Nhận dạng tổn hao lực căng trong kết cấu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước từ kết quả phân tích dao động

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỔ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

TRẦN THIỆN HIẾU

NHẬN DẠNG TỔN HAO LỰC CĂNG TRONG KẾT CẤU DẦM
BÊ TÔNG CỐT THÉP ỨNG SUẤT TRƯỚC TỪ KẾT QUẢ
PHÂN TÍCH DAO ĐỘNG
Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã số ngành: 60.580.208

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ Chí Minh_8/2017


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. Hè Đức Duy

Cán bộ chấm nhận xét 1:

PGS. TS. Ngô Hữu Cường

Cán bộ chấm nhận xét 2:

TS. Châu Đình Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM,

ngày 23 tháng 08 năm 2017.
Thành phần Hội đồng đánh gỉấ luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS. TS. Chu Quốc Thắng
2. TS. Nguyễn Hồng Ân
3. PGS. TS. Nguyễn Văn Hỉếu
4. PGS.TS. Ngô Hữu Cuồng
5. TS. Châu Đình Thành
Xắc nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Thiện Hiếu

MSHV: 1570038

Ngày, tháng, năm sinh: 20-05-1992

Nơi sinh: Tây Ninh

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dụng công trình dân dụng và công nghiệp
Mã ngành: 60580208
I.

TÊN ĐỀ TÀI: Nhận dạng tổn hao lực căng trong dầm bê tông cốt thép ứng
suất trước từ kết quả phân tích dao động

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1) Thiết lập mối tuơng quan giữa tần số dao động tự nhiên và lực căng cáp trong dầm bê tông
cốt thép ứng suất truớc.
2) Mô hình phần tử hữu hạn dầm bê tông cốt thép ứng suất truớc bằng phần mềm ABAQUS.
So sánh kết quả phân tích dao động từ mô hình và thí nghiệm.
3) Xây dựng phương pháp hiệu chỉnh mô hình phân tử hữu hạn bằng giải thuật tiến hóa khác
biệt dựa vào sự thay đổi các đặc trưng dao động.
4) Dựa vào kết quả tần số thực nghiệm và kết quả tần số của mô hình hiệu chỉnh, xác định
trạng thái mất ứng suất trong dầm.
5) Rút ra kết luận về những công việc đã thực hiện. Nêu lên những hướng phát triển của đề tài.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 1/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆMVỤ: 6/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. Hồ Hữu Chỉnh
TS. Hồ Đức Duy

Tp. HCM, ngày .... thảng ... năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

TS. Hồ Hữu Chỉnh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

CHỦ TỊCH HỘI ĐÒNG NGÀNH

TS. Hồ Đức Duy
PGS.TS. Bùi Công Thành
TRƯỞNG KHOA KĨ THUẬT XÂY DỰNG

PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm
ỉỉ


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xỉn chân thành cảm ơn Thầy hướng dẫn TS. Hồ Hữu Chỉnh và
Thầy TS. Hồ Đức Duy, thầy đã tận tình hướng dẫn, động viên và giúp đỡ tôi hoàn
thành luận văn. Với cá nhân tôi, sự tận tâm chỉ bảo của thầy là hình ảnh người thầy
đáng kính trong sự nghiệp giáo dục.
Tôi xin cảm ơn Ban giảm hiệu Trường đại học Bách khoa Tp. HCM, các thầy
cô đã truyền đạt những kiến thức và phương pháp học tập. Đó cũng là những kiến
thức không thể thiểu trên con đường nghiên cứu khoa học và công việc của tôi sau
này.
Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ của bạn bè, các anh chị học viên khoá 2015.
Sau cùng, tôi muốn tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân đã luôn động viên
tình thần, tạo điều kiện và giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian học tập và thực
hiện luận văn.
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2017

