Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

8
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận án "Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động" là nghiên cứu các đặc trưng dao động của cầu treo dây võng dân sinh dựa vào mô hình thực nghiệm và kết quả đo đạc dựa trên phương pháp nhận dạng dao động và phương pháp xử lý mô hình tính toán dao động; đề xuất phương pháp cập nhật mô hình (finite element model updating method) để xác định các tham số bất định của cầu treo dây võng dân sinh với độ chính xác cao.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ---------------------- PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG LUẬN ÁN TIẾN SỸ Hà Nội – 2023
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ---------------------- PHẠM QUANG HUY PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KIỀM CHẾ DAO ĐỘNG Ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số : 9580205 LUẬN ÁN TIẾN SỸ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long PGS.TS. Bùi Tiến Thành Hà Nội - 2023
i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... iv LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................v DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... vi DANH MỤC HÌNH ẢNH ............................................................................................ vii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG DÂN SINH VÀ CÁC TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG ......................................................................................................7 1.1. Tổng quan về cầu treo dây võng dân sinh và các nghiên cứu về cầu treo dây võng dân sinh ............................................................................................................................7 1.2. Tổng quan về các tải trọng trên cầu treo dây võng dân sinh ................................13 1.2.1. Giới thiệu ..........................................................................................................13 1.2.2. Một số tải trọng tác dụng lên cầu treo dây võng dân sinh ................................14 1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................................27 CHƯƠNG 2: Dao động trên cầu treo dây võng dân sinh và các biện pháp tăng cường kết cấu để kiểm soát dao động ......................................................................................28 2.1. Cơ sở lý thuyết về dao động kết cấu .....................................................................28 2.1.1. Bài toán giá trị riêng cho kết cấu dao động không tắt ......................................29 2.1.2. Dao động tắt dần tỷ lệ.......................................................................................31 2.1.3. Dao động giảm nhớt tổng quát .........................................................................32 2.1.4. Các tham số đặc trưng dao động [36]...............................................................33 2.2. Tổng quan về dao động trên cầu treo dây võng dân sinh .....................................35 2.2.1. Lý thuyết tính toán dao động cầu treo dây võng ..............................................35 2.2.2. Yêu cầu giảm dao động trên cầu treo dây võng dân sinh .................................47 2.3. Giới thiệu một số biện pháp tăng cường kết cấu ..................................................49
ii 2.3.1. Tổng quan một số biện pháp ............................................................................49 2.3.2. Sử dụng các thiết bị giảm chấn ........................................................................51 2.3.3. Tăng cường độ cứng .........................................................................................58 2.4. Kết luận chương 2 .................................................................................................66 CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU TRẠNG THÁI DAO ĐỘNG, CẬP NHẬT MÔ HÌNH CHO CẦU TREO DÂY VÕNG DÂN SINH NA XÁ ..................................................67 3.1. Giới thiệu về cầu treo Na Xá ................................................................................67 3.1.1. Quy mô .............................................................................................................67 3.1.2. Phương án kỹ thuật ...........................................................................................67 3.2. Mô hình số và thí nghiệm đo đạc cầu trước khi tăng cường ................................69 3.2.1. Mô hình phần tử hữu hạn .................................................................................69 3.2.2. Thí nghiệm đo đạc đặc trưng dao động cầu treo Na Xá trước tăng cường ......73 3.3. Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search - CS ......................................................80 3.3.1. Khoảng cách bước nhảy (step size) ..................................................................80 3.3.2. Tính toán Levy Flight .......................................................................................81 3.3.3. Chọn tổ để chim cúc cu thả trứng.....................................................................81 3.4. Phương pháp tối ưu hoá Cuckoo Search kết hợp tối ưu hoá đường chéo trực giao. ...............................................................................................................................82 3.4.1. Đường chéo trực giao .......................................................................................83 3.4.2. Thuật toán CS kết hợp đường chéo trực giao - ODCS .....................................83 3.5. Cập nhật mô hình cho kết cấu...............................................................................87 3.6. Kết luận chương 3 .................................................................................................90 CHƯƠNG 4: ĐỀ XUẤT CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG CHO KẾT CẤU SAU KHI CẬP NHẬT ...........................................................................................................92 4.1. Đề xuất giải pháp tăng cường cầu treo Na Xá ......................................................92 4.1.1. Phương án 1 ......................................................................................................92
iii 4.1.2. Phương án 2 ......................................................................................................98 4.1.3. Nhận xét và lựa chọn phương án thực hiện ....................................................102 4.2. Mô hình số và thí nghiệm đo dao động cầu treo Na Xá sau khi tăng cường ......107 4.2.1. Mô hình số sau khi tăng cường ......................................................................107 4.2.2. Thí nghiệm đo dao động cầu treo Na Xá sau khi tăng cường ........................111 4.2.3. So sánh giữa mô hình PTHH và kết quả đo dao động cầu treo Na Xá sau khi tăng cường ...................................................................................................................115 4.2.4. So sánh giữa kết quả đo trước và sau khi tăng cường ....................................115 4.3. Kết luận chương 4 ...............................................................................................116 KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ .........................................................................................117 Kết luận........................................................................................................................117 Kiến nghị .....................................................................................................................118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA NGHIÊN CỨU SINH ..................119 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................120 PHỤ LỤC ....................................................................................................................125
iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Hà Nội, ngày…..tháng…..năm 2023 Tác giả luận án Phạm Quang Huy
v LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập và nỗ lực nghiên cứu tại Trường Đại học Giao thông Vận tải, với sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân, nghiên cứu sinh đã hoàn thành luận án “Phân tích dao động cầu treo dân sinh và các giải pháp kiềm chế dao động”. Luận án được thực hiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long và PGS.TS. Bùi Tiến Thành. Nghiên cứu sinh xin gửi lời tri ân sâu sắc nhất đến các thầy hướng dẫn đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ, tạo điều kiện và động viên trong quá trình học tập, nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin trân trọng cảm ơn đến quý giáo sư, nhà khoa học, thầy cô giáo và đồng nghiệp đã đóng góp các ý kiến quý báu trong thời gian học tập và hoành thành luận án. Nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, Khoa Công Trình, Phòng Đào tạo Sau đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Trung tâm khoa học Công nghệ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã luôn ủng hộ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu. Nghiên cứu sinh xin dành lời cảm ơn gửi đến Công ty TNHH Giao thông vận tải - Trường Đại học Giao thông Vận tải đã hỗ trợ nghiên cứu sinh trong quá trình thực hiện các thí nghiệm. Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn các thành viên gia đình đã luôn thông cảm, đồng hành và chia sẻ những khó khăn trong suốt chặng đường học tập và hoàn thành luận án. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội - 2023
vi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1: Phân loại cầu treo ...........................................................................................9 Bảng 1-2: Một số cây cầu treo dây võng dân sinh ..........................................................9 Bảng 1-3: Khoảng tần số của người đi bộ và chạy bộ (Setra-2006) .............................21 Bảng 1-4: Phân loại ảnh hưởng của các hiện tượng khí động tới kết cấu .....................27 Bảng 2-1: Giá t hệ số 𝐶1 và 𝛾1 theo 𝛽 ..........................................................................46 Bảng 2-2: Một số biện pháp giảm dao động .................................................................50 Bảng 2-3: Các biện pháp giảm dao động cho kết cấu ...................................................52 Bảng 2-4: Mô-đun đàn hồi của một số loại vật liệu dùng cho kết cấu cầu ...................61 Bảng 3-1: Đặc trưng vật liệu của các bộ phận kết cấu mô hình PTHH ........................71 Bảng 3-2: Đặc trưng động của 04 hình thái dao động đầu tiên của mô hình PTHH ....72 Bảng 3-3: Phương đo dao động của các kênh đo tương ứng.........................................75 Bảng 3-4: So sánh đặc trưng động giữa mô hình PTHH và kết quả đo ........................78 Bảng 3-5: Các đặc tính vật liệu được chọn làm tham số cập nhật ................................87 Bảng 3-6: Bảng thông số của các thuật toán được sử dụng ..........................................88 Bảng 3-7: Thông số chung ............................................................................................88 Bảng 3-8: Kết quả so sánh giữa tần số đo được và kết quả cập nhật ............................89 Bảng 3-9: Kết quả độ cứng của kết cấu sau khi cập nhật ..............................................89 Bảng 4-1: 5 hình thái dao động riêng của cầu Na Xá với trường hợp 2 khoang giàn ...94 Bảng 4-2: 5 hình thái dao động riêng của cầu Na Xá với trường hợp 10 khoang giàn .96 Bảng 4-3: Đặc trưng động của 5 hình thái dao động đầu tiên .....................................101 Bảng 4-4: Bảng so sánh tần số các phương án với mô hình cầu Na Xá chưa tăng cường .....................................................................................................................................103 Bảng 4-5: So sánh đặc trưng động giữa mô hình PTHH và kết quả đo ......................115 Bảng 4-6: So sánh giữa kết quả đo trước và sau khi tăng cường ................................115
vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1-1: Sơ đồ kết cấu cầu treo dây võng dân sinh .......................................................7 Hình 1-2: Mô hình tác động của hoạt tải trên dầm có xét đến khối lượng của tải trọng di chuyển trên dầm.............................................................................................................15 Hình 1-3: Sự thay đổi của lực theo thời gian đối với các loại bước khác nhau ............18 Hình 1-4: Mô tả quá trình đi bộ theo phương dọc cầu ..................................................18 Hình 1-5: Phản lực mặt đất theo phương ngang và phương thẳng đứng trong ba bước liên tiếp ..........................................................................................................................19 Hình 1-6: Mô hình lực thẳng đứng khi chạy và đi bộ ...................................................20 Hình 1-7: Phân bố tần số khi người đi bộ bình thường .................................................22 Hình 1-8: Cầu Brighton Chain Pier sau khi bị bão phá hủy vào năm 1836 ..................24 Hình 1-9: Quan hệ vận tốc gió theo thời gian ...............................................................25 Hình 2-1: Hệ 1 bậc tự do ...............................................................................................28 Hình 2-2: So sánh biểu đồ dao động trong các trường hợp không có cản, cản ít, cản tới hạn và cản quá mức .......................................................................................................29 Hình 2-3: Mô hình hệ cáp – dầm ...................................................................................35 Hình 2-4:Mô hình hệ cáp – dầm ....................................................................................40 Hình 2-5: Mô tả các mô hình tính toán sự làm việc chung của kết cấu và các loại giảm chấn khác nhau (giảm chấn kiểu bị động, kiểu bán chủ động, kiểu chủ động) .............54 Hình 2-6: Sơ đồ nguyên lý các hệ thống giảm chấn......................................................54 Hình 2-7: Bộ giảm chấn roto kép ..................................................................................56 Hình 2-8: TRD được lắp đặt trên kết cấu có 1 bậc tự do ..............................................56 Hình 2-9: Kết quả thí nghiệm khi có bật và tắt hệ thống TRD .....................................58 Hình 2-10: Kết quả thí nghiệm khi có bật và tắt hệ thống TRD (c=5,6%). ..................58 Hình 2-11: Cầu treo được tăng cường bằng dây võng ngược căng trước .....................58 Hình 2-12: a) Sơ đồ biến dạng của cầu treo dầm cứng khi tải trên ½ nhịp; b) cầu treo có dây cáp chủ neo chặt vào giữa nhịp dầm cứng ..............................................................59 Hình 2-14: Cầu treo kiểu Sapluyn .................................................................................59
viii Hình 2-15: Cầu treo có dây đeo hình tam giác ..............................................................60 Hình 2-16: Định vị thiết bị bên ngoài ............................................................................62 Hình 2-17: a) Vị trí bộ giảm chấn; b) Phác thảo bộ thiết bị ..........................................62 Hình 2-18: a) Đính kèm cáp; b) Đính kèm tháp ............................................................62 Hình 2-19: Phản ứng của kết cấu tại vị trí ¼ nhịp của hệ thống không có kẹp cáp (Màu xanh: không có giảm chấn; màu đỏ: có giảm chấn) [53] ..............................................63 Hình 2-20: Sơ đồ bố trí các thanh chéo thuận (a) và thanh chéo nghịch (b) .................63 Hình 2-21: Bố trí chung cầu đi bộ Seriate .....................................................................64 Hình 2-22: Mô hình 3D cầu đi bộ Seriate với đường màu đỏ là thanh chéo bổ sung (Bố trí thanh chéo dạng thuận) .............................................................................................64 Hình 2-23: Hiện trạng đầu tăng đơ giằng gió tại chân tháp cầu ....................................65 Hình 2-24: Hiện trạng cáp giằng gió cầu Sông Giăng ..................................................65 Hình 2-25: Ví dụ thiết kế aerodynamic .........................................................................66 Hình 3-1: Cầu treo Na Xá ..............................................................................................67 Hình 3-2: Bố trí chung cầu Na Xá .................................................................................68 Hình 3-3: Mặt cắt ngang cầu trước khi tăng cường.......................................................68 Hình 3-4: Phần tử BEAM188 trong ANSYS ................................................................69 Hình 3-5: Phần tử LINK180 trong ANSYS ..................................................................70 Hình 3-6: Phần tử SHELL181 trong ANSYS ...............................................................70 Hình 3-7: Mô hình PTHH..............................................................................................71 Hình 3-8: Bản mặt cầu mô hình bằng PTHH (trái) và bản mặt cầu trên thực tế (phải) 72 Hình 3-9: Đầu đo gia tốc PCB-393B12 .........................................................................73 Hình 3-10: Bộ thu thập dữ liệu CompactDAQ (trái) và mô-đun đầu vào dữ liệu NI-9234 (phải) ..............................................................................................................................73 Hình 3-11: Sơ đồ tải trọng dân sinh ..............................................................................74 Hình 3-12: Các sơ đồ bố trí điểm đo .............................................................................75
