Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng công trình giao thông phân tích dao động cầu t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ---------------------- PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ---------------------- PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS. Nguyễn Ngọc Long PGS. Bùi Tiến Thành Hà Nội - 2023 i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. iv LỜI CẢM ƠN .v DANH MỤC BẢNG BIỂU.

vi DANH MỤC HÌNH ẢNH. vii MỞ ĐẦU .1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG DÂN SINH VÀ CÁC TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG. Tổng quan về cầu treo dây võng dân sinh và các nghiên cứu về cầu treo dây võng dân sinh. Tổng quan về các tải trọng trên cầu treo dây võng dân sinh.

Một số tải trọng tác dụng lên cầu treo dây võng dân sinh. Kết luận chương 1 .27 CHƯƠNG 2: Dao động trên cầu treo dây võng dân sinh và các biện pháp tăng cường kết cấu để kiểm soát dao động. Cơ sở lý thuyết về dao động kết cấu. Bài toán giá trị riêng cho kết cấu dao động không tắt.

Dao động tắt dần tỷ lệ. Dao động giảm nhớt tổng quát. Các tham số đặc trưng dao động [36]. Tổng quan về dao động trên cầu treo dây võng dân sinh.

Lý thuyết tính toán dao động cầu treo dây võng. Yêu cầu giảm dao động trên cầu treo dây võng dân sinh. Giới thiệu một số biện pháp tăng cường kết cấu. Tổng quan một số biện pháp.

Sử dụng các thiết bị giảm chấn. Tăng cường độ cứng. Kết luận chương 2 .66 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG, CẬP NHẬT MÔ HÌNH CHO CẦU TREO DÂY VÕNG DÂN SINH NA XÁ. Giới thiệu về cầu treo Na Xá.

Phương án kỹ thuật. Mô hình số và thí nghiệm đo đạc cầu trước khi tăng cường. Mô hình phần tử hữu hạn. Thí nghiệm đo đạc đặc trưng dao động cầu treo Na Xá trước tăng cường.

Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search - CS. Khoảng cách bước nhảy (step size). Tính toán Levy Flight. Chọn tổ để chim cúc cu thả trứng.

Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search kết hợp tối ưu hoá đường chéo trực giao. Đường chéo trực giao. Thuật toán CS kết hợp đường chéo trực giao - ODCS. Cập nhật mô hình cho kết cấu.

Kết luận chương 3 .90 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG CHO KẾT CẤU SAU KHI CẬP NHẬT. Đề xuất giải pháp tăng cường cầu treo Na Xá. Nhận xét và lựa chọn phương án thực hiện. Mô hình số và thí nghiệm đo dao động cầu treo Na Xá sau khi tăng cường.

Mô hình số sau khi tăng cường. Thí nghiệm đo dao động cầu treo Na Xá sau khi tăng cường. So sánh giữa mô hình PTHH và kết quả đo dao động cầu treo Na Xá sau khi tăng cường. So sánh giữa kết quả đo trước và sau khi tăng cường.

Kết luận chương 4 .116 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH .119 TÀI LIỆU THAM KHẢO .125 iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Hà Nội, ngày….năm 2023 Tác giả luận án Phạm Quang Huy v LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nỗ lực nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân, nghiên cứu sinh đã hoàn thành luận án “Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động”. Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Ngọc Long và PGS. Bùi Tiến Thành.

Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến các thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong quá trình học tập, nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn đến quý giáo sư, nhà khoa học, thầy cô giáo và đồng nghiệp đã đóng góp các ý kiến quý báu trong thời gian học tập và hoành thành luận án. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Trung tâm khoa học Công nghệ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin dành lời cảm ơn gửi đến Công ty TNHH Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải đã hỗ trợ nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện các thí nghiệm.

Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các thành viên gia đình đã luôn thông cảm, đồng hành và chia sẻ những khó khăn trong suốt chặng đường học tập và hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội - 2023 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Phân loại cầu treo .9 Bảng 1-2: Một số cây cầu treo dây võng dân sinh .9 Bảng 1-3: Khoảng tần số của người đi bộ và chạy bộ (Setra-2006) .21 Bảng 1-4: Phân loại ảnh hưởng của các hiện tượng khí động tới kết cấu .27 Bảng 2-1: Giá t hệ số 𝐶1 và 𝛾1 theo 𝛽 .46 Bảng 2-2: Một số biện pháp giảm dao động .50 Bảng 2-3: Các biện pháp giảm dao động cho kết cấu .52 Bảng 2-4: Mô-đun đàn hồi của một số loại vật liệu dùng cho kết cấu cầu .61 Bảng 3-1: Đặc trưng vật liệu của các bộ phận kết cấu mô hình PTHH .71 Bảng 3-2: Đặc trưng động của 04 hình thái dao động đầu tiên của mô hình PTHH .72 Bảng 3-3: Phương đo dao động của các kênh đo tương ứng.75 Bảng 3-4: So sánh đặc trưng động giữa mô hình PTHH và kết quả đo .78 Bảng 3-5: Các đặc tính vật liệu được chọn làm tham số cập nhật .87 Bảng 3-6: Bảng thông số của các thuật toán được sử dụng .88 Bảng 3-7: Thông số chung .88 Bảng 3-8: Kết quả so sánh giữa tần số đo được và kết quả cập nhật .89 Bảng 3-9: Kết quả độ cứng của kết cấu sau khi cập nhật .89 Bảng 4-1: 5 hình thái dao động riêng của cầu Na Xá với trường hợp 2 khoang giàn .94 Bảng 4-2: 5 hình thái dao động riêng của cầu Na Xá với trường hợp 10 khoang giàn .96 Bảng 4-3: Đặc trưng động của 5 hình thái dao động đầu tiên .101 Bảng 4-4: Bảng so sánh tần số các phương án với mô hình cầu Na Xá chưa tăng cường .103 Bảng 4-5: So sánh đặc trưng động giữa mô hình PTHH và kết quả đo .115 Bảng 4-6: So sánh giữa kết quả đo trước và sau khi tăng cường .115 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Sơ đồ kết cấu cầu treo dây võng dân sinh .7 Hình 1-2: Mô hình tác động của hoạt tải trên dầm có xét đến khối lượng của tải trọng di chuyển trên dầm.15 Hình 1-3: Sự thay đổi của lực theo thời gian đối với các loại bước khác nhau .18 Hình 1-4: Mô tả quá trình đi bộ theo phương dọc cầu .18 Hình 1-5: Phản lực mặt đất theo phương ngang và phương thẳng đứng trong ba bước liên tiếp .19 Hình 1-6: Mô hình lực thẳng đứng khi chạy và đi bộ .20 Hình 1-7: Phân bố tần số khi người đi bộ bình thường .22 Hình 1-8: Cầu Brighton Chain Pier sau khi bị bão phá hủy vào năm 1836 .24 Hình 1-9: Quan hệ vận tốc gió theo thời gian .25 Hình 2-1: Hệ 1 bậc tự do .28 Hình 2-2: So sánh biểu đồ dao động trong các trường hợp không có cản, cản ít, cản tới hạn và cản quá mức .29 Hình 2-3: Mô hình hệ cáp – dầm .35 Hình 2-4:Mô hình hệ cáp – dầm .40 Hình 2-5: Mô tả các mô hình tính toán sự làm việc chung của kết cấu và các loại giảm chấn khác nhau (giảm chấn kiểu bị động, kiểu bán chủ động, kiểu chủ động) .54 Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý các hệ thống giảm chấn.54 Hình 2-7: Bộ giảm chấn roto kép .56 Hình 2-8: TRD được lắp đặt trên kết cấu có 1 bậc tự do .56 Hình 2-9: Kết quả thí nghiệm khi có bật và tắt hệ thống TRD .58 Hình 2-10: Kết quả thí nghiệm khi có bật và tắt hệ thống TRD (c=5,6%).58 Hình 2-11: Cầu treo được tăng cường bằng dây võng ngược căng trước .58 Hình 2-12: a) Sơ đồ biến dạng của cầu treo dầm cứng khi tải trên ½ nhịp; b) cầu treo có dây cáp chủ neo chặt vào giữa nhịp dầm cứng .59 Hình 2-14: Cầu treo kiểu Sapluyn .59 viii Hình 2-15: Cầu treo có dây đeo hình tam giác .60 Hình 2-16: Định vị thiết bị bên ngoài .62 Hình 2-17: a) Vị trí bộ giảm chấn; b) Phác thảo bộ thiết bị .62 Hình 2-18: a) Đính kèm cáp; b) Đính kèm tháp .62 Hình 2-19: Phản ứng của kết cấu tại vị trí ¼ nhịp của hệ thống không có kẹp cáp (Màu xanh: không có giảm chấn; màu đỏ: có giảm chấn) [53] .63 Hình 2-20: Sơ đồ bố trí các thanh chéo thuận (a) và thanh chéo nghịch (b) .63 Hình 2-21: Bố trí chung cầu đi bộ Seriate .64 Hình 2-22: Mô hình 3D cầu đi bộ Seriate với đường màu đỏ là thanh chéo bổ sung (Bố trí thanh chéo dạng thuận) .64 Hình 2-23: Hiện trạng đầu tăng đơ giằng gió tại chân tháp cầu .65 Hình 2-24: Hiện trạng cáp giằng gió cầu Sông Giăng .65 Hình 2-25: Ví dụ thiết kế aerodynamic .66 Hình 3-1: Cầu treo Na Xá .67 Hình 3-2: Bố trí chung cầu Na Xá .68 Hình 3-3: Mặt cắt ngang cầu trước khi tăng cường.68 Hình 3-4: Phần tử BEAM188 trong ANSYS .69 Hình 3-5: Phần tử LINK180 trong ANSYS .70 Hình 3-6: Phần tử SHELL181 trong ANSYS .70 Hình 3-7: Mô hình PTHH.71 Hình 3-8: Bản mặt cầu mô hình bằng PTHH (trái) và bản mặt cầu trên thực tế (phải) 72 Hình 3-9: Đầu đo gia tốc PCB-393B12 .73 Hình 3-10: Bộ thu thập dữ liệu CompactDAQ (trái) và mô-đun đầu vào dữ liệu NI-9234 (phải) .73 Hình 3-11: Sơ đồ tải trọng dân sinh .74 Hình 3-12: Các sơ đồ bố trí điểm đo .