Nghiên cứu động lực học của cầu cáp treo nhịp dài bằng phương pháp phần tử hữu hạn

v MỤC LỤC  TRANG    Error! Bookmark not defined. L ii  Error! Bookmark not defined.  Error! Bookmark not defined.  iix  ixi CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Error! Bookmark not defined. 1.1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CU 1 1.2 CÁC KẾT QUẢ NGHIÊNCU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC 2 1.2.1 N 2 1. 6 1.3 MỤC TIEU NGHIEN CU CỦA DỀ TAI 8 1.4 NHIỆM VỤ CỦA ĐỀ TÀI VÀ GIỚI HẠN ĐỀ TÀI 8 1.5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CU 8 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 9 2.1  9 2.1.1  9 2.1.2  9 2.1.3  Error! Bookmark not defined.0 2.1.4  Error! Bookmark not defined.1 2.1.5  Error! Bookmark not defined.2 2.2   . Error! Bookmark not defined.3 vi 2.2.1  13 2.2.2  Error! Bookmark not defined.3 2.3  Error! Bookmark not defined.4 CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG THẲNG ĐNG CỦA CẦU CÁP TREO 15 3.1  15 3.2  15 3.2.1  15 3.2.2  17 3.3  20 3.3.1  20 3.3.2  21 3.3.3 Bài22 CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG XOẮN TỰ DO CỦA CẦU CÁP TREO 24 4.1  24 4.2  25 4.3  26 4.3.1  27 4.3.2 Ma trcicahthngging 27 4.3.3 Ma trcngtrnglccacáp 28 4.3.4 Ma trcicacáp 28 4.3.5 Ma trctính  quántính 29 4.3.6 ng 30 4.4  30 4.4.1  30 4.4.2  31 CHƯƠNG 5 PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG TỰ DO THEO PHƯƠNG NGANG CỦA CẦU CÁP TREO 33 vii 5.1  33 5.2  34 5.3  35 5.3.1  35 5.3.2 Ma trcicacutrúcmtcu 37 5.3.3 Ma trcngtrnglccacutrúcmtcu 38 5.3.4 Ma trcicacáp 39 5.3.5 Ma trcngtrnglccacáp 39 5.3.6 Ma trnkhngnhtcacutrúcmtcu 40 5.3.7 Ma trnkhngcacáp 41 5.3.8  41 5.4  41 5.4.1  41 5.4.2  42 CHƯƠNG 6 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘNG ĐẤT ĐỐI VỚI CẦU CÁP TREO 44 6.1  44 6.2  45 6.2.1   45 6.2.2  46 6.2.3  47 6.3   48 6.3.1  48 6.3.2  49 6.4 BÀI TOÁN ÁP DNG CHO NG CN CU TREO 50 6.4.1  50 6.4.2  51 viii 6.4.3  51 CHƯƠNG 7 KẾT LUẬN –HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 53 1. KẾT LUẬN 53 2. HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 53  55  58  61  64  68 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1  6 Hình 2.1  10 Hình 2.2  10 Hình 2.3  10 Hình 2.4  11 Hình 2.5  11 Hình 2.6  14 Hình 3.1  17 Hình 3.2  17 Hình 3.3  18 Hình 3.4  23 Hình 4.1  26 Hình 4.2  32 Hình 5.1  35 Hình 5.2  ngang 36 Hình 5.3  43 Hình 6.1   45 Hình 6.2  47 Hình 6.3  47 Hình 6.4 n hóa bng cách áp dng mô hình mt bc t do khi xét mt phn t 48 Hình 6.5   50 x Hình 6.6  51 Hình 6.7   51 DANH MỤC CÁC BẢNG 3.1    20 3.2   22 .1   30 .2  31 .1    42 .2   42 -1-  GII THIU 1.1TNG QUAN V V NGHIÊN CU Cu cáp treo vm ni bt là kh t nhp ln qua các sông u kin xây dng mt s ng ln tr cu tr n kém, ngoài ra kt cu ca ci hình dáng kin trúc thanh mc sc. Trong sut quá trình nghiên cu v cu treo, ng chú ý nghiên cu vn  v ti trng lc hc khác nhau. Và u ki nghiên c s nh cng hc, tác ng cn giao thông, s a các cnh ng cn thit k cu cn thi bic tính