ix Hình 3-13: Lắp đặt đầu đo gia tốc tại vị trí dầm ngang (trái) và hệ thống thu thập dữ liệu đo gia tốc tại hiện trường (phải) ....................................................................................76 Hình 3-14: Dữ liệu đo gia tốc trên miền thời gian (sơ đồ 3) .........................................76 Hình 3-15: Biểu đồ ổn định sơ đồ 3 ..............................................................................78 Hình 3-16: Hình thái dao động tương ứng giữa mô hình tính và đo .............................79 Hình 3-17: Sơ đồ thuật toán tối ưu hóa chim Cúc cu ....................................................82 Hình 3-18: Đường chéo trực giao ..................................................................................83 Hình 3-19: Mã giả chuyển đổi ma trận A sang ma trận đối xứng B .............................85 Hình 3-20: Lưu đồ thuật toán ODCS ............................................................................86 Hình 3-21: Kết quả hội tụ sau khi cập nhật mô hình .....................................................89 Hình 4-1: Mặt cắt ngang cầu phương án 1 ....................................................................93 Hình 4-2: Mặt bằng bố trí và mô hình PTHH trường hợp tăng cường 2 khoang giàn ..94 Hình 4-3: Mặt bằng bố trí và mô hình PTHH trường hợp tăng cường 10 khoang giàn 96 Hình 4-4: Mặt cắt ngang cầu Na Xá ..............................................................................99 Hình 4-5: Tăng cường hệ giằng dưới bằng thép phi 20 ..............................................100 Hình 4-6: Mô hình PTHH............................................................................................101 Hình 4-7: Bản mặt cầu bằng ván gỗ trước khi tăng cường (trái) ................................104 Hình 4-8: Lan can cầu trước khi tăng cường (trái) và sau khi được sơn sửa, thay thế (phải) ............................................................................................................................105 Hình 4-9: Hệ giằng chéo tăng cường phía dưới dầm dọc cho cầu Na Xá sau khi tăng cường ...........................................................................................................................106 Hình 4-10: Cáp chủ và cóc cáp trước (trái) và sau khi được bôi mỡ (phải) ................106 Hình 4-11: Toàn cảnh cầu treo Na Xá sau khi tăng cường .........................................106 Hình 4-12: Mô hình PTHH cầu treo Na Xá sau khi tăng cường .................................108 Hình 4-13: Liên kết nút giữa bản mặt cầu với dầm dọc trên mô hình PTHH .............108 Hình 4-14: 15 hình thái dao động đầu tiên của mô hình PTHH cầu treo Na Xá sau khi tăng cường ...................................................................................................................111
x Hình 4-15: Lắp đặt đầu đo gia tốc trên dầm ngang (trái) và tháp (phải) .....................112 Hình 4-16: Hệ thống thu thập dữ liệu đo trên thực địa ...............................................113 Hình 4-17: Dữ liệu đo trên miền thời gian trước và sau khi áp dụng biến..................114 Hình 4-18: Hình thái dao động thu được sau khi xử lý dữ liệu đo ..............................114
xi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT, KÍ HIỆU Tiếng Việt NCS Nghiên cứu sinh Tiếng Anh CS Cuckoo Search - Thuật toán tìm kiếm chim Cúc cu DOF Degree-of-freedom (Bậc tự do) GA Genetic Algorithm - Thuật toán di truyền FFT Fast Fourier Transform (Chuyển đổi Fourier) FRF Fast Response Transform (Chuyển đổi phản ứng nhanh) SHM Structural Health Monitoring – giám sát sức khỏe kết cấu OD Orthogonal diagonalization- Đường chéo trực giao Orthogonal diagonalization Cuckoo Search- tìm kiếm chim Cúc cu kết ODCS hợp đường chéo trực giao WT Wavelet Transform (Chuyển đổi sóng Wavelet) TRD (Twin rotor damper) Bộ giảm chấn khối lượng chủ động roto kép D, CD Lực đẩy ngang, hệ số lực đẩy ngang do gió L, CL Lực nâng, hệ số lực nâng do gió M, CM Mô men xoắn, hệ số mô men xoắn do gió 1+ Hệ số xung kích TMD (Tuned mass damper) Giảm chấn bị động dùng khối lượng TLD (Tuned liquip damper) Giảm chấn bị động dùng chất lỏng TSD (Tuned sloshing Giảm chấn điều chỉnh chuyển động chất lỏng damper) TLCD (Tuned liquip column Giảm chấn điều chỉnh cột chất lỏng damper) LD (Lead damper) Giảm chất bị động dẫn hướng FD Giảm chấn bị động ma sát
xii VD Giảm chấn nhớt VDD Giảm chấn cản nhớt VFD Giảm chấn ma sát thay đổi AMD Giảm chấn điều chỉnh khối lượng chủ động S-AMD Giảm chấn khối lượng bán chủ động AVS Giảm chấn điều chỉnh độ cứng chủ động AGS Giảm chấn kiểu con quay hồi chuyển chủ động Con Bộ điều khiển trong hệ thống giảm chấn chủ động Ex Bộ kích động trong hệ thống giảm chấn chủ động S Cảm biến trong hệ thống giảm chấn chủ động CFD (Computational Fluid Công cụ phân tích động lực học chất lỏng Dynamics)
