Phân tích động lực học kết cấu công trình biển hệ thanh cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió theo mô hình bài toán không gian

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ

Lê Hồng Anh

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH
CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HƠ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
SÓNG BIỂN VÀ GIÓ THEO MƠ HÌNH BÀI TỐN KHƠNG GIAN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QN SỰ

Lê Hồng Anh

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CƠNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH
CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HƠ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
SĨNG BIỂN VÀ GIĨ THEO MƠ HÌNH BÀI TỐN KHƠNG GIAN

Chun ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62.52.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học:
PGS.TS Nguyễn Thái Chung

Hà Nội - 2016


i

LỜI CAM ĐOAN
Tơi là Lê Hồng Anh, tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu
của riêng tơi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng
được ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tác giả

Lê Hồng Anh


ii

LờI CảM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với
PGS.TS Nguyễn Thái Chung đà tận tình hớng dẫn, giúp đỡ và cho
nhiều chỉ dẫn khoa học có giá trị, giúp cho tác giả hoàn thành luận án
này. Tác giả trân trọng sự động viên, khuyến khích và những kiến thức
khoa học cũng nh chuyên môn mà Thầy hớng dẫn đà chia sẻ cho tác
giả trong nhiều năm qua, giúp cho tác giả nâng cao năng lực, phơng
pháp nghiên cứu khoa học.

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Cơ học vật rắn, Khoa
Cơ khí, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật quân sự và Trờng
Đại học Công nghệ giao thông vận tải đà tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn
GS.TS.NGND Hoàng Xuân Lợng - Học viện Kỹ thuật quân sự,
GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm - Viện Cơ học đà cung cấp cho tác giả
nhiều tài liệu quý hiếm, các kiến thức khoa học hiện đại và nhiều lời
khuyên bổ ích, có giá trị.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những ngời
thân trong gia đình đà thông cảm, động viên và chia sẻ những khó
khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận ¸n.
T¸c gi¶


iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Mục lục……............................................................................................................... ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ..................................................................... vi
Danh mục các bảng ................................................................................................... ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................... xi
MỞ ĐẦU….. ...................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................6
1.1. Sơ lược về san hô và nền san hô ..........................................................................6
1.2. Cơng trình biển và tải trọng phổ biến tác dụng lên cơng trình biển.....................7
1.2.1. Tổng quan về cơng trình biển ...........................................................................7
1.2.2. Tổng quan về tải trọng tác dụng lên cơng trình biển ......................................11
1.2.2.1. Tải trọng sóng biển.......................................................................................12
1.2.2.2. Tải trọng gió .................................................................................................13
1.3. Tổng quan về tính tốn cơng trình biển .............................................................15

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trong nước ....................................................................15
1.3.2. Tình hình nghiên cứu ỏ nước ngoài ................................................................17
1.4. Các kết quả nghiên cứu đạt được từ các cơng trình đã cơng bố ........................21
1.5. Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu ....................................................................23
1.6. Kết luận rút ra từ tổng quan ...............................................................................23
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH
CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ ……................................25
2.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................25
2.2. Giới thiệu bài toán và các giả thiết.....................................................................26
2.3. Thiết lập các phương trình cơ bản của bài tốn .................................................28
2.3.1. Các quan hệ đối với phần tử thanh thuộc cơng trình ......................................28
2.3.1.1. Trường chuyển vị ........................................................................................28
2.3.1.2. Trường biến dạng ........................................................................................29


iv
2.3.1.3. Trường ứng suất ..........................................................................................31
2.3.1.4. Phương trình mơ tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ cục bộ ..............31
2.3.1.5. Phương trình mơ tả dao động của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể ............33
2.3.2. Các quan hệ đối với phần tử thuộc các lớp nền san hô ...................................34
2.3.2.1. Các phương trình cơ bản của phần tử .........................................................34
2.3.2.2. Phương trình mơ tả dao động của phần tử ..................................................37
2.3.3. Quan hệ đối với phần tử tiếp xúc giữa thanh và nền san hơ ...........................38
2.3.4. Tải trọng sóng và gió tác dụng lên cơng trình.................................................42
2.3.4.1. Tải trọng sóng tác dụng lên phần tử thanh ...................................................42
2.3.4.2. Tải trọng gió tác dụng lên cơng trình ...........................................................44
2.4. Xây dựng phương trình mơ tả dao động của hệ .................................................46
2.4.1. Tập hợp ma trận và véc tơ toàn hệ ..................................................................46
2.4.1.1. Tập hợp ma trận độ cứng tổng thể [K] – hàm assem() ................................46
2.4.1.2. Tập hợp véc tơ tải trọng tổng thể {P} – hàm inset () ...................................47

