Trong nhiều thập kỷ vừa qua, trên thế giới và ở Việt Nam việc xây dựng những câỵ cầu nhịp lớn là một xu hướng đang phát triền, những câỵ cầu nhịp dài kỷ lục, hình dáng độc đáo thường xuyên được giới thiệu và trở thành biểu tượng của các thành phố (Hình 1.1,1.2,1.3,1.4). Những thành tích này là do những tiến bộ hiện đại Ưong chế tạo vật liệu, sự phân tích và công nghệ xây dựng. Đặc biệt, sự xuất hiện của cáp cường độ cao đóng một vai trò quan trọng trong việc đạt đến sự phổ biến của cáp đỡ cầu
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THÀNH CHUNG ĐỀ TÀI KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN Chuyên ngành: KT Xây dựng Cơng trình Dân dụng Cơng nghiệp Mã ngành: 60 58 02 08 LUẬN VĂN THẠC SĨ Cơng trình hồn thành tại: Trường đại học Bách Khoa - ĐHQG - Tp.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS HỒ ĐỨC DUY Cán chấm nhận xét 1: Cán chấm nhận xét 2: Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM ngày tháng năm 2016 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS TS Nguyễn Văn Hiệp PGS TS Nguyễn Minh Long TS Lê Văn Phước Nhân PGS TS Hồ Hữu Chỉnh TS Trần Cao Thanh Ngọc Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRUỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THÀNH CHUNG MSHV: 13210130 Ngày, tháng, năm sinh: 31/01/1987 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: KT Xây dựng Cơng trình DD&CN Mã ngành: 60 58 02 08 I TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu phương pháp thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động tự nhiên Khảo sát lực căng cáp cho số cơng trình cầu dây văng trụ anten viễn thơng So sánh, phân tích đánh giá phương pháp Lập trình tự động hóa thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động tự nhiên chương trình MATLAB III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HÒ ĐỨC DUY Tp HCM, ngày thảng năm CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG ii LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ Xây dựng cơng trình dân dụng cơng nghiệp nằm hệ thống luận cuối khóa nhằm trang bị cho học viên cao học khả tự nghiên cứu, biết cách giải vấn đề cụ thể đặt thực tế xây dựng Để hoàn thành luận văn này, cố gắng nỗ lực thân, nhận giúp đỡ nhiều từ tập thể cá nhân Tôi xin ghi nhận tỏ lòng biết ơn tới tập thể cá nhân dành cho giúp đỡ quý báu Đầu tiên tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Hồ Đức Duy, người đưa gợi ý để hình thành nên ý tưởng đề tài, góp ý cho tơi nhiều cách nhận định đắn vấn đề nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM truyền dạy kiến thức q giá cho tơi, kiến thức thiếu đường nghiên cứu khoa học nghiệp sau Sau cùng, muốn tỏ lòng biết ơn đến đồng nghiệp, quan nơi cơng tác, gia đình người thân hỗ trợ, tạo điều kiện để tơi hồn thành chương trình học tập thực luận văn Luận văn thạc sĩ hoàn thành thời gian quy định với nỗ lực thân, nhiên khơng có thiếu sót Kính mong q Thầy Cơ dẫn thêm để bổ sung kiến thức hồn thiện thân Xin trân trọng cảm ơn Tp HCM, tháng 12 năm 2015 NGUYỄN THÀNH CHUNG iii TÓM TẮT Trong luận văn này, phương pháp phổ biến sử dụng để ước tính lực căng cáp sử dụng tần số dao động