Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể của cầu trần thị lý dựa trên số liệu quan trắc gps và mô hình phần tử hữu hạn

Cầu treo dây văng Trần Thị Lý, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu bê tông cốt thép lớn cùng với bậc

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

HD1: TS VÕ DUY HÙNG HD2: TS LÊ VĂN HIẾN

ĐÀ NẴNG, NĂM 2021

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Đỗ Anh Vũ

DUT.LRCC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TỔNG THỂ CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC GPS VÀ

MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

Học viên: Đỗ Anh Vũ Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K38.XGT Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Kết cấu cầu treo dây văng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường Cầu treo dây văng Trần Thị Lý, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên

độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu bê tông cốt thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể của cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu Luận văn này nghiên cứu ứng ảnh hưởng do tải trọng nhiệt độ tác động đối với cầu thông qua dữ liệu thu thập từ hệ thống quan trắc đồng thời cũng

để kiểm chứng và so sánh giữa mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc Kết quả cho thấy số liệu quan trắc phảnh ánh đúng sức khỏe và sự làm việc của kết cấu, hệ số tương quan giữa chuyển vị điểm đỉnh tháp và nhiệt độ khá cao Cuối cùng, mô hình PTHH được mô phỏng với sai số nhỏ cũng như ảnh hưởng của tải trọng nhiệt độ đến từng bộ phận kết cấu cầu dây văng Trần Thị Lý được thể hiện rõ ràng

Từ khóa: Cầu Trần Thị Lý, hệ thống GPS, cầu dây văng, tải trọng nhiệt độ, biến dạng, hệ số

tương quan

STUDY ON THE EFFECTS OF TEMPERATURE ON GENERAL DEFORMATION OF TRAN THI THAO TRAN ON THE GPS

MONITORING DATA AND DEFINITE DEVICE MODEL

Abstract: The cable-stayed bridge structure is capable of long span but is sensitive to

environmental impacts Tran Thi Ly bridge, Da Nang city located in the Central Region has a relatively large temperature change amplitude, the main span structure is made of steel concrete material so the greater the effect of temperature on the structural behavior Analysis and design of cable stayed bridge structure is often very complicated due to the geometrical nonlinearity of the system The long span length of the steel concrete girder together with the super-static level of the system makes the effect of temperature on global behavior quite complicated and needs to be considered in the bridge evaluation This thesis studies the behavior of bridges due to the temperature load affecting the bridge through data collected from the structural heath monitoring system At the same time, it is also to verify and compare between finite element model and monitoring data Research results show that field measurement data completely reflected the structural health, the correlation coefficient between displacement of tower and temperature load for Tran Thi Ly cable- stayed bridge is quite high Finally, FEM model will be carried out to investigate the effect of temperature load on each structural part of Tran Thi Ly cable-stayed bridge

Keywords: Tran Thi Ly Bridge, GPS system, cable-stayed bridge, temperature load, distortion,

correlation coefficient

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC BẢNG 7

DANH MỤC CÁC HÌNH 8

pHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

1.1 Mục tiêu đề tài 1

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

1.3 Phương pháp nghiên cứu 1

TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU VÀ ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO ĐẠC CÔNG TRÌNH CẦU2 1.1 Tổng quan về cầu dây văng Trần Thị Lý 2

1.1.1 Địa điểm xây dựng 2

1.1.2 Quy mô công trình 2

1.2 Tác động của nhiệt độ đến công trình cầu 5

1.2.1 Một số tác động của tải trọng nhiệt độ 5

1.2.2 Tác động của tải trọng nhiệt độ đến công trình cầu 6

1.2.3 Giới thiệu GPS (Global Positioning System introduction) 6

1.2.4 Hệ thống giám sát GPS ứng dụng trong quan trắc công trình cầu 8

1.3 Kết luận chương 10

DUT.LRCC

2.1 Hệ thống GPS và cảm biến nhiệt độ của cầu Trần Thị Lý 11

2.2 Cơ sở phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu cầu 15

2.3 Cơ sở phân tích tải trọng nhiệt độ trong công trình cầu 18

2.3.1 Theo 22TCN 18-79 18

2.3.2 Theo AASHTO LRFD-07 19

2.3.3 Theo TCVN 11823:2017 20

2.3.4 Theo Eurocode EN 1991-1-5 21

2.4 Mô phỏng tải trọng nhiệt độ 23

2.4.1 Gradient nhiệt trong kết cấu nhịp bê tông 23

2.4.2 Gradient nhiệt trong trong kết cấu tháp 25

2.4.3 Biên độ nhiệt độ 26

2.5 Kết luận chương 27

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 28

3.1 Phân tích tương quan giữa chuyển vị và nhiệt độ cầu Trần Thị Lý dựa trên số liệu đo quan trắc thực tế 28

3.1.1 Phân tích chuyển vị của điểm đỉnh tháp dựa trên số liệu quan trắc GPS 28

3.1.2 Phân tích tương quan giữa chuyển vị và yếu tố nhiệt độ tại cầu Trần Thị Lý 33

3.2 Mô hình hóa cầu Trần Thị Lý và xác thực mô hình 37

3.2.1 Mô hình hóa cầu Trần Thị Lý 37

3.2.2 Xác thực mô hình cầu Trần Thị Lý 46

3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng cầu Trần Thị Lý dựa vào mô hình phần tử hữu hạn(FEM) 47

