Dự đoán lực căng còn lại của dầm cầu khe bó tại km 37+819 79, trên tuyến la sơn – nam đông, tỉnh thừa thiên huế bằng đo đạc tần số dao động và mô hình số

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo HỒ ĐẮC LỘC DỰ ĐỐN LỰC CĂNG CỊN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH SỐ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THƠNG Đà Nẵng, 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA oOo HỒ ĐẮC LỘC DỰ ĐỐN LỰC CĂNG CỊN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH SỐ Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 85 80 205 LUẬN VĂN THẠC SĨ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: TS CAO VĂN LÂM Đà Nẵng, 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp thực hướng dẫn Tiến sĩ Cao Văn Lâm đề tài làm mới, không chép hay trùng với đề tài thực hiện, sử dụng tài liệu tham khảo nêu báo cáo Các số liệu, kết nêu đề tài trung thực chưa công bố cơng trình khác Nếu sai, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả luận văn Hồ Đắc Lộc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TRANG TÓM TẮT DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Đối tượng nghiên cứu 3 Mục tiêu nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Kết cấu luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ CÔNG TÁC ĐÁNH GIÁ NĂNG LỰC CHỊU TẢI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 1.1 Tởng quan cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế 1.2 Tổng quan biện pháp đánh giá lực chịu tải cầu 14 1.3 Tổng quan phương pháp dự đốn lực căng cịn lại kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 17 1.4 Những khó khăn q trình dự đốn lực căng cịn lại kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực 21 1.5 Kết luận chương 22 CHƯƠNG KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA LỰC CĂNG CÁP TRONG DẦM ĐẾN TẦN SỐ DAO ĐỘNG CỦA CẦU BẰNG PHẦN MỀM ABAQUS 23 2.1 Giới thiệu phần mềm ABAQUS ứng dụng 23 2.2 Mơ hình hóa cầu phần mềm ABAQUS 26 2.3 Xác định sơ lực căng lại dầm cầu Khe Bó 42 2.4 Khảo sát ảnh hưởng lực căng cáp dầm đến tần số dao động cầu 48 2.5 Đánh giá kết 49 2.6 Kết luận chương 49 CHƯƠNG DỰ ĐỐN LỰC CĂNG CỊN LẠI CỦA CẦU THƠNG QUA THỰC NGHIỆM 50 3.1 Cơ sở lý thuyết để dự đoán lực căng cáp dự ứng lực dầm 50 3.2 Thực nghiệm đo đạc tần số dao động cầu 54 3.3 So sánh tần số dao động thông qua thực nghiệm mô hình hố 73 3.4 Khảo sát thay đổi tần số dao động dầm lực căng 73 3.5 Xác định lực căng lại dầm 75 3.6 Kết luận chương 78 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DỰ ĐOÁN LỰC CĂNG CỊN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BĨ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH SỐ Học viên: Hồ Đắc Lộc Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 85 80 205 Khóa: K36-XGT Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN Tóm tắt – Hệ thống giao thơng đường nước ta có số lượng cầu yếu cần phải nâng cấp, cải tạo lớn, cầu BTCT DƯL chiếm tỉ lệ lớn Để giải tốn khơi phục, giữ vững trạng thái kỹ thuật nâng cao khả phục vụ kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực việc xác định lực căng cịn lại