Phân tích dao động kết cấu nhịp cầu dưới tác động của hoạt tải khai thác và độ mấp mô mặt cầu

• Tác giả: Vũ Văn Toản
• Người hướng dẫn: GS.TS Nguyễn Viết Trung
• Trường học: Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Cầu - Hầm
• Đề tài: Phân tích dao động của kết cấu nhịp cầu dưới tác động của hoạt tải khai thác có xét đến độ mấp mô mặt cầu
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG CỦA KẾT CẤU NHỊP CẦU DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA HOẠT TẢI XE
• 1.1. Các tác động của tải trọng di động đối với kết cấu nhịp cầu
• 1.2. Các hướng nghiên cứu ảnh hưởng của hoạt tải (tải trọng di động) đối với công trình cầu
• 1.3. Các mô hình lý thuyết nghiên cứu dao động uốn của dầm dưới tác dụng của tải trọng di động
• 1.3.1. Mô hình 1: không xét đến khối lượng của tải trọng và của dầm
• 1.3.2. Mô hình 2: Tải trọng có khối lượng di chuyển trên hệ kết cấu không có khối lượng
• 1.3.3. Mô hình 3: Mô hình bỏ qua khối lượng của tải trọng di động, chỉ xét đến khối lượng của dầm
• 1.3.4. Mô hình 4: Tải trọng có khối lượng chuyển động trên dầm có khối lượng
• 1.3.5. Các mô hình xét đến tải trọng di động do ảnh hưởng mấp mô bề mặt
• 1.4. Tổng quan về nghiên cứu dao động của xe và tương tác cầu - xe
• 1.5. Đánh giá dao động của ô tô trên đường
• 1.6. Các mô hình dao động ô tô
• 1.7. Hàm kích động
• 1.8. Phân tích chọn mục tiêu, đối tượng, phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC ĐỘNG LỰC HỌC GIỮA XE VÀ CẦU CÓ XÉT ĐẾN ĐỘ MẤP MÔ MẶT CẦU
• 2.1. Cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn giải bài toán dao động dầm
• 2.1.1. Nguyên lý biến phân chuyển vị
• 2.1.2. Phương trình chuyển động
• 2.1.3. Phương trình dao động của phần tử hữu hạn dầm chịu uốn thuần tuý
• 2.1.4. Phần tử dầm
• 2.2. Dao động của cầu dầm chịu tác dụng của tải trọng do xe chạy trên cầu
• 2.2.1. Dao động của phần tử dầm khi có các khối lượng di chuyển trên dầm - bài toán tương tác của phần tử hữu hạn dầm chịu uốn và tải trọng di động
• 2.2.2. Phương trình dao động của hệ cầu dầm có xe chạy trên
• 2.2.3. Phương pháp Time Newmark giải hệ phương trình chuyển động
• 2.3. Mô hình động lực học của xe
• 2.3.1. Mô hình xe 1/4
• 2.3.2. Mô hình xe 2 trục
• 2.3.3. Mô hình xe 3 trục
• 2.3.4. Mô tả mấp mô biên dạng mặt đường dạng hàm ngẫu nhiên
• 2.4. Phân tích đáp ứng của cầu dưới tác dụng của xe có kể đến mấp mô mặt cầu
• 2.5. Đáp ứng cầu chịu tải trọng di động
• 2.6. Thuật toán lặp giải bài toán tương tác động lực học cầu - xe
• 3. CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH HỆ SỐ GIẢM CHẤN CỦA MỘT SỐ KẾT CẤU CẦU ĐANG KHAI THÁC Ở VIỆT NAM
• 3.1. Phương trình vi phân dao động có cản của hệ kết cấu một bậc tự do
• 3.2. Phương pháp thực nghiệm xác định hệ số giảm chấn của kết cấu cầu
• 3.3. Xác định hệ số giảm chấn của một số kết cấu cầu khai thác tại Việt Nam
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA VẬN TỐC XE VÀ ĐỘ MẤP MÔ NGẪU NHIÊN MẶT CẦU ĐẾN HIỆU ỨNG ĐỘNG LỰC CỦA KẾT CẤU NHỊP
• 4.1. Phân tích áp dụng số với mô hình
• 4.2. Kiểm chứng kết quả từ mô hình tính và kết quả thực đo cầu Đa Phước
• 4.2.1. Đo độ mấp mô mặt cầu Đa Phước
• 4.2.2. Thử nghiệm động tại hiện trường
• 4.2.3. Kết quả tính toán từ mô hình
• 4.3. Dao động dầm giản đơn dưới tác dụng của xe 2 trục
• 4.4. Dao động dầm giản đơn dưới tác dụng của xe 3 trục
• 4.5. Dao động dầm liên tục dưới tác dụng của xe 2 trục
• 4.6. Dao động dầm liên tục dưới tác dụng của xe 3 trục
• 4.7. Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc xe và độ mấp mô ngẫu nhiên mặt cầu đến hệ số động lực của cầu dầm giản đơn
• 4.7.1. Mô phỏng mặt cầu ngẫu nhiên
• 4.7.2. Khảo sát hệ số động lực
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• PHỤ LỤC