DUT.LRCC

3.4 Kết luận chương 59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 60

Kết luận 60

Kiến nghị 60

Hướng nghiên cứu tiếp theo 60

TÀI LIỆU THAM KHẢO 61

DUT.LRCC

AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials PTHH Phần tử hữu hạn

TCN Tiêu chuẩn ngành

TU Temperature Uniform

DUT.LRCC

Bảng 2 2 Thay đổi nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07 19

Bảng 2 3 Chênh nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07 19

Bảng 2 4 Nhiệt độ thay đổi đều theo TCVN 11823:2017 20

Bảng 2 5 Chênh nhiệt cơ sở theo TCVN 118232:2017 21

Bảng 2 6 Chênh nhiệt đô tuyến tính các loại cầu theo Eurocode 22

Bảng 3 1 Số liệu quan trắc chuyển vị đỉnh tháp đầu vào 29 Bảng 3 2 Tính toán giá trị chuyển vị của các đoạn dữ liệu 30 Bảng 3 3 Sai số trung phương của chuyển vị tháp theo các đoạn khảo sát 30

Bảng 3 7 Kết quả chuyển vị đo đỉnh tháp cầu Trần Thị Lý 46 Bảng 3 8 Chuyển vị đỉnh tháp ảnh hưởng bởi gradient nhiệt trong tháp 47 Bảng 3 9 Chuyển vị dầm chủ ảnh hưởng bởi gradient nhiệt dầm chủ 47 Bảng 3 10 Kết quả chuyển vị của kết cấu nhịp theo các trường hợp 52 Bảng 3 11 Kết quả chuyển vị của đỉnh tháp 3 phương theo các trường hợp 52 Bảng 3 12 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 10oC 53 Bảng 3 13 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 20oC 54 Bảng 3 14 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 30oC 55 Bảng 3 15 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 37oC 56

DUT.LRCC

Hình 1 1 Cầu Trần Thị Lý 2

Hình 1 2 Bố trí chung cầu 4

Hình 1 3 Mặt cắt ngang của dầm nhịp biên 4

Hình 1 4 Mặt cắt ngang của dầm nhịp chính 4

Hình 1 5 Kí hiệu các dây cáp văng 5

Hình 1 6 Mắt cắt ngang dầm hộp chịu tác động của nhiệt độ 6

Hình 1 7 Vệ tinh GPS 7

Hình 1 8 Cấu trúc hệ thống GPS 8

Hình 1 9 Nguyên lý đo GPS 8

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống quan trắc GPS 9

Hình 1 11 Mô hình quan trắc cầu dây văng bằng GPS 9

Hình 2 1 Cảm biến quan trắc nhiệt độ RTD PT100 11

Hình 2 2 Vị trí đặt các cảm biến quan trắc nhiệt độ và chuyển vị tại cầu Trần Thị Lý 12

Hình 2 3 Thân trụ tháp, đốt PYS20 13

Hình 2 4 Thân trụ tháp, đốt PYS01 13

Hình 2 5 Gối Trụ S5 14

Hình 2 6 Dầm chủ S3-S4 14

Hình 2 7 Dầm chủ S4-S5 14

Hình 2 8 Dầm chủ SG9 14

Hình 2 9 Dầm chủ SG18 14

Hình 2 10 Dầm chủ SG46 15

Hình 2 11 Dầm chủ SG46 15

Hình 2 12 Biểu đồ Gradient nhiệt trong phương thẳng đứng trong kết cấu nhịp thép và bê tông theo TCVN 118232:2017 21

Hình 2 13 Hiệu chỉnh nhiệt độ thay đổi cho các cấu kiện cầu theo nhiệt độ không khí 22

Hình 2 14 Chênh lệch nhiệt dương trên kết cấu 23

DUT.LRCC

Hình 2 17 Gradient nhiệt tháp cầu 25

Hình 2 18 Mô phỏng Gradient nhiệt tháp cầu 25

Hình 2 19 Mô phỏng cấu kiện chênh 10oC tại cầu Trần Thị Lý 26

Hình 2 20 Mô phỏng cấu kiện chênh 20oC tại cầu Trần Thị Lý 26

Hình 2 21 Mô phỏng cấu kiện chênh 30oC tại cầu Trần Thị Lý 27

Hình 2 22 Mô phỏng cấu kiện chênh 37oC tại cầu Trần Thị Lý 27

Hình 3 1 Sơ đồ bố trí GPS sensor và cảm biến nhiệt độ 28

Hình 3 2 Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp đoạn 3 31

Hình 3 3 Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp đoạn 4 31

Hình 3 4 Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp đoạn 7 32

Hình 3 5 Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp đoạn 8 32

Hình 3 6 Biểu đồ số liệu chuyển vị đỉnh tháp 07 ngày theo 3 phương 35

Hình 3 7 Biểu đồ số liệu nhiệt độ 07 ngày của các sensor lắp trên mặt cắt SG18 35

Hình 3 8 Biểu đồ số liệu nhiệt độ 07 ngày của các sensor lắp trên mặt cắt SG46 36

