Phân tích xác định hệ số động lực trong cầu giàn thép dưới tác dụng của tải trọng di động

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN DẠ THẢO PHÂN TÍCH XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐỘNG LỰC TRONG CẦU GIÀN THÉP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG Chun ngành : KTXD Cơng trình Giao thơng Mã số : 60.58.02.05 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đà Nẵng – Năm 2017 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: : PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN Phản biện 1: TS Cao Văn Lâm Phản biện 2: PGS.TS Lê Thị Bích Thủy Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng họp Trường Đại học Trà Vinh vào ngày 14-15 tháng 10 năm 2017 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN GỚI THIỆU CHUNG Đặt vấn đề Dưới tác dụng tải trọng khai thác phương tiện giao thông gây trạng thái dao động phức tạp thường gây bất lợi lớn kết cấu cầu nói chung cầu giàn thép nói riêng Bài tốn động lực học nghiên cứu tương tác tải trọng di động với cầu giàn thép trở nên có ý nghĩa thực tế điều kiện thực tế Tuy nhiên hệ số động lực nhiều tranh cải, khơng thống tiêu chuẩn quốc tế nước Vì thiết kế cơng trình cầu giàn thép cần thiết phải phân tích dao động kết cấu cầu ảnh hưởng tải trọng di động để tìm hệ số động lực, có tính định việc phân tích lựa chọn giải pháp kết cấu Tính cấp thiết đề tài Nhiều cơng trình nghiên cứu cho thấy ảnh hưởng tải trọng di động kết cấu cầu thường lớn, tốn phân tích xác định hệ số đông lực kết cấu cầu nói chung cầu giàn thép nói riêng tốn có ý nghĩa khoa học thực tiễn Mục tiêu phương pháp nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu: Phân tích dao động để xác định hệ số động lực cầu giàn thép tác dụng tải trọng di động góp phần làm sáng tỏ việc sử dụng hệ số động lực giải pháp thiết kế kết cấu cầu giàn thép Phương pháp nghiên cứu: lý thuyết kết hợp ứng dụng chương trình tính tốn 4 Hướng nghiên cứu đề tài Nghiên cứu lý thuyết mơ hình tương tác động lực học tải trọng di động kết cấu cầu giàn thép Trong tải trọng di động xem theo mơ hình khối lượng, phần tử dầm chịu uốn phân tích theo mơ hình Euler – Bernoul, phần tử giàn chịu kéo – nén phân tích theo mơ hình Áp dụng phân tích ảnh hưởng số tham số mơ hình tương tác động lực học đến dao động cầu giàn thép: tốc độ khối lượng xe, độ cứng độ giảm chấn nhíp xe, độ cứng độ giảm chấn lốp xe, độ cứng chiều dài kết cấu nhịp Ứng dụng chương trình KC05 vào phân tích dao động cầu giàn tác dụng tải trọng di động xác định hệ số động lực cầu giàn Bố cục đề tài CHƯƠNG - TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA CẦU DẦM VÀ CẦU GIÀN THÉP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG Hướng nghiên cứu thiên lý thuyết: nghiên cứu trạng thái cơng trình hệ thống tương tác động lực học tải trọng di động kết cấu cầu Hướng nghiên cứu thiên thực nghiệm: nghiên cứu trạng thái cơng trình tác dụng tải trọng di động dựa