I. Tổng quan về dao động kết cấu nhịp cầu

Dao động kết cấu là hiện tượng phổ biến trong các công trình cầu, đặc biệt dưới tác động của hoạt tải khai thác. Các phương tiện giao thông di chuyển trên cầu gây ra tác động động lực, dẫn đến dao động cưỡng bức và tự do. Nhịp cầu chịu ảnh hưởng lớn từ tốc độ và khối lượng của phương tiện, đặc biệt với các cầu nhịp lớn và cầu dây văng. Độ mấp mô mặt cầu cũng là yếu tố quan trọng, gây ra kích động ngẫu nhiên làm tăng dao động. Nghiên cứu này tập trung vào phân tích tác động tải trọng và động lực học cầu, nhằm đánh giá hiệu ứng động lực và đề xuất giải pháp thiết kế phù hợp.

1.1. Tác động của tải trọng di động

Tải trọng di động từ phương tiện giao thông gây ra dao động cưỡng bức cho kết cấu cầu. Tốc độ và khối lượng xe ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ dao động. Các mô hình lý thuyết nghiên cứu dao động uốn của dầm dưới tác dụng của tải trọng di động được phân thành nhiều loại, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả việc xét đến khối lượng tải trọng và khối lượng dầm. Độ mấp mô mặt cầu được mô tả như một hàm ngẫu nhiên, gây ra kích động bổ sung làm tăng dao động.

1.2. Mô hình dao động cầu xe

Mô hình tương tác giữa xe và cầu được xây dựng dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Các mô hình xe 1/4, 2 trục và 3 trục được sử dụng để mô phỏng tác động của tải trọng di động. Động lực học cầu được phân tích thông qua phương trình chuyển động và phương pháp Time Newmark. Mặt cầu không bằng phẳng được mô tả bằng hàm ngẫu nhiên, ảnh hưởng đến đáp ứng động của cầu.

II. Phân tích tác động của hoạt tải khai thác

Hoạt tải khai thác là yếu tố chính gây ra dao động trong kết cấu nhịp cầu. Tốc độ và khối lượng của phương tiện ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ dao động. Độ mấp mô mặt cầu gây ra kích động ngẫu nhiên, làm tăng dao động và ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình. Nghiên cứu này sử dụng mô hình số để phân tích đáp ứng động của cầu dưới tác động của tải trọng khai thác, từ đó đánh giá hiệu ứng động lực và đề xuất giải pháp thiết kế.

2.1. Ảnh hưởng của vận tốc xe

Vận tốc xe là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dao động kết cấu. Khi xe di chuyển với tốc độ cao, tác động xung kích tăng lên, dẫn đến biên độ dao động lớn hơn. Nghiên cứu này phân tích đáp ứng động của cầu dưới tác động của xe 2 trục và 3 trục với các tốc độ khác nhau. Kết quả cho thấy, tốc độ cao làm tăng đáng kể độ võng động và ứng suất động trong kết cấu.

2.2. Ảnh hưởng của độ mấp mô mặt cầu

Độ mấp mô mặt cầu được mô tả như một hàm ngẫu nhiên, gây ra kích động bổ sung làm tăng dao động. Nghiên cứu này sử dụng mô hình số để phân tích đáp ứng động của cầu dưới tác động của mặt cầu không bằng phẳng. Kết quả cho thấy, độ mấp mô cao làm tăng đáng kể biên độ dao động và ảnh hưởng đến tuổi thọ công trình.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu này cung cấp cái nhìn toàn diện về dao động kết cấu nhịp cầu dưới tác động của hoạt tải khai thác và độ mấp mô mặt cầu. Các kết quả phân tích cho thấy, tốc độ xe và độ mấp mô mặt cầu là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu ứng động lực. Việc áp dụng các mô hình số và phương pháp phân tích kết cấu hiện đại giúp đánh giá chính xác đáp ứng động của cầu, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế phù hợp. Nghiên cứu này có ý nghĩa thực tiễn cao, góp phần nâng cao chất lượng và tuổi thọ của các công trình cầu.

3.1. Giải pháp thiết kế

Dựa trên kết quả phân tích, các giải pháp thiết kế được đề xuất nhằm giảm thiểu dao động kết cấu. Các giải pháp bao gồm tối ưu hóa độ cứng của kết cấu cầu, cải thiện chất lượng mặt cầu, và kiểm soát tốc độ xe. Việc áp dụng các giải pháp này giúp giảm thiểu hiệu ứng động lực và kéo dài tuổi thọ công trình.

3.2. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu này mở ra hướng tiếp tục phân tích tác động tải trọng và động lực học cầu trong các điều kiện khác nhau. Các nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào ảnh hưởng của các yếu tố môi trường, như gió và động đất, đến dao động kết cấu. Việc phát triển các mô hình số phức tạp hơn cũng là hướng nghiên cứu tiềm năng.