PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ LIÊN HỢP DẦM ĐÔI-DÂY-CỘT-THANH ĐÀN HỒI CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG VÀ LỰC KHÍ ĐỘNG. LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ Nguyễn Thị Cẩm Nhung PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ LIÊN HỢP DẦM ĐƠI-DÂY-CỘT-THANH ĐÀN HỒI CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG VÀ LỰC KHÍ ĐỘNG TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: GS.TS Hồng Xn Lượng Phản biện 1: GS.TS Trần Đức Nhiệm Đại học Giao Thông Vận Tải Hà Nội Phản biện 2: GS.TS Trần Văn Liên Đại học Xây Dựng Hà Nội Phản biện 3: PGS.TS Trần Chủng Viện Khoa Học Công Nghệ Xây Dựng Luận án bảo vệ Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo định số /QĐ-HV, ngày tháng năm 2018 Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp Học viện Kỹ thuật Quân vào hồi ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân - Thư viện Quốc gia MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ liên hợp dầm-dây-cột dạng cơng trình sử dụng hệ thống dây cáp để hỗ trợ chịu phần tải trọng kết cấu Một ưu điểm bật hệ liên hợp dạng dầm-dây-cột chúng cho phép truyền bớt tải trọng từ phần sang phần khác thuộc cơng trình Ngược lại, tải trọng cơng trình từ phần khác phân bố cột trụ trung tâm Nhờ linh hoạt thiết kế nhiều ưu điểm khác, hệ liên hợp dầm-dây-cột ngày sử dụng nhiều kết cấu thực tế, chẳng hạn sân vận động, tháp truyền hình, cầu treo hay cầu dây văng Cùng phát triển mạnh mẽ khoa học công nghệ, hệ liên hợp dầmdây-cột dạng cầu dây văng đại có kết cấu mảnh hơn, trọng lượng nhỏ khả vượt nhịp ngày lớn Cầu dây văng hai tầng cho phép lưu lượng phương tiện giao thông lớn đa dạng Một số cầu hệ dây hai tầng có chiều dài nhịp 1000m (Hình 1.2) cầu Verrezano (1298m, Mỹ, 1969), Tsing Ma (1377m, Hồng Kông, 1997), Minami Bisan-Seto (1100m, Nhật Bản, 1988), 25 de Abrill (1012m, Bồ Đào Nha, 1966) …Tuy nhiên kết cấu liên hợp dạng hầu hết xây dựng khu vực chịu tác động gió, khơng phụ thuộc vào vận tốc gió mà cịn phụ thuộc vào chuyển vị vận tốc chuyển động kết cấu Mặt khác, theo phát triển kinh tế xã hội, tải trọng mật độ phương tiện giao thông qua cầu gia tăng, làm ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng động kết cấu cầu Do cầu dây văng thường xuyên phải chịu tác dụng đồng thời tải trọng di động lực khí động Trong năm gần đây, vấn đề nghiên cứu kết cấu liên hợp dạng cầu dây văng tầng, hai tầng chịu tác dụng dạng hoạt tải khác tải trọng di động, tải trọng khí động, động đất… thu hút quan tâm nhiều nhà khoa học giới đạt số kết định Với hệ thống sơng ngịi dày đặc từ Bắc vào Nam, Việt Nam số cơng trình cầu hệ treo quy mơ lớn hồn thành, số khác trong giai đoạn chuẩn bị xây dựng, địi hỏi nghiên cứu chun sâu tồn diện tác động chế gây dao động cho kết cấu liên hợp Vì vậy, đề tài “Phân tích động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dây-cộtthanh đàn hồi chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động” mà luận án giải cấp thiết, có ý nghĩa khoa học thực tiễn bối cảnh sở hạ tầng phát triển mạnh mẽ Việt Nam Mục đích nghiên cứu luận án - Xây dựng thuật tốn phần tử hữu hạn (PTHH) chương trình máy tính phân tích động lực học hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột – chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động - Khảo sát số yếu tố ảnh hưởng đến đáp ứng động lực học hệ liên hợp, đưa nhận xét, khuyến cáo kỹ thuật nhằm định hướng cho việc thiết kế, chế tạo sử dụng kết cấu liên hợp dầm – dây – cột - Tiến hành thực nghiệm mơ hình kết cấu liên hợp chịu tác dụng nhiều tải