Phân Tích Dao Động Cầu Treo Dân Sinh Và Các Giải Pháp Kiềm Chế Dao Động.doc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ[.]

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -  - PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI -  - PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG Ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS Bùi Tiến Thành Hà Nội - 2023 i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN iv LỜI CẢM ƠN v DANH MỤC BẢNG BIỂU .vi DANH MỤC HÌNH ẢNH vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG DÂN SINH VÀ CÁC TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG 1.1 Tổng quan cầu treo dây võng dân sinh nghiên cứu cầu treo dây võng dân sinh 1.2 Tổng quan tải trọng cầu treo dây võng dân sinh 13 1.2.1 Giới thiệu .13 1.2.2 Một số tải trọng tác dụng lên cầu treo dây võng dân sinh .14 1.3 Kết luận chương 27 CHƯƠNG 2: Dao động cầu treo dây võng dân sinh biện pháp tăng cường kết cấu để kiểm soát dao động .28 2.1 Cơ sở lý thuyết dao động kết cấu 28 2.1.1 Bài toán giá trị riêng cho kết cấu dao động không tắt .29 2.1.2 Dao động tắt dần tỷ lệ 31 2.1.3 Dao động giảm nhớt tổng quát .32 2.1.4 Các tham số đặc trưng dao động [36] .33 2.2 Tổng quan dao động cầu treo dây võng dân sinh .35 2.2.1 Lý thuyết tính tốn dao động cầu treo dây võng 35 2.2.2 Yêu cầu giảm dao động cầu treo dây võng dân sinh 47 2.3 Giới thiệu số biện pháp tăng cường kết cấu .49 ii 2.3.1 Tổng quan số biện pháp 49 2.3.2 Sử dụng thiết bị giảm chấn 51 2.3.3 Tăng cường độ cứng 58 2.4 Kết luận chương 66 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG, CẬP NHẬT MƠ HÌNH CHO CẦU TREO DÂY VÕNG DÂN SINH NA XÁ 67 3.1 Giới thiệu cầu treo Na Xá 67 3.1.1 Quy mô 67 3.1.2 Phương án kỹ thuật 67 3.2 Mơ hình số thí nghiệm đo đạc cầu trước tăng cường 69 3.2.1 Mơ hình phần tử hữu hạn 69 3.2.2 Thí nghiệm đo đạc đặc trưng dao động cầu treo Na Xá trước tăng cường 73 3.3 Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search - CS 80 3.3.1 Khoảng cách bước nhảy (step size) 80 3.3.2 Tính tốn Levy Flight 81 3.3.3 Chọn tổ để chim cúc cu thả trứng 81 3.4 Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search kết hợp tối ưu hoá đường chéo trực giao 82 3.4.1 Đường chéo trực giao 83 3.4.2 Thuật toán CS kết hợp đường chéo trực giao - ODCS 83 3.5 Cập nhật mơ hình cho kết cấu 87 3.6 Kết luận chương 90 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG CHO KẾT CẤU SAU KHI CẬP NHẬT 92 4.1 Đề xuất giải pháp tăng cường cầu treo Na Xá 92 4.1.1 Phương án 92 iii 4.1.2 Phương án 98 4.1.3 Nhận xét lựa chọn phương án thực 102 4.2 Mơ hình số thí nghiệm đo dao động cầu treo Na Xá sau tăng cường 107 4.2.1 Mơ hình số sau tăng cường 107 4.2.2 Thí nghiệm đo dao động cầu treo Na Xá sau tăng cường .111 4.2.3 So sánh mơ hình PTHH kết đo dao động cầu treo Na Xá sau tăng cường 115 4.2.4 So sánh kết đo trước sau tăng cường .115 4.3 Kết luận chương 116 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 117 Kết luận 117 Kiến nghị 118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH .119 TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 PHỤ LỤC .125 iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng tơi Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, cơng bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tơi tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Hà Nội, ngày… tháng… năm 2023 Tác giả luận án Phạm Quang Huy v LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập nỗ lực nghiên cứu Trường Đại học Giao thông Vận tải, với giúp đỡ nhiệt tình thầy cơ, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình người thân, nghiên cứu sinh hoàn thành luận án “Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động” Luận án thực hướng dẫn PGS.TS Nguyễn Ngọc Long PGS.TS Bùi Tiến Thành Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân sâu sắc đến thầy hướng dẫn tận tình dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện động viên trình học tập, nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn đến quý giáo sư, nhà khoa học, thầy cô giáo đồng nghiệp đóng góp ý kiến quý báu thời gian học tập hoành thành luận án Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Khoa Cơng Trình, Phịng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Trung tâm khoa học Công nghệ Trường