Luận án đánh giá tổng quát theo hướng phi cấu trúc, hư hỏng được hiểu tổng quát là những thay đổi làm suy giảm khả năng chịu tải của dầm cầu. Luận án sẽ sử dụng mô hình suy giảm độ cứng chống biến dạng EJ để mô hình hóa sự suy yếu của kết cấu. Từ đó khảo sát độ nhạy của các đặc trưng đề xuất.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM BẢO TOÀN ĐẶC ĐIỂM PHỔ DAO ĐỘNG CỦA DẦM CẦU BỞI TẢI LƯU THÔNG Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số chuyên ngành: 62520101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH NĂM 2018 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn khoa học 1: GS.TS Ngô Kiều Nhi Người hướng dẫn khoa học 2: PGS.TS Lê Song Giang Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp Trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh 268 Lý Thường Kiệt, Tp Hồ Chí Minh vào lúc ngày tháng năm 2019 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp HCM - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giám sát tình trạng cầu Nhiệm vụ giám sát cầu bao gồm theo dõi lượng lưu thông, kiểm tra hư hỏng đo đạc khả chịu tải cầu Giải pháp kiểm định Các biện pháp kiểm định bao gồm kỹ thuật kiểm tra không phá hủy NDT hay kiểm tra tải tĩnh kiểm tra tải động nguồn kích thích tiền định theo quy trình có sẵn Các biện pháp có chung hạn chế tiến hành cản trở lưu thông Một hướng gần nhiều nhà khoa học quan tâm kiểm tra tải động nguồn kích thích tự nhiên kết cấu Điển hình hướng nghiên cứu xuất hệ thống theo dõi tình trạng cầu (SHM) trình khai thác Khoa học khai thác liệu dao động thành dấu hiệu để chuẩn đoán suy yếu kết cấu (chuẩn đoán suy yếu dao động VBDI) trở nên cấp thiết phát triển rầm rộ VBDI trình nhận dạng mẫu bước quan trọng tìm đặc trưng nhạy với suy yếu kết cấu 1.2 Một số đặc trưng giám sát tình trạng kết cấu Cách tìm đặc trưng suy yếu thường chọn theo hướng có cấu trúc phi cấu trúc Hướng cấu trúc sử dụng tốn học để mơ hình suy yếu thơng qua thuộc tính riêng hệ tần số riêng, giảm chấn hay hàm dạng Hạn chế hướng cấu trúc khơng mang tính khái qt, giải mơ hình cụ thể nên khó xây dựng phương pháp chuẩn đốn tổng qt Hướng phi cấu trúc dựa vào số liệu đo để xác định đặc trưng nhờ vào phân tích tín hiệu miền thời gian, miền tần số miền thời gian - tần số Ưu điểm hướng phi cấu trúc tính khả thi áp dụng vào thực tiễn cách xây dựng thuật toán tổng qt cho nhiều mơ hình thực tế • Tần số riêng có quan hệ với độ cứng kết cấu, nhiên thay đổi tần số riêng nhạy (thay đổi nhỏ) với suy yếu • Giảm chấn nhạy tần số riêng, nhiên không ổn định khó xác định xác từ số liệu đo • Hàm dạng thể vị trí tương đối điểm kết cấu dạng dao động riêng, nhiên nhạy với thay đổi mơi trường tải • Đặc trưng miền thời gian: Trích xuất đặc trưng thống kê từ tín hiệu ngẫu nhiên kết cấu Kỹ thuật xác định sử dụng để xác định khác biệt tình trạng kết cấu khảo sát với mơ hình chuẩn Sự sai biệt xuất đại diện cho dấu hiệu suy yếu • Đặc trưng miền tần số: Sử dụng phân tích phổ chuyển tín hiệu miền thời gian sang miền tần số để khảo sát giá trị hài tần số Suy yếu xuất ảnh hưởng đến giá trị hài Các đặc trưng thể khác biệt hài trước sau suy yếu 1.3 Giới thiệu luận án 1.3.1 Lý chọn đề tài Với cơng trình cầu có nhiều kết cấu khác phương pháp dao động hướng phi cấu trúc tổng quát Phân tích tín hiệu miền thởi gian gặp khó khăn nhiễu Để hạn chế nhiễu, số nghiên cứu chuyển tín hiệu sang miền tần số Tuy nhiên nghiên cứu thử nghiệm phịng thí nghiệm hay kết cấu thực nguồn tải vị trí cố định, nghiên cứu sử dụng nguồn tải di động Vì luận án tập trung nghiên cứu tín hiệu dao động cầu từ tải lưu thông thực tế xử lý sang miền tần số thông qua phân tích phổ 1.3.2 Mục tiêu nội dung