Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu dao động kết cấu cầu dây văng dưới tác dụng của hoạt tải di động, xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên của mặt cầu

Tóm tắt luận án: Nghiên cứu dao động kết cấu cầu dây văng dưới tác dụng của hoạt tải di động, xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên của mặt cầu có nội dung trình bày tổng quan về nghiên cứu tương tác động lực học công trình cầu, cầu dây văng dưới tác dụng hoạt tải xe di động; mô hình hóa độ gồ ghề mặt cầu theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích thống kê các đặc trưng của quá trình ngẫu nhiên; xây dựng chương trình phân tích dao động kết cấu CDV dưới tác dụng của hoạt tải di động, xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên của mặt cầu bằng phương pháp mô phỏng Monte-Carlo; thực nghiệm và phân tích số mô hình tương tác dao động kết cấu CDV dưới tác dụng của hoạt tải di động, xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên của mặt cầu. Để tìm hiểu rõ hơn, mời các bạn cùng xem và tham khảo.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN DUY THẢO NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG KẾT CẤU CẦU DÂY VĂNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA HOẠT TẢI DI ĐỘNG, XÉT ĐẾN ĐỘ GỒ GHỀ NGẪU NHIÊN CỦA MẶT CẦU Ngành : Cơ kỹ thuật Mà SỐ : 62.52.01.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐÀ NẴNG - 2018 Cơng trình đƣợc hồn thành tại: ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Cán hƣớng dẫn: PGS TS NGUYỄN XUÂN TOẢN GS TS KURIYAMA YUKIHISA Cán phản biện 1: GS.TSKH NGUYỄN VĂN KHANG Cán phản biện 2: PGS TS PHẠM DUY HÒA Cán phản biện 3: TS NGUYỄN LAN Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Đại Học Đà Nẵng trường Đại Học Đà Nẵng, TP Đà Nẵng Vào lúc 14h00 ngày 04 tháng năm 2018 Luận án tra cứu tại: Trung Tâm Thông Tin Học Liệu, Đại Học Đà Nẵng MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài: Trong số tải trọng tác dụng lên công trình cầu hoạt tải xe tải trọng quan trọng, mục tiêu tải trọng cần đạt giai đoạn khai thác toán thiết kế cầu Về chất, hoạt tải xe trình động có tính ngẫu nhiên, trị số tải trọng xe phụ thuộc vào trọng lượng xe mà cịn phụ thuộc vào độ mấp mơ mặt cầu, vận tốc xe chạy, gia tốc vận tốc chuyển dịch kết cấu… Ngồi ra, thân đặc trưng hình học vật lý kết cấu, điều kiện liên kết…cũng tham số ngẫu nhiên Vì vậy, để xác định trạng thái - ứng suất cơng trình cầu cách xác, phù hợp với làm việc thực tế cần sử dụng phương pháp tính tốn theo quan điểm động lực học ngẫu nhiên phi tuyến Các cơng trình nghiên cứu dao động kết cấu cầu dây văng (CDV) hoạt tải có xét đến đồng thời tính ngẫu nhiên tính phi tuyến, tính chất phức tạp tốn, cịn nghiên cứu Trong luận án này, tác giả nghiên cứu dao động kết cấu CDV tác dụng hoạt tải xe di động xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên mặt cầu nhằm đạt độ xác cao, phù hợp với trạng thái chịu lực cơng trình cầu thực tế, góp phần phát triển hồn thiện phương pháp tính tốn thiết kế cơng trình cầu tốn có ý nghĩa cấp thiết khoa học thực tiễn Mục tiêu nghiên cứu: Mục tiêu nghiên cứu luận án phân tích dao động xác định hệ số động lực kết cấu CDV tác dụng hoạt tải xe di