2.4.2. Phương trình mơ tả dao động của hệ...............................................................48
2.4.3. Điều kiện biên .................................................................................................50
2.5. Thuật tốn PTHH phân tích động lực học của hệ kết cấu cơng trình biển
và nền san hơ .............................................................................................................50
2.6. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính ........................56
2.6.1. Chương trình tính ............................................................................................56
2.6.2. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình ..............................................................56
2.6. Kết luận chương 2 ..............................................................................................59
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN
PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG SĨNG VÀ GIĨ …… ................................................................60
3.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................60
3.2. Bài tốn xuất phát...............................................................................................60
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động của hệ ...................67
3.3.1. Ảnh hưởng của mơ hình tính...........................................................................67


v
3.3.2. Ảnh hưởng của dạng kết cấu ...........................................................................71
3.3.3. Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu .......................................................................74
3.3.3.1. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc chính ..................................................74
3.3.3.2. Ảnh hưởng của mơ đun đàn hồi cọc phụ .....................................................78
3.3.4. Ảnh hưởng của đường kính ngồi cọc chính ..................................................81
3.3.5. Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc phụ .....................................................85
3.3.6. Ảnh hưởng của lớp nền san hô ........................................................................88
3.3.7. Ảnh hưởng của tải trọng..................................................................................91
3.3.7.1. Ảnh hưởng của giản đồ vận tốc gió .............................................................91
3.3.7.2. Ảnh hưởng của phương tải trọng gió ...........................................................95
3.3.7.3. Ảnh hưởng của chiều cao sóng biển ............................................................99
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................102

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU HỆ THANH
MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH BIỂN BẰNG THỰC NGHIỆM .............................104
4.1. Mục đích thí nghiệm ........................................................................................104
4.2. Mơ hình và các thiết bị thí nghiệm ..................................................................105
4.2.1. Mơ hình thí nghiệm .......................................................................................105
4.2.2. Thiết bị thí nghiệm ........................................................................................106
4.2.2.1. Các thiết bị gây tải......................................................................................106
4.2.2.2. Thiết bị cảm biến gia tốc biến dạng ...........................................................107
4.2.2.3. Máy đo dao động ........................................................................................108
4.3. Phương pháp xác định gia tốc, biến dạng của kết cấu .....................................109
4.4. Cơ sở phân tích và xử lý số liệu thí nghiệm.....................................................111
4.5. Thí nghiệm và kết quả thí nghiệm ...................................................................112
4.5.1. Thí nghiệm xác định đáp ứng động của hệ liên hợp giàn thép - bể chứa trên
nền san hô bãi cạn ven đảo Song Tử Tây chịu tác dụng của xung lực va chạm ....112
4.5.1.1. Mơ tả thí nghiệm ........................................................................................112
4.5.1.2. Thí nghiệm và kết quả ................................................................................113


vi
4.5.2. Thí nghiệm xác định đáp ứng động của hệ giàn thép khơng gian mơ phỏng
một dạng cơng trình DKI tại bể tạo sóng ................................................................120
4.5.2.1. Mơ tả thí nghiệm ........................................................................................120
4.5.2.2. Thí nghiệm và kết quả ................................................................................121
4.6. Kết luận chương 4 ............................................................................................125
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................126
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ ...........................129
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................131
PHỤ LỤC…. ...........................................................................................................141

vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu
1.1. Các ký hiệu bằng chữ La tinh
ax, ay, az

Gia tốc hạt nước theo các phương x, y, z,

[B], [Bi ]

Ma trận đạo hàm, ma trận nội suy của phần tử,

[B]e, [B]se

Ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị của phần tử, PTTX

CD, C1, Cp

Hệ số lực cản, hệ số lực quán tính, hệ số áp lực gió,

Cw, cx, cy

Tốc độ truyền sóng và các cosin chỉ phương

[C], [C]e,

Ma trận cản, ma trận cản phần tử,

C t +∆t 

Ma trận cản phụ thuộc thời gian,

Dch, Dph

Đường kính ngồi cọc chính, đường kính ngồi cọc phụ,

[D], [Dse]

