Đang tải... (xem toàn văn)
Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)Xác định các tham số trong bài toán chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu (tt)
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - NGUYỄN TIẾN MINH XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ TRONG BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN KẾT CẤU BẰNG PHƢƠNG PHÁP ĐỘNG ĐỂ CẢI TIẾN CÔNG TÁC QUẢN LÝ CÔNG TRÌNH CẦU Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Cầu - Hầm Mã số : 62.58.25.05 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2017 Công trình hoàn thành tại: Trƣờng Đại học Giao thông Vận tải Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS Trần Đức Nhiệm Phản biện 1: ……………………………………………………… Phản biện 2: ……………………………………………………… Phản biện 3: …………………………………………………… Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Trường họp Trường Đại học Giao thông Vận tải Vào hồi ……… giờ, ngày …… tháng …… năm ……… … Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Viện Trường Đại học Giao thông Vận tải MỞ ĐẦU Tính cấp thiết vấn đề nghiên cứu Ở Việt Nam nói chung Hà Nội nói riêng nhiều cầu cũ thiết kế thi công nhiều thời kỳ dựa Tiêu chuẩn thiết kế khác Riêng địa bàn Hà Nội, Sở GTVT Hà Nội quản lý cầu đến 6/2017 bao gồm 504 cầu với tổng chiều dài 53,6 km Trong có 442 cầu KCN BTCT BTDUL, 62 KCN cầu thép Có 197 cầu xếp loại trung bình 36 cầu yếu Công tác quản lý cầu TP Hà Nội có hạn chế, thiếu đồng chưa khoa học, cần phải có biện pháp để nâng cao lực quản lý khai thác Các liệu tình trạng cầu ảnh hưởng lớn đến công tác quản lý khai thác như: trạng sức chịu tải KCN, làm việc gối cầu, tình trạng móng, chưa nghiên cứu đầy đủ cập nhật cách hệ thống phục vụ cho công tác quản lý khai thác cầu Hiện nước ta, việc kiểm tra đánh giá trạng KCN cầu chủ yếu dựa phương pháp tĩnh Thông thường thử nghiệm với tải trọng tĩnh, người ta sử dụng xe thử tải đặt tĩnh (đứng yên) cầu vị trí xác định trước nhằm gây hiệu ứng bất lợi KCN Kết thí nghiệm thử tải tĩnh đưa đánh giá chung trạng khả chịu tải KCN mà không phát hư hỏng vị trí hư hỏng (không quan sát mắt thường) Nếu muốn xác định vị trí cụ thể hư hỏng phải dùng phương pháp phá hủy, tức kết cấu cần phải tháo rời chí cưa, cắt nhằm đo đạc trực tiếp tham số hư hỏng Phương pháp thử tải tĩnh có nhược điểm phải cấm giao thông qua lại cầu trình thử nghiệm gây tốn cản trở giao thông Phương pháp thử tải tĩnh đặc biệt bất lợi sử dụng địa bàn TP Hà Nội lưu lượng xe cộ tham gia giao thông tuyến đường lớn, thường xuyên xảy ùn tắc, nên cấm cầu để thực thử tải tĩnh Chẩn đoán kết cấu theo phương pháp dao động phương pháp gián tiếp phát hư hỏng thông qua việc phân tích số liệu đo dao động kết cấu Đây phương pháp quan tâm ứng dụng nhiều giới tín hiệu dao động thường dễ dàng đo đạc, chi phí không cao, đặc biệt kết cấu không cần phải dừng hoạt động Đối với phương pháp này, không cần biết trước vị trí hư hỏng mà cho phép tìm vị trí hư hỏng bên kết cấu (có thể không quan sát mắt thường) Khi sử dụng phương pháp đo dao động KCN điều kiện khai thác không cần phải dùng tác dụng cưỡng xe chạy cầu hay phương pháp tạo dao động khác Quá trình kiểm tra, đo đạc cấm cầu, đo sức chịu tải tĩnh Do vậy, phương pháp đặc biệt phù hợp với TP Hà Nội, nơi mà mật độ xe cộ qua lại tuyến lớn, dễ xảy ùn tắc giao thông Vì vậy, luận án “Xác định tham số toán chẩn đoán kết cấu phương pháp động để cải tiến công tác quản lý công trình cầu” nghiên cứu ứng dụng phương pháp chẩn đoán động KCN cầu, đề xuất tham số dao động vào quy trình quản lý kỹ thuật công trình cầu để góp phần nâng cao hiệu công tác quản lý khai thác công trình cầu TP Hà Nội Mục tiêu nghiên cứu đề tài Nghiên cứu, lựa chọn phương pháp tham số toán chẩn đoán động KCN cầu Thực đo dao động điều kiện khai thác số công trình cầu BTDUL điển hình thuộc địa bàn TP Hà Nội, tiến hành xử lý số liệu đo dao động thực nhận dạng dao động KCN cầu để xác định tham số động (tần số riêng dạng thức dao động) Đề xuất tích hợp số đặc trưng dao động vào hệ thống quản lý khai thác cầu, xây dựng quy trình quản lý cầu dựa phương pháp dao động địa bàn TP Hà