số liệu đo đạc thực nghiệm 1.1 Nghiên cứu dao động kết cấu cầu tác dụng tải trọng di động theo hướng lý thuyết 1.2 Nghiên cứu dao động kết cấu cầu tác dụng tải trọng di động theo hướng thực nghiệm 1.3 Phương pháp xác định hệ số động lực tiêu chuẩn thiết kế cầu số quốc gia 1.4 Kết luận Chương Chương tổng quan nghiên cứu dao động cầu dầm cầu giàn thép tác dụng tải trọng di động Hiện nghiên cứu dao động xác định hệ số động lực cầu giàn thép hạn chế Để góp phần làm sáng tỏ thêm việc xác định hệ số động lực cầu giàn thép tác dụng tải trọng di động, luận văn tập trung nghiên cứu sở lý thuyết ứng dụng chương trình KC05 vào phân tích tính tốn dao động cầu máy tính điện tử Sử dụng kết phân tích số dao động kết phân tích tĩnh cầu để xác định hệ số động lực cầu giàn thép CHƯƠNG - CƠ SỞ LÝ THUYẾT XÁC ĐỊNH HỆ SỐ ĐỘNG LỰC TRONG TÍNH TỐN CẦU GIÀN THÉP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG 2.1 Mở đầu 2.2 Dao động uốn phần tử dầm tác dụng đồn tải trọng di động mơ hình hai khối lượng 2.2.1 Mơ hình tốn Xét phần tử dầm chịu tác dụng N tải trọng di động, mơ hình khối lượng Hình 2.1 với điều kiện tải trọng không va đập vàp không tách khỏi dầm: G N s in  N G i s in  i G 1.s in   w k1N m1N d1N m2N k 2N aN vN d 2N k1i m1i d1i m2i k 2i vi d 2i k11 m11 d11 m21 k 21 v1 d 21 x a1 L Hình 2.1 Mơ hình tương tác phần tử dầm tải trọng di động Trong cấu trúc tải trọng thứ i tương ứng với trục xe thứ i mô tả sau: Gi sin i  Gi sin(i t  i ) lực kích thích điều hồ khối lượng lêch tâm động quay với vận tốc góc Ω, truyền xuống trục xe thứ i, với  i góc pha ban đầu m1i: Khối lượng thân xe, kể hàng hoá truyền xuống trục xe thứ i m2i: Khối lượng trục xe thứ i k1i, d1i: Độ cứng độ giảm chấn nhíp xe K2i, d2i: Độ cứng độ giảm chấn lốp xe L: Chiều dài phân tử dầm ai: Toạ độ trục xe thứ i thời điểm xét với tốc độ di động chuyển đều:  vi  t  ti  ; với t ≥ ti (2.1) vi: Vận tốc tải trọng thứ i ti: Thời điểm tải trọng thứ i bắt đầu vào phần tử dầm t: Thời điểm xét 2.2.2 Phương trình dao động tải trọng di động 2.2.3 Phương trình dao động uốn phần tử dầm chịu tải trọng di động Theo [30] phương trình dao động uốn phần tử dầm với tiết diện không đổi chịu tải trọng phân bố p(x,z,t) có xét đến ảnh hưởng ma sát trong  ngoài2như 4 w ma 5 wsát w sau: w EJd     Fd   p( x,z,t ) x t  t t  x (2.7) ü ï ïï ¶t ¶t ïï số ma sát: 2 2 ïï ¶ u u ¶ u  u¶ u u ïï EF EFd d +2 rFd Fd2 + b =q (x)  q( x ) ïï ¶ xx ¶ t t ¶ t t ï N ý & & ïï p(x, z,t) = å xi (t).[Gi sin Yi - (m1i + m2i ).g - m1i & z& m z ] d ( x a ) 1i 2i 2i i i= Lưu ý tới (2.3) (2.5) ta có phương trình dao động uốnïïï ïï m1i & z& + d1i z& + k1i z1i - d1i z& - k1i z2i = Gi sin Yi - m1i g 1i 1i 2i dao động&& dọc phần tử dầm chịu tải trọng di động sau:ïï & & m2i z2i + (d1i + d2i ).z& + ( k + k ) z d z k z = m g + d w + k w ï 2i 1i 2i 2i 1i 1i 1i 1i 2i 2i i 2i i ï ïï (i = 1á N) ùỵ (2.9) ổ4 ỗỗố ả x ả w ¶ w phân¶dao w ¶ w dọc phần tử có xét đến ïï Phương hệ ÷+ r Fd + ng