dầm cầu sau nhiều năm khai thác sử dụng cần thiết Việc xác định xác lực căng cịn lại dầm tốn khó khăn Sự suy giảm thơng số động học cầu có tần số dao động hệ tất yếu suy giảm lực căng cáp dầm Do đó, luận văn dự đốn lực căng cịn lại dầm cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế thông qua tần số dao động phương pháp đồng thực nghiệm mơ hình số phần mềm ABAQUS Luận văn so sánh với phương pháp xác định lực căng lại, kết cho thấy phương pháp cho giá trị xác sở để dự đốn sức khỏe cầu Từ khóa – Lực căng lại; tần số dao động; phần mềm Abaqus; dự đoán sức khỏe cầu; kiểm định cầu PREDICTABLE PRE-STRESSED REMAIN OF KHE BO BRIDGE KM37+819.79 HIGHWAY LA SON – NAM ĐONG, THUA THIEN HUE PROVINCE MEASUREMENT OF FREQUENCY AND FEM SOFTWARE Abstract - Our country's road transport system currently has a large number of weak bridges that need to be upgraded and renovated, of which the bridge for concrete reinforcement is relatively large To solve the problem of restoring, maintaining the technical state and improving the service capacity for prestressed reinforced concrete structures, the determination of the remaining tension in the girder beams after years of exploitation and use Use is essential Determining exactly the remaining tension in the beam is a very difficult problem The decrease in the kinematic parameters of bridges including the oscillation frequency is an inevitable consequence of the reduction of cable tension in beams Therefore, the thesis predicts the remaining tension of Khe Bo bridge at Km37 + 819.79, Nam Dong district, Thua Thien Hue province through the frequency of the knife By applying the homogeneous method between experiment and numerical model using ABAQUS software The thesis also compares with other methods of determining the remaining tension, the results show that this method gives an accurate value and is the basis for predicting the health of the demand Keywords: Pre-stressed remain; oscillation frequency; Abaqus software; predict demand health; Testing the bridge DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AASHTO AASHTO LRFD ACI BT BTCT DƯL GTVT QL TTGH TCVN TCN :American Association of State Highway and Transportation Officials : American Association of State Hightway and Transportion Officials Load and Resistance Factor Design : American Concrete Insitute : Bê tông : Bê tông cốt thép : Dự ứng lực : Giao thông vận tải : Quốc lộ : Trạng thái giới hạn : Tiêu chuẩn Việt Nam : Tiêu chuẩn ngành DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu Tên bảng bảng Trang 2.1 Tải trọng cáp DUL 34 2.2 Bảng tổng hợp kết phân tích tần số dao động Mode 42 3.1 Thơng số kích thước tải trọng xe thử nghiệm 58 3.2 Kết tần số chu kỳ dao động 73 3.3 Bảng tổng hợp kết tần số dao động mơ hình số thực nghiệm 73 3.4 Bảng ảnh hưởng lực căng cáp dầm đến tần số dao động cầu 74 mơ hình số 3.5 Bảng tởng hợp giá trị lực căng điều chỉnh tương ứng với tần số dao động đo thực tế 76 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Số hiệu hình 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 1.20 1.21 1.22 1.23 