Xác định đặc trưng động lực học công trình cầu bằng phương pháp dao động ngẫu nhiên

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THANH KHẢI XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HUỲNH THANH KHẢI XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG TRỌNG LÂM Đà Nẵng – Năm 2019 i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, cho phép tơi bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng nói chung quý Thầy Cơ Khoa Xây dựng Cầu Đường nói riêng Cảm ơn Thầy Cơ tận tình dạy dỗ bảo suốt năm học vừa qua Tôi xin bày tỏ kính trọng biết ơn sâu sắc đến Thầy giáo hướng dẫn Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm – người định hướng, giúp đỡ tận tình tơi suốt thời gian hồn thành luận văn tốt nghiệp Trong trình thực hiện, nhiều nguyên nhân khác nên thiếu sót điều khó tránh khỏi Tơi mong nhận đóng góp ý kiến quý Thầy Cô để đề tài hồn thiện để tơi vững vàng tiếp xúc với công việc sau Lời cuối cùng, tơi xin kính chúc q Thầy Cơ ln mạnh khỏe ii LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Huỳnh Thanh Khải iii XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN Học viên:Huỳnh Thanh Khải Chun ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình Giao thơng Mã số: 85.80.205 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) nhằm cung cấp liệu định lượng đáng tin cậy điều kiện thực tế cầu qua việc quan sát thay đổi phát xuống cấp Trong SHM, tham số dao động (bao gồm tần số tự nhiên, dạng dao động hệ số cản) đóng vai trị quan trọng việc phân tích ứng xử động kết cấu Một vài phương pháp sẵn có để xác định đặc trưng dao động dựa vào chuyển động kể đến là: phương pháp biến đổi Fourier (FT) [4], phương pháp hàm phản ứng tần số (FRF) [11] phương pháp phân tích đỉnh (PPM) [12] Luận văn tập trung nghiên cứu ứng dụng Kỹ thuật kích thích tự nhiên (NExT)[5] kết hợp với Thuật tốn phân tích theo gí trị riêng Eigensystem (NExT-ERA) việc xác định dao động Phương pháp NExT dựa việc lấy tương quan chéo (cross-correlation) kết dao động điểm đo tác dụng ngẫu nhiên Hàm tương quan hai kết dao động tạo dao động ngẫu nhiên kết cấu chứng minh giống hàm xung (impulse response) hay dao động tự (free response) Từ sử dụng kết đầu vào thuật tốn phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization Algorithm-ERA) [9] Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu; Kỹ thuật dao động tự nhiên; phân tích dao động theo giá trị riêng THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS OF BRIDGE STRUCTURES USING NATURAL EXCITATION TECHNIQUE Abstract -Structural health monitoring (SHM) aims to provide quantitative and reliable data on the real conditions of a bridge observe its evolution and detect the appearance of degradations In structural health monitoring, the dynamic parameters (including natural frequencies, mode shapes and damping properties) play an important role in the understanding of the dynamic behavior of structures Several methodologies are available to determine modal characteristics based on vibration such as Fourier transform (FT) [4], Frequency Response Function (FRF) [11] and Peak Picking Method (PPM) [12] This study focuses on the using of the Natural Excitation Technique (NexT) [5] in combination with Eigen Realization Algorithm (ERA) for modal identification Natural Excitation Technique (NexT) based on the taking of cross-correlation between the results at the measuring points it works with ambient vibration The cross-correlation function between the two ambient vibrations is generated together with a random vibration of the structure which is demonstrated as an impulse response or a natural oscillation From there use it as the input of Eigen Realization Algorithm-ERA [9] Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal parameter; Natural Excitation Technique (NexT); Eigen Realization Algorithm (ERA) iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC .iv CÁC TỪ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii DANH MỤC CÁC BẢNG………………………………………………………….viii MỞ ĐẦU ix Cơ sở thực tiễn đề tài Mục đích nghiên cứu Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 4 Phương pháp nghiên cứu 5 Bố cục luận văn CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE KẾT CẤU CƠNG TRÌNH CẦU 1.1 Hệ thống quan trắc kết cấu cầu 1.1.1 Khái niệm hệ thống quan trắc cầu: 1.1.2 Chức hệ thống quan trắc kết cấu cầu: 1.1.3 Các cấp độ quan trắc 11 1.2 Tổng quan số hệ thống quan trắc sức khỏe 14 1.2.1 Giới thiệu thành phần hệ thống quan trắc 14 1.2.2 Các cảm biến 17 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN 21 2.1 Tổng quan số phương pháp dùng để mô hình hóa tốn động lực học 21 2.1.1 Phương pháp khối lượng tập trung 21 2.1.2 Phương pháp chuyển vị tổng quát (phương pháp Rayleigh-Ritz) 21 2.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 22 2.2 Một số phương pháp xác định thông số động lực học sử dụng quan trắc sức khỏe cầu 23 2.2.1 Phương pháp biến đổi Fourier (FT) 24 v 2.2.2 Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency Response Function) 25 2.2.3 Phương pháp phân tích đỉnh (Pick Peaking Method) 26 2.2.4 Xác định thông số dao động kết cấu phương pháp dao động ngẫu nhiên 27 2.2.5 Thuật tốn phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization AlgorithmERA) 31 2.3 Xây dựng thuật tốn ngơn ngữ Matlab 33 2.3.1 Giới thiệu ngơn ngữ lập trình Matlab 33 2.3.2 Code thuật toán NExT-ERA 36 CHƯƠNG ĐO ĐẠT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH CƠNG TRÌNH CẦU 44 3.1 Thực thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu mơ hình cầu thực tế 44 3.1.1 Tổng quan Cầu Thuận Phước – Đà Nẵng 44 3.1.2 Sơ đồ bố trí cảm biến 45 3.1.3 Quy trình đo 46 3.1.4 Kết đo: Sau lưu tệp định dạng xlsx 46 3.2 Ứng dụng chương trình phân tích kết 46 3.2.1 Kết từ cầu Thuận Phước 46 3.2.2 Kết từ cầu Yokohama, Nhật Bản 51 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) vi CÁC TỪ VIẾT TẮT ERA FT : Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng) : Fourier transform (Biến đổi Fourier) FRF NEXT PPM : Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số) : Natural Excitation Technique (Kỹ thuật dao động tự nhiên) : Peak Picking Method (Phân tích đỉnh) SHM : Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu) vii DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu Tên hình hình Trang 1.1 Hệ thơng quan trắc cầu Thuận Phước 1.2 Mơ hình hệ thống quan trắc cầu 1.3 Sơ đồ cấp độ hệ thống quan trắc 13 1.4 Sơ đồ hệ thống quan trắc 14 1.5 Sơ đồ hệ thống quan trắc 16 1.6 Lắp đặt cảm biến 17 1.7 Hệ tọa độ bố trí cảm biến 18 2.1 Mơ hình khối lượng tập trung 21 2.2 Mơ hình phần tử hữu hạn 22 2.3 Biến đổi Fourier 25 2.4 2.5 