Nội Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết phương pháp chẩn đoán động, áp dụng xây dựng thuật toán chẩn đoán động KCN cầu, lập mô hình tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn Nghiên cứu thực nghiệm: thực đo dao động KCN cầu thực tế sau xử lý số liệu để tìm tham số động cần thiết Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hai tham số đặc trưng dao động KCN cầu, bao gồm tần số dao động riêng dạng thức dao động Phạm vi nghiên cứu luận án bao gồm KCN cầu bê tông nhịp giản đơn địa bàn thành phố Hà Nội Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Luận án đề xuất hai tham số dao động KCN cầu (tần số dao động riêng dạng thức dao động) phương pháp chẩn đoán động dựa độ mềm biểu kiến để xác định vị trí hư hỏng KCN cầu Việc áp dụng phương pháp chẩn đoán động KCN cầu cho phép sử dụng phương pháp đo dao động KCN điều kiện khai thác có ưu điểm cấm giao thông cầu, không gây ùn tắc giao thông Việc quản lý tham số dao động đơn giản, cho phép theo dõi đánh giá thường xuyên tình trạng KCN cầu Kết cấu nội dung luận án Kết cấu luận án bao gồm phần mở đầu, nội dung, kết luận kiến nghị, phụ lục Phần nội dung trình bày chương gồm: Chương - Tổng quan chẩn đoán cầu phương pháp dao động; Chương - Cơ sở lý thuyết dao động chẩn đoán kết cấu dao động; Chương - Thực nghiệm đo dao động số KCN cầu địa bàn TP Hà Nội xây dựng mô hình chẩn đoán động kết cấu cầu; Chương - Đề xuất ứng dụng phương pháp đo dao động chẩn đoán động vào công tác quản lý cầu TP Hà Nội CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ CHẨN ĐOÁN KẾT CẤU BẰNG PHƢƠNG PHÁP DAO ĐỘNG 1.1 Giới thiệu chung toán chẩn đoán kỹ thuật công trình phƣơng pháp dao động 1.1.1 Khái niệm chẩn đoán công trình chẩn đoán kết cấu phương pháp dao động Chẩn đoán công trình toán đánh giá tình trạng công trình khai thác dựa thông tin thu qua hồ sơ kết khảo sát đo đạc công trình Đây toán ngược thông tin kết cấu không đầy đủ (chỉ khảo sát hay đo số vị trí hạn chế kết cấu), việc tìm lời giải không đơn giản Tùy theo dạng công trình, cách thu thập liệu thực trạng cầu mà người ta sử dụng phương pháp chẩn đoán khác Chẩn đoán cầu phương pháp dao động (hay chẩn đoán động) toán chẩn đoán cầu sử dụng kết đo dao động cầu Trong phương pháp chẩn đoán động, kết cấu cầu thường mô hình hóa phương pháp PTHH để xác định đặc trưng dao động lý thuyết, khảo sát đo đạc cầu số liệu dao động thực nghiệm xác định Mục tiêu toán chẩn đoán cầu phương pháp dao động tìm kiếm hư hỏng cầu đánh giá trạng cầu thông qua việc so sánh đặc trưng dao động tính toán thực nghiệm (hoặc hai số liệu đo đạc thực nghiệm cầu hai thời điểm xa nhau) kết hợp với số liệu khảo sát khác Các phương pháp chẩn đoán động phát triển mạnh có ưu điểm chi phí hợp lý dễ dàng đo đặc trưng động lực kết cấu cầu Các đặc trưng tách nhận biết tín hiệu đo dao động gia tốc, vận tốc, chuyển vị, Các đặc trưng gắn liền với chất vật lý, hình học, liên kết kết cấu phụ thuộc vào tác động môi trường Các dao động đo đạc điều kiện khai thác bình thường Phương pháp chẩn đoán động cho phép phát hư hỏng phận ẩn khuất hay cho biết ảnh hưởng vùng hư hỏng đến vùng khác, 1.1.2 Các phương pháp giải toán chẩn đoán kỹ thuật công trình phương pháp dao động Bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình phương pháp động phân chia thành hai nhóm Nhóm thực chẩn đoán phương pháp phi tham số (nonparametric) theo hướng dựa vào phương pháp xử lý tín hiệu đại như: phương pháp phân tích wavelet, phương pháp biến đổi Hilbert Huang, phương pháp dựa thuật toán di truyền, Nhóm thực chẩn đoán phương pháp tham số (parametric) theo hướng dựa vào thay đổi tần số dạng thức dao động Đây phương pháp đề tài lựa chọn để nghiên cứu 1.2 Tình hình nghiên cứu giới Việt Nam chẩn đoán kết cấu phƣơng pháp dao động Chẩn đoán, phát hư hỏng kết cấu chủ đề rộng áp dụng cho kết cấu cầu mà cho nhiều loại kết cấu khác công trình nhà cao tầng, tháp cao, cần trục, kết cấu biển, Chẩn đoán kết cấu dao động phương pháp gián tiếp phát hư hỏng thông qua việc phân tích phản ứng kết cấu (phương pháp không phá hủy) Chẩn đoán động lại chia nhỏ thành nhóm sau: phương pháp phân tích thay đổi tần số