Hình 3 9 Cầu Trần Thị Lý 37

Hình 3 10 Vật liệu Cáp 38

Hình 3 11 Vật liệu bê tông 39

Hình 3 12 Vật liệu thép thanh PC Bar 39

Hình 3 13 Khai báo mặt cắt dầm 41

Hình 3 14 Khai báo mặt cắt tháp 42

Hình 3 15 Khai báo mặt cắt dây văng 43

Hình 3 16 Mô hình hóa mặt cắt ngang dầm hộp 44

Hình 3 17 Mô hình hóa mặt cắt tháp 44

Hình 3 18 Mô hình hóa mặt phẳng dây văng dọc tim cầu 45

Hình 3 19 Mô hình hóa 02 mặt phẳng dây văng thượng – hạ lưu (Phía tây) 45

Hình 3 20 Mô hình hoàn thiện 46

Hình 3 21 Chuyển vị đỉnh tháp theo phương dọc cầu 47

DUT.LRCC

Hình 3 24 Mô phỏng biến dạng cấu kiện chênh 20oC tại cầu Trần Thị Lý 49Hình 3 25 Mô phỏng sự thay đổi lực căng cấu kiện chênh 20oC tại cầu Trần Thị Lý 49Hình 3 26 Mô phỏng biến dạng cấu kiện chênh 30oC tại cầu Trần Thị Lý 50Hình 3 27 Mô phỏng sự thay đổi lực căng cấu kiện chênh 30oC tại cầu Trần Thị Lý 50Hình 3 28 Mô phỏng biến dạng cấu kiện chênh 37oC tại cầu Trần Thị Lý 51Hình 3 29 Mô phỏng sự thay đổi lực căng cấu kiện chênh 37oC tại cầu Trần Thị Lý 51Hình 3 30 Biểu đồ kết quả chuyển vị kết cấu nhịp theo các trường hợp 52Hình 3 31 Biểu đồ kết quả chuyển vị đỉnh tháp theo các trường hợp 53Hình 3 32 Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng dọc tim cầu chịu tải trọng nhiệt độ theo các trường hợp khác nhau 57Hình 3 33 Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng thượng lưu chịu tải trọng nhiệt độ theo các trường hợp khác nhau 58Hình 3 34 Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng hạ lưu chịu tải trọng nhiệt độ theo các trường hợp khác nhau 58

DUT.LRCC

Thêm vào đó, hiện nay cầu Trần Thị Lý đã được lắp đặt xong hệ thống quan trắc bao gồm nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm biến nhiệt độ Việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể dựa trên số liệu quan trắc GPS và mô hình phần tử hữu hạn (ứng suất, chuyển vị, nhiệt độ, …) làm cơ sở cho phân tích đánh giá sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ nghiên cứu, học viên lựa chọn đề tài:

“Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể của cầu Trần Thị Lý dựa trên số liệu quan trắc GPS và mô hình phần tử hữu hạn” rất cần thiết

1.1 Mục tiêu đề tài

 Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể tại những vị trí có khả năng thay đổi lớn của dầm (giữa nhịp) và tháp cầu (đỉnh tháp) dựa trên số liệu đo đạc thực nghiệm GPS

 Phân tích ảnh hưởng của tải trọng nhiệt độ với các kịch bản khác nhau để đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị, ứng suất của kết cấu

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Hệ thống dầm và tháp cầu

Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ liên quan đến biến dạng tổng thể của dầm và tháp cầu Trần Thị Lý và đưa ra các khuyến nghị

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

DUT.LRCC

TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CÔNG TRÌNH CẦU VÀ ỨNG DỤNG

GPS TRONG ĐO ĐẠC CÔNG TRÌNH CẦU

1.1 Tổng quan về cầu dây văng Trần Thị Lý

1.1.1 Địa điểm xây dựng

Cầu Trần Thị Lý (Hình 1.1-1.5) bắc qua sông Hàn, nối quận Hải Châu, qua quận Sơn Trà, được thiết kế độc đáo với tạo hình và định vị cho trụ tháp chính cao 145 mét nghiêng 12 độ về phía Tây gồm 3 mặt dây phẳng Trong đó, mặt phẳng dây phía Đông được neo từ tháp xuống dầm cầu giữa, mặt phẳng dây phía Tây được rẽ ra hai nhánh tạo hình thành một cánh buồm căng gió hướng ra biển Đông

Hình 1 1 Cầu Trần Thị Lý

1.1.2.Quy mô công trình

Quy mô xây dung :Vĩnh cữu

Tần suất thiết kế :P = 1%

Tĩnh không :Khổ giới hạn thông thuyền: BXH >=50x7m, khổ giới hạn đường bộ: H >=4,75m

DUT.LRCC

Tải trọng thiết kế và các tác động:

+ Hoạt tải :Hoạt tải xe thiết kế: HL-93, tải trọng bộ hành: 3MPa

+ Tải trọng gió : Vùng tính gió: Vùng IV

+ Hiệu ứng động đất : Vùng chấn động: Cấp 6; chấn động cực đại: Imax =

7 (MSK-64)

Khổ cầu : B = 34,5m(3,5m+11,25m+5,0m+11,25m+3,5m) + Phần xe chạy : 6x3,75m = 22,5m;

+ Lề bộ hành : 2x3,5m (dải an toàn mỗi bên cách mép làn xe chạy 0,5m);

+ Dải phân cách : 5,0m (dải an toàn mỗi bên cách mép làn xe chạy 0,5m);

+ Trụ : Bằng kết cấu BTCT, móng trụ là hệ móng cọc khoan nhồi

DUT.LRCC

Hình 1 2 Bố trí chung cầu

Hình 1 3 Mặt cắt ngang của dầm nhịp biên

Hình 1 4 Mặt cắt ngang của dầm nhịp chính

DUT.LRCC

Hình 1 5 Kí hiệu các dây cáp văng

1.2.Tác động của nhiệt độ đến công trình cầu

1.2.1.Một số tác động của tải trọng nhiệt độ

Các công trình cầu trên thế giới nói chung và ở Viêt Nam nói riêng được xem là những nút quan trọng trong mạng lưới giao thông giữa các vùng, địa phương Tuy nhiên,

