Đề tài nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết dao động để thiết kế cầu thép: Đây là nghiệm cứu hay và bổ ích để vận dụng vào thiết kế tính toán kết cấu cầu thép, việc gia cường các liên kết dầm ngang để giữ độ ổn định cho cầu. Tài liệu tham khảo.
PHÂN TÍCH THỰC NGHIỆM VÀ LÝ THUYẾT DAO ĐỘNG CẦU THÉP THANH MỎNG TẢI TRỌNG NHẸ VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG EXPERIMENTAL ANALYSIS AND OSCILLATION THEORY TO EVALUATE LIGHT LOAD CAPACITY NARROW BAR BRIDGES IN THE MEKONG DELTA ĐỖ KIẾN QUỐC * PHAN QUANG CHIÊU * TÓM TẮT Kết cấu khung không gian thép mỏng hai giải pháp kết cấu áp dụng cho cầu tải trọng nhẹ vùng Đồng sông Cửu Long(ĐBSCL) Để tìm kiếm giải pháp kết cấu hợp lý phát huy hiệu vốn đầu tư việc đánh giá dạng kết cấu cần thiết Nội dung báo trình bày phương pháp đánh giá kết cấu có độ xác tin cậy; phân tích thực nghiệm lý thuyết dao động kết cấu ABSTRACT The space frame structure use to join narrow steel bars is one of two structural solutions used for light-load capacity bridges in the Mekong delta To have a suitable structural solution and to promote investment and capital effectiveness, it is necessary to evaluate this structure A reliable method to evaluate this kind of structure will be presented in this article This method is experimental analysis and oscillation theory GIỚI THIỆU Hơn ba thập niên gần đây, lãnh vực dao động cầu tác động loại xe cộ có nhiều đề tài nghiên cứu khoa học [1] Các tiến kỹ thuật phát triển tính đại máy tính, độ xác thiết bị, phương pháp phân tích dao động Monitor, phương pháp phân tích dao động thực nghiệm – số áp dụng vào thực tế nghiên cứu để giải vấn đề dao động cầu [2] Các mô hình cầu dạng mơ tải trọng vận dụng phát triển phong phú như: mô hình cầu khơng gian, mơ hình tải trọng 02 trục, v.v…… [5] Lãnh vực phân tích thực nghiệm lý thuyết dao động cầu với việc * Phó giáo sư, Tiến sĩ, Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh * Giảng viên Trường Đại học Tiền Giang áp dụng tiến kỹ thuật như: máy tính số tốc độ cao, phương pháp số, khai triển nhanh chuỗi Fourier đạt nhiều thành tựu [1,3] Đo đạc dao động với thiết bị đại kết hợp áp dụng kỹ thuật loại trừ sai số làm nâng cao độ xác kết nghiên cứu [6] Sự xác kiểm tra cách so sánh kết số thu từ công thức với kết thực nghiệm [4] Từ năm 2000 đến cuối năm 2004, Dự án xây dựng cầu tải trọng nhẹ vùng ĐBSCL triển khai thực hiện, tổng số cầu xây dựng 762 cầu, với kinh phí 101 tỷ đồng [9] Hiện nay, dự án tiếp tục thực với hai dạng giải pháp kết cấu có dạng kết cấu khung không gian thép mỏng Hình Hình 1.Khung khơng gian thép mỏng Mục đích nghiên cứu nhằm đánh giá kết cấu tác động dạng tải trọng nhẹ kết cấu Nội lực chuyển vị xác định cách mơ hình hóa kết cấu, phân tích tần số dao động đối chiếu với thực nghiệm MƠ HÌNH HĨA Cơng trình cầu thực tế mơ hình hóa kết cấu khung khơng gian gối tựa đàn hồi Kết cấu có đặc điểm liên kết mờ; độ cứng