riêng, phương pháp phân tích thay đổi dạng riêng, phương pháp phân tích thay đổi độ cong dạng riêng, phương pháp dựa thay đổi ma trận độ mềm, phương pháp dựa số hư hỏng, phương pháp dựa trí tuệ nhân tạo, phương pháp dựa biến đổi wavelet (các sóng nhỏ) Có nhiều nghiên cứu tiến hành giới lĩnh vực này, bật kể đến nghiên cứu Verboven đồng nghiệp phương pháp phát hư hỏng dựa tham số động lực học Trong nghiên cứu này, hư hỏng mô tăng lên khối lượng tập trung Sự thay đổi dạng dao động riêng kết cấu gây hư hỏng tự động phát phương pháp Maximum Likelihood Estimator miền tần số Độ nhạy cảm tham số động lực học sau sử dụng để đánh giá hư hỏng Phương pháp cho kết khả quan, nhiên việc sử dụng dạng riêng liên quan đến số lượng phép đo lớn nên sử dụng trường hợp cần thiết Trong nghiên cứu Pandey Biswas, phương pháp phát hư hỏng dựa thay đổi ma trận độ mềm sử dụng Bằng cách so sánh ma trận độ mềm trước sau có hư hỏng, vị trí hư hỏng xác định Phương pháp phát huy hiệu cao hư hỏng xuất nơi mà có mô men uốn lớn Độ cong dạng riêng ứng dụng phân tích hư hỏng kết cấu công bố Pandey cộng Trong kết cấu dạng dầm, độ cong tỷ lệ nghịch với độ cứng cục dầm Chính có suy giảm diện tích mặt cắt bị ăn mòn vị trí đó, độ cong dạng riêng tăng lên Bằng việc quan sát độ cong dạng riêng, hư hỏng vị trí phát Trong nghiên cứu khác, Patjawit Kanok-Nukulchai đề xuất phương pháp sử dụng số hư hỏng tổng thể Global Flexibility Index (GFI) để phát hư hỏng cầu đường Chỉ số chuẩn hóa ma trận độ mềm kết cấu Ma trận độ mềm tính toán dựa số dạng riêng kết cấu Khi có thay đổi mạnh GFI, hư hỏng tồn cần phải áp dụng phương pháp phù hợp để xác định vị trí mức độ hư hỏng Hiện có nhiều phương pháp xử lý tín hiệu dao động nhằm phát khoanh vùng hư hỏng, phương pháp biến đổi wavelet thể công cụ toán học mạnh, nhanh xác cho việc phân tích tín hiệu Sun Chang nghiên cứu phương pháp dựa biến đổi wavelet để đánh giá hư hỏng kết cấu Hư hỏng kết cấu xem suy giảm độ cứng cục vị trí hư hỏng Phản ứng động kết cấu phân tích biến đổi wavelet đầu vào cho mô hình mạng trí tuệ nhân tạo để đánh giá hư hỏng Li đồng nghiệp kết hợp phương pháp phân tích dạng dao động (EMD) wavelet để phát thay đổi phản ứng kết cấu Phương pháp EMD sử dụng để phân tích tín hiệu động thành thành phần tín hiệu đơn điệu biến đổi thành tín hiệu giải tích thông qua biến đổi Hilbert Sau thành phần tín hiệu đơn điệu phân tích wavelet để phát hư hỏng Phương pháp phát thời điểm xuất hư hỏng lại không vị trí mức độ hư hỏng Ngoài ra, có nhiều nghiên cứu phát triển cảm biến đặc biệt phục vụ cho việc quan trắc phát hư hỏng kết cấu, cảm biến phá hủy, cảm biến quang học Bragg Grating, Tuy nhiên chúng cần phải nghiên cứu cho sử dụng với độ xác ổn định nơi có điều kiện khắc nghiệt mà gặp công trình thực tiễn Ở Việt Nam, lĩnh vực chẩn đoán kết cấu tập trung vào việc phát hư hỏng, đặc biệt hư hỏng dạng vết nứt kết cầu nghiên cứu chuyên sâu Viện Cơ học Trường Đại học Bách khoa Hà Nội từ năm 1990 Tiếp theo đó, chủ đề phát vết nứt kết cấu phát triển nghiên cứu nơi khác Trường Đại học Xây dựng Hà Nội, Trường Đại học Bách khoa TP Hồ Chí Minh, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng, Viện Cơ học ứng dụng TP Hồ Chí Minh,… Các nghiên cứu hư hỏng thực nhiều loại kết cấu kết cấu công trình xây dựng, móng cọc, cầu đường công trình biển khơi giàn khoan, giàn DKI 1.3 Đo dao động điều kiện khai thác tổng quan lý thuyết nhận dạng dao động 1.3.1 Đo dao động điều kiện khai thác Đo dao động điều kiện khai thác kết cấu cầu phương pháp đo phản ứng kết cấu cầu tác dụng kích thích ngẫu nhiên gió, rung động đất nền… Trong nhiều trường hợp, đoàn xe qua lại cầu coi kích thích ngẫu nhiên Từ phản ứng kết cấu, thuật toán nhận dạng ta xác định đặc trưng dao động kết cấu công trình cầu 1.3.2 Tổng quan lý thuyết nhận dạng dao động kết cấu cầu Dựa số liệu đo dao động trường kết cấu, có nhiều phương pháp xử lý để thu dạng thức dao động, tần số dao động riêng, hệ số cản tham số động khác kết cấu Có nhiều nghiên cứu đưa việc xem xét mở rộng so sánh phương pháp nhận dạng kết cấu áp dụng có đo dao động thực nghiệm trường Đối với thí nghiệm đo dao động cưỡng