Trần Thiện Hiếu


ỉỉỉ

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Nội dung nghiên cứu của luận văn là nhận dạng tổn hao lực căng trong kết cấu
dầm bê tông cốt thép ứng suất trước (BTCTƯST). Trong đó, phương pháp tối ưu “giải
thuật tiến hóa khác biệt” (Differential Evolution-DE) được sử dụng để hiệu chỉnh mô
hình phần tử hữu hạn (PTHH) dựa vào sự thay đổi các đặc trưng dao động. Từ kết quả
thí nghiệm và hiệu chỉnh mô hình, trạng thái mất ứng suất trước trong dầm được dự
đoán. Trình tự thực hiện nội dung trên bao gồm các bước sau:
- Mô phỏng sự làm việc của dầm BTCTƯST bằng phần mềm ABAQƯS và hiệu
chỉnh các thông số mô hình theo từng trạng thái ứng suất trước cho đến khi tần
số dao động hội tụ.
- Xác định tần số dao động của dầm theo mô hình PTHH đã hiệu chỉnh. Dựa vào
phân tích hồi quy tuyến tính xác định được tần số mô hình của dầm ở trạng thái
không ứng suất trước.
- Dựa vào tần số tự nhiên đo được và tần số mô hình ở trạng thái không ứng suất
trước, kết hợp với biểu thức quan hệ lực ứng suất trước và tần số tự nhiên trong
dầm xác định được trạng thái mất ứng suất trước của dầm.
- Rút ra kết luận về những công việc đã thực hiện. Nêu lên những hướng phát triển
đề tài.


iv

ABSTRACT
The main objective of tins study is to identify the loss of prestress-force in
prestressed concrete (PSC) beam. In this study, the optimization method of Differential
Evolution (DE) is employed to adjust the finite element (FE) model based on changes
in dynamic characteristics. Then, the states of prestress loss in the PSC beam are
assessed from experimental results and the updated FE model. In order to acheive the
objective, the following approaches are implemented:
-

Simulate a PSC beam by ABAQƯS software and adjust model’s parameters to
the natural frequencies of FE model are converging to experimnetal ones.

-

Identify the PSC beam’s structural parameters based on the updated FE model.
The natural frequencies of beam in the zero-prestress state are detrmined by
analyzing linear regression processes.

-

Identify the prestress loss in the PSC beam from changes in natural frequencies.

-

Draw main conclusions of the sudy and recommend ideasfor further research.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, ngoại trừ các số liệu kết quả tham khảo từ các công trình
nghiên cứu khác đã ghi rõ trong luận văn, đây là công việc do cá nhân tôi thực hiện
dưới sự hướng dẫn của TS. Hồ Hữu Chỉnh và TS. Hồ Đức Duy. Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa được công bố ở các nghiên cứu khác.
Tác giả luận văn

Trần Thiện Hiếu


vi

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU .................................................................................................... 1

1.1 Đặt vấn đề ........................................................................................................ 1
1.2 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .................................................................... 5
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 5
1.2.2 Nội dung nghiên cứu ................................................................................ ố
1.3 Tính cần thiết và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu ..................................... ố
1.4 Cấu trúc luận văn ............................................................................................. 7
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN................................................................................................... 8

2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài.................................................................... 8
2.2 Tình hình nghiên cứu tại Việt Nam ............................................................... 10
2.3 Tổng kết ......................................................................................................... 11
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................... 12

3.1 Thiết lập biểu thức tương quan giữa lực căng cáp và tần số tự nhiên ........... 12
3.2 Kỹ thuật hiệu chỉnh mô hình PTHH .............................................................. 17
3.3 Phương pháp tối ưu hóa kết hóa .................................................................... 17
3.4 Giải thuật tiến hóa khác biệt (Differential Evolution-DE) ............................ 19
3.4.1 Quá trình tạo dân số ban đầu .................................................................. 19
3.4.2 Quá trình đột biến ................................................................................... 20
3.4.3 Quá trình lai tạo ...................................................................................... 21
3.4.4 Quá trình lựa chọn .................................................................................. 22
3.4.5 Sơ đồ giải thuật DE ................................................................................ 23
CHƯƠNG 4: CÁC BÀI TOÁN ỨNG DỤNG .....................................................................24

4.1 Bài toán áp dụng ............................................................................................ 24
4.1.1 Thông số bài toán .....................................................................................24

vii
4.1.2 .......................................................................................................
Mô tả thí nghiệm ........................................................................................................ 24
4.1.3 Kết quả thí nghiệm ...................................................................................26
4.2 Mô hình phần tử hữu hạn ................................................................................29
4.2.1 .......................................................................................................
Mô phỏng dầm BTCTƯST ......................................................................................... 29
4.2.2 Mô phỏng dầm BTCTƯST ......................................................................32
4.3 Hiệu chỉnh mô hình PTHH .............................................................................34
4.4 Kết quả hiệu chỉnh mô hình ............................................................................38
4.4.1 Trường hợp T= 117.7 kN .........................................................................38
4.4.2 Trường hợp T=98.1 kN ............................................................................40
4.4.3 Trường hợp T=78.5 kN ............................................................................43
4.4.4 Trường hợp T=58.9 kN ........................................................................... 45
4.4.5 Trường hợp T=39.2 kN ............................................................................48
4.4.6 Kết quả các thông số sau hiệu chỉnh bằng thuật toán DE ........................51
4.5 Thiết lập mối tương quan giữa lực ứng suất và các biến thông số .................52
4.4 Tần số dao động trạng thái không ứng suất trước .......................................... 58
4.5 Dự đoán trạng thái mất ứng suất trước .......................................................... 61
4.6 ứng dụng thực tiễn của bài toán ......................................................................67
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................... 70

