Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu ứng xử của kết cấu công trình ngầm chịu tác dụng của động đất với giản đồ gia tốc nhân tạo

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -aµb - VŨ NGỌC ANH ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VỚI GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - NĂM 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ -aµb - VŨ NGỌC ANH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT VỚI GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình đặc biệt Mã số: 58 02 06 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẨN KHOA HỌC TS CAO CHU QUANG GS.TS NGUYỄN QUỐC BẢO HÀ NỘI - NĂM 2021 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tác giả xin phép bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc TS Cao Chu Quang GS,TS Nguyễn Quốc Bảo, hướng dẫn tận tình thầy nguồn động lực to lớn giúp tác giả hoàn thành luận án Tác giả trân trọng cảm ơn Bộ mơn Xây dựng Cơng trình Quốc phịng, Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt, Phịng Sau đại học, Hệ quản lý học viên sau đại học, Học viện Kỹ thuật Quân tạo điều kiện giúp đỡ thời gian nghiên cứu Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo thuộc Bộ mơn Xây dựng Cơng trình Quốc phịng, Viện Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt bạn đồng nghiệp nghiên cứu sinh đồng hành, hỗ trợ, động viên tác giả q trình cơng tác Cuối tác giả muốn bày tỏ lòng biết ơn với người thân gia đình ln cảm thơng, động viên chia sẻ khó khăn với tác giả suốt trình thực luận án Tác giả Vũ Ngọc Anh ii LỜI CAM ĐOAN Tôi Vũ Ngọc Anh, xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận án trung thực chưa cơng bố cơng trình Tác giả Vũ Ngọc Anh iii MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC VIẾT TẮT vii DANH MỤC KÝ HIỆU viii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC HÌNH VẼ xi MỞ ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Một số khái niệm chung động đất 1.1.1 Khái niệm chung 1.1.2 Các tiêu chí đánh giá độ mạnh động đất 1.1.3 Một số đặc trưng dao động 1.2 Tổng quan phân tích kết cấu cơng trình ngầm chịu tác dụng động đất theo sơ đồ toán phẳng 1.2.1 Phương pháp phân tích tĩnh áp đặt chuyển vị biên 1.2.2 Phương pháp phân tích tĩnh đặt tải trọng trực tiếp lên kết cấu 12 1.2.3 Phương pháp phân tích động lực học 12 1.3 Tổng quan phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo 14 1.3.1 Phương pháp phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo cách hiệu chỉnh giản đồ gia tốc sẵn có theo điều kiện khớp phổ phản ứng 15 1.3.2 Phương pháp phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc 18 1.4 Các vấn đề rút từ tổng quan 20 iv Chương XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT SINH GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO BẰNG CÁCH HIỆU CHỈNH GIẢN ĐỒ GIA TỐC SẴN CÓ THEO ĐIỀU KIỆN KHỚP PHỔ PHẢN ỨNG 22 2.1 Phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo theo điều kiện khớp phổ phản ứng theo phương pháp Hancock 22 2.1.1 Các khái niệm 22 2.1.2 Phép biến đổi Wavelet 24 2.1.3 Cơ sở lý thuyết phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo theo điều kiện khớp phổ phản ứng theo phương pháp Hancock 29 2.1.4 Các bước thực theo thuật toán Hancock, sơ đồ khối 34 2.2 Xây dựng chương trình PG01 35 2.2.1 Sơ đồ khối chương trình PG01 35 2.2.2 Giao diện tính chương trình PG01 36 2.3 Sử dụng chương trình PG01 tạo giản đồ gia tốc nhân tạo đá gốc theo điều kiện khớp phổ phản ứng 37 2.3.1 Số liệu phổ phản ứng đàn hồi theo TCVN 9386-2012 37 2.3.2 Lựa chọn giản đồ gia tốc đầu vào 39 2.3.3 Sử dụng chương trình PG01 phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo đá gốc phù hợp với điều kiện Hà Nội 41 2.4 Kết luận chương 50 Chương XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH PHÁT SINH NGẪU NHIÊN GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO DỰA TRÊN HỆ PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY 51 3.1 Cơ sở lý thuyết phát sinh ngẫu nhiên giản đồ gia tốc theo hệ phương trình hồi quy phương pháp Yamamoto 52 3.1.1 Các đặc trưng gói Wavelet 52 3.1.2 Phương pháp hệ phương trình Yamamoto 55 v 3.2 Nội dung thuật toán Yamamoto 57 3.2.1 Xác định tham số đặc trưng Wavelet từ hệ phương trình hồi quy Yamamoto 57 3.2.2 Phát sinh ngẫu nhiên hệ số Wavelet 59 3.2.3 Tái cấu trúc giản đồ gia tốc biến đổi ngược gói Wavelet 63 3.3 Cải biên thuật tốn Yamamoto, xây dựng chương trình PG0263 3.3.1 Cải biên thuật toán Yamamoto 63 3.3.2 Giao diện chương trình PG02 66 3.4 Sử dụng chương trình PG02 phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo đá gốc 67 3.4.1 Lựa chọn nguồn phát sinh động đất với địa điểm khảo sát 67 3.4.2 Sử dụng chương trình PG02 phát sinh giản đồ gia tốc nhân tạo đá gốc với đới động đất sông Hồng- sông Chảy 69 3.5 Kết luận chương 72 Chương KHẢO SÁT ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CƠNG TRÌNH NGẦM CHỊU TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT TẠI HÀ NỘI VỚI GIẢN ĐỒ GIA TỐC NHÂN TẠO 73 4.1 Xây dựng mô hình tốn phần mềm Plaxis khảo sát kết cấu cơng trình ngầm khu vực Hà Nội tác dụng động đất 73 4.1.1 Đối tượng khảo sát 73 4.1.2 Xác định miền nghiên cứu điều kiện biên tốn 75 4.1.3 Mơ hình hóa kết cấu vỏ hầm 77 4.1.4 Mơ hình vật liệu mơi trường 81 4.1.5 Thiết lập liệu giản đồ gia tốc tính toán 85 4.1.6 Kết xây dựng mơ hình tốn phần mềm Plaxis 2D 85 vi 4.2 Tính tốn nội lực xuất vỏ hầm tính tốn với giản đồ gia tốc nhân tạo khác phát sinh từ chương trình PG01 PG02 87 4.2.1 Tính tốn với giản đồ gia tốc phát sinh chương trình PG01 87 4.2.2 Tính tốn cơng trình ngầm với giản đồ gia tốc nhân tạo phát sinh chương trình PG02 89 4.2.3 So sánh nội lực phát sinh phân tích động lực học kết cấu cơng trình ngầm với gia tốc nhân tạo phát sinh PG01 PG02 92 4.3 Khảo sát ảnh hưởng liên kết nửa cứng phân tố vỏ hầm đến nội lực xuất vỏ hầm 93 4.3.1 Đặt toán 93 4.3.2 Kết khảo sát nhận xét 93 4.4 Phân tích hồi quy đánh giá ảnh hưởng giản đồ gia tốc tới nội lực cực đại xuất kết cấu 95 4.4.1 Đặt toán 95 4.4.2 Kết khảo sát nhận xét 96 4.5 Kết luận chương 98 KẾT LUẬN 99 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ 101 TÀI LIỆU THAM KHẢO 102 vii DANH MỤC VIẾT TẮT BTD Bậc tự CWT Biến đổi Wavelet liên tục (Continue Wavelet Transform) DWT Biến đổi Wavelet rời rạc (Discrete Wavelet Transform) HS Mơ hình Hardening Soil HPTHQ Hệ phương trình hồi quy FFT Biến đổi Fourier nhanh (Fast Fourier Transform) HRM Hyperstatic Reaction Method ITA Hiệp hội hầm không gian ngầm quốc tế (International Tunnelling and Underground Space Association) ISGD Impose Seismic Ground Deformation iWPT Biến đổi ngược gói Wavelet Packet (Inverse Wavelet Packet Transform) LKNC Liên kết nửa cứng (semi rigid joint) MC Mơ hình Mohr-Coulomb NGA National Geospatial-Intelligence Agency PGA Gia tốc cực đại (Peak Ground Acceleration) PGV Vận tốc cực đại (Peak Ground Velocity) PGD Chuyển vị cực đại (Peak Ground Displacement) PHA Gia tốc ngang cực đại (Peak Horizon Acceleration) PTHH Phần tử hữu hạn SPHH Sai phân hữu hạn WPT Biến đổi Wavelet Packet (Wavelet Packet Transform) viii DANH MỤC KÝ HIỆU agR Giá trị gia tốc đỉnh tham chiếu aRMS Gia tốc hiệu dụng a(t) Gia tốc theo thời gian Es Mô-đun đàn hồi thép Ec Mô-đun đàn hồi bê tơng Ef Trọng tâm tính theo tần số gói Wavelet Et Trọng tâm tính theo thời gian gói Wavelet g Gia tốc trọng trường IA Cường độ Arias IMSK-64 Cường độ động đất điểm khảo sát theo thang MSK-64 IMM Cường độ động đất điểm khảo sát theo thang MM lt Chiều cao làm việc liên kết phân tố vỏ hầm Mw Độ lớn động đất theo thang mô men (chấn cấp) Ms Độ lớn động đất theo sóng