Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng nước mưa lên cáp dưới tác dụng của gió

Dao động của cáp chịu hiệu ứng gió mưa kết hợp được Hikami và Shiraishi phát hiện đầu tiên khi nghiên cứu cầu Meikonishi (Nhật Bản). Hai ông phát hiện ra rằng cáp văng của cầu đang ở trạng thái ổn định trong điều kiện bình thường trở nên rất mất ổn định khi xuất hiện cả gió và mưa. Kết quả nghiên cứu cho thấy, hai lần biên độ dao động lớn nhất của hiện tượng này lên đến 55cm, tương ứng với tốc độ gió là 14 m/s. Nghiên cứu của hai ông cũng cho thấy rằng hiện tượng này không thể giải thích bằng hiện tượng dao động do hiêu ứng Vortex hay Galloping mà đây là một hiện tượng mới hoàn toàn. Tần số của dao động này thấp hơn tần số nguy hiểm của hiện tượng Vortex. Còn nếu là hiện tượng Galloping thì khoảng cách giữa các cáp lại quá xa để có thể ảnh hưởng đến nhau. Do đó, hai ông cho rằng đây là một hiện tượng dao động mới của cáp mà nguyên nhân là do sự tác động kết hợp của gió và mưa.

Hikami và Shiraishi cho rằng, có 2 nguyên nhân của dao động này là: do sự hình thành dòng chảy phía trên làm thay đổi hướng gió và sự mất ổn định Den Hartog và 2 lực khí động do chuyển động xoắn. Tuy nhiên, đến năm 1990, Yamaguchi  trong nghiên cứu của mình chỉ ra rằng cơ chế Den Hartog không giải thích được hiện tượng này. Đến năm 1992, Matsutomo đã tiến hành thí nghiệm hầm gió và phát hiện ra dao động đó phụ thuộc hai vấn đề: đặc điểm của dòng chảy trên cáp và vị trí cáp. Năm 1996, Bosdogianni và Oliver đã tiến hành song song 2 thí nghiệm hầm gió nghiên cứu cùng loại cáp nhưng khác nhau về dòng chảy phía trên và đưa ra kết luận: vị trí dòng nước xác định chứ không phải hình dạng dòng chảy gây ra mất ổn định của cáp. Tuy nhiên, Ruschewegh (1999) lại cho rằng, dạng chảy của dòng nước mới là nguyên nhân lớn nhất và cho rằng nếu ngăn chặn sự hình thành dòng nước trên cáp sẽ ngăn cản được dạng dao động này.

Cho đến nay, cơ chế của hiện tượng dao động của cáp do hiệu ứng gió mưa kết hợp vẫn chưa được hiểu biết một cách đầy đủ mà chỉ mới dừng lại ở việc áp dụng các biện pháp nhằm hạn chế dao động này thông qua việc lắp đặt các damper, thay đổi bề mặt cáp hoặc liên kết các cáp vào với nhau (Crossties). Trong nghiên cứu này tác giả sẽ giới thiệu và phát triển mô hình giải tích dao động của cáp chịu tác động của áp gió không đổi trên suốt chiều dài đồng thời chịu tác động của dòng nước chảy dọc phía mặt trên của cáp, tham số vị trí dòng nước chảy cũng được đưa vào mô hình tính toán. Tiến hành một số khảo sát biên độ dao động của cáp theo dải vận tốc gió, tần số dao động riêng của cáp, vị trí dòng nước chảy trên cáp và theo góc gió tấn công nhằm xác định các điều kiện bất lợi.

Chi tiết tham khảo Tạp chí GTVT số tháng 11/2013