trọng di động phịng thí nghiệm, góp phần kiểm tra độ tin cậy thuật tốn chương trình tính lập Đối tượng phạm vi nghiên cứu luận án - Về kết cấu: Kết cấu liên hợp dầm đôi – dây – cột – - Về tải trọng: Tải trọng di động dạng khối lượng di động hệ dao động di động, tải trọng khí động theo mơ hình tuyến tính Scanlan Phạm vi nghiên cứu: Dao động tự dao động cưỡng hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột – chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động Giả thiết vật liệu giai đoạn đàn hồi tuyến tính Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết, dựa phương pháp PTHH kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm mô hình Cấu trúc luận án Luận án gồm phần mở đầu, chương, kết luận, danh mục cơng trình công bố, tài liệu tham khảo phụ lục Trong có 147 trang thuyết minh, 19 bảng, 117 hình vẽ đồ thị, 123 tài liệu tham khảo 22 trang phụ lục Mở đầu Trình bày tính cấp thiết đề tài luận án Chương Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương Nghiên cứu động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dây-cột-thanh chịu tải trọng di động lực khí động Chương Khảo sát số Chương Nghiên cứu thực nghiệm phản ứng động hệ liên hợp dầm đôidây-cột-thanh chịu tác dụng tải trọng di động Kết luận kiến nghị: Trình bày kết luận án số kiến nghị tác giả rút từ nội dung nghiên cứu CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Trình bày tổng quan hệ liên hợp dầm – dây – cột ứng dụng tính tốn kỹ thuật, tổng quan mơ hình tải trọng di động, tượng khí động phát sinh gió mơ hình lực khí động Trình bày nghiên cứu mơ hình kết cấu liên hợp, hệ liên hợp chịu tác dụng tải trọng di động, hệ liên hợp chịu tác dụng lực khí động hệ liên hợp chịu tác dụng đồng thời hai dạng tải trọng Từ cơng trình công bố, sở vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu phát triển, tác giả luận án tập trung giải vấn đề chủ yếu sau: - Xây dựng mơ hình tốn hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột – đàn hồi chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động, thiết lập hệ phương trình vi phân dao động hệ phương pháp PTHH - Thiết lập thuật toán giải toán động lực học hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột – chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động - Lập chương trình giải tốn mơi trường Matlab Xác định đáp ứng động lực học kết cấu chuyển vị, mô men uốn, lực dọc đàn hồi, lực căng dây cáp - Khảo sát ảnh hưởng yếu tố: tốc độ, số lượng tải trọng di động, vận tốc gió trung bình, độ cứng đàn hồi liên kết dầm dầm dưới, khoảng cách dầm chính, vật liệu kết cấu, thiết bị tiêu tán lượng TMD, đến khả làm việc hệ liên hợp Đề xuất phương án hợp lý thiết kế, chế tạo kết cấu dạng dầm đôi – dây – cột – đàn hồi chịu tác dụng tải trọng di động, lực khí động tác dụng đồng thời hai dạng tải trọng - Tiến hành nghiên cứu thực nghiệm, xác định phản ứng động kết cấu dầm đôi liên hợp chịu tác dụng tải trọng di động, đoàn tải trọng di động di chuyển với vận tốc khác Kết nghiên cứu thực nghiệm so sánh, đối chiếu với nghiên cứu lí thuyết CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC HỆ LIÊN HỢP DẦM ĐÔI – DÂY – CỘT – THANH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG VÀ LỰC KHÍ ĐỘNG 2.1 Đặt vấn đề Trong chương này, tác giả xây dựng thuật tốn PTHH chương trình tính COMLAF_2017, nhằm phân tích đáp ứng động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dây-cột-thanh chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động theo mơ hình Scanlan 2.2 Đặt tốn giả thiết Y A X  vi Dầm tầng Dây cáp Z C d Thanh đàn hồi Dầm tầng  