Luận án tiến sĩ kỹ thuật xây dựng công trình giao thông phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI - - PHẠM QUANG HUY ận Lu án ến Ti PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ sỹ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG Kỹ uậ th t 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 ận Lu : Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng ến Ti Mã số án Ngành : 9580205 sỹ Kỹ uậ th t 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 Lu 1.1 Tổng quan cầu treo dây võng dân sinh nghiên cứu cầu treo dây võng ận dân sinh án 1.2 Tổng quan tải trọng cầu treo dây võng dân sinh 13 Ti Giới thiệu 13 1.2.2 Một số tải trọng tác dụng lên cầu treo dây võng dân sinh 14 ến 1.2.1 sỹ Kỹ 1.3 Kết luận chương 27 th CHƯƠNG 2: Dao động cầu treo dây võng dân sinh biện pháp tăng cường uậ kết cấu để kiểm soát dao động 28 t 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 Lu ận 3.2 Mơ hình số thí nghiệm đo đạc cầu trước tăng cường 69 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 án 3.2.1 ến Ti 3.3 Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search - CS 80 sỹ 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 Kỹ 3.3.1 uậ th t 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 Mô 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 Lu ận KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ 117 án Kết luận 117 ến Ti Kiến nghị .118 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH 119 sỹ Kỹ TÀI LIỆU THAM KHẢO 120 uậ th PHỤ LỤC 125 t 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 ận Lu án Ti ến Phạm Quang Huy sỹ Kỹ uậ th t 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 Lu 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 ận 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 án ến Ti sỹ 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 q trình thực thí nghiệm Kỹ th uậ 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 t Trân trọng cảm ơn! Hà Nội - 2023 vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Phân loại cầu treo 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 𝐶1 𝛾1 theo 𝛽 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 ận Lu 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 án Bảng 3-3: Phương đo dao động kênh đo tương ứng .75 Ti ến Bảng 3-4: So sánh đặc trưng động mô hình PTHH kết đo 78 sỹ Bảng 3-5: Các đặc tính vật liệu chọn làm tham số cập nhật 87 Kỹ Bảng 3-6: Bảng thơng số thuật tốn sử dụng 88 uậ th Bảng 3-7: Thông số chung 88 Bảng 3-8: Kết so sánh tần số đo kết cập nhật 89 t 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 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 Lu Hình 1-7: Phân bố tần số người bình thường 22 ận Hình 1-8: Cầu Brighton Chain Pier sau bị bão phá hủy vào năm 1836 24 án Hình 1-9: Quan hệ vận tốc gió theo thời gian .25 ến Ti 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 sỹ hạn cản mức .29 Kỹ Hình 2-3: Mơ hình hệ cáp – dầm 35 th uậ Hình 2-4:Mơ hình hệ cáp – dầm 40 t 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 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 Lu trí chéo dạng thuận) .64 ận Hình 2-23: Hiện trạng đầu tăng giằng gió chân tháp cầu 65 án Hình 2-24: Hiện trạng cáp giằng gió cầu Sơng Giăng 65 Ti Hình 2-25: Ví dụ thiết kế aerodynamic 66 ến Hình 3-1: Cầu treo Na Xá 67 sỹ Kỹ Hình 3-2: Bố trí chung cầu Na Xá 68 th Hình 3-3: Mặt cắt ngang cầu trước tăng cường .68 uậ Hình 3-4: Phần tử BEAM188 ANSYS 69 t 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