1 MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề nghiên cứu Cầu treo dây võng dân sinh (CTDVDS) đã trở thành một giải pháp hiệu quả trong việc vượt qua các khó khăn về địa hình, giúp kết nối những vùng sâu, vùng xa với các khu vực khác, đặc biệt ở các vùng nông thôn và những nơi có địa hình hiểm trở. Tuy nhiên, hiện tượng dao động của CTDVDS dưới tác động của tải trọng là một vấn đề nghiêm trọng cần được giải quyết để đảm bảo an toàn khi sử dụng. Loại kết cấu cầu treo đã được sử dụng rộng rãi từ thời cổ đại cho đến nay trong việc xây dựng những kết cấu cầu dân sinh dài hơn, nhẹ hơn và mảnh hơn với nguồn lực hạn chế để đáp ứng nhu cầu thẩm mỹ và sử dụng. Trên thế giới không thể không nhắc đến các cây cầu lịch sử được xây dựng qua sông Sesia ở Ý, sông Rhone ở Pháp hay sông Hida ở Nhật hay hơn 500 cây cầu cứu hộ được Toni Ruttimann xây dựng trong suốt 25 năm qua tại các nước đang phát triển. Tại Việt Nam, trong những năm qua nhiều cây cầu treo dây võng truyền thống cũng đã được thiết kế, thi công và đưa vào sử dụng không chỉ phục vụ cho nhu cầu di chuyển của người dân mà còn là điều kiện thúc đẩy phát triển kinh tế - văn hóa của khu vực. Ở các vùng nông thôn hay những nơi có địa hình hiểm trở, điều kiện cơ sở vật chất khó khăn khiến các công trình trở nên đơn giản nhất có thể. Đặc biệt là các công trình cầu đường phục vụ việc đi lại cho người dân vẫn còn khá nhiều bất cập. Giữa dòng nước chảy xiết, những chiếc cầu khỉ, cầu gỗ được dựng lên mang đến hiểm họa khôn lường cho người dân. Từ những yêu cầu trên, một hình thức được áp dụng rộng rãi của dạng kết cấu cầu treo dây võng là cầu treo dây võng dân sinh (cầu treo dây võng bộ hành) nhằm phục vụ chủ yếu cho người đi bộ phù với điều kiện cụ thể về tải trọng cũng đã được đầu tư xây dựng. Điển hình gần đây là đề án xây dựng 186 cầu treo dân sinh phục vụ cho các vùng dân tộc thiểu số. Cầu treo dây võng dân sinh
2 Với nhu cầu đi lại của người dân địa phương giữa các xã với nhau ngày càng tăng cao và sự nguy hiểm khi vượt các sông, suối vào mùa lũ. Điều này đặt ra một thách thức lớn với các cơ quan chính quyền nhằm cải thiện tình trạng giao thông trong khu vực, vì vậy phần lớn số lượng những chiếc cầy treo dây võng dân sinh này được đầu tư và xây dựng ở quy mô xã hoặc thôn, bản theo hình thức tự phát. Bên cạnh đó, một số khu du lịch vùng cao với mục đích phát triển cảnh quan và mở rộng các đặc điểm nổi bật, tiềm năng về du lịch cũng đã xây dựng những cây cầu treo dây võng dân sinh. Cầu treo Cát Cát huyện Sa Pa, tỉnh Xe ô tô con di chuyển trên cầu treo dây Lào Cai võng dân sinh Hiện nay trên thế giới, việc xây dựng mô hình số và áp dụng các phương pháp kiểm soát dao động cho các loại cầu treo đã được tiến hành từ lâu. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ tập trung cho các loại cầu treo nhịp lớn hay các loại cầu chỉ dành cho người đi bộ, đáp ứng cho các khu vực đô thị, khu vực đông dân cư mà không có các nghiên cứu liên quan đến các CTDVDS phục vụ cho các vùng sâu vùng xa. Các nghiên cứu này đã tập trung vào việc tìm hiểu các yếu tố tác động lên độ an toàn của cầu treo, cách cầu treo phản ứng với các tác động bên ngoài như gió, tải trọng di động và sự tác động của các yếu tố môi trường khác. Những phương pháp kiểm soát dao động đã được đề xuất và áp dụng như lắp đặt các thiết bị giảm chấn, Angelis và cộng sự [1] đã tập trung vào việc thiết kế tối ưu hóa cho hệ thống giảm chấn bằng khối lượng đàn hồi (Tuned Mass Damper Inerter - TMDI) được đặt trên các cầu bộ hành. Một quy trình thiết kế tối ưu được áp dụng cho TMDI lý tưởng hoá. Quy trình này dựa trên các mô hình bậc giảm dần của cầu bộ hành bằng cách giả định tỷ lệ tần số và yếu tố giảm chấn là tham số thiết kế, đối với tỷ lệ đàn hồi và khối lượng TMDI nhằm giảm thiểu tối đa đáp ứng gia tốc của hệ thống để cải thiện sự thoải mái cho người dùng theo tiêu chí hiệu suất được xác định trong hướng dẫn dao động do con người gây ra cho các cấu trúc thép hivoss (Human-induced Vibration of Steel Structures). F. Tubino và G. Piccardo [2] đã thiết kế bộ giảm chấn TMD chỉnh để đáp ứng các yêu cầu về khả năng phục vụ ngày càng trở nên phổ biến trong việc thiết kế cầu bộ hành hiện nay, giúp giảm thiểu rung động do
3 người đi bộ gây ra, thí nghiệm được kiểm chứng với cầu đi bộ thực tế. Ngoài ra. một tiêu chí tối ưu hóa số học được đề xuất, dựa trên việc tối đa hóa một yếu tố hiệu quả, được xác định là tỷ lệ giữa độ lệch chuẩn tăng tốc không kiểm soát và độ lệch chuẩn tăng tốc được kiểm soát. Việc thay đổi tham số TMD có thể cho phép giữ cho độ dịch chuyển tương đối của TMD nằm trong giới hạn quy định (đây thường là một yêu cầu kỹ thuật trong việc thiết kế TMD). Các mô phỏng Monte Carlo được thực hiện để xác nhận hiệu lực của việc tối ưu hóa dựa trên độ lệch chuẩn để giảm thiểu phản ứng động lực tối đa của cầu. Miguel và cộng sự [3] đã đề xuất đồng thời tối ưu hóa lực và vị trí của giảm chấn ma sát