xác định các trị số này thơng qua thí
nghiệm hầm gió. Trong nhiều tài liệu hướng dẫn tính tốn về gió đều đưa ra các giá
trị hệ số lực cản lấy theo kinh nghiệm.
Các thành phần lực khí động giả tĩnh tác dụng lên dây văng
Lực kéo tác dụng lên dây cáp văng được tính theo cơng thức sau:
Fd 

1
U 2 DCD
2

(2.1)

Trong đó: CD là hệ số lực cản của ống bọc cáp; D là đường kính của ống bọc
cáp;  là mật độ khơng khí và U là vận tốc gió tới. Từ thí nghiệm hầm gió hệ số cản
CD của tháp cầu và dây văng có thể lấy theo bảng sau:
Bảng 2-2. Hệ số lực cản của tháp cầu và dây văng
Hình dạng mặt cắt
t


t
b

Hệ số lực cản CD
1

2

4

6

10

20

40

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.9


2.1

1 1

1.3
3 2

1.4

1.5

1.6

1.8

2.0

2.2



b

1
4

2
3


1.3

1.4

1.5

1.6

1.8

2.0

2.2

1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.8

2.0


1
2

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.7

2

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3


1.4

3

0.8

0.8

0.8

0.9

09

1.0

1.2

4

0.8

0.8

0.8

0.8

0.8


0.9

1.1

1.0

1.1

1.1

1.2

1.2

1.3

1.4

0.7

0.8

0.9

0.9

1.0

1.1


1.3

1

Hình 4 cạnh
Hoặc hình 8 cạnh
Hình 12 cạnh

2.1.2 Biến dạng tĩnh mất ổn định dưới tác dụng của gió
Loại này bao gồm hai dạng: Biến dạng uốn mất ổn định và hiện tượng oằn ngang
10


a) Biến dạng uốn mất ổn định.
Biến dạng mất ổn định được nhận thấy điển hình tại các cầu mảnh, khi cầu bị
mất ổn định. Do tính chất khơng đối xứng của dầm cầu, hoặc góc tác dụng của
gió khiến cho mặt cầu bị uốn, dẫn đến diện tích chắn gió ngày càng tăng lên làm
cho lực tác dụng lên dầm lớn lên theo. Sự gia tăng này lặp đi lặp lại dẫn đến sự
mất ổn định thăng bằng của dầm cầu.
b) Sự oằn ngang

Hình 2-2: Mơ hình hóa một vật thể dài mảnh
Xét một ví dụ minh họa đơn giản như trong Hình 1-2. Đối với những kết cấu
dài và mảnh, khả năng chịu uốn trong mặt phẳng chứa sườn dầm của kết cấu là lớn,
nhưng khả năng chịu xoắn trong mặt phẳng vng góc với mặt phẳng này lại yếu
hơn nhiều. Khi tác dụng lực P trong Hình 1-3 vượt qua một giá trị giới hạn, kết cấu
sẽ đột nhiên bị xoắn. Đây gọi là hiện tượng oằn ngang.

Hình 2-3: Vật bị biến dạng trong mặt phẳng vng góc với mặt phẳng X-Z

2.2

Tác động động

a. Lớp biên và sự tách dịng

Hình 2-4. Sự biến thiên
vận tốc ở lớp biên

11


Các quan sát thực nghiệm cho thấy khi dịng khí đi qua vật cản khơng chuyển
động có bề mặt trơn tru, khơng khí sẽ tiếp xúc với bề mặt vật thể. Hiện tượng này là
nguyên nhân làm giảm vận tốc của dịng khí ở lớp tiếp giáp với bề mặt vật thể, sau
đây gọi là lớp biên. Trong lớp biên, vận tốc dòng tăng từ giá trị bằng 0 tại bề mặt
vật thể (không xảy ra hiện tượng trượt) đến giá trị vận tốc ở phần cịn lại của dịng
khí (dịng ngồi).
b. Số Reynold
Do có trọng lượng, khơng khí được chứng minh là tuân thủ định luật hai
Newton. Hai yếu tố có ảnh hưởng quan trọng nhất đến dịng khí là quán tính và tính
nhớt. Số Reynold (e) được định nghĩa là tỷ lệ giữa lực quán tính và lực cản nhớt.
e quy định đặc tính và các hiện tượng có thể xảy ra của dịng khí khi đi qua cơng
trình. Lực qn tính I, theo định luật Bernoulli được xác định theo công thức
I  U 2 L2 . Lực cản nhớt được xác định theo công thức V  U 2 L2 / L . Như vậy,

công thức xác định số Reynold như sau:
e 

I

U 2 L2
UL


2 2
V U L / L 

Trong đó:  

(2.2)


được gọi là độ nhớt động của khơng khí, =0.15cm2/s với


khơng khí có nhiệt độ 20OC. Có thể thấy khi e lớn hiệu ứng do lực quán tính sinh
ra sẽ chiếm ưu thế và ngược lại, khi e nhỏ hiệu ứng do tính nhớt sẽ mạnh hơn.

