Làm thế nào để tăng cường khả năng chịu gió của các tháp truyền tải điện?

Cơ chế tải gió tác động lên các trụ truyền tải

Các cơ chế tải gió gây ra các ứng suất quan trọng trên các trụ truyền tải điện, đòi hỏi sự hiểu biết chính xác để thiết kế khả năng chống gió hiệu quả. Các tương tác khí động học tạo ra các mô hình lực phức tạp—đặc biệt ở các cấu trúc giàn hở—trong đó dòng chảy rối, tách dòng xoáy và khuếch đại động học hội tụ, đe dọa độ bền kết cấu trong các sự kiện gió mạnh.

Sự tách dòng chảy rối và chênh lệch áp suất xung quanh bề mặt trụ giàn

Khi gió di chuyển qua các tháp giàn, nó tạo ra các vùng nhiễu loạn và sự phân bố áp lực không đều trên bề mặt. Những chênh lệch áp lực này dẫn đến các lực cản đáng kể, gây thêm tải trọng lên các mối nối kết cấu và các bộ phận mỏng của khung, đặc biệt rõ rệt khi dòng khí bị giữ lại bên trong cấu trúc nội tại của tháp. Trong những đợt gió mạnh, chênh lệch áp lực giữa hai mặt đối diện của tháp thường vượt quá 30%, làm tăng tốc độ hao mòn tại các điểm nối quan trọng này. Các nghiên cứu thực hiện trong buồng khí động học đã xác nhận điều này, cho thấy những mất cân bằng áp lực như vậy thực tế là một trong những nguyên nhân chính gây ra các chu kỳ ứng suất lặp đi lặp lại trong các kết cấu truyền tải dạng giàn, theo kết quả được công bố trên Tạp chí Kỹ thuật Gió (Journal of Wind Engineering) năm 2017. Để khắc phục vấn đề này, các kỹ sư bắt đầu bằng việc điều chỉnh khoảng cách giữa các thanh ngang. Thay đổi thiết kế này giúp phá vỡ các mẫu dòng khí có tổ chức và giảm chênh lệch áp lực trước khi chúng lan rộng khắp toàn bộ khung tháp.

Hiệu ứng tách xoáy, che khuất khí động học và khuếch đại động

Khi gió chảy qua các bộ phận của tháp, hiện tượng gọi là 'tách xoáy' (vortex shedding) sẽ xuất hiện, dẫn đến các lực nâng và lực cản dao động qua lại tác động lên kết cấu. Đôi khi những lực này trùng khớp với tần số dao động tự nhiên của kết cấu, gây ra các vấn đề. Các vật thể ở phía thượng lưu — chẳng hạn như các tháp khác ở gần hoặc thậm chí các đặc điểm địa hình — tạo ra những vùng mà kỹ sư gọi là 'bóng khí động học'. Những vùng bóng này làm biến đổi các mô hình gió thông thường và thực tế còn làm trầm trọng thêm độ nhiễu loạn tại một số vị trí nhất định. Sự kết hợp của tất cả các yếu tố trên có thể làm gia tăng đáng kể phản ứng của kết cấu. Các thử nghiệm thực địa đã chỉ ra rằng, khi hiện tượng này xảy ra, ứng suất trong vật liệu có thể tăng khoảng 40%, theo các nghiên cứu được trích dẫn trong Tài liệu Hướng dẫn ASCE 74 năm 2010. Gió thổi xiên góc còn làm cho các hiệu ứng bóng này trở nên rõ rệt hơn nữa. Vì vậy, các kỹ sư cần lắp đặt các hệ thống giảm chấn như các gân xoắn ốc (helical strakes) quấn quanh cột hoặc các bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh (tuned mass dampers) thường thấy trên các tòa nhà cao tầng. Những thiết bị này giúp phá vỡ các mô hình xoáy trước khi chúng phát triển mất kiểm soát và gây hư hại thông qua hiệu ứng dây chuyền này.