để duy trì sự làm việc an toàn của các công trình cầu thì cần đến sự kĩ lưỡng trong việc duy tu bảo dưỡng các công trình cầu, chủ sở hữu và đơn vị vận hành tốn rất nhiều chi phí để quản lý Tùy vào loại vật liệu, hình dáng, vị trí chịu bức xạ mặt trời trực tiếp hay gián tiếp, nhiệt độ không khí, gió, độ ẩm… thì kết cấu của các công trình cầu chịu ảnh hưởng khác nhau gây ra một số hư hỏng điển hình như:

 Nứt dầm trong quá trình thi công

 Co, dãn kết cấu đối với cầu thép dẫn đến độ võng lớn theo thời gian

 Nứt bề mặt kết cấu bê tông

 Bê tông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, dạng của đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông ở những nhiệt độ khác nhau thì

DUT.LRCC

có sự khác biệt đáng kể so với dạng biểu đồ của vật liệu thép Tất cả các đường cong này đều đạt đến cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu quả, sau đó giảm dần theo một nhánh đi xuống Trong trường hợp này, khả năng chịu kéo của bê tông cũng xem như bằng không

1.2.2 Tác động của tải trọng nhiệt độ đến công trình cầu

Trên thực tế, tùy thuộc vào thời điểm và vị trí các mặt cắt sẽ chịu ảnh hưởng nhiều hay ít của ánh nắng mặt trời Bức xạ nhiệt làm thay đổi hình dáng của kết cấu, sự chệnh lệch nhiệt độ giữa các vị trí trên cùng 1 mặt cắt dầm, tháp và dây văng (Hình 2.6)

Khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mặt trời tại mặt cắt ngang dầm hộp, bản mặt cầu, đáy dầm cũng như 2 mặt bên của dầm hộp thì sẽ phân bổ nhiệt lượng khác nhau tùy thuộc vào hướng dầm hộp đó tiếp nhận ánh sang mặt trời hàng ngày tác động lên

Hình 1 6 Mắt cắt ngang dầm hộp chịu tác động của nhiệt độ

1.2.3.Giới thiệu GPS (Global Positioning System introduction)

Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) là một hệ thống định vị dựa trên vệ tinh được phát triển bởi Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ (DoD - Department of Defense) vào đầu những năm 1970 Ban đầu, GPS bao gồm một chòm sao gồm 24 vệ tinh hoạt động được gọi là khả năng hoạt động ban đầu (IOC - initial operational capability), được hoàn thành vào tháng 7 năm 1993 Độ cao vệ tinh là khoảng 20.200 km so với bề mặt trái đất Để đảm bảo vùng phủ sóng liên tục trên toàn thế giới, các vệ tinh GPS được bố trí sao cho bốn

vệ tinh được đặt trong mỗi sáu mặt phẳng quỹ đạo (Hình 2.7) Với chòm sao này, bốn đến mười vệ tinh GPS sẽ hiển thị ở bất kỳ đâu trên thế giới Để cung cấp thông tin định

vị hoặc vị trí, chỉ có bốn vệ tinh là cần thiết Ngày nay, số lượng vệ tinh trên không gian

DUT.LRCC

là hơn 30, do đó, luôn có nhiều hơn bốn vệ tinh có thể nhìn thấy ở bất kỳ đâu trên thế giới có thể cung cấp đo

Hình 1 7 Vệ tinh GPS GPS bao gồm ba phần: phần không gian, phần kiểm soát và phần sử dụng (Hình 1.8)

- Phần không gian bao gồm các chòm sao vệ tinh mà mỗi vệ tinh GPS truyền một tín hiệu

- Phần kiểm soát của hệ thống GPS bao gồm một mạng lưới trên toàn thế giới với các trạm theo dõi Nhiệm vụ chính của phần kiểm soát hoạt động là theo dõi GPS vệ tinh để xác định và dự đoán vị trí vệ tinh, tính toàn vẹn của hệ thống, hoạt động của đồng hồ nguyên tử vệ tinh v.v

- Phần sử dụng bao gồm tất cả người dùng quân sự và dân sự Có GPS, máy thu được kết nối với ăng-ten GPS, người dùng có thể nhận tín hiệu GPS, có thể được sử dụng để xác định vị trí của nó ở bất kỳ đâu trên thế giới

DUT.LRCC

Hình 1 8 Cấu trúc hệ thống GPS

Hình 1 9 Nguyên lý đo GPS

1.2.4.Hệ thống giám sát GPS ứng dụng trong quan trắc công trình cầu

Một hệ thống giám sát GPS quan trắc kết cấu bao gồm trạm tham chiếu GPS (trạm gốc), trạm điều khiển từ xa (trạm điều hướng), trung tâm giám sát và hệ thống liên lạc như tóm tắt trong Hình 1.10 và cách thức hoạt động của hệ thống giám sát GPS đối với trường hợp quan trắc cầu được tóm tắt trong Hình 1.11 Trong hệ thống quan trắc, một trạm tham chiếu có nhiệm vụ theo dõi tất cả các vệ tinh GPS mà nó có thể quan sát ở vị trí của nó và tất cả các ăng-ten ở các trạm từ xa đồng thời nhận được tín hiệu vệ tinh từ một số vệ tinh Để xác định tọa độ của một vật thể chỉ theo hướng ba chiều, cần có ít