Ma trận quan hệ ứng suất – biến dạng của phần tử, PTTX,

E, Ech, Eph, Ef Môđun đàn hồi của vật liệu, cọc chính, cọc phụ, nền san hơ
{F}e

Véc tơ tải trọng quy nút của phần tử,

fx, fy, fz

Tải trọng tác dụng lên phẩn tử thanh theo phương x, y và z,

{f}, {f0}, {fs}eVéc tơ tải trọng tổng thể, ngoại lực, tải trọng nút phần tử
win
w
{f }e , {f }e Véc tơ tải trọng nút do sóng, gió tác dụng lên phần tử thanh,

G, {g}

Mô đun đàn hồi biến dạng trượt, véc tơ lực thể tích,

Jz

Mơmen qn tính trục của mặt cắt ngang phần tử thanh,

knz, kres

Độ cứng pháp tuyến theo phương z, chống trượt tới hạn

ksx, ksy

Độ cứng tiếp tuyến theo phương x và phương y,

k η, k ξ

Độ cứng pháp tuyến, tiếp tuyến của PTTX,

[K], [K]e

Ma trận độ cứng tổng thể, phần tử

[Kb]e, [Ks]e Ma trận độ cứng của phần tử thanh, PTTX
[K*]

Ma trận độ cứng hiệu quả,

kw, Tw, Hw, Lw, Số sóng, chu kỳ sóng, chiều cao sóng, chiều dài bước sóng,
lx, mx, nx, ly, my, ny, lz, mz, nz

Cosin chỉ phương của trục x, y, z


viii

[M], [M]e

Ma trận khối lượng, ma trận khối lượng phần tử,

[N], [N]e

Ma trận hàm dạng, ma trận các hàm dạng của phần tử,

[Nu(ξ)],[Nv(ξ)],Nw(ξ)] Véc tơ hàng của hàm dạng chuyển vị ngang theo
phương x, y, z
[Nθx(ξ)], [Nθy(ξ)], [Nθz(ξ)] Véc tơ hàng của hàm dạng chuyển vị xoay
quanh trục x, y, z
pwin(t)

Áp lực gió tác động lên diện tích của cơng trình theo thời gian,

{P}, {P*}

Véc tơ tải trọng tổng thể, véctơ tải trọng hiệu quả,

qwin ( t )

Lực gió phân bố theo chiều dài của thanh,

{q}T, {q}e Véc tơ chuyển vị nút phần tử

{qt +∆t }

Luỹ tích của véc tơ chuyển vị nút

tch, tph

Chiều dày thành ống cọc chính, cọc phụ

[T]e

Ma trận chuyển hệ trục tọa độ,

Uwin(t)

Hàm vận tốc gió theo thời gian,

Ux, U x , U x Đáp ứng chuyển vị ngang, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn,

Vx, Vy, Vz Chuyển vị của hạt nước theo các phương x, y, z,
1.2. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp
α, δ

Các tham số trong tích phân Newmark,

αr, βr

Các hằng số cản Rayleigh,

β:

Góc nghiên của cọc chính,

∆σ, ∆εz

Số gia ứng suất và số gia biến dạng theo phương pháp tuyến z,

∆τzx, ∆τzy

Số gia ứng suất và số gia biến dạng trong mặt phẳng xoz, yoz

∆γzx, ∆γzy

Số gia biến dạng trong mặt phẳng xoz, yoz

{∆U se }

Véc tơ số gia chuyển vị nút của PTTX

{∆εse}(i)

Số gia biến dạng của phần tử tiếp xúc,
(i)

{∆σ }
se
t +∆t

Số gia ứng suất trong phần tử tiếp xúc,


ix
{δ}

Véctơ chuyển vị nút phần tử tiếp xúc,

ωw, ωi , ω j Tần số sóng, các tần số dao động riêng
ξ

Tọa độ cục bộ không thứ nguyên (ξ ∈ [-1,1] và ξ = 2x/l),

ξI, ξj

Các tỷ số cản,

λ

Hệ số hiệu chỉnh cắt,

ηw

Độ cao mặt sóng biển so với mực nước tĩnh,

{ε}, {εse}

Véctơ biến dạng phần tử, PTTX

ε x , γ zx , γ xy Biến dạng tại một điểm thuộc phần tử
εD, εF

Độ chính xác yêu cầu theo chuyển vị, theo lực

τgh

Ứng suất trượt giới hạn,

φ

Góc hợp bởi trục phần tử thanh dầm và phương thẳng đứng,

ψ

Góc hợp bởi Uwin ( t ) và pháp tuyến của mặt chắn gió.

δWv, δWin và δWE là công ảo của nội lực, lực quán tính và ngoại lực do
chuyển vị ảo gây ra.
Ký hiệu biểu diễn phép tính chuẩn của một véc tơ.

