Nghiên cứu phát triển hệ thống cân động cầu

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:4

Thêm vào BST

Báo xấu

34
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu bước đầu về cả phần cứng, phần mềm của một hệ thống cân động cầu lắp đặt tại các cầu kết cấu nhịp giản đơn để nhận dạng tải trọng xe qua cầu từ phổ biến dạng động thu được. Kết quả nhận dạng tải trọng xe phục vụ quản lý, kiểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ hiện nay tại Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Nghiên cứu phát triển hệ thống cân động cầu

Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ XVI-2019, Khoa XD Cầu đường - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỄN HỆ THỐNG CÂN ĐỘNG CẦU REASECH ON BRIDGE WEIGH IN MOTION SYSTEM SVTH: Lê Thạc Cường 1; Trần Thị Loan 2; Phạm Minh Đức 3 (1)Lớp 14X3A, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: thaccuong95@gmail.com (2) Lớp 14X3A, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: loantran0195@gmail.com (3) Lớp 14X3B, Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: minhducx3k@gmail.com GVHD: TS. Nguyễn Lan 4 (4)Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: nlan@dut.udn.vn Tóm tắt: Để kiểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ Abstract: In order to control the load capacity circulating thường sử dụng nhiều biện pháp như trạm cân tĩnh, trạm on the road, various measures such as placing static weigh cân động đặt trên đường, trạm cân di động. Sử dụng các station, weigh-in-motion station and portable weigh station trạm cân như trên thường yêu cầu phải dừng xe (cân tĩnh, on the road are commonly used. People are often required cân di động) hoặc chạy với tốc độ thấp. Trạm cân động đặt to stop the vehicle (static weigh station, portable weigh trên đường sử dụng các cảm biến đo lực theo dãy có chi phí station) or run at low speed when using the mentioned khá đắt và các tài xế biết có thể tránh né trạm cân. Hiện nay weigh stations. The weigh in motion station on the road nhờ sự phát triển của công nghệ cảm biến và giải các bài uses range-based force sensors that are quite expensive and toán ngược trong cơ học, hệ thống cân động cầu (BWIM) usually, drivers know that they could avoid these weigh đã được phát triển và áp dụng ở Châu Âu với chi phí khá stations. Currently, thanks to the development of sensor thấp. Hệ thống BWIM chỉ sử dụng cảm biến biến dạng technology and solving inverse problems in mechanics, the động đặt dưới dầm cầu, các xe chạy qua gây ra phổ biến bridge weigh in motion system (BWIM) has been dạng động tại các vị trí đã xác định trước. Từ kết quả phân developed and applied in Europe at a relatively low cost. tích ngược phổ biến dạng động này có thể nhận dạng được The BWIM system uses only strain gauge located under tải trọng cũng như tốc độ xe qua cầu. Bài báo trình bày kết bridge girders, where passing cars causing strain spectrum quả nghiên cứu bước đầu về cả phần cứng, phần mềm của at predetermined locations. According to the reverse một hệ thống cân động cầu lắp đặt tại các cầu kết cấu nhịp analysis results of this strain, it is possible to identify the giản đơn để nhận dạng tải trọng xe qua cầu từ phổ biến load capacity as