nghiên cứu - Ý tưởng luận án tìm đặc trưng tổng quát giá trị thông số hệ để đánh giá tình trạng kết cấu Do khảo sát hình dạng phổ để tìm đặc trưng phù hợp - Với mục tiêu đánh giá tổng quát theo hướng phi cấu trúc, hư hỏng hiểu tổng quát thay đổi làm suy giảm khả chịu tải dầm cầu Luận án sử dụng mơ hình suy giảm độ cứng chống biến dạng EJ để mơ hình hóa suy yếu kết cấu Từ khảo sát độ nhạy đặc trưng đề xuất - Đối với cầu giao thông, nhịp hay dầm cầu phận chịu lực chủ yếu Để áp dụng diện rộng, nhiều loại kết cấu nhịp khảo sát Ngồi để tiết kiệm chi phí, sử dụng tải lưu thông hợp lý Do cần nghiên cứu phổ dao động dầm tải di động lý thuyết mà cịn số liệu thực tế Từ tìm đặc điểm chung thay đổi hình dạng phổ tín hiệu dao động để xác định đặc trưng thể tình trạng cầu - Để khảo sát tính hiệu đặc trưng phổ từ tín hiệu dao động thực, luận án tiến hành xây dựng mơ hình thí nghiệm nhằm kiểm tra mối quan hệ đặc trưng tình trạng suy yếu kết cấu 1.3.3 Ý nghĩa thực tiễn đề tài Nghiên cứu luận án có ưu điểm: đặc trưng theo hướng phi cấu trúc nên áp dụng rộng rãi cho kết cấu cầu khác nhau, hai sử dụng nguồn kích thích tự nhiên nên không làm ảnh hưởng đến hoạt động lưu thơng Chính nhờ ưu điểm mà phương pháp đề xuất áp dụng diện rộng cho hệ thống cầu, góp phần hỗ trợ cho cơng tác quản trị cầu 1.3.4 Tóm tắt luận án Chương 1: Trình bày sơ lược vấn đề chuẩn đốn suy yếu giám sát tình trạng cầu Từ sở đề mục tiêu, nhiệm vụ phương pháp nghiên cứu Chương 2: Trình bày tóm tắt lý thuyết phân tích phổ dao động hệ áp dụng lên cầu Đề xuất mơ hình suy giảm độ cứng, từ giới thiệu đặc trưng mơ men phổ khảo sát thay đổi hình dạng phổ tải ngẫu nhiên Cuối trình bày lý thuyết dao động dầm với tải trọng di chuyển Chương 3: Khảo sát phổ dao động số nhịp cầu theo thời gian rút đặc trưng nhằm kiểm chứng tính khả thi phương pháp Chương 4: Trình bày mơ hình thí nghiệm kiểm chứng Đề xuất xây dựng phổ dao động ngẫu nhiên thí nghiệm, đề xuất phương pháp sử dụng mơ men phổ phát hiện, định vị đánh giá mức độ suy yếu Chương 5: Tổng kết nội dung chính, dóng góp khoa học hướng phát triển luận án CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết phân tích dao động Phần trình bày khái niệm phân tích tín hiệu miền tần số Biến đổi Fourier W(f): chuyển tín hiệu miền thời gian w(t) thành miền tần số T (2.1) W (ω ) = ∫ w(t )e − iωt dt Mật độ phổ công suất S(ω): thể phân bố lượng hài tần số ∞ ∞ (2.2) = S w (ω ) Rw (τ )e − iωτ d= τ ⇔ Rw (τ ) ∫ S w (ω )eiωτ dω ∫ −∞ 2π −∞ Phân tích phổ tín hiệu dao động hàm mật độ công suất dao động (gọi tắt phổ dao động) Đáp ứng tần số H(f): thể mối quan hệ hàm lực đáp ứng hệ W (ω =) H (ω ) F (ω ) ⇒ S w (ω =) H (ω ) S f (ω ) (2.3) Mô men phổ SM(n) : khảo sát đặc tính phân bố lượng miền tần số ω2 n SM ( n ) = ∫ ω S w (ω )dω ω1 Diện tích phổ SA: Tần số trung tâm ϖ: ω2 SA = ∫ S w (ω )d ω ω1 ϖ ∫ω S w dω = ω2 Sw dω ∫ω1 (2.4) (2.5) (2.6) 2.2 Dao động hệ 2.2.1 Phổ dao động tổng thể Phương trình vi phân chuyển động hệ có khối lượng riêng m giảm chấn c chịu tác động hàm lực f(t) vị trí s với L lực hồi phục hệ: mwr + cw r + L( wr ) = f ( s, t ) (2.7) Bất kỳ dạng chuyển động phức tạp quy tổ hợp dạng chuyển động Với µj, φj(r), ξj, ωj khối lượng suy rộng, hàm dạng riêng, hệ số giảm chấn tần số riêng thứ j phương trình chuyển động dạng dao động riêng: w j + 2ω jξ j w j + ω 2j w j = φ (r ) f (r , t )dr µ j ∫R j (2.8) Khi giá trị mơ men phổ hệ xác định bởi: φ j (r )φ j (s) dω 2 j =1 (ω j − ω ) + 2iξ jω jω ∞ ∞ (2.9) SM ( n ) = ∫ | ω |n S f (s, ω ) ∑ −∞ Mô men phổ tín hiệu hệ số phi trạng thái dùng để đánh giá thay đổi hình dạng phổ cơng suất Vì quy luật biến thiên mơ men phổ phụ thuộc vào thông số hệ Khảo sát giá trị mơ men phổ góp phần chuẩn đốn tình trạng hệ 2.2.2 Phổ dao động dạng riêng Phổ dao động dạng riêng: S f j φ j2 (s) = = S w j (ω ) H j (ω ) S f j (ω ) (ω 2j − ω ) + 4ξ j2ω 2ω 2j (2.10) Diện tích phổ đáp ứng chuyển vị (SAd), vận tốc (SAv) gia tốc (SAa): SAaj = • SAdj = π S f jφ j2 (s) 2ξ jω 3j (2.11) SAvj = π S f jφ j2 (s) 2ξ jω j (2.12) π S f j (1 − 4ξ j2 )ω jφ j2 (s) 2ξ j (2.13) Ảnh hưởng nhiễu Cường độ nhiễu α định nghĩa tỉ số giá trị hiệu dụng (εms) tín hiệu nhiễu ε với giá trị hiệu dụng xms tín hiệu đáp ứng x kết cấu: = α ε ms xms × 100% (2.14) Tín hiệu thu nhận z(t) cuối tổng hợp đáp ứng thực của kết cấu tải nhiễu Áp dụng đặc trưng tổng trình ngẫu nhiên ta có: SAz = SAx + SAε = (1 + α ) SAx (2.15) Cường độ nhiễu lớn tới 20% làm ảnh hưởng tới diện tích phổ có 4% Đặc trưng phổ nhạy với nhiễu tín hiệu 2.3 Mơ hình suy yếu dầm 2.3.1 Ảnh hưởng lên tần số riêng 2.3.1.1 Dầm có hình dạng mặt cắt ngang thay đổi Xét dầm mặt cắt ngang hình chữ nhật có chiều cao thay đổi theo vị trí dầm: h= ( x) h0 (1 − e sin (π x / l ) ) (2.16) Với e mức độ suy giảm J0, ρ0 mơ men qn tính khối lượng riêng dầm có tiết diện khơng đổi Khi tần số riêng dầm có tiết diện thay đổi: ωJ2 = (−128e3 + 135e2 − 148e + 60π ) π EJ l ρ0 20(3π − 8e) (2.17) 2.3.1.2 Dầm có tính chất vật liệu biến thiên Abdel Wahab cộng mơ hình hư hỏng dầm bê tông suy giảm modun đàn hồi E theo phương trình sau: E E E0 1 a cos neáu x ld bl / 2; x ld bl / x ld bl / m (2.18) neáu ld bl / x ld bl / Với a mức độ suy giảm Công thức (2.18) luận án đơn giản hóa: (2.19) E= ( x) E0 1 − a ( sin (π x / l ) ) Hàm suy giảm E(x) luận án hoàn toàn phù hợp với hàm suy giảm nhóm n tác giả Abdel Wahab với hệ số tương quan hàm lớn 0,99 (Hình 2.1) với số mũ n thể bề rộng vùng bị suy giảm (n nhỏ vùng suy giảm lớn) Hình 2.1: Hàm suy giảm mơ đun đàn hồi E(x) TH 1: Luận án (a=0,3; n=100) Abdel Wahab (a=0,3; ld=0,5; b=0,2; m=0,7) TH 2: Luận án (a=0,2; n=36) Abdel Wahab (a=0,2; ld=0,5; b=0,3; m=0,8) Khi tần số riêng dầm xấp xỉ: A n chaün 2 E0 J n n / 21 n 2k 1 a A với (2.20) n k n 2k l A n leû Tần số riêng thay đổi chậm so với suy yếu kết cấu (Hình 2.2) Sự thay E2 đổi khó phát tồn sai số phương pháp đo Do tần số riêng bậc thấp đánh giá cao áp dụng vào thực tiễn Hình 2.2: Tỉ lệ suy giảm tần số suy yếu dầm 2.3.2 Ảnh hưởng lên phổ dao động Theo thuyết dầm Euler Bernouli, độ cứng tương đương dầm cho d 2φ j ( x) l k j = ∫ EI ( x) dx dx (2.21) Hệ số giảm chấn có mối quan hệ với độ cứng tương đương k hệ diện tích phổ đáp ứng (2.11), (2.12), (2.13) trở thành: π S0 m 2j φ j2 (s) SA = c ki d j SAvj = π S0 m jφ j2 (s) c k c = φ (s) SAaj π S0 j − c m j j (2.22) (2.23) (2.24) Dựa vào hình 2.3, nhận thấy diện tích phổ đáp ứng chuyển vị (SAd) nhạy với độ cứng hệ nên dấu hiệu sử dụng để phát suy yếu dễ dàng nhiên sử dụng để đánh giá tình trạng khó khăn tính phi tuyến Bên cạnh diện tích phổ gia tốc (SAa) có mối quan hệ tuyến tính với độ cứng hệ nhạy đặc trưng truyền thống tần số riêng giảm chấn Do sử dụng đặc trưng phổ tín hiệu gia tốc giúp ta giám sát cách tường minh tình trạng kết cấu 0.5 SAd SAa ξ ωj ∆X 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0.1 ∆k 0.2 0.3 Hình 2.3: Mối quan hệ thay đổi độ cứng k số đặc trưng 2.4 Mơ hình dầm với tải trọng di chuyển Phương trình dao động dầm chịu uốn chịu tải f(t) di chuyển với vận tốc υ diễn tả sau: EJ ∂w ( x, t ) ∂w ( x, t ) ∂w ( x, t ) + + ρωb = ρ δ ( x − υ t ) f (t ) ∂x ∂t ∂t (2.25) Trong w(x,t) chuyển vị đứng dầm vị trí x E, J, ρ, ωb mô đun đàn hồi, mơ men qn tính mặt cắt ngang, khối lượng riêng tần số giảm chấn dầm Khi đáp ứng dầm với số tải trọng tính tốn 2.4.1 Tải ngẫu nhiên jπ x t −ωb (t −τ ) ∞ w( x , t ) e sin sin ωdj (t − τ ) f (τ )sin jωυ t dτ ∑ ∫ ρ l j =1 ωdj l với (2.26) f (t ) biểu diễn thành phần biến thiên tải theo thời gian và ωυ = πυ / l Nếu tải có dạng nhiễu trắng hàm tự tương quan độ võng tính: 8π S f ∞ jω x t 2 Rw ( x , t ) sin = (2.27) ∫0 h j (t − τ )sin ( jωυτ ) dτ 2 ∑ l ρ l j =1 chịu tải cầu bị suy giảm Giá trị SA nhạy với tình trạng hoạt động cầu vùng tần số cao thấp tồn đồ thị PSD 3.3.2.2 Đặc điểm thay đổi tần số trung tâm Hình 3.6: Tần số trung tâm ứng với vùng trội số nhịp cầu Sài Gòn Từ đồ thị hình 3.6 vùng trội cho thấy giá trị tần số trung tâm giảm dần theo thời gian khảo sát Quy luật hoàn toàn phù hợp với nhận định dịch chuyển lượng từ tần số cao tần số thấp Tuy nhiên nhận thấy vùng trội 2, giá trị tần số trung tâm ϖ thể rõ suy giảm giá trị diện tích phổ SA Ngồi ta thấy nhịp thép E giá trị ϖ vùng trội III diễn biến theo quy luật rõ ràng SA dấu hiệu vùng trội I ngược lại Giá trị ϖ nhạy với vùng tần số cao nhạy với vùng tần số thấp Nhưng nhìn chung giá trị ϖ thay đổi tương đối nhỏ so với giá trị SA Vì giá trị ϖ khơng hiệu SA việc giám sát tình trạng hoạt động cầu 3.3.2.3 Đặc điểm thay đổi mô men phổ Tổng thể nhận thấy đồ thị SM(1) (Hình 3.7) có dạng tương đồng đồ thị SA vùng tần số Tuy nhiên biến thiên SM(1) theo thời gian rõ ràng 17 SA Điều thể biến thiên mô men phổ nhịp D vùng I nhịp B vùng II Giá trị SM(1) vùng I III đồng biến lớn theo thời gian nên sử dụng SM(1) để theo dõi xuống cấp nhịp thuận lợi Bên cạnh đó, sử dụng SM(1) tổng quát SA thể rõ xê dịch vùng lượng từ vùng tần số cao vùng tần số thấp mặt ý nghĩa tốn học Hình 3.7: Mơ men phổ bậc vùng tần số số nhịp cầu Sài Gòn Mặc dù giá trị SM(1) vùng trội cho phép theo dõi thay đổi hình dạng phổ theo thời gian xuống cấp cầu giá trị cho phép đánh giá suy yếu dạng dao động (mỗi vùng tượng trưng cho dạng dao động có tần số riêng lân cận nhau) không cho phép đánh giá tổng thể kết cấu Điển hình giá trị SM(1) nhịp vùng III suy giảm cách khác Đại đa số nhịp A, C D SM(1) đợt đo cuối nhỏ nhịp B E lớn Vì có khác biệt suy yếu theo thời gian nhịp đợt đo Để đánh giá tổng thể xuống cấp nhịp, giá trị tích lũy mơ men phổ (CF(1)) sử dụng: ω CF(1) (ω ) = ∫ SM (1) (ω ) d ω ∞ 18 (3.1) Hình 3.8: Mơ men phổ tích lũy bậc số nhịp cầu Sài Gòn Trong nghiên cứu này, luận án sử dụng giá trị tích lũy mơ men phổ bậc tần số gốc ω=0 để khảo sát xuống cấp nhịp cầu Giá trị CF(1)(0) qua đợt đo thể hình 3.8 Giá trị CF(1)(0) giảm dần theo thời gian Vậy sử dụng CF(1)(0) đặc trưng để giám sát tình trạng cầu 3.4 Kết luận Khảo sát đặc trưng phổ đáp ứng gia tốc nhạy nhiều so với đặc trưng truyền thống tần số riêng Từ đề xuất: - Sử dụng cảm biến gia tốc để thu nhận tín hiệu dao động cầu - Phổ dao động PSD trực chuẩn nhằm hạn chế ảnh hưởng biên độ tải Biên độ hài tần số cao ổn định ngày suy giảm theo thời gian khai thác kết cấu Khảo sát đặc trưng phổ diện tích phổ SA, tần số trung tâm ϖ mô men phổ SM(1) phổ đại diện, thấy có chuyển dời lượng từ vùng tần số cao sang vùng tần số thấp cầu xuống cấp theo thời gian Luận án đề xuất giá trị tích lũy mơ men phổ CF(1) nhằm đánh giá khách quan suy yếu tổng thể cầu Nhận thấy thay đổi hình dạng phổ nhịp bê tơng nhịp thép cầu Sài Gịn có tn theo quy luật Khảo sát tất nhịp với loại kết cấu khác dự án có chung đặc điểm Nhờ vào đặc điểm mở hướng giám sát tình trạng cầu cách tổng qt hiệu 19 CHƯƠNG MƠ HÌNH THÍ NGHIỆM 4.1 Giới thiệu Mơ hình thí nghiệm gồm phận: mơ hình dầm, mơ hình tải, hệ thống truyền động (biến tần động cơ), hệ thống đo: • Mơ hình dầm: dầm thép (92x10x0,5cm) tựa lên gối cố định, hai đầu gắn sát thêm bệ đỡ làm đường dẫn đường của tải di động • Mơ hình tải: động có