bức, sử dụng phương pháp nhận dạng hệ thống, thời gian miền tần số Còn thí nghiệm đo dao động điều kiện khai thác, phương pháp chọn đỉnh (PP) phổ biến nhất, phương pháp ta chọn tần số thông qua phổ nhiều tần số phân tán, ta chọn tần số đỉnh phổ Ngày nay, phương pháp nhận dạng hệ thống phát triển mạnh sử dụng rộng rãi, phương pháp nhận dạng phương thức dao động từ phản ứng kết cấu tác động môi trường xung quanh, phương pháp nhận dạng không gian ngẫu nhiên (SSI) phương pháp Polymax, đưa kết hợp tốt tốc độ xử lý độ xác Với phương pháp này, đưa hình dạng thức dao động xác Bên cạnh đó, mode gần tách dễ dàng Ngoài ra, công cụ thuận tiện cho việc tìm kiếm xác tần số kết cấu biểu đồ ổn định dải tần số hay sử dụng 1.3.3 Lưới bố trí điểm đo KCN cầu Để đo nhận dạng dao động toàn KCN cầu cần phải biết chuyển vị dao động điểm KCN, tức phải bố trí điểm đo dao động điểm Nếu bố trí nhiều điểm đo kết thu xác mịn, nhiên việc dẫn đến chi phí lớn Vì cần phải thiết lập lưới điểm đo cần thiết KCN cầu cho kết thu đảm bảo độ xác cần thiết Vị trí lý tưởng cho cảm biến tham chiếu vị trí mà tất mode dao động quan trọng có biên độ chuẩn khác không Ví dụ, theo hướng dọc cầu ba nhịp điển Hình 1.1, vị trí cảm biến thiết lập từ nhịp trung tâm để xác định hai chế độ đối xứng bất đối xứng Theo hướng ngang, xếp cảm biến mặt cắt ngang phụ thuộc vào trạng thái dao động xoắn Nếu mặt cắt ngang kết cấu phần dạng hộp, độ cứng chịu xoắn cao tỷ lệ chiều dài nhịp so với chiều rộng đủ lớn, kết cấu phần lý tưởng hóa dầm Trong trường hợp này, biến dạng ngang kết cấu phần nhỏ so với biến dạng theo chiều dọc Kết là, hai cảm biến mặt cắt ngang gần đủ để bao gồm uốn dọc xoắn (Hình 1.2) Hình 1.1 Minh họa vị trí lắp cảm biến cầu Hình 1.2 Bố trí cảm biến mặt cắt ngang cầu Đối với cầu nhiều dầm, không đủ cảm biến, nên để thành đường theo phương dọc cầu Mỗi thiết lập đo một vài đường quét toàn mặt cắt ngang Quá trình hữu ích cầu nhiều xe: đo khác giao thông bình thường Kết luận Chƣơng Chẩn đoán kết cấu đao dộng toán đánh giá tình trạng công trình khai thác dựa thông tin thu qua kết đo dao động kết cấu Hiện việc chẩn đoán, phát hư hỏng KCN cầu Việt Nam chủ yếu dựa vào phương pháp tĩnh, có phương pháp phá hủy Việc thử tải, đánh giá trạng KCN cầu chủ yếu dựa phương pháp thử tải tĩnh điều kiện cấm lưu thông cầu Chẩn đoán KCN cầu dao động phương pháp không phá hủy đại, mặt khác ta tiến hành đo dao động KCN cầu điều kiện khai thác mà không làm gián đoạn lưu thông cầu Phương pháp phân tích dao động chia thành hai nhóm: nhóm có tham số nhóm không tham số Nhóm có tham số thường sử dụng tham số tần số dao động riêng, dạng thức dao động, biến dạng đàn hồi, độ cong đàn hồi,… kết cấu Trong đó, tần số dao động riêng dạng thức dao động tham số toán chẩn đoán kết cấu dao động Việc lựa chọn sử dụng tham số dao động phục vụ cho toán chẩn đoán KCN cầu thông qua phân tích, tính toán đo dao động thực tiễn KCN cầu; đồng thời xây dựng quy trình quản lý cầu dựa phương pháp dao động cần thiết bối cảnh lưu lượng giao thông lớn TP Hà Nội CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG KẾT CẤU, PHƢƠNG PHÁP CHẨN ĐOÁN ĐỘNG VÀ CÁC THAM SỐ SỬ DỤNG TRONG BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN ĐỘNG 2.1 Cơ sở lý thuyết dao động kết cấu 2.1.1 Phương trình vi phân dao động hệ bậc tự Để nghiên cứu phương pháp chẩn đoán động tham số sử dụng toán chẩn đoán động KCN cầu, trước hết luận án trình bày sở lý thuyết dao động kết cấu – tảng phương pháp chẩn đoán động Về mặt lý thuyết, tham số dao động kết cấu xác định từ phương trình vi phân dao động kết cấu Xét dầm giản đơn có khối lượng tập trung m đặt dầm Hình 2.1 Dầm coi vật thể đàn hồi khối lượng (tạm thời chưa xét tới khối lượng phân bố dầm) Hệ coi hệ bậc tự Hình 2.1 Hệ bậc tự Phương trình dao động cưỡng hệ bậc tự do: (2.1) m khối lượng, c hệ số cản, k độ cứng kết cấu, u(t) chuyển vị khối lượng theo thời gian, vận tốc chuyển động khối lượng theo thời gian, đạo hàm bậc chuyển vị, gia tốc chuyển động khối lượng theo thời gian, đạo hàm bậc hai chuyển vị, f(t) lực kích thích theo thời gian Trong trường hợp hệ cản, phương trình vi phân dao động