DUT.LRCC

nhất bốn vệ tinh để có được định vị Tại trạm tham chiếu, các thông tin khác nhau nhận được từ các vệ tinh là được truyền tới các trạm từ xa trong thời gian thực bằng cách sử dụng cáp của hệ thống thông tin liên lạc Trong trạm từ xa, cả tín hiệu nhận được từ vệ tinh và thông tin khác nhau từ trạm tham chiếu được nhận, và tọa độ trạm từ xa trong ba chiều có thể được tính toán bằng cách thực hiện các xử lý khác nhau theo thời gian thực bằng phần mềm GPS Các tọa độ sau đó được truyền đến trung tâm giám sát GPS và được xử lý thêm để có được cấu trúc chuyển vị, góc quay theo một hướng đặc biệt, v.v Tất cả các dịch chuyển được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu để thực hiện đánh giá sức khỏe kết cấu trong tương lai Chú ý rằng, khoảng cách giữa trạm tham chiếu và trạm từ xa liên quan đến ảnh hưởng của khí quyển và lỗi quỹ đạo trong khi khoảng cách ngắn giữa chúng được đánh giá cao để thiết lập Hiện tại, khi khoảng cách một km hoặc ít hơn, ảnh hưởng của sai số khí quyển và quỹ đạo dự kiến bằng hoặc thấp hơn mức milimet

Hình 1 10 Sơ đồ hệ thống quan trắc GPS

Hình 1 11 Mô hình quan trắc cầu dây văng bằng GPS

DUT.LRCC

Ngoài ra, việc lựa chọn trạm từ xa có liên quan đến nhiệm vụ quan trắc, kích

thước biến dạng và thông tin thu được của kết cấu Nói chung, trạm từ xa phải được đặt tại các điểm cần quan tâm, điểm biến dạng lớn nhất hoặc các điểm đặc trưng của kết cấu

Ví dụ, trong giám sát cầu nhịp dài, trạm từ xa được đặt tại giữa mặt cầu, trên bốn mặt cầu hoặc trên đỉnh tháp

Công nghệ Hệ thống Định vị Toàn cầu (GPS) đã được sử dụng thành công để đo chuyển vị của các kết cấu công trình dân dụng linh hoạt dao động, chẳng hạn như cầu treo và các tòa nhà cao tầng Có một số lợi thế của công nghệ GPS để giám sát sự dịch chuyển của các kết cấu dân dụng quy mô lớn; ví dụ, nó vượt qua giới hạn của khí hậu,

nó cũng có thể đo chuyển vị kết cấu theo các hướng ba chiều ở mức độ chính xác đến milimét và hầu hết hệ thống giám sát GPS hoạt động tự động Hơn nữa, độ chính xác của công nghệ GPS đang được cải thiện, cảm biến đang giảm trọng lượng và kích thước cũng như hệ thống thân thiện hơn với người dùng Do đó, công nghệ GPS có thể được

áp dụng liên tục quan trắc trong hệ thống SHM của các cầu nhịp dài Nghiên cứu các ứng dụng GPS trong SHM, việc quan trắc các nhịp cầu dài là cần thiết để đánh giá các điều kiện kết cấu cũng như sức khỏe kết cấu trong quá trình hoạt động của chúng

1.3 Kết luận chương

Chương 1 này đã giới thiệu khái quát sơ qua một số mặt cắt điển hình về cầu dây văng Trần Thị Lý tại TP Đà Nẵng cũng như những số liệu đầu vào phục vụ đưa vào tính toán ở mô hình tại đây cũng được nêu chi tiết Cầu được trang bị hệ thống quan trắc GPS tháp, gối cầu cũng như nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, biến dạng, ứng suất, gió Trong bài toán này tập trung xử lý dữ liệu chủ yếu là ảnh hưởng của nhiệt độ và chuyển vị đỉnh tháp đến công trình Ngoài ra, chương này cũng trình bày một số tác động tổng quan của nhiệt độ đến công trình cầu nói riêng cũng như công trình nói chung Cuối cùng là giới thiệu tổng quan chung một số kiến thức về hệ thống quan trắc GPS và ứng dụng của nó đối với công trình cầu cũng được trình bày khá rõ ràng

DUT.LRCC

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ TRONG CÔNG TRÌNH CẦU

2.1 Hệ thống GPS và cảm biến nhiệt độ của cầu Trần Thị Lý

Hệ thống quan trắc sức khỏe cầu Trần Thị Lý được lắp đặt để theo dõi sức khỏe kết cấu công trình cầu thông qua đo đạc các dữ liệu về gia tốc, góc xoay, biến dạng, nhiệt độ trong kết cấu theo thời gian thực để phục vụ đánh giá chẩn đoán sức khỏe lâu dài cầu Một hệ thống quan trắc môi trường (nhiệt độ, gió) cũng được lắp đặt tại vị trí cầu Hệ thống camera lắp đặt trên cầu cho phép nhận dạng xe, đếm lưu lượng cũng như phát hiện các xe vi phạm khi lưu thông qua cầu

Hệ thống quan trắc đo nhiệt độ trong dầm chủ, tháp: Bao gồm thiết bị đo, hệ thống thu nhận, xử lý, phân loại, truyền dẫn và định dạng số liệu Thiết bị đo nhiệt độ trong dầm chủ, cáp chủ, dây treo và mặt bê tông nhựa cung cấp thông tin bổ trợ cho việc đánh giá ứng xử của kết cấu đối với các thay đổi của nhiệt độ như sự phát triển biến dạng của dầm chủ, cáp chủ, dây treo và mặt bê tông nhựa từ đó cung cấp cách nhìn toàn diện hơn cho việc soát xét thiết kế hoặc cung cấp dữ liệu hữu ích cho công tác duy tu bảo dưỡng cho các cầu sau này

