Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể của cầu trần thị lý dựa trên số liệu quan trắc gps và mô hình phần tử hữu hạn

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ ANH VŨ C C NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TỔNG THỂ CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ R L T DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC GPS VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN DU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐÀ NẴNG, NĂM 2021 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ ANH VŨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TỔNG THỂ CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ C C DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC GPS VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN R L T Chuyên ngành Mã số DU : Kỹ thuật Xây dựng Cơng trình giao thơng : 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: HD1: TS VÕ DUY HÙNG HD2: TS LÊ VĂN HIẾN ĐÀ NẴNG, NĂM 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Đỗ Anh Vũ C C DU R L T TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TỔNG THỂ CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC GPS VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN Học viên: Đỗ Anh Vũ Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thơng Mã số: 85.80.205 Khóa: K38.XGT Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Kết cấu cầu treo dây văng có khả vượt nhịp lớn nhạy cảm với tác động môi trường Cầu treo dây văng Trần Thị Lý, thành phố Đà Nẵng nằm khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp vật liệu bê tơng cốt thép lớn với bậc siêu tĩnh cao hệ thống làm cho ảnh hưởng nhiệt độ đến biến dạng tổng thể cầu phức tạp cần xem xét đến đánh giá cầu Luận văn nghiên cứu ứng ảnh hưởng tải trọng nhiệt độ tác động cầu thông qua liệu thu thập từ hệ thống quan trắc đồng thời để kiểm chứng so sánh mơ hình phần tử hữu hạn liệu quan trắc Kết cho thấy số liệu quan trắc phảnh ánh sức khỏe làm việc kết cấu, hệ số tương quan chuyển vị điểm đỉnh tháp nhiệt độ cao Cuối cùng, mơ hình PTHH mơ với sai số nhỏ ảnh hưởng tải trọng nhiệt độ đến phận kết cấu cầu dây văng Trần Thị Lý thể rõ ràng Từ khóa: Cầu Trần Thị Lý, hệ thống GPS, cầu dây văng, tải trọng nhiệt độ, biến dạng, hệ số tương quan C C R L T DU STUDY ON THE EFFECTS OF TEMPERATURE ON GENERAL DEFORMATION OF TRAN THI THAO TRAN ON THE GPS MONITORING DATA AND DEFINITE DEVICE MODEL Abstract: The cable-stayed bridge structure is capable of long span but is sensitive to environmental impacts Tran Thi Ly bridge, Da Nang city located in the Central Region has a relatively large temperature change amplitude, the main span structure is made of steel concrete material so the greater the effect of temperature on the structural behavior Analysis and design of cable stayed bridge structure is often very complicated due to the geometrical nonlinearity of the system The long span length of the steel concrete girder together with the super-static level of the system makes the effect of temperature on global behavior quite complicated and needs to be considered in the bridge evaluation This thesis studies the behavior of bridges due to the temperature load affecting the bridge through data collected from the