tự hệ trở thành: (2.2) 12 KCN cầu trạng thái lý thuyết dựa thông số KCN từ hồ sơ vẽ thiết kế vẽ hoàn công Để giải toán dao động tính toán tham số đặc trưng dao động lý thuyết KCN cầu trạng thái ban đầu (trạng thái 0) kể trên, luận án sử dụng phương pháp PTHH phương pháp đại, tính toán nhanh có độ xác cao Mô hình PTHH KCN cầu thực phần mềm ANSYS Mechanical APDL 15.0 Các phần tử dùng để mô hình cầu chủ yếu phần tử dầm phần tử không gian Các cầu có dạng kết cấu tương đồng nên mô hình theo cách giống Mục trình bày đại diện cách xây dựng mô hình phần tử hữu hạn cho cầu La Khê – cầu gồm có dầm chủ, dầm ngang mặt cầu, cầu khác xây dựng tương tự Lưới mô hình phần tử hữu hạn cầu thể Hình 3.3 Hình 3.3 Lƣới PTHH KCN cầu La Khê 3.2.2 Tính toán tham số đặc trưng dao động KCN cầu Các tham số đặc trưng dao động bao gồm tần số riêng dạng dao động (mode shape) tính toán từ mô hình phần tử hữu hạn cầu kể Dưới minh họa kết tính toán cho KCN cầu La Khê a) mode 1, 4.20 Hz b) mode 2, 4.62 Hz c) mode 3, 11.09 Hz d) mode 4, 12.41 Hz 13 e) mode 5, 16.09 Hz f) mode 6, 16.45 Hz Hình 3.4 Sáu dạng dao động tự mô hình cầu La Khê 3.3 Thực nghiệm đo dao động KCN cầu địa bàn TP Hà Nội 3.3.1 Trình tự thực đo dao động Chuẩn bị thiết bị Bố trí điểm đo KCN Thực đo thu nhận tín hiệu: tiến hành đo nhiều lần (ít lần) điểm đo (1 setup) Thời gian lần đo kéo dài từ 10 – 20 phút Thời gian ngắt quãng hai lần đo tùy thuộc vào nguồn kích thích, thông thường bắt đầu lần đo trước có phương tiện vào cầu (đo điều kiện khai thác), ngắt quãng từ – phút Số liệu xử lý trước cách lọc nhiễu Nhận dạng đặc trưng dao động Mô tả kết 3.3.2 Thiết bị đo Máy có đầu đo dao động gắn theo ba phương dọc, ngang thẳng đứng Số liệu đầu đo thu lưu vào thẻ nhớ gắn sẵn máy Ngoài ra, kết nối máy tính (laptop) với máy đo thông qua cổng Ethernet máy để theo dõi số liệu trực tiếp a) Máy đo; b) Cảm biến bên máy; c) Máy tính kết nối để đọc liệu; Hình 3.5 Minh họa máy đo dao động GMSplus 3.3.3 Bố trí điểm đo dao động Đối với KCN dầm giản đơn mặt cắt ngang có nhiều dầm, điểm đo dao động phải bố trí toàn dầm Nói chung, dầm giản đơn phải bố trí vị trí đo dao động: dầm, vị trí 1/4 dầm 3/4 dầm để lấy mode dao động uốn thẳng đứng Trên vị trí bố trí ba điểm đo dao động theo ba phương Trong trường hợp sử dụng cảm biến đo phương, số điểm đo cho dầm điểm, tổng số điểm đo cho KCN có dầm 18 điểm đo 14 Hình 3.6 Minh họa bố trí điểm đo dao động mặt cắt ngang cầu Hình 3.7 Sơ đồ bố trí điểm đo mặt cầu 3.3.4 Kết đo dao động KCN cầu Các số liệu đo xử lý phần mềm MACEC 3.2 để xác định tần số dao động riêng mode dao động tương ứng KCN Hình minh họa biểu đồ ổn định – dải tần số đo KCN N1 cầu Kiến Hưng xử lý từ phần mềm MACEC 3.2 Hình 3.8 Biểu đồ ổn định dải tần số đo đƣợc KCN N1 cầu Kiến Hƣng 3.3.5 So sánh kết tính kết đo dao động cầu Kết so sánh tần số tính toán từ mô hình tần số đo tương ứng KCN cầu kể trình bày bảng Kết đo tính chênh phạm vi nhỏ 10% Sự sai khác kết tính đo nguyên nhân sau 15 đây: chưa xét cách xác phần khối lượng phi kết cấu (lan can, gờ chắn bánh, tay vịn, ); chưa xét đầy đủ xác điều kiện biên: liên kết dầm với gối, độ cứng gối cầu, ; có thay đổi kết cấu điều kiện biên so với thời điểm ban đầu Bảng 3.1 So sánh tần số tính đo cầu Kiến Hƣng TT Tần số đo (Hz) Tần số tính (Hz) Chênh lệch (%) 4.23 5.15 6.14 6.87 9.06 9.92 3.98 4.65 6.51 7.54 9.87 10.87 -5.9% -9.7% 6.0% 9.8% 8.9% 9.6% Bảng 3.2 So sánh tần số tính đo cầu La Khê TT Tần số đo (Hz) Tần số tính (Hz) Chênh lệch (%) 4.36 4.2 -3.7% 5.1 4.62 -9.4% 10.56 11.09 5.0% 11.32 12.41 9.6% 14.8 16.09 8.7% 15 16.45 9.7% 3.4 Phân tích ảnh hƣởng hƣ hỏng đến đặc trƣng dao động KCN cầu BT 3.4.1 Miêu tả mô hình Để mô xuống cấp hư hỏng cầu, số phần tử dầm thay đổi độ cứng (chống uốn) so với độ cứng ban đầu Có hai trường hợp xem xét mô phỏng: + Bê tông bị suy giảm mô đun đàn hồi (E), + Một số vị trí xuất vết nứt hư hỏng: mô thông qua việc thay đổi mô men quán tính mặt cắt (I) số phần tử 3.4.2 Bê tông bị suy giảm mô đun đàn hồi (E) Ba tình xem xét bao gồm suy giảm mô đun đàn hồi bê tông tại: mặt cầu, dầm chủ, mặt cầu dầm chủ Trong tình kể trên, mô đun đàn hồi (E) bê