2. Danh mục các chữ viết tắt
CCPCGT

Hệ giàn có cọc phụ và có khối bê tơng gia tải,

CCPKGT

Hệ giàn có cọc phụ nhưng khơng có khối gia tải,

KCPKGT Hệ giàn khơng có cọc phụ và khơng có khối gia tải,
KTT, TT

Khơng tương tác, tương tác,

PTHH

Phần tử hữu hạn,

PTTX

Phần tử tiếp xúc,

3D_FRAME_CORAL_2014: Chương trình phân tích kết cấu cơng trình hệ
thanh, chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng biển và gió theo mơ hình
bài tốn khơng gian.


x
DANH MỤC CÁC BẢNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 6
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ
ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG VÀ GIÓ .…… ..... 25
Bảng 2.1. Đặc trưng vật liệu của phần tử tiếp xúc (vật liệu đẳng hướng) .. 40
Bảng 2.2. Thông số cơ bản của kết cấu ..................................................... 56
Bảng 2.3. Kết quả so sánh 4 tần số riêng đầu tiên ...................................... 58
Bảng 2.4. So sánh giá trị lớn nhất của các đại lượng tính .......................... 58
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU
TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ ..................................... 60
Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu các lớp nền san hô ........................................ 61
Bảng 3.2. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và mô
men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ ............................................. 66
Bảng 3.3. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và mô
men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ (mơ hình TT và KTT) ........ 70
Bảng 3.4. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và
mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ tương ứng các dạng mơ hình ..... 74
max

max
max
Bảng 3.5. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo mơ đun đàn hồi Ech của vật liệu cọc chính . 75
max
max
max
Bảng 3.6. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo mơ đun đàn hồi Eph của vật liệu cọc phụ .... 78
max
max
max
Bảng 3.7. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngồi Dch của cọc chính .......... 84


xi
max
max
max
Bảng 3.8. Biến thiên giá trị U max

tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngồi Dph của cọc phụ ............. 85
max
max
max
Bảng 3.9. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo Ef2 ................................................................ 88
max
max
max
Bảng 3.10. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ khi thay đổi giản đồ vận tốc gió ......................... 94
Bảng 3.11. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn và
mơ men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ (mơ hình tương tác) ....................... 98
max
max
max
tại đỉnh giàn và M y tại
Bảng 3.12. Biến thiên giá trị U max
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo chiều cao sóng Hw .................................... 102

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU HỆ
THANH MƠ PHỎNG CƠNG TRÌNH BIỂN BẰNG THỰC NGHIỆM .104
Bảng 4.1. Giá trị lớn nhất của gia tốc tại điểm đo ................................... 114
Bảng 4.2. Các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ .............................. 116
Bảng 4.3. Giá trị lớn nhất chuyển vị tại các điểm đo ............................... 121
Bảng 4.4. Các tần số dao động riêng đầu tiên của hệ ............................... 123


xii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 6
Hình 1.1. Dàn khoan “Dầu Khí Hải Dương 981” trên Biển Đơng ............... 9
Hình 1.2. Toàn cảnh dàn khoan Hai – bơ – nia ............................................ 9
Hình 1.3. Giàn khoan West Alpha của Nga . .............................................. 10
Hình 1.4. Cơng trình nhà giàn DKI của Việt Nam. .................................... 11
Hình 1.5. Lực sóng tác dụng lên thanh hình trụ ......................................... 13
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ
ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG VÀ GIĨ ..........……25
Hình 2.1. Chân cọc nhà giàn DKI/6 bị hư hỏng ......................................... 25
Hình 2.2. Mơ hình kết cấu nhà giàn DKI có 4 cọc chính, 8 cọc phụ và
8 khối gia tải ............................................................................................. 26
Hình 2.3. Hình chiếu đứng của mơ hình bài tốn ....................................... 27
Hình 2.4. Phần tử thanh 3D và các bậc tự do . ........................................... 28
Hình 2.5. Phần tử lục diện 8 điểm nút . ...................................................... 34
Hình 2.6. Phần tử tiếp xúc 3 chiều (3D). .................................................... 38
Hình 2.7. Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng trong phần tử tiếp xúc. ..... 41
Hình 2.8. Mơ hình PTHH khu vực xung quanh cọc. .................................. 42
Hình 2.9. Phần tử thanh chịu tải trọng sóng . ............................................. 43
Hình 2.10. Sơ đồ khối của thuật tốn ......................................................... 55
Hình 2.11. Mơ hình bài toán [56] . ............................................................. 57

