Phân tích ảnh hưởng của độ cứng nền móng đến ứng xử động lực học của trụ cầu

Bài viết Phân tích ảnh hưởng của độ cứng nền móng đến ứng xử động lực học của trụ cầu tập trung đi phân tích ảnh hưởng của độ cứng nền móng đến ứng xử động lực học của trụ cầu. Thông qua mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn bài viết cũng chỉ ra được những thay đổi rõ rệt của tần số dao động thân trụ khi độ cứng nền móng cầu thay đổi.

Journal of Science and Transport Technology University of Transport Technology Analyze influence of bridge foundation stiffness to dynamic behavior of the bridge pier Article info Type of article: Original research paper *Corresponding author: E-mail address: nghipt @utt.edu.vn Received: 30/11/2021 Accepted: 16/05/2022 Published: 30/05/2022 JSTT 2022, (2), 28-34 Phung Tang Nghi*, Do Van Nguyen, Vu Tran Linh University of Transport Technology, 54 Trieu Khuc,Thanh Xuan, Hanoi 100000, Vietnam Abstract: Condition assessment of the bridge pier is an important problem, this work helps to early detect the irregularities of the piers as well as the link system of the piers to propose timely solutions During the assessment process, it is very important to choose parameters that are sensitive to changes in the structure In this paper, we focus on analyzing the effect of bridge foundation stiffness to dynamic behavior of the bridge pier Through simulation by finite element method, the paper also shows the obvious changes of piers and beam frequency when the bridge foundation stiffness changes This result is useful for diagnosing the bridge foundations and piers later Keywords: Pier, dynamic behavior; Bridge foundation stiffness; Finite element method https://jstt.vn/index.php/vn Tạp chí điện tử Khoa học Cơng nghệ Giao thơng Trường Đại học Cơng nghệ GTVT Phân tích ảnh hưởng độ cứng móng đến ứng xử động lực học trụ cầu Thông tin viết Dạng viết: Bài báo nghiên cứu *Tác giả liên hệ: Địa E-mail: nghipt @utt.edu.vn Ngày nộp bài: 30/11/2021 Ngày chấp nhận: 16/05/2022 Ngày đăng bài: 30/05/2022 Phùng Tăng Nghị*, Đỗ Văn Nguyên, Vũ Trần Linh Trường Đại học Công nghệ Giao thông vận tải, 54 Triều Khúc Thanh Xuân, Hà Nội 100000 Tóm tắt: Đánh giá trạng thái làm việc trụ cầu công việc quan trọng, công việc giúp sớm phát bất thường trụ hệ thống kết cấu liên kết với trụ từ đề xuất giải pháp kịp thời Trong trình đánh giá, việc lựa chọn tham số nhạy với thay đổi kết cấu quan trọng Trong báo tập trung phân tích ảnh hưởng độ cứng móng đến ứng xử động lực học trụ cầu Thông qua mô phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) báo thay đổi rõ rệt tần số dao động thân trụ độ cứng móng cầu thay đổi Kết giúp ích cho việc chẩn đốn móng cầu trụ cầu sau Từ khóa: Trụ cầu; Ứng xử động lực học; Độ cứng móng; Phương pháp PTHH Giới thiệu Cơng trình cầu sau thời gian khai thác không tránh tác động bất lợi khơng lường trước xói cục bộ, tàu thuyền va xô hay chịu tải trọng tải khai thác Trước tác động bất thường kết cấu cơng trình, việc đánh giá lại trạng cơng trình để đưa giải pháp cần thiết Trong phương pháp đánh giá, phương pháp đánh giá không phá hủy thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới cả, thể nghiên cứu Christiane Maierhofer cộng [1] Trong tài liệu gần tồn phương pháp khơng phá hủy C Maierhofer cộng trình bày cách tương đối tổng quan Trong nhóm phương pháp khơng phá hủy phương pháp đánh giá dựa kết dao động quan tâm thể tài liệu Larry D Olson [2] Trong tài liệu thể tổng quan kỹ thuật