5.1 Kết luận ...........................................................................................................70
5.2 Kiến nghị .........................................................................................................71
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 72


viii

DANH MỤC BẢNG BIỂU
•

Bảng 4.1. Kết quả tần số dao động tự nhiên ................................................................26
Bảng 4.2. Các thông số ban đầu ..................................................................................32
Bảng 4.3. Các thông số hiệu chỉnh ..............................................................................34
Bảng 4.4. Độ nhạy các thông số hiệu chỉnh ................................................................35
Bảng 4.5. Thông số hiệu chỉnh của giải thuật tiến hóa ................................................36
Bảng 4.6. Sai số hiệu chỉnh trường hợp T=117.7kN ...................................................38
Bảng 4.7. Sai số hiệu chỉnh trường hợp T=98.1kN .....................................................41
Bảng 4.8. Sai số hiệu chỉnh trường hợp T=78.5kN .....................................................43
Bảng 4.9. Sai số hiệu chỉnh trường hợp T=58.9kN .....................................................46
Bảng 4.10. Sai số hiệu chỉnh trường hợp T=39.2kN ...................................................49
Bảng 4.11. Kết quả tần số sau hiệu chỉnh DE .............................................................51
Bảng 4.12. Giá trị các thông số sau hiệu chỉnh DE .....................................................51
Bảng 4.13. Giá trị tương đối các thông số sau hiệu chỉnh DE ....................................51
Bảng 4.14. Các thông số mô hình sau hiệu chỉnh........................................................56
Bảng 4.15. Giá trị tương đối các thông số sau hiệu chỉnh ...........................................56
Bảng 4.16. Sai số hiệu chỉnh trường hợp T=117.7kN .................................................57
Bảng 4.17. Kết quả tần số dao động của mô hình PTHH ............................................58
Bảng 4.18. Các thông số của mô hình ở ttạng thái không ứng suất trước ...................59
Bảng 4.19. Tần số tự nhiên theo phương trình thực nghiệm .......................................59
Bảng 4.20. Dự đoán mất ứng suất trường hợp Tref=117.7KN.....................................62
Bảng 4.21. Dự đoán mất ứng suất trường hợp Tref=117.7KN.....................................63


ix
Bảng 4.22. Ảnh hưởng sai số ttong dự đoán mất ứng suất trước với Tref =117.7kN
và Tlos =39.2KN .......................................................................................................... 66

x

DANH MỤC HÌNH VẼ
•

Hình 1.1. Tòa nhà Santa Maria Condominimum ở Mỹ ................................................ 1


xi
Hình 1.2. Dự án khách sạn Hilton-Đà Nắng..................................................................2
Hình 1.3. Thi công cáp ứng lực tại công trình Hilton-Đà Nắng ....................................3
Hình 1.3. Cầu Mỹ Thuận nối hai tỉnh Tiền Giang- Vĩnh Long .....................................3
Hình 1.5. vết nứt dầm cầu..............................................................................................4
Hình 1.6. Sự cố gãy nhịp cầu vượt, đường cao tốc Trung Lương .................................5
Hình 3.1. Dầm ứng suất trước với cáp quỹ đạo parabol ..............................................13
Hình 3.2. Lực phân bố hướng lên và lực đầu neo T trong dầm ...................................13
Hình 3.3. Lực căng cáp T trong sợi cáp hai đầu tựa đơn với chiều dài cung Ls ......... 13
Hình 3.4. Mô hình cáp trong dầm BTCT ứng suất trước để tìm hệ số fỉ.....................14
Hình 3.5. Mô hình cáp hai đầu gối tựa đơn nhịp Ls chịu lực căng T ...........................15
Hình 3.6. Mô hình dầm tương đương nhịp Lr với độ cứng uốn Eplv ...........................15
Hình 3.7. Mô tả kết quả của bài toán tối ưu hóa..........................................................18
Hình 3.8. Sơ đồ giải thuật DE .....................................................................................18
Hình 3.9. Cơ chế đột biến của giải thuật DE với toán tử đột biến rand/1 ...................21
Hình 3.10. Cơ chế tạo vec-tơ thử u..............................................................................22
Hình 3.11. Mô tả quá trình lựa chọn ........................................................................... 22
Hình 3.12. Sơ đồ thuật toán DE ...................................................................................23
Hình 4.1. Thí nghiệm dao động dầm BTCTƯST ........................................................25
Hình 4.2. Biểu đồ tần số dao động tự nhiên và lực căng cáp (mode