Biểu đồ quan hệ tần số độ lớn dựa vào phương pháp Frequency Response Function Phương pháp tính hệ số cản từ Biểu đồ quan hệ tần số độ lớn 26 26 2.6 Phần mềm Matlab 34 2.7 Giao diện làm việc phần mềm Matlab 35 2.8 Sơ đồ khối thuật toán Next - Era 36 3.1 Cầu Thuận Phước 45 3.2 Sơ đồ bố trí đo 46 3.3 Sơ đồ thuật tốn NExT-ERA 47 3.4 3.5a 3.5b Biểu đồ biến thiên gia tốc theo thời gian sensor số 1(trường hợp sử dụng xe tải kích thích) Biểu đồ biến thiên gia tốc theo thời gian giai đoạn dao động tự Biến đổi tương quan chéo dao động ngẫu nhiên thu dao động tự 47 48 48 3.6 Xây dựng ma trận Hankel 49 3.7 Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit 50 3.8 Xác định số bậc hệ thống 50 3.9 Cầu cổng trường YNU 52 viii Số hiệu hình Tên hình Trang 3.10 Cảm biến (Wireless sensor) 52 3.11 Bố trí sensor mặt cầu lề hành 53 3.12 Hình dạng mode dao động, tần số tự nhiên hệ số cản 53 50 - Biểu đồ giá trị riêng: Hình 3.7: Biểu đồ giá trị riêng theo ham logarit Hình 3.8 Xác định số bậc hệ thống 51 Giá trị 10 mode thu thập được: Tần số STT Hệ số cản Mode Shape Phần thực Phần ảo 0,875505 0,186557 0,002932 0,006153 1,500538 0,036550 -0,003124 -0,011973 2,679278 0,007367 -0,000119 0,010555 3,489576 0,000958 0,008219 0,002637 3,771822 0,065505 0,012116 0,008815 5,059765 0,029440 0,009883 0,002371 5,530408 0,031962 0,004917 -0,017577 6,45797 0,002443 0,005123 0,000911 8,58245 0,003313 -0,000567 0,003946 10 9,895445 0,009299 -0,001319 0,008949 Bảng 3.2 Giá trị mode Trong số trường hợp cần phải áp dụng kỹ thuật khác phức tạp để loại nhiễu xác định hạng ma trận ví dụ stabilization diagram Sau thực bước phân tích chương 2, thu đặc trưng động học kết cấu tần số, hệ số cản dạng dao động 3.2.2 Kết từ cầu Yokohama, Nhật Bản Đối với công trình cầu Thuận Phước số lượng sensor bố trí có sensor cho mặt cắt nên dạng dao động rõ ràng học viên có sử dụng thêm số liệu đo cơng tình cầu hộp thép giáo viên hướng dẫn cung cấp áp dụng thuật toán để phân tích: Số liệu dao động cơng trình cầu thu thập từ cơng trình cầu dầm hộp nằm trước cổng trường quốc gia Yokohama, Nhật Bản [14] 52 Hình 3.9 Cầu cổng trường YNU High accuracy type Sensor M-A Noise 0.5 Range ±5G Sampling rate ~ kHz Hình 3.10 Cảm biến (Wireless sensor) Nhịp cầu cấu tạo dầm hộp thép chiều dài nhịp 51m (hình 3.1) Sử dụng loại wireless sensor (hình 3.2) bố trí bên lề hành với khoảng cách 8.5m (hình 3.3) Dưới tác dụng tải trọng gió tự nhiên, phản ứng gia tốc kết cấu nhịp thu sensor hình 3.4 53 S1 S2 S3 S4 S5 S10 S9 S8 S7 S6 Hình 3.11 Bố trí sensor mặt cầu lề hành 50 G2 G1 G2 G1 0 a Mode 1, f=2.49Hz, =1.91% G2 G1 50 c Mode 3, f=6.48Hz, =4.65% b Mode 2, f=4.92Hz, =1.18% G2 G1 50 50 d Mode 4, f=9.04Hz, =3.31% Hình 3.12 Hình dạng mode dao động, tần số tự nhiên hệ số cản Kết thu từ chương trình với mode thể đầy đủ thông số động học kết cấu: tần số, hệ số cản dạng dao động hình 54 Kết luận chương - Trong chương 3, luận văn thực nội dung sau: + Sử lý số liệu nhận từ cảm biến để cung cấp liệu đầu vào cho chương trình + Ứng dụng chương trình để xác định thơng số dao động cầu Bằng cách sử dụng kỹ thuật dao động ngẫu nhiên kết hợp phương pháp phân tích theo giá trị riêng, ta thu thơng số động lực học cầu (tần số, hệ số cản, hình dạng mode dao động), từ đánh giá trạng thái kỹ thuật cầu 55 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ Kết