Nghiên cứu xác định tham số đặc trưng dao động của kết cấu cầu bằng phương pháp động để cải tiến công tác quản lý cầu

Xác định các tham số đặc trƣng dao động của các KCN cầu đƣợc lựa chọnởthờiđiểmbanđầu

03 KCN cầu dầm chữ T bê tông dự ứng lực: cầu Phùng Xá, cầu Tế Tiêu vàcầuCốngThần,. Xác định các tham số đặc trƣng dao động của các KCN cầu đƣợc lựa. Các dầm ngang đƣợc đổ tại chỗ ở 4 vị trí dọc theo cầu: tại 2 đầu dầm và 2 vị trígiữadầm.Bảnmặtcầubêtôngcốtthépcóchiềudày200mmđƣợcđổtạichỗvàliênkếtvớicácdầmc hủthôngquacốtthépchờ.

Dầm dọc và dầm ngang đƣợc mô hình bằng phần tử dầm không gian 2 nút(BEAM188). Phần tử dầm này có 6 bậc tự do tại mỗi nút, bao gồm 3 chuyển vị theophươngx,y,z,và3gócxoayquanhtrục x,y,ztronghệtrụctọađộđịaphương.Hệtrục tọa độ địa phương của phần tử dầm có 2 nút I, J được thể hiện trên Hình 3.4a,trongđótrụcxlàtrụcdọctheochiềudàicủaphầntử.Ngoài2nútIvàJxácđịnhphầntử,núttùychọ nKcótácdụngxácđịnhmặtphẳngtảitrọngtácdụnglênphầntử. Bản mặt cầu đƣợc mô hình bằng phần tử bản 4 nút (SHELL181) nhƣ minhhọatrênHình3.4b.Phầntửnàycó6bậctựdotại mỗinútbaogồm3chuyển vịtheo phương x, y, z, và 3 góc xoay quanh trục x, y, z trong hệ tọa độ địa phương.Trên thực tế, bản mặt cầu được liên kết cứng với các dầm chủ, do đó trong mô hìnhphần tử hữu hạn này, các phần tử vỏ đƣợc liên kết cứng với các dầm chủ thông quacác neo rất cứng, các neo này đƣợc mô hình bằng phần tử dầm có chiều dài bằngkhoảngcáchtừ timdầmchủđếnmặttrungbìnhcủabảnmặt cầu. Tấmbản mô hình bản mặt cầu có dạng hình bình hành do cầu chéo. Lớp phủ mặt cầu. đứng,cácđầudầmbêntráiđượccốđịnhtheophươngdọc,trongkhicácđầudầmbênph ảiđược phépchuyểnvịtheophươngdọc[21,22]. b) Phầntử bản(SHELL181) Hình3.4.Phầntửdầmvàphầntửbản(tấm).

Các tham số đặc trƣng dao động bao gồm tần số riêng và dạng dao động(mode shape) đƣợc tính toán từ mô hình phần tử hữu hạn của 6 cầu kể trên. Cáctham số này được tóm tắt trong các bảng, các hình dưới đây và được trình bày đầyđủtrongPhụlục. Trong mục này, luận án đã xây dựng đƣợc mô hình PTHH để tính toán cáctham số dao động cho các KCN cầu dầm giản đơn BTDUL.

Bằng cách sử dụng vàkết hợp các phần tử dầm và phần tử bản không gian, có thể mô hình đƣợccác dạngKCN cầu khác nhau nhƣ KCN cầu bản, cầu dầm mặt cắt chữ T và mặt cắt chữ I.Nhƣ vậy, có thể dùng mô hình PTHH để xác định đƣợc giá trị các tham số độnggồmtầnsốriêngvàdạngthứcdaođộngcủaKCNcầuởtrạngtháibanđầu.Ngoài ra nếu biết các hƣ hỏng tại vị trí cụ thể thì mô hình PTHH cũng cho phép thay đổithôngsố KCtạivịtríđóđểtínhra cácthamsốđộngcủaKCtươngứng.

