Phân tích thực nghiệm và lý thuyết dao động cầu thép thanh mỏng tải trọng nhẹ vùng ĐBSCL

Ứng dụng các tiến bộ kỹ thuật mới về phát triển các tính năng hiện đại của máy tính, độ chính xác của thiết bị, phương pháp phân tích dao động bằng Monitor, phương pháp phân tích dao độn

Trang 1

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đỗ Kiến Quốc đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cùng quý thầy cô đã hết lòng truyền đạt kiến thức và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập hoàn thành chương trình cao học tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh

Trang 2

of length of bridges are studied

A person puts on bridge a force causing vibration.Vibration of bridges

is measured by device FFT ANALYSER RECORDER.Verifies the accuracy

of bridge models by comparing the numerical results obtained from SAP2000 with experimental results

Selecting the reasonable bridge model and loading on it to find out maximum stress and deflection of bridges Distributed load 200kg/m2, two - axle load 650 kg/axle, two - axle load 120 kg/axle and 180 kg/axle Comparing results with stress and deflection are allowed to evaluate safety

of bridges

Giving necessary conclusions for the kind of structure

Trang 3

MỤC LỤC

Trang

- Tên học viên, tên đề tài

- Ý kiến nhận xét của cán bộ hướng dẫn và cán bộ phản biện

- Nhiệm vụ luận văn

- Lời cảm ơn……… ……… 01

- Tóm tắt luận văn thạc sĩ ………… ……… 02

- Mục lục……… 03

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan……… ………05

1.1.1 Tổng quan nghiên cứu……….….05

1.1.2 Đặc điểm vùng Đồng bằng sông Cửu Long … ……….07

1.1.3 Đặc điểm yêu cầu của kết cấu……… ……… 08

1.1.4 Cấu tạo và đặc điểm kết cấu cầu thép thanh mỏng……… 09

1.2 Mục đích của đề tài……… ……….10

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA 2.1 Sơ đồ tính cho ba loại chiều dài cầu 28m,22m và 16m……… 11

2.1.1 Sơ đồ tính 1……….…….………… ……… ……….11

2.1.2 Sơ đồ tính 2……….……….20

2.1.3 Sơ đồ tính 3……….……… 20

2.1.4 Sơ đồ tính 4……….……….……… ….21

2.1.5 Sơ đồ tính 5……….……… ……….22

2.1.6 Sơ đồ tính 6……….……….……….22

2.1.7 Sơ đồ tính 7……….……….……….23

2.2 Tải trọng …… …… ……….……… 24

2.2.1 Khối lượng thu gọn ……….……….……… 24

2.2.2 Hoạt tải…… ……….……… ……… ……… 25

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM 3.1 Phương pháp, trình tự thí nghiệm và thiết bị sử dụng ……… ……25

3.1.1 Phương pháp thí nghiệm ……….25

3.1.2 Trình tự thí nghiệm ……….……… ……… …26

3.1.3 Thiết bị sử dụng……….……….……… 27

3.2 Phân tích thực nghiệm ……… ……… 29

Trang 4

3.2.1 Số liệu đo đạc………….…… ……… 29

3.2.2 Chuyển vị theo thời gian ……….29

3.2.3 Tần số dao động……….……….……….….30

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẰNG SAP2000 4.1 Phương pháp chồng chất mode dao động ……… 35

4.1.1 Phương trình dao động ………35

4.1.2 Chuyển vị theo thời gian ……… 35

4.1.3 Nội lực và ứng suất ……… 36

4.2 Phân tích phản ứng của kết cấu ……… 36

4.2.1 Chỉ định thông số điều khiển ……….……… 36

4.2.2 Kết quả phân tích tần số dao động ……….……… 37

- Cầu chiều dài 28m……….………… ……… ….……… 37

- Cầu chiều dài 22m……… …… ……… 41

- Cầu chiều dài 16m ……….……….……….… ……….44

4.3 So sánh kết quả phân tích với số liệu thực nghiệm ……… …… 48

4.3.1 Tần số dao động……….……… ……… 48

4.3.2 Nhận xét……… ……….……… ………49

4.4 Xác định nội lực và chuyển vị của cầu dài 28m, 22m và 16m ……… …51

4.4.1 Tổ hợp trọng lượng bản thân và xe gắn máy nặng 300kg ………… ……… 51

4.4.2 Tổ hợp trọng lượng bản thân và xe ô tô nặng 1,3 tấn ……… ……… 54

4.4.3 Tổ hợp trọng lượng bản thân và người đi 200kg/m2,150kg/m2 ,100kg/m2 56

4.4.4 Nhận xét……… 60

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận….……… ……… 62

5.2 Kiến nghị……….… 63

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục

- Lý lịch trích ngang

Trang 5

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tổng quan

1.1.1 Tổng quan nghiên cứu

Trên thế giới, từ lâu người ta đã có các nghiên cứu về tác động của các loại xe cộ đối với các dạng cầu Nhưng hơn ba thập niên gần đây, cùng với sự tiến bộ nhanh chóng của khoa học kỹ thuật nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển xã hội, nhiều kiểu loại xe rất đa dạng về hình dáng, kich thước, tải trọng trục, số lượng trục, tốc độ di chuyển v.v… đã ra đời và vấn đề tương tác giữa các loại xe cộ di động gây ra sự dao động của cầu đã thu hút rất nhiều sự chú ý Cho đến hiện nay, lãnh vực dao động của cầu do tác động của các loại xe cộ cũng đã có được khá nhiều đề tài nghiên cứu khoa học [2,6,10,12,16]