động mặt cầu có độ gồ ghề ngẫu nhiên Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu dao động kết cấu CDV tác dụng hoạt tải xe di động mặt cầu không phẳng Phạm vi nghiên cứu dao động mặt phẳng đứng CDV tác dụng hoạt xe di động mặt cầu mấp mô Phƣơng pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết với nghiên cứu thực nghiệm Luận án nghiên cứu áp dụng phương pháp mô Monte-Carlo để phân tích tương tác động lực học ngẫu nhiên kết cấu CDV tác dụng hoạt tải xe di động mặt cầu không phẳng Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) sử dụng để mơ hình hố kết cấu tải trọng xe di động miền không gian, phương pháp Runge-Kutta áp dụng để giải toán tương tác cầu-xe miền thời gian Kết phân tích lý thuyết kiểm chứng kết đo đạc thực nghiệm cơng trình thực tế khai thác sử dụng Nghiên cứu chế tạo thiết bị xe thực nghiệm để đo đạc độ mấp mơ thực tế cơng trình cầu Ý nghĩa khoa học thực tiễn: Ý nghĩa khoa học luận án nghiên cứu hoàn thiện mơ hình tương tác dao động ngẫu nhiên kết cấu CDV tác dụng hoạt tải xe di động mặt cầu khơng phẳng; mơ tả xác dao động lực tác động ngẫu nhiên hoạt tải xe di động mặt cầu mấp mơ; đánh giá hệ số động lực cơng trình cầu theo quan điểm ngẫu nhiên; khảo sát ảnh hưởng tương tác động lực học phận kết cấu CDV hệ thống cầu-xe có xét đến ảnh hưởng độ mấp mô ngẫu nhiên mặt cầu Ý nghĩa thực tiễn luận án áp dụng vào việc phân tích động lực kết cấu CDV công tác thiết kế đánh giá đáp ứng cầu khai thác Cấu trúc luận án: Ngoài phần mở đầu, mục lục, danh mục cơng trình khoa học cơng bố cúa tác giả, danh mục tài liệu tham khảo, nội dung luận án bao gồm 04 chương, phần kết luận phụ lục sau: - Chương Tổng quan nghiên cứu tương tác động lực học cơng trình cầu, cầu dây văng tác dụng hoạt tải xe di động - Chương Mơ hình hóa độ gồ ghề mặt cầu theo lý thuyết ngẫu nhiên phân tích thống kê đặc trưng trình ngẫu nhiên - Chương Xây dựng chương trình phân tích dao động kết cấu CDV tác dụng hoạt tải di động, xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên mặt cầu phương pháp mô Monte-Carlo - Chương Thực nghiệm phân tích số mơ hình tương tác dao động kết cấu CDV tác dụng hoạt tải di động, xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên mặt cầu - Kết luận kiến nghị nghiên cứu - Phần phụ lục CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU TƢƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH CẦU, CẦU DÂY VĂNG DƢỚI TÁC DỤNG CỦA HOẠT TẢI XE DI ĐỘNG 1.1 Mở đầu Bài toán phân tích dao động cơng trình cầu tác dụng hoạt tải di động thu hút quan tâm nhiều tác giả toàn giới từ nhiều năm qua; kết tác giả công bố tập trung vào hai hướng nghiên cứu chính: Hướng nghiên cứu thực nghiệm hướng nghiên cứu lý thuyết 1.2 Nghiên cứu tƣơng tác động lực học cơng trình cầu, cầu dây văng theo hƣớng đo đạc thực nghiệm Từ số liệu đo đạc thực nghiệm, tác giả Chowdhury (2003), Green (1992), Jung (2013), Zhisong (2013), Walther (1988), Proulx (1991), Nowak (1997) xác định hệ số động lực hay hệ số xung kích theo cơng thức (1+IM) = Rd/Rt đó: Rd phản ứng động kết cấu; Rt phản ứng tĩnh kết cấu Hiện công tác thiết kế cầu chủ yếu phân tích theo phương pháp gần theo sơ đồ tĩnh học nhân với hệ số động lực (1+IM) Phân tích hệ số