cng hn s ng t nhiên và các dng có th xy ra s chuyng trong quá trình ng. Nhii trong chúng ta chc s không quên s phá hy ca cu treo dây võng Tacoma Narrows, xây d phá hy ch  vào s dc ct di la mng manh ri gãy vn. Mu th nghi sau Tacoma, mi công trình cu lu phi qua khâu th nghim ti trng gió ht sc ngt nghèo. Trong các phân tích nh, các dng t do ca cu treo có th c phân thành: chuy ng th ng, chuy ng xon và chuyn ng hai bên. Và c s dng ngày càng ph bin và m ng s d  xây dng mô hình lý thuyt. n t hu hn (Finite Element Method  FEM) là m hiu qu  gii quyt nhic c. Vic tính toán trên máy tính phân tích phn t hu hr phân tích v ng hc ca cu treo. n t hu hn là chia min kho sát thành mt s hu hn các min, gi là các phn t. Công vic  c gi là ri rc hóa min kho sát, hay ti phn thu hn, -2- c áp di vi cu trúc phc tu treo. Vic tính toán trên máy tính t qu ng ca cu trúc mà có th  bc t doc thit k và ng d c tính ca ng hc, các tn s t nhiên, các dng cng và kh   ng ca các thành phn khác nhau ca cu treo. Trong lui hng dn và hc viên s dn t hu hn (FEM) ving ngôn ng Matlab nhm Nghiên cứu động lực học của cầu cáp treo nhịp dài Tóm li: Nghiên cu v v ng lc hc ca c ln lao không ch c. Vi mong muc nghiên cu và phát trin các v ng lc hc cu cáp treo  Vit Nam bng i; ng dn và h tài :”Nghiên cứu động lực học của cầu cáp treo nhịp dài bằng phương pháp phần tử hữu hạn ”. 1.2 CÁC KT QU NGHIÊN CC 1.2.1  c Sau thm ha cu treo Tacoma, các nhà nghiên c     nhân gây ra không ch do gió mà còn do ti trng h di chuyt.Thit k vic cht ca các tòa nhà cao tng tuy cu trúc phc ti vi mt cu treo ln thì cu trúc ca cng và phc tp n ca cu treo ln bng nhiu lng dài nht ca tòa cao tng. Ngoài ra, cu treo là mu mi giao thông quan trng gia các vùng do u v cu treo gi vai trò quan trng nhm m bo  bn vng, n nh khi chng ca ti tri. Trong nghiên cu cu Vincent Thomas, Masanobu Shinozuka, Debasis Karmakar, Samit Ray Chaudhuri và Ho Lee [10]ri rc các phn t cu da trên phn t hu hn ba chin hóa.  c c tính riêng ca mô hình ci -3- h thng kt qu c bng cách s dng vng xung quanh, các giá tr c trong hai k t. Raid Karoumi [12] gii quyt các v  di chuyn xe c ca cu dây   u cáp treo. Trong nghiên cu này, c      m Bernouli Euler, c    d     u h  tính ng ca cu, cu cáp treo da trên n t hu hng lc hc. Các thông s v  gim chn, s a cng ca cáp, b mng, t  t qu v ng ca b mt cu ng lc hc. Shamin N.Pakzad và Gregory L.Fenves [14] m bin không dây lp t lên c ghi gia tc cng xung quanh và phân tích các d liu . Thu  phân gii cao và chính xác ca các dng. Tuy nhiên, vic xác ng vi các tn s  chính xác cao, còn t l gim xóc t chính xác. Robert JamesWestgate [15] nghiên cu ng ca cu treo v nhi và ti trng. Khi nhi ca cu trúc ct cu b chy và giãn n ng thi tn s t m trong ngàyi trng thì tn s t nhiên gimc bit trong các gi m. T c s i v dng tn s và khng ph thuc vào s i dòng giao thông trên cu, mà có th m các dng ng ca cu. Theo M. Zribi, N. B. Almutairi, M. Abdel-Rohman [16]  linh hot ca cáp và gim chn trên cu trúc cu treo thp khin cu d b ng do gió và ti trng. Bài