Các nhà khoa học trên khắp thế giới đã tìm ra nhiều phương pháp tiến bộ và hiện đại, áp dụng vào thực tế nghiên cứu để giải quyết vấn đề dao động của cầu như đã nêu trên Ứng dụng các tiến bộ kỹ thuật mới về phát triển các tính năng hiện đại của máy tính, độ chính xác của thiết bị, phương pháp phân tích dao động bằng Monitor, phương pháp phân tích dao động thực nghiệm – số, phương pháp đo dao động và chuyển vị bằng thiết bị NOPTEL đã xuất hiện Bên cạnh đó các phương pháp nghiên cứu lý thuyết cũng phát triển đa dạng điển hình như phương pháp nghiên cứu dao động cầu tách riêng cầu và xe cộ di động (SIM và FSM), phương pháp sử dụng phương trình Lagrange, phương pháp nâng cấp mô hình phần tử hữu hạn với ứng dụng đặc biệt cho phân tích dao động cầu, v.v… [3, 6,12,14,18,19,25]

Trang 6

Song song với việc phát triển của các phương pháp nghiên cứu dao động Các mô hình về cầu và các dạng mô phỏng tải trọng cũng được các nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới vận dụng phát triển rất linh hoạt và hết sức phong phú như : mô hình đoàn tải trọng di động, mô hình lực di động, khối lượng di động hay mô hình hóa cầu bằng hữu hạn số dầm, mô hình xe lửa bằng những lò xo, mô hình xe 05 trục, mô hình phần tử hữu hạn linh hoạt hoặc xe mô hình 06 bậc tự do, mô hình cầu không gian, phi tuyến, 09 bậc tự

do, mô hình tải trọng 02 trục, 04 bậc tự do, v.v…… [1, 2, 4, 9,12,14, 20, 22]

Đạt được những tiến bộ về phương pháp nghiên cứu và mô hình hiện đại, lãnh vực phân tích thực nghiệm và lý thuyết dao động cầu với việc áp dụng các tiến bộ kỹ thuật như : máy tính số tốc độ cao, phương pháp số, khai triển nhanh chuỗi Fourier, nâng cấp mô hình phần tử hữu hạn v.v… cũng đạt được rất nhiều thành tựu [2, 3, 7, 18, 23, 29]

Với tốc độ phát triển như vũ bảo của lãnh vực công nghệ thông tin, các phần mềm hiện đại đáp ứng cho các ngành khoa học kỹ thuật được ứng dụng hết sức rộng rãi Đo đạc dao động với các thiết bị hiện đại và kết hợp áp dụng kỹ thuật loại trừ sai số làm nâng cao độ chính xác của kết quả nghiên cứu [3, 8,19, 21, 24, 26, 27, 28] Sự chính xác được kiểm tra bằng cách so sánh kết quả số thu được từ công thức với kết quả thực nghiệm [9]

Tiên đoán kết quả của một vấn đề khoa học nào đó luôn là ước mơ và háo hức của các nhà nghiên cứu Thực tế, tần số tự nhiên của cầu nhịp liên tục cũng có thể được tiên đoán [11] và phản ứng động lực học và đặc tính dao động của cầu sẽ được đánh giá dựa vào chu kỳ dao động tự nhiên [5,15]

Trang 7

Phạm vi Luận văn này sẽ tiến hành phân tích thực nghiệm và lý thuyết dao động của cầu có kết cấu dạng khung không gian bằng thép thanh mỏng ở vùng đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) Đo đạc thực nghiệm dao động bằng máy phân tích dao động, sự chính xác sẽ được kiểm tra bằng cách so sánh kết quả phân tích dao động trên các mô hình cầu với số liệu thực nghiệm

1.1.2 Đặc điểm vùng đồng bằng sông Cửu long

+ Đặc điểm tự nhiên

ĐBSCL có giới hạn địa lý từ 1040 30’ – 106050’ kinh đông và từ 8030’ -10045’ vĩ bắc Diện tích tự nhiên là 39.712 Km2 [44] Nằm ở hạ lưu sông Mêkông với hai nhánh sông chính là sông Tiền và sông Hậu tạo nên hệ thống sông rạch chằng chịt đặc thù với tổng chiều dài hơn 28.000 Km, chiếm 70% chiều dài đường sông của cả nước [41]

Lượng mưa trung bình hàng năm lên đến trên 2.000mm Mưa nhiều và mùa nước nổi xuất hiện hàng năm vào khoảng đầu tháng 10 và kéo dài cho đến hết tháng 10 Nhiệt độ trung bình hàng năm là 26oC, gió mùa hạ [44]

Qua các tài liệu đã khảo sát được, địa chất vùng ĐBSCL thuộc dạng đất yếu, lớp mặt là chủ yếu phù sa dạng bùn sét hữu cơ, á sét, á cát hoặc là than bùn có độ dày lớn thay đổi từ 20 mét -30 mét [43]