well as the vehicle’s speed across the dạng động thu được. Kết quả nhận dạng tải trọng xe phục bridge. This paper introduce initially study results of the vụ quản lý, kiểm soát tải trọng lưu hành trên đường bộ hiện hardware and software of a bridge weigh in motion system nay tại Việt Nam. installed at simple span structure bridges to identify vehicle’s load capacity across the bridge from the obtained Từ khóa: Cân động cầu, nhận dạng tải trọng, kiểm soát tải strain spectrum. The result of vehicle weight recognition trọng, phổ biến dạng, cảm biến biến dạng. will manage and control the circulating load capacity on the current roads in Vietnam. Keywords: weigh in motion, weight recognition, control load, strain spectrum, strain gauge. 1. Đặt vấn đề cảm biến biến dạng gắn dưới bản mặt cầu hoặc các dầm Thuật ngữ cân động xe (Weigh in motion, WIM) được định cầu, các cảm biến trong hệ thống B-WIM không tiếp xúc nghĩa trong ASTM E 1318-09 [1] là quá trình ước tính trọng trực tiếp với bánh xe nên chỉ áp dụng cho một số dạng cầu lượng tổng phương tiện di chuyển và phần trọng lượng đó giản đơn và điều kiện giao thông nhất định. Hệ thống được mang theo bởi mỗi bánh xe, trục hoặc nhóm trục hoặc BWIM quan trắc biến dạng uốn kết cấu cầu do tải trọng kết hợp của chúng, bằng cách đo và phân tích lực động lốp xe chạy qua. Phổ biến dạng này được phân tích để ước xe. Các thành phân của một hệ thống WIM gồm: Cảm biến tính tải trọng xe, tải các trục xe chạy qua cầu. Khoảng WIM được gắn trên mặt đường, mặt cầu hoặc dưới kết cấu cách trục, chiều dài xe, tốc độ xe cũng có thể ước tính từ cầu để nhận dạng trọng lượng và phân loại xe; hệ thống thu phổ biến dạng đo được. Ưu điểm của hệ thống B-WIM là thập tín hiệu và điều khiển (datalogger) để thu thập các tín có hệ thống thiết bị có thể xách tay, lắp đặt và tháo dỡ dể hiệu đầu ra từ cảm biến, lưu trữ và hiện thị dữ liệu; hạ tầng dàng có thể dùng cho nhiều kết cấu khác nhau; dữ liệu thu dây dẫn, hộp kết nối, trụ đở; các thiết bị hổ trợ khác như được có thể dùng để đánh giá sự làm việc của kết cấu; giá nguồn cấp cho hệ thống, các thiết bị truyền thông để truyền thành hệ thống B-WIM rẻ hơn nhiều so với hệ thống WIM dữ liệu đi xa và hệ thống phần mềm cài đặt trong hệ thống lắp trên mặt đường. Nhược điểm của hệ thống B-WIM là WIM để xử lý tín hiệu và định dạng lưu trữ dữ liệu. khi tháo dở và lắp cho cầu khác cần phải hiệu chuẩn lại Hệ thống cân động cầu (Bridge WIM) thường sử dụng các hệ thống, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng thu được và độ chính xác của dữ liệu thu được, yếu tố gây 45
SVTH: Lê Thạc Cường– Trần Thị Loan– Phạm Minh Đức; GVHD: TS. Nguyễn Lan 4. Kết luận Từ kết quả xây dựng mô hình cầu, xe, hệ thống B-WIM và kết quả thực nghiệm trên mô hình cho nhận xét như sau: - Hệ thống phần mềm B-WIM đã xây dựng theo thuật toán của Moses có kết quả chẩn đoán tổng trọng lượng xe từ phổ biến dạng thu được trong dầm cầu giản đơn nhịp nhỏ có sai số nhỏ hơn 10% đáp ứng yêu cầu loại I theo ASTM 1318E-09. - Phần mềm Matlab đã xây dựng có thể phân tích và đếm xe qua cầu từ dữ liệu camera. - Phần mềm nhận dạng biển số xe từ dữ liệu ảnh tĩnh cho kết quả phù hợp. Tuy nhiên nhận dạng biển số xe Hình 8: Nhận dạng và đếm số lượng