U E D TMD Cột B L Hình 2.1 Mơ hình tốn Xét sơ đồ tính gồm hai dầm bố trí song song, thuộc mặt phẳng đứng, liên kết với đàn hồi, cột hệ thống dây cáp, liên kết bám dính tuyệt dầm (Hình 2.1) Hệ mơ hình hóa cho kết cấu cầu dây văng tầng Thiết bị tiêu tán lượng có dạng khối lượng – lị xo – cản nhớt (TMD) gắn vào dầm [1], [83] Hệ chịu tác dụng nhiều tải trọng di động đồng thời với lực khí động Tải trọng di động xét đến luận án có dạng khối lượng di động hệ dao động di động, di chuyển hai dầm kết cấu Mơ hình lực khí động hai bậc tự Scanlan [90] lựa chọn sử dụng Giả thiết: Vật liệu kết cấu đồng nhất, đàn hồi tuyến tính, chuyển vị biến dạng hệ bé Tải trọng di động khơng tách khỏi kết cấu q trình di chuyển Lực khí động tác dụng vng góc với mặt phẳng dầm-dây, có ảnh hưởng khơng đáng kể dây cáp, cột tải trọng di động Kết cấu dầm đôi không ảnh hưởng tới hệ số khí động 2.3 Quan hệ ứng xử học kết cấu dầm đôi – dây – cột – Các phần tử sử dụng toán gồm: Phần tử TMD, phần tử dây cáp khơng gian có khối lượng phần tử không gian (3D) dùng để mơ hình hóa hai dầm chính, cột, nối Phương trình tổng thể mơ tả đáp ứng động hệ thiết lập dựa sở quan hệ ứng xử phương trình mơ tả dao động phần tử thuộc hệ 2.3.1 Phần tử không gian Hai dầm chính, cột đàn hồi rời rạc hóa thành hữu hạn phần tử khơng gian hai điểm nút, nút có bậc tự u i , vi , w i , xi ,  yi , zi với i  1, Chuyển vị điểm M  x, y, z, t  thuộc phần tử theo phương trục Ox, Oy Oz xác định theo công thức sau:  u  u  x, y, z, t   u  x, t   z y  x, t   yz  x, t    v  v  x, y, z, t   v  x, t   z x  x, t    w  w  x, y, z, t   w  x, t   y x  x, t  Phương trình mơ tả dao động phần tử: M0e   qe  Ce0  q e  K e0  qe  Fe (2.2) (2.19) 2.3.2 Phần tử TMD [1] Phần tử TMD gồm nút I, J có tọa độ  x1 , y1 , z1  ,  x , y2 , z  dùng để mô tả phần tử lị xo đàn hồi tuyến tính với hệ số cứng k tmd , cản nhớt tuyến tính với hệ số cản ctmd , có phương dọc theo phần tử Phương lực đàn hồi lực cản nhớt xác định theo toạ độ nút không gian TMD giả thiết thay đổi dao động theo phương thẳng đứng, bỏ qua ảnh hưởng TMD đến dao động xoắn kết cấu 2.3.3 Phần tử dây cáp Phần tử dây cáp đàn hồi không gian xây dựng dựa biểu thức giải tích phần tử dây đàn hồi Ma trận độ cứng phần tử tính thơng qua q trình lặp hiệu chỉnh lực nút theo công thức: Lxz   P1   K (2.47)     c  L   P  2  y  i 1  P1    P2  i  P   P    1   1  P2   P2  (2.48) 2.4 Xây dựng phương trình vi phân dao động hệ liên hợp chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động 2.4.1 Hệ liên hợp chịu tác dụng tải trọng di động Trường hợp kết cấu chịu tác dụng N tải trọng di động, thời điểm t, phần tử dầm có n tải trọng di động di động   n  N  di chuyển qua  Phần tử chịu tác dụng khối lượng di động:  Pi  t  y  vi mi vI vJ uJ uI θI v yi i x θJ Hình 2.5 Phần tử chịu tác dụng khối lượng di động Phương trình vi phân mơ tả dao động phần tử – n khối lượng di động   n  N  viết dạng:  M   M   q   C   C   q   K   K   q  P  t  e với: P e e e P e e e P e e e (2.75) n n n n  M eP     M ePi  ,  C eP     C ePi  ,  K eP     K ePi  , Pe  t    Pei  t  i 1 i 1 i 1 i 1  Phần tử chịu tác dụng hệ dao động di động: y y mi mi  Qi  t   vi x I v yi ξi J Hình 2.6 Phần tử chịu tác dụng hệ dao động di động Hệ phương trình vi phân mơ tả dao động phần tử n – hệ dao động di động sau: n n T      n  Pi    e Pi          mi  N yi  y mi   Ce    Ce   q     M e     M e   qe   i 1 i 1 i 1    n n   Pi      K  K q         e  i1  e   e i1 Pei  t   y m1  c1 y m1  k1 y m1  c1  N y1  q e  c1  Ny1  x  k1  N y1  qe  Q1  m1    y mn  c n y mn  k n y mn  c n  N yn  q e  c n  Nyn  