+ Đặc điểm Kinh tế xã hội

ĐBSCL là vùng kinh tế trọng điểm và sản xuất lương thực lớn nhất cả nước, bao gồm 13 tỉnh : Long An, Tiền Giang, Bến Tre, Đồng Tháp, Vĩnh

Trang 8

Long, Trà Vinh, An Giang, Cần Thơ, Hậu Giang, Sóc Trăng, Kiên Giang, Bạc Liêu và Cà mau

Dân số khoảng 16,1 triệu người chiếm tỷ lệ 21,1% dân số cả nước, mật độ dân số bình quân 405 người/km2.Tổng sản phẩm xã hội GDP của ĐBSCL năm 2000 đạt khoảng 87.123 tỷ đồng, chiếm 17,5% GDP cả nước [44]

Vùng ĐBSCL có tốc độ tăng trưởng kinh tế nhanh Trong những năm qua, mức sống và thu nhập của người dân không ngừng được nâng cao, tỉ lệ gia tăng từ 14,12% - 26,29%/năm Kim ngạch xuất khẩu bình quân năm 2004 đạt 2.401 triệu USD [45]

Để góp phần phát triển vùng ĐBSCL, việc nghiên cứu và đánh giá để tìm kiếm giải pháp kết cấu hợp lý cho dạng cầu tải trọng nhẹ thuộc khu vực này là hết sức cần thiết [41]

1.1.3 Đặc điểm yêu cầu của kết cấu

Với các đặc điểm về tự nhiên và kinh tế xã hội của vùng ĐBSCL như đã nêu trên, một số lượng rất lớn cầu cần phải xây dựng nên giải pháp kết cấu phải thật hợp lý đảm bảo thỏa mãn những yêu cầu khắt khe về kỹ thuật và kinh tế sau đây :

• Trọng lượng bản thân nhẹ nhằm làm giảm chi phí và phát huy hiệu quả công trình

• Đảm bảo độ cứng cần thiết, mức độ dao động và độ võng lớn nhất của kết cấu nằm trong phạm vi có thể chấp nhận được Đây là yêu cầu rất cần thiết để đảm bảo an toàn sử dụng công trình

• Cầu có thể được thi công bằng phương pháp thủ công dễ dàng

1.1.4 Cấu tạo và đặc điểm kết cấu cầu thép thanh mỏng

Trang 9

Từ giữa năm 2000 đến cuối năm 2004, Dự án xây dựng cầu tải trọng nhẹ vùng ĐBSCL đã được triển khai thực hiện, tổng số cầu đã xây dựng là

762 cầu, với kinh phí là 101 tỷ đồng [42] Hiện nay, dự án này vẫn đang tiếp tục thực hiện với hai dạng giải pháp kết cấu chính được áp dụng như sau [43]

• Dạng kết cấu thứ nhất - kết cấu dàn không gian bằng thép ống, uốn

cong theo phương dọc cầu tạo dạng vòm thoải như trên hình 1.1

Hình 1.1 Kết cấu dàn không gian bằng thép ống

• Dạng kết cấu thứ hai - Kết cấu khung không gian với các dầm dọc, ngang và các thanh chống bằng thép thanh mỏng như trên hình 1.2

Trang 10

Hình 1.2 Kết cấu khung không gian bằng thép thanh mỏng

Tuy nhiên, gần đây cũng đã có một số dạng giải pháp kết cấu khác đang được đề xuất áp dụng cho cầu tải trọng nhẹ vùng ĐBSCL [38]

1.2 Mục đích của đề tài

Nội dung Luận văn sẽ tập trung vào việc đánh giá dạng kết cấu thứ hai như trên Hình 1.2 và tác động của các loại tải trọng nhẹ đối với dạng kết cấu này

Trang 11

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA 2.1 Sơ đồ tính cho ba loại chiều dài cầu 28m , 22m và 16m

Dựa vào đặc điểm cấu tạo của các chi tiết liên kết giữa các bộ phận của cầu Đối với dạng kết cấu cầu cần nghiên cứu, ta có thể mô hình hóa công trình cầu thực tế như là một kết cấu khung không gian trên các gối tựa đàn hồi theo các dạng sơ đồ tính sau đây

2.1.1 Sơ đồ tính 1

Các dầm dọc, dầm ngang và các thanh của khung liên kết cứng với

nhau Hai dầm chính được xem như dầm liên tục, liên kết cứng với các thanh

chống và dầm ngang Tại vị trí nối dầm, dầm chính được ốp thêm một bản thép dày 4mm và liên kết với dầm chính bằng một số bu lông Cấu tạo liên kết mối nối của dầm chính trên mặt đứng và mặt bằng được thể hiện như trên

