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

Giới thiệu chung về bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình bằng phương phápdaođộng

Kháiniệmvềchẩnđoáncôngtrìnhvàchẩnđoánkếtcấubằngphươngphápdaođộn

1.1.1 Khái niệm về chẩn đoán công trình và chẩn đoán kết cấu bằng phươngphápdaođộng

Chẩn đoán công trình là bài toán đánh giá tình trạng của công trình đang khaithácdựatrênthôngtinthuđƣợcquahồsơvàkếtquảkhảosátđođạccôngtrình[18]. Đây là bài toán ngƣợc và thông tin về kết cấu là không đầy đủ (chỉ có thểkhảo sát hay đo tại một số vị trí hạn chế của kết cấu), do đó việc tìm lời giải làkhôngđơngiản Cácbướcgiảibàitoánnàybaogồm:

Tùy theo dạng công trình, cách thu thập dữ liệu thực trạng của cầu mà ngườita sử dụng các phương pháp chẩn đoán khác nhau Chẩn đoán kết cấu bằng phươngpháp dao động (hay chẩn đoán động) là bài toán tìm kiếm và xác địnhhư hỏng (nhưvị trí, mức độ hư hỏng) trong kết cấudựa trêncác thông tin về dao động của kết cấuđó, thông thường là dựa vào kết quả đo dao động Trong phương pháp chẩn đoánđộng, kết cấu cầu thường được mô hình hóa bằng phương pháp PTHH để xác địnhcác đặc trƣng dao động lý thuyết, còn khi khảo sát đo đạc trên cầu thì số liệu daođộng thực nghiệm sẽ đƣợc xác định Mục tiêu của bài toán chẩn đoán cầu bằngphương pháp dao động là tìm kiếm hư hỏng của cầu và đánh giá hiện trạng của cầuthông qua việc so sánh các đặc trƣng dao động tính toán và thực nghiệm của nó(hoặc giữa hai số liệu đo đạc thực nghiệm của cầu ở hai thời điểm xa nhau) kết hợpvớicácsốliệukhảosátkhác.

Cácphươngphápchẩnđoánđộngđượcpháttriểnrất mạnhdocóưuđiểmlàchi phí hợp lý và dễ dàng đo đƣợc các đặc trƣng động lực trên kết cấu cầu Các đặctrƣng này có thể tách ra và nhận biết trong các tín hiệu đo về dao động nhƣ gia tốc,vậntốc,chuyểnvị, Cácđặctrƣngnàygắnliềnvớibảnchấtvậtlý,hìnhhọc,liên kếtcủakếtcấuvàítphụthuộcvàotácđộngcủamôitrường.Cácdaođộngcóthểđo đạc được trong điều kiện khai thác bình thường Phương pháp chẩn đoán độngcho phép phát hiện hư hỏng ở những bộ phận ẩn khuất hay cho biết ảnh hưởng củacácvùnghư hỏngđến các vùngkhác,

Phương pháp để giải bài toán chẩn đoán kỹ thuật công trình bằng phươngpháp động được phân chia ra thành hai nhóm Một nhóm thực hiện chẩn đoán bằngphương pháp phi tham số (nonparametric) đi theo hướng dựa vào các phương phápxửlýtínhiệuhiệnđạinhư:

- Phươngphápphântíchwavelet:làphươngphápphântíchdựatrênýtưởngrằng một tín hiệu bất kỳ có thể phân tách thành các hàm cơ sở có tính chất cục bộđƣợcgọilà‘wavelet’.Tínhiệusaukhiphântíchwaveletđƣợcphânthànhhaithànhphần: thành phần xấp xỉ và thành phần chi tiết, trong đó thành phần chi tiết chứa cácđiểm tần số cao tạo thành các đỉnh (peak) tương ứng với những điểm gián đoạn,gập, gẫy của tín hiệu gốc, đây chính là yếu tố để nhận dạng vết nứt Để giải bài toánxác định vết nứt của kết cấu có nhiều loại biến đổi wavelet khác nhau nhƣ: biến đổiwavelet liên tục (CWT), biến đổi wavelet rời rạc (DWT), biến đổi wavelet packet(WPT)hoặcbiếnđổiwaveletdừng(SWT).

- Phương pháp dựa trên thuật toán di truyền: là kỹ thuật tìm kiếm ngẫu nhiêntheocơchếchọnlọcvàtiếnhóatựnhiên,thuộclớpcácthuậttoánxácxuất, dựatrên quan niệm rằng quá trình tiến hóa và thích nghi của tự nhiên là quá trình hoànhảo nhất, hợp lí nhất, tự nó đã mang tính tối ưu Thuật toán di truyền được côngnhận là một phương pháp tìm cực trị toàn cục rất hiệu quả và có độ chính xác caotrong các bài toán tối ƣu, là kỹ thuật tìm kiếm thông minh đầy hứa hẹn cho các bàitoán tối ƣu phức tạp Ngoài ra, từ bài toán tối ƣu đơn mục tiêu, thuật toán di truyềndễdàngthayđổisang bàitoántốiưuđamụctiêu.

Tronglĩnhvựcchẩnđoánkếtcấusửdụngthuậttoánditruyềnđểxácđịnhh ƣ hỏng trong các kết cấu đàn hồi Các véc tơ lực dƣ thay đổi theo sự thay đổi matrận độcứngcủa kếtcấubị hƣhỏnglà mộthàmmục tiêu,trongkhicácyếutố giảm độ cứng của tất cả các phần tử đƣợc lựa chọn là các biến Nó mặc nhiên có nghĩa làsố lƣợng các biến bằng các phần tử hữu hạn và do đó tiến trình dò tìm phát hiện hưhỏng là tốn thời gian Quá trình thực hiện gồm hai giai đoạn: đầu tiên phương phápvéc tơ lực dƣ (Residual Force Vector Method - RFV) đƣợc sử dụng để xác địnhtrướcvịtríhưhỏng,tiếptheothuậttoánditruyềnđượcsửdụngđểxácđịnhmứcđộhưhỏng. Phươngphápnàyđãđượcchứngminhtrênmộtkếtcấudànmôphỏngvới13thanhvàcó3thanh hƣ hỏng.

Một nhóm thực hiện chẩn đoán bằng phương pháp tham số (parametric) đitheo hướng dựa vào sự thay đổi tần số và dạng thức dao động Đây cũng là phươngphápđượcđềtàilựachọnđểnghiêncứu.Chitiếtvềphươngphápsẽđượcphântíchcụth ể trongnội dung tiếp theocủa luận án.

Tình hình nghiên cứu trên thế giới về chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp daođộng

Chẩn đoán, phát hiện hƣ hỏng của kết cấu là một chủ đề rộng đƣợc áp dụngkhôngnhữngchokếtcấucầumàcònchonhiềuloạikếtcấukhácnhaunhƣcôngtrìnhnhàcaotầ ng,thápcao,cầntrục,kếtcấungoàibiển, Đếnthờiđiểmhiệnnay,đãcórấtnhiều phương pháp được công bố và kỹ thuật áp dụng trong lĩnh vực phát hiện hƣ hỏngcủakếtcấu.Cóhaiphươngphápchínhpháthiệnhưhỏngkếtcấulàpháhủyvàkhôngpháhủ y.Phươngpháppháhủylàphươngphápcáchưhỏngđượcquansátbằngmắtthường, kết cấu cần phải được tháo rời thậm chí cưa, cắt nhằm đo đạc trực tiếp cáctham số hư hỏng Phương pháp này đánh giá một cách chính xác, cụ thể vị trí, hìnhdángvàkíchthướccủacáchưhỏng.Tuynhiênphươngphápnàyrấttốnkémdokếtcấuphảid ừnghoạtđộngvàphảiđƣợctháorờiđểkiểmtra,đánhgiá.

Phương pháp không phá hủy là phương pháp gián tiếp phát hiện hư hỏngthôngquaviệcphântíchcácphảnứngcủakếtcấu.Các phươngphápkhôn gpháhủy có thể kể đến: phương pháp dao động, phương pháp tĩnh, phương pháp âm, Trong các phương pháp này thì phương pháp dao động là phương pháp được quantâm và ứng dụng nhiều hơn cả do các tín hiệu dao động thường dễ dàng đo đạc, rẻtiền, kết cấu không cần phải dừng hoạt động Phương pháp dao động lại có thể chianhỏ thành các nhóm như sau [37]: phương pháp phân tích sự thay đổi của tần sốriêng,phương p háp ph ân tíchs ự t h a y đổidạ n g r iê ng, p h ư ơ n g p h á p phâ nt í c h s ự thay đổi độ cong của dạng riêng, phương pháp dựa trên sự thay đổi của ma trận độmềm, phương pháp dựa trên các chỉ số hư hỏng, phương pháp dựa trên trí tuệ nhântạo, phương pháp dựa trên biến đổi wavelet (các sóng nhỏ) Bên cạnh đó các cảmbiến (sensor) chuyên dụng dành cho việc giám sát và phát hiện hƣ hỏng của kết cấucũngđang đƣợc pháttriển rất mạnh.

Khoo và đồng nghiệp [45] đã công bố kỹ thuật phát hiện hƣ hỏng trong mộtkết cấu tường bằng gỗ sử dụng dạng riêng Trong nghiên cứu này, các tác giả đãphát hiện ra rằng hƣ hỏng sẽ gây nên sự thay đổi mạnh ở một số tần số riêng vàdạngriêngtươngứng.Bằngviệcquansátsựthayđổimạnhở mộtsố tầnsốriêngđểkhẳng định sự tồn tại của hư hỏng trong kết cấu, dạng riêng tương ứng sẽ được lựachọn để phân tích và phát hiện ra vị trí của vết nứt Các tác giả đã thành công trongviệcsosánhdạngriêngtrướcvàsaukhicóhưhỏngđểkhoanhvùngvịtríhưhỏng.Tuy nhiên phương pháp này đòi hỏi có nhiều phép đo chất lượng để có thể khôiphục được dạng riêng một cách chính xác Do đó, đây là phương pháp tốn thời gianvàđắttiền.

Trong một nghiên cứu khác, Haritos và Owen [35] đã so sánh tính hiệu quảcủa phương pháp nhận dạng hệ thống và phương pháp phân lớp thống kê dựa trênphân tích dạng riêng Các tác giả đã kết luận rằng, nhận dạng hệ thống có thể pháthiệnđượchưhỏngcảvềvịtrívàmứcđộhưhỏngnhưngsẽlàphươngphápđòihỏinhiều phép đo chất lƣợng Tuy nhiên việc này không phải lúc nào cũng có thể thựchiện đƣợc trong thực tế Trong khi đó, mặc dù phương pháp phân lớp thống kêkhông thể đánh giá được mức độ hư hỏng và chỉ ra chính xác vị trí của hƣ hỏng,nhƣng lại phát hiện đƣợc sự tồn tại của hƣ hỏng từ một vài phép đo đơn giản.

Nhưvậy,phươngphápphânloạithốngkêcóthểđượcdùngđểpháthiệnhưhỏngtrước,sauđóp hươngphápnhậndạnghệthốngsẽđượctiếnhànhđểkhoanhvùnghưhỏngvàđánhgiámứcđộh ƣhỏngsau.

Verboven và đồng nghiệp [75, 77, 78] đã trình bày một phương pháp pháthiện hƣ hỏng dựa trên các tham số động lực học Trong nghiên cứu này, hƣ hỏngđƣợc mô phỏng nhƣ là sự tăng lên của khối lƣợng tập trung Sự thay đổi dạng riêngcủakếtcấugâyradohưhỏngđượctựđộngpháthiệnbằngphươngphápMaximumLikelihoodEstimatormiềntầnsố[62,76].Độnhạycảmcủacácthamsốđộnglực họcsauđóđượcsửdụngđểđánhgiáhưhỏng.Phươngphápnàychokếtquảrất khảquan, tuy nhiên việc sử dụng dạng riêng sẽ liên quan đến số lượng phép đo lớn nênchỉsửdụngtrongcáctrườnghợpcầnthiết.

Trong một nghiên cứu của Pandey và Biswas [60], một phương pháp pháthiện hƣ hỏng dựa trên sự thay đổi của ma trận độ mềm đã đƣợc sử dụng Bằng cáchsosánhmatrậnđộmềmtrướcvàsaukhicóhưhỏng,vịtrícủahưhỏngcóthểđượcxácđịnh.Ph ƣơngphápnàysẽpháthuyhiệuquảcaonhấtnếucáchƣhỏngxuấthiệntại những nơi mà có mô men uốn lớn Độ cong của dạng riêng đƣợc ứng dụng trongphân tích hƣ hỏng của kết cấu cũngđã đƣợc công bố bởi Pandey và cộng sự [61].Trong các kết cấu dạng dầm, độ cong tỷ lệ nghịch với độ cứng cục bộ của dầm.Chính vì thế nếu có sự suy giảm về diện tích mặt cắt nhƣ bị ăn mòn tại một vị trínào đó, độ cong dạng riêng tại đó sẽ tăng lên Bằng việc quan sát độ cong dạngriêng,hƣhỏng tại mộtvịtrínàođócóthể đƣợcpháthiện.

Trong một nghiên cứu khác, Patjawit và Kanok-Nukulchai [63] đã đề xuấtmộtphươngphápsửdụngchỉsốhưhỏngtổngthểGlobalFlexibilityIndex(GFI)đểphát hiện hư hỏng của cầu đường bộ Chỉ số này chính là chuẩn hóa của ma trận độmềmcủakếtcấu.Matrậnđộmềmnàyđƣợctínhtoándựatrênmộtsốdạngriêngcơ bản của kết cấu Khi có sự thay đổi mạnh của GFI, hƣ hỏng có thể đã tồn tại vàcầnphảiápdụngcácphươngphápphùhợpđểxácđịnhvịtrívàmứcđộhưhỏng.

Rizzo và Scalea [67] đã phát triển kỹ thuật sóng siêu âm dẫn hướng để pháthiệnrahƣhỏngtrongdâycáptreo.Trongnghiên cứunàycáctácgiả đãđền ghịmột chỉ số hƣ hỏng đƣợc định nghĩa là tỷ số giữa sự phản xạ của sóng siêu âm từ vịtrí có khuyết tật đến bộ thu và sự lan truyền của sóng siêu âm từ bộ phát đến bộ thumàkhôngđiquakhuvựccókhuyếttật.

Hiện có nhiều phương pháp xử lý tín hiệu dao động nhằm phát hiện vàkhoanh vùng hư hỏng, trong đó phương pháp biến đổi wavelet đã thể hiện là mộtcông cụ toán học mạnh, nhanh và chính xác cho việc phân tích tín hiệu [72, 80,81].Sun và Chang [72] đã nghiên cứu một phương pháp dựa trên biến đổi wavelet đểđánhgiáhƣhỏngcủakếtcấu.Hƣhỏngcủakếtcấuđƣợcxemnhƣlàsựsuygiảmđộcứng cục bộ tại vị trí hƣ hỏng Phản ứng động của kết cấu đƣợc phân tích bởi biếnđổiwaveletsẽlàđầuvàochomôhìnhmạngtrítuệnhântạođểđánhgiáhƣhỏng.