1) ..................27

Hình 4.3. Biểu đồ tần số dao động tự nhiên và lực căng cáp (mode

2) ..................27

Hình 4.5. Hai dạng dao động đàu tiên .........................................................................28
Hình 4.6. Phần tử C3D8R ............................................................................................29


Hình 4.7. Phần tử dầm bê tông ....................................................................................29
Hình 4.8. Phần tử cáp ứng lực .....................................................................................30
Hình 4.9. Liên kết giữa bó cáp và bê tông ...................................................................30
Hình 4.10. Thiết lập liên kết bó cáp và bê tông ...........................................................31
Hình 4.11. Khai báo liên kết lò xo...............................................................................31
Bảng 4.12. Các thông số ban đầu ................................................................................32
Hình 4.13. Dạng dao động thứ nhất của mô hình ........................................................33
Hình 4.14. Dạng dao động thứ hai của mô hình ..........................................................33
Hình 4.15. Quá trình hiệu chỉnh mô hình PTHH ........................................................34
Hình 4.16. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 1 T= 117.7kN .................................37
Hình 4.17. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 2 T= 117.7kN .................................39
Hình 4.18. Sai số hiệu chỉnh trung bình T=117.7kN...................................................40
Hình 4.19. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 1 T= 98.1kN ...................................41
Hình 4.20. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 2 T= 98.1kN ...................................42
Hình 4.21. Sai số hiệu chỉnh trung bình T= 98.1kN....................................................42
Hình 4.22. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 1 T= 78.5kN ...................................44
Hình 4.23. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 2 T= 78.5kN ...................................44
Hình 4.24. Sai số hiệu trung bình T= 78.5kN .............................................................44
Hình 4.25. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 1 T=58.9kN ....................................47

Hình 4.26. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 2 T=58.9kN ....................................47
Hình 4.27. Sai số hiệu chỉnh trung bình T=58.9kN.....................................................47
Hình 4.28. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 1 T=39.2kN ....................................49
Hình 4.29. Sai số hiệu chỉnh dạng dao động thứ 2 T=39.2kN ....................................50
Hình 4.30. Sai số trung bình T=39.2kN ......................................................................50


xi
Hình 4.31. Tương quan giữa ECIC và lực căng T .........................................................52
Hình 4.32. Tương quan giữa Epỉp và lực căng T ........................................................53
Hình 4.33. Tương quan giữa Eili và lực căng T ..........................................................53
Hình 4.34. Tương quan giữa ErIr và lực căng T ..........................................................54
Hình 4.35. Tương quan giữa Kv và lực căng T ............................................................54
Hình 4.36. Tương quan giữa Kh và lực căng T ............................................................54
Hình 4.37. Dự đoán tần số tự nhiên ở trạng thái không ứng suất trước ......................60
Hình 4.38. Dự đoán mất ứng suất trường hợp Tref=117.7kN ......................................63
Hình 4.39. Dự đoán mất ứng suất trước trường hợp Tref =117.7KN ..........................64
Hình 4.40. Dự đoán trạng thái mất ứng suất trước trung bình trường hợp
Tref=117.7KN .............................................................................................................65
Hình 4.41. Ảnh hưởng sai số £ trong dự đoán mất ứng suất trước với Tref =117.7kN
và T1OS =39.2KN .......................................................................................................66
Hình 4.42. Dự đoán lực ứng suất trạng thái giả định ..................................................69


12

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BTCT
PTHH

Bê tông cốt thép
Phần tử hữu hạn

ƯST

ứng suất trước

BTCTƯST Bê tông cốt thép ứng suất trước
DE

Differential Evolution

SHM

Structural Health Monitoring


13

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ec Mô đun đàn hồi của bê tông
Ep Mô đun đàn hồi của bó cáp ứng suất trước
El