0<e <5

40<e <150

5<e <40

150<e <3x105

12


3x105<e <3x106


3x106
Hình 2-5. Phản ứng của dịng khí qua vật cản hình trụ theo số Reynold
Số Reynold sẽ cho biết đặc điểm của dịng khí và mơi trường phía sau vật thể
là dịng ổn định, dịng hỗn loạn, có xốy khí, vùng trống và tính chất tách hay dính
trở lại của dịng khí. Hình 2-5 thể hiện phản ứng của dịng khí đi qua vật thể hình trụ
trịn ứng với các trường hợp số Reynold khác nhau. Khi số Reynold bé gần như
khơng có sự tách phía sau vật thể của dịng khí và nếu dịng phía trước là ổn định thì
ra khỏi vật thể cũng là ổn định. Với số Reynod đủ lớn dịng khí qua vật thể sẽ bị
tách qua biên, đồng thời phía sau tạo thành các xốy khí xuất hiện có chu kỳ gọi là
xốy khí Karman. Khi số Reynold tương đối lớn dịng khí phía sau cơng trình xuất
hiện nhiễu loạn tách dịng, lúc này dịng khí phía sau hỗn loạn, khơng đối xứng,
xuất hiện xốy khí đan xen, kích thước và tần số xuất hiện các xốy khí khác nhau.
c. Số Strouhal
Hiện tượng tách dịng có hình thành xốy khí phía sau vật cản được biểu diễn
qua hệ số không thứ nguyên S (số Strouhal):
S

fv D
U

(2.3)

Trong đó: fv là tần số tách xốy, D là kích thước đặc trưng của tiết diện trên
mặt phẳng trực giao với hướng gió tới, U là vận tốc gió tới.
Số Strouhal có giá trị khác nhau đối với mỗi loại loại mặt cắt có dịng khí đi
qua. Để xác định số Strouhal phải sử dụng thí nghiệm hầm gió, qua nhiều thí
nghiệm đã xác định được số Strouhal cho một số loại mặt cắt điển hình và được lập
thành bảng tra trong các tài liệu chỉ dẫn tính tốn về gió.

d. Số Scruton

13


Là thông số quan trọng khi đề cập tới dao động do các lực tự kích do xốy khí
gây ra, dao động do hiệu ứng kết hợp do mưa/gió, rung ....

Sc 

m
D 2

(2.4)

Trong đó: m là khối lượng đơn vị cáp văng,  là trị số giảm chấn,  là mật độ
khơng khí và D là đường kính cáp. Hầu hết biên độ dao động do các hiện tượng khí
động gây ra sẽ bị giảm xuống khi tăng hệ số Scruton cho kết cấu.

Yo/D

Thực nghiệm
Lý thuyết

Scruton Number

Hình 2-6. Quan hệ giữa biên độ dao động và Scruton number
e. Các hiện tượng khí đàn hồi
Một kết cấu nằm trong dịng khí phải chịu áp lực bề mặt do chuyển động của
dòng khí đó. Nếu dịng khí có nhiễu loạn, áp lực bề mặt này chính là nguyên nhân

gây ra dao động cho kết cấu.
Ngoài ra, chuyển động hoặc biến dạng của kết cấu dưới tác dụng của áp lực bề
mặt sẽ làm thay đổi điều kiện biên của dịng khí, từ đó dẫn đến làm thay đổi lực khí
động. Sự thay đổi của lực khí động lại có ảnh hưởng ngược lại tới chuyển động
hoặc biến dạng của kết cấu. Các hiện tượng có đặc điểm như trên được gọi là các
hiện tượng khí đàn hồi, nghiên cứu về các hiện tượng này chính là nghiên cứu về
quan hệ giữa lực khí động với chuyển động của kết cấu.
Mất ổn định khí động là hiện tượng có thể xảy ra chỉ do sự hình thành các
xốy khí sau cơng trình cố định. Trong trường hợp dịng khí làm biến dạng kết cấu
dưới tác động của lực khí động dẫn đến biến dạng ban đầu của kết cấu tiếp tục tăng
đến đến biên độ của dao động thì sẽ xảy ra hiện tượng mất ổn định khí đàn hồi.
Những dạng mất ổn định khí động đơn giản như hiện tượng Vortex-Shedding có thể
14