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN
PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CƠNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC
DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SĨNG VÀ GIĨ .............................................. 60
Hình 3.1. Hình chiếu đứng của mơ hình bài tốn khảo sát ......................... 61
(1)

(1)

Hình 3.2. Giản đồ vận tốc gió U win ( t ) với U max = 46,35m / s ................... 62


xiii
Hình 3.3. Mơ hình PTHH của bài tốn ...................................................... 63
Hình 3.4. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian.......... 64
Hình 3.5. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời gian.... 65
Hình 3.6. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời gian..... 65
Hình 3.7. Đáp ứng mơ men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, chân cọc phụ
theo thời gian ............................................................................................................. 66
Hình 3.8. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian (mơ
hình tương tác và mơ hình khơng tương tác) .............................................. 67
Hình 3.9. Đáp ứng vận tốc U x tại đỉnh giàn theo thời gian (mơ hình tương
tác và mơ hình khơng tương tác)................................................................. 68
Hình 3.10. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời
gian (mô hình tương tác và mơ hình khơng tương tác) .............................. 68
Hình 3.11. Đáp ứng mơ men uốn My tại mặt cắt chân cọc chính theo thời
gian (mơ hình tương tác và mơ hình khơng tương tác) .............................. 69
Hình 3.12. Đáp ứng mô men uốn My tại mặt cắt chân cọc phụ theo thời
gian (mơ hình tương tác và mơ hình khơng tương tác) .............................. 69
Hình 3.13. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian tương

ứng các dạng mơ hình ................................................................................ 71
Hình 3.14. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời
gian tương ứng các dạng mơ hình ............................................................... 72
Hình 3.15. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời
gian tương ứng các dạng mơ hình ............................................................. 72
Hình 3.16. Đáp ứng mơ men uốn My tại mặt cắt chân cọc chính theo thời
gian theo thời gian tương ứng các dạng mơ hình ....................................... 73


xiv
Hình 3.17. Đáp ứng mơ men uốn My tại mặt cắt chân cọc phụ theo thời
gian theo thời gian tương ứng các dạng mơ hình........................................ 73
Hình 3.18. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi
Ech của của vật liệu cọc chính .................................................................... 75
tại đỉnh giàn và mơ đun
Hình 3.19. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
x

đàn hồi Ech của của vật liệu cọc chính ....................................................... 76
Hình 3.20. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và mô đun

đàn hồi Ech của của vật liệu cọc chính ........................................................ 76
Hình 3.21. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc chính và mơ đun
y

đàn hồi Ech của của vật liệu cọc chính ........................................................ 77
Hình 3.22. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt mắt chân cọc phụ và mô đun
y

đàn hồi Ech của của vật liệu cọc chính ....................................................... 77
Hình 3.23. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi
x
Eph của của vật liệu cọc phụ ....................................................................... 79
Hình 3.24. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và mô đun
x

đàn hồi Eph của của vật liệu cọc phụ ........................................................ 79
Hình 3.25. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và mô đun

đàn hồi Eph của của vật liệu cọc phụ ........................................................... 80
Hình 3.26. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc chính và mơ đun
y

đàn hồi Eph của của vật liệu cọc phụ .......................................................... 80
Hình 3.27. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ và mô đun đàn
y
hồi Eph của của vật liệu cọc phụ ................................................................. 81
Hình 3.28. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và đường kính
x
ngồi Dch của cọc chính ............................................................................... 82


xv

Hình 3.29. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và đường
x
kính ngồi Dch của cọc chính ...................................................................... 82
Hình 3.30. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và đường
kính ngồi Dch của cọc chính ...................................................................... 83
tại mặt cắt chân cọc chính và đường
Hình 3.31. Đáp ứng mơ men M max
y
kính ngồi Dch của cọc chính ...................................................................... 83
Hình 3.32. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ và đường kính
y
ngồi Dch của cọc chính .............................................................................. 84
Hình 3.33. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và đường kính Dph
x
của cọc phụ ................................................................................................. 85
Hình 3.34. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và đường
x
kính ngồi Dph của cọc phụ ......................................................................... 86
Hình 3.35. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và đường
kính ngồi Dph của cọc phụ ......................................................................... 86
Hình 3.36 Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc chính và đường
y
kính ngồi Dph của cọc phụ ......................................................................... 87
Hình 3.37. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ và đường kính

y
ngồi Dph của cọc phụ ................................................................................. 87
Hình 3.38. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và Ef2 ............... 89
x
Hình 3.39. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và Ef2 .. 89
x
Hình 3.40. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và Ef2 ....... 90
Hình 3.41. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc chính và Ef2 ...... 91
y
Hình 3.42. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ và Ef2 ......... 92
y


xvi
Hình 3.43. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo giản đồ vận
x
tốc gió............ .............................................................................................. 92
Hình 3.44. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo giản
x