Hình 2.1 và Hình 2.2

Hình 2.1 Mặt đứng chi tiết nối dầm chính

Trang 12

Hình 2.2 Mặt bằng chi tiết nối dầm chính

Đầu trên của thanh chống được hàn với một mặt bích bằng thép dày 10mm, mặt bích này được liên kết bằng bu lông với bản thép ốp vào dầm chính Cấu tạo liên kết giữa dầm chính và thanh chống được thể hiện như

trên Hình 2.3 và Hình 2.4

Hình 2.3 Liên kết giữa dầm chính với thanh chống

Trang 13

Hình 2.4 Liên kết giữa dầm chính với thanh chống nhìn từ phía dưới

Tại vị trí dầm ngang liên kết với dầm chính, một bản thép dày 5mm được hàn sẵn vào dầm chính, dầm ngang được liên kết bằng bu lông với bản thép dày 5mm này Cấu tạo liên kết giữa dầm ngang với dầm chính được thể

hiện như trên Hình 2.5 và Hình 2.6

Hình 2.5 Liên kết giữa dầm ngang với dầm chính

Trang 14

Hình 2.6 Liên kết giữa dầm ngang với dầm chính

Hai đầu dầm dọc phụ được hàn kín bởi bản thép dày 4mm, bản thép này được liên kết bằng bulông với dầm ngang Cấu tạo liên kết giữa dầm dọc

phụ và dầm ngang được thể hiện như trên Hình 2.7 và Hình 2.8

Hình 2.7 Liên kết giữa dầm dọc phụ với dầm ngang

Trang 15

Hình 2.8 Liên kết giữa dầm dọc phụ với dầm ngang

Đầu dưới của thanh chống xiên được liên kết bằng bulông với bản thép dày 8mm đã được hàn sẵn vào thanh chống đứng Cấu tạo liên kết giữa thanh

chống xiên với thanh chống đứng được thể hiện như trên Hình2.9

Hình 2.9 Liên kết thanh chống xiên với thanh chống đứng

Trang 16

Hình 2.10 Liên kết giữa thanh chống đứng với cọc vít vị trí trụ

Tại bốn vị trí ở mố cầu, đầu dầm chính được liên kết bằng bu lông với bản thép ốp dày 10mm, bản thép ốp này liên kết bằng bulông với mặt bích thép bản dày 10mm đã được hàn sẵn vào cọc vít Liên kết giữa dầm chính với cọc vít xem như liên kết gối tựa đàn hồi Tại các vị trí ở trụ cầu, đầu dưới của thanh chống đứng được hàn với một mặt bích bằng thép bản dày 10mm , mặt bích này liên kết bằng bulông với một mặt bích khác cũng bằng thép bản dày 10mm đã được hàn sẵn vào cọc vít Liên kết giữa thanh chống đứng với cọc vít xem như liên kết gối tựa đàn hồi Cấu tạo liên kết giữa thanh chống đứng

với cọc vít tại vị trí trụ được thể hiện như trên Hình 2.10, cấu tạo liên kết giữa dầm chính với cọc vít tại vị trí mố được thể hiện như trên Hình 2.11 và Hình 2.12

Trang 17

Hình 2.11 Liên kết giữa dầm chính với cọc vít vị trí mố

Hình 2.12 Liên kết giữa dầm chính với cọc vít vị trí mố nhìn từ trên

Sơ đồ tính của kết cấu theo dạng này được vẽ bằng SAP2000 và thể

hiện như trên Hình 2.13

Trang 18

+Δl: Biến dạng dài dọc trục của cọc vít

+ l : Chiều dài của cọc vít

+ E : Môđun đàn hồi của vật liệu thép chế tạo cọc vít + F : Diện tích mặt cắt ngang của cọc vít

+ N : Lực dọc trục cọc vít

Độ cứng K của gối tựa đàn hồi chính là lực dọc N gây ra biến dạng dài

Trang 19

+ Cọc vít ở các vị trí mố cầu có chiều dài là 3m, độ cứng của các gối

tựa đàn hồi tại các vị trí mố cầu là 5.466T/m

+ Độ cứng của các gối tựa đàn hồi, khối lượng thu gọn, trọng lượng

bản mặt cầu phân bố đều, được xác định như phụ lục 1

+ Kích thước và các đặc trưng hình học của dầm chính của cầu có

chiều dài 28m và 22m được xác định như phụ lục 2

+ Kích thước và các đặc trưng hình học của dầm ngang của cầu có

+ Kích thước và các đặc trưng hình học của dầm dọc phụ của cầu có

+ Kích thước và các đặc trưng hình học của dầm chính của cầu có

chiều dài 16m được xác định như phụ lục 5

+ Kích thước và các đặc trưng hình học của dầm ngang của cầu có

+ Kích thước và các đặc trưng hình học của dầm dọc phụ của cầu có

+ Khối lượng thu gọn, trọng lượng bản mặt cầu phân bố đều, được xác

Trang 20

2.1.2 Sơ đồ tính 2

Sơ đồ tính 2 giống như sơ đồ tính 1 nhưng các thanh chống xiên xem

như liên kết khớp với các thanh chống đứng Sơ đồ tính của kết cấu theo dạng

này được vẽ bằng SAP2000 và thể hiện như trên Hình 2.14

Trang 22

Sơ đồ tính 6 giống như sơ đồ tính 2 nhưng các dầm dọc phụ xem như

liên kết khớp với các dầm ngang Sơ đồ tính của kết cấu theo dạng này được

vẽ bằng SAP2000 và thể hiện như trên Hình 2.18

Trang 23

Hình 2.18 Sơ đồ tính 6

2.1.7 Sơ đồ tính 7

Sơ đồ tính 7 giống như sơ đồ tính 5 nhưng các dầm dọc phụ xem như

liên kết khớp với các dầm ngang Sơ đồ tính của kết cấu theo dạng này được

vẽ bằng SAP2000 và thể hiện như trên Hình 2.19

Hình 2.19 Sơ đồ tính 7

Trang 24

2.2 Tải trọng

2.2.1 Khối lượng thu gọn (Lumped mass)

Kết cấu thực tế là một hệ có khối lượng phân bố Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc phân tích dao động, ta có thể thay thế hệ có khối lượng phân bố bằng các khối lượng tập trung theo nguyên tắc tương đương tỉnh học Khối lượng được thu gọn về điểm nút [30]