Reda Taha và đồng nghiệp [65] trình bày một nghiên cứu dựa trên sự pháttriển của phương pháp phân loại thống kê kết hợp với logic mờ cho việc giám sátkết cấu thông minh Trong nghiên cứu này, phương pháp cập nhật số liệu Bayesianđƣợc sử dụng để xác định đƣợc mức độ hƣ hỏng với các trạng thái hƣ hỏng khôngrõ ràng và bất định Tuy nhiên phương pháp này cần phải có thêm các bằng chứngthínghiệmtrướckhiđượcđưavàoứngdụngtrongthựctiễn.

Livàđồngnghiệp[46]kếthợpphươngphápphântíchdạngdaođộngcơbản(EMD) và wavelet để phát hiện sự thay đổi trong phản ứng của kết cấu Phươngpháp EMD được sử dụng đầu tiên để phân tích tín hiệu động thành các thành phầntín hiệu đơn điệu và biến đổi thành các tín hiệu giải tích thông qua biến đổi Hilbert.Sau đó mỗi một thành phần tín hiệu đơn điệu này sẽ được phân tích wavelet để pháthiện hư hỏng Phương pháp này có thể phát hiện ra thời điểm xuất hiện hƣ hỏngnhƣngnólạikhôngchỉrađƣợcvịtrívàmứcđộcủahƣhỏng.

Một hướng nghiên cứu đang phát triển mạnh cho việc quan trắc và phát hiệnhư hỏng của kết cấu đó là phương pháp phát triển các cảm biến đặc biệt. Todorokivà đồng nghiệp [74] đã phát triển một loại cảm biến phá hủy đƣợc gắn vào hệ thốngống nước chôn ngầm dưới mặt đất Hệ thống cảm biến này là hệ thống cảm biếnđiện thế được thiết kế để có thể kết nối với Internet nhằm giám sát kết cấu một cáchtrực tiếp Khi chịu tác dụng của tải trọng đủ lớn kết cấu sẽ bị biến dạng lớn đến mứclàm phá hủy cảm biến, khi đó điện thế của cảm biến sẽ bằng không và kết luận là hệđường ống cần phải được kiểm tra ngay Trong phương pháp này, các tác giả đãphải tính toán vị trí dễ bị hư hỏng nhất của đường ống để lắp đặt cảm biến tại đó.Tuy nhiên phương pháp này cũng chỉ có thể xác định được tương đối mức độ hƣhỏngvàcũngkhôngthểpháthiệnrahƣhỏngnằmngoàivịtríđặtcảmbiến.Chenvà đồng nghiệp [33] đã trình bày một loại cảm biếnmớidựat r ê n s ự t h a y đ ổ i c ấ u trúc tô-pô của cảm biến dưới tác dụng của biến dạng thay vì sự thay đổi về mặt hìnhhọc của cảm biến để giám sát cầu Cảm biến mới đƣợc thiết kế nhƣ một cáp đồngtrục với các dây dẫn xoắn bên ngoài trong khi các cảm biến thông thường có dạngcáp đồng trục có dây dẫn bên ngoài dạng hình trụ Cảm biến mới này đƣợc lắp đặtngaybênt ro ng c ác d ầ m bê tô ng của cầ u để q u a n sá tt r ự c ti ếpcá c b i ế n dạ ng củ a dầm Các kết quả thu đƣợc của các tác giả đã chứng tỏ rằng loại cảm biến mới nàyrất nhạy cảm so với các cảm biến thông thường Tuy nhiên, cũng giống như loạicảmbiếntrên,cảmbiếnnàychỉcóthểgiámsáthƣhỏngmộtcáchcụcbộ,dođócầnphải có những biện pháp khác để xác định những vị trí cần đặt cảm biến loại này.Gần đây một loại cảm biến đặc biệt nhạy cảm, có độ chính xác cao, dễ sử dụng, rẻtiềnvàmiễnnhiễmvớiảnhhưởngcủađiệntừđangđượcpháttriểnvàứngdụng,đólà cảm biến quang học Bragg Grating Nguyên lý hoạt động của cảm biến này đƣợctrình bày chi tiết bởi Chan và đồng nghiệp [32] Các kết quả đo đạc dạng riêng ở tầnsố cao dựa trên cảm biến Bragg Grating này và thiết bị đo dao động bằng laser đãcho kết quả với độ chính xác rất cao Loại cảm biến này đang đƣợc kỳ vọng ứngdụng nhiều trong các công trình lớn nhƣ cầu cống, nhà cao tầng,…Tuy nhiên hiệnnaynóvẫncầnphảiđƣợcnghiêncứusaocho cóthểsử dụngđƣợcvớiđộchínhxácổn định ở những nơi có điều kiện khắc nghiệt mà có thể gặp trong các công trìnhthựctiễn.

Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam về chẩn đoán kết cấu bằng phương pháp daođộng

Ở Việt Nam, lĩnh vực chẩn đoán kết cấu tập trung vào việc phát hiện các hƣhỏng,đặcbiệthƣhỏng dạngvếtnứttrongkếtcầuvàđƣợcnghiêncứuchuyênsâuởViện Cơ học và Trường Đại học Bách khoa Hà Nội từ những năm 1990 Tiếp theođó, chủ đề phát hiện vết nứt trong kết cấu đƣợc phát triển và nghiên cứu ở các nơikhácnhưTrườngĐạihọcXâydựngHàNội,TrườngĐạihọcBáchkhoa TPHồChíMinh, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Công nghệXây dựng, Viện Cơ học ứng dụng TP

Hồ Chí Minh,… Các nghiên cứu về hƣ hỏngđƣợc thực hiện trên nhiều loại kết cấu như kết cấu công trình xây dựng, móng cọc,cầu đường bộ và các công trình ngoài biển khơi nhƣ giàn khoan, giàn DKI [49-53,55] Nguyễn Xuân Hùng [57] đã trình bày một phương pháp xác định hư hỏng củagiànkhoanbiểnsửdụngcácsốliệuđodaođộngvàchokếtquảkhảquan.Tron gkhi đó tác giả Nguyễn Văn Phó [55] cũng đã trình bày một phương pháp không pháhủy để chẩn đoán hư hỏng dựa trên phản ứng động của các công trình xây dựng.Trongcácnghiêncứukhác,NguyễnTiếnKhiêmvàTrầnVănLiên[49,50,52,53] đã trình bày các phương pháp giải bài toán ngược nhằm phát hiện vết nứt dựa trêncác số liệu đo đạc về tần số riêng Trong các nghiên cứu này, phương pháp ma trậnđộ cứng động đƣợc phát triển và cho kết quả khả quan trong việc chẩn đoán các vếtnứt trong các kết cấu kiểu dầm Việc kiểm tra đánh giá mức độ liên kết giữa nền vàgiàn khoan biển dựa trên các số liệu đo dao động cũng đã đƣợc thực hiện trong cácnghiêncứuđó.

Phạm Xuân Khang [15-18, 54, 64, 79] đã thực hiện một số nghiên cứu vềchẩn đoán KCN cầu bằng phương pháp dao động Trong đó, tác giả đã phát triểnthuậttoánnhậndạngvị tríhưhỏngcủacầubằngtươngquandạngdaođộngriêngởhai trạng thái so sánh tại các điểm đo Thuật toán này đã đƣợc áp dụng cho số liệuthử nghiệm thực tế trên cầu I-40 và cầu Yên Bái và cho kết quả đúng Ngoài ra, tácgiả đã xây dựng thuật toán tìm kiếm mô hình tính toán của cầu bằng phương pháplập thư viện dữ liệu hư hỏng và so sánh tương quan dạng dao động riêng thựcnghiệm với các dạng dao động trong thư viện Thuật toán này đã đƣợc áp dụng chosốliệuthửnghiệmthựctếtrêncầuI- 40vàchokếtquảphùhợp.Tácgiảcũngđưara trình tự chẩn đoán KCN bằng phương pháp dao động trong đó chủ yếu dựa vàosựthayđổicủadạngdaođộngriêng(dạngthứcdaođộng).

Bùi Đức Chính [7-11] cũng đã trình bày nghiên cứu về chẩn đoán hƣ hỏngcủa kết cấu dưới công trình cầu sử dụng phương pháp không phá hủy Trong mộtnghiên cứu, tác giả sửd ụ n g b i ế n đ ổ i H i l b e r t - H u a n g c h o d ữ l i ệ u đ o d a o đ ộ n g c ủ a một số trụ cầu, trên cơ sở so sánh kết quả phân tích để tìm ra trụ cầu có hư hỏng lớngâyảnhhưởngtớitoànbộcôngtrìnhcầu[11].

Nguyễn Việt Khoa [19, 38-44, 55] đã công bố nhiều nghiên cứu về lĩnh vựcphát hiện vết nứt trong kết cấu Các nghiên cứu chủ yếu của tác giả tập trung vàođộnglựhọckếtcấu,cácphươngphápđođạcdaođộngvàthửnghiệmtạihiệntrườngvà các phương pháp xử lý tín hiệu dao động Những kết quả nghiên cứu của tác giảđƣợc thực hiện thông qua các đề tài nghiên cứu tại Viện Cơ học, tại các trường đạihọcởnướcngoàinhưAnh,Mỹvàđãcónhữngcôngbốquantrọngvềlĩnhvựcnàyởtrongvàngoàin ước.Cácphươngphápápdụngtrongcáccôngbốcủatácgiảchủyếulàphươngphápkhôngpháhủy,đặ cbiệtlàphươngphápdaođộng.

Các kết quả nghiên cứu chính về chẩn đoán cầu bằng phương pháp dao độngđƣợctómtắt nhƣsau: a) Vềmôhìnhhóakếtcấu:phương phápPTHHđượcsửdụngrộngrãitrongmô tả cầu, tuy vậy sử dụng kiểu phần tử nào (dầm, tấm, khối, ) để mô hình hóa kếtcấuvàmôphỏnghƣhỏngcủacầulà vấnđềmởvàcònpháttriển. b) Các phương pháp thử nghiệm và xử lý số liệu đo: có 3 phương pháp làthử nghiệm bằng kích động điều hòa, thử nghiệm bằng kích động xung và thửnghiệm với dòng xe lưu thông bình thường trên cầu (thử nghiệm trong điều kiệnkhai thác) Tùy theo phương pháp thử nghiệm mà phải sử dụng các thuật toán xử lýsốliệuphù hợpđểrútracácđặctrƣngdaođộngcủacầu. c) Các thuật toán nhận dạng hư hỏng: nhiều thuật toán nhận dạng hƣ hỏngcủa cầu đã đƣợc công bố Nhiều nhà nghiên cứu đã đề xuất nhận dạng trạng thái hưhỏng của cầu bằng cách xét thương quan dạng dao động riêng ở hai trạng thái sosánh, thuật toán này đã đƣợc sử dụng rộng rãi và cho kết quả phù hợp đặc biệt khihƣ hỏng đủ lớn Nhận dạng vị trí hư hỏng bằng đặc trưng dao động có các hướngnghiêncứuchínhsau:

- Xây dựng ma trận độ cứng (hoặc độ mềm) theo các đặc trƣng dao động đođượcvàsosánhvới kếtquảlýthuyếthoặclầnđotrước.

- Xemxétsựthayđổiphânbố nănglƣợngbiếndạng,đƣợcxácđịnhquacácđặctrƣngdaođộngcủa cầu,đểnhậndạngvịtríhƣhỏng. d) Xây dựng mô hình thực trạng của cầu: để xác định khả năng chịu tải củacầu cần xây dựng mô hình thực trạng của nó trên cơ sở các kết quả khảo sát thửnghiệm trên cầu Hai hướng nghiên cứu được nhiều tác giả quan tâm là phươngpháptrựctiếpvàphươngphápthốngkê.

- Trong phương pháp trực tiếp, mô hình tính của cầu được điều chỉnh mộtcáchtrực quan dựatrênsốliệukhảosát,đođạc củacầu.

- Trongphươngphápthốngkê,cácđặctrưngdaođộngứngvớinhiềubộhưhỏng giả định của kết cấu được tính toán từ trước, khi có số liệu đo người ta sẽ tìmkiếmmôhìnhphùhợptrongthƣviệntheotiêuchuẩnnàođó,môhìnhtìmrađƣợc xemlàmôhìnhthựctrạngcủacầuvàcóthểsửdụngđểtínhtoánkhảnăngchịulựccủanó theocác quytrình áp dụng.

Đo dao động trong điều kiện khai thác và tổng quan về lý thuyết nhận dạng daođộng

Đo daođộngtrongđiềukiệnkhaithác

Đo dao động trong điều kiện khai thác của kết cấu cầu là phương pháp đophảnứngcủakếtcấucầudướitácdụngcủacáckíchthíchngẫunhiênnhưgió,rungđộng đất nền… Trong nhiều trường hợp, đoàn xe qua lại trên cầu cũng được coi làkích thích ngẫu nhiên Từ phản ứng của kết cấu, bằng các thuật toán nhận dạng, cóthểxácđịnhđƣợccácđặctrƣngdaođộngcủakếtcấucôngtrìnhcầu.

Nhữngmôhìnhsửdụngtrongphântíchđộngkếtcấuđãđượclýtưởnghóađểtượngtrưngch ophảnứngcủakếtcấuthựcđốivớinhữngtảitrọngkhácnhau.Nhữngmôhìnhnàycóthểđƣợcxácđịnh thôngquaviệcthửnghiệmdaođộngcƣỡngbứcvàđo trong điều kiện khai thác Cả 2 việc này có thể đƣợc sử dụng để nhận dạng thuộctínhcủakếtcấu(tầnsốdaođộng,dạngthứcdaođộngvàhệsốcản). Đo dao động trong điều kiện khai thác nhằm mô tả phản ứng tuyến tính củakết cấu từ những biên độ dao động nhỏ Chúng cũng có thể đƣợc sử dụng để mô tảnhững hƣ hỏng của toàn bộ kết cấu hoặc một bộ phận kết cấu, sử dụng trong việcgiám sát tình trạng kết cấu và trong nghiên cứu kiểm tra kết cấu Do đó, việc pháttriển những phương pháp thực nghiệm đối với đo đạc hiện trường các kết cấu hƣhỏng cần đƣợc quan tâm.M ộ t s ự t h u ậ n l ợ i h ơ n t r o n g v i ệ c k h ả o s á t d a o đ ộ n g c ủ a cầu trong điều kiện khai thác so với dao động cưỡng bức đó là thường cần ít sựgiám sát và đảm bảo giao thông trên cầu Nguồn kích thích dao động là gió, rungđộngnhỏ,độngđấtnhỏ,xechạyngẫunhiêntrêncầu, ỞCalifonia,Mỹ,việckiểmtradaođộngtrongđiềukiệnkhaitháccủakếtcấuđãđƣợctiến hànhkhoảng65nămtrước.CôngtykhảosátU.S.CoastvàGeoditicđãbắtđầuđonhữngchukỳcơb ảncủanhữngtòanhàbằngviệckiểmtradaođộngtrong điều kiện khai thác từ trước năm 1930 Khoảng 30 năm sau đó, các nhà khoa học lạiquantâmtớiphươngphápnàyvàđãchỉrarằngnócóthểđượcsửdụngđểxácđịnhnhững tần số thấp và những mode dao động của các kết cấu nguyên trạng Phươngpháp đo dao động trong điều kiện khai thác cũng đƣợc sử dụng trong đo đạc các tòanhà cao tầng nhằm nhận dạng tần số riêng, dạng thức dao động và hệ số cản để đánhgiácáctìnhtrạngkếtcấuđó.