Đại học Giao thông Vận tải ủng hộ tạo điều kiện thuận lợi suốt trình nghiên cứu Nghiên cứu sinh xin dành lời cảm ơn gửi đến Công ty TNHH Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải hỗ trợ nghiên cứu sinh trình thực thí nghiệm Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn thành viên gia đình ln thơng cảm, đồng hành chia sẻ khó khăn suốt chặng đường học tập hoàn thành luận án Trân trọng cảm ơn! Hà Nội - 2023 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Phân loại cầu treo .9 Bảng 1-2: Một số cầu treo dây võng dân sinh Bảng 1-3: Khoảng tần số người chạy (Setra-2006) 21 Bảng 1-4: Phân loại ảnh hưởng tượng khí động tới kết cấu 27 Bảng 2-1: Giá t hệ số theo 46 Bảng 2-2: Một số biện pháp giảm dao động 50 Bảng 2-3: Các biện pháp giảm dao động cho kết cấu 52 Bảng 2-4: Mô-đun đàn hồi số loại vật liệu dùng cho kết cấu cầu .61 Bảng 3-1: Đặc trưng vật liệu phận kết cấu mơ hình PTHH .71 Bảng 3-2: Đặc trưng động 04 hình thái dao động mơ hình PTHH 72 Bảng 3-3: Phương đo dao động kênh đo tương ứng 75 Bảng 3-4: So sánh đặc trưng động mơ hình PTHH kết đo .78 Bảng 3-5: Các đặc tính vật liệu chọn làm tham số cập nhật 87 Bảng 3-6: Bảng thông số thuật toán sử dụng .88 Bảng 3-7: Thông số chung 88 Bảng 3-8: Kết so sánh tần số đo kết cập nhật 89 Bảng 3-9: Kết độ cứng kết cấu sau cập nhật 89 Bảng 4-1: hình thái dao động riêng cầu Na Xá với trường hợp khoang giàn .94 Bảng 4-2: hình thái dao động riêng cầu Na Xá với trường hợp 10 khoang giàn 96 Bảng 4-3: Đặc trưng động hình thái dao động 101 Bảng 4-4: Bảng so sánh tần số phương án với mơ hình cầu Na Xá chưa tăng cường 103 Bảng 4-5: So sánh đặc trưng động mơ hình PTHH kết đo 115 Bảng 4-6: So sánh kết đo trước sau tăng cường 115 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Sơ đồ kết cấu cầu treo dây võng dân sinh .7 Hình 1-2: Mơ hình tác động hoạt tải dầm có xét đến khối lượng tải trọng di chuyển dầm 15 Hình 1-3: Sự thay đổi lực theo thời gian loại bước khác 18 Hình 1-4: Mơ tả q trình theo phương dọc cầu .18 Hình 1-5: Phản lực mặt đất theo phương ngang phương thẳng đứng ba bước liên tiếp 19 Hình 1-6: Mơ hình lực thẳng đứng chạy 20 Hình 1-7: Phân bố tần số người bình thường .22 Hình 1-8: Cầu Brighton Chain Pier sau bị bão phá hủy vào năm 1836 .24 Hình 1-9: Quan hệ vận tốc gió theo thời gian 25 Hình 2-1: Hệ bậc tự 28 Hình 2-2: So sánh biểu đồ dao động trường hợp khơng có cản, cản ít, cản tới hạn cản mức 29 Hình 2-3: Mơ hình hệ cáp – dầm 35 Hình 2-4:Mơ hình hệ cáp – dầm 40 Hình 2-5: Mơ tả mơ hình tính tốn làm việc chung kết cấu loại giảm chấn khác (giảm chấn kiểu bị động, kiểu bán chủ động, kiểu chủ động) 54 Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống giảm chấn 54 Hình 2-7: Bộ giảm chấn roto kép 56 Hình 2-8: TRD lắp đặt kết cấu có bậc tự 56 Hình 2-9: Kết thí nghiệm có bật tắt hệ thống TRD 58 Hình 2-10: Kết thí nghiệm có bật tắt hệ thống TRD (c=5,6%) 58 Hình 2-11: Cầu treo tăng cường dây võng ngược căng trước 58 Hình 2-12: a) Sơ đồ biến dạng cầu treo dầm cứng tải ½ nhịp; b) cầu treo có dây cáp chủ neo chặt vào nhịp dầm cứng 59 Hình 2-14: Cầu treo kiểu Sapluyn .59 viii Hình 2-15: Cầu treo có dây đeo hình tam giác 60 Hình 2-16: Định vị thiết bị bên ngồi 62 Hình 2-17: a) Vị trí giảm chấn; b) Phác thảo thiết bị 62 Hình 2-18: a) Đính kèm cáp; b) Đính kèm tháp 62 Hình 2-19: Phản ứng kết cấu vị trí ¼ nhịp hệ thống khơng có kẹp cáp (Màu xanh: khơng có giảm chấn; màu đỏ: có giảm chấn) [53] 63 Hình 2-20: Sơ đồ bố trí chéo thuận (a) chéo nghịch (b) 63 Hình 2-21: Bố trí chung cầu Seriate .64 Hình 2-22: Mơ hình 3D cầu Seriate với đường màu đỏ chéo bổ sung (Bố trí chéo dạng thuận) .64 Hình 2-23: Hiện trạng đầu tăng giằng gió chân tháp cầu 65 Hình 2-24: Hiện trạng cáp giằng gió cầu Sơng Giăng .65 Hình 2-25: Ví dụ thiết kế aerodynamic .66 Hình 3-1: Cầu treo Na Xá .67 Hình 3-2: Bố trí chung cầu Na Xá .68 Hình 3-3: Mặt cắt ngang cầu trước tăng cường .68 Hình 3-4: Phần tử BEAM188 ANSYS 69 Hình 3-5: Phần tử LINK180 ANSYS 70 Hình 3-6: Phần tử SHELL181 ANSYS 70 Hình 3-7: Mơ hình PTHH .71 Hình 3-8: Bản mặt cầu mơ hình PTHH (trái) mặt cầu thực tế (phải) 72 Hình 3-9: Đầu đo gia tốc PCB-393B12 73 Hình 3-10: Bộ thu thập liệu CompactDAQ (trái) mô-đun đầu vào liệu NI-9234 (phải) 73 Hình 3-11: Sơ đồ tải trọng dân sinh 74 Hình 3-12: Các sơ đồ bố trí điểm đo 75