x n  k n  N yn  qe  Q n m n        2.4.2 Hệ liên hợp chịu tác dụng lực khí động y  U gio h t y0 Lh M z  t z0 Hình 2.8 Mặt cắt dầm chịu tác dụng lực khí động Lực khí động tác dụng lên dầm (Hình 2.8) [90], [91], [95]: *  KH*2  KH1  L h = ρa U B  h  x,t  + α  x,t  +K H*3α  x,t  +K H*4 h  x,t   U  U  *  KA*2 2  KA1  M = ρa U B  h  x,t  + α  x,t  +K A*3α  x,t  +K A*4 h  x,t   U  U  Phương trình vi phân dao động phần tử chịu tác dụng lực khí động:     M0e        ae  qe  C0e   Cae e  qe   K e    K e  qe  0 (2.114) 2.4.3 Hệ liên hợp chịu tác dụng đồng thời tải trọng di động lực khí động Phương trình dao động phần tử chịu tác dụng đồng thời lực khí động n khối lượng di động   n  N  có dạng:  M   M  q   C   C   C  q  (2.115)  K   K   K  q  P  t  e P e e e P e e ae e P e e ae e e e Phương trình dao động phần tử chịu tác dụng đồng thời lực khí động n hệ dao động di động   n  N  có dạng:   M1n   qe    C0e   CeP    Cae e     y m1       C11             y mn    m n    C n1   K 0e    K eP    K eae    q  P  Fae   e       e  e  y Q  K11 k1    m1                         Qn  K n1  k n   y mn      M 0e    M eP  M11     m1       0   q e    c1    y m1           c n   y mn  (2.116) Từ phương trình mơ tả dao động phần tử, phương pháp tập hợp ma trận, ta có phương trình mơ tả dao động tồn hệ Sau 11 2.8.2 Kiểm tra độ tin cậy chương trình Tác giả sử dụng chương trình COMLAF_2017 để tính tốn so sánh tần số dao động riêng hệ liên hợp dầm dây mô cầu dây văng Meiko-Nishi (Nhật Bản) cơng trình Abdel-Ghaffar AM [20] Raid Karoumi [83], kiểm tra đáp ứng chuyển vị đứng mặt cắt dầm nhịp chịu tác dụng nhiều tải trọng di động cơng trình Vera de Salvo [106] kiểm tra đáp ứng kết cấu cầu Hardanger (Na Uy) chịu tác dụng tải trọng gió U với kết công bố tác giả Ole Øiseth [77] Bảng 2.1 So sánh tần số dao động uốn riêng cầu Meiko-Nishi Tần số dao động (Hz) [20] [83] Luận án Sai số (%) 0,311 0,334 0,339 8,04 – 1,05 0,411 0,437 0,440 7,06 – 0,69 0,650 0,702 0,706 8,62 – 0,57 (a) (b) Hình 2.13 Độ võng tương đối dầm theo thời gian (a) tác giả Vera de Salvo [106], (b) chương trình COMLAF_2017 12 (a) (b) Hình 2.15 Đáp ứng chuyển vị đứng nhịp cầu Hardanger (a) tác giả Ole Øiseth [77], (b) chương trình COMLAF_2017 Từ kết so sánh trên, kết luận chương trình tính COMLAF luận án có đủ độ tin cậy để thực tính tốn cho đề tài luận án chương 2.9 Kết luận chương - Xây dựng thuật tốn PTHH chương trình tính mơi trường Matlab giải tốn phân tích động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dâycột-thanh chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động - Kiểm tra độ tin cậy chương trình tính việc giải toán với liệu điều kiện cơng trình cơng bố tác giả nước ngồi Kết cho thấy chương trình đảm bảo độ tin cậy CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN ĐÁP ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU DẦM ĐÔI-DÂY-CỘT-THANH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG VÀ LỰC KHÍ ĐỘNG 3.1 Đặt vấn đề Sử dụng chương trình tính lập chương 2, thực khảo sát số xác định đáp ứng động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dây-cột-thanh chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động 13 3.2 Bài tốn xuất phát Xét hệ liên hợp dầm đơi – dây – cột – có kích thước hình học Hình 3.1 Dầm song song, cách 6m, dầm có chiều dài tổng cộng 600m, mặt cắt ngang tương đương chữ nhật, với bề rộng tương đương b = 20m, chiều cao tương đương h = 0,8m, vật liệu có mơ đun đàn hồi Eb = 2,1.1011N/m2, hệ số Poisson b = 0,3, khối lượng riêng b = 19640kg/m Tổng cộng có 48 dây cáp, diện tích mặt cắt ngang Ac = 0,0113  