Tổngquanvềlý thuyếtnhậndạngdaođộngkếtcấucầu

Dựatrênsốliệuđodaođộngtạihiệntrườngcủakếtcấu,cónhiềuphươngphápxử lý để thu đƣợc các dạng thức dao động, tần số dao động riêng, hệ số cản và cácthamsốđộngkháccủakếtcấuđó.

Có nhiều nghiên cứu đã đƣa ra việc xem xét mở rộng và so sánh các phươngphápnhậndạngkếtcấuápdụngtrongđócóđodaođộngthựcnghiệmtạihiệntrường.Đối với FVT, sử dụng phương pháp nhận dạng hệ thống, hoặc trong thời gian hoặcmiềntầnsố.CònđốivớiAVT,phươngphápchọnđỉnh(PP)làphổbiếnnhất,cónhiềutần số thông qua phổ rất nhiều các tần số phân tán, nhƣng chỉ chọn các tần số tại cácđỉnhcủaphổnày.Ngàynay,phươngphápnhậndạnghệthốngpháttriểnmạnhhơnvàđangđư ợcsửdụngrộngrãi,nhưphươngphápnhậndạngphươngthứcdaođộngtừphảnứngcủakếtcấ udotácđộngcủamôitrườngxungquanh,phươngphápnhậndạngkhônggianconngẫunhiên(SSI )vàphươngphápPolymax,đưaramộtsựkếthợprấttốtgiữatốcđộxửlývàđộchínhxác.Vớiphươn gphápnày,cóthểđƣarahìnhdạngthứcdaođộngrấtchínhxác.Bêncạnhđó,cácmodegầnnhaucó thểđƣợctáchradễdànghơn.Mộtcôngcụthuậntiệnchoviệctìmkiếmchínhxáccủakếtcấuđƣợcgọilà biểuđồổnđịnhsẽđƣợctrìnhbàychitiếtởmụcsau.

Cónhiềuphươngphápnhậndạnghệthốngđượcsửdụng,dướiđâygiớithiệutổngquanm ộtsốphươngphápnhậndạngphổbiến. a) Phươngp h á p m i ề n t ầ n s ố p h ứ c h ợ p b ì n h p h ư ơ n g n h ỏ n h ấ t đ a t h a m chiếu

Banđầu,phươngphápđánhgiámiềntầnsố phức hợpbìnhphươngnhỏ nhất

(LSCF)phứctạpđượcgiớithiệuvớigiátrịbanđầuchoviệctốiđakhảnănglặpđilặplại Sử dụng phương pháp ƣớc tính mẫu số chung chức năng chuyển giao mô hìnhnhanhchóngtìmthấycác“giátrịbanđầu” manglạicácthôngsốchuẩnđãđƣợclựa chọnchínhxácvớiviệctínhtoántrênmáytính.LợithếquantrọngnhấtcủađánhgiáLSCFlàviệcth uđƣợccácgiảnđồổnđịnhvàrõràng.

Phươngphápđánhgiámiềntầnsốphứchợpbìnhphươngnhỏnhất,cũngđượcbiết đến dưới tên thương mại của nó Polymax, là một phiên bản đa tham chiếu củaphươngphápLSCF,sửdụngmôhìnhmatrậnphânsố,cũnglàyếutốthamgiacósẵnkhixâydựng sơđồổnđịnh.Lợiíchchínhcủaphươngphápđathamchiếulàphântíchgiátrịđơnvàcựckhông giangầnnhaucóthểđượctáchra.Trongphươngphápnày,cảhai thuật toán xác định bắt đầu từ dữ liệu đo và các thuật toán ngẫu nhiên bắt đầu từphổmậtđộnănglƣợng,cóthểđƣợcthựchiện,vàápdụngchocảFVTvàAVT. b) Phươngphápchọnđỉnh(Peak picking)

Phương pháp này được đặt tên theo bước quan trọng của phương pháp: việc xácđịnh các tần số riêng là việc chọn các đỉnh của một phổ tần số (Hình 2.4) Phổ xungquanhtầnsốriêngđượcđánhgiádướigiảthiếtcủahệsốcảnthấpvàđượctáchtầnsốriêng.Phươn gphápnàyphùhợpchoviệcxửlýnhanhcủacácmodedaođộngcủakếtcấutrướckhithựchiệncácphâ ntíchchitiếthơn.

CMIF là một công cụ để đếm số lƣợng các mode dao động trong tín hiệu đođƣợc.CMIFcũngxácđịnhcácthamsốdaođộngtừchứcnăngphảnứngtầnsốbằngcáchchọn đỉnhcủacácgiátrịphứchợp.Khiápdụngchodữliệuđầura,cácgiátrịduy nhất của ma trận mật độ phổ công suất (PSD) tính là tổng ma trận nhận dạng dươngPSD(PSD+)vànghịchđảocủanó,đượcsửdụng.Phươngphápnàyđôikhicònđượcgọ ilàphântíchmiềntầnsố. d) Phươngphápnhậndạngkhônggianconmiềnthờigian

Trongthựctế,daođộngcủakếtcấubịảnhhưởngbởinhữngyếutốsau(bịảnhhưởngítnhất mộtphần):tiếngồnmàu,sốlượngdữliệulàhữuhạn,cácđặctínhbịảnhhưởng bởi nhiệt độ, độ ẩm, tải trọng không tĩnh, v.v… và thứ tự hệ thống đƣợc lựachọnbởinhữngngườisửdụng.Dođó,cácmatrậnnhậndạngchỉlàướctính:A,C.Từquanđiể mthốngkê,có3loạilỗitrênAvàC:

+ Độ nghiêng của mode: mode nhận dạngcủa hệ thốngthực sựcó thểbịnghiêng;

Lỗiđộnghiêngcóthểđượcloạibỏmộtphầnvớisơđồổnđịnh.Ngượclại,lỗiphươngsaichỉcóthểđ ượcướctính. e) Kếthợpnhậndạngkhônggian conxác định ngẫunhiên

Kết hợp phương pháp nhận dạng không gian con - ngẫu nhiên (CSI) tạo ra cảkích thích nhân tạo và kích thích môi trường xung quanh để biên độ của kích thíchnhân tạo có thể là nhỏ so với kích thích môi trường xung quanh Điều này giúp mởrộngphạmvixácđịnhtầnsốriêngtớimodecaohơnvànângcaochấtlƣợngcủacácthamsốdao độngnhưđểướctínhhệ số tỷlệtuyệtđốicủanhậndạngcáchìnhdạngmode.Phiênbảndựatrênthamchiếu(CSI/ ref)đãđượcsửdụngđểtăngtínhchínhxácvàtínhtoántácđộngcủaphươngpháptrongđócáckết quảthamchiếuđóngmộtvaitrò quan trọng Các số liệu đầu ra tham chiếu là tín hiệu cảm biến tham chiếu chồngchéogiữacácthiếtlậpthửnghiệmkhácnhauvìchúngđượcđặttạicácvịtrítốiưutrênkếtcấ u,nơinóđƣợcdựkiếnrằngtấtcảcáchìnhthứcdaođộngcómặttrongcácdữliệuđo Tuy nhiên, cảm biến bổ sung có thể đƣợc bao gồm nhƣ là tham chiếu trong mộtthiếtlậpnhậndạng.Ngƣợclại,bằngcáchsửdụngchỉcókếtquảđầuracủathamchiếuđểxây dựngcáckhônggianconcủakếtquảđầuratrongquákhứ,cóthểlàmgiảmảnhhưởngcáchiệntượ ngnhiễu bởikhônglựachọnchúngnhƣ làthôngsốthamchiếu.Bởi vìcáckênhnàyvẫncònđƣợcsửdụngchoviệcxâydựngcáckhônggianconcủakếtquảđầuratron gtươnglai,cácthôngtinhữuíchđóđượcthểhiệntrongcáckếtquảđầura- vídụnhƣchuyểnvịdodaođộng-khôngbịmấtđi.

LướibốtríđiểmđotrênKCNcầu

Để đo và nhận dạng đƣợc dao động của toàn bộ KCN cầu cần phải biết đƣợcchuyểnvịhaylàdaođộngcủatừngđiểmtrênKCN,tứclàphảibốtrícácđiểmđodaođộngtạicácđi ểmđó.Nếubốtrícàngnhiềuđiểmđothìkếtquảthuđƣợccàngchínhxácvàcàngmịn,tuynhiênvi ệcnàydẫnđếnchiphírấtlớn.VìvậycầnphảithiếtlậpmộtlướicácđiểmđocầnthiếttrênKCNcầus aochokếtquảthuđƣợcđảmbảođƣợcđộchínhxáccầnthiết.

Như đã đề cập trước đó, đo dao động của kết cấu dưới sự kích thích của môitrườngxungquanhvàsửdụngdữliệuthuđượcđểxácđịnhcácđặctínhđộnghọccủakếtcấu.Mộ tyếutốquantrọngtrongthửnghiệmdaođộnglànguồngốccủadaođộng,tứclàđầuvào.Trongthửng hiệmdaođộngcưỡngbức,ngườitaphảichọnvịtrícủatảivàkíchthíchđểthiếtkếmộtmạnglư ớiđolường.Lướiđonàyđượcdựatrêncácmụctiêu của thử nghiệm đó là để xác định chuyển vị của các vị trí trên kết cấu Lưới đophảiđủdàyđặcđểcóđộphângiảicaochocácdạngthức dao độngcao(để tránh gãykhúckhônggian).Thiếtkếcủalướiđođượcdựatrêntừngloạikếtcấucụthểvàdựatrêntìnhhìn hthựctế.VídụvớimộtKCNcầugiàn,lýtưởngnhấtlàlướibốtríđiểmđotạitấtcảcácnútgiàn.Tuy nhiêntrongthựctếtrấtkhóđểbốtríđiểmđotạithanhbiêntrên của giànvì lý do an toàn, vì vậy lưới điểm đo sẽ phải giản lược nhưng vẫn phảiđảmbảothuđượctươngđốichínhxáccácdạngdaođộngcầnđocủagiàn.

Nếu có nhiều điểm đo hơn các cảm biến hiện có (trong nhiều trường hợp làvậy),thìtoànbộlướiđiểmđolườngcầnphảiđượcđềcậptrongnhiềugiaiđoạnbởinhữngthiế tlậpđokhácnhau.Mộtsốvịtríđiểmthamchiếuđƣợclựachọnvàđầudòtạinhữngđiểmnàyđƣợ clưugiữtạicùngmộtvịtrítrongtấtcảcácthiếtlập.Phầncònlạicủađầudòđượcdichuyểngiữacá cthiếtlập,dođócácđầudòthườngđượcgọilàcảmbiếnlưuđộng,vìthếvàocuốithiếtlập,phảnứ ngrungđộngtạitấtcảcácđiểmlướithửnghiệmsẽđượcđo.Trongmỗithiếtlập,daođộngđượcđođ ồngthờiởtấtcảcáccảm ứng tham chiếu và đầu dò lưu động, có nghĩa là phải có một bộ thu thập dữ liệu đakênhchocôngtácđo.

Vị trí lý tưởng cho một cảm biến tham chiếu là một vị trí mà tất cả các modedaođộngquantrọngcóbiênđộchuẩnkháckhông.Vídụ,theohướngdọccủamộtcầuban hịpđiểnhìnhnhƣtrênHình1.2,vịtrícảmbiếncóthểđƣợcthiếtlậptừgiữacủanhịptrungtâmđểx ácđịnhcảhaichếđộđốixứngvàbấtđốixứng.Theohướngngang,sự sắp xếp của các cảm biến trong mặt cắt ngang phụ thuộc vào trạng thái dao độngxoắn.Nếumặtcắtngangcủakếtcấuphầntrênlàdạnghộp,độcứngchịuxoắncaovànếutỷlệchiề udàinhịpsovớichiềurộngcủanóđủlớn,kếtcấuphầntrêncóthểđượclýtưởnghóanhưmộtdầm.Tr ongnhữngtrườnghợpnày,biếndạngngangcủakếtcấuphầntrênlànhỏsovớibiếndạngtheochiều dọc.Kếtquảlà,haicảmbiếntrênmặtcắtnganggầnnhƣđủđểbaogồmcảuốndọcvàxoắn(xemHình1.3 a).Cầnlưuýrằnglýthuyết dầm đơn không làm giảm bớt sự cần thiết phải kiểm tra cong vênh (mode cụcbộ)trongdầmhộpthép.Đốivớicácmặtcắtngangkhác(vídụnhƣnhiềudầm),nênsửdụngcác điểmđochotừngdầmnhƣtrênHình1.3b.

Hình1.2 Minh họavị trílắpcáccảmbiếnthamchiếu(khoanhtròn)trêncầu. a) cầudầmhộp b) cầunhiềudầm

Hình1.3.Bốtrícáccảmbiếntrêncácdạngmặtcắtngangcầu. Đốivớicầunhiềudầm,nếukhôngđủcảmbiến,nênđểthànhtừngđườngtheophương dọc cầu.Mỗi thiết lập đo một hoặc một vài đường cho đến khi quét toàn bộmặtcắtngang.Quátrìnhnàylàcựckỳhữuích đốivớicáccầunhiềulànxe:đólàcóthểđolànnàynhưnglànkhácgiaothôngvẫnbìnhthường.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ DAO ĐỘNG KẾT CẤU, PHƯƠNG PHÁPCHẨN ĐOÁN ĐỘNG VÀ CÁC THAM SỐ SỬ DỤNG TRONGBÀI TOÁN CHẨNĐOÁNĐỘNG

Cơsởlýthuyếtvềdaođộngkếtcấu

2.1.1 Phươngtrìnhvi phândao độngcủahệ mộtbậctựdo Đển g h i ê n c ứ u v ề p h ƣ ơ n g p h á p c h ẩ n đ o á n đ ộ n g v à c á c t h a m s ố s ử d ụ n g trong bài toán chẩn đoán động KCN cầu, trước hết luận án trình bày cơ sở lý thuyếtvề dao động kết cấu – đây là nền tảng của phương pháp chẩn đoán động Về mặt lýthuyết,cácthamsốdaođộngcủakếtcấuđượcxácđịnhtừphươngtrìnhviphândaođộngcủakế tcấu.