tông mô suy giảm theo mức: giảm 20%, 40% 60%, tức bê tông có mô 16 đun đàn hồi 0.8E, 0.6E 0.4E Với kịch bản, tần số trích xuất từ mô hình phần tử hữu hạn so sánh với tần số mô hình ban đầu trước bị hư hỏng Hình 3.9 Sự thay đổi tần số thay đổi mô đun đàn hồi BT mặt cầu Hình 3.10 Sự thay đổi tần số thay đổi mô đun đàn hồi BT dầm 17 Hình 3.11 Sự thay đổi tần số thay đổi mô đun đàn hồi BT mặt cầu dầm Dễ nhận thấy giảm mô đun đàn hồi bê tông mặt cầu hoặc/và dầm chủ, tần số dao động giảm gần tuyến tính với độ giảm mô đun đàn hồi E Khi mô đun đàn hồi (E) BT mặt cầu giảm 60% tần số giảm 12.9%, E BT dầm giảm 60% tần số giảm 29%, E BT dầm giảm 60% tần số giảm 36.8% 3.4.3 KCN có vết nứt hư hỏng Có 10 kịch hư hỏng giả định xuất dầm chủ (4), dầm ngang (1), mặt cầu (5) Các hư hỏng mô thông qua việc thay đổi độ cứng chống uốn (EI) số phần tử cách: giảm mô men quán tính mặt cắt (I) xuống 50%, giảm mô đun đàn hồi BT (E) xuống 50% Mười hai kịch hư hỏng từ H1 đến H12 minh họa Hình 3.66-3.73, hư hỏng H8-H12 hư hỏng vị trí ngẫu nhiên mặt cầu ứng với trường hợp 10%, 20%, 30%, 40% 50% diện tích mặt cầu bị hư hỏng Hình 3.12 Hƣ hỏng H1 dầm số Hình 3.13 Hƣ hỏng H2 dầm số 1, 18 Hình 3.14 Hƣ hỏng H3 hai dầm biên Hình 3.15 Hƣ hỏng H4 hai dầm Hình 3.16 Hƣ hỏng H5 dầm ngang Hình 3.17 Hƣ hỏng ngẫu nhiên (10% - 50%) mặt cầu (H8-H12) Các tần số thay đổi tần số so với mô hình ban đầu trường hợp hư hỏng (vết nứt) dầm chủ, dầm ngang mặt cầu (H1-H12) liệt kê Bảng 3.5 Hình 3.18 biểu diễn giảm tần số trường hợp hư hỏng vị trí ngẫu nhiên mặt cầu (từ 10%-50%) so với tần số mô hình ban đầu chưa hư hỏng Bảng 3.5 Sự thay đổi tần số giảm mô đun đàn hồi BT dầm Hƣ hỏng Không hư hỏng H1 H2 H3 H4 H5 H6 H7 H8 H9 H10 H11 H12 Mode Mode Mode Mode Mode f1 (Hz) Giảm (%) f2 (Hz) Giả m (%) 4.21 - 4.62 - 11.10 - 12.43 - 16.11 - 4.20 4.17 4.19 4.19 4.22 4.18 4.18 4.17 4.13 4.10 4.05 4.01 0.2 0.8 0.5 0.4 0.4 0.5 0.6 0.9 1.8 2.4 3.6 4.6 4.62 4.61 4.61 4.62 4.63 4.62 4.60 4.56 4.51 4.44 4.40 4.35 0.0 0.3 0.4 0.0 0.1 0.1 0.6 1.3 2.4 3.9 4.9 6.0 11.10 11.08 11.09 11.10 10.31 11.08 11.04 11.01 10.92 10.87 10.74 10.68 0.1 0.2 0.1 0.1 7.2 0.2 0.5 0.8 1.7 2.1 3.3 3.8 12.43 12.43 12.43 12.42 12.40 12.42 12.40 12.29 12.08 11.77 11.78 11.43 0.0 0.0 0.0 0.0 0.2 0.1 0.2 1.1 2.8 5.3 5.2 8.0 16.11 16.11 16.05 16.05 16.16 16.10 16.06 15.99 15.83 15.73 15.57 15.43 0.0 0.0 0.4 0.4 0.3 0.1 0.3 0.8 1.7 2.4 3.4 4.2 f3 (Hz) Giảm (%) f4 (Hz) Giảm (%) f5 (Hz) Giảm (%) 19 Hình 3.18 Sự thay đổi (giảm) tần số theo mức độ hƣ hỏng ngẫu nhiên mặt cầu 3.5 Phân tích đặc điểm kết cấu nhạy cảm với thay đổi đặc trƣng dao động 3.5.1 Thuộc tính cản 3.5.2 Thuộc tính độ cứng 3.5.3 Thuộc tính khối lượng 3.5.4 Ảnh hưởng khối lượng phần kết cấu phụ 3.5.5 Phân tích ảnh hưởng độ cứng gối cầu đến đặc trưng dao động Khi độ cứng gối Kg (cầu La Khê) tăng lên giá trị tần số mô hình tăng lên không tăng theo quan hệ tuyến tính, thể hình vẽ Khi độ cứng gối tăng lên khoảng 109 N/m tần số dao động tương ứng 4.80 Hz, tăng 14.3% so với tần số ban đầu Khi tăng độ cứng gối lên tần số gần không tăng Hình 3.19 Quan hệ độ cứng gối đến tần số dao động 3.6 Xác định vị trí hƣ hỏng KCN cầu dầm phƣơng pháp chẩn đoán động Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn giả lập hư hỏng số vị trí dầm Trong kết tính toán này, có tần số dạng thức dao 20 động giữ lại để giả lập kết đo dao động cầu Từ tiến hành toán ngược xác định vị trí hư hỏng KCN Vị trí hư hỏng đối chiếu với vị trí giả lập ban đầu để xem có trùng khớp hay không, trùng khớp phương pháp chẩn đoán sử dụng phương pháp tin cậy, áp dụng Ở sử dụng số kịch hư hỏng kể trên, H1, H2 H4 Để thực toán xác định vị trí hư hỏng kết cấu, sử dụng phương pháp dựa thay đổi độ mềm biểu kiến kết cấu trình bày chương Chỉ số MFC tính toán cho hư hỏng H1 thể dạng mặt không gian Hình 3.20 số MFC theo dầm Hình 3.21 Dễ dàng nhận thấy, có số MFC dầm số bất thường, số MFC cho dầm khác dấu hiệu bất thường (dạng cong trơn) Chỉ số MFC dầm số có cực trị dầm, tức độ mềm dầm có thay đổi, vị trí có hư hỏng So sánh kết với Hình 3.12 thấy vị trí hư hỏng trùng khớp với vị trí hư hỏng giả định Hình 3.22 Biểu diễn