bằng thuật toán đom đóm mới được phát triển được sử dụng, có khả năng xử lý các vấn đề tối ưu hóa không lồi, liên quan đến biến số rời rạc và liên tục. Hay sử dụng các loại vật liệu mới như Cầu Halgavor [4], [5] là một cây cầu treo nhịp 47 m có lối đi dành cho người đi bộ, đường dành cho xe đạp và dây cương bắc qua đường đôi A 30 đông đúc ở phía nam Bodmin ở Cornwall. Đây là cây cầu được tài trợ công khai đầu tiên ở Vương quốc Anh sử dụng vật liệu tổng hợp polyme gia cố bằng sợi thủy tinh (GRP) làm vật liệu kết cấu chính. Sàn composite nhựa vinyl ester cưỡng bức có dây thép thủy tinh được treo trên hệ thống đỡ chính thông thường bao gồm các cột thép, cáp chính tao xoắn ốc bằng thép và móc treo bằng thép không gỉ. Ngoài ra còn những phương pháp kỹ thuật khác như : thiết kế khí động học, thiết kế với các hệ gia cường,…. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về CTDVDS còn khá hạn chế, chủ yếu là các nghiên cứu về cầu treo dây võng. Mặc dù nhận thức về tầm quan trọng của việc kiểm soát dao động cho sự an toàn của CTDVDS đã được nâng cao và đã có những văn bản hướng dẫn công tác thiết kế, thi công và nghiệm thu cầu treo dân sinh ban hành của Bộ GTVT[6], [7] nhưng vẫn còn rất nhiều thiết xót trong việc kiểm soát dao động của loại công trình này khi thực tế cầu khai thác gặp các điều kiện không thuận lợi, khiến cho tâm lý người đi qua cầu rất bất an và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm trong quá trình khai thác. Hơn nữa, hiện nay hầu hết các nghiên cứu chỉ tập trung vào loại cầu treo dây võng nhịp lớn, có rất ít tài liệu nghiên cứu về CTDVDS và dừng lại ở mức độ nghiên cứu lý thuyết, thiếu sự áp dụng thực tế và không có phương pháp kiểm soát dao động đúng đắn và đầy đủ. Một điểm đáng chú ý, phản ứng động dưới các tải trọng làm việc là một trong những điểm quan tâm chính của những cây cầu dân sinh, thường được đặc trưng bởi một tấm mỏng (hiện nay, đa số sử dụng tấm Grating), cáp treo thanh mảnh nhẹ và bộ phận giảm chấn đơn giản hoặc có thể không có. Đặc biệt, các phản ứng động của chúng rất nhạy cảm với các tải trọng. Mặc dù các tải trọng trên là nhỏ khi xét tới các trạng thái giới hạn cường độ, tuy nhiên khi có tải trọng trên cầu, đặc biệt là các tải trọng lệch tâm thì gây ra hiện tượng rung lắc, chòng chành dẫn tới cầu dao động mạnh và kéo dài. Bên
4 cạnh các dao động theo phương thẳng đứng, chuyển vị ngang được biết đến là những yếu tố chính ảnh hưởng đến kết cấu này, độ cứng chống xoắn cực thấp của bản và tỷ lệ khoảng cách giữa các cáp chủ với chiều dài nhịp là nhỏ cũng khiến chúng dễ bị dao động xoắn gây ra bởi tải trọng người đi bộ khi đặt lệch tâm. Ngoài ra, việc thiết kế những chiếc cầu treo dân sinh này không đồng bộ, rất khác nhau và gặp nhiều khó khăn trong việc kiểm soát tính an toàn khi khai thác, sử dụng. Đặc biệt, việc xây dựng mô hình số chính xác để dự báo và kiểm soát dao động của CTDVDS là một khoảng trống chưa được khai thác đầy đủ. Mô hình hóa kết cấu cầu treo dây võng, tính toán dao động và đề xuất các biện pháp tăng cường kết cấu để kiểm soát dao động là một vấn đề chưa được giải quyết triệt để. Từ những vấn đề được phân tích như trên, đề tài “PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG CẦU TREO DÂN SINH VÀ CÁC GIẢI PHÁP KI ỀM CH Ế DAO ĐỘNG ” được nghiên cứu sinh lựa chọn nghiên cứu.  Thông qua việc xây dựng mô hình số, việc tính toán và dự đoán dao động của CTDVDS dưới tác động của tải trọng sẽ trở nên chính xác hơn.  Việc áp dụng các biện pháp tăng cường kết cấu và kiểm soát dao động sẽ giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả của CTDVDS.  Thực hiện các thử nghiệm trên thực tế sẽ kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của mô hình số và các biện pháp kiểm soát dao động được đề xuất. 2. Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu các đặc trưng dao động của cầu treo dây võng dân sinh dựa vào mô hình thực nghiệm và kết quả đo đạc dựa trên phương pháp nhận dạng dao động và phương pháp xử lý mô hình tính toán dao động. - Đề xuất phương pháp cập nhật mô hình (finite element model updating method) để xác định các tham số bất định của cầu treo dây võng dân sinh với độ chính xác cao. - Đề xuất các giải phát tăng cường cho cầu treo dây võng dân sinh. Từ đó nâng cao chất lượng công trình và an toàn khi khai thác, sử dụng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Phân tích các đặc trưng động học của kết cấu công trình cầu treo dân sinh (cầu treo dân sinh dân sinh) dưới tác động của người đi bộ và tải trọng gió. - Hiện trạng và các yếu tố tác động lên sự an toàn của CTDVDS.