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 Tên hình Trang Tính cấp thiết đề tài Hiện trạng cầu “oằn mình” xe q tải Cầu Khe Bó – Km 37+819,79 Hiện trạng cầu Khe Bó – Km 37+819,79 Bố trí chung cầu Khe Bó - Km 37+819.79 Kết cấu thượng cầu Khe Bó - Km 37+819.79 Cắt ngang dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 Mặt cắt dọc dầm T24m Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 Mặt cắt ngang trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 Mặt cắt ngang trụ cầu Cầu Khe Bó - Km 37+819.79 Các dạng vết nứt kết cấu nhịp cầu Nứt vỡ bê tông bên thớt gối Bê tông rổ tổ ong, rỉ cốt thép, nứt vỡ Lan can tay vịn Hiện trạng mặt cầu Khe co giãn Dầm cầu Đá kê gối Ụ chống xô Mố cầu Trụ cầu Trình tự đánh giá tải trọng hợp pháp Mơ hình dầm tác dụng vật thể di động So sánh độ chuyển vị trực tiếp đề xuất tính tốn theo ACI Notes Một phần tử PCB với cáp DƯL Giao diện phần mềm Abaqus 6.14 Bộ Mođun phân tích phần tử hữu hạn ABAQUS Ký hiệu hệ trục toạ độ thành phần ứng suất Cắt ngang cầu Kích thước dầm T Mặt cắt dọc dầm T24m Kích thước xe thử tải 4 6 7 10 10 11 12 12 12 13 13 13 13 14 16 17 19 20 24 25 25 26 26 26 27 Số hiệu hình 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 2.26 2.27 2.28 2.29 2.30 2.31 2.32 2.33 2.34 2.35 2.36 2.37 2.38 2.39 2.40 2.41 2.42 Tên hình Trang Khai báo mặt cắt dầm T Dầm T24 sau xây dựng xong Khai báo mặt cắt dầm T Dầm ngang sau xây dựng xong Khai báo mặt cắt mặt cầu Bản mặt cầu sau xây dựng xong Khai báo mặt cắt cáp dự ứng lực Cáp DUL sau xây dựng xong Định nghĩa vật liệu bê tông Định nghĩa vật liệu cáp dự ứng lực Định nghĩa thuộc tính mặt cắt Định nghĩa lắp ghép cấu kiện Định nghĩa lắp ghép cáp DUL Chia cấu kiện Thiết lập bước phân tích dao động Định nghĩa ràng buộc cáp DUL bê tông Định nghĩa ràng buộc BMC dầm T Định nghĩa ràng buộc dầm ngang dầm T Gán tải trọng cáp DUL Mơ hình xây dựng tải trọng di động với vận tốc V (Zanjanizadeh 2009) Quan hệ thời gian tải trọng chuỗi nút (Zanjanizadeh 2009) Khai báo vận tốc xe chạy qua quan hệ thời gian Gán tải trọng xe Xây dựng điều kiện biên Tạo mạng lưới hệ dầm (mesh) Tạo mạng lưới cáp DUL (mesh) Cơng tác phân tích Tở hợp tần số dao động Mode Dao động mode Dao động mode Dao động mode Dao động mode Dao động mode Phổ tần số dao động V=20Km/h – Dầm (L/2) Phổ tần số dao động V=20Km/h – Dầm biên (L/2) 28 28 28 29 29 29 30 30 30 31 31 31 32 32 32 33 33 34 34 35 35 35 36 36 36 37 37 37 38 38 38 39 39 39 40 74 căng cáp dầm đến tần số dao động Abaqus theo biên độ (0-10%) bảng thống kê đây: Bảng 3.4 Bảng ảnh hưởng lực căng cáp dầm đến tần số dao động cầu mô hình số Lực căng bó cáp (KN) Tần số dao động tính theo Abaqus (Hz) Ptk -10% 819 Ptk -7% 846.3 Ptk -5% 864.5 Ptk -3% 882.7 Ptk 910 4,2830 4,3302 4,4404 4,5205 4,5819 Hình 3.44 Khảo sát thay đổi tần số dao động Nhận xét: - Dựa vào biểu đồ khảo sát thay đổi tần số dao động, ta thấy lực căng lại bó cáp nằm khoảng 820KN – 840 KN (Tức khoảng Ptk – 10% đến Ptk -7%) Hình 3.45 Dao động mode ứng với lực căng Ptk-10% 75 Hình 3.46 Dao động mode ứng với lực căng Ptk-5% 3.5 Xác định lực căng lại dầm Ptk Ptk Ptk