structural heath monitoring system At the same time, it is also to verify and compare between finite element model and monitoring data Research results show that field measurement data completely reflected the structural health, the correlation coefficient between displacement of tower and temperature load for Tran Thi Ly cablestayed bridge is quite high Finally, FEM model will be carried out to investigate the effect of temperature load on each structural part of Tran Thi Ly cable-stayed bridge Keywords: Tran Thi Ly Bridge, GPS system, cable-stayed bridge, temperature load, distortion, correlation coefficient MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC .3 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH pHẦN MỞ ĐẦU .1 C C Lý chọn đề tài R L T 1.1 Mục tiêu đề tài 1.2 Đối tượng phạm vi nghiên cứu DU 1.3 Phương pháp nghiên cứu TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU VÀ ỨNG DỤNG GPS TRONG ĐO ĐẠC CƠNG TRÌNH CẦU2 1.1 Tổng quan cầu dây văng Trần Thị Lý 1.1.1 Địa điểm xây dựng 1.1.2 Quy mơ cơng trình 1.2 Tác động nhiệt độ đến cơng trình cầu 1.2.1 Một số tác động tải trọng nhiệt độ 1.2.2 Tác động tải trọng nhiệt độ đến cơng trình cầu 1.2.3 Giới thiệu GPS (Global Positioning System introduction) 1.2.4 Hệ thống giám sát GPS ứng dụng quan trắc cơng trình cầu 1.3 Kết luận chương .10 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MƠ PHỎNG VÀ TÍNH TỐN TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ TRONG CƠNG TRÌNH CẦU 11 2.1 Hệ thống GPS cảm biến nhiệt độ cầu Trần Thị Lý .11 2.2 Cơ sở phương pháp PTHH tính tốn kết cấu cầu 15 2.3 Cơ sở phân tích tải trọng nhiệt độ cơng trình cầu 18 2.3.1 Theo 22TCN 18-79 18 2.3.2 Theo AASHTO LRFD-07 19 2.3.3 Theo TCVN 11823:2017 .20 2.3.4 Theo Eurocode EN 1991-1-5 .21 2.4 Mô tải trọng nhiệt độ 23 C C 2.4.1 Gradient nhiệt kết cấu nhịp bê tông 23 R L T 2.4.2 Gradient nhiệt trong kết cấu tháp 25 DU 2.4.3 Biên độ nhiệt độ 26 2.5 Kết luận chương .27 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 28 3.1 Phân tích tương quan chuyển vị nhiệt độ cầu Trần Thị Lý dựa số liệu đo quan trắc thực tế 28 3.1.1 Phân tích chuyển vị điểm đỉnh tháp dựa số liệu quan trắc GPS 28 3.1.2 Phân tích tương quan chuyển vị yếu tố nhiệt độ cầu Trần Thị Lý 33 3.2 Mơ hình hóa cầu Trần Thị Lý xác thực mơ hình .37 3.2.1 Mơ hình hóa cầu Trần Thị Lý 37 3.2.2 Xác thực mô hình cầu Trần Thị Lý .46 3.3 Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến biến dạng cầu Trần Thị Lý dựa vào mơ hình phần tử hữu hạn(FEM) 47 3.3.1 Nghiên cứu Gradient nhiệt đến kết cấu 47 3.3.2 Nghiên cứu ảnh hưởng chênh lệch nhiệt độ đến ứng xử kết cấu 48 3.4 Kết luận chương .59 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .60 Kết luận 60 Kiến nghị .60 Hướng nghiên cứu 60 TÀI LIỆU THAM KHẢO 61 C C DU R L T DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials PTHH TCN Phần tử hữu hạn Tiêu chuẩn ngành TU Temperature Uniform C C DU R L T DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Một số thông số cảm biến lắp cầu Trần Thị Lý 12 Bảng 2 Thay đổi nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07 .19 Bảng Chênh nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07 19 Bảng Nhiệt độ thay đổi theo TCVN 11823:2017 20 Bảng Chênh nhiệt sở theo TCVN 118232:2017 .21 Bảng Chênh