5 - Xây dựng mô hình số cho CTDVDS dưới tác động của tải trọng và tính toán dao động của cầu. - Nghiên cứu các phương pháp giảm dao động, từ đó lựa chọn và áp dụng trên công trình cầu treo thực tế. Đưa ra kết quả tối ưu của phương pháp. - Đề xuất và thử nghiệm các biện pháp tăng cường kết cấu và kiểm soát dao động cho CTDVDS. - Thực hiện thử nghiệm trên thực tế để kiểm chứng tính chính xác và hiệu quả của mô hình số và các biện pháp kiểm soát dao động. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp tổng hợp phân tích lý thuyết. - Phương pháp số. - Phương pháp phân tích số kết hợp với thực nghiệm. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của nghiên cứu Đề xuất được phương án tăng cường cho cầu treo dân sinh dựa vào phân tích đặc trưng dao động. Từ đó có thể tăng được độ cứng của kết cấu, loại bỏ được các hình thái dao động bất lợi, nâng cao chất lượng công trình và an toàn khi khai thác, sử dụng. Đề xuất được phương pháp kết hợp thuật toán tối ưu tiến hoá để cập nhật mô hình xác định các tham số bất định trong kết cấu. Phương pháp đề xuất sẽ kết hợp thuật toán tìm kiếm chim Cúc cu và đường chéo trực giao, từ đó nâng cao được độ chính xác cũng như giảm thời gian tính toán của thuật toán tìm kiếm chim Cúc cu truyền thống. Cụ thể, cách tiếp cận vấn đề trong luận án sẽ được tiến hành như sau: (1) đầu tiên mô hình số được xây dựng, và thí nghiệm hiện trường được thực hiện để xác định được các đặc trưng dao động của cầu (tần số, hình thái dao động (mode shape)), (2) sau đó quá trình cập nhật mô hình được thực hiện để xác định được các tham số bất định của kết cấu, nâng cao được hiệu quả của quá trình cập nhật mô hình. Để cập nhật mô hình, một thuật toán lai mới giữa thuật toán tìm kiếm chim Cúc cu và đường chéo trực giao được đề xuất, (3) sau đó sẽ đề xuất phương án tăng cường dựa trên phân tích các đặc trưng dao động (4) cuối cùng, sau khi lựa chọn được phương án tăng cường, sẽ tiến hành đo đạc hiện trường, để kiểm chứng với mô hình số; Một bộ mã lập trình về tối ứu hoá kết hợp thuật toán tìm kiếm chim Cúc cu truyền thống và đường chéo trực giao sẽ được xây dựng trên nền tảng MATLAB để phục vụ
6 giám sát sức khoẻ công trình, bộ code này có thể áp dụng để cập nhật mô hình, xác định các tham số bất định, cũng như phát hiện các hư hỏng cho các mô hình kết cấu khác nhau. Kết quả của luận án có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo hữu ích cho lĩnh vực giám sát sức khoẻ công trình. 6. Nội dung luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, luận án bao gồm những nội dung như sau: Chương 1 – Tổng quan về cầu treo dây võng dân sinh và các tải trọng tác động Chương 1 giới thiệu tổng quan về cầu treo dây võng đặc biệt là dạng kết cấu được áp dụng tại nhiều vùng nông thôn hay những nơi có địa hình hiểm trở, điều kiện cơ sở vật chất khó khăn. Chương 2 – Dao động trên cầu treo dây võng dân sinh và các biện pháp tăng cường kết cấu để kiểm soát dao động Nội dung chính trong chương 2 là về cơ sở lý thuyết tính toán dao động của một kết cấu nói chung và của cầu treo dây võng dân sinh dưới tác động của các tải trọng nói riêng. Bên cạnh đó, NCS cũng sẽ trình bày lý thuyết một số biện pháp nhằm tăng cường, nâng cao chất lượng công trình cầu treo dân sinh, đảm bảo an toàn khi khai thác và hạn chế các dao động. Chương 3 – Nghiên cứu trạng thái dao động, cập nhật mô hình cho cầu treo dây võng dân sinh Na Xá Chương 3 sẽ xây dựng mô hình số của kết cấu sử dụng chương trình ANSYS để sơ bộ xác định được các đặc trưng động học (tần số dao động và hình thái dao động) của kết cấu, kết hợp với dữ liệu đo dao động từ công trình cầu trên thực tế. Trong chương này, NCS cũng sẽ đề xuất một thuật toán mới, được lai giữa phương pháp CS và OD để cập nhật cho kết cấu đã được tăng cường, từ đó xác định các tham số bất định của kết cấu cầu treo Na Xá. Việc cập nhật và xác định các tham số bất định của kết cấu sẽ giúp xây dựng được một mô hình PTHH chuẩn của kết cấu, từ đó giúp cho công tác triển khai đánh giá, bảo trình công trình cầu trên thực tế được chính xác và hiệu quả hơn. Chương 4 –Đề xuất các biện pháp tăng cường cho kết cấu sau khi cập nhật Từ kết quả thu được ở chương 3, NCS đã đề xuất và triển khai phương án tăng cường kết cấu nhằm giảm thiểu tối đa ảnh hưởng của những dao động bất lợi của kết cấu. Mô hình hóa kết cấu cũng được tiến hành nhằm xác định đặc trưng động của kết cấu. Cuối cùng các phép đo đạc hiện trường được tiến hành để kiểm chứng các kết quả thu được từ mô hình số.