Phương trình vi phân dao động cưỡng bức của hệ một bậc tự do, giả sử là 1dầmnhƣtrênHình2.1,đƣợcviếtnhƣsau [73]:

(2.1) Trongđó: mlàkhốilƣợng, clàhệsốcảncủakết cấu, klàđộcứngcủa kếtcấu, u(t)làchuyểnvịcủakhốilƣợngtheothờigian, làvậntốcchuyểnđộngcủakhốilƣợngtheo thờigian,bằngđạohà mbậcnhấtcủachuyểnvị, làgiatốcchuyểnđộngcủakhốilƣợngtheothờigian,bằngđạohàmbậchaicủachu yểnvị, f(t)làlựckíchthíchtheothờigian.

Khikhông có lựccưỡng bức tácdụng lên hệ, phươngtrìnhviphândao độngtựdocủahệmộtbậctựdo códạng nhƣ sau:

(2.5) Phương trình nàyđượcgọi làphương trìnhđặc trưng củadaođộng tựdocócản.Hainghiệmcủaphươngtrìnhbậchainàycódạngnhưsau:

Lờig i ả i c ủ a p h ƣ ơ n g t r ì n h d a o đ ộ n g t r ê n p h ụ t h u ộ c v à o b ả n c h ấ t c ủ a 2 nghiệm và Nói chung,có3trườnghợpcóthểxảyrađốivớidaođộngtắt dần củakếtcấu:cảntớihạn,cảnquámứcvàcảnít(đâylàloạidaođộngtắtdầnthườnggặptrongcá ckếtcấu côngtrình,đƣợcgọilàcảntựnhiênhoặctắtdầntựnhiên).

Haitrườnghợpcảntớihạnvàcảnquámứcxảyrakhibiểuthứcdướidấucănbậchaitron gcôngthức(5)lớnhơnhoặcbằngkhông.Trongcả2trườnghợp,hệ khôngtồntạidaođộng.Hệsốcảntớihạnc=c cr ,với c cr ,làhệsốcảnnhỏ nhất cần thiết để ngăn chặn kết cấu thực hiện dao động Kết cấu có hệ số cản quámức (c > c cr ) sẽ mất nhiều thời gian hơn trong việc làm tiêu tan dao động so với kếtcấucó hệ sốcản tớihạn (c = c cr ).

(2.6)nhỏhơnkhông,khiđó và là2nghiệmphức.Đâychínhlà dạngdaođộng phổbiếntrongthựctế.Phươngtrìnhdaođộngcủahệnhưsau[14,20]:

D= đƣợcgọilàtầnsốdaođộngvòngcócản[rad/s],A1 vàA2làcáchệsố.Trongtrườnghợphệkhôngcócản,tầnsốnàylạitrởthànhtần

D sốdaođộngriêng Đểđánhgiámứcđộcảncủahệhoặckếtcấungườita sửdụngkháiniệm“hệsốgiảmchấn”hay“tỷsốcủahệsốcảntớihạn” c cr

Cuốicùng,phươngtrìnhdaođộngcủahệcódạng: u(t) (2.11) trongđóu0vàv0làchuyểnvịvàvậntốcbanđầu.Đâylàphươngtrìnhdao độngcủahệcótầnsốvòng dạngdaođộngkhôngphảidạngđiềuhòamàlàdao độngcóbiênđộgiảmdầntheothờigian.Cầnchúýrằngtầnsốdaođộngcócảnkhácvớitầns ốdaođộngriêng củakếtcấu,quanhệgiữachúngđƣợcthểhiệntrongcôngthức(2.9).

Hình2.2minhhọadaođộngtrongcáctrườnghợpkếtcấukhôngcócản(nét đứtmảnh),cảnít(nétliềnmảnh),cảntớihạn(nétliềnđậm)vàcảnquámức(nétđ ứt đậm) với chuyển vị và vận tốc ban đầu khác không Dễ nhận thấy trong trườnghợp cản tới hạn và cản quá mức, chuyển vị (hay độ võng) không thực hiện dao độngmà tắt dần tới giá trị không, còn trong trường hợp cản ít, kết cấu thực hiện dao độngvới biên độ giảm dần theo thời gian Hình 2.3 thể hiện đồ thị dao động của kết cấucó cản (ít) và đường cong tiêu hao biên độ dao động dạng mũ (gọi là đường baobiênđộdaođộng). k m

Hình2.2.Sosánhbiểuđồdaođộngtrongcáctrườnghợpkhôngcócản,cảnít,cảntớihạnv àcảnquámức.

Trong thực tếít khi gặp hệ kết cấu có một bậc tự do (một khối lƣợng). KCNcầu gồm các dầm và thanh hoặc bản liên kết với nhau có tiết diện không đổi hoặcthay đổi, do đó, khối lƣợng của hệ đƣợc phân bố đều hoặc không đều cho các bộphận Vì vậy,KCN cầu và những hệ đàn hồi có cấu trúc tương tự là những hệ có vôsốbậctựdo [12].

Việc nghiên cứu dao động của hệ đàn hồi vô số bậc tự do nhƣ vậy gặp rấtnhiều khó khăn Trong kỹ thuật, người ta thường thay thế hệ vô số bậc tự do thànhhệtươngđươnghữuhạnbậctựdođểcóthểgiảiquyếtbàitoándễdànghơnmàvẫnđạt được độ chính xác cần thiết trong kết quả Hệ nhiều bậc tự do có thể ứng vớikhối lƣợng, hệ số cản và độ cứng phân bố liên tục (thậm chí có thể phân bố rời rạc)tronghệđộnglực.

C là ma trận hệ số cản của kết cấu,Klàmatrậnđộcứngcủakếtcấu, u(t)làvéc-tơchuyểnvịcủakhốilƣợngtheothờigian, làvéc- tơvậntốcchuyểnđộngcủakhốilƣợngtheothờigian,bằngđạohàmbậcnhấtcủachuyểnvị, làvéc- tơgiatốcchuyểnđộngcủakhốilƣợngtheothờigian,bằngđạohàmbậchaicủachuyểnvị,

Trongtrườnghợphệkhôngcócảnvàdaođộngtựdo(C=0),véc- tơchuyểnvịcóthểđược viếtdướidạngsau[19]: vậy

(2.20) Trongđó: là tần số vòng của dao động riêng (hay gọi tắt là tần số dao động riêng),làvéc-tơ dạngthứcdaođộng riêng,

C là ma trận hệ số cản của kết cấu,Klàmatrậnđộcứngcủakếtcấu,I làmatrậnđườngchéođơnvị.

Nhưvậyđốivớikếtcấu,cóhaithamsốdaođộngquantrọnglàtầnsốdao độngriêng (hoặcf)vàdạngthứcdaođộngriêng Đểbiếtđượckếtcấudao độngnhưthếnào thìphảixácđịnhđượchaithamsốdaođộngnày

Với kháckhông,phươngtrình2.18chínhlàbàitoántrịriêngchuẩn,trongđó

( làcáccặpgiátrịriêngvàvéc-tơdạngthứcdaođộngriêng,tổngsốlàncặpcho n bậc tự do (ứng với bậc của các ma trận M, C và K [19]) Đối với khối lƣợng tậptrung,matrậnM -

Bản chất của tần số dao độngriêng và dạng thức dao độngriêng tươngứngcóthểnhậnđượcbằngphươngphápsố

=1,2,…,n)đượcsắpxếptheothứtựtừnhỏtớilớn n)tươngứng vớichukỳdaođộngriêngTjvàdạngthứcdaođộngriêng Thuậtngữ“riêng”ở

T j j hd h đây nhấn mạnh rằng đó là các tính chất riêng của hệ dao động, nó chỉ phụ thuộc vàocáckhốilƣợngvàđộcứngcủa hệ.

Hiện nay các quy trình phân tích bằng PTHH hiện đại đã mô hình hóa độcứng của hệ kết cấu liên tục hoặc rời rạc nhƣ một hệ nhiều bậc tự do, chúng cảithiện đáng kể các khả năng phân tích động lực (mở rộng để mô hình hóa ma trậnkhối lƣợng và ma trận cản và gồm cả giá trị riêng/véc-tơ riêng) Các phần mềm nàycó thể dung để tính các đặc trƣng độc lực của hệ kết cấu phức tạp.M ộ t s ố p h ầ n mềm cho phép nhận đƣợc ứng đáp thời gian đối với một lực tác động tổng quát F(t)(baogồmcảsơđồtíchphântừngbước,phươngphápchồngmode– cònđượcgọilàphương pháp rút gọn) hay lời giải có thể nhận được trong mặt phẳng phưc khi lựctácđộngF(t)làhàmđiềuhòa.

THỰC NGHIỆM ĐO DAO ĐỘNG MỘT SỐ KCN CẦU TRÊN ĐỊABÀN TP HÀ NỘI VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHẨN ĐOÁN ĐỘNG KẾT CẤUCẦU

LựachọnmộtsốKCNcầuđiểnhìnhtrênđịabànTPHàNộiđểđodaođộng

HiệnnaytrênđịabànTPHàNội,có504côngtrìnhcầucácloại(sốliệuthốngkêtínhtớithờiđ iểm6/2017[23]),ứngvớitổngchiềudàilàkhoảng53,6km.Trongđóchủ yếu là các công trình cầu bê tông cốt thép

(BTCT) và bê tông dự ứng lực(BTDUL),sốlƣợngcáccôngtrìnhcầuthépcònrấtítsovớihailoạicôngtrìnhcầutrên(Bảng3. 1vàHình3.1).

STT Loạivậtliệu Sốlƣợng(câycầu) Phầntrăm

Nhìnvàosốlƣợngthốngkêởtrênchothấy,cáccôngtrìnhcầutrênđịabànTPHàNộihiệnna ychủyếulàcầuBTCTvàBTDUL.Trongsốcáccôngtrìnhcầunàythìchủ yếu lại là dạng kết cấu có sơ đồ giản đơn, chiều dài nhịp thuộc dạng vừa và nhỏ.Chiềudàitoàncầukhônglớn,chỉnằmtrongkhoảngtừ5– 310(m).Dođượcxâydựngkhálâu,chủyếuvàothếkỷtrước,dođó,đasốcáccôngtrìnhcầuđềuđ ƣợcthiếtkếvớicáctảitrọngtheotiêuchuẩn“Thiếtkếcầu– cốngtheocáctrạngtháigiớihạn”22TCN18–79[1].TảitrọngchủyếuđƣợcsửdụnglàH30– XB80,H10,H13,H30hayH13

– XB60, rất ít các công trình cầu đƣợc thiết kế với tải trọng HL93 theo Tiêu chuẩn22TCN272-05[2,28,29].Cáckếtcấumốtrụcũngkháđadạngnhƣ:mốchândê,mốnặng, mố chữ U… sử dụng các vật liệu cũng hết sức đa dạng nhƣ: BTCT, bê tông,thậmchíđáxây.MặtcắtngangcủacáccôngtrìnhcầunàychủyếulàdạngmặtcắtchữI,Tvà mộtsốlàdạngKCNcầubản.Kếtcấumóngchủyếulàdạngmóngcọcđóngvàcọckhoannhồicóđườn gkínhnhỏ(từ1mtrởlại).

Phầnlớncáccôngtrìnhcầunàychƣahoặcđãđƣợctiếnhànhkiểmđịnhtừrấtlâu,riêngcóm ộtsốlƣợngnhỏcáccôngtrìnhđƣợctiếnhànhkiểmđịnhgầnđâynhấtthìcũngtừnăm2010nhƣcầuK imNgưu,cầuKU1…

Mộtsốcôngtrìnhcầuđãđƣợcxâydựngtừkhálâu,tuynhiêncũngmớichỉtiếnhànhcáccôngtácsửach ữanhỏthaythế gối cầu, khe có giãn… nhƣ cầu Quan (1976), cầu Đồng Mô (1976),… nằm trêntuyếnQuốclộ21. Đasốcáccôngtrìnhcầunàyđềuđƣợcđƣavàokhaithácvàsửdụngtừnhữngnăm của thế kỷ trước, còn lại là một số công trình mới được đưa vào sử dụng trongkhoảng2- 3trởlạiđây.Vídụcócôngtrìnhcầuđƣợcxâydựngđãkhálâumàhiệnnàyvẫncònđangkhaithácvàsử dụngđólàcôngtrìnhcầuLiêu(1955)

Trước thực trạng gia tăng về nhu cầu vận tải, di chuyển của xã hội, vấn đề xequátải,… hầuhếtcáccôngtrìnhnàyđềuđãxuốngcấp,khôngcònđảmbảođượckhảnăngkhaithácbìnhthườ nghoặccómộtsốcôngtrìnhcầuphảigiảmtảitrọng.Trongsốnày còn có một số công trình cầu còn đang trong tình trạng rất yếu, ví dụ nhƣ côngtrìnhcầuquanhánhsôngNhuệ.ThốngkêhiệntrạngcáccôngtrìnhcầutạiTPHàNộiđƣợcthểhiệ ntrênHình3.3.