thay đổi từ dạng khớp đến dạng ngàm Ta thiết lập bảy dạng sơ đồ tính (SĐT) sau để tiến hành phân tích tần số dao động SĐT 1- Các dầm dọc, dầm ngang khung liên kết cứng với Hai dầm xem dầm liên tục, liên kết cứng với chống dầm ngang SĐT thể Hình SĐT 2- SĐT chống xiên xem liên kết khớp với chống đứng Hình Hình SĐT Hình SĐT SĐT 3- SĐT chống xiên xem liên kết khớp với dầm Hình SĐT 4- SĐT chống xiên xem liên kết khớp với chống đứng dầm Hình Hình SĐT Hình SĐT SĐT 5- SĐT giằng ngang xem liên kết khớp với chống đứng Hình SĐT 6- SĐT dầm dọc phụ xem liên kết khớp với dầm ngang Hình Hình SĐT Hình SĐT SĐT 7- SĐT dầm dọc phụ xem liên kết khớp với dầm ngang Hình Hình SĐT Độ cứng K gối tựa đàn hồi xác định theo công thức K = EF/L L - Chiều dài cọc E - Môđun đàn hồi vật liệu thép chế tạo cọc F - Diện tích mặt cắt ngang cọc Để thuận tiện cho việc phân tích dao động, ta thay kết cấu thực tế có khối lượng phân bố khối lượng tập trung theo nguyên tắc tương đương tỉnh học Khối lượng thu gọn điểm nút [7] Hoạt tải tác dụng gồm ba dạng sau đây: Xe gắn máy trọng lượng 300 kg gồm trục trước nặng 120 kg trục sau nặng 180 kg, khoảng cách hai trục 1,20m Xe gắn máy di chuyển dọc theo tim cầu cách 3m Ơ tơ trọng lượng 1,3 gồm trục trước nặng 0,65 trục sau nặng 0,65 tấn, khoảng cách hai trục 1,80m Di chuyển cầu, qua cầu Người trọng lượng phân bố 200kg/m2 3.THỰC NGHIỆM Áp dụng phương pháp khai triển chuỗi Fourier với máy tính số tốc độ cao kết hợp phần mềm đại kỹ thuật loại trừ sai số, phân tích thực nghiệm với Monitor Mơ hình tải trọng lực tập trung tác dụng cầu gây dao động cầu Mơ hình cầu kết cấu khung khơng gian gối tựa đàn hồi, xem cọc vít gối tựa đàn hồi Không đo dao động đất tự nhiên Sử dụng máy phân tích dao động FFT ANALYSER RECORDER Viện Cơ học ứng dụng TP Hồ Chí Minh chế tạo số vật dụng phụ trợ khác, ghi nhận chuyển vị thay đổi theo thời gian cầu với độ xác thiết bị đo gia tốc chuyển vị 0.1mm đo đạc tần số dao động thấp cầu với bước tần số xác 0.244Hz Các số liệu đo đạc gia tốc theo phương đứng ba điểm mặt cắt cầu gồm hai điểm biên điểm tim cầu trường hợp cầu chịu tác dụng lực kích động đứng tâm trường hợp chịu tác dụng lực kích động đứng lệch tâm tạo nên [8] Tần số dao động kết cấu khung không gian thép mỏng đo đạc thực tế từ ngày 15 tháng 12 đến ngày 20 tháng 12 năm 2004 tổng số 12 cầu xây dựng năm 2004 số xã thuộc địa bàn tỉnh Tiền Giang Chiều dài cầu thay đổi từ 15m đến 28m Tập trung vào ba loại, loại chiều dài từ 27m – 28m số lượng hai cầu, từ 20m – 22m số lượng bảy cầu từ 15m – 16m số lượng ba cầu Hình dáng cầu khung không gian thép mỏng cho ta cảm giác cầu mỏng mãnh; cảm nhận dao động dập dờn cầu theo bước tạo cho ta cảm giác cầu yếu Cầu ngắn, tương đối chắn Tập trung ý vào cầu dài lý cầu yếu tạo cảm giác khơng an tồn, cầu ngắn tương đối cứng nên ý Kết phân tích thực nghiệm tần số dao động chọn tiêu biểu loại chiều dài cầu sau: cầu có chiều dài 28m, tần số dao động