động lực theo quy trình thiết kế cầu số nước giới Mỹ, Úc, Nhật bản, Trung quốc, Pháp, Anh, Việt Nam… cho thấy: tùy theo quan điểm nghiên cứu, tiêu chuẩn loại phương tiện vận tải nước khác nhau, hệ số động lực lấy theo dẫn tiêu chuẩn khác nhau, phụ thuộc dạng kết cấu cầu, loại tải trọng chiều dài kết cấu nhịp Nhìn chung, cách xác định hệ số động lực theo phương pháp có ưu điểm dễ áp dụng, khối lượng tính toán đơn giản sai số lớn 1.3 Nghiên cứu tƣơng tác động lực học cơng trình cầu, cầu dây văng theo hƣớng phân tích lý thuyết Theo hướng phân tích lý thuyết, Willis (1849) người đề xuất thiết lập phương trình vi phân dao động cầu xe Sau Stokes (1896) giải phương trình vi phân dao động Willis đề xuất; tiếp sau phát triển mơ hình phân tích tương tác gữa cầu xe Jeefcot (1929), Meizel (1930), Wen (1960), Sundara Jagadish (1970), Fryba (1973), A.G.Barchenkov (1976), Green Mark F.,Cebon David J (1995), M.Zenman, M.R.Taheri, A Khanna (1996), Yang Yeong-Bin, Yau Dong-Dar (1997), Yang Fuheng, Fonder Ghislain A (1998), Wu Yean-Seng, Yang Yeong-Bin, Yau Dong-Dar (2001), Jalili N., Esmailzadeh E (2002), Rawlings Lorraine, Evans Jeremy, Clark Graham (2002), Zeng Huan, Bert Charles W.(2003), Jun Xiang A., Qingyuan Zeng A., Ping Lou (2004) Honda cộng (1982) đề xuất ý tưởng nghiên cứu dao động cơng trình cầu tác dụng tải trọng di động có xét đến độ gồ ghề ngẫu nhiên mặt cầu F.T.K Au, Y.S Cheng, Y.K Cheung (2001) phân tích ảnh hưởng độ gồ ghề mặt cầu đến hệ số động công trình cầu dầm bê tơng cốt thép ứng suất trước cầu dây văng có xét đến biến dạng dài hạn căng kéo cáp dự ứng lực gây Các tác giả Geert Lombaert Joel P.Conte (2012) đặt vấn đề nghiên cứu tương tác cầu xe độ gồ ghề mặt cầu gây theo lý thuyết ngẫu nhiên không dừng Zhi-wu cộng (2016) phân tích mơ hình 3D tương tác động lực cầu xe lửa có xét đến độ mấp mơ ray tàu phương pháp tiến hóa mật độ xác xuất Ở Việt Nam, tác giả Trần Thanh Hải Nguyễn Đình Kiên (2010) cơng bố kết phân tích tương tác cầu xe di động mặt cầu lồi lõm theo phương pháp PTHH Vũ Văn Toản (2017) phân tích dao động kết cấu nhịp cầu dầm tác động hoạt tải khai thác có xét đến độ mấp mô mặt cầu Luận án tập trung nghiên cứu mơ hình tương tác động lực học ngẫu nhiên kết cấu CDV hoạt tải xe di động mặt cầu không phẳng theo lý thuyết dao động ngẫu nhiên dừng 1.4 Kết luận chƣơng - Nghiên cứu mơ hình tương tác động lực học ngẫu nhiên kết cấu CDV tác dụng hoạt tải xe di động mặt cầu không phẳng dựa phương pháp PTHH kết hợp với phương pháp mô Monte-Carlo Độ gồ ghề mặt cầu mơ q trình ngẫu nhiên dừng Gaussian, có tính Egordic Kết cấu CDV mơ hình hóa tổng thể bao gồm: dầm chủ, tháp cầu dây cáp văng làm việc mặt phẳng thẳng đứng - Xây dựng thuật tốn chương trình phân tích tương tác động lực học cầu-xe có xét đến độ mấp mô mặt cầu - Nghiên cứu chế tạo thiết bị xe đo độ mấp mô mặt cầu thực tế để nâng cao độ xác thể ngẫu nhiên đầu vào tốn phân tích tương tác động lực học cầu-xe - Kết phân tích mơ hình số kiểm chứng với kết thực nghiệm cơng trình CDV Phị Nam (TP Đà Nẵng) - Đánh giá hệ số động lực (1+IM) CDV theo quan điểm ngẫu nhiên Khảo sát ảnh hưởng tình trạng mặt cầu khả gây dao động kết cấu thông qua hệ số động lực (1+IM) CHƢƠNG MƠ HÌNH