Cầu Tốt Cầu bình thường (TB) Cầu yếu

Do đặc tính đa dạng của các công trình cầu trên địa bàn TP Hà Nội, số lƣợngcáccôngtrìnhcầulàrấtlớn,đểtiếnhànhđođạchếtđƣợctấtcảcáccôngtrìnhcầulàrất khó khan trong phạm vi nghiên cứu này Do đó, ở đây chỉ chọn một số các côngtrìnhcầuđiểnhìnhđểtiếnhànhđođộng.Tổngcộngcó6côngtrìnhcầutrênđịabànTPHàNộ iđượclựachọnđểtiếnhànhđođạcbằngphươngphápđộng,baogồm:

03 KCN cầu dầm chữ T bê tông dự ứng lực: cầu Phùng Xá, cầu Tế Tiêu vàcầuCốngThần,

Xác định các tham số đặc trƣng dao động của các KCN cầu đƣợc lựa chọn ởthờiđiểmbanđầu

Bướcquantrọngtrongbàitoánchẩnđoánđộnglàxácđịnhđượccácthamsốđặctrưngda ođộng(baogồmtầnsốdaođộngriêngvàdạngthứcdaođộng)củaKCNcầu.Các đặc trưng này thông thường sẽ đƣợc đo đạc tại từng thời điểm cụ thể để làm cơsở dữ liệu cho việc chẩn đoán KCN bằng dao động Tuy nhiên, các KCN cầu kể trênchƣacósốliệuđodaođộngcủaKCNởthờiđiểmbanđầu(trạngthái0),vìvậyphảitínhtoáncácth amsốdaođộngchocácKCNcầuđóởtrạngthái0bằnglýthuyếtdựatrêncácthôngsốvềcácKCNđót ừcáchồsơbảnvẽthiếtkếvàbảnvẽhoàncông. Đểgiảibàitoándaođộngvàtínhtoáncácthamsốđặctrƣngdaođộnglýthuyếtcủa các KCN cầu ở trạng thái ban đầu (trạng thái 0) kể trên, tác giả sử dụng phươngpháp PTHH do đây là phương pháp hiện đại, tính toán nhanh và có độ chính xáccao.Mô hình PTHH KCN cầu đƣợc hiện thực trên phần mềm ANSYS MechanicalAPDL 15.0 [31] Phần mềm này đƣợc lựa chọn sử dụng vì có tính năng cho phépngườidùngviếtmãlệnh(code)dođófiledữliệuđầuvàonhỏgọn,dễchỉnhsửa.Tínhnăng này cũng cho phép người dùng can thiệp sâu vào mô hình, thay đổi các yếu tốtrênphầntử,núthoặcliênkết,hoặccóthểtạoracácthuậttoánmôhìnhngẫunhiên(vídụ:tạoracácp hầntửhưhỏngngẫunhiêntrongKCN).Đặcbiệt,phầnmềmANSYScònchophépngườidùngg ọiđếntừmộtchươngtrìnhkhác,truyxuấtvàlưukếtquảratệp(file)ngoàinênrấtthíchhợpchoc ôngviệccậpnhậtvàhiệuchỉnhmôhìnhPTHH.

Các phần tử dùng để mô hình các cầu này chủ yếu là phần tử dầm và phần tửtấmkhônggian.Cáccầunàycódạngkếtcấutươngđồngnênđềuđượcmôhìnhtheomộtcáchgiố ngnhau.MụcnàychỉtrìnhbàyđạidiệncáchxâydựngmôhìnhphầntửhữuhạnchocầuLaKhê– cầugồmcócảdầmchủ,dầmngangvàbảnmặtcầu,cáccầu khácđượcxâydựngtươngtự.Kếtquảtínhtoántừmôhìnhchotấtcảcáccầusẽđượctrìnhbàyở mụcsau.

MặtcắtngangcủacầuLaKhê[13]baogồm6dầmchủbêtôngdựứnglựckéosau Các dầm ngang đƣợc đổ tại chỗ ở 4 vị trí dọc theo cầu: tại 2 đầu dầm và 2 vị trígiữadầm.Bảnmặtcầubêtôngcốtthépcóchiềudày200mmđƣợcđổtạichỗvàliênkếtvớicácdầmc hủthôngquacốtthépchờ.

Dầm dọc và dầm ngang đƣợc mô hình bằng phần tử dầm không gian 2 nút(BEAM188) Phần tử dầm này có 6 bậc tự do tại mỗi nút, bao gồm 3 chuyển vị theophươngx,y,z,và3gócxoayquanhtrục x,y,ztronghệtrụctọađộđịaphương.Hệtrục tọa độ địa phương của phần tử dầm có 2 nút I, J được thể hiện trên Hình 3.4a,trongđótrụcxlàtrụcdọctheochiềudàicủaphầntử.Ngoài2nútIvàJxácđịnhphầntử,núttùychọ nKcótácdụngxácđịnhmặtphẳngtảitrọngtácdụnglênphầntử.

Bản mặt cầu đƣợc mô hình bằng phần tử bản 4 nút (SHELL181) nhƣ minhhọatrênHình3.4b.Phầntửnàycó6bậctựdotại mỗinútbaogồm3chuyển vịtheo phương x, y, z, và 3 góc xoay quanh trục x, y, z trong hệ tọa độ địa phương.Trên thực tế, bản mặt cầu được liên kết cứng với các dầm chủ, do đó trong mô hìnhphần tử hữu hạn này, các phần tử vỏ đƣợc liên kết cứng với các dầm chủ thông quacác neo rất cứng, các neo này đƣợc mô hình bằng phần tử dầm có chiều dài bằngkhoảngcáchtừ timdầmchủđếnmặttrungbìnhcủabảnmặt cầu.

Dầm chủ đƣợc mô hình bởi phần tử dầm không gian có mặt cắt không đổivới diện tích mặt cắt A = 0.604 m 2 và mômen quán tính I = 0.157 m 4 (đã xét đến cảphần cốt thép dự ứng lực) Dầm ngang có chiều cao 1.12 m và bề rộng 0.2 m. Tấmbản mô hình bản mặt cầu có dạng hình bình hành do cầu chéo Lớp phủ mặt cầu vàphầnlancan,tayvịnđƣợccoilàkhốilƣợngthêmvàocủamôhình.Vậtliệubêtôngđƣợcmôhì nhlàvậtliệuđànhồicómôđunđànhồiE0×10 9 N/m 2 ,hệsốPoisson

Lưới mô hình phần tử hữu hạn của cầu La Khê được thể hiện trên Hình 3.5.Hệ tọa độ chung của kết cấu bao gồm trục X nằm theo phương dọc cầu, trục Y nằmtheo phương ngang cầu theo hướng dòng chảy và trục Z nằm theo phương thẳngđứng.Đ iề u k i ệ n b i ê n c ủ a m ô h ì n h : c á c đ ầ u d ầ m đề uđ ƣ ợ c cố đ ị n h t h e o p h ƣơ n g đứng,cácđầudầmbêntráiđượccốđịnhtheophươngdọc,trongkhicácđầudầmbênph ảiđược phépchuyểnvịtheophươngdọc[21,22]. a) Phầntửdầmkhônggian(B

Các tham số đặc trƣng dao động bao gồm tần số riêng và dạng dao động(mode shape) đƣợc tính toán từ mô hình phần tử hữu hạn của 6 cầu kể trên. Cáctham số này được tóm tắt trong các bảng, các hình dưới đây và được trình bày đầyđủtrongPhụlục.

Bảng 3.2 liệt kê 10 mode dao động đầu tiên trích xuất từ kết quả phân tíchdao động tự do của mô hình PTHH, biểu lộ mật độ mode dao động khá thƣa thớttrong dải tần số từ 4.20 đến 27.34 Hz mode đầu tiên có tần số 4.20 Hz là mode daođộng uốn thứ nhất của kết cấu Các mode dao động đƣợc phân biệt khá rõ nét bởitầnsốvàdạngdaođộng,vìvậyviệcđođạcnhậndạngdaođộngcủakếtcấucầu giảnđơnkiểunàyđượcdựđoánlàkháthuậnlợi.Mườidạngdaođộngtựdođầutiênc ủamô hìnhkếtcấuđƣợcthểhiệntrênHình3.6.

10 27.34 Daođộnguốnkếthợpvớitrườn a) mode1 b) mode2 c) mode3 e)mode5 g)mode7 d) mode4 f)mode6 h) mode8 i) mode9 k) mode10

Bảng 3.3 và 3.4 liệt kê tần số tính toán 6 mode đầu tiên của mô hình cầu bảnKiến Hƣng và cầu Cống Thần (dầm mặt cắt chữ T) Hình 3.7 và 3.8 trình bày dạngdao động của 6 mode đầu tiên phân tích từ mô hình phần tử hữu hạn cầu Kiến HƣngvàCốngThần.

6 11.55 Dạngxoắnthứ2 a) mode1 b)mode2 c) mode3 d)mode4 e) mode5 f)mode6

Hình3.7.SáudạngdaođộngtựdođầutiêncủamôhìnhcầuKiếnHƣng a) mode1 b)mode2 c) mode3 d)mode4 e) mode5 f)mode6

Trong mục này, luận án đã xây dựng đƣợc mô hình PTHH để tính toán cáctham số dao động cho các KCN cầu dầm giản đơn BTDUL Bằng cách sử dụng vàkết hợp các phần tử dầm và phần tử bản không gian, có thể mô hình đƣợccác dạngKCN cầu khác nhau nhƣ KCN cầu bản, cầu dầm mặt cắt chữ T và mặt cắt chữ I.Nhƣ vậy, có thể dùng mô hình PTHH để xác định đƣợc giá trị các tham số độnggồmtầnsốriêngvàdạngthứcdaođộngcủaKCNcầuởtrạngtháibanđầu.Ngoài ra nếu biết các hƣ hỏng tại vị trí cụ thể thì mô hình PTHH cũng cho phép thay đổithôngsố KCtạivịtríđóđểtínhra cácthamsốđộngcủaKCtươngứng.

Thựcnghiệmđodaođộng6KCNcầutrênđịabànTPHàNội

Trình tự thực hiện đo dao động và xử lý số liệu bao gồm:Chuẩnbịthiếtbị

Thực hiện đo và thu nhận tín hiệu: tiến hành đo nhiều lần (ít nhất 3 lần) đốivới mỗi một bộ các điểm đo (1 setup) Thời gian mỗi lần đo kéo dài từ 10 – 20 phút.Thời gian ngắt quãng giữa hai lần đo tùy thuộc vào nguồn kích thích, thông thườngbắt đầu lần đo ngay trước khi có phương tiện đi vào cầu (đo trong điều kiện khaithác),hoặcngắtquãngtừ 2–5phút.

Máy đo GMSplus của hãng GeoSIG, Thụy Sỹ, đƣợc sử dụng để đo dao động6 KCN cầu trên địa bàn TP Hà Nội Máy có 3 đầu đo dao động được gắn theo baphương dọc, ngang và thẳng đứng Số liệu các đầu đo thu về được lưu vào thẻ nhớgắn sẵn trong máy. Ngoài ra, có thể kết nối máy tính (laptop) với GMSplus thôngquacổngEthernettrênmáyđểtheodõisốliệu trựctiếp. a) Máyđob ) Cảmbiến bêntrongmáy c)Máytính kếtnối đểđọcdữliệu

Cóthểcóloạimộtphương(uniaxial)hoặc3phương(triaxial)Độnhạy/ sensitivity:50-200mV/g(~100mV/ms -2 )

Miềntầnsốđo:0.1Hzđến500Hz(phụhợpvớidaođộngchậmcủakếtcấuc ó trọng lƣợng lớn)

Khoảng biên độ đo: 0-2g (g=9,8m/ s 2 )Độphângiải/resolution:0.002(grms).

Thựchiệnđobằngmáyđođađiểmvớinhiềumáyđƣợcnốivớinhauthông qua chuẩnkhôngdây.Việc đo dao động vàxác định cácmodedao động của kết cấu

3 công trình chịu ảnh hưởng rất lớn từ sai số và độ trễ về mặt thời gian Vì vậy, đểđồng bộ thời gian giữa các máy GMSplus, mỗi máy đƣợc gắn thêm 1 bộ định vịGPSđểlấythờigianchínhxáctừvệtinh.ChukỳcậpnhậtthờigianGPScủamáylà2lầ n/phút.

3.3.3 Bốtríđiểmđodaođộng Để tìm ra các đặc trưng động của kết cấu bằng đo dao động, trước tiên kếtcấu phải được kích thích (tạo dao động) bằng lực tác động Khác với phương phápphân tích, việc tìm ra các mode dao động riêng không phụ thuộc vào kích thích Vềnguyên tắc số mode dao động bằng với số bậc tự do Nói cách khác, một mode cóthểnhậndạngđƣợcnếukíchthíchphảitạorađƣợcdaođộngcủamodeđó.

Minh họa ở Hình 3.10là 3 dạng thức dao động của dầm giản đơn với ba bậctự do Đây cũng là số điểm đo tối thiểu cần thiết trên một dầm giản đơn để thu đƣợc3 mode dao động đứng đầu tiên Nét liền là dạng mode thu đƣợc, nét đứt là dạngmode thực Nếu trên dầm có gắn càng nhiều điểm đo thì dạng mode thu đƣợc sẽcàngmịnvàchínhxác.

Hình3.10.Badạngthứcdaođộng củadầmgiảnđơn vớibabậctựdo. Đối với KCN dầm giản đơn trên mặt cắt ngang có nhiều dầm, các điểm đodao động phải đƣợc bố trí trên toàn bộ các dầm Nói chung, trên mỗi dầm giản đơnphải bố trí ít nhất 3 vị trí đo dao động: tại giữa dầm, tại các vị trí 1 / 4 d ầ m v à 3 / 4 dầmđểcóthểlấyđƣợcítnhất3 modedaođộnguốnthẳngđứngđầutiên.

Tổngcộngcó:3điểm/vịtrí vịtrí/dầm= 9điểmđodaođộngcho1dầm.

Nếu 1 KCN có 6 dầm thì tổng số điểm đo sẽ là:9 đ i ể m 6 d ầ m 5 4 đ i ể m đo dao động cho KCN Do đó, sơ đồ chi tiết bố trí điểm đo dao động của một KCNcầudầmgiảnđơnđƣợc minhhọa nhƣtrênHình3.33và3.34.

Trong trường hợp sử dụng cảm biến đo 3 phương, thì số điểm đo cho 1 dầmlà3điểm,vàtổngsốđiểmđochoKCNcó6dầmlà18điểmđo.

- Đo dao động KCN ở cả 2 nhịp N1, N2 Đây là KCN cầu bản, mặt khác dobề rộng cầu lớn (10,5m) nên trên mỗi nhịp phảibố trí 5 vệt đo dao động Trên mỗinhịp bố trớ điểm đo tại giữa dầm và cỏc vị trớ ẳ và ắ Tổng cộng cú 3 vị trớ đo daođộngtrên1vệtđo.

Tổngcộngcó:3điểm/ vệtx5vệt/nhịpx 2nhịp0điểmđodaođộng.

Hình3.14.Sơđồ bốtríđiểmđotrên mặtbằnghainhịpvàmốtrụ cầuKiếnHƣng

Hình3.15.Bốtríthiếtbịđodaođộngtrên mặt cầu. b) CầuPhùngXá:

- Đoda ođ ộn gK CN ở c ả 2 nh ịp N1, N2 Tr ên mỗ in hị p đ o tạ itấ tc ả các dầ m.Trờnmỗidầmbốtrớđiểmđotạigiữadầmvàcỏcvịtrớẳvàắ.Tổngcộngcú3vịtrớđodao độngtrên1dầm.

Tổngcộngcó:3điểm/dầm×4dầm/nhịp×2nhịp$điểmđodaođộngKCN.

Hình3.17.Sơđồ bốtríđiểmđo trên mặtbằnghainhịpcàmốtrụ cầuPhùngXá c) CầuCốngThần:

Cầu Cống Thần cũng có 4 dầm chủ (chữ T) trên mặt cắt ngang giống cầuPhùng Xá, vì vậy sơ đồ bố trí điểm đo cầu này giống nhƣ bố trí cho cầu Phùng Xá(Hình3.37và3.38). d) CầuTếTiêu:

Tổngcộngcó:3điểm/dầm×5dầm/nhịp×2nhịp0điểmđodaođộng KCN.