xe từ dữ liệu camera (video) cần được tiếp tục hoàn thiện 3.3.2. Chương trình nhận dạng biển số xe thêm. Để nhận dạng biển số xe qua cầu từ dữ liệu camera, xây Một hệ thống B-WIM hoàn chỉnh có thể lắp đặt trên cầu dựng một phần mềm viết bằng ngôn ngữ lập trình thực tế sẽ được các tác giả tiếp tục nghiên cứu hoàn chỉnh Labview theo sơ đồ khối ở hình 9. trong thời gian đến. Tài Liệu Tham Khảo : 1. ASTM E1318 – 09, “Standard Specification for Highway Weigh-In-Motion (WIM) Systems with User Requirements and Test Methods”, 2009. 2. Moses, F., “Weigh-in-motion system using instrumented bridges”, Transportation Engineering Journal (ASCE) 105:233–249, 1979. 3. Zhao, H., “Bridge weigh-in-motion for bridge safety and maintenance”, Ph. Dissertation, Department of Civil, Construction, and Environmental Engineering, University of Alabama at Birmingham, Alabama, USA, 2010 4. O’Brien, E.J. and Žnidarič, A, “Weighing-in-motion of Hình 9: Sơ đồ chương trình nhận dạng biển số xe axles and vehicles for Europe (WAVE)”, Report of work package 1.2, Bridge WIM Systems. Zavod zagradbenistvo, Slovenia, 2001. 5. O’Brien, E., O’Donovan & Roughan, “Improving Bridge Weigh-in- Motion Technologies” , 2014. 6. WAVE. “Weigh-in-motion of Axles and Vehicles for Europe”, General Report, LCPC, 2001. 7. Yang Yu, CS Cai and Lu Deng. State-of-the-art review on bridge weigh-in-motion technology. Advances in Structural Engineering,Vol. 19(9) 1514–1530,2016. Hình 10: Phần mềm và thiết bị Hình 11: Kết quả nhận dạng biển số xe ở trạng thái tĩnh. 48
Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ XVI-2019, Khoa XD Cầu đường - Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHỈ SỐ ĐỘ TIN CẬY CỦA CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI HỆ SỐ TRIẾT GIẢM TẢI TRỌNG 0.65 HL93 VÀ 0.5 HL93 RESEARCH RELIABILITY INDEX OF COMPOSITE STEEL GIRDER BRIDGES WITH LOAD REDUCTION FACTOR 0.65 HL93 AND 0.5 HL93 – CASE STUDY SVTH: Nguyễn Phước Duy(1); Trần Hữu Xuân(2); (1)Lớp 14X3C,Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng ;Email:duynguyen8996@gmail.com (2 Lớp 14X3B,Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: huuxuan14x3b@gmail.com GVHD: TS. Nguyễn Văn Mỹ (3); Đỗ Việt Hải (4) (3)Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: : nvmy@dut.edu.vn (4)Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng; Email: dvhai@dut.edu.vn Tóm tắt: Trong các kết cấu cầu, những tham số về Abstract: In steel bridges, the parameters such as vật liệu, tải trọng, sơ đồ kết cấu, … là các đại lượng ngẫu material, geometry and loads are random variables. These nhiên và ảnh hưởng đến xác suất phá hoại của kết cấu. Sự random variables have influence on the probability of phá hoại này được thể hiện bằng chỉ số độ tin cậy. Bài báo failure of the structures. This failure is performed by the này tập trung vào việc phân tích độ tin cậy của cầu dầm reliability index. This paper will focus on the reliability thép liên hợp được có xét đến tính không chắc chắn của analysis of the composite steel girder that the computation tĩnh tải, hoạt tải, mặt cắt hình học, sức kháng bê tông is based on the uncertainties of dead loads, live loads, cường độ thép,… Kết quả tính toán cho thấy rằng có sự sectional