Dự đoán lực căng còn lại của dầm cầu Khe Bó tại Km 37+819.79, trên tuyến La Sơn – Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế bằng đo đạc tần số dao động và mô hình số

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ ĐẮC LỘC DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MÔ HÌ

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ ĐẮC LỘC

DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ

DAO ĐỘNG VÀ MÔ HÌNH SỐ

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS CAO VĂN LÂM

Phản biện 1:

TS Võ Duy Hùng

Phản biện 2:

TS Trần Đình Quảng

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông họp tại

Đại học Bách khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

- Thư viện Khoa Xây dựng cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

Trang 3

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hình 1: Tính cấp thiết của đề tài

Mặt dù nền kinh tế đang trên đà phát triển, tuy nhiên việc đầu tư xây dựng mới các công trình cầu nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại đang rất hạn chế, một phần do nguồn ngân sách còn thiếu Vì vậy, công tác khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật của các công trình cầu là hết sức cần thiết, phù hợp với xu hướng phát triển và ngân sách hiện nay

Số lượng cầu BTCT DƯL ở nước ta hiện nay chiếm tỉ lệ khá lớn Để giải quyết được bài toán khôi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật

và nâng cao khả năng phục vụ đối với kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực thì việc xác định lực căng còn lại trong dầm cầu sau nhiều năm khai thác sử dụng là hết sức cần thiết

Do đó, tác giả đã chọn đề tài: “Dự đoán lực căng còn lại của

dầm cầu Khe Bó tại Km 37+819.79, trên tuyến La Sơn – Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế bằng đo đạc tần số dao động và mô hình số”

2 Đối tượng nghiên cứu

- Cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế

- Công nghệ căng cáp DUL ngoài

3 Mục tiêu nghiên cứu

- Xác định tần số dao động của cầu bằng mô hình số

- Thực nghiệm đo đạc được tần số dao động của cầu

- Dự đoán lực căng còn lại của cầu thông qua thực nghiệm và

mô hình hóa

Trang 4

4 Phương pháp nghiên cứu

- Kết hợp giữa đo đạc thực nghiệm và phân tích phần tử hữu hạn

5 Kết cấu của luận văn

Chương 1: Tổng quan về công tác đánh giá năng lực chịu tải của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

Chương 2: Khảo sát ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động của cầu bằng phần mềm Abaqus

Chương 3: Dự đoán lực căng còn lại của cầu thông qua thực nghiệm

Kết luận và kiến nghị

Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 1.1 Tổng quan về cầu Khe Bó tại Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế

Trang 5

Hình 1.2 Hiện trạng cầu Khe Bó – Km 37+819,79

1.1.2.3 Hiện trạng cầu Khe Bó - Km 37+819.79

1.2 Tổng quan về các biện pháp đánh giá năng lực chịu tải của cầu

1.2.1 Các phương pháp đánh giá cầu

1.2.2 Đánh giá cầu theo hệ số sức kháng và hệ số tải trọng

1.2.2.1 Đánh giá tải trọng thiết kế

1.2.3.2 Công thức đánh giá tải trọng

1.2.3.3 Tính toán khả năng chịu tải C

1.3 Tổng quan về các phương pháp dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

1.3.1 Dao động uốn của dầm BTCT UST nhịp giản đơn dưới tác dụng của hoạt tải

Trang 6

1.3.2 Xác định lực căng cáp trên cơ sở đo tần số dao động riêng

1.4 Những khó khăn trong quá trình dự đoán lực căng còn lại của kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

- Theo tính toán lý thuyết và mô hình số là giá trị lý tưởng Trong khi không thể đo trực tiếp dao động của cáp mà thông qua dao động của dầm, xem dầm và cáp là liên kết tuyệt đối Tuy nhiên, thực tế có nhiều

hệ số ảnh hưởng đển liên kết này Do vậy cần xác định các hệ số tính toán như các hệ số về mất mát ứng suất (do trượt neo, do nén đàn hồi,

do tự chùng…) và hệ số  sao cho phù hợp với thực tế nhất;

- Do quá trình thi công, việc lắp đặt các ống dẫn, các bó cốt thép dự ứng lực, quá trình căng kéo không chính xác theo thiết kế Dẫn đến giữa thực tế và lý thuyết khác nhau;

- Khó xác định chính xác các thông số đặc trưng của vật liệu (E,I);

- Theo thời gian sử dụng, hiện cầu đã xuống cấp Các đầu neo, ống dẫn, cáp DƯL, bê tông, cốt thép không được như ban đầu;

- Ảnh hưởng của các yếu tố khác chưa lường trước được đến giá trị lực căng còn lại của dầm (Điều kiện môi trường, quá trình thi công, sửa chữa,…);