Hình3.19.Sơđồbốtrí điểmđo trên mặtbằnghainhịpvàmốtrụ cầuTếTiêu e) CầuLaKhê:

Tổngcộngcó:3điểm/dầm×6dầm/nhịp×2nhịp6điểmđodaođộng KCN.

Hình3.21.Sơđồ bốtríđiểmđotrênmặtbằnghainhịpvà mốtrụcầuLaKhê f) CầuGiẽ:

CầuGiẽcũngcó6dầmchủ(chữI)trênmặtcắtnganggiốngcầuLaKhê,vìvậysơđồbốtríđiể mđocầunàygiốngnhƣbốtríchocầuLaKhê(Hình3.20và3.21).

Số liệu đo và biểu đồ dao động (gia tốc) của 6 cầu đƣợc tổng hợp trongPhụlục Các số liệu đo này đều đã đƣợc xử lý bằng phần mềm MACEC 3.2 (doTrườngĐại học KU Leuven, Vương quốc Bỉ phát triển) để xác định các tần số dao độngriêngvà modedaođộngtươngứngcủaKCN[24].

Tiền xử lý: từ dữ liệu thô thu đƣợc sử dụng các thuật toán chuyển đổi đểđƣa số liệu về định dạng có thể tiến hành phân tích Tiếp theo, ta tiến hànhlọccác dữ liệu. Ởbướclọcdữliệunàytaphảitiếnhành3côngviệcbaogồm:

Sau khi các dữ liệu đã đƣợc lọc, tiến hành gán dữ liệu đo vào kênhđo.

Khai báo mô hình hình học của kết cấu: công việc này bao gồm khai báo vịtrí kênh đo, khai báo các điểm dao động tương tự điểm đặt kênh đo, khaibáophầntử dầmđểmôhìnhkếtcấu.

Phân tích: ở bước này ta tiến hành lựa chọn phương thức phân tích phổ tầnsố đã tiền xử lý ở bước trên Hiện có nhiều phương pháp để nhận dạng daođộngcủakếtcấunhƣđãđƣợctrìnhbàytrongnộidungluậnán.

Biểu diễn kết quả: ở bước cuối cùng này phổ tần số sau khi được phân tíchsẽ cho ra kết quả là tần số dao động và dạng thức dao động Kết hợp với môhìnhhìnhhọcđãđượcthựchiệnởbướcthứ

+M at he ma ti cs

C ơsởtham kếthợpkhônggiancon nh(CSI/ref).

Khi tiến hành đo dao động kết cấu cầu trong điều kiện khai thác để tìm ra cácthông số dao động đặc trưng cho kết cấu người ta có thể đo thông qua các phản ứngcủa kết cấu như gia tốc, chuyển vị hoặc biến dạng động tại một số điểm nút trên kếtcấu Dưới đây là một ví dụ để giải thích quy trình phân tích xử lý số liệu nhận dạngdao động để tìm ra các tham số đặc trƣng dao động từ dữ liệu đo Công cụ để tìmcác đặc trƣng dao động từ số liệu đo là phần mềm MACEC 3.2 Giả sử cần tìm đặctrƣng dao động của một dầm công son như Hình 3.24 dưới đây, cần phải bố trí ítnhất 4 điểm đo dao động tại bốn vị trí là bốn bậc tự do trên dọc chiều dài 1,6m củadầm.

Vì dầm một đầu ngàm, tại vị trí ngàm không có chuyển vị nên không phải bốtríđầuđo.

PhântíchảnhhưởngcủacáchưhỏngđếnđặctrưngdaođộngcủaKCNcầuBT 7 4 1 Miêutả môhình

Trong phạm vi của đề tài nghiên cứu này, 6 KCN cầu bê tông thuộc địa bànTP Hà Nội đã đƣợc tiến hành đo dao động vào thời điểm cuối năm 2015 – đầu năm2016 Để đánh giá hiện trạng KCN cầu dựa trên phương pháp dao động thì các cầusẽ đƣợc đo dao động định kỳ mỗi năm một lần Kết quả của mỗi lần đo sẽ đƣợc lưutrữvàdùngđểsosánhvớicáclầnđotrướcđó.Docáccầukểtrênchưađượcđolần2chonênc hƣacósốliệuđểđánhgiátìnhtrạngcủacầusovớilầnđođầutiên.Vì vậy, để minh họa phương pháp đánh giá động, nhóm tác giả sử dụng phương phápmô phỏngsốđể:

- Khảo sát ảnh hưởng của các hư hỏng KCN (hư hỏng ở bản mặt cầu, dầmchủ, dầm ngang) cầu đến sự thay đổi các đặc trƣng dao động của KCN cầu Sự thayđổi các đặc trƣng dao động của KCN này sẽ đƣợc phân tích và làm cơ sở để đánhgiátìnhtrạngKCNcầusaunày.

- GiảlậpcáchƣhỏngtạicácvịtrícụthểtrênKCN,sauđóchỉgiữlạicácđặc trƣng dao động (tần số, dạng thức dao động, ) với mục đích mô phỏng số liệuđo dao động của cầu tại một thời điểm trong tương lai Sau đó tiến hành chẩn đoánđộng theo phương pháp dựa trên sự thay đổi độ mềm biểu kiến của kết cấu (MFC)như đã trình bày ở Chương 2 để phát hiện vị trí hƣ hỏng của KCN Vị trí hƣ hỏngnày sẽ đƣợc đối chiếu với vị trí giả lập ban đầu để xem có trùng khớp hay không,nếu trùng khớp thì phương pháp chẩn đoán đã sử dụng là phương pháp tin cậy, cóthểápdụngđược. Để thực hiện mô phỏng, KCN cầu dầm BTDUL mặt cắt chữ I đƣợc lựa chọnbởi KCN này bao gồm cả dầm chủ, bản mặt cầu và dầm ngang – thuận tiện cho việcđánh giá hƣ hỏng ở các bộ phận này Các kích thước hình học của cầu La Khê sẽđược sử dụng trong mô phỏng này (cũng là KCN dầm I tương tự như cầu Giẽ) Cáckịch bản hư hỏng khác nhau sẽ được mô phỏng trên mô hình phần tử hữu hạn củaKCN Dao động tự do của KCN trong cả hai trường hợp không hư hỏng (gọi là tìnhtrạng kết cấu “khỏe”) và hƣ hỏng sẽ đƣợc phân tích Các tần số dao động tự do vàdạng thức dao động của kết cấu ứng với tình trạng không hƣ hỏng và hƣ hỏng sẽđƣợc sử dụng nhƣ là các tham chiếu chính cho việc cảnh báo hoặc phát hiện hƣhỏng Cách tiếp cận này dựa trên nguyên lý “tần số dao động tự do là tham số nhạycảm đối với sự nguyên vẹn của kết cấu”, do đó sự xuất hiện hƣ hỏng sẽ gây ra sựthay đổi tần số dao động tự do của kết cấu Sự thay đổi tần số và thay đổi độ mềmbiểu kiến kết cấu sẽ đƣợc đánh giá sử dụng 5 đặc trƣng dao động đầu tiên (bao gồmtần số dao động tự do và dạng thức dao động), sau đó sẽ đƣợc dùng để xác định vịtríhƣ hỏngcủaKCN.

Môhìnhphầntửhữuhạncủacầu LaKhêđãđượcxâydựngởmụctrước đó. Đâycóthểcoilàmôhìnhbanđầucủacầu–môhìnhkếtcấukhônghƣhỏng. Để mô phỏng sự xuống cấp hoặc hƣ hỏng của cầu, một số phần tử dầm hoặcbản sẽ đƣợc thay đổi độ cứng (chống uốn) so với độ cứng ban đầu Có hai trườnghợpđượcxemxétmô phỏng:

+ Một số vị trí xuất hiện vết nứt hoặc hƣ hỏng: đƣợc mô phỏng thông quaviệcthayđổimômenquántínhmặtcắt(I)củamộtsốphầntử.

Trong mỗi tình huống kể trên, mô đun đàn hồi (E) của bê tông sẽ đƣợc môphỏngsuygiảmtheo3mức:giảm20%,40%và60%,tứclàkhiđóbêtôngsẽcó mô đun đàn hồi lần lƣợt là 0.8E, 0.6E và 0.4E Với mỗi một kịch bản, 5 tần số đầutiên sẽ đƣợc trích xuất từ mô hình phần tử hữu hạn và sẽ đƣợc so sánh với 5 tần sốcủa môhìnhbanđầutrướckhibịhưhỏng.

Các tần số và sự thay đổi tần số so với mô hình ban đầu trong tình huống môđun đàn hồi của bản mặt cầu bị suy giảm đƣợc thống kê trong bảng 3.17. Tương tựnhư vậy, bảng 3.18 và 3.19 liệt kê các tần số và sự thay đổi tần số trong trường hợpmô đun đàn hồi của bê tông dầm và mô đun đàn hồi của bê tông của cả dầm và bảnbị suy giảm Các Hình 3.43 đến 3.45 thể hiện sự thay đổi tần số trong các trườnghợptươngứng ởtrên.

Bảng3.17.Sựthayđổitầnsốkhigiảmmôđunđàn hồicủa BTbản mặtcầu.

Mode1 Mode2 Mode3 Mode4 Mode5 f1 (Hz)

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4 Mode 5

Bảng3.18.Sựthay đổitầnsốkhigiảm môđunđànhồicủa BTdầm.

Mô đun đàn hồiBTbảnvà dầm

Hình 3.45 Sự thay đổi tần số khi thay đổi mô đun đàn hồi BT bản mặt cầu vàdầm

Dễ nhận thấy khi giảm mô đun đàn hồi của bê tông bản mặt cầu hoặc/và dầmchủ, tần số dao động cũng giảm gần nhƣ tuyến tính với độ giảm mô đun đàn hồi E.Khim ô đ u n đ à n h ồ i ( E ) c ủ a B T b ả n m ặ t c ầ u g i ả m 6 0 % t h ì t ầ n s ố c ơ b ả n g i ả m

12.9%, khi E của BT dầm giảm 60% thì tần số cơ bản giảm 29%, còn khi E của cảBTbảnvàdầmđềugiảm60% thìtầnsốgiảm36.8%.

Nhƣ vậy, khi đo đạc dao động KCN ở những lần tiếp theo, nếu các tần số (vídụ 5 tần số đầu tiên) đều giảm theo một tỉ lệ xấp xỉ nhau thì có thể dự đoán rằng môđunđànhồihoặcđộcứngcủatoànbộkếtcấucùngbịsuygiảm.

Có10kịchbảnhƣhỏngđƣợcgiảđịnhxuấthiệnởdầmchủ(4),dầmngang(1),vàbảnm ặtcầu(5).Cáchƣhỏngnàyđƣợcmôphỏngthôngquaviệcthayđổiđộcứngchống uốn (EI) của một số phần tử bằng cách: giảm mô men quán tính mặt cắt (I)xuống50%,hoặcgiảmmôđunđànhồicủaBT(E)xuống50%.MườihaikịchbảnhưhỏngtừH1 đếnH12đƣợcminhhọatrêncácHình3.46-3.53,trongđócáchƣhỏngH8-

Cáctầnsốvàsựthayđổitầnsốsovớimôhìnhbanđầutrongcáctrườnghợphư hỏng (vết nứt) ở dầm chủ, dầm ngang và bản mặt cầu (H1-H12) đƣợc liệt kêtrongBảng3.20.Hình3.54biểudiễnsựgiảmtầnsốcủacáctrườnghợphưhỏngtạivị trí ngẫu nhiên của bản mặt cầu (từ 10%-50%) so với tần số của mô hình ban đầuchƣahƣhỏng.

Mode1 Mode2 Mode3 Mode4 Mode5 f1(

Mứcđộhưhỏng Hình3.54.Sựthayđổi(giảm)tầnsốtheomứcđộhƣhỏngngẫunhiêncủabảnm ặtcầu.

Các biểu đồ trên cho thấy, khi hƣ hỏng xảy ra ở dầm chủ thì các mode uốnthẳng đứng – đặc biệt là mode uốn đầu tiên - bị ảnh hưởng nhiều nhất bởi các dầmchủ cấu thành độ cứng chống uốn cho KCN Tuy nhiên, với những vị trí và mức độhƣ hỏng giả định nhƣ trên, tần số dao động của 5 mode đầu tiên giảm không đángkể,lớnnhấtlà0.8%tronghƣ hỏngH2. Đáng chú ý là trường hợp các dầm ngang tại vị trí 1/3 nhịp cùng bị hư hỏng(H5), tình huống này cũng có khả năng xảy ra trong thực tế khi dầm ngang bị đứtcáp dự ứng lực ngang Trong trường hợp này, tần số các mode dao động uốn đứng(quanh trục Y) và xoắn của KCN đều tăng chứ không giảm, ngƣợc lại, tần số modedaođộng uốnquanhtrụcXlạitănglên.Điềunàycóthểlýgiảilàkhiđộcứngtươngđối của dầm ngang giảm thì độ cứng tương đối của dầm dọc tăng lên làm cho tần sốcác mode uốn đứng (quanh trục Y) tăng lên Ở chiều ngược lại, tần số mode uốnđứng quanh trục X của KCN lại giảm đi (trong dạng dao động này, dầm ngang đóngvaitrònhƣdầmdọc,còndầmdọc đóngvaitrònhƣdầmngang).

Khi số lƣợng các phần tử bản mặt cầu bị hƣ hỏng ngẫu nhiên tăng lên thì tầnsố của các mode dao động cũng giảm theo Có thể nhận thấy sự giảm tần số ở cácmode uốn (mode 1, 3, 5) tương đối xấp xỉ nhau, còn đối với các mode xoắn và hỗnhợp(mode2,4)thìtầnsốgiảmnhanhhơnkhisốphầntửhƣhỏngngẫunhiêntăng

Ae( 1 2 1) A e( 2 2 1) a 0 Ma 1 K lên.ĐâychínhlàđiểmđángchúýtrongsựthayđổitầnsốdaođộngcủaKCNkhicócácp hầntửbảnhƣhỏngngẫunhiên.

Phân tích các đặc điểm của kết cấu nhạy cảm với sự thay đổi đặc trƣng daođộng

Trong đó, các hệ số A1và A2đƣợc xác định từ những điều kiện ban đầu,làtầnsốriêng,l à tỷsốcản(hệsốcản).