báo nghiên cu vic u khing ca cu cáp treo da trên ti trng di chuyn trên mt cu vi t i, cáp gia mt cu và cc s dng thit b thy lcu khin nhm gi      ng, mà thit k da trên thuyt m bu cng vng. Kt qu cho thu khin làm vic tt -4- Trong nghiên cu ca J.D. Yau, L. Fryba [17], c dc treo mt nhp, ng ca dm vi thi gian ph thuc vào u kin biên  ng ca d c chia thành hai phn: ph   n nglc hc d. T ng ca sóng a chn dc chiu dài nhp cu, nhp gia ca dm treo không  v trí quan trng cng gia tc ci. Các di vi  gia tc ci   Các nghiên cu v ng ca t i vi cu cáp treo Thm ha t p rt nhiu các d liu v s  sp ca c bo v tu treo i ng ci thit k cu bng cách quan sát phm vi s dng và m rng ra t nhng nghiên cc. Trong nhu nghiên cu m rng v ng lc hc ca cu treo và thit k cht. H ng cu treo ba nhp, bao gm cu trúc h thng khng và lò xo bng cách s dng thuyt tuyn tính hóa, tính toán các chu k và các dng ca dao ng thng t do. Trong nghiên cng c c ng ca cu trúc cu và cáp. Ichiro Konishi, Y. Yamada [18ng ng t ca cu treo nhng lc hn ca cng t. Các v nghiên cng lc hc cc nghiên cu nhiu bi các chuyên gia trong mt vài thp k ng có rt ít nghiên cu và bài báo công ngh v ng cn cu treo. Trong bài báo này cc gi thin thành h thng cht mà thuyt v h thng bc t do hu hc áp dng. S chuyng ct rt phc tc gi thit vi dn, theo mnh. M. Domaneschi, M.P. Limongelli &và L. Martinelli [19] áp d  pháp phát hi  ng bng ni suy (Interpolation Damage Detecion Method (IDDM)) vào mô hình s ca cu treo nh xác [...]... nhất (gọi là phần tử bậc nhất), bậc hai hoặc bậc ba v.v.v Dưới đây, học viêntrình bày một số dạng phần tử hữu hạn hay gặp [2] Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Hình 2.2: Phần tử một chiều Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Hình 2.3: Phần tử hai chiều -10- Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba Hình 2.4: Phần tử ba chiều Phần tử bậc nhất Phần tử bậc hai Phần tử bậc ba... U CÁP TREO 3.1GI I THIỆU Thảm họa của cầu Tacoma Narrows năm 1940 đã ảnh hưởng mạnh đến nghiên cứu của các nhà khoa học về cầu cáp treo Một vài đặc tính dao động của cầu cáp treo được đưa ra trong các nghiên cứu là dao động dữ dội của cầu gây ra không chỉ bởi gió mà còn do tải trọng động lực học như sự di chuyển của xe cộ và động đất Trong những năm gần đây, các phân tích dao động tự do của cầu treo. .. vào phương pháp phần tử hữu hạn để xác định tần số tự nhiên và các dạng dao độngvới độ chính xác cao Hầu hết các tính toán được dựa trên cấu trúc được lý tưởng hóa suốt hệ thống của khối lượng và lò xo đại diện của cấu trúc thực tế Phương pháp phân tích dao động thẳng đứng của cầu treo áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và Matlab để xác định tần số tự nhiên, dạng của dao động động học của cầu treo. .. Vương [5 ]nghiên cứu các phản ứng động lực học của cầu dây văng hai chiều đỡ cầu dưới điều kiện tải trọng của xe di chuyển Cáp đỡ cầu đơn giản được rời rạc bởi phương pháp phần tử hữu hạn khung 2D và các phần tử cáp Phương trình chuyển động có thể bắt nguồn từ nguyên lý D’Alembert