HĨA ĐỘ GỒ GHỀ MẶT CẦU THEO LÝ THUYẾT NGẪU NHIÊN VÀ PHÂN TÍCH THỐNG KÊ CÁC ĐẶC TRƢNG CỦA QUÁ TRÌNH NGẪU NHIÊN 2.1 Mở đầu Nội dung chương trình bày sở tốn học mơ độ gồ ghề mặt cầu theo lý thuyết ngẫu nhiên; nghiên cứu xây dựng thuật tốn chương trình khởi tạo thể đầu vào độ gồ ghề mặt cầu theo lý thuyết ngẫu nhiên phương pháp mô Monte-Carlo; nghiên cứu xây dựng thuật tốn chương trình phân tích thống kê đặc trưng trình ngẫu nhiên dựa thể đầu ngẫu nhiên kết cấu 2.2 Các khái niệm trình ngẫu nhiên Trong mục trình bày khái niệm tốn học liên quan đến q trình ngẫu nhiên như: biến ngẫu nhiên đặc trưng xác suất; trình ngẫu nhiên; đặc trưng trình ngẫu nhiên; trình ngẫu nhiên dừng; trình ngẫu nhiên dừng Egordic; hàm mật độ phổ công suất; mô men phổ chiều rộng phổ… 2.3 Mơ hình hóa độ gồ ghề mặt cầu theo lý thuyết ngẫu nhiên 2.3.1.Mô hàm mật độ công suất mặt cầu -Phương trình thể mối quan hệ hàm mật độ phổ công suất miền không gian hàm mật độ phổ công suất miền thời gian độ gồ ghề mặt cầu thể sau: Sr     2  v i  / v v d  v    Rr  v  e 2    Rr   e i d vSr    Trong đó: ω = v.Ω với v vận tốc xe 2.3.2 Mô độ gồ ghề mặt cầu theo lý thuyết ngẫu nhiên Dạng kích động ngẫu nhiên theo thời gian độ gồ ghề mặt cầu gây xác định sau: M r  t    Ak cos k t   k ; Ak  2Sr k    2Sr  k   k 1 2.3.3 Xác định hàm phổ mật độ công suất (PSD) mặt cầu miền không gian Theo ISO 8608:1995, dạng hồi quy hàm phổ mật độ công suất (PSD) độ gồ ghề mặt cầu xác định theo công thức sau:   S r     Sr  0     0   2.3.4 Chương trình mơ thể ngẫu nhiên độ gồ ghề mặt cầu Bàõt âáưu Khåíi tảo biãún ngáùu nhiãn phán bäú âãưu khong [0-1] Tênh toạn biãún ngáùu nhiãn phán bäú âãưu khong [0-2] Nháûp tham säú phäø theo ISO 8608:1995 S Thỉûc nghiãûm âo âäü gäư gãư màûût cáưu bàịng xe âo + cm biãún chuøn vë  Chuøn âäøi hm phäø tỉì miãưn khäng gian sang thåìi gian Sr() - Sr() Phán têch haìm phäø PSD ca âäü gäư gãư màût cáưu bàịng phỉång phạp Welch, Sr() -Chn miãưn táưn säú -Chn bỉåïc táưn säú -Tênh toạn cạc táưn säú råìi rảc Tênh toạn cạc tung âäü phäø tải cạc táưn säú råìi rảc Tênh toạn cạc hãû säú biãn âäü ca cạc hm âiãưu thnh pháưn -Chn bỉåïc thåìi gianú -Tênh toạn cạc thãø hiãûn âäü gäư ghãư ngáùu nhiãn V âäư thë hiãøn thë kãút qu cạc thãø hiãûn âäü gäư ghãư ngáùu nhiãn Lỉu kãút qu dảng file text Kãút thục Hình 2.9 Sơ đồ thuật tốn chương trình mơ thể độ gồ ghề ngẫu nhiên mặt cầu 2.4 Phƣơng pháp mô Monte-Carlo Trong mục giới thiệu sở lý thuyết đường lối phân tích tương tác động lực ngẫu nhiên kết cấu cơng trình phương pháp mơ Monte-Carlo 2.5 Phân tích thống kê đặc trƣng q trình ngẫu nhiên 2.5.1 Xác định đặc trƣng xác suất thống kê thể Mật độ phổ tần số ω thể x(t) tính công 11 w (y) (z) G3 Sin 3 m13 G2 Sin 2 m13 g d13 k13 m13 z13 k13 y13+d 13 y13 m 23 d23 m23 g k23 m23 z23 F3 = k23 y23+d 23 y.23 r3 u3 w3 G1 Sin 1 m12 z 13 m12 g d12 k12 m12 z12 k12 y12+d 12 y12 m 22 z 23 m22 g d22 k22 m22 z22 m11 z 12 m11 g z 11 k11 m11 z11 k11 y11+d 11 y11 d11 m 21 z 22 F2 = k22 y22+d 22 y.22 d21 m2i g k21 m21 z21 z 21 F1 = k21 y21+d 21 y.21 r2 u2 w r1 u1 w1 O x3 x2 x x1 L Hình 3.1 Mơ hình tương tác cơng trình cầu e di động mặt cầu có độ gồ ghề ngẫu nhiên 3.2.2 Phƣơng trình tƣơng tác dao động uốn dao động dọc