Cảnđƣợcmôtảnhƣmộtthuộctínhcủavậtliệuxâydựngvàkếtcấu,cáimà trong hầu hết các trường hợp thì làm giảm phản ứng động và giúp cho cầu tiếp cậntới trạng thái cân bằng sau khi xe cộ di chuyển qua Trong hầu hết các công trìnhcầu, cản tới từ hai nguồn chính là nguồn bên trong và bên ngoài Nguồn bên trongthì tới từ ma sát bên trong, những vết nứt và thuộc tính không đồng nhất của vật liệuxây dựng… Nguồn bên ngoài tới từ ma sát giữa đá kê gối và gối cầu, ma sát trongcác lớp ballast, ma sát trong mối nối của kết cấu, những thuộc tính cản nhớt của đất,nềnmóngvàm ốtrụ… Thuộctínhcảnphụthuộc vàonhiềuyếutốởtrên, dođó, việc tính toán hệ số cản rất quan trọng.

Có một số các tiêu chuẩn thì đã đƣa ra mộtvài các giá trị cho việc đánh giá ban đầu của cản trong cầu nhƣng những giá trị cảnthựcsựnênđƣợcxác địnhtừnhữngphépđo.

Khi sử dụng các chương trình, phần mềm tính toán người ta thường sử dụngcản theo Rayleigh Nghĩa là lúc này, cản sẽ phụ thuộc vào độ cứng và (hoặc) khốilượng,cóthểbiểuthịnhưcôngthứcbên dưới:

Trongđóa0vàa1làcáchệsố.Từ côngthứctrêndễdàngthấyđƣợc nhƣsau:Khihệsốa0=0,lúcnàymatrậncảntỷlệvớimatrậnđộcứng,vàtỷsốcảntỷlệ k m

2M )0 thuận với tần số dao động, hay nói cách khác tần số dao động càng cao thì tỷ số cảncàng lớn Do đó, trong phân tích động người ta chỉ quan tâm tới một vài dạng thứcdao động ban đầu Ngƣợc lại, khi hệ số a1= 0 thì ma trận cản tỷ lệ với khối lƣợng,tỷsốcảnsẽtỷlệnghịchvớitầnsốdaođộng.

Nhìn vào công thức (3.1) ở trên,d ễ d à n g t h ấ y r ằ n g t h u ộ c t í n h đ ộ c ứ n g c ủ a kết cấu cũng ảnh hưởng tới phản ứng động của dầm. Mặt khác, thì độ cứng của dầmlại phụ thuộc vào hai yếu tố là đặc trƣng hình học của mặt cắt ngang (diện tích, mômen quán tính ) và mô đun đàn hồi của vật liệu Nhƣ vậy, chỉ cần một trong haihoặc cả hai yếu tố trên có sự thay đổi thì phản ứng động của dầm cũng sẽ thay đổi.Điềunàyđãđƣợcphân tíchbằngcác môphỏngtrong mục3.4. Đặc trƣng hình học của mặt cắt sẽ bị thay đổi khi mà dầm bị hƣ hỏng (nứt,đứt cốt thép dự ứng lực, bong tróc do va chạm ) Khi đặc trƣng hình học của mặtcắt bị suygiảmcũngsẽlàmchophảnứngcủakếtcấuthayđổi. Đối với yếu tố mô đun đàn hồi thì thông thường, trong các tính toán người tathường coi như nó là một yếu tố không đổi, luôn giữ một giá trị trong suốt thời giankhác tháccủa công trình Tuy nhiên,trên thực tế,mộtvài nhữngn g h i ê n c ứ u g ầ n đây đã chỉ ra rằng mô đun đàn hồi cũng thay đổi theo thời gian do tác dụng của cáctải trọng di động, và tất nhiên là sẽ ảnh hưởng tới quan hệ ứng suất – biến dạng vàcườngđộcủa bêtông.

Trong bài toán phân tích dao động riêng, có các công thức tính toán tần sốdaođộngcủanhữngmodedaodaođộngnhưdướiđây: Đốivớihệcómột bậctựdo:

Trongđóklàđộcứngvàmlàkhốilƣợngcủahệ1bậctựdo.Haytrongh ệcónhiềubậctự do: det( K -

Tínhđịnhthứcởtrênvàgiảiphươngtrìnhsẽxácđịnhđượcgiátrịcủacáctầnsố dao động riêng, và ứng với mỗi một tần số dao động lại có một dạng dao độngriêngcủanó.Nhƣvậy,nếunhƣđốivớimộtkếtcấumàcóđộcứngkhôngthayđổi

(môđunđànhồivàđặctrƣngmặtcắtngang)màcócáckhốilƣợngkhácnhauthìsẽdẫntớigiátrịcủ acáctầnsốdaođộngsẽkhácnhau.Nhƣvậycónghĩalà,đốivớimộtKCN,quamộtthờigiankháithác, nếucócáchưhỏngdẫntớisựmấtmátkhốilượngcũngsẽảnhhưởngtớiđặctrưngdaođộngcủaKC N.Hoặckhichấtlƣợngvậtliệusuygiảm(vídụcáckếtcấubêtôngnămtrongcácvùngmàcóhiệntƣợng xâmthực,chịuảnh hưởng nước mặn…) dẫn tới giảm tỷ trọng của vật liệu và tất nhiên suy giảmtrọnglượngcủanónêncũngsẽảnhhưởngtớiđặctrưngdaođộng.

Trongmộtkếtcấucôngtrìnhcầuthìngoàinhữngbộphậnchịulựcchínhnhƣ:dầmchủ,dầm ngang,bảnmặtcầu…thìcòncómộtsốnhữngbộphậnkhácnhƣ:kheco giãn, lớp phủ mặt cầu, lan can, chiếu sang… Đối với những bộ phận phụ này thìtrongquátrìnhtoán,ngườitakhôngxétvàoquátrìnhtínhtoáncácđặctrưngcủakếtcấu (diện tích mặt cắt, mô men quán tính…) Tuy nhiên, khi thiết kế thông thườngngườitacũngxéttớiảnhhưởngdokhốilượngcủacácbộphậnnàyvàokếtquảtínhtoán các giá trị nội lực, chuyển vị… Tương tự như trong tính toán thiết kế thôngthường,trongcácbàitoánphântíchđộng,khốilượngcủacácbộphậnphụnàycũngsẽcónhữ ngảnhhưởngnhấttớikếtquảphảnứngđộngcuốicùng.

Tronghầuhếttấtcảcáccôngtrìnhcầuđềucógốicầu,chúnglàbộphậntrunggian, tiếp giáp giữa phần KCN và mố, trụ cầu Toàn bộ các giá trị tải trọng tác dụnglên KCN đều thông qua gối cầu để truyền xuống dưới kết cấu mố, trụ cầu Ngoài ra,gối cầu còn có vai trò là đảm bảo các chuyển vị ở đầu KCN (bao gồm có chuyển vịtịnhtiếnvàchuyểnvịgócxoay).Vậtliệucóthểđƣợcsửdụnglàmgốicầuđólàthépvà cao su Tuy nhiên, hiện nay thì các gối cầu chủ yếu được làm từ cao su, tất nhiênbên trong người ta có bổ sung thêm thép Do đó, trong các bài toán phân tích tínhtoán,ngườitacóthểmôhìnhgốicầunhưcáclòxođànhồimàđộcứngcủalòxođócũng chính là độ cứng của gối cầu Trong quá trình khai thác, cũng như các bộ phậnkhác của công trình cầu thì gối cầu cũng chịu ảnh hưởng của những tác động từ môitrườngbênngoàilàmảnhhưởngtớichấtlượngcủabảnthânvậtliệulàmgốicầu.Dễdàngthấymộtđiề ulàvậtliệucaosukhichịuảnhhưởngcủatácđộngtừmôitrườngxungquanhthìquamộtthờigians ẽcóthểbịlãohóa,làmảnhhưởngtớicácđặctính vốncó(độcứng,khảnăngchịucắt…).Nhƣvậy,quathờigianthìđộcứngtrongcácgốicầu(nhấtl àcácgốicầubằngcaosu)thìsẽbịsuygiảm,vàtấtnhiên,nósẽbịảnhhưởngtớicácđặctrungdaođộn gcủakếtcấu. Để làm rõ hơn ảnh hưởng của độ cứng gối cầu đến các đặc trưng dao độngcủa KCN, trong mô hình cầu La Khê, các gối di động theo phương dọc tại đầu cácdầm bên phải được thay thế bằng các lò xo có độ cứng Kg theo phương dọc cầu.Các lò xo này đƣợc dùng để mô phỏng độ cứng bên của gối cao su – liên quan đếnbiếndạngtheophương nằmngangcủagối.

TrongmôhìnhbanđầucủacầuLaKhê,cácgốibênphảiđƣợcgiảđịnhlàgốidiđộng,tức làcóđộcứngbằng0,tươngứngvớitầnsốdaođộngđầutiêncủacầulà4.20Hz.KhiđộcứnggốiKg tănglênthìgiátrịtầnsốđầutiêncủamôhìnhcũngtănglênnhƣngkhôngtăngtheoquanhệtuyếntín h,nhƣthểhiệntrênHình3.55.Khiđộcứnggốitănglênkhoảng71 0 9 N/ mthìtầnsốdaođộngtươngứnglà4.80Hz,tăng14.3%sovớitầnsốbanđầu.Khităngđộcứnggốilên nữathìtầnsốgầnnhưkhôngtăng,cónghĩa giá trị độ cứng gối Kg = 7 10 9 N/m có thể coi như tương đương với 1 gối cốđịnh(khôngcóchuyểnvịtheophươngdọccầunữa).Ngoàira,cácgốicaosucũngcầnphảiđư ợcxétđộcứngtheocảphươngngangcầu,vìvậy,khảnăngảnhhưởngcủanótớicácđặctrưngdaođộng củaKCNsẽcònlớnhơnnữa.

XácđịnhvịtríhưhỏngtrênKCNcầudầmbằngphươngphápchẩnđoánđộng 8 8 3.7 Sosánhchiphíthửtảitheophươngpháptĩnhvàphươngphápđộng

Trong mục này, mô hình phần tử hữu hạn giả lập hƣ hỏng tại một số vị trítrên các dầm Trong các kết quả tính toán này, chỉ có tần số và dạng thức dao độngđƣợc giữ lại để giả lập kết quả đo dao động của cầu Từ đây tiến hành bài toánngƣợc xác định vị trí các hƣ hỏng của KCN Vị trí hƣ hỏng này sẽ đƣợc đối chiếuvới vị trí giả lập ban đầu để xem có trùng khớp hay không, nếu trùng khớp thìphươngphápchẩnđoánđãsửdụnglàphươngpháptincậy,cóthểápdụngđược. Ởmụctrướcluậnánđãgiảđịnh12kịchbảnhưhỏngkhácnhautrênKCN.Ở đây luận án sử dụng 3 trong số các kịch bản hƣ hỏng kể trên, đó là H1, H2 và H4.Để thực hiện bài toánxácđịnhvịt r í h ƣ h ỏ n g c ủ a k ế t c ấ u , l u ậ n á n s ử d ụ n g phươngphápdựatrênsựthayđổiđộmềmbiểukiếnkếtcấunhưđãtrìnhbàyởmục 2.2.2 trongchương2.Matrậnđộmềmbiểukiếnkếtcấucósựgópmặtcủacảdạngthứcdaođộngvàt ầnsốriêng,đƣợcthiếtlậpnhƣsau(côngthức2.36):

Quan hệ giữa ma trận độ mềm biểu kiến và tần số nhƣ sau: khi độ mềm giảmthì tần số tăng Ma trận độ mềm biểu kiến hội tụ một cách nhanh chóng khi các tầnsố tăng lên Với phương pháp này, chỉ từ một vài tần số thấp cũng có thể đƣa rađƣợc ma trận độ mềm biểu kiến của kết cấu Xuất phát từ ma trận độ mềm biểukiến, sự thay đổi trong ma trận độ mềm biểu kiến gây ra bởi hƣ hỏng của kết cấuđƣợcxácđịnh nhƣsau(côngthức2.37):

Trong đó:MFC(Modal Flexibility Change) là sự thay đổi độ mềm biểu kiếncủakếtcấu,chỉsố“h”và“d”lầnlượtbiểuthịtìnhtrạngbìnhthườngkhông hƣ

. hỏng (healthy) và có hƣ hỏng (damaged) của kết cấu Về mặt lý thuyết, sự hƣ hỏngcủa kết cấu làm giảm độ cứng và gia tăng độ mềm Khi độ mềm biểu kiến kết cấutăngthìkếtcấucó thểxuấthiệnhƣhỏng.

Theophương phápnày,2đặctrưngdao động dungđểtínhtoánlàtầnsốdao độngriêngfvàdạngthứcdaođộng Đâychínhlà2thamsốđƣợcsửdụngtrong luậnánnàyđểthựchiệnbàitoánchẩnđoánKCNcầubằngphươngphápdaođộng.

Chỉ số MFC tính toán cho hư hỏng H1 được thể hiện dưới dạng mặt khônggian nhƣ trên Hình 3.56 Với biểu diễn MFC dạng không gian này thì khó để nhậnra đƣợc vị trí đỉnh MFC (vị trí có độ dốc thay đổi đột ngột) - ứng với vị trí có hƣhỏnghoặccóvếtnứt.Dođó,đểdễxácđịnhvịtríđỉnhMFC,tiếnhànhbiểudiễn chỉ số MFC theo từng dầm như trên Hình 3.77 Dễ dàng nhận thấy, chỉ có chỉ sốMFC của dầm số 3 là bất thường, còn chỉ số MFC cho các dầm khác không có dấuhiệubấtthường(dạngcongtrơn).ChỉsốMFCcủadầmsố3cócựctrịtạigiữadầm,tức là độ mềm của dầm tại đó có sự thay đổi, cũng chính là vị trí có hƣ hỏng Sosánh kết quả này với Hình 3.46 thì thấy vị trí hƣ hỏng trùng khớp với vị trí hƣ hỏnggiảđịnh.

Tươngtựnhưvậy,tínhchỉsốMFCcho2kịchbảnhưhỏngkháclàH2vàH4,vàbiểudiễntrênH ình3.58và3.60.VịtrícáchƣhỏngtrêncácdầmkhácnhauđƣợcthểhiệntrênHình3.59và3.61.Sos ánhkếtquảnàyvớicácHình3.47và3.48thìcũngthấyvịtríhƣhỏngtrùngkhớpvớivịtríhƣhỏnggiả định.Nhưvậy,vớiphươngpháptínhtoánsựthayđổiđộmềmbiểukiếncủakếtcấu(chỉsốMFC), cóthểbướcđầuxácđịnhđượcvịtríhưhỏngtrêncácdầmtrongmộtsốtrườnghợpđơngiản.Đốivớicá cbàitoánphứctạphơn,vídụnhƣcáchìnhthứchƣhỏngkhácnhau,xuấthiệntạinhiềubộphậnkhác nhau (dầm dọc, dầm ngang, bản mặt cầu, gối cầu, ), hoặc xác định mức độ hƣhỏng,thìcầnphảicóthêmnhữngnghiêncứusâuhơnnữa.