geometries, compressive strength and yield khác nhau đáng kể giữa những chỉ số độ tin cậy đối với stress for reinforcing steel... The results of computation mômen và lực cắt. Sự khác biệt đó cho thấy sự không show that there are significantly differences between the đảm bảo về sức kháng của tiết diện dầm thép liên hợp dẫn moment reliability indices and shear reliability indices of đến phá hoại kết cấu. Bài báo cũng đề xuất sự thay đổi tiết the composite steel girder. These differences clearly diện dầm thép tối thiểu trong thiết kế lực cắt để tối ưu hóa indicate the uncertainty about the resistance of the cross- thiết kế của cầu dầm thép liên hợp theo xu hướng phân section of the composite steel girder leads to structural tích độ tin cậy. damage. The paper also recommends the change of minimum steel section in shear design in order to optimize the composite steel girder bridges to design in term of reliability analysis Keywords: composite steel girder bridges, reliability Từ khóa: cầu thép liên hợp, chỉ số đô tin cậy, tính index, uncertainties, the probability of failure, probability không chắc chắn, xác suất phá hoại, hàm mật độ xác suất. density function 1. Đặt vấn đề Các tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện nay như 22TCN 272- yêu cầu T; 05 và TCVN11823:2017 được xây dựng dựa theo tiêu + Mức độ tin cậy - đánh giá bằng xác suất hỏng Pf; chuẩn AASHTO LRFD 1998 (thiết kế cầu theo hệ số sức + Điều kiện sử dụng - giới hạn các yếu tố đầu vào là kháng và tải trọng) với chỉ số an toàn mục tiêu (target) các biến ngẫu nhiên. theo các trạng thái giới hạn (TTGH) là như nhau và bằng βT =3,5. 2.2 Phương pháp tính độ tin cậy (β) Khác với AASHTO LRFD, hai tiêu chuẩn 22TCN 2.2.1 Hàm trạng thái giới hạn (limit state function) 272-05 [3] và TCVN11823:2017 [4] có bổ sung thêm hệ Phân tích độ tin cậy được hiện cho các hàm trạng thái số triết giảm hoạt tải thiết kế là 0.65HL93 và 0.5HL93 đối giới hạn cho các loại cấu trúc và các thành phần tải trọng. với cầu thuộc tuyến đường cấp IV và thấp hơn. Vấn đề Trong quá trình hiệu chỉnh, hiệu ứng tải trọng và sức đặt ra: nếu cùng với hệ số sức kháng và tải trọng như kháng của vật liệu là các biến ngẫu nhiên. Hàm trạng thái trong tiêu chuẩn thì thiết kế có đạt được độ tin cậy mục giới hạn sẽ biểu thị ranh giới giữa an toàn và phá hủy/hư tiêu βT =3,5 đối với hoạt tải thiết kế triết giảm 0.65HL93 hỏng của kết cấu: và 0.5HL93 hay không. g  R, Q   R  Q (2-1) 2. Cơ sở lý thuyết trong đó R và Q đại diện cho sức kháng kết cấu và 2.1. Chỉ số độ tin cậy hiệu ứng tải trọng. Nếu g  0 thì kết cấu không an toàn Xác suất phá hoại của kết cấu được đo bằng chỉ số độ và ngược lại. Xác suất phá hoại kết cấu Pf Hình 1 tương tin cậy β. Độ tin cậy là khả năng (đo bằng xác suất) của ứng với xác suất xảy ra sự kiện không an toàn được xác kết cấu đáp ứng các yêu cầu đặt ra trong điều kiện xác định bởi [1]: định ứng với tuổi thọ thiết kế dự định. Nó bao gồm cái yếu tố quan trọng sau: Pf  P  R  Q  0  P  g  0 (2-2) + Yêu cầu (khả năng làm việc) cho trước - xác định Trong đó:  R - giá trị trung bình sức kháng của vật qua sự phát hoại kết cấu; liệu;  R - độ lệch chuẩn sức kháng của vật liệu; Q - giá + Khoảng thời gian - đánh giá bằng tuổi thọ phục vụ 49