đồ vận tốc gió .............................................................................................. 92
Hình 3.45. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo giản đồ
vận tốc gió ................................................................................................. 93
Hình 3.46. Đáp ứng mơ men M max

tại mặt cắt chân cọc chính theo giản đồ
y
vận tốc gió ................................................................................................. 93
tại mặt cắt chân cọc phụ theo giản đồ
Hình 3.47. Đáp ứng mơ men M max
y
vận tốc gió ................................................................................................. 94
Hình 3.48. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo thời gian
x
(trường hợp ψ = 0o và ψ = 45o) .................................................................. 95
Hình 3.49. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo thời
x
gian (trường hợp ψ = 0o và ψ = 45o) .......................................................... 96
Hình 3.50. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời
gian (trường hợp ψ = 0o và ψ = 45o) ........................................................... 96
Hình 3.51. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc chính theo thời
y
gian (trường hợp ψ = 0o và ψ = 45o) .......................................................... 97
Hình 3.52. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ theo thời gian
y
(trường hợp ψ = 0o và ψ = 45o) .................................................................. 97
Hình 3.53. Đáp ứng góc xoay quanh trục z tại đỉnh giàn theo thời gian
(trường hợp ψ = 0o và ψ = 45o) .................................................................. 98


xvii

Hình 3.54. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo chiều cao
x
sóng Hw

................................................................................................ 99

Hình 3.55. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo chiều
x
cao sóng Hw ............................................................................................... 100
Hình 3.56. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo chiều
cao sóng Hw ............................................................................................... 100
Hình 3.57. Đáp ứng mơ men M max
tại mặt cắt chân cọc chính theo chiều
y
cao sóng Hw ............................................................................................... 101
tại mặt cắt chân cọc phụ theo chiều cao
Hình 3.58. Đáp ứng mơ men M max
y
sóng Hw

.............................................................................................. 101

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU HỆ
THANH MÔ PHỎNG CƠNG TRÌNH BIỂN BẰNG THỰC NGHIỆM . 104
Hình 4.1. Mơ hình thí nghiệm tại bể tạo sóng . ........................................ 105
Hình 4.2. Mơ hình thí nghiệm tại bãi cạn đảo Song Tử Tây .................... 106
Hình 4.3. Cảm biến gia tốc ....................................................................... 107
Hình 4.4. Hệ thống đo động LMS và màn hình làm việc của máy . ........ 109

Hình 4.5. Định vị gia tốc, hướng đầu đo theo phương OX ..................... 109
Hình 4.6. Gắn tấm điện trở đo biến dạng theo phương trục cọc chính .... 110
Hình 4.7. Bố trí giàn trong bể tạo sóng .................................................... 112
Hình 4.8. Gắn đầu đo gia tốc và thử máy ................................................. 113
Hình 4.9. Hồn tất cơng tác chuẩn bị ........................................................ 113
Hình 4.10. Hiện trường thí nghiệm tại bể tạo sóng .................................. 114
Hình 4.11. Quan sát và hiển thị kết quả thí nghiệm ................................. 114
Hình 4.12. Đáp ứng gia tốc tại các điểm đo ............................................. 115
Hình 4.13. Đáp ứng biên độ - tần số ........................................................ 116


xviii
Hình 4.14. Sơ đồ thí nghiệm . ................................................................... 118
Hình 4.15. Tạo xung lực va chạm theo các phương ................................ 119
Hình 4.16. Xung lực do búa tác dụng theo phương x ...... ........................ 119
Hình 4.17. Đáp ứng chuyển vị tại điểm đo K1 khi lực tác dụng theo phương x . 120
Hình 4.18. Đáp ứng chuyển vị tại điểm đo K2 khi lực tác dụng theo phương y . 120
Hình 4.19. Đáp ứng chuyển vị tại điểm đo K3 khi lực tác dụng theo phương x . 121
Hình 4.20. Đáp ứng chuyển vị tại điểm đo K4 khi lực tác dụng theo phương y . 121
Hình 4.21. Đáp ứng biên độ - tần số tại điểm đo K1 ................................ 123
Hình 4.22. Đáp ứng biên độ - tần số tại điểm đo K2 ................................ 123
Hình 4.23. Đáp ứng biên độ - tần số tại điểm đo K3 ................................ 124