0,0362 m2, điểm nối cáp dầm cách lbc = 20m, lên cột lpc = 5m, vật liệu có mơ đun đàn hồi Ec = 2,1.1011N/m2, hệ số Poisson c = 0,3, khối lượng riêng c = 0,0125  0,398 kg/m Các đàn hồi có diện tích mặt cắt ngang Atr = 0,15m2, làm từ loại vật liệu với dầm, liên kết dầm dầm theo phương đứng xiên, khoảng cách đàn hồi Str = 10m Các cột làm bê tơng có mơ đun đàn hồi Ec = 2,8.1010N/m2, hệ số Poisson c = 0,3, khối lượng riêng c = 43780kg/m3, diện tích mặt cắt ngang cột hình chữ nhật Các kích thước khác thể hình vẽ Y A 2×12 Dầm tầng 23 X  vi 24 36.0 25 47 26 48 Z C 6.0 30.0 Dầm tầng  U D E Thanh đàn hồi Cột B 120 m 360 m 120m Hình 3.1 Mơ hình tốn Thơng số tải trọng: Các khối lượng di động có m = 44000kg, hệ dao động di động gồm khối lượng m = 44000kg, lò xo đàn hồi có độ cứng ks = 9,12.106N/m phần tử cản với hệ số cản cs = 8,6.104Ns/m mắc song song Năm tải trọng di động di chuyển dọc chiều dài dầm từ phía trái kết cấu với vận tốc v0  20 m/s, tăng tốc với gia tốc a1  m/s2 đến đạt vận tốc chuyển động ổn định vmax  25 m/s chạy đều, sau giảm tốc với a  2 m/s2 , đạt vận tốc v0  20 m/s trước rời khỏi kết cấu Sau khoảng 5s tải trọng di chuyển vào kết cấu 14 Lực gió với vận tốc trung bình U  15 m / s tác dụng lên dầm theo phương Oz Các hệ số khí động H*i , A*i  i=1,2,3,4  nội suy tương ứng với vận tốc U bất kì, theo số liệu hầm thổi gió Scanlan [95] Điểm xuất kết chuyển vị: Mặt cắt dầm (điểm C) dầm (điểm D), đỉnh cột trái (điểm A) Điểm xuất kết lực: Mô men uốn chân cột trái (điểm B), lực dọc đàn hồi lực căng số dây cáp (các dây cáp có thứ tự từ trái sang phải) Bài toán dao động riêng: Giải toán dao động riêng, nhận tần số riêng dạng dao động riêng, ba tần số riêng có giá trị: f1  0,1691 Hz, f  0, 2585Hz , f3  0.4479 Hz Hình 3.3 Ba dạng dao động riêng kết cấu Bài toán dao động cưỡng bức: Giải toán ta đáp ứng độ võng, vận tốc, ứng suất hình 3.4, 3.5, 3.6, 3.7 Hình 3.4 Chuyển vị đứng C Hình 3.5 Vận tốc đứng C z M (MNm) 15 U yC (m) Hình 3.6 Gia tốc đứng C Hình 3.7 Moomen uốn chân cột trái Nhận xét: Với thông số tải trọng di động lực khí động xét, khoảng thời gian tải trọng di động di chuyển kết cấu, đáp ứng chuyển vị, vận tốc, gia tốc lực điểm khảo sát có thay đổi đáng kể Khi tải trọng di động chưa di chuyển kết cấu qua điểm tính, đáp ứng động có dạng dao động tuần hồn tắt dần tác động gió Sở dĩ có tượng với giá trị vận tốc gió U vận tốc tải trọng di động khảo sát, tải trọng tác động lên kết cấu chưa đủ lớn để dẫn tới thay đổi biên độ dao động kết cấu tăng theo thời gian 3.3 Khảo sát ảnh hưởng số yếu tố đến đáp ứng động hệ dầm đôi – dây – cột – chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động 3.3.2 Ảnh hưởng khoảng cách dầm dầm Tiến hành khảo sát toán với khoảng cách thay đổi từ mét đến 11 mét Kết đáp ứng đáp ứng động kết cấu: Hình 3.20 Chuyển vị đứng C Hình 3.22 Góc xoắn C 16 Hình 3.24 Lực dọc Hình 3.26 Mơmen uốn chân cột trái Nhận xét: Khi thay đổi Ld từ 5m đến 11m, chuyển vị theo phương đứng C giảm 2,05 lần, góc xoắn mặt cắt dầm C tăng 1,65 lần, lực dọc đàn hồi dầm tăng 1,61 lần mô men uốn chân cột trái tăng 1.2 lần 3.3.4 Ảnh hưởng vật liệu nối Khảo sát tốn với mơ đun đàn hồi vật liệu biến thiên từ 1 1010 (N/m2) đến  1011 (N/m2) Kết giá trị lớn chuyển vị theo phương đứng điểm dầm dầm Hình 3.40 Quan hệ chuyển vị đứng UCy max , UDy max vật liệu Nhận xét: Khi mô đun đàn hồi vật liệu nối tăng, chuyển vị đứng điểm hai dầm giảm Mặt khác chênh lệch giá trị chuyển vị đứng điểm giảm dần Điều phản ánh chất học hệ, đồng thời thêm khẳng định độ tin cậy chương trình tính lập chương trước 17 3.3.5 Ảnh hưởng