nhiệt đô tuyến tính loại cầu theo Eurocode 22 Bảng Số liệu quan trắc chuyển vị đỉnh tháp đầu vào 29 Bảng Tính toán giá trị chuyển vị đoạn liệu 30 Bảng 3 Sai số trung phương chuyển vị tháp theo đoạn khảo sát 30 C C Bảng Ý nghĩa hệ số tương quan Bảng Hệ số tương quan R L T Bảng Chi tiết khai báo vật liệu 34 36 39 Bảng Kết chuyển vị đo đỉnh tháp cầu Trần Thị Lý 46 Bảng Chuyển vị đỉnh tháp ảnh hưởng gradient nhiệt tháp 47 Bảng Chuyển vị dầm chủ ảnh hưởng gradient nhiệt dầm chủ 47 Bảng 10 Kết chuyển vị kết cấu nhịp theo trường hợp 52 Bảng 11 Kết chuyển vị đỉnh tháp phương theo trường hợp 52 Bảng 12 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 10oC 53 Bảng 13 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 20oC 54 Bảng 14 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 30oC 55 Bảng 15 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 37oC 56 DU DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1 Cầu Trần Thị Lý Hình Bố trí chung cầu Hình Mặt cắt ngang dầm nhịp biên Hình Mặt cắt ngang dầm nhịp Hình Kí hiệu dây cáp văng Hình Mắt cắt ngang dầm hộp chịu tác động nhiệt độ .6 Hình Vệ tinh GPS Hình Cấu trúc hệ thống GPS Hình Nguyên lý đo GPS C C Hình 10 Sơ đồ hệ thống quan trắc GPS Hình 11 Mơ hình quan trắc cầu dây văng GPS R L T Hình Cảm biến quan trắc nhiệt độ RTD PT100 11 DU Hình 2 Vị trí đặt cảm biến quan trắc nhiệt độ chuyển vị cầu Trần Thị Lý .12 Hình Thân trụ tháp, đốt PYS20 .13 Hình Thân trụ tháp, đốt PYS01 .13 Hình Gối Trụ S5 .14 Hình Dầm chủ S3-S4 14 Hình Dầm chủ S4-S5 14 Hình Dầm chủ SG9 14 Hình Dầm chủ SG18 14 Hình 10 Dầm chủ SG46 15 Hình 11 Dầm chủ SG46 15 Hình 12 Biểu đồ Gradient nhiệt phương thẳng đứng kết cấu nhịp thép bê tông theo TCVN 118232:2017 21 Hình 13 Hiệu chỉnh nhiệt độ thay đổi cho cấu kiện cầu theo nhiệt độ không khí .22 Hình 14 Chênh lệch nhiệt dương kết cấu 23 56 Bảng 15 Sự thay đổi lực căng cáp chịu tải trọng nhiệt độ cấu kiện chênh 37oC STT Dây Lực Dây Lực Dây Lực Dây Lực văng căng(KN) văng căng(KN) văng căng(KN) văng căng(KN) 101 -113.24 201 -113.57 301 -332.14 316 4.86 102 -105.99 202 -106.34 302 -281.85 317 11.22 103 -98.72 203 -99.10 303 -247.33 318 16.32 104 -83.92 204 -84.29 304 -221.36 319 20.06 105 -75.06 205 -75.44 305 -192.68 320 20.84 106 -61.13 206 -61.48 306 -162.80 321 21.37 107 -54.98 207 -55.34 307 -135.35 322 20.58 108 -51.99 208 -52.37 308 -112.24 323 18.14 109 -49.86 209 -50.26 309 -90.98 324 15.12 10 110 -48.65 210 325 10.44 11 111 -34.95 211 -54.17 326 4.54 12 112 -35.41 13 113 -33.96 R L T -70.42 14 114 15 115 C C -49.07 310 -35.26 311 312 -37.99 327 -2.96 -34.28 313 -24.58 328 -11.92 -35.53 DU -35.73 214 -35.86 314 -12.99 329 -21.97 -34.89 215 -35.21 315 -3.17 330 -33.09 16 331 -46.13 17 332 -61.78 18 333 -79.11 212 213 57 Hình 32 Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng dọc tim cầu chịu tải trọng C C nhiệt độ theo trường hợp khác R L T Nhận xét: Từ biểu đồ, dây văng chịu tác động chênh lệch nhiệt độ cao thấp DU so với nhiệt độ sở thi công, lực căng dây văng có thay đổi rõ rệt, hàng dây văng từ 301 đến 315 327 đến 333 bị giảm lực căng, lực căng giảm lớn 332.14(KN) dây 301 (dây văng dài xa tháp nhất) Hàng dây văng từ 316 đến 326 lại tăng lực căng, lực căng tăng lớn 21.37(KN) dây 321 Trong mặt phẳng dây văng dọc tim