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 (tt)

ĐỖ ANH VŨ 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 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY

ĐỖ ANH VŨ

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

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2021

Người hướng dẫn khoa học:

Hướng dẫn 1: GVC TS VÕ DUY HÙNG Hướng dẫn 2: TS LÊ VĂN HIẾN

Phản biện 1: PGS.TS NGUYỄN LAN

Phản biện 2: TS LÊ ANH TUẤN

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 Trường Đại học Bách khoa vào ngày 24 tháng 4 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu và truyền thông tại trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

 Thư viện Khoa Xây Dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn Chiều dài nhịp dầm hộp bê tông cốt thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên biến dạng tổng thể của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu Hiện nay các nghiên cứu về đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng cũng như sức khỏe kết cấu còn hạn chế

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

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

Hình 1 1 Cầu Trần Thị Lý

1.1.2.Quy mô công trình

+ Sơ đồ kết cấu nhịp: 4x50+230+45+4x50+30+26m

Hình 1 2 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

 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 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 3 Mắt cắt ngang dầm hộp chịu tác động của nhiệt độ

1.2.3.Giới thiệu GPS (Global Positioning System introduction) 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 2.10 và cách thức hoạt động của hệ thống giám sát GPS đối với trường hợp quan trắc cầu được tóm tắt trong Hình 2.11 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 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

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

+ Sai số trong khi đo rất thấp mà giá thành lại rẻ hơn các cặp nhiệt điện rất nhiều

+ PT100 được thiết kế rất đa dạng về chiều dài, loại dây, loại cây nên rất linh hoạt trong việc lắp đặt trong nhà máy

Đơn vị

đo

Giới hạn(oC) Trên Dưới

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

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:

𝛻̃𝑇𝜎 + 𝑏 = 𝜌𝜕2𝑢

𝜕𝑡2

trong đó 𝛻̃ là ma trận toán tử vi phân, 𝜎 là véctơ ứng suất, b là

véctơ nội lực

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

2.3.2.Theo AASHTO LRFD-07

2.3.3.Theo TCVN 11823:2017

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

Vùng khí hậu Kết cấu bê

tông

Mặt cầu bê tông trên dầm hoặc hộp thép

Mặt cầu thép trên dầm hoặc hộp thép Bắc vĩ độ

16 o B(Đèo Hải

Vân)

+5 o C đến +47 o C

+1 o C đến +55 o

C

-3 o C đến +63 o

C Nam vĩ độ

16 o B(Đèo Hải

Vân)

+10 o C đến +47 o C

+6 o C đến +55 o

C

+2 o C đến +63 o

C Đối với các địa điểm ở phía bắc vĩ độ 16 o B và ở độ cao cao hơn

mặt biển trên 700m nhiệt độ thấp nhất trong bàng phải trừ bớt 5 o C

(2-1)

Biên độ nhiệt độ cầu xác định theo Bảng là dựa trên biên nhiệt độ không khí trong bóng râm từ 0 o C đến +45 o C phía bắc Vĩ tuyến 16 o N(Hầm Hải Vân) và từ +5 o C đến +45 o C phía nam vĩ tuyến 16 o N Khi xác định được các dữ liệu nhiệt độ tại vị trí công trình, có thể sử dụng chúng để xác định giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ không khí trong bóng râm với chu kỳ lặp là 100 năm cho vị trí công trình, và có thể điều chỉnh nhiệt

độ của cầu trong Bảng tương ứng

Các tác động của gradien nhiệt khác nhau trong kết cấu phần trên của cầu cần phải được lấy từ cả hai điều kiện chênh nhiệt dương (mặt trên nóng hơn) và chênh nhiệt âm (mặt trên lạnh hơn) Gradien nhiệt theo chiều thẳng đứng trong kết cấu nhịp bê tông hay thép bê tông liên hợp có bản mặt cầu bằng bê tông có thể lấy như trong Hình 3.12 Các giá trị T1, T2 và T3 trong Hình 3.12 được cho trong Bảng 3.5 cho cả hai trường hợp chênh nhiệt dương và âm

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

Hình 2 3 Biểu đồ Gradient nhiệt trong phương thẳng đứng trong kết cấu

nhịp thép và bê tông theo TCVN 118232:2017

Bảng 2 3 Chênh nhiệt cơ sở theo TCVN 118232:2017

Thông số Gradien nhiệt

dương

Gradien nhiệt âm

2.3.4.Theo Eurocode EN 1991-1-5

2.4 Mô phỏng tải trọng nhiệt độ

2.4.1.Gradient nhiệt trong kết cấu nhịp bê tông

Hình 2 4 Gradient nhiệt dầm chủ

2.4.2.Gradient nhiệt trong trong kết cấu tháp

Hình 2 5 Gradient nhiệt tháp cầu

2.4.3.1.Cấu kiện chênh 10 o C

2.4.3.2.Cấu kiện chênh 20 o C

2.4.3.3.Cấu kiện chênh 30 o C

2.4.3.4.Cấu kiện chênh 37 o C

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

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

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

3.1.1.2.Phân tích chuyển vị điểm đỉnh tháp dựa trên số liệu quan trắc GPS

a Dữ liệu GPS đỉnh tháp

Dữ liệu quan trắc GPS dùng cho phân tích chuyển vị đỉnh tháp được lấy trong 02 ngày 16 và 17 tháng 6 năm 2020 Dữ liệu phân tích

có những đặc điểm như sau:

Bảng 3 1 Số liệu quan trắc chuyển vị đỉnh tháp đầu vào

STT NGÀY ĐOẠN LẤY MẪU THỜI GIAN

SỐ THỨ

TỰ ĐOẠN

TẦN SỐ(Hz)

ĐỘ LỚN CHUỖI DỮ LIỆU

1 16/6/2020

Từ 10h08p đến 12h25p

Từ 16h08p đến 18h25p

Từ 22h08p đến 00h25p

2 17/6/2020

Từ 10h08p đến 12h25p

Từ 16h08p đến 18h25p

Từ 22h08p đến 00h25p

b Các kết quả phân tích

Từ bảng trên, ta dùng 4 đoạn dữ liệu của 02 ngày từ 16h08p đến 00h25p (ngày hôm sau) dùng để phân tích Ta có được một số kết quả như sau:

Biên độ chuyển vị của điểm đỉnh tháp theo các phương được tính theo công thức:

Biên độ A= Max – Min Sai số trung phương của trị đo được tính theo công thức:

𝑚 = ∓√∑(𝐿𝑖− 𝐿𝑡𝑏)2

𝑛 − 1Trong đó:

- Li: Giá trị của trị đo

- Ltb: Giá trị trung bình

- n: Số lượng trị đo

- m: sai số trung phương của trị đo

Bảng 3 2 Tính toán giá trị chuyển vị của các đoạn dữ liệu STT ĐOẠN

GIÁ TRỊ CHUYỂN VỊ (m)

-0.034 133.736 133.645 0.091

4 1776460.259 1776460.233 0.026

-296575.454

296575.496

-0.033 133.735 133.641 0.094

8 1776460.251 1776460.227 0.024

-296575.451

296575.496

-0.045 133.748 133.65 0.098

Bảng 3 3 Sai số trung phương của chuyển vị tháp theo các đoạn khảo sát STT ĐOẠN

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

đoạn 8

Nhận xét:

- Về biên độ chuyển vị: theo dữ liệu nghiên cứu, giá trị biên độ

chuyển vị theo phương dọc cầu (phương x) là nhỏ nhất; trong khi đó biên độ chuyển vị theo phương thẳng đứng (phương z) là lớn nhất

- Về sai số trung phương của chuỗi dữ liệu đo: sai số trung phương theo phương dọc cầu là nhỏ nhất và biến động ít nhất; trong khi đó sai số này biến động khá lớn đối với hai chuỗi dữ liệu theo phương ngang và phương đứng Biểu đồ dữ liệu cũng cho thấy rằng,

có những đoạn dữ liệu không ổn định theo hai phương ngang và đứng, gây ra biên độ chuyển vị và sai số trung phương lớn

- Phần lớn các giá trị chuyển vị theo các phương đều nằm trong miền giới hạn về sai số cho phép (±3.m; m – là sai số trung phương) Điều này chứng tỏ rằng, mặc dù có một số đoạn dữ liệu bất thường, nhưng nhìn chung chuỗi dữ liệu đo dùng trong nghiên cứu có độ tin cậy, phù hợp với điều kiện thực tế của cầu

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

3.1.2.1 Lý thuyết phân tích tương quan

Hệ số tương quan giữa hai đại lượng được tính theo công thức:

y

x s s

y x Cov y

x

y x Cov r

),()

var(

)

var(

),(

x

1

))(

(1

1)

= -1, mối liên hệ của xvà yđược hoàn toàn xác định; có nghĩa là cho

bất cứ giá trị nào của x, chúng ta có thể xác định giá trị của y Nếu r =

0, hai biến x và y hoàn toàn độc lập, tức không có liên hệ với nhau

Có thể xem hệ số tương quan như “ hệ số ảnh hưởng”, hệ số tương quan càng cao thể hiện sự ảnh hưởng giữa hai yếu tố càng lớn Ý nghĩa của hệ số tương quan được giải thích theo bảng sau:

Bảng 3 4 Ý nghĩa của hệ số tương quan

±0.01 đến ±0.1 Mối tương quan quá thấp, không đáng kể

±0.2 đến ±0.3 Mối tương quan thấp

±0.4 đến ±0.5 Mối tương quant rung bình

±0.6 đến ±0.7 Mối tương quan cao

±0.8 trở lên Mối tương quan rất cao

3.1.2.2.Phân tích tương quan giữa chuyển vị đỉnh tháp và nhiệt

độ tại cầu Trần Thị Lý

Áp dụng lý thuyết tương quan trên để tính cho số liệu quan trắc cầu Trần Thị Lý, xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị của cầu như thế nào Dữ liệu dùng cho phân tích là dữ liệu trung bình

3 phút, trích xuất trong 07 ngày 16-22/6/2020 Dữ liệu phân tích gồm những loại sau:

- Dữ liệu chuyển vị GPS lắp đặt tại cầu Trần Thị Lý: Để xem xét sự tương quan giữa 02 yếu tố chuyển vị đỉnh tháp và nhiệt độ, dữ liệu chuyển vị đỉnh tháp tại cầu Trần Thị Lý được lọc ra cứ 3 phút lấy

1 dữ liệu và chuỗi dữ liệu được lấy kéo dài trong vòng 07 ngày

- Dữ liệu nhiệt độ: Dữ liệu nhiệt độ sẽ được lấy từ các sensor lắp đặt ở mặt cắt SG18 và SG46 Dữ liệu được lấy với tần suất 3p/data,

dữ liệu lấy về sẽ khớp với cùng thời điểm lấy dữ liệu của chuyển vị đỉnh tháp