thiết bị tiêu tán lượng TMD Thiết bị TMD có khối lượng 10 (xấp xỉ 0,3% khối lượng toàn kết cấu), treo dầm (nút 61) GIA TOC DUNG THEO PHUONG Y khong TMD co TMD 0.04 0.02 -0.02 -0.04 -0.06 20 Hình 3.41 Chuyển vị đứng C 10 -3 40 60 80 100 Thoi gian (s) 140 Hình 3.42 Gia tốc đứng C LUC CANG DAY CAP SO CH VI DINH COT TRAI THEO PHUONG NGANG khong TMD co TMD khong TMD co TMD 120 13500 13000 N z (N) -2 12500 12000 -4 11500 -6 50 100 Thoi gian (s) 150 11000 20 40 60 80 Thoi gian (s) 100 120 140 Hình 3.43 Chuyển vị ngang A Hình 3.44 Lực căng dây cáp số Nhận xét: Có thể thấy TMD hiệu việc giảm dao động theo phương đứng điểm dầm, phương ngang đỉnh cột mô men uốn chân cột kết cấu chiu tác dụng đồng thời tải trọng di động lực khí động Giá trị lớn đáp ứng động kết cấu điểm không thay đổi nhiều, nhiên biên độ dao động lại giảm đáng kể Điều lắp thêm TMD làm tăng thêm hệ số cản kết cấu 3.3.6 Ảnh hưởng tải trọng di động Tính tốn hệ liên hợp chịu tác dụng tải trọng di động với dạng tải trọng khác nhau, giá trị vận tốc, khối lượng tải trọng khoảng cách tải trọng khác (vận tốc gió khơng) Kết quả: U xA (m) 18 Hình 3.48 Chuyển vị ngang A Hình 3.50 Chuyển vị đứng C Hình 3.56 Chuyển vị đứng C Hình 3.66 Lực dọc Nhận xét: Đáp ứng đại lượng khảo sát không phụ thuộc vào tốc độ di chuyển tải trọng (Hình 3.50) mà cịn phụ thuộc vào loại tải trọng (Hình 3.48), trọng lượng tải trọng (Hình 3.56) khoảng cách tải trọng (Hình 3.66) Các giá trị lớn xuất thời điểm tải trọng di chuyển qua vị trí dầm 3.3.7 Ảnh hưởng lực khí động (b) (c) (d) Rad (a) Hình 3.74 Chuyển vị điểm C với vận tốc gió khác 19 Nhận xét: Khi vận tốc gió tăng dần (khơng có tải trọng di động), đáp ứng kết cấu số vị trí quan trọng tăng theo thời gian Hình 3.74 hai dạng đáp ứng quan trọng kết cấu chịu tác dụng lực gió, gồm chuyển vị đứng (a,b,c) dao động xoắn (d) nhịp dầm Từ đồ thị xác định vận tốc tới hạn dịng khí: Uth = 60 m/s 3.3.8 Ảnh hưởng đồng thời đoàn tải trọng di động lực khí động Hình 3.79 Chuyển vị đứng C Hình 3.80 Góc xoắn mặt cắt C Hình 3.82 Mơmen uốn chân cột trái Hình 3.83 Lực căng dây cáp chủ Nhận xét: Khi vận tốc gió nhỏ, trọng lượng thân nên tốc độ di chuyển khác tải trọng di động có ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng động kết cấu Tuy nhiên, kết cấu không nhạy cảm với thay đổi vận tốc tải trọng di động trường hợp vận tốc gió lớn, đáp ứng kết cấu chi phối gió chiếm ưu 3.4 Kết luận chương - Tính tần số riêng thể dạng dao động riêng kết cấu; khảo sát ảnh hưởng số yếu tố: tải trọng, vật liệu, kích thước 20 hình học kết cấu, đến đáp ứng động lực học hệ liên hợp - Các kết tính tốn nhận xét có tác dụng định hướng việc tính tốn, lựa chọn tham số thiết kết hợp lí cho cơng trình liên hợp cầu dây văng, cổng chào, tháp truyền thơng, chịu tác dụng tải trọng khí động tải trọng di động CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU DẦM ĐÔI – DÂY – CỘT – THANH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG DI ĐỘNG 4.1 Mục đích thí nghiệm Xem xét trực quan, định hướng phản ứng động mô hình dầm đơi-dây-cột-thanh vật liệu thép tiêu chuẩn chịu nhiều khối lượng di động phương pháp thực nghiệm phịng thí nghiệm Góp phần kiểm tra mức độ phù hợp thuật tốn chương tình tính COMLAF_2017 lập chương 4.2 Địa điểm, mô hình thiết bị thí nghiệm Thí nghiệm thực mơ hình phịng thí nghiệm Sức bền vật liệu – Học viện Kỹ thuật Quân (a) (b) Hình 4.1 Mơ hình thí nghiệm Thiết bị thí nghiệm gồm nhóm: Nhóm gây tải nhóm thiết bị đo, nhóm thiết bị gây tải gồm xe bánh, động không đồng pha rơ to ngắn mạch; nhóm thiết bị đo gồm hệ thống máy đo LMS, cảm biến