Các chế độ hỏng nghiêm trọng và các điểm yếu cấu trúc trong các sự kiện gió mạnh

Mất ổn định liên kết và mất ổn định thanh: Bài học từ cơn bão Mangkhut (2018)

Những cơn gió mạnh 200 km/giờ từ cơn bão Mangkhut đã phơi bày những điểm yếu nghiêm trọng trong cách các tháp giàn được nối với nhau, gây ra một chuỗi phản ứng sụp đổ lan rộng khắp lưới điện tỉnh Quảng Đông. Lực gió tác động lệch tâm lên các mối nối bulông dẫn đến hiện tượng cong vênh dần ở các thành phần kết cấu nghiêng, đặc biệt rõ rệt tại các vị trí nối cánh ngang, nơi cả ứng suất uốn lẫn lực nén đều vượt quá khả năng chịu tải của mối nối. Khi xem xét hậu quả để lại, khoảng ba phần tư tổng số sự cố tháp trong đợt bão Mangkhut là do các vấn đề liên quan đến mối nối này, gây thiệt hại vượt quá 1,2 tỷ đô la Mỹ, theo nghiên cứu do Chen và các đồng nghiệp công bố năm 2022. Điều làm cho tình huống này khác biệt so với sự cố đơn thuần của từng bộ phận là các vấn đề về mối nối lan truyền nhanh chóng xuyên suốt toàn bộ kết cấu giàn. Chính vì vậy, các tiêu chuẩn kỹ thuật mới hơn của ngành, chẳng hạn như IEC 61400-24 (2019), hiện yêu cầu bắt buộc các kỹ sư phải thực hiện phân tích động phi tuyến khi thiết kế các mối nối dành cho những khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng bởi bão.

Suy giảm do mỏi so với sụp đổ tĩnh: Vì sao việc đánh giá tháp hiện đại phải tiến hóa

Hầu hết các phương pháp truyền thống tập trung vào giới hạn sụp đổ tĩnh, trong khi bỏ qua tổn thương mỏi dần dần do tác động lặp lại của gió. Theo các nghiên cứu gần đây, khoảng 60 phần trăm sự cố liên quan đến gió thực tế bắt nguồn từ những vết nứt vi mô lan rộng tại các vị trí tập trung ứng suất, chứ không phải từ các sự kiện quá tải đột ngột như được nêu trong Báo cáo Đảm bảo Độ bền Thường niên năm 2023 của EPRI. Vấn đề trở nên nghiêm trọng hơn dọc theo các khu vực ven biển vì ăn mòn do nước biển tương tác cộng hưởng với các chu kỳ ứng suất liên tục, làm giảm gần một nửa tuổi thọ chịu lực của vật liệu. Nhờ nhận thức này, nhiều công ty tiện ích hàng đầu đã bắt đầu áp dụng các phương pháp đánh giá dung nạp hư hỏng thay vì chỉ kiểm tra độ bền. Họ đang thay thế các kỹ thuật kiểm tra cũ bằng kỹ thuật siêu âm mảng pha tiên tiến nhằm phát hiện các khuyết tật ẩn dưới bề mặt trước khi những vết nứt đó phát triển đến mức không thể bỏ qua.

Các Chiến Lược Thiết Kế Đã Được Chứng Minh nhằm Cải Thiện Khả Năng Chống Gió của Tháp

Các Cải Tiến Khí Động Học: Tối Ưu Hóa Hình Dáng Cánh Ngang và Các Kỹ Thuật Giảm Diện Tích

Khi các kỹ sư điều chỉnh hình dạng của các thanh ngang, họ có thể giảm diện tích bề mặt phía trước tiếp xúc với luồng gió và ngăn chặn sự hình thành những xoáy gió gây phiền toái. Các số liệu nghiên cứu cũng khẳng định điều này: theo báo cáo của Phòng Thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL) năm 2023, các thiết kế hình elip thực tế giúp giảm khoảng 15–20% độ rung do luồng khí xoáy gây ra, so với các thiết kế truyền thống dạng khối vuông. Một thủ thuật khác là thu nhỏ tổng diện tích bề mặt tiếp xúc với gió. Điều này bao gồm việc loại bỏ một số thành phần kết cấu ở những vị trí có thể và khoan lỗ trên các bộ phận không cần chịu tải trọng. Những thay đổi này giúp giảm lực cản khoảng 10–14% trong khi vẫn đảm bảo toàn bộ cấu trúc giữ nguyên độ bền và độ ổn định như ban đầu. Các mô hình máy tính gọi là mô phỏng CFD (Động lực học chất lỏng tính toán) được sử dụng để kiểm tra toàn bộ các cải tiến này hoạt động hiệu quả ngay cả khi gió thổi tới từ nhiều góc khác nhau — từ 0 độ (thẳng hướng về phía trước) đến 180 độ (thẳng hướng ngược lại). Đối với những trụ tháp đặc biệt cao trên 50 mét tại các khu vực thường xuyên chịu ảnh hưởng của bão, việc đảm bảo tỷ lệ diện tích vật liệu đặc (solid area ratio) luôn dưới 0,3 bằng cách bố trí các thành phần kết cấu xa nhau hơn sẽ mang lại sự khác biệt rõ rệt. Giải pháp này giúp giảm đáng kể hiện tượng rung lắc không mong muốn, đặc biệt trong điều kiện thời tiết hỗn loạn khi gió thổi từ nhiều hướng cùng lúc.