cầu này, có số dây văng tang lực căng số dây giảm lực căng Điều phản ánh tương quan độ giản dài dây văng so với tổng độ võng kết cấu nhịp chuyển vị tháp, thay đổi lực căng lớn trường hợp chênh lệch 37oC thay đổi lực căng bé trường hợp chênh lệch 10oC 58 Hình 33 Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng thượng lưu chịu tải trọng nhiệt độ theo trường hợp khác C C Nhận xét: R L T Từ biểu đồ, dây văng chịu tác động chênh lệch nhiệt độ cao thấp so với nhiệt độ sở thi công, lực căng dây văng có thay đổi rõ rệt, hàng DU dây văng từ 201 đến 215 bị giảm lực căng, lực căng giảm lớn 113.57(KN) dây 201 Chênh lệch nhiệt độ lớn lực căng dây văng thay đổi theo đường tuyến tính, thay đổi lực căng lớn trường hợp chênh lệch 37oC thay đổi lực căng bé trường hợp chênh lệch 10oC Hình 34 Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng hạ lưu chịu tải trọng nhiệt độ theo trường hợp khác 59 Nhận xét: Từ biểu đồ, dây văng chịu tác động chênh lệch nhiệt độ cao thấp so với nhiệt độ sở thi công, lực căng dây văng có thay đổi rõ rệt, hàng dây văng từ 101 đến 115 bị giảm lực căng, lực căng giảm lớn 113.24(KN) dây 101 Chênh lệch nhiệt độ lớn lực căng dây văng thay đổi theo đường tuyến tính, thay đổi lực căng lớn trường hợp chênh lệch 37oC thay đổi lực căng bé trường hợp chênh lệch 10oC 3.4.Kết luận chương Từ kết nghiên cứu số liệu GPS kết tính tốn từ mơ hình phần tử hữu hạn FEM Chúng ta đưa vài kết luận sau: C C - Số liệu quan trắc từ cầu Trần Thị Lý phản ánh làm việc cầu Hệ số tương quan chuyển vị đỉnh tháp nhiệt độ cao - theo phương R L T X, phù hợp với kết tính tốn phần mềm Tuy nhiên, phương Y Z hệ số tương quan thấp Vì vậy, ngồi yếu tố nhiệt độ, ta cần nghiên cứu thêm DU ảnh hưởng yếu tố khác gió, tải trọng động để đưa hệ số tương quan xác - Sự suy giảm lực căng dây văng mặt phẳng dọc tim cầu thay đổi biên độ yếu tố nhiệt độ có kết biến đổi phi tuyến Điều lý giải tương quan độ giãn dài dây văng so với tổng chuyển vị thẳng đứng dầm chuyển vị đỉnh tháp 60 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Nội dung thực luận văn "Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến biến dạng tổng thể cầu Trần Thị Lý dựa số liệu quan trắc GPS mơ hình phần tử hữu hạn " với phạm vi nghiên cứu mơ hình số liệu thu từ hệ thống quan trắc, luận văn thu kết sau: - Tương quan 02 yếu tố chuyển vị điểm đỉnh tháp nhiệt độ cao (theo phương X), tương quan theo phương Y Z thấp - Mô xác thực cầu dây văng Trần Thị Lý sát với kết kiểm định thực tế, sai số 6.24% - Sự thay đổi lực căng dây văng 03 mặt phẳng dây phản ánh rõ chịu tác động yếu tố nhiệt độ C C - Kết phân tích từ mơ hình phần tử hửu hạn phần mềm MIDAS phân tích kết thu từ hệ thống quan trắc phù hợp, số liệu quan trắc phản ánh rõ sức khỏe tình trạng làm việc kết cấu cầu dây văng Trần Thị Lý R L T Kiến nghị Cần tiếp tục nghiên cứu hiệu ứng tải trọng nhiệt độ gây biến dạng từ điểm DU chuyển vị đỉnh tháp với chuỗi số liệu dài nhằm đánh giá làm việc sức khỏe kết cấu cầu dây văng Trần Thị Lý thời gian tới, đưa khuyến cáo cho đơn vị quản lý cầu Trần Thị Lý số liệu có dấu liệu bắt đầu xảy cố thời điểm tương lai Tiếp tục nghiên cứu chi tiết ảnh hưởng tải trọng khác tác động lên cầu như: Ứng suất động hoạt tải gây mõi kết cấu; hiệu ứng tải trọng gió có bảo lớn; hiệu ứng tải