Ptk Ptk -7% -5% -3% Lực căng bó cáp (KN) -10% 819 846.3 864.5 882.7 910 Tần số dao động 8.308 8.445 8.535 8.625 8.757 tính theo Lý thuyết (Hz) Tần số dao động 4.283 4.3302 4.4404 4.5205 4.5819 tính theo Abaqus (Hz) Tần số dao động 4.2969 4.2969 4.2969 4.2969 4.2969 tính theo thực nghiệm (Hz) 76 Nhận xét: - Giữa lý thuyết tính theo Cơng thức mục 1.3.2 so với thực nghiệm có chênh lệch tương đối lớn từ 93,35% đến 103,79% Sự sai khác giải thích sau: cơng thức tính mục 1.3.2 xét tốn dầm giản đơn, cịn tốn thực nghiệm hệ gồm dầm liên kết với Tuy nhiên, qua công thức mục 1.3.2 ta thấy ảnh hưởng lực căng cáp đến tần số dao động riêng - Giữa mơ hình số (Abaqus) so với thực nghiệm có chênh lệch từ -0,32% đến 6,63% nhỏ cho thấy tương đồng mơ hình số kết thực nghiệm Xác định lực căng lại: Để xác định lực căng lại, tác giả tiến hành đồng biểu đồ thực nghiệm mơ hình số Abaqus với tần số dao động 4,2969 (Hz) ta lực căng bó cáp tương ứng 828.09 (KN) Tác giả tiến hành điều chỉnh lực căng mơ hình số Abquas kết sau: Bảng 3.5 Bảng tổng hợp giá trị lực căng điều chỉnh tương ứng với tần số dao động đo thực tế Lực căng bó cáp (KN) Tần số dao động theo mơ hình số (Hz) Tần số dao động theo thực nghiệm (hz) 828.09 4,2963 4,2969 Chênh lệch tần số dao động (%) 0,06 Kết phân tích ABAQUS sau điều chỉnh lực căng: Hình 3.47 Dao động mode ứng với lực căng Ptk-9% Hệ số triết giảm lực căng (%) 90,99 77 Hình 3.48 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm (L/2) ứng với lực căng Ptk-9% Hình 3.49 Phổ tần số dao động V=50Km/h – Dầm biên (L/2) ứng với lực căng Ptk-9% So sánh kết dự đốn lực căng cịn lại phương pháp: Phương pháp Đo chuyển vị mơ hình số Đo tần số dao động mơ hình số Lực căng lại (%) 89,85 90,99 78 Nhận xét: Qua biểu đồ so sánh kết dự đoán lực căng cịn lại dầm cầu Khe Bó, ta thấy phương pháp dự đốn lực căng cịn lại đo tần số dao động – mơ hình số đo chuyển vị - mơ hình số cho kết tương đối gần có độ chênh lệch khoảng 1,14% Điều cho thấy xác kết thực nghiệm phương pháp luận nghiên cứu Phương pháp dự đốn cách đo dao động mơ hình số cho kết lực căng lại dầm tần số dao động riêng dầm tần số dao động riêng kết cấu nhịp Ưu điểm phương pháp phù hợp với điều kiện làm việc kết cấu 3.6 Kết luận chương - Trong chương tiến hành khảo sát thu thập số liệu dao động kết cấu nhịp cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đơng, tỉnh Thừa Thiên Huế để phân tích tần số dao động tự kết cấu nhịp cầu - Luận văn thực toán thực nghiệm đo đạc tần số dao động trường; với kết phân tích mơ hình để dự báo lực căng cịn lại cáp dầm BTCT DUL cấu Khe Bó - Dự đốn giá trị lực căng cịn lại dầm cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đơng, tỉnh Thừa Thiên Huế theo phương pháp đo đạc tần số dao động mơ hình số 90.99% 79 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn “Dự đốn lực căng cịn lại dầm cầu Khe Bó Km 37+819.79, tuyến La Sơn – Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế đo đạc tần số dao động mơ hình số” đạt kết sau: - Phân tích đánh giá trạng cầu Khe Bó - Nghiên cứu lý thuyết thấy ảnh hưởng lực căng đến tần số dao động kết cấu