EJd ỗỗ +trỡnh q viữ b = p(x, z, t) ữ ả x ả t ứữ Trong ú: EFd - cng dọc trục phần tử dầm u, w - chuyển vị phần tử dầm tiết diện xét theo phương ox oy; q(x) - Lực phân bố phần tử dầm theo phương ox Các tham số lại giải thích mục (2.2.1) (2.2.2) 2.2.4 Áp dụng phương pháp Galerkin rời rạc hoá phương trình dao động uốn phần tử dầm theo khơng gian 2.3 Phương trình dao động phần tử 2.4 Phương trình vi phân dao động uốn toàn hệ thống 2.5 Hệ số động lực nội lực chuyển vị cầu giàn thép xác định theo công thức: Hệ số động lực 1+IM xác định theo công thức: (  IM )  S d max St max (2.21) Trong đó: Stmax, Sdmax  nội lực tĩnh chuyển vị tĩnh lớn nhất, nội lực động chuyển vị động lớn vị trí kết cấu 2.6 Kết luận Chương Trong chương trình bày sở lý thuyết mơ hình tính tốn phương trình sử dụng phổ biến để xác định hệ số động lực cầu giàn tác dụng tải trọng di động Những nội dung trình bày chương sở ứng dụng nghiên cứu lý thuyết có để xác định hệ số động lực cầu giàn thép tác dụng tải trọng di động chương trình KC05 PGS TS Nguyễn Xuân Toản Trong chương học viên thu thập số liệu cầu Kênh Xáng thuộc tỉnh Trà Vinh dựa việc áp dụng phần mềm KC05 để mơ hình hóa cho tốn phân tích phản ứng động lực cầu Đây phần mềm cho phép phân tích tĩnh động lực cầu theo phương pháp PTHH cho kết tin cậy 9 CHƯƠNG - ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CỦA CẦU GIÀN THÉP DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG Trong luận văn học viên tiến hành phân tích dao động cầu Kênh Xáng Hương Lộ 81, thị xã Duyên Hải, tỉnh Trà Vinh tác dụng tải xe Dongfeng để xác định hệ số động lực tải trọng xe gây kết cấu cầu 3.1 Giới thiệu chung cầu Kênh Xáng 3.1.1 Vị trí xây dựng quy mơ cơng trình 3.1.2 Bố trí chung mặt cắt ngang cầu Kênh Xáng - Sơ đồ cầu gồm nhịp giàn thép: 80(m) - Giàn thép gồm 10 khoan với d = 8m, chiều cao h = 11m - Mặt cắt ngang có dầm dọc phụ, khoảng cách dầm chủ 1,5 m - Gối cầu sử dụng gối thép - Các lớp mặt cầu dày 7cm, độ dốc ngang 2% Kết cấu mố: Loại mố chữ U bê tông cốt thép 3.2 Các thông số kết cấu nhịp - Mô đun đàn hồi vật liệu thép: E = 20 000 000 T/m2; - Hệ số ma sát :  = 0.027; - Hệ số ma sát ngồi :  = 0.01; 3.3 Các thơng số tải trọng xe Loại xe áp dụng để phân tích dao động cho kết cấu giàn lựa chọn phù hợp với tải trọng thiết kế loại xe Dongfeng có ba trục, tải trọng 20T 10 3.4 Ứng dụng chương trình KC05 vào phân tích dao động xác định hệ số động lực cầu Kênh Xáng tác dụng tải trọng di động 3.4.1 Phân tích dao động cầu giàn thép tác dụng tải trọng xe di động tương ứng với tốc độ khác Mơ hình tương tác động lực cầu giàn thép tải trọng xe di động trục mơ tả hình 3.7: Hình 3.7 Mh tương tác cầu giàn thép tải trọng xe Sau nhập đầy đủ thông số kỹ thuật kết cấu Kênh Xáng tải trọng xe Dongfeng vào chương trình KC05 tiến hành cho máy tính phân tích dao động hệ nút tương ứng với tốc độ khác 3.4.2 Kết phân tích xác định hệ số động lực chuyển vị nút giàn tác dụng tải trọng xe