1
MỞ ĐẦU

Việt Nam có vùng biển rộng lớn với diện tích thuộc chủ quyền, quyền
chủ quyền và quyền tài phán khoảng 1.000.000 km², có chiều dài đường bờ
biển khoảng 3.260km. Trên hệ thống đảo ven bờ, ngoài khơi như hai quần

đảoTrường Sa, Hoàng Sa và rất nhiều các đảo lớn, nhỏ cùng các bãi cạn san
hô đã xây dựng nhiều cơng trình phịng thủ khẳng định và bảo vệ chủ quyền
biển nước ta. Ngày nay, với sự tranh chấp chủ quyền, đặc biệt chủ quyền
biển đảo đang là vấn đề hết sức phức tạp địi hỏi chúng ta phải có những giải
pháp xây dựng, gia cố các cơng trình trong vùng lãnh hải của mình, trong đó
cơng trình móng cọc hệ thanh như nhà giàn DKI, giàn khoan dầu khí là các
cơng trình điển hình. Nhận thức rõ tầm quan trọng này, Đảng và Nhà nước
ta đã có những quyết sách đúng đắn nhằm xây dựng các đảo thuộc quần đảo
Trường Sa và vùng thềm lục địa trở thành những căn cứ quân sự, kinh tế
vững chắc, có đủ khả năng đáp ứng tốt nhiệm vụ kinh tế, chính trị trước mắt
và lâu dài.
Với đặc điểm môi trường biển, đặc thù vùng biển và thêm lục địa Việt
Nam, cơng trình biển cố định dạng móng cọc được dùng rộng rãi và phát
huy khá tốt tính năng của chúng, góp phần giữ vững an ninh quốc phịng và
góp phần phát triển kinh tế biển, đây là một hệ cơ học khá phức tạp, gồm
kết cấu đàn hồi đặt trong môi trường nước biển, có sự tương tác với nền
san hơ, chịu tác dụng của sóng, gió, dịng chảy và các tác động khác của
mơi trường. Điểm lại các cơng trình hệ thanh trên nền san hơ hiện nay,
trong đó phải kể đến các cơng trình DKI, có thể khẳng định sự phát triển
vượt bậc về kỹ thuật thiết kế, thi công với các loại cơng trình dạng này.
Tuy nhiên do nhiều yếu tố phức tạp, như tính chất cơ lý của vật liệu nền


2
san hơ, tính chất của tải trọng tác dụng, các phương pháp tính chưa phù
hợp với điều kiện làm việc thực tế của cơng trình, trong đó có thể kể đến sự
chưa phù hợp về mơ hình, điều kiện tải trọng tính và các nghiên cứu thực
nghiệm mơ phỏng trạng thái làm việc của các cơng trình này cịn hạn chế,
dẫn đến khó khẳng định sự phù hợp của phương pháp tính tốn, thiết kế.
Cho nên qua q trình sử dụng, một số cơng trình đã bộc lộ những nhược

điểm, giảm hiệu quả sử dụng đáng kể, ảnh hưởng lớn đến điều kiện sinh
hoạt và tác chiến, đặc biệt có những cơng trình bị đổ, gây ra nhiều thiệt hại
to lớn cả về kinh tế, an ninh quốc phòng và tính mạng con người. Do đó,
nghiên cứu, phân tích động lực học của kết cấu cơng trình biển hệ thanh cố
định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió, sử dụng
mơ hình khơng gian, hệ kết cấu – nền san hô làm việc đồng thời là vấn đề
đến nay vẫn có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.

Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của luận án:
- Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về nền san hô, tải trọng tác dụng lên
kết cấu công trình biển, cơ sở xây dựng mơ hình phân tích động lực học
(chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực) kết cấu cơng trình biển hệ thanh cố
định trên nền san hơ (như các cơng trình nhà giàn DKI) chịu tác dụng của
tải trọng sóng và gió, trong đó sử dụng mơ hình bài tốn khơng gian khi hệ
kết cấu - nền san hô làm việc đồng thời.
- Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để xây dựng thuật tốn và
chương trình tính nhằm phân tích động lực học của kết cấu cơng trình biển
hệ thanh trên nền san hơ chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió theo mơ
hình bài tốn khơng gian khi hệ kết cấu - nền san hô không tương tác và
tương tác.