tự nhiên trình bày Đối với phương pháp, yếu tố khác ảnh hưởng đến việc ước tính lực căng cáp khảo sát Những phương pháp sử dụng để ước tính lực căng cho kết cấu cáp thực tế Các kết so sánh đánh giá với giá trị thiết kế Sau đó, phần mềm tự động hóa cho việc ước tính lực căng cáp cách sử dụng MATLAB lập trình Với mục đích đó, cần thực nội dung sau đây: (1) Qui trình phương pháp ước tính lực căng cáp sử dụng tần số tự nhiên đưa (2) Những phương pháp sử dụng cho kết cấu cáp khác nhau: năm dây cáp cầu dây văng Hwamyung, Hàn Quốc; sáu dây cáp cầu dây văng Alamillo, Tây Ban Nha; dây cáp cầu dây văng Phú Mỹ, Việt Nam; bốn dây cáp cầu dây văng Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý, Việt Nam; hai dây cáp trụ anten Kiên Giang, Việt Nam (3) Các kết ước tính lực căng cáp phân tích đánh giá (4) Một chương trình ước tính lực căng cáp sử dụng MATLAB lập trình Từ khóa: kết cấu cáp, lực căng, tần số tự nhiên, cáp cầu dây văng, trụ tháp neo cáp ABSTRACT In this study, six common methods used to estimating cable’s tension force using natural frequency are presented For each method, various factors affecting the estimation of the cable force are investigated These methods are employed for estimating tension force of real cable structures The results are compared and evaluated with the design values Then, an autonomous software for cable force estimation using MATLAB is programmed For that, the following contents are implemented: (1) The procedures of natural frequency-based cable force estimation methods are outlined (2) These methods are employed for various cable structures: five cables of Hwamyung cable-stayed bridge, in Korea; six cables of Alamillo cable-stayed bridge, in Spain; one cable of Phu My cable-stayed bridge, in Vietnam; four cables of Nguyen Van Troi - Tran Thi Ly cable-stayed bridge, in Vietnam; two cables of Kien Giang guyed tower, in Vietnam (3) The results of cable force estimation are analyzed and evaluated (4) A MATLAB-based cable force estimation is programmed Keywords: cable structures, tension force, natural frequency, cable-stayed bridge, guyed tower V LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng việc tơi thực hướng dẫn thầy TS Hồ Đức Duy Các kết ửong luận văn thật chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm công việc thực Tp HCM, tháng 12 nãm 2015 NGUYỄN THÀNH CHUNG vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC sĩ i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT .iv LỜI CAM ĐOAN V MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIÊU xii MỘT SỐ KÝ HIỆU VIẾT TẮT XV CHƯƠNG TÔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tổng quan vấn đề 1.2.1 Tổng quan ước tính lực căng cáp dựa tần số dao động 1.2.