• Dạng thứ hai - Ô tô : tổng trọng lượng 1,3 tấn gồm trục trước nặng 0,65 tấn và trục sau nặng 0,65 tấn, khoảng cách giữa trục trước và trục sau là 1,80m Ô tô di chuyển giữa cầu, qua cầu từng chiếc một

• Dạng thứ ba - Người đi : trọng lượng phân bố đều khắp mặt cầu, trường hợp 1 là 200 kg/m2, trường hợp 2 là 150 kg/m2, trường hợp 3 là 100 kg/m2

Trang 25

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM

3.1 Phương pháp, trình tự thí nghiệm và thiết bị sử dụng

3.1.1 Phương pháp thí nghiệm

Sử dụng phương pháp khai triển chuỗi Fourier với máy tính số tốc độ cao, áp dụng phần mềm hiện đại và kỹ thuật loại trừ sai số, phân tích thực nghiệm với Monitor

Mô phỏng tải trọng là một lực tập trung tác dụng giữa cầu, khoảng thời gian tác dụng ngắn gây ra sự dao động của cầu Mô hình hóa cầu là kết cấu khung không gian trên các gối tựa đàn hồi Xem các cọc vít như là các gối tựa đàn hồi Không đo dao động của nền đất tự nhiên

Tạo ra một dạng tải trọng thí nghiệm tương đối phù hợp với điều kiện khai thác thực tế của cầu, tác động lên cầu để gây ra sự dao động, bằng cách bố trí một người có trọng lượng 76 kg đứng giữa cầu thực hiện động tác dậm chân Động tác này mô phỏng gần giống với động tác bước dậm chân của những người mang vác, gồng gánh nặng bước đi khi di chuyển qua cầu

Quan trắc thực nghiệm kết quả phản ứng của cầu bằng cách lắp đặt các dụng cụ cảm ứng chuyển vị để đo gia tốc chuyển vị tại những vị trí cần xác định chuyển vị thay đổi theo thời gian Đồng thời bố trí một người có nhiệm vụ sử dụng máy phân tích dao động để tiến hành ghi nhận đầy đủ các dữ liệu về các tần số dao động của cầu do động tác dậm chân của người có trọng lượng 76kg tạo ra

Trang 26

• Bước 2 : Chuẩn bị máy phát điện, máy phát điện phải được nạp đầy đủ nhiên liệu, chất bôi trơn và các dụng cụ phụ trợ khác đảm bảo máy hoạt động tốt trong suốt thời gian thực hiện thí nghiệm Máy cần được vận hành thử, đảm bảo hoạt động tốt trước khi tiến hành thí nghiệm

• Bước 3 : Chuẩn bị mặt bằng, mặt bằng phải được chuẩn bị tốt, trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm phải đảm bảo tuyệt đối không cho bất kỳ phương tiện giao thông nào, kể cả súc vật hay bất cứ loại tải trọng gì khác tác động lên cầu vì sẽ gây ảnh hưởng đến số liệu đo đạc

• Bước 4 : Chuẩn bị dụng cụ cảm ứng chuyển vị, các dụng cụ cảm ứng chuyển vị cần được kiểm tra kỹ càng về độ nhạy, độ chính xác của đường truyền dẫn đến máy phân tích dao động

• Bước 5 : Người có nhiệm vụ sử dụng máy phân tích dao động cần vận hành thử và kiểm tra tình trạng hoạt động của máy, điều kiện tiếp xúc, độ chính xác của các dụng cụ cảm ứng chuyển vị cũng như các đường truyền dẫn tín hiệu đến máy tốt

Trang 27

• Bước 6 : Sau khi tất cả các bước nêu trên đã được chuẩn bị tốt Người có nhiệm vụ tạo ra tải trọng tác động lên cầu sẽ vào vị trí đã được xác định sẵn và tiến hành dậm chân trên cầu theo hiệu lệnh điều khiển

• Bước 7 : Người có nhiệm vụ sử dụng máy phân tích dao động tiến hành ghi nhận các dữ liệu về chuyển vị theo thời gian và các tần số dao động của cầu

3.1.3 Thiết bị sử dụng

Để thực hiện thí nghiệm ta cần có những thiết bị và các dụng cụ phụ trợ khác dùng để đo đạc dao động của cầu như sau :