gia tốc PCB Piezotronic, điện trở đo biến dạng KFG-5-120-C1-11 21 4.3 Phương pháp xác định gia tốc, chuyển vị biến dạng kết cấu Để xác định đáp ứng động vị trí thuộc kết cấu, cần tiến hành gắn điện trở bề mặt kết cấu, gắn đầu đo gia tốc cố định điểm cần đo Dưới tác dụng tải trọng, đầu đo dao động theo với kết cấu Khi đó, tín hiệu đáp ứng theo thời gian từ đầu đo truyền máy tính thiết bị đo hiển thị hình Từ số liệu thu thập được, phần mềm LMS Testlab phân tích kết cho ta đáp ứng vận tốc chuyển vị theo thời gian điểm đo, theo phương đo Hình 4.6 Quy trình gắn điện trở đo biến dạng 4.4 Phân tích xử lý kết thí nghiệm Việc thu thập, tích hợp số liệu (đáp ứng gia tốc, vận tốc, chuyển vị biến dạng điểm cần đo theo thời gian) lần thí nghiệm máy tính chuyên dụng thiết bị đo LMS thực Để có kết đo trung bình, tác giả phải tiến hành đo đạc nhiều lần xử lý thống kê Theo đó, giá trị lớn trung bình cộng giá trị lớn lần đo đáp ứng theo thời gian lần đo khác 4.5 Thí nghiệm kết đạt 4.5.1 Mơ tả thí nghiệm Tại phía dầm (vị trí E gần sát cột) chân cột trái (điểm B) tiến hành gắn điện trở đo đáp ứng biến dạng (Hình 4.6) Đầu đo gia tốc gắn vị trí dầm (điểm C), dầm (điểm D) đỉnh cột trái (điểm A) Thực thí nghiệm với trường hợp khác nhau: 22 • Trường hợp 1: Một xe có khối lượng m=7kg chuyển động dọc theo tầng tầng kết cấu • Trường hợp 2: Đồn tải trọng gồm ba xe, xe có khối lượng m=2kg, chuyển động dọc theo tầng tầng kết cấu 4.5.2 Thí nghiệm kết cấu liên hợp chịu khối lượng di động Bien dang Gia toc (m/s 2) Hình 4.8 Quan sát thí nghiệm Hình 4.9 Kết liệu lần đo Kết số liệu thí nghiệm sau tác giả xử lý thống kê phần mềm Matlab so sánh với kết tính tốn chương trình COMLAF_2017 lập Hình 4.10 Gia tốc ngang A Hình 4.11 Biến dạng dọc E Bảng 4.2 Giá trị đáp ứng lớn kết cấu liên hợp (Trường hợp hệ chịu khối lượng di động) Đầu đo Lý thuyết Thực nghiệm Sai số [%] A (m/s ) 3,75 3,24 15,7 Gia tốc C (m/s2) 12,12 10,97 10,5 D (m/s ) 12,50 10,58 15,2 -7 -7 B 1,42.10 1,28.10 10,9 Biến -5 -5 dạng E 1,50.10 1,28.10 17,2 23 4.5.3 Thí nghiệm hệ liên hợp chịu tác dụng đồn tải trọng di động 10 -7 Ly thuyet Thuc nghiem 1.8 1.6 1.4 1.2 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 t/T Hình 4.13 Gia tốc đứng C Hình 4.14 Biến dạng dọc B Bảng 4.3 Giá trị đáp ứng lớn kết cấu (Trường hợp hệ chịu tác dụng đoàn tải trọng di động) Đầu đo Lý thuyết Thực nghiệm Sai số [%] A (m/s2) 4,34 3,65 18,9 Gia tốc C (m/s2) 13,86 12,75 8,7 D (m/s2) 14,32 12,95 10,6 B 1,79.10-7 1,52.10-7 17,8 Biến dạng E 1,47.10-5 1,23.10-5 19,9 Nhận xét: Đáp ứng gia tốc biến dạng theo thời gian điểm đo thí nghiệm lí thuyết phù hợp mặt quy luật Sai số với tốn đồn tải trọng di động lớn trường hợp tải trọng di động tác dụng lên kết cấu, nhiên giá trị lớn ứng với hai phương pháp nhỏ 20%, theo tác giả giá trị sai số chấp nhận 4.6 Kết luận chương - Kết thực nghiệm tính tốn lý thuyết chương trình tính COMLAF_2017 mơ hình thực nghiệm tương tự đồng dạng quy luật, sai số phạm vi chấp nhận được, điều cho phép góp phần khẳng định độ tin cậy chương trình tính COMLAF_2017 - Bộ số liệu thí nghiệm làm phong phú, bổ sung thêm tài liệu nghiên cứu đáp ứng động kết cấu liên hợp mô cầu dây văng chịu tác dụng tải trọng di động 24 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Những đóng góp luận án Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn xây dựng phương trình thuật tốn xác định phản ứng động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dâycột-thanh chịu tác dụng tải trọng di động lực khí động Xây dựng chương trình tính COMLAF_2017 mơi trường Matlab, làm cơng cụ phân