Hình 2 1 Cảm biến quan trắc nhiệt độ RTD PT100 RTD(Resistance Temperature Detectors) là một loại cảm biến nhiệt độ dùng để đo nhiệt RTD có thiết kế là một thanh kim loại hay dây kim loại mà điện trở của nó phụ thuộc theo sự thay đổi của nhiệt độ

DUT.LRCC

RTD cũng được gọi là điện trở nhiệt bao gồm các loại : PT100, PT500, PT1000, NI100, NI500 Trong đó 2 loại chính thường dùng trong công nghiệp đo là loại PT100 và NI100

Cảm biến nhiệt độ Pt100 hay còn gọi là nhiệt điện trở kim loại (RTD), được cấu tạo

từ kim loại Platinum được quấn tùy theo hình dáng của đầu dò nhiệt có giá trị điện trở khi

ở 0ºC là 100 Ohm Đây là loại cảm biến thụ động nên khi sử dụng cần phải cấp một nguồn ngoài ổn định

Nhược điểm:

+ Nó chỉ có nhược điểm duy nhất là với những ứng dụng cần đo nhiệt độ trên 850ºC thì PT100 không thể đo được

Hình 2 2 Vị trí đặt các cảm biến quan trắc nhiệt độ và chuyển vị tại cầu Trần Thị Lý

Bảng 2 1 Một số thông số của cảm biến lắp tại cầu Trần Thị Lý

STT Chi tiết vị trí lắp đặt Loại cảm

Hình 2 10 Dầm chủ SG46

Hình 2 11 Dầm chủ SG46

2.2.Cơ sở phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu cầu

Là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của mô hình toán học Về mặt vật lý, phương pháp phần tử hữu hạn chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học và cơ học đơn giản hơn kết cấu toàn thể Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút Tương

tự phương pháp chuyển vị, trong phương pháp phần tử hữu hạn, điều kiện tương thích

về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ được thỏa mãn tại các nút Thông thường,

ẩn cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là chuyển vị của các nút

Sau khi xác định được ma trân chuyển vị nút, chuyển vị tại một điểm bất kỳ trong phần tử được xác định dựa trên các “hàm dạng” mô tả quan hệ chuyển vị của một điểm bất kỳ với các chuyển vị nút

Trong phần này, phương pháp PTHH sẽ được mô tả trong việc áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi phân được đưa ra như sau:

Thực hiện phép nhân ma trận ta có:

Véc tơ nội lực b tác dụng lên một phân tố ứng suất, véc tơ lực phân phối đều trên

bề mặt như là lực trên một đơn vị diện tích Để có thể tồn tại, vectơ lực cần có những điều kiện biên sau:

Trong đó các thành phần véc tơ nx, ny, và nz tạo thành véc tơ đơn, để có được phương trình ta có véc tơ v

Nhân hai phương trình (2-3) và (2-5) ta có phương trình:

∫ 𝑣𝑇(𝛻̃𝑇𝜎 + 𝑏 − 𝜌𝜕2𝑢

𝜕𝑡2 𝑉

Và dưới đây là kết quả kết hợp sử dụng lý thuyết Green-Gauss trong phương trình (2-6):

∫ 𝑣𝑉 𝑇𝛻̃𝑇𝜎𝑑𝑉 = ∫ 𝑣𝑇

𝑆 𝑡𝑑𝑆 − ∫ (𝛻̃𝑣𝑉 )𝑇𝜎𝑑𝑉 (2-7)

Bổ sung các số hạng, cuối cùng ta được công thức dạng yếu như sau:

Để sử dụng nó trong phương trình PTHH, véc tơ chuyển vị u, được xấp xỉ bằng:

𝑢 = 𝑁𝑎 (2-9) Trong đó N chứa các hàm dạng tổng quát và a là chuyển vị Sử dụng phương pháp Galerkin ta có:

𝑣 = 𝑁𝑐 (2-10) Trong đó c là tùy ý Theo đó,

Thông qua mối quan hệ động học giữa các biến dạng đàn hồi, công thức (2-11) và (2-13) có thể viết

σ = DBa (2-14) Phương trình PTHH cho vật liệu đàn hồi tuyến tính có thể được viết lại

∫ 𝑁𝑉 𝑇𝜌𝑁𝑑𝑉𝑎̈ + ∫ 𝐵𝑉 𝑇𝐷𝐵𝑑𝑉𝑎 = ∫ 𝑁𝑇

𝑉 𝑡𝑑𝑆 + ∫ 𝑁𝑉 𝑇𝑏𝑑𝑉 (2-15) Các điều kiện biên liên quan được áp dụng có thể được điều kiện biên cần thiết (chuyển vị biết trước, u) hoặc như là điều kiện biên tự nhiên (véc tơ lực, t)

Để có được dạng gọn hơn, lập các ma trận và các vectơ:

(2-8)

DUT.LRCC

Vì thế:

𝑀𝑎̈ + 𝐾𝑎 = 𝑓𝑙 + 𝑓𝑏 (2-17) Trong đó M là ma trận khối lượng, K là ma trận độ cứng, fl là véc tơ lực biên và fb

véc tơ lực khối

𝑓 = 𝑓𝑙 + 𝑓𝑏 (2-18) Vậy kết quả ta có được phương trình PTHH rút gọn cho bài toán dao động

𝑀𝑎̈ + 𝐾𝑎 = 𝑓 (2-19)

Trường hợp bài toán phân tích tĩnh (tải nhiệt độ) phương trình tổng quát phân tích kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn như sau:

𝐾𝑎 = 𝑓 (2-20)

2.3 Cơ sở phân tích tải trọng nhiệt độ trong công trình cầu

Mỗi tiêu chuẩn thiết kế cầu có qui định về tải trọng nhiệt độ khác nhau, thông thường có hai dạng tải nhiệt độ là tải nhiệt phân bố (uniform temperature) và tải chênh lệch nhiệt độ (gradient temperature) Qui định tải nhiệt độ theo một số tiêu chuẩn thiết

kế cầu được mô tả sau đây

2.3.1 Theo 22TCN 18-79

Cầu siêu tĩnh ngoài thuộc hệ có lực đẩy ngoài bằng bê tông cốt thép, thép, bê tông

và bằng đá, và cả đối với những kết cấu thép liên hợp với bê tông cốt thép thì tính toán tùy theo điều kiện xây dựng và điều kiện địa phương; khi đó dùng hệ số nở dài như sau:

- Đối với thép 0,000012 (đối với thép trong kết cấu liên hợp thì được phép lấy bằng 0,00001)

- Đối với bê tông và bê tông cốt thép: 0,00001

- Đối với khối xây bằng đá thiên nhiên: 0,000008

- Biến đổi nhiệt độ tiêu chuẩn lấy như sau:

(2-1)

DUT.LRCC

a) Đối với kết cấu thép và kết cấu liên hợp thép với bê tông, khi không có các chỉ dẫn hợp lý khác trong nhiệm vụ thiết kế cho mỗi công trình và cho các khu vực từ đèo Hải Vân trở vào phía Nam, thì lấy bằng + 0oC và + 60oC

b) Đối với kết cấu bê tông cốt thép, bê tông và đá sẽ tùy theo đường đẳng nhiệt ở nơi đặt công trình, kích thước của cấu kiện và mức độ cấu kiện lộ ra ngoài để chịu ảnh hưởng của nhiệt độ không khí Nhiệt độ cao nhất lấy theo đường đẳng nhiệt tháng 6 hoặc tháng 7, nhiệt độ thấp nhất lấy theo đường đẳng nhiệt tháng giêng Các khu vực từ đèo Hải Vân trở vào phía Nam thì lấy bằng + 5oC và 55oC

Tiêu chuẩn độ chênh lớn nhất, về nhiệt độ giữa thép và bê tông cốt thép lấy như sau:

30o – đối với dầm chủ, trường hợp nhiệt độ thép cao hơn nhiệt độ bê tông cốt thép;

15o – đối với dầm chủ, trường hợp nhiệt độ thép thấp hơn nhiệt độ bê tông cốt thép,

và đối với dầm hệ mặt cầu trong cả hai trường hợp

2.3.2 Theo AASHTO LRFD-07

Sự thay đổi nhiệt độ theo LRFD-07 lấy theo bảng sau:

Bảng 2 2 Thay đổi nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07

Ôn hòa -18o đến 50oC -12o đến 27oC -12o đến 24oC Lạnh -35o đến 50oC -18o đến 27oC -18o đến 24oC

Chênh nhiệt độ dương và âm theo hình 3.12, nhưng giá trị T3 bằng không và không lớn hơn 3oC T1 và T2 lấy theo vùng như ở bảng 3.3

Bảng 2 3 Chênh nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07

Kích thước “A” được lấy như sau:

300 mm cho kết cấu nhịp BTCT có chiều cao 400 mm hay lớn hơn

Đối với mặt cắt BTCT có chiều cao thấp hơn 400 mm thì lấy nhỏ hơn chiều cao thực tế 100 mm

Đối với kết cấu nhịp thép 300 mm, và cự ly “t” phải lấy bằng chiều dày bản mặt cầu bằng bê tông

DUT.LRCC

Hình 2 12 Biểu đồ Gradient nhiệt trong phương thẳng đứng trong kết cấu nhịp thép

và bê tông theo TCVN 118232:2017 Bảng 2 5 Chênh nhiệt cơ sở theo TCVN 118232:2017

Temin)

DUT.LRCC

Hình 2 13 Hiệu chỉnh nhiệt độ thay đổi cho các cấu kiện cầu theo nhiệt độ không khí Chênh nhiệt độ cho các loại cầu có thể tính theo mô hình tuyến tính với các giá trị cho ở bảng 2.6

Bảng 2 6 Chênh nhiệt đô tuyến tính các loại cầu theo Eurocode

DUT.LRCC

2.4 Mô phỏng tải trọng nhiệt độ

2.4.1.Gradient nhiệt trong kết cấu nhịp bê tông

Gradient nhiệt là một trong các yếu tố tác động lên kết cấu gây ra ảnh hưởng như biến dạng hay gây ra đồng thời biến dạng cùng nội lực trong kết cấu Sự tiếp nhận của mỗi loại kết cấu đối với tác động này cũng rất khác nhau chủ yếu phụ thuộc vào hình dạng mặt cắt và các điều kiện biên của kết cấu

Theo tiêu chuẩn quốc gia TCVN 11823:2017, các tác động của gradien nhiệt khác nhau trong kết cấu phần trên của cầu cần phải lấy từ cả hai điều kiện chênh nhiệt dương (mặt trên nóng hơn) và chênh nhiệt âm (mặt trên lạnh hơn) Đối với vùng khí hậu của cầu Trần Thị Lý tại Đà Nẵng, đề tài sẽ đề cập đến điều kiện chênh nhiệt dương