- Xác định và kiểm soát ứng suất và chuyển vị của dầm trong quá trình đo đạc chất tải để dầm không bị phá hoại

- Qua việc phân tích và đánh giá trên: cho thấy vấn đề nghiên cứu dự đoán lực căng còn lại của dầm sau nhiều năm khai thác là hết sức cần thiết

Trang 7

2.2 Mô hình hóa cầu trên phần mềm ABAQUS

2.2.1 Mô hình bằng phần mềm Abaqus

2.2.1.1 Dữ liệu đầu vào

a Kích thước cấu kiện

Quá trình mô hình trải qua 9 bước sau:

B1: Xây dựng cấu kiện

B2: Định nghĩa vật liệu và thuộc tính mặt cắt

B3: Định nghĩa lắp ghép cấu kiện

B4: Chia cấu kiện

B5: Thiết lập bước phân tích

Trang 8

Hình 2.35: Tổ hợp tần số dao động của các Mode

Hình 2.36: Dao động mode 1

Hình 2.41: Phổ tần số dao động V=20Km/h – Dầm giữa (L/2)

Trang 9

Hình 2.42: Phổ tần số dao động V=20Km/h – Dầm biên (L/2)

Trang 10

Hình 2.45: Phổ tần số dao động V=40Km/h – Dầm giữa(L/2)

Trang 11

Hình 2.48: Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm biên (L/2) Bảng 2.2 : Bảng tổng hợp kết quả phân tích tần số dao động ở Mode 1

bằng phần mềm Abaqus

Vận tốc

Tần số dao động (Hz)

Chuyển vị (mm)

Tần số dao động (Hz)

Chuyển vị (mm)

V=20km/h 4,58189 1,07929 4,58189 0,910774 V=30km/h 4,58189 1,07863 4,58189 0,909939 V=40km/h 4,58189 1,07863 4,58189 0,909939 V=50km/h 4,58189 1,07863 4,58189 0,909939

Nhận xét: Tần số dao động Mode 1 với vận tốc thay đổi V=20,30,40,50 Km/h là như nhau f=4,58189 Hz, chuyển vị tương ứng khi V>20Km/h là không đổi Kết quả phân tích bằng phần mềm Abaqus phản ánh đúng điều kiện làm việc của kết cấu nhịp

2.3 Xác định sơ bộ lực căng còn lại trong dầm cầu Khe Bó

2.3.2 Xác định sơ bộ lực căng còn lại

a Các thông số kỹ thuật và số liệu tính toán:

Trang 12

2.4.1 Xác định miền khảo sát ảnh hưởng

Theo kết quả tính toán trên, lực căng còn lại trong dầm là 840KN Tác giả tiến hành khảo sát ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động của cầu với biên độ: 840 ± 10%

Bảng 2.2 Bảng giá trị lực căng khảo sát

tính theo Abaqus (Hz) 3.73 4.17 4.32 4.52 4.61

Trang 13

Hình 2.50: Khảo sát sự thay đổi tần số dao động

2.5 Đánh giá kết quả

Từ kết quả trên, ta thấy:

- Tác giả đã xác định được tần số dao động của dầm cầu dưới tác dụng của xe tải thí nghiệm theo mô hình số, làm cơ sở quan trọng cho việc dự đoán lực căng còn lại của cáp dự ứng lực

- Theo kết quả mô hình số, tần số dao động tỉ lệ thuận với giá trị lực căng

2.6 Kết luận chương

- Chương 2 luận văn đã mô hình hóa kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xe

- Xác định được tần số dao động của dầm cầu dưới tác dụng của

xe tải thí nghiệm theo mô hình số

- Xác định được sơ bộ lực căng còn lại trong dầm cầu thông qua

lý thuyết và đo đạc chuyển vị, từ đó xác định được miền khảo sát ảnh hưởng của lực căng đến tần số dao động

- Khảo sát quan hệ giữa lực căng và tần số, làm cơ sở quan trọng cho việc dự đoán lực căng cho dầm cầu BTCT của cầu Khe Bó Theo kết quả mô hình số, tần số dao động tỉ lệ thuận với giá trị lực căng

Trang 14

CHƯƠNG 3

DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CÒN LẠI CỦA CẦU THÔNG QUA

THỰC NGHIỆM 3.1 Cơ sở lý thuyết để dự đoán lực căng cáp dự ứng lực trong dầm

Phần mềm phân tích tín hiệu dao động cầu tác giả sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán tần số dao động tự do cũng như chuyển vị dao động của kết cấu nhịp dựa vào cơ sở lý thuyết như trên