• Máy phân tích dao động FFT ANALYSER RECORDER do Viện

Cơ học ứng dụng TP HCM chế tạo có kích thước gọn, nhẹ có thể xách tay thuận tiện khi di chuyển Máy phân tích dao động FFT ANALYSER RECORDER với tính năng là một máy tính số có tốc độ cao, có thể tiến hành ghi nhận các chuyển vị thay đổi theo thời gian của cầu với độ chính xác của thiết bị đo gia tốc chuyển vị là0.1mm và đo đạc các tần số dao động của cầu với bước tần số chính xác là 0.244Hz

• Các dụng cụ cảm ứng chuyển vị gồm những mảnh nam châm có kích

thước 1cm x1cm, có từ tính tương đối mạnh đảm bảo gắn chặt được vào các vị trí cần xác định chuyển vị thay đổi theo thời gian trên thân dầm chính bằng thép của cầu Các mảnh nam châm này được gắn chặt với một thiết bị có đầu

đo gia tốc chuyển vị, có tính năng rất nhạy với các chuyển vị nhỏ Khi cầu dao động sẽ xuất hiện các chuyển vị có gia tốc Các gia tốc chuyển vị này sẽ

Trang 28

được thiết bị đầu dò đo và truyền về máy phân tích dao động theo một đường dây dẫn được nối từ thiết bị đầu dò đến máy phân tích dao động

• Máy phát điện xoay chiều 220V loại xách tay do Nhật Bản sản xuất

có kích thước gọn, trọng lượng nhẹ dưới 10kg , có thể được di chuyển dễ dàng Hoạt động bằng nhiên liệu xăng A92, khi máy hoạt động sẽ phát ra dòng điện có hiệu điện 220V ổn định dùng làm nguồn năng lượng cung cấp cho máy phân tích dao động FFT ANALYSER RECORDER hoạt động suốt thời gian tiến hành đo đạc thực nghiệm phản ứng của cầu chịu tác động của tải trọng

• Các vật dụng phụ trợ khác :

+ Keo dán kim loại có tính năng đông kết nhanh được dùng để dán chặt các mảnh thép mỏng 02mm, có kích thước 1cm x1cm với bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép tại những vị trí cần xác định chuyển

vị thay đổi theo thời gian của cầu

+ Các mảnh thép mỏng 02mm, có kích thước 1cm x1cm được sử dụng với mục đích làm mảnh đệm của bản mặt cầu bê tông cốt thép để cho mảnh nam châm của dụng cụ cảm ứng chuyển vị có thể gắn chặt vào tại những vị trí cần xác định chuyển vị thay đổi

theo thời gian của cầu

Trang 29

3.2 Phân tích thực nghiệm

3.2.1 Số liệu đo đạc

Các số liệu cần đo đạc là gia tốc theo phương đứng tại ba điểm của mặt cắt giữa cầu gồm hai điểm biên và một điểm giữa tim cầu trong trường hợp cầu chịu tác dụng của lực kích động đứng chính tâm và trường hợp chịu tác dụng của lực kích động đứng lệch tâm do người có trọng lượng 76 kg tạo nên [40]

Mô hình hóa tải trọng do tác dụng của một người có trọng lượng 76 kg dậm chân trên cầu như là một lực tập trung vì diện tích tác dụng lực dậm chân rất nhỏ so với diện tích của mặt cầu Lực tập trung này tác dụng lên mặt cầu và gây ra sự dao động của cầu

3.2.2 Chuyển vị theo thời gian

• Ta khai triển tải trọng tác dụng lên cầu p(t) có chu kỳ Tp thành chuỗi Fourier [34]

2

n

t Tp n

π bnsin

Tp n

p

Tp 0 )

2cos(

)(

+ bn = Tp∫ t dt

Tp

n t

p

Tp 0 )

2sin(

)(

Trang 30

• Phản ứng của hệ được xác định theo nguyên lý chồng chất Bỏ qua nghiệm quá độ, xem như hệ không cản, phản ứng như sau :

+ Với số hạng tải trọng bnsin(2 t)

Tp n

π thì phản ứng của hệ theo công

thức xác định nghiệm là :

2 : Tần số vòng cơ bản của tải trọng

+ Số hạng ancos(2 t)

Tp n

π , phản ứng được xác định tương tự :

an ϖ

β

−+ Số hạng a0 – tải trọng hằng số , gây chuyển vị tĩnh

+ Phản ứng toàn bộ

n

t n b t n a

β

3.2.3 Tần số dao động

Công tác đo đạc tần số dao động của kết cấu khung không gian bằng thép thanh mỏng như trên Hình 1.2 được thực hiện từ ngày 15 tháng 12 đến ngày 20 tháng 12 năm 2004, trên tổng số 12 cầu đã được xây dựng trong năm

Trang 31

2004 tại một số xã thuộc địa bàn tỉnh Tiền Giang Danh sách, vị trí của các

cầu và thời gian đo đạc cụ thể được liệt kê như trên bảng 3.1

DANH SÁCH CÁC CẦU TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH TIỀN GIANG

ĐÃ TIẾN HÀNH ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG

STT Tên cầu Chiều

dài (m)