tích động lực học tuyến tính hệ liên hợp chịu tải trọng di động, lực khí động đồng thời hai tải trọng Chương trình tính kiểm chứng cho thấy bảo đảm độ tin cậy Khảo sát số phong phú nhiều thí dụ sát với thực tế, với thay đổi thông số tải trọng, vật liệu, kích thước hình học, có khơng có thiết bị TMD, để nghiên cứu ảnh hưởng yếu tố đến thơng số động lực học hệ Các nhận xét có ý nghĩa khoa học thực tiễn Thiết kế mô hình dầm đơi – dây – cột – vật liệu thép tiêu chuẩn Thực thí nghiệm mơ hình phịng với hệ liên hợp chịu tải trọng di động, có số liệu đáp ứng động hệ Nhận xét kiến nghị Luận án giải toán kết cấu dầm đôi – dây – cột – chịu tác dụng đồng thời tải trọng di động lực khí động Đây sở khoa học cho nghiên cứu hệ liên hợp phức tạp khác – dây – cột, vỏ - dây – cột, chịu tác dụng đồng thời nhiều dạng tải trọng: lực khí động, tải trọng di động, tải trọng động đất, tải trọng sóng xung kích, Tương tác qua lại kết cấu với tải trọng di động lực khí động có ảnh hưởng lớn đến đáp ứng động hệ, đặc biệt trường hợp vận tốc dạng tải trọng lớn Vì vậy, với kết cấu liên hợp cụ thể cần xác định giá trị vận tốc tới hạn để khuyến cáo trình thiết kế, xây dựng sử dụng Những nhận xét rút từ luận án giúp cho người thiết kế có sở để lựa chọn hợp lí chi tiết vật liệu kết cấu 25 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Lê Xuân Thùy, Nguyễn Văn Đăng, Lê Hoàng Anh (2012), “Phân tích động lực hệ liên hợp dầm đôi-dây-cột-thanh chịu tác dụng tải trọng di động”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật số 147 – Học viện KTQS, tr 128-137 Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Thị Cẩm Nhung (2014), “Nghiên cứu ảnh hưởng số yếu tố đến phản ứng động hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột chịu tác dụng tải trọng di động”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, ISBN 978-604-913-235-3, tr.73-82 Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Vũ Anh Tuấn (2015), “Phân tích động lực học hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột chịu tác dụng lực khí động”, Tuyển tập cơng trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc, tập 2, NXB Đà Nẵng, ISBN: 978-604-84-1273-9, tr51-61 Nguyễn Thị Cẩm Nhung (2015), “Nghiên cứu lựa chọn thông số hợp lý TMD nhằm giảm dao động hệ liên hợp chịu tác dụng tải trọng di động”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật, số 164, tr.111-120 Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thị Cẩm Nhung (2016), “Phân tích động lực học hệ liên hợp dầm đôi-dây-cột-thanh chịu tác dụng hệ dao động di động lực khí động”, Tạp chí Khoa học Kĩ thuật, số 179, tr255-260 Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Thị Cẩm Nhung (2017), “Nghiên cứu dao động hệ liên hợp dầm đôi – dây – cột – chịu tác dụng nhiều tải trọng di động”, Tạp chí Xây Dựng 9-2017, ISSN 0866-0762, tr.73-76 Nguyen Thi Cam Nhung, Hoang Xuan Luong, Nguyen Thai Chung and Bui Manh Cuong (2017), “Numerical and experimental study on the dynamic response of the double beams-cables-columns system subjected to moving loads”, The Tenth Nationnal Conference on Mechanics (accepted) Nguyễn Thái Chung, Nguyễn Thị Cẩm Nhung, Lê Xuân Thùy (2017), “Phân tích động lực học hệ liên hợp dầm cong – dây – chịu tác dụng tải trọng di động”, Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ 10 (chấp nhận đăng) Nguyen Thi Cam Nhung, Nguyen Thai Chung and Hoang Xuan Luong (2017), “Modeling of a beam-cable structure with a two node catenary cable element for analysis of aerodynamic vibrations”, The Tenth Nationnal Conference on Mechanics (accepted)