mode 3.662Hz - cầu ấp Tân Lược 2, xã Tân Lý Tây, huyện Châu Thành Cầu có chiều dài 22m, tần số dao động mode 2.686Hz- cầu Phó Thơn Kim, xã Hòa Định, huyện Chợ Gạo Cầu có chiều dài 16m, tần số dao động mode 4.150Hz - cầu Chùa, xã Đồng Sơn, huyện Gò Cơng Tây [8] PHÂN TÍCH KẾT CẤU Sử dụng phần mềm SAP2000 để phân tích tần số dao động kết cấu Đối với loại chiều dài cầu 28m, 22m 16m ta áp dụng bảy dạng SĐT nêu để tiến hành phân tích tần số dao động riêng với số mode tần số thấp có xét hệ số cản kết cấu thép 0.02, phải có mode dao động, độ lớn bước tính tốn 0.025, số bước tính tốn đủ lớn, thơng số điều khiển cụ thể sau: -Loại phân tích: Tần số dao động riêng -Loại mode: Trị riêng -Số mode tối đa: 12 -Số mode tối thiểu: -Số bước tính tốn: 40 -Độ lớn bước: 0.025 -Hệ số cản: 0.02 -Loại mode: Vectơ riêng -Số mode tối thiểu: -Độ lớn bước tính tốn: 0.025 Do gần SĐT kết cấu nên kết mode dao động tần số cao phân tích kết cấu tin cậy Mặt khác thực tế dao động cầu thường xảy theo mode tần số thấp nên ta cần so sánh kết phân tích tần số dao động kết cấu với tần số dao động thực nghiệm mode [7], Bảng Cầu 28m Cầu 22m Cầu 16m Sơ đồ tính Mode Tần số phân tích (Hz) thực nghiệm (Hz) Sai số 1 3.9893 3.6620 8,94 3.9892 8,93 3.9893 8,94 3.9892 8,93 3.7011 1,07 3.9846 8,81 3.6961 0,93 1 2.9270 2.9268 8,96 2.9270 8,97 2.9268 8,96 2.8165 4,86 2.9224 8,80 2.8107 4,64 1 4.3680 4.3680 5,25 4.3680 5,25 4.3679 2,41 4.2501 2,41 4.3664 5,21 4.2486 2,37 2.6860 4.1500 Đánh giá (%) Đạt 8,97 Đạt 5,25 Đạt Đối với ba loại chiều dài cầu 28m, 22m 16m Sơ đồ (Hình 8) dạng SĐT hợp lý có sai số so với thực nghiệm nhỏ SĐT Áp dụng để tính tốn ứng suất chuyển vị Trọng lượng người 200kg/m2, ô tô 1,3 gây chuyển vị lớn Bảng 2, Bảng Bảng Cầu Bảng3 Chuyển vị lớn (mm) FF ff1 Chuyển vị lớn (mm) [ff] 28 0,075 0,085 0,027 mm 0,044 0,053 0,037 28 22 0,017 0,027 0,017 mm 0,019 0,029 0,027 22 16 0,009 0,011 0,013 mm 0,013 0,015 0,023 16 ff ff1 [ff] 0,026 0,035 0,027 0,018 0,027 0,037 0,008 0,018 0,017 0,010 0,020 0,027 0,006 0,013 0,013 0,008 0,015 0,023 Mỗi cầu cần kiểm tra độ võng nhịp nhịp biên Độ võng f f1 nhịp kiểm tra xác định theo Hình f2 f f1 l Hình 9: Xác định độ võng nhịp kiểm tra f - chuyển vị tương đối lớn , f = f1 – f2 f1 - chuyển vị nhịp kiểm tra f2 - chuyển vị đầu nhịp kiểm tra l - chiều dài nhịp kiểm tra; [f] = l/300 Các loại hoạt tải gây ứng suất Hình 10 BIỂU ĐỒ ỨNG SUẤT THAY ĐỔI THEO CHIỀU DÀI CẦU Ö Ùn g su aát ( kg/cm ) 6000 5150 5000 4000 3000 3049 2785 2000 1831 1451 1713 1000 1582 841 536 14 16 18 20 22 24 26 28 30 Chiều dài cầu ( m ) LÀN XE GẮN MÁY 300 KG Ô TÔ 1,3 TẤN NGƯỜI ĐI 200KG/M2 Hình 10 Biểu đồ ứng suất loại tải trọng Nhận xét: Trọng lượng người 200 kg/m2, ô tô 1,3 gây ứng suất chuyển vị vượt giới hạn cho phép Ứng suất cho phép vật liệu thép 2.400 kg/cm2 chiều dài cầu an tồn tối đa 20m KẾT LUẬN Tần số dao động cầu phụ thuộc nhiều vào liên kết giằng ngang với chống đứng Sơ đồ có độ cứng nhất, cho tần số dao động nhỏ nhất, gần với kết thực nghiệm Tần số dao động thực tế nhỏ tần số phân tích; nguyên nhân tiết diện mỏng, bị giảm yếu cục vị trí liên kết mặt cầu bê tông thực tế nặng nề Do vậy, độ cứng cầu độ cứng tính tốn theo sơ đồ Ứng suất chuyển vị kết cấu tính tốn Sơ đồ với hệ số vượt tải hệ số xung kích vượt giới hạn cho phép Cầu chiều dài 28m, trọng lượng người 200 kg/m2 gây ứng suất 5.150 kg/cm2 vượt 114% Chuyển vị lớn 0.085m, vượt 215%; ô tô 1,3 gây ứng suất 3.049 kg/cm2 vượt 27% Chuyển vị lớn 0,035m vượt 30% Cầu chiều dài 22m, trọng lượng người 200 kg/m2 gây ứng suất 2.785 kg/cm2 vượt 16% Chuyển vị lớn 0,027m vượt 59% Như vậy, độ an tồn cầu (trừ cầu có chiều dài 16m) Các biện pháp để đảm bảo an toàn: Cầu có chiều dài 28m, cấm tơ cho phép trọng lượng người qua cầu nhỏ 100 kg/m2 Cầu có chiều dài 22m, trọng lượng người qua cầu phải nhỏ 100 kg/m2 Dạng kết cấu chưa đáp ứng yêu cầu phổ biến thực tế vùng ĐBSCL Vì vậy, cần tìm kiếm giải pháp kết cấu hợp lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] F.T.K Au, Y.S.Cheng , Y.K.Cheung “ Vibration analysis of bridges under moving vehicles and trains: an overview” Volume 3, Issue 3, Pages 299-304 Published Online: 19 Oct 2001 [2] Blo George “Vibration analysis and Monitoring” Structural Integrity April 5, 2006 [3] Chirtian Cre’mona “Experimental Vibration Analysis for Civil Engineering Structures” Bordeaux, 26-28 Oct 2005 [4] Fafard.M, Bennur.M, Savard.M “A general multi-vehicle model to study the bridge- vehicle interaction” Emerald Group Publishing Limited Engineering computations Int J for Computer- Aided engineering , volume 14, Number 5, September 1997, PP 491-508 (18) [5] Cynthia Reid “Finite Element in Analysis and Design”, Volume 41, Issue 4, pages: 397-427 Elsevier Science Publishers B.V 2005 http//www.Elsevier.com [6] S.Vanlanduit, P.Guillaume, J.Schoukene, “On-line robust processing techniques for elimination of measurement drop-out”, Electronic journal Issue August 2002 [7] Ray W.Clough & Joseph Penzien, Dynamics of structure, McGrawHill,1993 [8] Số liệu phân tích thực nghiệm dao động cầu khung không gian thép mỏng tỉnh Tiền Giang REACTEC – Trường ĐHBK.TPHCM thực tháng 12, năm 2004 [9] Dự án xây dựng 1.000 cầu thép mỏng vùng ĐBSCL, 2004 – Ban Quản lý dự án xây dựng cầu Trung ương Đoàn ... dụng cầu gây dao động cầu Mơ hình cầu kết cấu khung khơng gian gối tựa đàn hồi, xem cọc vít gối tựa đàn hồi Không đo dao động đất tự nhiên Sử dụng máy phân tích dao động FFT ANALYSER RECORDER... kết mode dao động tần số cao phân tích kết cấu tin cậy Mặt khác thực tế dao động cầu thường xảy theo mode tần số thấp nên ta cần so sánh kết phân tích tần số dao động kết cấu với tần số dao động... tần số dao động chọn tiêu biểu loại chiều dài cầu sau: cầu có chiều dài 28m, tần số dao động mode 3.662Hz - cầu ấp Tân Lược 2, xã Tân Lý Tây, huyện Châu Thành Cầu có chiều dài 22m, tần số dao động