và được giải quyết bằng phương pháp Newmark Chương trình tính toán cơ bản dựa trên ngôn ngữ Matlab và được xác định bằng cách... phân tích với phần mềm SAP2000 -6- 1.3 MỤC TIÊU NGHIÊN C U C A Đ TÀI Mục đích của đề tài này nhằm phân tích, tính toán tần số dao động, mô phỏng các dạng dao động của cầu treo với các số liệu thực tiễn của cầu treobằng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp với tính toán trên Matlab đáp ứng với chuyển vị và vận tốc từng nút Đồng thời đưa ra ảnh hưởng của động đất đối với cầu cáp treo. Và học viên sẽ đưa... một phía của cầu, tải trọng tĩnh không đối xứng trong quá trình lắp đặt, lực của khí động học và động đất Mỗi tải trọng này gây nên dao động xoắn của mặt cầu kết hợp với dao động thẳng đứng của hai cáp Việc phân tích dao động thẳng đứng của cầu treo được nghiên cứu nhiều hơn Tuy trước đây một vài nghiên cứu được đưa ra để phát triển công thức cho việc tính toán tần số tự nhiên và các dạng dao động nhưng... Biến dạng của mặt cầu b) Biến dạng uốn – xoắn a) Biến dạng xoắn 4.3 ĐÁNH GIÁ CÁC C U TRÚC MA TR N Trong phương pháp phần tử hữu hạn, cầu được chia thành hệ thống các phần tử rời rạc Mỗi phần tử cầu bao gồm phần tử cáp và mặt cầu được kết nối bởi hai hay nhiều hơn bởi cơ cấu treo Khi chuyển vị thẳng tại mỗi nút cấu trúc mặt cầu phải cân bằng với chuyển vị thẳng đứng tương ứng tại mỗi nút cáp Tại mỗi... miền V để xác định hình học các phần tử hữu hạn Chia miền V theo các nút trên, rồi thay miền V bằng một tập hợp các phần tử Ve có dạng đơn giản hơn Mỗi phần tử Ve cần chọn sao cho nó được xác định giải tích duy nhất theo các toạ độ nút hình học của phần tử đó, có nghĩa là các toạ độ nằm trong Ve hoặc trên biên của nó [2] -9- Quy tắc chia miền trong phần tử hữu hạn: - Hai phần tử khác nhau chỉ có thể... ban đầu của dầm cứng được xem là nhỏ khi so sánh với độ cong của cáp, vì vậy được bỏ qua khi tính toán -16- (a) (b) Hình 3.1 – (a) Cấu hình động học của cấu trúc tăng c ng, (b) Cấu hình động học của tháp đỡ 3.2.2Đánh giá các c u trúc ma tr n Trong phương pháp phần tử hữu hạn, cấu trúc cầu treo được giả định chia thành một hệ thống các phần tử rời rạc mà được kết nối với nhau chỉ tại một số hữu hạn các... yếu tố: đòi hỏi của thị trường và kinh phí triển khai nghiên cứu ứng dụng Một số nghiên cứu ở Việt Nam như: Độ ổn định Flutter và đáp ứng Buffeting là vấn đề quan tâm nhất khi thiết kế cầu treo nhịp dài, Phan Đức Huynh, Nguyễn Ngọc Trung [4] đã nghiên cứu điều khiển động lực học bằng cách sử dụng flaps Hai Flaps được gắn ở hai phía của mặt cầu và được dẫn động theo sự chuyển động của mặt cầu Khi Flaps . lc hc cu cáp treo  Vit Nam bng i; ng dn và h tài : Nghiên cứu động lực học của cầu cáp treo nhịp dài bằng phương pháp phần tử hữu hạn ”. 1.2. treo. Trong lui hng dn và hc viên s dn t hu hn (FEM) ving ngôn ng Matlab nhm Nghiên cứu động lực học của cầu cáp treo nhịp dài. dao động của cầu treo -15- 3 PHÂN TÍCH NG THNG CA CU CÁP TREO 3.1GII THIU Thm ha ca c       ng m n nghiên