trọng động đất, … Hướng nghiên cứu Trên sở nội dung luận văn, tác giả mong muốn tiếp tục số hướng nghiên cứu liên quan đến việc nhiệt độ ảnh hưởng đến kết cấu cơng trình cầu: - Áp dụng nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ cầu Rồng, cầu Ngã huế, … - Nghiên cứu loại tải trọng khác hoạt tải, gió, động đất…ảnh hưởng đến cấu cầu cơng trình cầu dây văng Trần Thị Lý tương quan gian yếu tố quan tâm 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt Sở GTVT thành phố Đà Nẵng, Hồ sơ thiết kế cầu Trần Thị Lý Sở GTVT thành phố Đà Nẵng, Hồ sơ thiết kế hệ thống quan trắc cầu Trần Thị Lý Trung tâm KHCN & Tư vấn đầu tư (2012), Hồ sơ hoàn công hệ thống quan trắc cầu dây văng Trần Thị Lý Hồ Thị Lan Hương, Nghiên cứu lựa chọn phần mềm xử lý số liệu lưới khống chế Trắc địa cơng trình cơng nghệ đo GPS Tạp chí khoa học Giao thông vận tải, số đặc biệt, tháng 10 năm 2013 Hồ Thị Lan Hương, Hồ Thị Hoài, Đánh giá hệ thống SHM quan trắc cầu dây Việt Nam Báo cáo tóm tắt hội thảo quốc tế Công nghệ địa tin học quan lý sở hạ tầng, tháng năm 2013 Hồ Thị Lan Hương, Nghiên cứu đánh giá độ xác công nghệ GPS hệ thống quan trắc cầu dây Tạp chí kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông địa kỹ thuật, số đặc biệt 40 năm hợp tắc Việt Nam – Nhật Bản, 2013 C C R L T DU Tiếng Anh PTI (2008), Recommendations for Stay-Cable Design, Testing and Installation, 5th ed Trung tâm KHCN & Tư vấn đầu tư, ĐHBK Đà Nẵng (2012) Hồ sơ hồn cơng hướng dẫn hành hệ thống quan trắc cầu dây văng Trần Thị Lý Giai đoạn Hien Van Le, Mayuko Nishio Time-series analysis of GPS monitoring data from a long-span bridge considering the global deformation due to air temperature changes.Journal of Civil Structural Health Monitoring, Springer, 2015 10 H V Le, M Nishio, H Yamada, H Katsuchi Statistical condition assessment of a cable stayed bridge using GPS structural health monitoring data The 7th International Conference of Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure SHMII, 2015 11 H V Le, M Nishio, H Yamada, H Katsuchi GPS Structural Health Monitoring of long-span cable stayed bridges considering environmental effects based on time series analysis Proceedings of International Summer Symposium, JSCE, P15-16, 2014 62 12 Yi Zhou, Limin Sun Insights into temperature effects on structural deformation of a cablestayed bridge based on structural health monitoring 13 Xiang Xu et al Modeling and separation of Thermal effects from cable-stayed Bridge Response C C DU R L T U D L T C C R C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... KHOA ĐỖ ANH VŨ NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG TỔNG THỂ CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ C C DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC GPS VÀ MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN R L T Chuyên ngành Mã số DU : Kỹ thuật... ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ đến biến dạng tổng thể cầu Trần Thị Lý dựa số liệu quan trắc GPS mơ hình phần tử hữu hạn? ?? cần thiết 1.1 Mục tiêu đề tài  Phân tích ảnh hưởng nhiệt độ đến biến dạng. .. .27 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ LIỆU QUAN TRẮC VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN 28 3.1 Phân tích tương quan chuyển vị nhiệt độ cầu Trần