Hình 3.3 Phần mềm MATLAB

Hình 3.4 Hàm FFT sử dụng để phân tích phổ dao động

Trang 15

Bước 3: Tiến hành đồng nhất tần số dao động giữa kết quả thực

nghiệm và mô hình số thông qua điều chỉnh lực căng trong dầm Kết quả sau khi điều chỉnh chính là lực căng còn lại cần tìm

3.2 Thực nghiệm đo đạc tần số dao động của cầu

3.2.1 Công tác chuẩn bị

3.2.1.1 Các thiết bị phục vụ công tác đo đạc

3.2.1.2 Công tác lắp đặt các thiết bị đo đạc

3.2.2 Tải trọng thử và các sơ đồ xếp tải

a Nguyên tắc xác định tải trọng xe:

Trang 16

3.2.3.2-2 Phổ đo dao động nhịp 2 - Dầm D2 (V=30Km/h)

Hình 3.27 Biểu đồ gia tốc giao

động nhịp 2 – Dầm D2 (V=30Km/h)

Hình 3.28 Phổ tần số và năng lượng nhịp 2 – Dầm D2 (V=30Km/h)

Trang 17

Hình 3.29 Biểu đồ gia tốc giao động

nhịp 2 – Dầm D3 (V=30Km/h)

3.2.3.3 Xe tải trọng thử chạy với tốc độ 40Km/h

Hình 3.31 Biểu đồ gia tốc giao

động nhịp 2 – Dầm D1 (V=40Km/h)

Trang 18

3.2.3.3-3 Phổ đo dao động nhịp 2 - Dầm 3 (V=40Km/h)

3.2.3.4 Xe tải trọng thử chạy với tốc độ 50Km/h

Trang 19

Nhận xét:- Căn cứ kết quả đo dao động kết cấu nhịp thì chu kỳ

dao động riêng của kết cấu đều nằm ngoài vùng nguy hiểm (0.45-0.6) s

Đặc trưng động học của kết cấu cầu là phù hợp

- Các chu kỳ dao động tự do thẳng đứng không nằm trong phạm

vi giới hạn 0,45s-0,6s tại điều 3.A.17 trong Tiêu chuẩn 22TCN243-98 3.3 So sánh tần số dao động thông qua thực nghiệm và mô hình hoá

Bảng 3.3: Bảng tổng hợp kết quả tần số dao động giữa mô hình số và

thực nghiệm

Abaqus (Hz) Thực nghiệm (Hz) Chênh lệch (%)

Trang 20

Nhận xét: Ta thấy giữa thực nghiệm và mô hình số, tần số dao

động chênh lệch không nhiều khoảng 6.63%

3.4 Khảo sát sự thay đổi tần số dao động trong dầm do lực căng

Theo kết quả đo đạc và kết quả dự đoán sơ bộ lực căng còn lại, ta nhận thấy giá trị nằm trong miền khảo sát, tác giả tiến hành khảo sát chi tiết miền ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao động bằng Abaqus theo biên độ (0-10%) như bảng thống kê dưới đây:

Bảng 3.4 Bảng ảnh hưởng của lực căng cáp trong dầm đến tần số dao

động của cầu bằng mô hình số

Trang 21

Hình 3.44 Dao động mode 1 ứng với lực căng Ptk-10%

3.5 Xác định lực căng còn lại của dầm

Lực căng trong 1 bó cáp (KN)

Ptk -10%

Ptk -7%

Ptk -5%

tính theo Abaqus (Hz) 4.283 4.3302 4.4404 4.5205 4.5819 Tần số dao động

tính theo thực nghiệm (Hz) 4.2969 4.2969 4.2969 4.2969 4.2969

Trang 22

Nhận xét:

- Giữa lý thuyết tính theo Công thức mục 1.3.2 so với thực nghiệm có sự chênh lệch tương đối lớn từ 93,35% đến 103,79% Sự sai khác này có thể giải thích như sau: do công thức tính mục 1.3.2 chỉ xét trên bài toán 1 dầm giản đơn, còn bài toán thực nghiệm là hệ gồm các dầm liên kết với nhau Tuy nhiên, qua công thức ở mục 1.3.2 ta thấy được sự ảnh hưởng của lực căng cáp đến tần số dao động riêng

- Giữa mô hình số (Abaqus) so với thực nghiệm có sự chênh lệch

ít từ -0,32% đến 6,63% nhỏ cho thấy sự tương đồng giữa mô hình số và kết quả thực nghiệm

