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
• 2.4.1. Đáp ứng cầu chịu tải trọng di động
• 2.4.2. 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. Phân tích dao động kết cấu nhịp cầu

Phân tích dao động kết cấu là một phần quan trọng trong nghiên cứu về kết cấu cầu, đặc biệt khi xét đến tác động hoạt tải và độ mấp mô mặt cầu. Các phương tiện giao thông di chuyển trên cầu tạo ra tải trọng động, gây ra dao động cưỡng bức và dao động tự do. Những dao động này có thể dẫn đến hiệu ứng động lực bất lợi, ảnh hưởng đến độ bền kết cấu và tuổi thọ công trình. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định biên độ dao động, độ võng động lực, và ứng suất động lực để đánh giá hệ số động lực của cầu.

1.1. Tác động của tải trọng di động

Tải trọng di động từ các phương tiện giao thông là nguyên nhân chính gây ra dao động kết cấu. Khi xe di chuyển với tốc độ cao, tải trọng động tạo ra xung kích lớn, ảnh hưởng đến độ ổn định cầu. Các mô hình lý thuyết như mô hình tải trọng có khối lượng di chuyển trên dầm được sử dụng để phân tích dao động uốn của cầu. Nghiên cứu cũng xét đến độ mấp mô mặt cầu, một yếu tố ngẫu nhiên làm tăng hiệu ứng động lực.

1.2. Mô hình động lực học

Các mô hình động lực học như mô hình xe 1/4, mô hình xe 2 trục, và mô hình xe 3 trục được sử dụng để mô phỏng tương tác cầu-xe. Những mô hình này giúp phân tích đáp ứng động lực của cầu dưới tác động của tải trọng động. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng để giải các phương trình dao động, đảm bảo độ chính xác trong việc dự đoán độ võng và ứng suất của cầu.

II. Ảnh hưởng của độ mấp mô mặt cầu

Độ mấp mô mặt cầu là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến dao động kết cấu. Sự không bằng phẳng của mặt cầu tạo ra kích động ngẫu nhiên, làm tăng hiệu ứng động lực và hệ số động lực. Nghiên cứu này sử dụng hàm ngẫu nhiên để mô tả độ mấp mô mặt cầu, từ đó phân tích đáp ứng động lực của cầu dưới tác động của tải trọng di động.

2.1. Mô tả độ mấp mô mặt cầu

Độ mấp mô mặt cầu được mô tả bằng hàm ngẫu nhiên và mật độ phổ công suất. Các loại mặt cầu được phân loại theo tiêu chuẩn ISO, từ mặt cầu rất tốt đến mặt cầu rất xấu. Sự khác biệt về độ mấp mô ảnh hưởng trực tiếp đến độ võng động lực và hệ số động lực của cầu.

2.2. Phân tích đáp ứng động lực

Nghiên cứu sử dụng mô phỏng số để phân tích đáp ứng động lực của cầu dưới tác động của độ mấp mô mặt cầu. Kết quả cho thấy, độ mấp mô cao làm tăng biên độ dao động và độ võng động lực, đặc biệt khi xe di chuyển với tốc độ cao. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc duy trì độ bằng phẳng mặt cầu trong quá trình khai thác cầu.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu về phân tích dao động kết cấu nhịp cầu dưới tác động của hoạt tải khai thác và độ mấp mô mặt cầu có giá trị thực tiễn cao. Kết quả nghiên cứu giúp cải thiện thiết kế kết cấu cầu, đảm bảo độ bền và tuổi thọ công trình. Đồng thời, nghiên cứu cũng cung cấp cơ sở khoa học để điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế cầu, đặc biệt là các quy định về hệ số động lực và độ mấp mô mặt cầu.

3.1. Cải thiện thiết kế cầu

Kết quả nghiên cứu giúp các kỹ sư thiết kế cầu lựa chọn kích thước kết cấu và vật liệu phù hợp để giảm thiểu dao động kết cấu. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các cầu nhịp lớn và cầu dây văng, nơi hiệu ứng động lực có thể gây ra hư hỏng nghiêm trọng.

3.2. Điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế

Nghiên cứu đề xuất việc điều chỉnh tiêu chuẩn thiết kế cầu để phản ánh chính xác hơn ảnh hưởng của vận tốc xe và độ mấp mô mặt cầu đến hệ số động lực. Điều này giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả khai thác của các công trình cầu.