nhịp cầu - Đo đạc thực nghiệm tần số dao động cầu Khe Bó - Dự đốn lực căng cịn lại dầm cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đơng, tỉnh Thừa Thiên Huế đo đạc tần số dao động mô hình số Kết lực căng cịn lại 90.99% - So sánh phương pháp dự đốn lực căng cịn lại thông qua đo tần số dao động – mô hình số đo chuyển vị - mơ hình số Kết ta thấy phương pháp dự đoán lực căng cịn lại đo tần số dao động – mơ hình số đo chuyển vị - mơ hình số cho kết tương đối gần có độ chênh lệch khoảng 1,14% Điều cho thấy xác kết thực nghiệm phương pháp luận nghiên cứu Kiến nghị Xác định lực căng lại dầm cầu sau thời gian khai thác quan trọng, sở quan trọng để xác định lực chịu tải cầu để nâng cấp cầu Ngoài việc dự đốn lực căng thơng số quan trọng để nhà thầu thi công nâng cấp cầu công nghệ căng cáp dự ứng lực ngồi có cở sở để kiểm sốt ứng suất chuyển vị q trình thi cơng Trong Luận văn dự đốn lực căng lại dầm dự ứng lực cơng trình thực tế: Cầu Khe Bó Km37+819.79, huyện Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế đo đạc tần số dao động mơ hình số Kết lực căng lại 90.99%, Như vậy, cầu hoạt động khai thác tốt, cần phải có biện pháp để ngăn ngừa xe tải qua cầu để đảm bảo tuổi thọ cho cầu DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Ngọc An (2017), Đánh giá sơ sức khỏe kết cấu nhịp cầu phương pháp dao động xung kích Luận văn Thạc sỹ, Đà Nẵng [2] Hoàng Phương Hoa – Khai thác, sửa chữa, gia cố cơng trình cầu, NXB Xây Dựng [3] Cao Văn Lâm, “Nghiên cứu dự đoán lực căng lại dầm cầu bầu km1096+713 quốc lộ 1a - quảng ngãi thực nghiệm, Ths Nguyễn Hồng Vĩnh””, Tạp chí GTVT [4] Nguyễn Thị Vân Hương (015), Dao động uốn dầm ứng suất trước tác dụng vật thể di động Luận án tiến sĩ học, Hà Nội [5] 22TCN 243-98: Quy trình kiểm định cầu đường ô tô [6] 22TCN272-05: Tiêu chuẩn thiết kế cầu [7] Nguyễn Viết Trung (2008), Khai thác, kiểm định, gia cố, sửa chữa cầu cống, ĐH GTVT Tiếng Anh: [8] ACI 318M-08, Building Code Requirements for Structural Concrete [9] ABAQUS/Theory Manual ABAQUS/Theory Manual, Hibbit, Karlsson and Sorensen Inc [10] Ta-Heng Wang, Ran Huang Tz-Wei Wang, “The variation of flexural rigidity for post-tensioned prestressed concrete beams”, Journal of Marine Science and Technology, Vol 21, No 3, pp 300-308 (2013) [11] V Zanjani Zadeh - A Patnaik, “Finite element modeling of the dynamic response of a composite reinforced concrete bridge for structural health monitoring”, Int J Adv Struct Eng (2014) ... ĐẮC LỘC DỰ ĐỐN LỰC CĂNG CỊN LẠI CỦA DẦM CẦU KHE BÓ TẠI KM 37+819.79, TRÊN TUYẾN LA SƠN – NAM ĐÔNG, TỈNH THỪA THIÊN HUẾ BẰNG ĐO ĐẠC TẦN SỐ DAO ĐỘNG VÀ MƠ HÌNH SỐ Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng... tài: ? ?Dự đốn lực căng cịn lại dầm cầu Khe Bó Km 37+819.79, tuyến La Sơn – Nam Đông, tỉnh Thừa Thiên Huế đo đạc tần số dao động mơ hình số? ?? Đối tượng nghiên cứu - Cầu Khe Bó Km3 7+819.79, huyện Nam. .. TẢI CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC 1.1 Tổng quan cầu Khe Bó Km3 7+819.79, huyện Nam Đơng, tỉnh Thừa Thiên Huế Hình 1.1: Cầu Khe Bó – Km 37+819,79 Hình 1.2 Hiện trạng cầu Khe Bó – Km 37+819,79