số MFC hƣ hỏng H1 theo không gian 21 Hình 3.23 MFC vị trí hƣ hỏng H1 dầm Tương tự vậy, tính số MFC cho kịch hư hỏng khác H2 H4 So sánh kết với giả thiết ban đầu thấy vị trí hư hỏng trùng khớp với vị trí hư hỏng giả định Như vậy, với phương pháp tính toán thay đổi độ mềm biểu kiến kết cấu (chỉ số MFC), bước đầu xác định vị trí hư hỏng dầm số trường hợp đơn giản Kết luận Chƣơng Sáu KCN cầu địa bàn TP Hà Nội tiến hành đo dao động điều kiện khai thác Dựa liệu đo, phương pháp nhận dạng dao động áp dụng để xác định đặc trưng dao động KCN cầu này, bao gồm tần số dao động riêng dạng thức dao động Mô hình phần tử hữu hạn KCN cầu thiết lập để so sánh kết đo với kết tính toán, kết chênh lệch tối đa 10%, chứng tỏ mô hình tính chấp nhận Nguyên nhân sai khác chưa xét cách xác phần khối lượng phi kết cấu (lan can, gờ chắn bánh, tay vịn, ) chưa mô hình xác điều kiện biên (liên kết dầm với gối, độ cứng gối cầu, ) Luận án mô số hư hỏng KCN cầu dầm BT nhịp giản đơn cụ thể (bao gồm hư hỏng mặt cầu, dầm chủ dầm ngang) khảo sát ảnh hưởng hư hỏng đến thay đổi đặc trưng dao động tần số dao động riêng, dạng thức dao động Ngoài ra, luận án mô hư hỏng ngẫu nhiên mặt cầu phân tích ảnh hưởng đến thay đổi tần số dao động riêng KCN cầu dầm giản đơn BTCT Tùy theo mức độ hư hỏng mà tần số dao động riêng KCN bị ảnh hưởng hay nhiều Luận án phân tích ảnh hưởng độ cứng gối cầu đến tần số dao động riêng KCN cầu dầm BT nhịp giản đơn dựa mô hình PTHH cầu La Khê Cụ thể: coi gối gối di động (có độ cứng theo phương dọc cầu 0) tần số dao động cầu 4.20 Hz, độ cứng dọc 22 cầu gối 109 N/m tần số dao động cầu 4.80 Hz tăng 14.3%, tăng độ cứng gối 109 N/m tần số gần không tăng, có nghĩa giá trị độ cứng Kg = 109 N/m coi tương đương với gối cố định Luận án thực toán chẩn đoán động xác định vị trí hư hỏng KCN cầu dầm BT nhịp giản đơn, KCN cầu mô xuất số hư hỏng để giả lập số liệu đo dao động, sau sử dụng phương pháp dựa độ mềm biểu kiến kết cấu (tính toán tham số dao động tần số dao động riêng dạng thức dao động) để tìm vị trí hư hỏng KCN phát xác vị trí hư hỏng giả định CHƢƠNG ĐỀ XUẤT ỨNG DỤNG PHƢƠNG PHÁP ĐO DAO ĐỘNG VÀ CHẨN ĐOÁN ĐỘNG VÀO CÔNG TÁC QUẢN LÝ CẦU CỦA TP HÀ NỘI 4.1 Đề xuất tích hợp bổ sung số đặc trƣng dao động vào hệ thống tham số cần theo dõi, đo đạc kiểm tra công tác quản lý khai thác cầu TP Hà Nội Dựa vào kết nghiên cứu luận án, để nâng cao hiệu công tác quản lý khai thác công trình cầu, luận án đề xuất cần đo đạc theo dõi tham số dao động sau: tần số dao động riêng (f) dạng thức dao động riêng ( ) tương ứng với tần số 4.2 Xây dựng chƣơng trình máy tính dùng để chẩn đoán KCN cầu phƣơng pháp dao động dựa tham số lựa chọn Dựa thuật toán xây dựng Chương 3, tác giả xây dựng chương trình “Chẩn đoán kết cấu nhịp cầu – MFC Version 1.0” (viết MATLAB) dùng để phân tích xác định vị trí hư hỏng KCN cầu BT nhịp giản đơn Giao diện chương trình thể Hình 4.1 23 Hình 4.1 Chƣơng trình “Chẩn đoán kết cấu nhịp cầu – MFC Version 1.0” 4.3 Xây dựng quy trình quản lý chẩn đoán KCN phương pháp dao động 4.3.1 Thu thập hồ sơ 4.3.2 Khảo sát trạng kết cấu, đánh giá dựa quan sát mắt thường 4.3.3 Lập mô hình kết cấu ban đầu 4.3.4 Bố trí điểm đo dao động KCN cầu 4.3.5 Đo dao động KCN cầu 4.3.6 Hiệu chỉnh mô hình KCN cầu 4.3.7 Xác định theo dõi tham số đặc trưng dao động KCN 4.3.8 Quản lý thiết bị máy móc, quản lý kỹ thuật máy 4.3.9 Quản lý số liệu đo tổ chức thực 4.3.10 Đề xuất xây dựng ngưỡng cảnh báo Kết luận chƣơng Tích hợp tham số đặc trưng dao động vào việc quản lý khai thác KCN cầu bao gồm tần số dao động riêng dạng thức dao động Đề xuất sử dụng phương pháp đo dao động điều kiện khai thác KCN cầu trình tự tiến hành chẩn đoán động KCN dựa dao động Xây dựng chương trình “Chẩn đoán KCN cầu - MFC Version 1.0” Chương trình dạng đơn giản có khả xử lý tham số dao động KCN thời điểm ban đầu để tính toán số MFC phát vị trí hư hỏng KCN cầu 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận: Phương pháp nhận dạng dao động áp dụng để xác định đặc trưng dao động KCN cầu, có tham số quan trọng là: tần số dao động riêng dạng thức dao động Từ xác định số MFC cho toán chẩn đoán động KCN cầu