3
- Khảo sát số, phân tích ảnh hưởng của một số yếu tố đến đáp ứng
động của hệ, đưa ra các nhận xét, khuyến nghị có ý nghĩa thực tiễn và tham
khảo cho việc thiết kế, thi công xây dựng các cơng trình biển hệ thanh như
nhà giàn DKI.
- Nghiên cứu thực nghiệm kết cấu hệ thanh không gian cố định trên
nền san hơ ngồi thực địa đảo Song Tử Tây và nghiên cứu kết cấu hệ thanh
không gian cố định trong bể tạo sóng để xác định các bộ số liệu đáp ứng

động của các hệ kết cấu – nền, đồng thời so sánh đối chiếu với kết quả
nghiên cứu lý thuyết, làm cơ sở đánh giá mức độ phù hợp của phương pháp
nghiên cứu.

Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơng trình biển cố định hệ thanh
khơng gian, cố định trên nền san hô (mô tả các công trình nhà giàn DKI)
chịu tải trọng sóng biển và gió gây ra.
Phạm vi nghiên cứu:
- Về kết cấu: Cơng trình biển cố định hệ thanh không gian, định hướng
ứng dụng cho các cơng trình như: nhà giàn DKI, cơng trình biển cố định
ngồi khơi.
- Về nền: Nền san hơ khu vực quần đảo Trường Sa.
- Về tải trọng: Tải trọng sóng biển được xác định theo lý thuyết sóng
Airy, lý thuyết sóng Stoke và tải trọng gió là hàm của thời gian.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu bằng lý thuyết trên cơ sở phương pháp PTHH, lập trình tính
tốn trong mơi trường Matlab và nghiên cứu thực nghiệm kết cấu công trình
biển bằng mơ hình ngồi thực địa và mơ hình trong bể tạo sóng.


4
Cấu trúc của luận án:
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu
tham khảo, với 128 trang thuyết minh, trong đó có 19 bảng, 97 hình vẽ, đồ
thị, 80 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục.
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài luận án và bố cục luận án.
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Trình bày tổng quan về nền san hô, tải trọng tác dụng lên công trình

biển cố định, bài tốn tương tác giữa cơng trình biển và nền san hô, rút ra
những kết quả đã đạt được, những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, từ
đó lựa chọn mục tiêu, nội dung nghiên cứu cho luận án. Các kết quả nghiên
cứu của chương này góp phần làm cơ sở khoa học cho việc xây dựng mơ
hình, phương pháp phân tích động lực học cơng trình biển hệ thanh cố định
trên nền san hơ chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió theo mơ hình bài
tốn khơng gian trong các trường hợp hệ kết cấu - nền làm việc khơng
tương tác và có tương tác.
Chương 2: Phân tích động lực học cơng trình biển cố định chịu tác
dụng của tải trọng sóng biển và gió.
Xây dựng mơ hình bài tốn, thiết lập thuật tốn, chương trình và khảo
sát số xem xét đáp ứng động của kết cấu cơng trình biển hệ thanh khơng
gian cố định trên nền san hô chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió,
trong đó hệ kết cấu - nền san hô tương tác và không tương tác.
Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động
của cơng trình biển cố định chịu tác dụng của tải trọng sóng biển và gió.
Xây dựng mơ hình bài tốn, thiết lập thuật tốn, chương trình tính và
khảo sát số xem xét đáp ứng động của kết cấu cơng trình biển hệ thanh
khơng gian trên nền san hơ chịu tác dụng của tải trọng sóng và gió, sử dụng


5
mơ hình kết cấu và nền san hơ làm việc đồng thời. Nội dung được phản ánh
trong các cơng trình [5], [6], [7], [8] của tác giả.
Chương 4: Nghiên cứu phản ứng động của kết cấu hệ thanh mô
phỏng công trình biển bằng thực nghiệm.
Thiết kế, chế tạo mơ hình kết cấu hệ thanh và tiến hành thí nghiệm
trên mơ hình và các thiết bị thí nghiệm hiện đại tại bể tạo sóng, nhằm xác
định đáp ứng động của hệ. Kết quả cho phép xem xét định lượng ứng xử
của kết cấu hệ thanh dưới tác dụng của tải trọng sóng và là cơ sở xem xét

sự phù hợp của phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Nội dung được phản
ánh trong các cơng trình [7], [8] của tác giả.
Kết luận chung:
Trình bày các kết quả chính, những đóng góp mới của luận án và các
kiến nghị nội dung cần tiếp tục nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo
Phụ lục