cũng làm biến dạng kết cấu, tạo nên hiện tượng có các tính chất giống hiện tượng
khí đàn hồi. Tất cả các trạng thái mất ổn định khí đàn hồi đều tạo nên lực khí động
tác dụng lên kết cấu như là nguyên nhân gây dao động của kết cấu. Những lực như
vậy được gọi là các lực tự kích.
f. Hiện tượng Buffeting (dao động rung lắc)
Dịng khí hỗn loạn véc tơ vận tốc dịng khí thay đổi cả giá trị và hướng tại một
điểm, sẽ phát sinh lực biến đổi tác dụng vào cơng trình mà biên độ của lực này là
hàm của mật độ và cường độ hỗn loạn. Do vậy cơng trình bị dao động cưỡng bức
dọc theo hướng gió dưới tác dụng của lực biến đổi này. Do tính chất hỗn loạn của
gió nên các lực tác động này là lực ngẫu nhiên. Hiện tượng này được gọi là hiện
tượng Buffeting do sự hỗn loạn của dịng khí.
Một hiện tượng khác cũng do lực gió phát sinh từ sự nhiễu loạn của dịng khí
gây ra dao động cưỡng bức của cơng trình, nhưng ngun nhân của nhiễu loạn là do
dịng khí khi vượt qua các vật cản phía trước gió tạo ra sự hỗn loạn khi tới cơng
trình nằm phía sau. Hiện tượng này được gọi là Buffeting do tách dòng.

Đối với các nhiễu loạn của gió thơng thường và các tần số của nhiễu loạn nằm
trong phạm vi ứng dụng xây dựng cơng trình, các số hạng bậc 2 của các thành phần
nhiễu loạn u, v, w là rất nhỏ so với số hạng bậc 2 của vận tốc gió U nên có thể bỏ
qua. Vì vậy, các hệ số khí động CD, CL, CM không phụ thuộc vào tần số của nhiễu
loạn. Như vậy có thể xác định giá trị lực cưỡng bức do hiện tượng Buffeting qua
các giá trị B là kích thước cơ bản của kết cấu, A là diện tích chắn gió của kết cấu
trên một đơn vị chiều dài, r là khoảng cách từ trọng tâm tiết diện đến trục xoay có
hiệu, α0 là góc tác động thực của gió xác định như hình sau:

Hình 2-7. Lực Buffeting trên kết cấu dạng dầm
15


Độ lớn của dao động rung lắc tỉ lệ với bình phương vận tốc rối của gió. Kết
cấu cầu có thể bị sập khi tác dụng của gió vượt quá giới hạn chịu lực của cầu, hoặc
do hiện tượng mỏi. Trong hiện tượng này, lực tác dụng lớn nhất lên cơng trình là
lực tác dụng theo phương ngang vng góc với mặt cầu và nằm trong mặt phẳng
ngang. Lực tác dụng theo phương thẳng đứng và theo phương xoắn vuông góc với
trục cầu khá nhỏ so với lực tác dụng theo phương ngang nên nhiều khi có thể bỏ qua
trong tính tốn. Lực tác dụng lên kết cấu gây bởi hiện tượng dao động rung-lắc
được tính như sau: Tổng tác dụng = Tác dụng tĩnh+ Tác dụng động
Trong thiết kế, người ta cần phải tính tốn sao cho tổng tác dụng lớn nhất gây
bởi tác dụng tĩnh và tác dụng động không vượt qua giá trị thiết kế cho phép của kết
cấu.