lắp khối lệch tâm để gây tải hịa, động làm vật nặng có lắp bánh xe nối vói hệ thống truyền động sợi dây khơng giãn • Hệ thống truyền động: trụ tròn đồng trục nối sẵn đầu lại dây khơng giãn Trụ trịn nối với động pha qua truyền đai răng, tốc độ quay trụ điều khiển biến tần nối với động truyền động • Hệ thống đo: gồm cảm biến gia tốc (K1, K2, K3, K4) lắp đặt phân bố dọc dầm, cảm biến chuyển vị (D5) Vận tốc tải Vm ( Bảng 4.1) mơ hình thí nghiệm tính tốn dựa vào mối quan hệ đồng dạng với tỉ lệ tần số góc phương tiện lưu thơng (υr/lr) tần số ωr cầu theo công thức (4.1) Tương ứng lm ωm chiều dài tần số dầm thí nghiệm (Vp / l p ) = (Vm / lm ) ωp (4.1) ωm Bảng 4.1: Quan hệ vận tốc tải thực tải di động thí nghiệm Vận tốc tải υ1 υ2 υ3 υ4 Thực tế 25,2 km/h 29,4 km/h 33,6 km/h 37,8 km/h Thí nghiệm 18,84 cm/s 21,98 cm/s 25,12 cm/s 28,26 cm/s 31,4 cm/s 20 υ5 42 km/h 4.2 Khảo sát pha ban đầu tải điều hòa lên dao động dầm Để khảo sát tính phù hợp lý thuyết tải hịa di chuyển với pha dao động ngẫu nhiên khác nhau, luận án cho động mơ hình tải quay với tốc độ 720 vòng/ phút sinh lực ly tâm tác dụng lên dầm theo phương thẳng đứng lực biến thiên hòa với tần số 12 Hz Và cho tải di chuyển qua dầm với vận tốc V5=31,4 cm/s liên tục 40 lần Do tải tiếp xúc với dầm, rõ ràng thí nghiệm khơng biết rõ giá trị biên độ lực hay pha dao động Qua kết phân tích, luận án nhận thấy pha dao động tải ảnh hưởng đáng kể đến biên độ đáp ứng (Hình 4.1) Tuy nhiên tính giá trị trung bình đáp ứng qua 40 lần tải di chuyển liên tục hồn tồn phù hợp với tải khơng đổi Điều chứng tỏ dầm thí nghiệm hệ liên tục tuyến tính Hình 4.1: Chuyển vị dầm với tác dụng tải trọng biến thiên điều hòa với pha dao động khác nhau: giá trị (trái) thống kê (phải) 4.3 Khảo sát hình dạng phổ dao động dầm bị suy yếu Mục tiêu thí nghiệm xác định ảnh hưởng độ cứng tương đương dầm đặc trưng phổ cơng suất tín hiệu dao động (gia tốc) dầm nhằm kiểm chứng đặc trưng phổ Chương phù hợp việc đánh giá tình trạng cầu Luận án chọn mơ hình suy yếu dầm tạo vết cắt nhìn thấy bên hơng dầm Vết cắt A nằm kênh K2 K3, vết cắt B nằm kênh K1 K2 (Hình 4.2) Hình 4.2: Mặt dầm với vết cắt bên hơng 21 Tình trạng Mức độ Bảng 4.2: Mức độ suy yếu dầm Ai (chiều dài vết cắt a) Bi (chiều dài vết cắt b) A1 (4 mm) B1 (4 mm) A2 (8 mm) B2 (8 mm) A3 (12 mm) B3 (12 mm) A4 (16 mm) B4 (16 mm) A5 (20 mm) B5 (20 mm) Với mơ hình tải lưu thông ngẫu nhiên cầu với vận tốc khác nhau, thí nghiệm tiến hành cho tải không đổi di động liên tục với vận tốc khác từ chậm đến nhanh (thấp 18,84 cm/s cao 33,34 cm/s) Theo mơ hình tuyến tính, phổ dao động ngẫu nhiên tạo cách tổng hợp phổ ứng với vận tốc khác Do luận án sử dụng PSD đặc trưng tập phổ dao động Mỗi mức độ suy yếu dầm, tiến hành với vận tốc giống Khi tải di chuyển với vận tốc υj thu phổ Sj Như với nhiều lần cho tải di chuyển, luận án thu PSD đặc trưng ứng với tình trạng suy yếu S (ω ) = n ∑Sj n j =1 Hình 4.3: Phổ dao động đặc trưng vị trí K1 dầm có vết cắt A Hình 4.4: Phổ dao động đặc trưng vị trí K1 dầm có vết cắt B 22 (4.2) PSD cho mức độ suy yếu dầm thu tương ứng thể hình 4.3 vết cắt A hình 4.4 vết cắt B Ta thấy hình ảnh phổ cơng suất đáp ứng có vùng tần số Vùng I trải dài từ đến 25 Hz tập trung quanh 13 Hz, vùng II trải dài từ 25 Hz đến 50 Hz tập trung quanh 36 Hz Ngoài hệ liên tục, phổ công suất vị trí cịn phụ thuộc vào hàm dạng dạng dao động vị trí Để đánh giá khách quan thay đổi mô men phổ vị trí khác Với X đặc trưng phổ, xét số đặc trưng phổ thể thay đổi tương đối đặc trưng sau: X − X1 ∆X i = i X1 (4.3) 4.3.1 Ảnh hưởng mức độ suy yếu lên diện tích phổ Dựa vào hình 4.3 4.4, nhận thấy giá trị diện tích phổ SA vùng tần số cao (quanh 36 Hz) giảm dần vùng tần số thấp (quanh 13 Hz) tăng dần Tiếp tục khảo sát thay đổi số diện tích phổ tần số riêng với mức độ suy yếu (Hình 4.5) Luận án nhận thấy số mơ men phổ thay đổi nhiều so với tần số riêng Ngoài thay đổi rõ ràng vị trí gần khu vực suy yếu Điều thấy rõ ràng vùng tần số cao, số ∆SA vị trí K2 K3 hồn tồn lớn hẳn K1 K4 Trong với vết cắt B, ∆SA K1 K2 biến thiên ổn định K3 K4 Hình 4.5: Sự biến thiên ∆SA vùng tần số theo tình trạng suy yếu A 23 4.3.2 Ảnh hưởng mức độ suy yếu lên tần số trung tâm Để biểu thị thay đổi hình dạng mặt dịch chuyển phổ dao động thực, luận án tiếp tục sử dụng giá trị tần số trung tâm Hình 4.6: Sự thay đổi tần số trung tâm vùng trội theo tình trạng A Từ đồ thị hình 4.6, vùng trội tần số cao, giá trị tần số trung tâm ϖ không thay đổi Tuy nhiên vùng tần số thấp, giá trị ϖ có dấu hiệu suy giảm rõ rệt tần số riêng mức độ suy yếu nhỏ (trạng thái vết cắt B) Chứng tỏ kết cấu bị suy yếu lượng vùng tần số cao suy giảm khơng có di chuyển vùng tần số Do lúc giá trị ϖ nhạy với vùng tần số thấp nhạy với vùng tần số cao Nhưng nhìn chung giá trị ϖ thay đổi tương đối nhỏ so với giá trị SA Vì giá trị ϖ không nhạy SA việc đánh giá tình trạng dầm 4.3.3 Ảnh hưởng mức độ suy yếu lên mơ men phổ Hình 4.7: Sự biến thiên ∆SM(1) vùng trội theo tình trạng A 24 Dựa vào hình 4.7, giá trị SM(1) có dấu hiệu giảm dần vùng tần số cao tăng dần vùng tần số thấp vị trí Tính chất tương tự SA thay đổi SM(1) vùng tần số cao lớn nhiều so với SA Điều hồn tồn phù hợp với đặc điểm diện tích phổ mô men phổ nhịp cầu Tương tự cầu, giá trị tích lũy mơ men phổ CF dầm khảo sát nhằm kiểm chứng khả ứng dụng vào tốn đánh giá tình trạng kết cấu Kết CF thể hình 4.8a vết cắt A 4.8b vết cắt B (a) (a) (b) (b) Hình 4.8: Tích lũy mơ men phổ theo tình trạng suy yếu vị trí dầm Kết số tích lũy mơ men phổ thí nghiệm tình trạng A5 B5 tính tốn Cho thấy vị trí khảo sát gần vị trí suy yếu số tích lũy mơ men phổ vị trí lớn hẳn vị trí cịn lại Đây dấu hiệu để phát sơ vị trí suy yếu kết cấu Hình 4.9: Kết số tích lũy mơmen phổ dầm 4.4 Kết luận Mơ hình thí nghiệm xây dựng nhằm kiểm chứng lý thuyết kết khảo sát cơng trình cầu Kết thí nghiệm cho thấy mơ hình lý thuyết phù hợp nhận định đặc trưng phổ dao động cầu hoàn toàn hợp lý 25 -Khảo sát ảnh hưởng tính chất ngẫu nhiên pha ban đầu mơ hình tải điều hịa lên chuyển vị dầm Kết từ thí nghiệm hồn tồn phù hợp với lý thuyết Giá trị pha tải hòa ảnh hưởng phần đến đáp ứng tổng thể kết cấu dầm -Tiến hành thí nghiệm với mơ hình dầm có vết cắt vị trí khác Kết phù hợp với kết khảo sát kết cấu cầu thực Sự biến thiên các đặc trưng phổ đề xuất nhạy nhiều lần so với tần số riêng Trong trường hợp suy yếu, mức độ vết cắt tăng giá trị diện tích phổ mơ men phổ giảm vùng tần số cao tăng vùng tần số thấp Ngồi ra, ta cịn nhận thấy vị trí gần vết cắt đặc trưng thay đổi nhiều vị trí khác Đây dấu hiệu để nhận biết vị trí bị suy yếu kết cấu Vậy sử dụng đặc trưng phổ hiệu việc đánh giá tình trạng suy yếu kết cấu CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Những nội dung luận án • Nghiên cứu lý thuyết dao động, xây dựng mô hình suy yếu kết cấu nhằm khảo sát ảnh hưởng suy yếu lên đáp ứng dao động kết cấu chịu tải ngẫu nhiên • Đề xuất số đặc trưng hình dạng để khảo sát thay đổi phổ dao động hệ tải ngẫu nhiên, kiểm tra ảnh hưởng nhiễu lên đặc trưng làm công cụ cho tốn đánh giá tình trạng kết cấu tổng qt • Nghiên cứu lý thuyết dao động dầm tải di động tải khơng đổi, tải điều hịa khái quát tải ngẫu nhiên Tìm hiểu ảnh hưởng yếu tố pha dao động tải hòa lên đáp ứng dao động kết cấu dầm • Tổ chức thu nhận tín hiệu dao động nhiều loại dạng cơng trình cầu (gần 40 cầu) với