Thuộc xã Huyện Ngày đo tần

số dao động

1 Tân Lược 2 28 Tân Lý Đông Châu Thành 15/12/2004

2 Kênh Ranh 27 Thạnh Tân Tân Phước 20/12/2004

3 Sông Cũ 22 Mỹ Hạnh Trung Cai lậy 18/12/2004

5 Phó Thôn Kim 22 Hòa Định Chợ Gạo 17/12/2004

6 Kênh 500 22 Tân Hòa Đông Tân Phước 20/12/2004

7 Bà Căn 22 Bình Phú Gò Công Tây 16/12/2004

8 Aáp Tây 21 Kim Sơn Châu Thành 17/12/2004

10 Cầu Chùa 16 Đồng Sơn Gò Công Tây 16/12/2004

11 Kênh 2 15 Tân Điền Gò Công Đông 15/12/2004

12 Ba Đấu 15 Phước Trung Gò Công Đông 15/12/2004

Trang 32

Các cầu được đo đạc thực nghiệm tần số dao động có chiều dài thay đổi từ 15m đến 28m Tập trung vào ba loại chiều dài cầu, loại chiều dài từ 27m – 28m số lượng là hai cầu, loại chiều dài từ 20m – 22m số lượng là bảy cầu và loại chiều dài từ 15m – 16m số lượng là ba cầu

Trước hết, về mặt trực quan khi nhìn vào hình dáng của các chiếc cầu dạng kết cấu khung không gian bằng thép thanh mỏng, nhất là đối với các chiếc cầu dài ta có ngay cảm giác là cầu khá mỏng mãnh Khi đi bộ trên các chiếc cầu dài này ta có thể cảm nhận được dao động của cầu dập dờn theo các bước đi, tạo cảm giác cho ta là cầu rất yếu Đối với các chiếc cầu ngắn ta không nhận thấy hiện tượng này, cầu tương đối chắc chắn hơn

Tiến hành đo đạc, thiết bị đo sử dụng máy phân tích dao động FFT ANALYSER RECORDER có thể đo được các dao động của cầu ở tần số thấp, trong đó có tần số dao động cơ bản của cầu là mode 1 (tần số thấp nhất) Thực tế cầu sẽ dao động theo mode 1 nên trong quá trình đối chiếu số liệu giữa kết quả phân tích tần số dao động của cầu dựa trên các sơ đồ tính với kết quả phân tích tần số dao động thực nghiệm ta chỉ cần tập trung so sánh ở tần số dao động thấp nhất là mode 1

Từ các số liệu đo đạc ta sẽ tiến hành phân tích phổ phản ứng của cầu để xác định các tần số dao động ảnh hưởng chủ yếu đến chuyển vị của cầu

Qua kết quả phân tích thực nghiệm các tần số dao động ảnh hưởng nhiều đến chuyển vị của cầu, ta phân chia tổng số lượng 12 cầu được đo đạc theo ba loại chiều dài cầu và tập trung chú ý đến cầu có chiều dài nhất trong mỗi nhóm là 28m, 22m và 16m ; tập trung chú ý vào các cầu dài vì lý do cầu

Trang 33

yếu tạo cảm giác không an toàn, các cầu ngắn tương đối cứng nên ít chú ý

hơn Kết quả phân tích thực nghiệm tần số dao động tiêu biểu cho các loại

chiều dài cầu bằng phương pháp khai triển chuỗi Fourier với máy tính số tốc

độ cao, áp dụng phần mềm hiện đại và kỹ thuật loại trừ sai số, phân tích thực

nghiệm với Monitor được thể hiện như trên bảng 3.2

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM TẦN SỐ DAO ĐỘNG

TIÊU BIỂU CHO CÁC LOẠI CHIỀU DÀI CẦU 28M, 22M VÀ 16M

so sánh (Hz)

Trang 34

+ Kết quả phân tích thực nghiệm cầu có chiều dài 28m - cầu ấp Tân Lược 2, xã Tân Lý Tây, huyện Châu Thành, tỉnh Tiền Giang, tần số

dao động mode 1 được chọn để so sánh là 3.662Hz [39, 40]

+ Kết quả phân tích thực nghiệm cầu có chiều dài 22m, cầu Phó Thôn Kim, xã Hòa Định, huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang, tần số dao động

mode 1 được chọn để so sánh là 2.686Hz [39, 40]

+ Kết quả phân tích thực nghiệm cầu có chiều dài 16m, cầu Chùa, xã Đồng Sơn, huyện Gò Công Tây, tỉnh Tiền Giang, tần số dao động

mode 1 được chọn để so sánh là 4.150Hz [39, 40]

Trang 35

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH KẾT CẤU BẰNG SAP2000

4.1 Phương pháp chồng chất mode dao động

Ưu điểm của phương pháp chồng chất mode là phép biến đổi sang tọa độ chuẩn đã biến hệ N phương trình vi phân liên quan với nhau thành N phương trình tách biệt Ngoài ra do tính hội tụ cao nên thường dùng chỉ cần một số mode có tần số thấp [34]

4.1.1 Phương trình dao động

Phương trình dao động tổng quát của hệ có dạng như sau

4.1.2 Chuyển vị theo thời gian

• Chuyển vị trong tọa độ hình học, dùng nguyên lý chồng chất

[v(t)]=[φ ][Y(t)]=[φ1][Y1(t)]+[φ2][Y2(t)]+……….+[φn][Yn(t)] (4.2) +[φn] : hàm dạng thứ n