Hình 2-8: Biến thiên vận tốc gió kéo theo sự biến thiên lực tác dụng lên kết cấu
g. Hiện tượng Vortex-Shedding (dao động xốy khí)
Trong trường hợp hệ số Reynold nằm trong khoảng tạo xốy khí thì dịng khí
qua cơng trình tạo thành các xốy khí khơng đối xứng, làm xuất hiện áp lực dương,
âm thay đổi nhau ở hai bên bề mặt của kết cấu. Hợp lực của chúng biểu hiện là lực

khí động (lực kích thích xốy khí) theo chiều ngang hướng gió tác dụng lên kết cấu,
gây ra dao động ngang kết cấu gọi là dao động xốy khí.
Tần số xốy khí xác định dựa trên cơng thức tính số Strouhal:
fv 

StU
D

(2.5)

16


Hình 2-9. Ảnh hưởng của hình dạng mặt cắt tới việc hình thành xốy khí
Vận tốc tới hạn gây cộng hưởng do lan tỏa xốy khí xác định theo :
U cr 

fv D
St

(2.5)

Trong đó: Ucr , fv lần lượt là các vận tốc cực hạn gây cộng hưởng và tần số dao
động riêng đầu tiên của cầu.
Lực kích thích xốy khí có tần số là tần số xốy khí. Khi tần số này bằng với
tần số dao động riêng của kết cấu thì thì xảy ra hiện tượng cộng hưởng gọi là cộng
hưởng xốy khí (Votex-Shelding). Khi khối lượng và sức cản của kết cấu đều nhỏ
thì biên độ cộng hưởng có thể rất lớn.
a)

a) Trước khi cộng hưởng;

b)

b) Khi cộng hưởng

Hình 2.10. Dao động của kết cấu do tác động của xốy khí
Thực nghiệm thấy rằng, khi xảy ra hiện tượng cộng hưởng xốy khí tốc độ gió
lúc này là tốc độ gió tới hạn, tần số của dây văng phản tác dụng lại tần số của xốy
khí. Trong phạm vi tốc độ gió nhất định gần với tốc độ gió tới hạn, tần số của xốy
khí bị tần số của dây văng khóa lại “Lock-in” làm cho phạm vi của tốc độ gió tới
hạn gây cộng hưởng xốy khí rộng thêm. Hiện tượng này cịn gọi là hiện tượng
“khố” tần số. Sự khóa tần số này làm tăng thêm tính tương quan của lực xốy 3
chiều của kết cấu, sinh ra sức cản khí động làm giảm sức cản vốn có của kết cấu.
Do kết cấu có lực cản nên dao động là tắt dần.

17


Hiện tượng Vortex-Shedding thường xảy ra với vận tốc gió thấp, hiện tượng
cộng hưởng lại xảy ra với một dải vận tốc xung quanh vận tốc cực hạn. Tác động
động lực của hiện tượng này thường không gây phá hoại kết cấu nhưng gây mỏi,
mất an toàn cho xe chạy và đặc biệt là gây hiệu ứng tâm lý đối với hành khách do
dao động mạnh mẽ của kết cấu ở miền cộng hưởng. Thông thường loại dao động
này của dây văng thường xảy ra ở vận tốc gió thấp ( <1m/s) và có thể loại bỏ ảnh
hưởng của hiện tượng này bằng cách tăng độ giảm chấn của kết cấu.

Tần số dao động
riêng của kết cấu

Tần số

Vùng
khóa
Tần số tách xốy

Vận tốc gió

Hình 2-11. Vùng “Khố” tần số
h. Hiện tượng Galloping (dao động tiến triển nhanh)
-

Hiện tượng Galloping theo hướng ngang gió

Hiện tượng Galloping là hiện tượng mất ổn định của các kết cấu mảnh có hình
dạng mặt cắt đặc biệt như hình chữ nhật, hình chữ “D”. Trong một số điều kiện nhất
định, các kết cấu này có thể dao động với biên độ lớn theo phương vng góc với
hướng gió tới. Dao động của kết cấu ở hiện tượng Galloping xảy ra ở tần số thấp
hơn nhiều so với tần số dao động ở hiện tượng Vortex-Shedding.
Trong hiện tượng Galloping, quan hệ giữa góc tới của gió với mặt cắt ngang
kết cấu phụ thuộc trực tiếp vào vận tốc của kết cấu theo phương vng góc hướng
gió. Kinh nghiệm cho thấy, hệ số khí động theo phương dọc và ngang hướng gió
xác định từ điều kiện tĩnh là hàm của góc tới là đủ để xây dựng phương pháp phân
tích hiện tượng Galloping. Do đó, hiện tượng Galloping xảy ra ngay cả với lực kích
động tĩnh.
-

Hiện tượng Galloping do tách dòng
18