luận Đề tài trình bày kỹ thuật xác định thông số dao động kết cấu tác dụng lực kích thích ngẫu nhiên Bước quan trọng thuật toán biến đổi dao động ngẫu nhiên dao động tự hàm tương quan chéo hai dao động ngẫu nhiên, sau áp dụng thuật tốn ERA Phương pháp phân tích đặc tính dao động kết cấu dựa kỹ thuật dao động ngẫu nhiên có nhiều ưu điểm khơng cản trở giao thơng, quan trắc liên tục giá thành thấp Thuật tốn áp dụng để xác định thông số động lực học cơng trình cầu sử dụng để theo dõi đánh giá hư hỏng phát sinh kết cấu, để cập nhật hiệu chỉnh cho mơ hình phần tử hữu hạn Kiến nghị Phương pháp xác định dựa kỹ thuật dao động ngẫu nhiên áp dụng hiệu cơng trình cầu nhịp lớn cầu có độ mãnh lớn Đối với cơng trình cầu nhịp nhỏ hay độ cứng lớn, kết cấu dao động với biên độ nhỏ nên khó để phân tách phần nhiễu liệu đo Trong trường hợp sử dụng thuật tốn ERA để phân tích với dạng dao động tự TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] 22TCN 243-98 “quy trình kiểm định cầu đường ô tô”, Bộ giao thông vận tải [2] Lê Văn Q, Lều Thọ Trình (1979), Động lực học cơng trình, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp, Hà Nội [3] Nguyễn Viết Trung (2011), Cơ sở quan trắc cơng trình cầu thi cơng khai thác, Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội Tiếng Anh [4] Charles Van Loan (1992), Computational Frameworks for the Fast Fourier Transform, SIAM [5] Farrar CR, James III GH (1997), “System identification from ambient vibration measurements on a bridge”, Journal of Sound and Vibration;205(1):1–18 [6] Helmut Wenzel (2009), Health Monitoring of Bridges [7] Ibrahim SR (1997), Random decrement technique for modal identification of Structures, The AIAA Journal of Spacecraft and Rockets;14(11) [8] Ibrahim SR, Mikulcik EC (1977), A method for direct identification of vibration parameters from the free response, The Shock and Vibration Bulletin;47(4):183–98 [9] Juang JN, Pappa RS (1985), An eigensystem realization algorithm for modal parameter identification and model reduction., Journal of Guidance,nControl, and Dynamics;8(5):620–7 [10] Siringoringo D.M., and Fujino Y (2008), “System identification of suspension bridge from ambient vibration response”, J Eng Struct., (30), 462-477 [11] William Bolton (2015), Frequency Response, Instrumentation and Control Systems (Second Edition) [12] Yin H P., Denis Duhamel, Pierre Argoul (2004), Natural frequencies and damping estimation using wavelet transform of a frequency response function, Journal of Sound and Vibration [13] H T Lam, H Katsuchi and H Yamada, “Stochastic identification of flutter derivatives of long span bridge deck by gust response”, Journal of Structural Engineering, Vol 63A (2017), 421-429 [14] Data obtained from the sensors on Thuan Phuoc Bridge and Yokohama Bridge were provided by H T Lam ... CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN 21 2.1 Tổng quan số phương pháp dùng để mơ hình hóa toán động lực học 21 2.1.1 Phương. .. cản phương pháp 21 CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƯƠNG PHÁP DAO ĐỘNG NGẪU NHIÊN 2.1 Tổng quan số phương pháp dùng để mơ hình hóa tốn động. .. nghiên cứu: dao động kết cấu nhịp cơng trình cầu tác dụng dao động ngẫu nhiên Phạm vi nghiên cứu: Xây dựng chương trình xác định thơng số dao động kết cấu cầu phương pháp dao động ngẫu nhiên, thực