đánh giá kết cấu bên dựa kết dao động JSTT 2022, (2), 28-34 Đánh giá điều kiện làm việc thực tế trụ cầu gần thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học giới Trong báo Qiang Mao cộng [3] trình bày tính khả thi việc tận dụng kỹ thuật nhận dạng kết cấu để mô tả kết cấu bên móng cầu Một cầu ba nhịp giản đơn đặt Mossy, West Virginia, Hoa Kỳ, sử dụng làm trường hợp nghiên cứu Phân tích modal kỹ thuật cập nhật mơ hình phần tử hữu hạn sử dụng để điều tra ước tính độ khơng đảm bảo điều kiện kết cấu Mơ hình phần tử hữu hạn cập nhật cho kết cấu cung cấp thơng tin có giá trị để đánh giá điều kiện cầu chứng minh cách nhận dạng kết cấu công cụ hữu hiệu cho trường hợp xem xét Một nghiên cứu trình bày rõ kỹ thuật đánh giá trụ cầu Masahiro SHINODA cộng [4] trình bày báo Trong báo mơ tả đánh giá không phá hủy thông thường kết cấu bên cầu đường sắt thử nghiệm gõ https://jstt.vn/index.php/vn JSTT 2022, (2), 28-34 Phùng & nnk đánh giá xói trụ cầu thơng qua đo dao động thân trụ Trong nghiên cứu kết hợp đo đạc ngồi trường mơ số để kiểm tra kết Gần hơn, Kasun D Kariyawasam cộng [7] sử dụng kết đo tần số dao động cầu để đánh giá tình trạng xói trụ cầu, kết đo cho thấy tần số dao động nhạy để đánh giá tình trạng xói trụ cầu Bằng thử nghiệm gõ, tần số tự nhiên kết cấu phần cầu đo với độ xác cao áp dụng cho nhiều cơng trình kết cấu bên cầu đường sắt Nhật Bản Cũng nghiên cứu thơng qua phương pháp kích thích dao động gõ J.W Zhan cộng [5] tiến hành đo dao động thân trụ móng, độ cứng thân trụ, độ cứng gối cầu độ cứng đất sử dụng làm tham số điều kiện Sự nhạy phản ứng theo chiều dọc tác động lực xung phân tích Tiêu chí đảm bảo số hư hỏng (SAC) dựa hàm phản ứng tần số (FRF) sử dụng để đánh giá hư hỏng có tồn hay khơng để xác định mức độ hư hỏng toàn cầu Với phản ứng tác động theo chiều dọc thử nghiệm tham số modal làm mục tiêu, tham số gối cầu, tham số độ cứng tham số mặt đất lấy phương pháp cập nhật mơ hình phần tử hữu hạn Do đó, trạng thái làm việc kết cấu bên cầu đánh giá Thơng qua nghiên cứu cho thấy việc sử dụng kết đo dao động thân trụ để đánh giá tình trạng thân trụ móng bên xu hướng nghiên cứu giới Qua nghiên cứu cho thấy việc tìm tham số ảnh hưởng đến kết đo cơng việc cần thiết giúp nhà nghiên cứu tránh sai lầm đánh giá Với điều kiện nêu việc báo tiến hành phân tích tham số ảnh hưởng lớn đến làm việc trụ cầu độ cứng móng cầu Mục đích nghiên cứu tìm mối quan hệ độ cứng móng với dao động trụ qua phục vụ tốn chẩn đoán sau phạm vi nghiên cứu trụ cầu dầm giản đơn Phân tích báo góp phần khơng đánh giá làm việc trụ cầu cịn đánh giá ngược tình trạng móng cầu bên Trong thời gian khai thác trụ cầu khơng tránh bị xói, để đánh giá nhanh tình trạng xói chân trụ nhiều tác giả dùng phương pháp phân tích dao động trụ để đánh giá Trong nghiên cứu Ko, Y Y cộng [6] nhóm nghiên cứu Trụ cầu Khơng xói Xói cục (a) (b) Xói chung (c) Hình Minh họa trường hợp có xói khơng xói [7]: (a) khơng xói; (b) xói cục bộ; (c) xói chung Cơ sở lý thuyết Trụ cầu giai đoạn khai thác làm việc đơn giản hóa coi dầm có đầu liên kết đàn hồi với bệ móng có đầu tự liên kết đàn hồi với kết cấu nhịp thông qua gối cầu Từ việc đơn giản hóa sơ đồ làm việc, theo lý thuyết Rayleigh [8], tần số dao động kết cấu biểu diễn dạng “công thức (1)”  k* m* (1) m*   m( x )  x  dx   mi  xi  L   Ji '( xi ) (2) 30 JSTT 2022, (2), 28-34 L L 0 Phùng & nnk k *   k ( x ) ( x )2 dx   EI ( x ) "( x )2 dx (3)   ki ( xi )2 Trong k* độ cứng suy rộng m* khối lượng suy rộng phụ thuộc