Mô hình phần tử hữu hạn KCN cầu xây dựng để tính tần số riêng dạng thức dao động lý thuyết So sánh kết đo cầu (thực địa bàn TP Hà Nội) với kết tính toán cho thấy chênh lệch nằm phạm vi 10%, chứng tỏ mô hình tính chấp nhận Có thể nâng cao độ xác cho mô hình cách xét chi tiết điều kiện biên (liên kết dầm với gối, độ cứng gối cầu, ) Đã mô số hư hỏng KCN cầu dầm BT nhịp giản đơn cụ thể (bao gồm hư hỏng mặt cầu, dầm chủ dầm ngang) khảo sát ảnh hưởng hư hỏng đến thay đổi đặc trưng dao động tần số dao động riêng, dạng thức dao động Ngoài ra, luận án mô hư hỏng ngẫu nhiên mặt cầu phân tích ảnh hưởng đến thay đổi tần số dao động riêng KCN cầu dầm giản đơn BTCT Tùy theo mức độ hư hỏng mà tần số dao động riêng KCN bị ảnh hưởng hay nhiều Đã phân tích ảnh hưởng độ cứng gối cầu đến tần số dao động riêng KCN cầu dầm BT nhịp giản đơn dựa mô hình PTHH cầu La Khê Cụ thể: coi gối gối di động (có độ cứng theo phương dọc cầu 0) tần số dao động cầu 4.20 Hz, độ cứng dọc cầu gối 109 N/m tần số dao động cầu 4.80 Hz - tăng 14.3%, tăng độ cứng gối 109 N/m tần số gần không tăng, có nghĩa giá trị độ cứng Kg = 109 N/m coi tương đương với gối cố định Đã thực thử nghiệm toán chẩn đoán động xác định vị trí hư hỏng KCN cầu dầm nhịp giản đơn, KCN cầu mô xuất số hư hỏng để giả lập số liệu đo dao động, sau sử dụng phương pháp dựa độ mềm biểu kiến kết cấu (tính toán tham số dao động tần số dao động riêng dạng thức dao động) để tìm vị trí hư hỏng KCN phát xác vị trí hư hỏng Đã đề xuất tích hợp bổ sung tham số động (gồm tần số dao động riêng dạng thức dao động riêng) vào công tác quản lý khai thác cầu; xây dựng quy trình quản lý chẩn đoán động KCN cầu Xây dựng chương trình “Chẩn đoán KCN cầu - MFC Version 1.0” Chương trình dạng đơn giản có khả xử lý 25 tham số dao động KCN thời điểm ban đầu để tính toán số MFC phát vị trí hư hỏng KCN cầu Kiến nghị: Trong phạm vi nghiên cứu luận án, công trình cầu TP Hà Nội đo dao động lần (cuối năm 2015 - đầu năm 2016) Theo kiến nghị luận án, KCN cầu cần đo định kỳ, vậy, việc đo đạc dao động công trình cầu nêu cần tiến hành thời gian tới nhằm mục đích chẩn đoán cầu đánh giá tình trạng cầu thời điểm Đề nghị ứng dụng quy trình quản lý chẩn đoán KCN phương pháp dao động cho công trình cầu BT nhịp giản đơn địa bàn TP Hà Nội Quy trình hiệu chỉnh cho phù hợp với thực tế áp dụng cho KCN cầu BT giản đơn liên tục nước Nâng cấp chương trình “Chẩn đoán KCN cầu - MFC Version 1.0” theo hướng: a) Đọc xử lý tốt thông tin từ file liệu đầu phần mềm MACEC; b) Nâng cấp thuật toán tính MFC để kết vị trí hư hỏng KCN thể cách rõ ràng hơn; c) Xây dựng thêm mô-đun quản lý liệu tham số động KCN cầu đo DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN Nguyễn Tiến Minh, Đào Văn Quang, Đỗ Anh Tú, Bùi Tiến Thành, Nguyễn Ngọc Long (2015), Phân tích dao động tự cầu chéo mô hình theo cấu kiện mạng dầm – bản, Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số tháng 10/2015 Nguyễn Tiến Minh (2016), Giải pháp ứng dụng phương pháp chẩn đoán động để đánh giá khả chịu tải kết cấu nhịp cầu góp phần nâng cao hiệu công tác quản lý, Báo cáo khoa học tổng kết, Đề tài KHCN TP Hà Nội, mã số đề tài: 01C-04/05-2014-2 Nguyễn Tiến Minh, Đỗ Anh Tú (2016), Ảnh hưởng số loại hư hỏng đến đặc trưng dao động kết cấu nhịp cầu dầm bê tông nhịp giản đơn, Tạp chí Giao thông Vận tải, số tháng 9/2016 Nguyễn Tiến Minh, Đỗ Anh Tú, Nguyễn Ngọc Long (2017), Xác định vị trí hư hỏng kết cấu nhịp cầu dầm phương pháp dao động Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 55, tháng 12/2016 ... trạng cầu mà người ta sử dụng phương pháp chẩn đoán khác Chẩn đoán cầu phương pháp dao động (hay chẩn đoán động) toán chẩn đoán cầu sử dụng kết đo dao động cầu Trong phương pháp chẩn đoán động, kết. .. tác quản lý công trình cầu nghiên cứu ứng dụng phương pháp chẩn đoán động KCN cầu, đề xuất tham số dao động vào quy trình quản lý kỹ thuật công trình cầu để góp phần nâng cao hiệu công tác quản. .. DỤNG TRONG BÀI TOÁN CHẨN ĐOÁN ĐỘNG 2.1 Cơ sở lý thuyết dao động kết cấu 2.1.1 Phương trình vi phân dao động hệ bậc tự Để nghiên cứu phương pháp chẩn đoán động tham số sử dụng toán chẩn đoán động