DựatrêndựtoánlậpchocôngtácthửtảimộtKCNcầudầmgiảnđơngồmcó 6 nhịp theo phương pháp tĩnh và phương pháp động, số liệu thô về chi phí cho 2trườnghợpđượctrìnhbàynhưBảng3.21dướiđây.

Có thể nhận thấy, việc sử dụng phương pháp động có thể giảm 25-30% chiphí so với phương pháp tĩnh Mặt khác, với phương pháp động, có thể thực hiện đodao động trong điều kiện cầu khai thác bình thường, không phải cấm xe qua cầu, dođógiảmđƣợcchiphí đảmbảogiao thông vàthanhtragiao thông.

Chiphíxâydựngsau thuế(VND) Thửtải tĩnh

Trong chương này, luận án đã phân tích và thống kê về tình trạng hệ thốngcầutrênđịabànTPHàNội.Từhiệntrạngcáccôngtrìnhcầuđó,đềtàilựachọnra6 KCN cầu dầm giản đơn điển hình để áp dụng phương pháp động Các kết quả thuđượcnhưsau:

Sáu KCN cầu trên địa bàn TP Hà Nội đƣợc tiến hành đo dao động trongđiều kiện khai thác Dựa trên dữ liệu đo, phương pháp nhận dạng dao động đã đƣợcáp dụng để xác định các đặc trƣng dao động của các KCN cầu này, bao gồm tần sốdaođộngriêngvà dạngthức dao động.

Mô hình phần tử hữu hạn của các KCN cầu trên đƣợc thiết lập để so sánhkết quả đo với kết quả tính toán, kết quả chênh lệch tối đa là 10%, chứng tỏ mô hìnhtính là chấp nhận đƣợc Nguyên nhân của sự sai khác có thể là chƣa xét một cáchchính xác phần khối lƣợng phi kết cấu (lan can, gờ chắn bánh, tay vịn, ) và chƣamô hìnhchínhxáccácđiềukiệnbiên(liênkết dầmvớigối,độcứng gốicầu, ).

Luận án đã mô phỏng một số hƣ hỏng trong KCN cầu dầm BT nhịp giảnđơn cụ thể (bao gồm hƣ hỏng tại bản mặt cầu, tại dầm chủ và dầm ngang) và khảosátđượcảnhhưởngcủacáchưhỏngđóđếnsựthayđổicácđặctrưngdaođộngnhưtầnsốdao độngriêng, d ạ n g thứcdaođộng N g o à i ra, luậnáncũng đã môphỏng được hư hỏng ngẫu nhiên trong bản mặt cầu và phân tích ảnh hưởng của nó đến sựthayđổicá c t ầ n số d a o độ ng r i ê n g c ủ a KCN cầ u d ầ m giảnđ ơ n B T C T T ù y th eomứcđộhưhỏngmàcáctầnsốdaođộngriêngcủaKCNbịảnhhưởngíthaynhiều.

Luận án đã phân tích ảnh hưởng của độ cứng gối cầu đến tần số dao độngriêng của KCN cầu dầm BT nhịp giản đơn dựa trên mô hình PTHH cầu La Khê Cụthể: khi coi gối là gối di động (có độ cứng theo phương dọc cầu bằng 0) thì tần sốdao động cơ bản của cầu là 4.20 Hz, khi độ cứng dọc cầu của gối bằng

71 0 9 N/mthì tần số dao động cơ bản của cầu là 4.80 Hz - tăng 14.3%, khi tăng độ cứng gốitrên 710 9 N/m thì tần số gần nhƣ không tăng, có nghĩa giá trị độ cứng Kg 710 9 N/mcóthể coinhưtươngđươngvới1gốicố định.

Luận án đã thực hiện bài toán chẩn đoán động xác định vị trí hƣ hỏng trênKCN cầu dầm BT nhịp giản đơn, trong đó KCN cầu đƣợc mô phỏng xuất hiện mộtsố hư hỏng để giả lập số liệu đo dao động, sau đó sử dụng phương pháp dựa trên độmềmbiểukiếnkếtcấu(tínhtoántrên2thamsốdaođộnglàtầnsốdaođộngriêngvà dạng thức dao động) để tìm vị trí hƣ hỏng trên KCN và đã phát hiện chính xác vịtrícáchƣhỏnggiảđịnh.

OCÔNGTÁCQUẢNLÝCẦUCỦATP HÀNỘI 4.1 Đề xuất tích hợp bổ sung một số đặc trƣng dao động vào hệ thống cáctham số cần theo dõi, đo đạc và kiểm tra trong công tác quản lý khai thác cầuTPHàNội.

Hiện nay, việc đo đạc dao động các công trình cầu chủy ế u c h ỉ x á c đ ị n h r a tần số (từ đó tính ra chu kỳ) dao động cơ bản của KC Tuy nhiên, còn có rất nhiềuyếu tố cũng liên quan tới các đặc trƣng dao động của KCN cũng cần phải xét tớinhƣ dạng thức dao động, thuộc tính cản, độ cứng gối, Các thuộc tính này thay đổisẽlàmthayđổitìnhtrạngcủaKC.

XâydựngquytrìnhquảnlývàchẩnđoánKCNbằngphươngphápdaođộng

Thu thập và nghiên cứu hồ sơ lưu trữ bao gồm hồ sơ thiết kế, hồ sơ hoàncông,hồsơsửachữa,hồ sơquảnlývà hồsợkiểmtrakiểm địnhcầu (nếucó).

Mục đích của công tác khảo sát hiện trạng kết cấu công trình là nhằm pháthiện và xác định mức độ hƣ hỏng xảy ra trên mỗi bộ phân công trình cầu [3-6], đểxâydựngvàcậpnhậtmô hìnhhiệntrạngKCNcầucầntheodõi,đánhgiá.

TrướckhitiếnhànhcôngtácđodaođộngKCNcầutạihiệntrường, phảixâydựng mô hình PTHH để tính toán các đặc trƣng dao động của kết cấu (tần số riêngvà dạng thức dao động riêng) Mô hình tính này đƣợc gọi là mô hình kết cấu banđầu Ngoài ra, việc xây dựng mô hình để tính toán các dạng thức dao động riêng làrất cần thiết nhằm phục vụ việc lập kế hoạch và bố trí các điểm đo cho công tác thửnghiệmtạihiệntrườngsauđó.

Hiện nay có rất nhiều phần mềm phân tích kết cấu thông dụng sử dụngphương pháp PTHH, do đó khi xây dựng mô hình của kết cấu thì cần phải xem xétmứcđ ộ c h i t i ế t c ủ a m ô h ì n h C ó 3 m ứ c đ ộ m ô h ì n h k h á c n h a u đƣợ cđ ịn h n g h ĩ a trong phân tích và tính toán dao động kết cấu công trình cầu theo độ phân giải chitiết:môhìnhtốigiản,môhìnhtheocấukiệnvàmôhìnhchitiết.Môhìnhđơngiản cho phép tính nhanh, gần đúng, khi không có điều kiện chuẩn bị chi tiết Mô hìnhđơn giản nhất là mô hình đƣa về khối lƣợng tự do tại một số điểm nút Ngoài ra, hệkết cấu cũng đƣợc đơn giản hóa, hệ không gian đƣợc đƣa về mô hình phẳng: giànthực tế đƣợc đƣa về giàn phẳng, hệ dầm mặt cầu thực tế đƣợc đƣa về mô hình 1dầmtươngđươngcóxétđếnhệsố phânbốcủahoạttải

Mô hình theo cấu kiện là mô hình mô phỏng các cấu kiện nhƣ bản mặt cầu,dầm chủ, sử dụng các loại phần tử phù hợp cho các cấu kiện đó Ví dụ: dầm chủ,dầm ngang của hệ dầm mặt cầu đƣợc mô hình là các phần tử dầm riêng rẽ; bản mặtcầu đƣợc mô hình là phần tử tấm uốn; các thanh dàn đƣợc mô hình là các phần tửdầmhoặcphầntử thanhtùythuộcvàohìnhthứcliênkếtcủacácthanhtạinút.

Mô hình chi tiết là mô hình chủ yếu sử dụng các phần tử không gian (phần tửkhối, phần tử tấm, vỏ, ) để mô phỏng sự làm việc của kết cấu sát với thực tế nhất.Việc lập và sử dụng mô hình chi tiết cho kết cấu đòi hỏi phải có công cụ tính mạnhnhƣ các máy tính hiện đại để giải quyết bài toán dao động Ngày nay các chươngtrình máy tính chuyên về tính kết cấu cầu thường có các thư viện mẫu, hoặc ngườisử dụng có thể tự lập các thư viện mẫu, sau đó người dùng chỉ cần đưa vào cácthôngtincơbảnnênviệctínhtoáncóthểcho kếtquảtươngđốinhanh.

Tóm lại, luận án đề xuất thiết lập mô hình PTHH theo cấu kiện cho các KCNcầu dầm giản đơn hoặc liên tục Mô hình PTHH theo cấu kiện (bao gồm các phần tửdầm, bản,…) vừa không phức tạp lại vừa đảm bảo đƣợc độ chính xác cần thiết Khiphân tích các kết cấu phức tạp hoặc phân tích cục bộ thì nên sử dụngm ô h ì n h PTHHchitiết(chủyếusử dụngphầntử khối).

4.3.4 BốtríđiểmđodaođộngtrênKCNcầu Để tìm ra các đặc trưng động của kết cấu bằng đo dao động, trước tiên kếtcấu phải được kích thích (tạo dao động) bằng lực tác động Khác với phương phápphân tích, việc tìm ra các mode dao động riêng không phụ thuộc vào kích thích Vềnguyên tắc số mode dao động bằng với số bậc tự do Nói cách khác, một mode cóthểnhậndạngđƣợcnếukíchthíchphảitạorađƣợcdaođộngcủamodeđó.

Minh họa ở Hình 4.5là 3 dạng thức dao động của dầm giản đơn với ba bậc tựdo Đây cũng là số điểm đo tối thiểu cần thiết trên một dầm giản đơn để thu đƣợc3modedaođộngđứngđầutiên.Nétliềnlàdạngmodethuđƣợc,nétđứtlàdạngmode thực.Nế u t r ê n d ầ m cóg ắ n c à n g n h iề u đ i ể m đ o t h ì d ạ n g m o d e t h u đ ƣ ợ c s ẽ c à n g chínhxác.

Hình4.5 Badạngthứcdaođộngcủa dầmgiảnđơnvới babậctựdo. Đối với KCN dầm giản đơn trên mặt cắt ngang có nhiều dầm, các điểm đodao động phải đƣợc bố trí trên toàn bộ các dầm Nói chung, trên mỗi dầm giản đơnnờnbốtrớớtnhất3vịtrớđodaođộng:tạigiữadầm, tạicỏcvịtrớẳdầmvàắdầm.

Nếu 1 KCN có 6 dầm thì tổng số điểm đo sẽ là: 3 điểm /dầm × 6 dầm/nhịp điểmđodaođộng.Dođó,sơđồchitiếtbốtríđiểmđodaođộngcủamộtcầudầ m2nhịpgiảnđơnđƣợcminhhọanhƣtrênHình4.6và4.7.

Sau khi bố trí lưới điểm đo, tiến hành công tác đo dao động KCN cầu trongđiều kiện khai thác Lý do lựa chọn phương pháp đo này là do phương pháp đo cóưuđiểmlàkhôngphảicấmgiaothôngtrêncầukhiđo,vìvậytiếtkiệmđượcchiphí

Tần suất đo kiến nghị nên đo mỗi năm 1 lần Lưới bố trí các điểm đo và cácthiếtlậpđiểmđo(setup)cho1cầunêngiữ nguyên quacáclầnđo.

Nguyên lý của phương pháp đo động là đo các đại lượng vật lý đặc trƣngnhƣ chuyển vị, gia tốc hay vận tốc theo thời gian ở một số vị trí trong kết cấu.Ở đâysử dụng các đầu đo gia tốc theo thời gian Từ các đại lƣợng theo thời gian đo đƣợcnày,dùngcácthuậttoánnhậndạng(cóthểdùngphầnmềmMACEC3.2hoặ ctựxây dựng phần mềm) để tìm ra các đặc trƣng dao động của kết cấu gồm có tần sốdaođộngriêng (f)và dạngthứcdaođộng (

Mục trên đã đề cập đến mô hình kết cấu ban đầu Mô hình ban đầu này đƣợcsử dụng để phân tích các đặc trƣng dao động của kết cấu (tần số riêng, mode daođộngriêng, )trướckhitiếnhànhđođạcthựctếngoàihiệntrường.

Sau khi công tác đo dao động hiện trường được thực hiện, các kết quả đothực tế sẽ đƣợc so sánh với kết quả phân tích từ mô hình tính ban đầu để đối chiếuvàhiệuchỉnhmôhìnhkếtcấuđó.Môhìnhsaukhihiệuchỉnhnàysẽđƣợccoilàmôhình chuẩn Thời điểm ngay sau khi đo đạc xong và có mô hình chuẩn này có thểđƣợc coi là thời điểm ban đầu (một cách tương đối) của kết cấu cầu đó trong quátrìnhđánhgiátoàndiệnkếtcấu cầusaunày.

Việc hiệu chỉnh mô hình đƣợc thực hiện dựa trên việc điều chỉnh một hoặcmộtsốcácthamsốảnhhưởngđếndaođộngcủakếtcấunhưsau:

+ Độ cứng của kết cấu: bao gồm độ cứng của các bộ phận và các liên kết củakếtcấu,

Như vậy, khi đo đạc vào thời điểm kế tiếp trong tương lai, các tham số đomới sẽ đƣợc so sánh với các tham số của mô hình chuẩn ban đầu để đƣa ra sự thayđổivàcảnhbáonếucóhƣhỏngtrênKCN.

Dựa vào kết quả đo đạc dao động của KCN kết hợp với mô hình kết cấuchuẩn,2thamsốđặctrƣngdaođộng quantrọngsẽđƣợcxácđịnhbaogồm:

Trongquátrìnhquảnlýkhaitháccầusauđó,KCNnênđƣợcđođạcdaođộngđịnh kỳ 1 lần/năm Các kết quả dao động đo đƣợc sau này sẽ đƣợc so sánh với cáckết quả đo đạc và tính toán tại thời điểm của mô hình chuẩn, từ đó sự thay đổi tìnhtrạng (sức khỏe) của kết cấu cầu sẽ đƣợc phát hiện thông qua sự thay đổi trong cáctham số dao động (f và) Sự thay đổi trong các tham số động này cũng cho phépphát hiện các hƣ hỏng và đánh giá đƣợc hiện trạng của kết cấu cầu đang khai thácdựa vào bài toán chẩn đoán động dựa trên độ mềm biểu kiến kết cấu (MFC) như đãtrình bày ở mục 3.6 của Chương

Định dạng
Số trang	163
Dung lượng	4,41 MB