Dongfeng tương ứng với tốc độ khác nhau: Tiến hành khảo sát hệ số động lực chuyển vị ngang, chuyển vị dọc chuyển vị xoay nút giàn biên 2, 3, 4, 5, xe chạy với vận tốc từ 1m/s đến 50 m/s Kết khảo sát biểu đồ (Hình 3.21) ÷ (Hình 3.23) 11 Hình 3.21 Biểu đồ hệ số động lực theo chuyển vị ngang UX Hình 3.22 Biểu đồ hệ số động lực theo chuyển vị thẳng đứng Uy Hình 3.23 Biểu đồ hệ số động lực theo chuyển vị xoay Uz Tiếp tục tiến hành khảo sát hệ số động lực chuyển vị 12 ngang, chuyển vị dọc chuyển vị xoay nút giàn biên 12, 13, 14, 15, 16 xe chạy với vận tốc từ 1m/s đến 30 m/s, kết khảo sát biểu đồ (Hình 3.24) ÷ (Hình 3.26) Hình 3.24 Biểu đồ hệ số động lực theo chuyển vị ngang UX Hình 3.25 Biểu đồ hệ số động lực theo chuyển vị thẳng đứng Uy Hình 3.26 Biểu đồ hệ số động lực theo chuyển vị xoay Uz 13 3.4.3 Kết phân tích xác định hệ số động lực mơmen, lực cắt, lực dọc giàn tác dụng tải trọng xe Dongfeng tương ứng với tốc độ khác nhau: Tại biên dưới, kết phân tích hệ số động lực tác dụng tải trọng xe ứng với vận tốc khác tổng hợp Bảng 3.4 Biểu đồ quan hệ hệ số động lực vận tốc xe chạy Hình 3.28 đến Hình 3.30 Hình 3.28 Biểu đồ hệ số động lực theo lực cắt Qx Hình 3.29 Biểu đồ hệ số động lực theo dọc Ny 14 Hình 3.30 Biểu đồ hệ số động lực theo mơmen Mz Tại biên trên, kết phân tích hệ số động lực tác dụng tải trọng xe ứng với vận tốc khác tổng hợp bảng 3.5 Biểu đồ quan hệ hệ số động lực vận tốc xe chạy hình 3.31 đến hình 3.33 Hình 3.31 Biểu đồ hệ số động lực theo lực cắt Qx 15 Hình 3.32 Biểu đồ hệ số động lực theo dọc Ny Hình 3.33 Biểu đồ hệ số động lực theo mômen Mz Tại đứng, kết phân tích hệ số động lực tác dụng tải trọng xe ứng với vận tốc khác tổng hợp bảng 3.6 Biểu đồ quan hệ hệ số động lực vận tốc xe chạy hình 3.34 đến hình 3.36 16 Hình 3.34 Biểu đồ hệ số động lực theo lực cắt Qx Hình 3.35 Biểu đồ hệ số động lực theo dọc Ny Hình 3.36 Biểu đồ hệ số động lực theo mômen Mz Tại xiên, kết phân tích hệ số động lực tác 17 dụng tải trọng xe ứng với vận tốc khác tổng hợp bảng 3.7 Biểu đồ quan hệ hệ số động lực vận tốc xe chạy hình 3.37 đến hình 3.39 Hình 3.37 Biểu đồ hệ số động lực theo lực cắt Qx Hình 3.38 Biểu đồ hệ số động lực theo dọc Ny 18 Hình 3.39 Biểu đồ hệ số động lực theo mômen Mz 3.5 Kết luận chương Trong chương học viên ứng dụng chương trình KC05 để mơ hình xác định hệ số động lực kết cấu cầu giàn thép tác dụng tải trọng di động Trong phạm vi khảo sát tốc độ xe chạy cầu tăng từ 1(m/s) đến 20(m/s), kết cho thấy hệ số động lực chuyển vị đứng, lực cắt mơ men có biến đổi theo xu hướng tăng dần Qua kết phân tích cho thấy tốc độ xe chạy có ảnh hưởng lớn đến dao động cầu giàn thép Đặc biệt tốc độ xe chạy cao hệ số động lực tăng, phạm vi khảo sát ta thấy: Khi vận tốc v = 1÷20 (m/s), hay v = 3.6÷72 (km/h) vị trí nút giàn xuất hệ số động lực lớn Hệ số động lực chuyển vị ngang (1+IM)max=1.597, dọc (1+IM)max =1.436, xoay (1+IM)max=1.531 Còn vị trí giàn xuất hệ số động lực lớn vận tốc