vào kết cấu hàm dạng lựa chọn hệ tọa độ suy rộng  ( x ) : hàm dạng mode dao động tương ứng m(x): khối lượng đơn vị chiều dài mi: khối lượng chất thêm vị trí xi Ji: mơ men qn tính khối lượng chất thêm vị trí xi k(x): độ cứng đàn hồi đơn vị chiều dài EI(x): độ cứng chống uốn dầm ki: độ cứng gối đàn hồi vị trí xi xi: vị trí khối lượng chất thêm, mơ men qn tính khối lượng chất thêm (gối đàn hồi)  "( x) : đạo hàm bậc hai theo biến x hàm dạng Từ phương trình cho thấy kết dao động trụ ảnh chịu ảnh hưởng lớn từ độ cứng liên kết đàn hồi với trụ, trường hợp gối cầu độ cứng móng (các giá trị ki cơng thức 3) Để thể cách tường minh báo tiến hành phân tích phương pháp phần tử hữu hạn Số liệu đưa vào phân tích Để thấy rõ tham số ảnh hưởng đến dao động trụ cầu, báo tiến hành phân tích dao động hệ kết cấu sau: Cầu dầm giản đơn, mặt cắt ngang cầu đươc cấu tạo ba dầm chữ I dài 33m đặt cách 2.4m; đầu dầm bố trí gối cố định (trụ 1), đầu dầm bố trí gối di động (trụ 2) Trụ có cấu tạo trụ thân cột BTCT, đường kính 1m, đặt cách 2.4m; xà mũ có kích thước mặt cắt ngang 1.5x1m Kết cấu phân tích dao động với trường hợp khác (trường hợp thứ thay đổi độ cứng gối cầu phương-trừ phương dọc cầu, trường hợp thứ hai thay đổi độ cứng phương chuyển vị gối cầu-phương dọc cầu) Để thể hiện tượng xói xảy móng, nghiên cứu giả thiết chân trụ ngàm với đất có độ cứng thay đổi từ 100,000,000kN/m đến 100,000 kN/m theo phương chuyển vị Dx Dy; độ cứng xoay giả thiết thay đổi từ 100,000,000kN.m/rad đến 100,000 kN.m/rad, trục Dx Dy Các giá trị độ cứng theo phương thẳng đứng Ma trận độ cứng móng, gối cầu, dầm cầu chương trình phần tử hữu hạn tự động tính tốn cho mơ hình kết cấu cầu dầm giản đơn có xét đến trụ độ cứng móng Kết phân tích tần số dao động (Hz) thể thơng qua Bảng hình minh họa Bảng Kết tần số dao động độ cứng móng thay đổi ĐỘ CỨNG CỦA NỀN MÓNG Mode K=10^5 K=5*10^5 K=10^6 K=5*10^6 K=10^7 K=5*10^7 K=10^8 10 11 12 0.153449 0.228922 0.247126 0.265008 0.267509 0.269559 0.247172 0.413881 0.430213 0.630423 2.438171 2.602437 3.514496 3.944976 4.179804 4.273577 4.903540 4.939782 0.530190 0.661681 0.794033 2.485053 2.603987 3.949164 4.201791 4.382954 4.910063 5.690457 5.776785 0.564168 0.721009 0.843039 2.500731 2.604302 3.950087 4.407081 4.476250 5.210852 6.010182 6.113072 0.600003 0.780699 0.895128 2.518254 2.604590 3.950971 4.429779 4.820027 5.597217 6.415075 6.525484 0.605219 0.789160 0.902738 2.520888 2.604629 3.951093 4.432867 4.875444 5.660473 6.480392 6.592045 0.609531 0.796113 0.909035 2.523081 2.604661 3.951193 4.435381 4.922386 5.714260 6.535639 6.648442 0.610045 0.721223 0.909626 2.523331 2.604311 3.951120 4.425563 4.493516 5.234380 6.103376 6.159577 31 JSTT 2022, (2), 28-34 Phùng & nnk (a) (b) Hình Dạng mode dao động thứ thứ hai- dao động trụ (a) (b) Hình Các dạng mode dao động thứ năm thứ sáu-dao động dầm Kết phân tích thảo luận 4.1 Trường hợp phân tích dao động trụ Kết phân tích từ mơ hình PTHH thu kết hình 4, hình Trên sở số liệu tiến hành vẽ biểu đồ quan hệ tần số dao động trụ với độ cứng móng Từ kết phân tích cho thấy tần số dao động trụ bố trí gối cố định, gối di động có xu hướng thay đổi tần số thay đổi độ cứng móng Qua phân tích rút kinh nghiệm, bố trí thiết bị đo đạc trụ bố trí gối di động hay bố trí thiết bị đo trụ có bố trí gối cố định đánh giá độ suy giảm độ cứng móng Trường hợp thứ hai thiết lập mối quan hệ độ cứng móng với dao động dầm Từ kết phân tích phương pháp phần tử hữu hạn vẽ biểu đồ quan hệ tần số dao động độ cứng móng hình 4,5,6,7 Từ hình hình cho thấy tần số dao động dầm thay đổi rõ rệt độ cứng móng suy giảm, qua sử dụng kết dao động dầm để đánh giá tình trạng làm việc móng cầu Để thấy rõ ảnh hưởng độ cứng móng tới dao động dầm cầu, báo phân tích trường hợp thứ hai 4.2 Trường hợp phân tích dao động dầm cầu Để thấy rõ ảnh hưởng độ cứng với trụ, báo có phân tích thêm ảnh hưởng độ cứng với dao động dầm Hình Biểu đồ quan hệ tần số dao động trụ với độ cứng móng 32 JSTT 2022, (2), 28-34 Phùng & nnk tế đo đạc dao động trụ cầu thường thu tần số dao động trụ cầu kết bước đầu ảnh hưởng thay đổi độ cứng gối cầu đến phận cơng trình cầu Kết góp phần cơng tác đo đạc phục vụ tốn chẩn đốn cầu tốn cập nhật mơ hình sau Hình Biều đồ quan hệ tần số dao động trụ với độ cứng móng Qua phân tích với giả thiết thấy rõ ảnh hưởng tượng xói móng ảnh hưởng lớn đến kết đo dao động trụ cầu dầm cầu, từ đề thuật tốn góp phần chẩn đốn tượng xói mố trụ cầu sau Tài liệu tham khảo [1] M Christiane, H-W Reinhardt and G Dobmann (2010) Non-destructive evaluation of reinforced concrete structures © Woodhead Publishing Limited [2] D Larry D., P.E Olson (2005) Dynamic Bridge Substructure Evaluation and Monitoring FHWA-RD-03-089 Hình Biểu đồ quan hệ tần số dao động ngang dầm độ cứng móng [3] M Qiang, M Matteo, D John, B John, Y Charles, S Kurt, A Emin, M Franklin, B Ivan (2019) Structural condition assessment of a bridge pier: A case study using experimental modal analysis and finite element model updating Struct Control Health Monit 2019; 26: e2273 [4] S Masahiro, H Hiroshi and M Seiji (2008) Nondestructive evaluation of railway bridge substructures by percussion test Fourth International Conference on Scour and Erosion 2008 Kết luận [5] J.W Zhan, H Xia and N Zhang (2013) A damage evaluation method for bridge substructures using longitudinal impact dynamic responses Research and Applications in Structural Engineering, Mechanics and Computation, © Taylor & Francis Group, London Bài báo tiến hành phân tích ảnh hưởng độ cứng móng cầu đến tần số dao động cơng trình cầu gồm kết cấu nhịp, trụ cầu bố trí gối cố định trụ cầu bố trí gối di động Trong thực [6] Y Y Ko, W.F Lee, W K Chang, H T Mei, C H Chen (2010) Scour Evaluation of Bridge Foundations Using Vibration Measurement In: Burns, Susan E.; Bhatia, Shobha K.; Avila, Hình Biểu đồ quan hệ tần số dao động uốn dầm độ cứng móng 33 JSTT 2022, (2), 28-34 Catherine M C.; Hunt, Beatrice E (Hg.): Proceedings 5th International Conference on Scour and Erosion (ICSE-5), November 7-10, 2010, San Francisco, USA [7] D.K Kasun, R.M Campbell, M Gopal, K.H Stuart, P.T James (2020) Assessment of bridge Phùng & nnk natural frequency as an indicator of scour using centrifuge modelling Journal of Civil Structural Health Monitoring [8] R W Clough, J Penzien (2003) Dynamics of structures Computers & Structures, Inc., Berkeley, CA 94704 34 ... ảnh hưởng độ cứng móng tới dao động dầm cầu, báo phân tích trường hợp thứ hai 4.2 Trường hợp phân tích dao động dầm cầu Để thấy rõ ảnh hưởng độ cứng với trụ, báo có phân tích thêm ảnh hưởng độ. .. hệ tần số dao động trụ với độ cứng móng Từ kết phân tích cho thấy tần số dao động trụ bố trí gối cố định, gối di động có xu hướng thay đổi tần số thay đổi độ cứng móng Qua phân tích rút kinh... thẳng ? ?ứng Ma trận độ cứng móng, gối cầu, dầm cầu chương trình phần tử hữu hạn tự động tính tốn cho mơ hình kết cấu cầu dầm giản đơn có xét đến trụ độ cứng móng Kết phân tích tần số dao động (Hz)