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu nội dung nghiên cứu 1.4 Tính cấp thiết tính thực tiễn đề tài CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN 11 2.1 Giới thiệu chung 11 2.2 Các phưomg pháp thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động 12 2.2.1 Phương pháp sử dụng lý thuyết dây căng 13 vii 2.2.2 Phương pháp tính đến ảnh hưởng độ cứng uốn mà không kể độ võng 15 2.2.3 Phương pháp xác định lực căng cho cáp nghiêng 18 2.2.4 Phương pháp tính đến độ võng độ cứng uốn .22 2.2.5 Phương pháp tính đến độ võng độ cứng uốn hình thức tiệm cận 29 2.2.6 Phương pháp tính có kể đến ảnh hqởng phi tuyến 34 CHƯƠNG BÀI TOÁN ÚNG DỤNG 42 3.1 Bài toán : cầu dây văng Hwamyung, Hàn Quốc 42 3.1.1 Giới thiếu kết cấu 42 3.1.2 Xác định lực căng dây cáp Cl, C2, C3, C4, C5 44 3.1.3 Nhận xét 57 3.1.4 Xác định lực căng dây cáp BLC02, BLC04 58 3.1.5 Nhận xét 61 3.2 Bài toán : cầu dây văng Alamillo, Tây Ban Nha 61 3.2.1 Xác định lực căng dây cáp 8L đến 13L 63 3.2.2 Nhận xét 66 3.3 Bài toán : cầu dây văng Phú Mỹ, Việt Nam 67 3.3.1 Xác định lực căng dây cáp 115 67 3.3.2 Nhận xét 69 3.4 Bài toán : cầu dây văng Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý, Việt Nam 70 3.4.1 Xác định lực căng dây cáp : Cáp 101, Cáp 108, Cáp 115, Cáp 201, viii Cáp 208, Cáp 215, Cáp 301, Cáp 302, Cáp 320 Cáp 331 72 3.4.2 Nhận xét 75 3.5 Bài tốn : Cột Anten huyện Hòn Đất, tỉnh Kiên Giang 76 3.5.1 Xác định lực căng dây cáp : C1 C8 78 3.5.2 Nhận xét 80 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH TỰ ĐỘNG HĨA THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG 82 4.1 Giới thiệu 82 4.2 Hướng dẫn sử dụng 88 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 94 5.1 Kết luận 94 5.2 Kiến nghị 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO 96 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .100 81 lực căng thiết kế từ -20.36% đến -24.18% Trong lực căng tính theo phương pháp lớn 82 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH Tự ĐỘNG HĨA THIẾT LẬP Lực CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG 4.1 Giói thiệu Chương trình khởi tạo giao diện GUI MATLAB, sử dụng có hiệu quả, nhanh chóng đơn giản để xác định lực căng cáp ửong trình sử dụng Chương trình xây dựng dựa phương pháp xác định lực căng cáp nêu Từ bước tính tốn phương pháp (xem chương 3), lưu đồ tính toán thiết lập sau: - Phương pháp 1: phương pháp dây căng ♦♦♦ Lưu đồ tính tốn' Hình 4.1 Lưu đồ tính tốn phương pháp dây căng 83 - Phương pháp 2: phương phảp tính đến ảnh hưởng độ cứng uốn Shìmada cộng (1989) Phương pháp 3: phương pháp xác định lực căng cho cáp nghiêng Triantafyllou (1984) 84 ♦♦♦ Lưu đồ tính tốn: Hình 4.3 Lưu đồ tính tốn theo phương phảp TriantafyUou 85 - Phương pháp 4: phương pháp tính đến độ võng độ cứng uốn Zui 86 - Phương pháp 5: phương pháp tính đến độ võng độ cứng uốn phương pháp tiệm cận Nam Hoang (2011) 87 - Phương pháp 6: phương pháp tính kể đến ảnh hưởng phỉ tuyến Choi cộng (2012) ❖ Lưu đồ tính tốn: ( Bắt đàu ) Hình 4.6 Lưu đồ tỉnh toán theo phương pháp Dong-Ho Choi 88 4.2 Hướng dẫn sử dụng - Giao diện chương trình: Hình 4.7 Giao diện chương trình tinh tốn Trong đó: Method 1,2, , Phương pháp 1,2, Mode numbers 1, 2, »5 Dạng dao động 1,2, Frequency (Hz) fl, Í2, f5 Tần số dao động tự nhiên fl, f2, f5 Mass (kg/m) m Khối lượng đơn vị chiều dài cáp Length (m) L ,5 Chiều dài dây cáp Diameter (m) D Đường kính danh nghĩa cáp Modulus (GPa) E Mô đun đàn hồi cáp 89 Angle (deg) Góc nghiêng cáp so với phương ngang Sag (m) Độ chùng cáp nhịp theo phương T-design (kN) To Lực căng thiết kế thẳng đứng Các bước sử dụng chương trình sau: - Chọn phương pháp thụ Control -Select -*• Method * Method © Method © Method • j Method »• Method : Control : Hình 4.8 Lựa chọn phương pháp tinh với nút lệnh control - Nhập thông số đầu vào : Phụ thuộc vào phương pháp lựa chọn để tính tốn mà số lượng thơng số đầu vào khác Dưới thông số đầu vào phương pháp Đặc trưng cáp C1 cầu Hwamyung: Bảng 4.1 Đặc trưng học cáp C1 câu Hwamyung 90 Với phương pháp cần nhập thông số m, L - Select s Method © Method ® Method ® Method © Method c Method -Data' Mass ỉ kạAri I m = 101 ModJus [GPa! E = HA Length (mJ Anglo [dog) H= H'A 5= HA L= 123.31 Diameter era) D = WA Sag (m) T-desigii (kN) Cortiol TO Hình 4.9 Lựa chọn nhập thông số đầu vào cho phương pháp Với phương pháp cần nhập thông số m,L,D,E - Select - Data' Method Mass kg.'rrij m = * iVfltnod & IVflthod Lengih (m) L = Modulus [GRa] E = 195 123.01 Angle (deg] = IVA 0.1101 sag (rm 101 ĨS Method Diameter (m) D = *20 Method ’■> Method fi a= MA □ T-deegn (k|-j) To Control Hình 4.10 Lựa chọn nhập thơng sổ đầu vào cho phương pháp Với phương pháp cần nhập thông số số m, L, D, E, -Select— -Data—— ■C MetLc*d e Mass [kg/mQ 111 Method - 101 ktodulLH (GPa) E = 195 Angle [dạgỉ = - Method Length (mJ L - ■C' Method Ô Me Brod ■r Method Diameter [mJ D = CU1S1 123.Ỡ1 Sag (mJ EB.Z s= IW T-design (kN) To r Control Hình 4.11 Lựa chọn nhập thông sổ đầu vào cho phương phảp Với phương pháp cần nhập thông số số m, L, D, E, 9, s DEĩta t- Select : M-elhocí Method VfllhoC o lựelhod Ci Method Method ỄJ Control Mass (kgftin) m = I 1O1 Length Modulus (GPa) E = (m) L = I 123.01 Angle (deg) é= Diameter (mJ I = 0.1161 Sag (m) Ẹ= T-desim [kN) To Hình 4.12 Lựa chọn nhập thông sổ đầu vào cho phương phảp 91 Với phương pháp cần nhập thông số m, L, D, E, 0, s - Select " Data Method & Method Method MH55(kgftn) m= 101 MocUUS (GPa) E = 195 Length (m) L = 123 81 Angle [deg] 6= 20 Diameter (m) D = 0.1181 Sag inn) s = 309 e Method • Method C' Method T-design (kN) To Control Hĩnh 4.13 Lựa chọn nhập thông số đầu vào cho phưoTig pháp Với phương pháp cần nhập thông số m, L, D, E Ô Method e> Method o Method Macs (kg/mj m - 1Ũ1 Length (mJ L = 123 81 Angle (deg) g= N'A □ametor(m) D = 1181 Sag Im) 5= N/A Modulus (GPa)E- 195 Method Method • Method T-desiin(WM) To Control Hĩnh 4.14 Lựa chọn nhập thông sổ đầu vào cho phương pháp Khi lựa chọn tính tốn với tất phương pháp 1, 2, 3, 4, ố: -Select ô Melhod ' Method •' Method ì Data — -Mass (kg?n) m = 101 Modulus (GPa) E 155 Len^h (ml L = 123 61 Angle (deg) Ộ= Diameter (ml D = Q 1181 Sag (m) s = 309 T-desicn (kN) To 7456 28 •' Merthod Method Method Control Hình 4.15 Lựa chọn nhập thông sổ đầu vào cho phương pháp 1, 2, 3, 4,5 Lực căng thiết kế To nhập khơng Bảng 4.2 Dạng dao động tần số tự nhiên đo dây cáp C1 cầu Hwamyung Dang dao đông Tan st' tự nhiên (Hz) dây cáp 1.147 2.271 3.394 4.541 5.640 Cl Lựa chọn dạng dao động tẩn số tự n liên đo đế tính tốn 92 Hình 4.16 Lựa chọn nhập tần sổ tự nhiên dạng dao động Chạy chương trình xuất kết ( Lưu kết quả: I): 93 Hình 4.18 Chọn vị tri ỉưu két - Load liệu có sẵn: Hình 4.19 Load liệu