số lượng lớn kết cấu khác theo thời gian khai thác nhằm tìm quy luật ứng xử chung cầu thông qua đáp ứng dao động thực tế 26 • Khảo sát thay đổi hình dạng phổ dao động cầu tải lưu thông thực đề xuất đặc trưng phù hợp với mơ hình tải lưu thơng ngẫu nhiên cầu • Tiến hành mơ hình thí nghiệm suy yếu kết cấu kiểm tra khả ứng dụng đặc trưng đề xuất việc giám sát tình trạng cầu 5.2 Những đóng góp khoa học Luận án Luận án trình bày phương án hỗ trợ cung cấp thơng tin cho quan quản lý giám sát tình trạng cầu cách khả thi điều kiện Việt Nam Đó đánh giá thay đổi phổ dao động kết cấu cách khảo sát hình dạng phổ dao động nhiều cơng trình cầu (kết cấu tuổi thọ khác nhau) Kết cho thấy tất phổ dao động cầu có chung đặc điểm hài tần số cao ngày nhỏ dần kết cấu suy yếu theo thời gian khai thác Vùng tần số cộng hưởng cao biến trước, sau đến vùng cơng hưởng tiếp theo, cuối vùng tần số thấp Xét mặt động lực học có chuyển dời lượng từ vùng tần số cao sang vùng tần số thấp Đây dấu hiệu phù hợp cho toán giám sát tình trạng cầu cách tổng quát Phương án khảo sát thực cách: 5.2.1 Lý thuyết • Thiết lập cơng thức tính tần số riêng cho trường hợp dầm không đồng cách tổng qt hóa tiết diện hình chữ nhật thay đổi tác giả Fryba [147] đơn giản hóa mơ hình suy giảm mô đun đàn hồi tác giả Abdel [148] vị trí nguy hiểm dầm Cho thấy tần số riêng không thay đổi lớn hệ suy yếu • Tổng qt hóa tải điều hịa tác giả Fryba cách xét thêm ảnh hưởng pha dao động tải Nhận thấy pha dao động ảnh hưởng đáng kể đến đáp ứng kết cấu Để hạn chế ảnh hưởng pha nên chuyển tín hiệu sang miền tần số 27 • Mở rộng khảo sát phổ dao động tổng quát có xét đến ảnh hưởng giảm chấn thông qua giá trị đặc trưng hình dạng phổ Hình dạng phổ dao động nhạy với suy yếu hệ nhạy với nhiễu • Đề xuất sử dụng phổ kích thích với hài có biên độ ngẫu nhiên để mơ hình tải lưu thơng với vận tốc khác cầu Các đặc trưng phổ đáp ứng gia tốc phụ thuộc vào tải nhạy với tình trạng hệ tần số riêng Mơ men phổ ổn định diện tích phổ nên áp dụng khả thi vào thực tế 5.2.2 Thực nghiệm • Thu nhận số lượng lớn tín hiệu dao động nhiều cơng trình cầu để thiết lập sở liệu lớn phục vụ cho nghiên cứu giám sát cầu tương lai • Theo thời gian khảo sát xuất phổ có số vùng trội nhiều suy giảm nhiều phổ có số vùng trội xuất tập phổ tín hiệu thu nhận Về mặt học, khả thực dao động bậc cao giảm nhịp cầu suy yếu Khảo sát vùng tần số cao phù hợp vùng tần số thấp giám sát tình trạng kết cấu • Tiến hành thí nghiệm khảo sát quy luật thay đổi hình dạng phổ kết cấu dầm chịu tải di chuyển với vận tốc khác Thấy dầm bị suy yếu quy luật thay đổi hình dạng dầm hồn tồn tương đồng với cơng trình cầu Điều chứng tỏ đặc trưng phổ dao động cơng trình cầu thể chất suy yếu Sự thay đổi số đặc trưng phổ cho ta theo dõi mức độ suy yếu kết cấu cịn có khả phát sơ vị trí suy yếu Vị trí khảo sát gần vị trí suy yếu thay đổi số đặc trưng phổ lớn so với vị trí khác 5.2.3 Ứng dụng • Đề xuất giá trị tích lũy mơ men phổ nhằm giám sát tình trạng kết cấu cách tổng thể Theo thời gian giá trị tích lũy mơ men phổ ngày giảm Đối 28 với nhịp có kết cấu giá trị cho phép so sánh tình trạng suy yếu nhịp với • Sử dụng tín hiệu dao động trình khai thác ứng dụng cho cầu lớn có lắp đặt hệ thống SHM Phương pháp luận án sử dụng đáp ứng cầu q trình lưu thơng thực mở triển vọng xây dựng hệ thống giám sát thường xun cho cơng trình cầu vừa nhỏ nói chung kể cầu lớn lắp đặt hệ thống SHM nói riêng 5.3 Hướng phát triển Luận án • Một điểm quan trọng luận ánlà đánh giá tình trạng hệ theo hướng phi kết cấu để áp dụng cho nhiều kết cấu khác Nên nghiên cứu tiếp theo, luận án hoàn thiện phương pháp đánh giá tình trạng cầu thơng qua phương