bề mặt nCK Tổng số lượng hệ BTD khảo sát để xây dựng đường phổ phản ứng đàn hồi Rinter Hệ số tiếp xúc kết cấu với môi trường Rrup Khoảng cách từ điểm khảo sát đến vết nứt gãy (tâm cự) Rhyp Độ sâu chấn tiêu R Khoảng cách từ điểm khảo sát đến chấn tiêu (tiêu cự) Sa Phổ phản ứng đàn hồi ứng với gia tốc a(t) Sa_TK Phổ phản ứng đàn hồi mục tiêu Sf Độ lệch chuẩn tính theo tần số gói Wavelet 55 E.2 Kết Biểu đồ bao nội lực -phase Hình Biểu đồ bao nội lực tính với giản đồ gia tốc BaDinh_01A Hình Biểu đồ bao nội lực tính với giản đồ gia tốc BaDinh_02A Hình Biểu đồ bao nội lực tính với giản đồ gia tốc BaDinh_03A 56 Phụ lục F- BIỂU ĐỒ BAO NỘI LỰC KẾT CẤU VỎ HÂM TÍNH VỚI GIA TỐC NHÂN TẠO PHÁT SINH BẰNG CHƯƠNG TRÌNH PG02 Quy ước thứ tự trình bày biểu đồ bao nội lực hình vẽ: a) Biểu đồ Mơ men cực b) Biểu đồ Lực cắt c) Biểu đồ Lực dọc đại (kNm) cực đại (kN) cực đại (kN) Trong phụ lục trình bày phần kết tính với sơ đồ kết cấu khác nhau: - Kết cấu mơ hình hóa có kể tới kết cấu nửa cứng (hình a), kết biểu đồ bao nội lực tương ứng trình bày mục F.1; - Kết cấu mơ hình hóa dạng liên tục (hình b), kết biểu đồ bao nội lực tương ứng trình bày mục F.2; a) Kết cấu vỏ hầm có kể đến LKNC b) Kết cấu vỏ hầm dạng liên tục F.1 Kết Biểu đồ bao nội lực tính với sơ đồ kết cấu có kể tới LKNC Hình Biểu đồ nội lực kết cấu đường hầm tính với tải trọng tĩnh (khi kể đến LKNC) 57 Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_01a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_02a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_03a 58 Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_04a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_05a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_06a 59 Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_07a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_08a Hình 10 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_09a 60 Hình 11 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_10a Hình 12 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_11a Hình 13 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_12a 61 Hình 14 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_13a Hình 15 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_14a Hình 16 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_15a 62 Hình 17 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_16a Hình 18 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_17a Hình 19 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_18a 63 F.2 Kết Biểu đồ bao nội lực tính với sơ đồ kết cấu liên tục Hình Biểu đồ nội lực kết cấu đường hầm tính với tải trọng tĩnh (khi khơng kể đến LKNC) Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_01a 64 Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_02a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_03a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_04a 65 Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_05a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_06a Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_07a 66 Hình Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_08a Hình 10 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_09a Hình 11 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_10a 67 Hình 12 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_11a Hình 13 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_12a Hình 14 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_13a 68 Hình 15 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_14a Hình 16 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_15a Hình 17 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_16a 69 Hình 18 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_17a Hình 19 Biểu đồ bao nội lực tính với bd01_18a