Tăng Cường Kết Cấu: Nâng Cấp Hệ Giằng, Tăng Độ Cứng Các Mối Nối và Tích Hợp Hệ Giảm Chấn

Khi gia cường các kết cấu nhằm ngăn ngừa hư hỏng, các kỹ sư tập trung vào những khu vực gặp sự cố bằng cách sử dụng các hệ thống giằng chéo dạng tam giác giúp phân tán lực gió tác động từ hai bên. Việc nâng cấp các thanh giằng chéo có thể tăng độ cứng ngang lên khoảng 25% đến thậm chí 30%. Cấu hình giằng dạng K đặc biệt hiệu quả trong việc ngăn chặn hiện tượng mất ổn định do uốn dọc (buckling) của các thanh chịu nén khi đối mặt với những cơn gió mạnh đột ngột, theo các tiêu chuẩn như IEC 61400-24:2019. Việc gia cứng các mối nối bao gồm các biện pháp như thêm bản mã (gusset plates), siết chặt các bulông cường độ cao trước khi lắp đặt và gia dày các bản đế. Cách tiếp cận này giúp giảm thiểu các vấn đề xoay và làm giảm khoảng 40% khả năng xuất hiện vết nứt do mỏi. Để tăng cường bảo vệ bổ sung chống lại rung động do gió gây ra, các phương pháp giảm chấn phụ trợ được áp dụng. Các phương pháp này bao gồm bộ giảm chấn khối lượng điều chỉnh (tuned mass dampers) hoặc các thiết bị chứa chất lỏng nhớt, có khả năng hấp thụ khoảng 15–25% năng lượng động học trong suốt các dao động gây ra bởi gió. Nhờ sự kết hợp của tất cả các giải pháp nêu trên, ngưỡng tốc độ gió dẫn đến nguy cơ sụp đổ của kết cấu được đẩy lên vượt quá 55 mét mỗi giây. Các thử nghiệm thực tế quy mô đầy đủ đã xác nhận hiệu quả của các giải pháp này trong điều kiện mô phỏng bão, qua đó mang lại sự tin cậy cho các kỹ sư đối với thiết kế của họ.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng tách xoáy là gì?

Hiện tượng tách xoáy xảy ra khi gió đi qua một cấu trúc, tạo ra các vùng áp suất thấp luân phiên, gây ra chuyển động qua lại, dẫn đến các lực nâng và lực cản tác động lên cấu trúc.

Hiện tượng che khuất khí động học có thể ảnh hưởng như thế nào đến cột truyền tải?

Hiện tượng che khuất khí động học làm gián đoạn các mô hình gió bình thường, làm gia tăng độ nhiễu loạn và tăng ứng suất lên cấu trúc cột, đặc biệt ở những khu vực phía sau các chướng ngại vật như các cột khác hoặc các đặc điểm địa hình.

Những chiến lược thiết kế nào có thể cải thiện khả năng chịu gió cho cột truyền tải?

Các chiến lược thiết kế bao gồm tối ưu hóa hình học thanh ngang, các kỹ thuật giảm diện tích, bổ sung gia cường thanh giằng, gia cố độ cứng tại các mối nối và tích hợp hệ thống giảm chấn nhằm phân tán lực gió và ngăn ngừa các điểm yếu về cấu trúc.