Thực nghiệmđodaođộng6KCNcầutrênđịabànTP HàNội

Thời gian mỗi lần đo kéo dài từ 10 – 20 phút.Thời gian ngắt quãng giữa hai lần đo tùy thuộc vào nguồn kích thích, thông thườngbắt đầu lần đo ngay trước khi có phương tiện đi vào cầu (đo trong điều kiện khaithác),hoặcngắtquãngtừ 2–5phút. Vì vậy, đểđồng bộ thời gian giữa các máy GMSplus, mỗi máy đƣợc gắn thêm 1 bộ định vịGPSđểlấythờigianchínhxáctừvệtinh.ChukỳcậpnhậtthờigianGPScủamáylà2lầ n/phút. Để tìm ra các đặc trưng động của kết cấu bằng đo dao động, trước tiên kếtcấu phải được kích thích (tạo dao động) bằng lực tác động.

Đối với KCN dầm giản đơn trên mặt cắt ngang có nhiều dầm, các điểm đodao động phải đƣợc bố trí trên toàn bộ các dầm. Trong trường hợp sử dụng cảm biến đo 3 phương, thì số điểm đo cho 1 dầmlà3điểm,vàtổngsốđiểmđochoKCNcó6dầmlà18điểmđo. Cầu Cống Thần cũng có 4 dầm chủ (chữ T) trên mặt cắt ngang giống cầuPhùng Xá, vì vậy sơ đồ bố trí điểm đo cầu này giống nhƣ bố trí cho cầu Phùng Xá(Hình3.37và3.38).

Các số liệu đo này đều đã đƣợc xử lý bằng phần mềm MACEC 3.2 (do TrườngĐại học KU Leuven, Vương quốc Bỉ phát triển) để xác định các tần số dao độngriêngvà modedaođộngtươngứngcủaKCN[24]. Tiền xử lý: từ dữ liệu thô thu đƣợc sử dụng các thuật toán chuyển đổi đểđƣa số liệu về định dạng có thể tiến hành phân tích. Khai báo mô hình hình học của kết cấu: công việc này bao gồm khai báo vịtrí kênh đo, khai báo các điểm dao động tương tự điểm đặt kênh đo, khaibáophầntử dầmđểmôhìnhkếtcấu.

Biểu diễn kết quả: ở bước cuối cùng này phổ tần số sau khi được phân tíchsẽ cho ra kết quả là tần số dao động và dạng thức dao động. Khi tiến hành đo dao động kết cấu cầu trong điều kiện khai thác để tìm ra cácthông số dao động đặc trưng cho kết cấu người ta có thể đo thông qua các phản ứngcủa kết cấu như gia tốc, chuyển vị hoặc biến dạng động tại một số điểm nút trên kếtcấu. Dưới đây là một ví dụ để giải thích quy trình phân tích xử lý số liệu nhận dạngdao động để tìm ra các tham số đặc trƣng dao động từ dữ liệu đo.

Giả sử cần tìm đặctrƣng dao động của một dầm công son như Hình 3.24 dưới đây, cần phải bố trí ítnhất 4 điểm đo dao động tại bốn vị trí là bốn bậc tự do trên dọc chiều dài 1,6m củadầm. Dữ liệu thí nghiệm đo dao động cho minh họa này đƣợc lấy từ nghiên cứuthực nghiệm đã đƣợc công bố của Allemang và Brown [30]. Số liệu này là bốn biểuđồ dao động theo phương thẳng đứng (phương Z) tại bốn điểm đo từ 1 đến 4 theothời gian trong khoảng thời gian đo hơn 160 giây nhƣ thể hiện trên Hình 3.25- 3.28.Dữliệuđobaogồm8192điểmdữ liệuvớitầnsốlấymẫuđolà100Hz.

Kếtquả nhậndạngdaođộng KCNcầuCốngThần

Mỗi điểm đo có ba đồ thị dao độngtheo baphương:nằmngang ngang cầu, nằm ngangdọccầu,vàthẳng đứng.S ử dụng phần mềm MACEC 3.2 để xử lý số liệu đo và thực hiện nhận dạng dao độngcủa kết cấu. Kết quả biểu đồ ổn định phổ tần số KCN N1 cầu Cống Thần được thểhiệnnhưhình dưới.