pháp hồi quy để tìm mối quan hệ xuống cấp cơng trình với biến thiên giá trị đặc trưng phổ Từ dự báo trình suy yếu cầu cách hợp lý • Trong trường hợp tổng quát, tập số liệu dao động thu nhận từ nguồn dao động tự nhiên chứa đựng nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết đánh giá giải pháp Vì bước luận án hoàn thiện phương pháp lấy mẫu nhằm xây dựng tập liệu tối ưu phản ánh tốt mối quan hệ suy yếu phổ dao động tương ứng hệ • Nếu biết vị trí suy yếu có khả sửa chữa số hư hỏng Do dựa đặc điểm phổ với vị trí suy yếu, luận án phát triển phương pháp xác định vị trí suy yếu số kết cấu thơng dụng 29 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ B.T Pham, Q.T Nguyen, D.T Nguyen and K.N Ngo, ”Vibration Amplitude Changes With Bridge Span Deterioration,” International Journal of emerging Technology and Advanced engineering, vol (7), pp 55-70, 2017 Phạm Bảo Tồn Ngơ Kiều Nhi, “Khảo sát hình dạng phổ cơng suất dầm có khuyết tật tải trọng di chuyển,” tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, tập 3, 2, trang 1271-1278 Phạm Bảo Toàn Ngô Kiều Nhi, “Một số đặc trưng phổ đáp ứng dùng để phát khuyết tật,” tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, tập 3, 2, trang 1279-1286 N K Nhi, P B Toan, N Q Thanh and L B Quynh, “Suver characteristics of power spectrum generated by random vibration of the bridge,” Journal of Science and Technology, vol 52 (2c), pp 114-124, 2014 P B Toan, N Q Thanh and N K Nhi, “The influence of damage on the vibration spectrum of a beam subject to random moving load,” Science & Technology Development Journal, vol 18 (K8), pp 87-95, 2015 K.N Ngo, B T Pham and Q T Nguyen, “Proposing a New Feature of Short –Span Bridges under Real Traffic for Damage Dectection,” in Proceeding 16th Asia Pacific Vibration Conference, Ha Noi, Viet Nam, pp 21-27, 2015 P.B Toan, N K Nhi, V.C Luan and N Q Loi “A Study on Bridge Assessment Using Changes in Power Spectral Density,” in Proceedings of the eighth Viet Nam Conference on Mechatronics, Can Tho, Viet Nam, 2016, pp 860-867 Ngơ Kiều Nhi, Phạm Bảo Tồn, Nguyễn Quang Thành Trịnh Ngọc Lâm, “Phân tích ứng xử dầm cầu bị suy yếu tác dụng tải lưu thơng,” tuyển tập Hội nghị Khoa học tồn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ 12, Đà Nẵng - Việt Nam, 2015, tập 2, trang 176-183 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn, Nguyễn Quang Thành Vương Công Luận, “Đặc trưng dao động riêng kết cấu dầm không đồng nhất,” tuyển tập Hội nghị Khoa học toàn quốc Cơ học Vật rắn biến dạng lần thứ 12, Đà Nẵng, Việt Nam, 2015, tập 2, trang 168-175 10 Ngơ Kiều Nhi, Phạm Bảo Tồn Nguyễn Quang Thành, “Các đặc trưng dao động ngẫu nhiên dầm đưới tải trọng di động,” tuyển tập Hội nghị Cơ học Kỹ thuật toàn quốc, 2015, Đà Nẵng, Việt Nam, tập 1, trang 429-439 30 11 Ngô Kiều Nhi, Phạm Bảo Toàn, Nguyễn Quang Thành Bùi Thống Lĩnh, “Phân tích mối quan hệ lý thuyết thực nghiệm độ võng mơ hình di động dầm,” tuyển tập Hội Nghi Khoa Hoc Kỹ Thuật Đo Lường Toàn Quốc lần VI , 2015, Hà Nội, Việt Nam, trang 198-205 31 ... dụng tải lưu thơng hợp lý Do cần nghiên cứu phổ dao động dầm tải di động khơng lý thuyết mà cịn số liệu thực tế Từ tìm đặc điểm chung thay đổi hình dạng phổ tín hiệu dao động để xác định đặc trưng... cứng tương đương dầm đặc trưng phổ cơng suất tín hiệu dao động (gia tốc) dầm nhằm kiểm chứng đặc trưng phổ Chương phù hợp việc đánh giá tình trạng cầu Luận án chọn mơ hình suy yếu dầm tạo vết cắt... tuyến tính, phổ dao động ngẫu nhiên tạo cách tổng hợp phổ ứng với vận tốc khác Do luận án sử dụng PSD đặc trưng tập phổ dao động Mỗi mức độ suy yếu dầm, tiến hành với vận tốc giống Khi tải di chuyển