cố săn 94 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Luận văn nghiên cứu đánh giá phương pháp xác định lực căng cáp cách gián tiếp sử dụng tần số dao động tự nhiên Từ qui trình tính tốn kết có từ tốn ứng dụng có kết luận sau: Lực căng tính theo phương pháp 1, 2, 3, 4, tương đối sát Lực căng tính theo phương pháp lớn phương pháp lại nhiều (khoảng 10%v20%) Phương pháp tính tốn đơn giản cần thơng số đầu vào (m, L) dễ dàng xác định lực căng, kết gần với lực căng thiết kế Sử dụng tất dạng dao động để tính nên kết đáng tin cậy Phương pháp cần nhiều thông số đầu vào (m, L, EI) dễ xác định lực căng cần thực tính tốn hồi quy tuyến tính phức tạp Phương pháp cần nhiều thông số đầu vào (m, L, E, A, 0), lực căng cáp xác định gần tính tốn phải qua nhiều lần lặp cho dạng dao động, sau lấy trung bình Phương pháp cần nhiều thơng số đầu vào (m, L, E, I, A, ỡ, ổ), xác định lực căng cần phải biết lực căng thiết kế dựa vào phương pháp khác để biết cáp thuộc khu vực tính tốn Với dây cáp sử dụng tần số tự nhiên dạng dao động ( cáp có độ võng nhỏ) dạng dao động ( cáp có độ võng lớn) kết sai lệch nhiều phép đo dao động có sai số Phương pháp cần nhiều thông số đầu vào (m, L, E, I, A, ỡ, ổ), bước tính tốn phức tạp khác cho dạng dao động đối xứng (1, 3, 5) dạng dao động phản xứng (2, 4) Lực căng cáp xác định gần qua bước lặp, hội tụ 95 nghiệm nhanh với giá trị chọn ban đầu phải hợp lý gần với nghiệm tìm Với giá trị lựa chọn ban đầu khó hội tụ Phương pháp cần thơng số đầu vào phương pháp 4, (m, L, E, I, A), cơng thức tính tốn phức tạp Lực căng cáp phi tuyến xác định gần qua nhiều bước lặp lâu hội tụ Do có kể đến lực kéo dài trọng lượng thân nên kết lớn nhiều so với phương pháp lại Như xác định lực căng cáp theo phương pháp đơn giản, nhanh chóng có hiệu thực tiễn Tuy nhiên, nghiên cứu cần phải xem xét ảnh hưởng tất yếu tố tác động đến kết lực căng cáp thực tế, cần phải nghiên cứu phương pháp phức tạp 5.2 Kiến nghị Dựa vào nội dung kết đạt đề tài, tác giả sử dụng chương trình MATLAB để lập trình tự động hóa xác định lực căng cáp dựa vào tần số dao động tự nhiên Chương trình áp dụng để theo dõi thường xuyên kết cấu dây cáp quan trọng để đưa biện pháp xử lý thích hợp Mặc dù luận văn đạt số kết quan trọng trình bày số hạn chế bổ sung để tăng thêm tính xác mức độ đa dạng đề tài như: • Đánh giá lực căng cáp cho số kết cấu BTCT ứng suất trước căng theo phương pháp • Đánh giá thêm số phương pháp khác có xem xét yếu tố khác so với phương pháp luận văn độ cứng gối tựa, ảnh hưởng nhiệt độ,., so sánh với phương pháp đo trực tiếp ... TÀI: KHẢO SÁT ỨNG DỤNG CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG Tìm hiểu phương pháp thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động tự nhiên. .. cứu Khảo sát ứng dụng phương pháp thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động tự nhiên Nội dung cụ thể bao gồm: > Tìm hiểu phương pháp thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động tự nhiên. .. PHÁP THIẾT LẬP LỰC CĂNG CÁP SỬ DỤNG TẦN SỐ DAO ĐỘNG TỰ NHIÊN 11 2.1 Giới thiệu chung 11 2.2 Các phưomg pháp thiết lập lực căng cáp sử dụng tần số dao động 12 2.2.1 Phương pháp