Xác định lực căng còn lại: Để xác định lực căng còn lại, tác

giả tiến hành đồng nhất biểu đồ giữa thực nghiệm và mô hình số Abaqus trên với tần số dao động 4,2969 (Hz) thì ta được lực căng trong

1 bó cáp tương ứng là 828.09 (KN) Tác giả tiến hành điều chỉnh lực căng trong mô hình số Abquas và được kết quả như sau:

Bảng 3.5 Bảng tổng hợp giá trị lực căng điều chỉnh tương ứng với tần

số dao động đo thực tế

Trang 23

Lực căng

trong 1 bó

cáp (KN)

Tần số dao động theo mô

hình số (Hz)

Tần số dao động theo thực nghiệm (hz)

Chênh lệch tần

số dao động (%)

Hệ số triết giảm lực căng (%)

Kết quả phân tích bằng ABAQUS sau khi điều chỉnh lực căng:

Hình 3.47 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm giữa (L/2) ứng với lực

căng Ptk-9%

Trang 24

Hình 3.48 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm biên (L/2) ứng với

Nhận xét: Qua biểu đồ so sánh kết quả dự đoán lực căng còn

lại của dầm cầu Khe Bó, ta thấy phương pháp dự đoán lực căng còn lại

Trang 25

bằng đo tần số dao động – mô hình số và đo chuyển vị - mô hình số cho kết quả tương đối gần nhau có độ chênh lệch khoảng 1,14% Điều này cho thấy sự chính xác của kết quả thực nghiệm cũng như phương pháp luận nghiên cứu Phương pháp dự đoán bằng cách đo dao động và mô hình số cho kết quả lực căng còn lại của các dầm là như nhau do tần số dao động riêng của các dầm cũng chính là tần số dao động riêng của kết cấu nhịp Ưu điểm của phương pháp này là phù hợp với điều kiện làm việc của kết cấu

3.6 Kết luận chương

- Trong chương 3 đã tiến hành khảo sát thu thập số liệu dao động của kết cấu nhịp cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế để phân tích tần số dao động tự do của kết cấu nhịp cầu

- Luận văn đã thực hiện được bài toán thực nghiệm đo đạc tần

số dao động tại hiện trường; cùng với kết quả phân tích trên mô hình là những căn cứ chính để dự báo lực căng còn lại của cáp trong dầm BTCT DUL của cấu Khe Bó

- Dự đoán được giá trị lực căng còn lại trong dầm cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế theo phương

pháp đo đạc tần số dao động và mô hình số là 90.99%

Trang 26

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận

Luận văn “Dự đoán lực căng còn lại của dầm cầu Khe Bó tại Km

37+819.79, trên tuyến La Sơn – Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế bằng đo đạc tần số dao động và mô hình số” đã đạt được các kết quả chính sau:

- Phân tích đánh giá hiện trạng cầu Khe Bó

- Nghiên cứu lý thuyết để cho thấy sự ảnh hưởng của lực căng đến tần số dao động của kết cấu nhịp cầu

- Đo đạc thực nghiệm tần số dao động của cầu Khe Bó

- Dự đoán lực căng còn lại của dầm cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế bằng đo đạc tần số dao động và

mô hình số Kết quả lực căng còn lại là 90.99%

- So sánh phương pháp dự đoán lực căng còn lại thông qua đo tần

số dao động – mô hình số và đo chuyển vị - mô hình số Kết quả ta thấy phương pháp dự đoán lực căng còn lại bằng đo tần số dao động – mô hình số và đo chuyển vị - mô hình số cho kết quả tương đối gần nhau có

độ chênh lệch khoảng 1,14% Điều này cho thấy sự chính xác của kết quả thực nghiệm cũng như phương pháp luận nghiên cứu

Kiến nghị

Xác định lực căng còn lại trong dầm cầu sau thời gian khai thác là hết sức quan trọng, nó là cơ sở quan trọng để xác định năng lực chịu tải của cầu và là căn cứ để nâng cấp cầu Ngoài ra việc dự đoán được lực căng cũng là thông số quan trọng để nhà thầu thi công nâng cấp cầu bằng công nghệ căng cáp dự ứng lực ngoài có cở sở để kiểm soát ứng suất chuyển vị trong quá trình thi công Trong Luận văn này đã dự đoán được lực căng còn lại trong dầm dự ứng lực của một công trình thực tế: Cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế bằng đo đạc tần số dao động và mô hình số Kết quả lực căng còn lại là

90.99%, Như vậy, cầu vẫn còn hoạt động và khai thác tốt, cần phải có

các biện pháp để ngăn ngừa xe quá tải đi qua cầu để đảm bảo tuổi thọ cho cầu

Định dạng
Số trang	26
Dung lượng	1,95 MB