+Yn(t) : biên độ ứng với hàm dạng [φn]

• Thường dùng một số mode có tần thấp vì chuỗi hội tụ nhanh và mode tần số cao kém tin cậy do sự gần đúng của sơ đồ tính [30]

Trang 36

4.1.3 Nội lực và ứng suất

Trong mỗi dao động chính, nội lực và ứng suất trong một phầu tử tỉ lệ với tọa độ chuẩn Yn(t) Ứng suất của phần tử khi dao động với mode n có

dạng

σ= α1Y1(t) +α 2Y2(t) +………+αnYn(t) (4.3) +σ : ứng suất của phần tử khi dao động với mode n

+αn: hệ số tỉ lệ tương ứng cho ứng suất đang xét

+Yn(t) : tọa độ chuẩn (chuyển vị cưởng bức) tương ứng với các sơ đồ biến dạng [φn]

4.2 Phân tích phản ứng của kết cấu

4.2.1 Chỉ định thông số điều khiển

• Sử dụng phần mềm SAP2000 để phân tích phản ứng của kết cấu Đối

với mỗi loại chiều dài cầu 28m, 22m và 16m ta đều áp dụng cả bảy dạng sơ

đồ tính đã được nêu ở chương 2 của Luận văn này để tiến hành phân tích tần

số dao động với các thông số điều khiển như sau :

+Analysis Case Type : Modal +Types of Modes :Eigen Vectors +Maximum Number of Modes : 12 +Minimum Number of Modes : 1

Trang 37

+Number of Output Time Steps : 40 +Output Time Steps Size: 0.025 +Modal Damping : 0.02

4.2.2 Kết quả phân tích tần số dao động

+ Kết quả phân tích tần số dao động của cầu có chiều dài 28m với các dạng sơ đồ như sau

• Sơ đồ 1, bảng 4.1

Table: Modal Periods And Frequencies

OutputCase StepType StepNum Period Frequency CircFreq Eigenvalue Text Text Unitless Sec Cyc/sec rad/sec rad2/sec2 MODAL Mode 1.000000 0.250671 3.9893E+00 2.5066E+01 6.2828E+02 MODAL Mode 2.000000 0.155053 6.4494E+00 4.0523E+01 1.6421E+03 MODAL Mode 3.000000 0.124783 8.0139E+00 5.0353E+01 2.5354E+03 MODAL Mode 4.000000 0.096500 1.0363E+01 6.5111E+01 4.2394E+03 MODAL Mode 5.000000 0.074129 1.3490E+01 8.4760E+01 7.1842E+03 MODAL Mode 6.000000 0.071890 1.3910E+01 8.7400E+01 7.6388E+03 MODAL Mode 7.000000 0.059739 1.6740E+01 1.0518E+02 1.1062E+04 MODAL Mode 8.000000 0.053908 1.8550E+01 1.1655E+02 1.3585E+04 MODAL Mode 9.000000 0.053214 1.8792E+01 1.1807E+02 1.3941E+04 MODAL Mode 10.000000 0.046505 2.1503E+01 1.3511E+02 1.8254E+04 MODAL Mode 11.000000 0.042086 2.3761E+01 1.4930E+02 2.2289E+04 MODAL Mode 12.000000 0.037267 2.6834E+01 1.6860E+02 2.8426E+04

Trang 38

• Sơ đồ 2, bảng 4.2

• Sơ đồ 3, bảng 4.3

OutputCase StepType StepNum Period Frequency CircFreq Eigenvalue Text Text Unitless Sec Cyc/sec rad/sec rad2/sec2

MODAL Mode 1.000000 0.250673 3.9893E+00 2.5065E+01 6.2827E+02 MODAL Mode 2.000000 0.155055 6.4493E+00 4.0522E+01 1.6421E+03 MODAL Mode 3.000000 0.124784 8.0138E+00 5.0352E+01 2.5354E+03 MODAL Mode 4.000000 0.096500 1.0363E+01 6.5111E+01 4.2394E+03 MODAL Mode 5.000000 0.074130 1.3490E+01 8.4759E+01 7.1842E+03 MODAL Mode 6.000000 0.071954 1.3898E+01 8.7322E+01 7.6251E+03 MODAL Mode 7.000000 0.059739 1.6739E+01 1.0518E+02 1.1062E+04 MODAL Mode 8.000000 0.053908 1.8550E+01 1.1655E+02 1.3585E+04 MODAL Mode 9.000000 0.053215 1.8792E+01 1.1807E+02 1.3941E+04 MODAL Mode 10.000000 0.046505 2.1503E+01 1.3511E+02 1.8254E+04 MODAL Mode 11.000000 0.042086 2.3761E+01 1.4929E+02 2.2289E+04 MODAL Mode 12.000000 0.037267 2.6834E+01 1.6860E+02 2.8426E+04

Trang 39

• Sơ đồ 4, bảng 4.4

• Sơ đồ 5, bảng 4.5

Trang 40

• Sơ đồ 6, bảng 4.6

• Sơ đồ 7, bảng 4.7

Định dạng
Số trang	89
Dung lượng	2,76 MB