phần tử dầm (CDV) dƣới tác dụng hoạt tải di động mặt cầu không phẳng   4w 5w   2w w  p  x, z , t   EJ d       m    x  x  t  t t     2  EFd  u2x   Fd  u2x   u x  q( x, t ) x t t   n  p  x, z , t    i  t  Gi sin i   m1i  m2i  g  m1i z1i  m2i z 2i    x      i 1  i  t   m1i z1i  d1i z1i  d1i z2i  k1i z1i  k1i z2i   i  t  Gi sin i  m1i g   t  m z  d z  d  d z  k z  k  k z   1i 2i  2i 1i 1i  1i 2i  2i  1i 1i  i    2i 2i   i  t   k2i  wi  ri   d 2i  wi  ri   m2i g   3.2.3 Rời rạc hóa phƣơng trình tƣơng tác dao động uốn dao động dọc phần tử dầm (CDV) dƣới tác dụng hoạt tải di động mặt cầu có độ gồ ghề ngẫu nhiên theo không gian phƣơng pháp Galerkin Áp dụng phương pháp Galerkin kết hợp với lý thuyết Green, phương trình dao động hệ cầu-xe viết dạng ma trận:   . M e q   Ce q   K e q   f e      12 Trong đó: Me, Ce, Ke - ma trận khối lượng, ma trận cản, ma                     trận độ cứng hỗn hợp toàn hệ q , q , q ,  f e  -lần lượt véctơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị, lực hỗn hợp hệ 3.2.4 Phân tích phƣơng trình tƣơng tác dao động uốn dao động dọc phần tử dầm (CDV) dƣới tác dụng hoạt tải di động mặt cầu có độ gồ ghề ngẫu nhiên theo thời gian phƣơng pháp số Theo phương pháp Runge-Kutta, nghiệm phương trình vi phân dao động hệ xấp xỉ sau:     . . F F F F q   q   K  2.K  2.K  K   i 1   i     f f f f q   q   K  2.K  2.K  K   i 1   i 3.3 Phƣơng trình vi phân dao động phần tử cáp CDV Phương trình vi phân dao động ngang phần tử cáp: EJ  v( x, t ) x  T (t )  v( x, t ) x  h(t ) 2 y x  m  v( x, t ) t  c v( x, t )  g ( x) t Phương trình vi phân dao động dọc phần tử cáp: EF  2u ( x, t ) x  m u ( x, t ) t  c u( x, t )  q( x) t - Áp dụng phương pháp Galerkin để rời rạc hố phương trình vi phân dao động phần tử cáp theo không gian kết hợp lý thuyết Green, phương trình vi phân dao động phần tử cáp viết dạng ma trận: M e q  Ce q  Ke q  fe Phương trình vi phân phần tử cáp kết hợp với phần tử khác như: phần tử (tháp cầu), phần tử dầm tương tác với xe để xây dựng phương trình vi phân dao động tồn hệ thống CDV Phương trình vi phân dao động tồn hệ thống CDV giải phương pháp lặp trực tiếp kết hợp với phương pháp Runge-Kutta 13 3.4 Thuật tốn chƣơng trình mơ Monte Carlo để giải toán tƣơng tác dao động ngẫu nhiên cầu dây văng hoạt tải xe di động mặt cầu không phẳng Nội dung phương pháp Mô Monte-Carlo gồm bước: Bước 1: Mô thể độ gồ ghề ngẫu nhiên Bước 2: Giải phương trình dao động tồn hệ thống tương ứng với thể độ gồ ghề ngẫu nhiên tìm bước để xác định đại lượng chuyển vị, nội lực toàn kết cấu Bước 3: Tính đặc trưng xác suất đại lượng cần tìm sở xử lý thống kê kết bước Bàõt âáöu Nháûp säú N thãø hiãûn âäü gäö ghãö ngáùu nhiãn ca màût cáưu i=1 Khåíi tảo thãø hiãûn õọỹ gọử ghóử theo chổồng trỗnh DGGNN i=i+1 Giaới phổồng trỗnh dao õọỹng cỏửu - xe di õọỹng trón mỷt cáưu khäng bàịng phàóng  i=100 đảm bảo độ hội tụ kết đầu đồng thời giảm thiểu đáng kể thời gian phân tích xử lý kết -Tiến hành khảo sát ảnh hưởng tình trạng mặt cầu đến dao động cơng trình cầu thơng qua đại lượng đặc trưng ngẫu nhiên hệ số động lực (1+IM) Kết phân tích cho thấy: kết cấu dây văng Phò Nam giá trị kỳ vọng (giá trị trung bình theo xác suất) hệ số động lực (1+IM) thay đổi (