Nguyên lý hình thành biến dạng: Khi có sự thay đổi nhiệt độ là có sự biến dạng Gradient nhiệt là sự chênh lệch nhiệt độ của các thớ khác nhau trên cùng một mặt cắt của kết cấu nên sinh ra biến dạng giữa các thớ khác nhau Sự biến dạng khác nhau đó là nguyên nhân dẫn tới mặt phẳng không còn phẳng nữa mà bị cong vênh đi nếu không được kiềm chế

Điều kiện chênh nhiệt dương: Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp, mặt trên của kết cấu (lớp phủ mặt cầu) nhận được nhiệt lượng lớn hơn so với mặt đáy dầm, do vậy nhiệt độ tại mặt dầm sẽ nóng hơn so với nhiệt độ ở đáy dầm và điều này hình thành nên sự chênh lệch nhiệt độ (gradient nhiệt) giữa các thớ dầm theo chiều cao mặt cắt kết cấu

Hình 2 14 Chênh lệch nhiệt dương trên kết cấu

DUT.LRCC

Hình 2 15 Gradient nhiệt dầm chủ

Hình 2 16 Mô phỏng Gradient nhiệt dầm chủ

DUT.LRCC

2.4.2.Gradient nhiệt trong trong kết cấu tháp

Hình 2 17 Gradient nhiệt tháp cầu

Hình 2 18 Mô phỏng Gradient nhiệt tháp cầu

DUT.LRCC

2.4.3.Biên độ nhiệt độ

Theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017, chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất với nhiệt độ cơ sở thi công giả định trong thiết kế phải được dùng để tính các hiệu ứng biến dạng do nhiệt độ Đối với cầu Trần Thị Lý (Vùng khí hậu Nam vĩ độ 16oB, Đèo Hải Vân), biên độ nhiệt của kết cấu bê tông là từ +10oC đến +47oC (Lấy nhiệt độ ban đầu là 20oC)

2.4.3.1.Cấu kiện chênh 10 o C

Hình 2 19 Mô phỏng cấu kiện chênh 10oC tại cầu Trần Thị Lý

2.4.3.2.Cấu kiện chênh 20 o C

Hình 2 20 Mô phỏng cấu kiện chênh 20oC tại cầu Trần Thị Lý

2.4.3.3.Cấu kiện chênh 30 o C

DUT.LRCC

Hình 2 21 Mô phỏng cấu kiện chênh 30oC tại cầu Trần Thị Lý

2.4.3.4.Cấu kiện chênh 37 o C

Hình 2 22 Mô phỏng cấu kiện chênh 37oC tại cầu Trần Thị Lý

2.5.Kết luận chương

Qua trình bày ở trên dẫn đến một số kết luận chương 2 như sau:

Hệ thống GPS và các sensor cảm biến nhiệt độ được lắp đặt tại các mặt cắt quan trắc của cầu dây văng Trần Thị Lý đã được trình bày một cách đầy đủ Vị trí các mặt cắt quan trắc cũng như một số thông số làm việc của các sensor thiết lập thu dữ liệu tại công trình cầu được nêu ra chi tiết( 33 cảm biến đo nhiệt độ lắp đặt tại 9 mặt cắt và 01 cảm biến đo chuyển vị được lắp đặt ở đỉnh tháp) Thêm vào đó, chương này nêu ra cơ sở phân tích tải trọng nhiệt độ trong công trình cầu thông qua một số tiêu chuẩn như: 22TCN 18-79; AASHTO LRFD-07; TCVN 11823:2017; Eurocode EN 1991-1-5 Ngoài ra, cơ sở của phương pháp PTHH được trình bày rõ ràng, làm cơ sở để mô phỏng tải trọng nhiệt độ trình bày rất cụ thể ở chương này dựa vào 02 yếu tố là gradient nhiệt trong kết cấu và chênh lệch nhiệt độ cao nhất và thấp nhất so với nhiệt độ cơ sở thi công giả định trong thiết kế để tính toán các hiệu ứng dưới sự hỗ trợ của phần mềm MIDAS Civil cũng như một số kiến thức tại tiêu chuẩn TCVN 11823:2017

DUT.LRCC

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

3.1 Phân tích tương quan giữa chuyển vị và nhiệt độ cầu Trần Thị Lý dựa trên số liệu đo quan trắc thực tế

3.1.1 Phân tích chuyển vị của điểm đỉnh tháp dựa trên số liệu quan trắc GPS 3.1.1.1.Ứng dụng GPS trong quan trắc cầu Trần Thị Lý

Hệ thống quan trắc GPS được lắp đặt tại cầu Trần Thị Lý với mục đích quan trắc chuyển vị của điểm đặc trưng (điểm đỉnh tháp) theo thời gian, bao gồm:

- 01 trạm cơ sở (Base station) lắp đặt tại vị trí gần đầu cầu (gần trạm điều khiển phía tây), nằm ngoài phạm vi của cầu để đảm bảo không bị ảnh hưởng bởi chuyển

vị của cầu theo thời gian

- 01 trạm đo (Rover station) lắp đặt cố định tại đỉnh tháp cầu Trần Thị Lý để xác định chuyển vị của đỉnh tháp theo thời gian

- Trạm cơ sở và trạm đo được kết nối với nhau bởi hệ thống cáp quang và được truyền dẫn dữ liệu về trạm điểu khiển trung tâm

- Hệ thống GPS được thiết lập trong hệ tọa độ của cầu với phương x là phương dọc cầu; phương y là phương ngang cầu; phương z là phương thẳng đứng

- Tần số thu dữ liệu của hệ thống GPS là 2Hz (02 dữ liệu/giây)

Hình 3 1 Sơ đồ bố trí GPS sensor và cảm biến nhiệt độ

DUT.LRCC