SVTH: Võ Đình Quang Nhật- Lê Thành Quang; GVHD: TS. Nguyễn Phước Quý Duy- ThS. Trần Thị Phương Anh Hình 4: Sơ đồ khối tính độ tin cậy bằng MATLAB Kết quả tính toán độ tin cậy của dầm thép liên hợp 5. Hướng nghiên cứu với chiều dài nhịp 9m, 18m, 27m, và 36m được thể hiện ở Thiết kế lại dầm thép liên hợp cho các trường hợp bảng 3 dưới đây: chiều dài nhịp nhịp 9m, 18m, 27m, và 36m theo lý thuyết độ tin cậy, từ đó đề xuất hệ số triết giảm tải trọng ứng với Bảng 3: Giá trị tính toán độ tin cậy cho cầu dầm thép liên mỗi trường hợp thiết kế công trình cầu. hợp So sánh dầm cầu được thiết kết tối ưu theo tiêu chuẩn Chiều dài nhịp và các trụ cầu ngoài thực tế dựa trên lý thuyết độ tin. 9 18 27 36 (m) Thiết lập chỉ số độ tin cậy chung khi dùng mạng lưới β 3.20 3.32 3.22 3.32 song song cho các cấu kiện dầm, trụ,… trong kết cấu cầu. M Pf 6.9E-4 4.5E-4 6.4E-4 4.5E-4 HL93 Tài Liệu Tham Khảo : β 3.1 3.21 2.92 2.9 V [1]. Andrzej S. Nowak and Maria M. Szerszen Pf 9.7E-5 6.6E-5 1.8E-3 1.93E-3 "Bridge load and resistance models". 1998 [2]. Monte Carlo methods" Andrzej s. nowak, kevin r. β 2.74 2.97 2.77 2.74 collins "Reliability of structures - Second edition". M Pf 3.1E-3 1.5E-3 2.8E-3 3.1E-3 2013. 0.65 [3]. Tiêu chuẩn ngành 22TCN 272-05 - Tiêu chuẩn thiết HL93 β 2.8 2.67 2,5 2,6 kế cầu. V [4]. Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN11823-3:2016 - Tiêu Pf 2.6E-3 3.8E-3 6.2E-3 4.7E-3 chuẩn thiết kế cầu. β 2.72 2.80 2.66 2.6 [5]. TS. Nguyễn Xuân Toản; Th.S Nguyễn Văn Mỹ. M Thiết kế cầu thép 0.5 Pf 3.3E-3 2.6E-3 3.9E-3 4.7E-3 Hl93 β 2.7 2.68 2.50 2.5 V Pf 3.5E-3 3.7E-3 6.2E-3 6.2E-3 3.3 Kết quả đạt được Bảng 3 thể hiện kết quả tính toán độ tin cậy của dầm thép liên hợp với chiều dài nhịp 9m, 18m, 27m, và 36m. Từ đó, có thể nhận thấy rằng: (1) Chỉ số độ tin cậy giảm dần khi thực hiện tính toán lần lượt cho hệ số HL93 đến 0,65HL93 và sau cùng là 0,5HL93. Chỉ số độ tin cậy sau khi tính toán chênh lệch nhau nhiều, đối với thay đổi từ HL93 sang 0,65HL93 xác suất phá hoại tăng 6,8 lần, từ HL93 sang 0,5HL93 xác suất phá hoại tăng 10 lần và từ 0,65HL93 sang 0,5HL93 xác suất phá hoại tăng 1,7 lần. (2) Kết quả cho thấy việc tính toán sức kháng và hiệu ứng tải trọng khi xét đến hoạt tải triết giảm 0,65HL93 và 0,5HL93 có chỉ số an toàn thấp hơn 3,5 dẫn đến kết cấu không an toàn về mặt chịu lực và dần sẽ bị phá hoại theo thời gian khai thác cầu. 4. Kết luận Khi tính toán và thiết kế công trình cầu theo các hệ số triết giảm tải trọng HL93; 0.65HL93; 0.5HL93 cho các trường hợp chiều dài nhịp 9m, 18m, 27m, và 36m dựa trên lý thuyết độ tin cậy, ta hiểu rõ hơn về xác suất phá hoại của kết cấu cầu dầm thép liên hợp nói riêng, công trình cầu nói chung. Đối với thay đổi hệ số triết giảm tải trọng từ HL93 sang 0,65HL93 xác suất phá hoại tăng 6,8 lần, từ HL93 sang 0,5HL93 xác suất phá hoại tăng 10 lần và từ 0,65HL93 sang 0,5HL93 xác suất phá hoại tăng 1,7 lần, chỉ số độ tin cậy sau khi tính toán chênh lệch nhau nhiều so với chỉ số độ tin cậy mục tiêu (βT =3,5) từ đó ta thấy việc sử dụng tiêu chuẩn thiết kế với hệ số triết giảm tải trọng như vậy khiến cho kết cấu về mặt chịu lực kém dẫn đến gây phá hoại cầu, do đó cần phải điều chỉnh sức kháng của vật liệu để đảm bảo kết cấu an toàn. 52