Mô đun đàn hồi của bê tông phần dư bên trái dầm

Er

Mô đun đàn hồi của bê tông phần dư bên phải dầm

I Mô men quán tính của bê tông
Ip Mô men quán tính của bó cáp ứng suất trước ỉ Ị

Mô men quán tính của bê tông

phần dư bên trái dầm
Ir

Mô men quán tính của bê tông phần dư bên phải dầm

f Tần sồ dao động tự nhiên
Tần sồ dao động tự nhiên trạng thái không lực ứng suất trước (T=0) T Lực
ứng suất trước
Tref Trạng thái lực ứng suất trước tham chiếu
Tìos Trạng thái mất lực ứng suất trước
vc

Hệ số poisson của bê tông

vp Hệ số poisson của bó cáp ứng suất trước

p

Trọng lượng riêng

A

Diện tích mặt cắt ngang

Ịì

Hệ số hình học

m Khối lượng phân bố theo chiều dài


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1 Đặt vấn đề

Nguyên lý gây ứng suất trước (ƯST) đã được ứng dụng thực tiễn trong đời sống
từ hàng trăm năm trước đây. Các thùng chứa chất lỏng như nước, rượu...được chế tạo từ
các thanh gỗ ghép lại nhờ những đai bằng dây thùng cố thể chịu được áp lực chất lỏng
lên thành. Trong những năm 1928-1929 kỹ sư người Pháp E.Freyssinet lần đầu tiên
chứng minh có thể sử dụng loại thép cường độ cao ( cáp) để tạo ứng suất trước trong kết
cấu bê tông. Thành công đó đã nhanh chống đưa kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước
vào các công trình nghiên cứu về lý thuyết tính toán và tiến hành xây dựng ở nhiều nước.
Tòa nhà Santa Maria Condominimum ở Mỹ cao 160m (52 tầng) hoàn thành 1997 (hình
1.1) là một trong những tòa nhà của Mỹ ứng dựng sớm giải pháp kết cấu bê tông ứng
suất trước.

Hình 1.1. Tòa nhà Santa Maria Condominimum ở Mỹ


2

Kết cấu bê tông cốt thép ứng suất trước được nghiên cứu và ứng dụng ở Việt Nam
khá sớm, từ đàu những năm 60 thế kỷ XX. Các công trình đầu tiên là cầu Phú Lỗ, khách
sạn Thắng Lợi, cầu Bãi Cháy...
Cho đến nay, việc sử dụng kết cấu BTƯST trong xây dựng đang được đẩy mạnh
ở nước ta. Với những ưu điểm nổi bật, kết cấu BTƯST là giải pháp tối ưu cho các công

trình cao tầng vượt nhịp lớn, các công trình cầu, bể chứa, các công trình chịu tải ừọng
lớn, tải trọng động....Dự án khách sạn Hilton Đà Nẵng (hình 1.2) là một điển hình mới
đây nhất, với yêu cầu công năng sử dụng phức tạp, giải pháp dầm chuyển vượt nhịp
24m, cao 80cm với hai lớp cáp 22 sợi, đỡ cho 4 tầng khối cinema (hình 1.3), hay cầu
Mỹ Thuận- cây cầu dây văng đầu tiên tại Việt Nam (hình 1.4), nhịp cầu 40m sử dụng
kết cấu bê tông dự ứng lực lắp ghép.

Hình 1.2. Dự án khách sạn Hỉỉton-Đà Nang


3

Hình 1.3. Thi công cáp ứng lực tại công trình Hỉỉton-Đà nẵng

Hình 1.4. Cầu Mỹ Thuận nối hai tỉnh Tiền Giang- Vĩnh Long.
Tuy nhiên, nhược điểm khi sử dụng kết cấu này thường gặp phải như nứt bê tông
do ứng suất kéo (hình 1.5), tổn hao ứng suất trước trong sợi cáp, giảm độ cứng của kết
cấu, hư hỏng đầu neo và ảnh hưởng môi trường xung quanh, yêu cầu kỹ thuật thi công
cao. Sự mất mát ứng suất trước là một nguyên nhân cần giám sát cẩn trọng để đảm bảo
khả năng sử dụng và mức độ an toàn của kết cấu. Trong kết cấu BTƯST, sau khi bê tông


4

cốt thép được nén bằng các lực căng bó thép, có nhiều yếu tố phát sinh làm giảm hiệu
quả của lực căng cáp. Các mất mát tức thời do: trượt thép đầu neo, do nén đàn hồi (hay
co ngót) của bê tông, ma sát giữa bó cáp và thành ống. Các mất mát ứng suất theo thời
gian: do co ngót của bê tông, do từ biến của bê tông, do chùng bó cáp.

Hình 1.5. vết nứt dầm cầu do tổn hao ứng suất trước.

Rất nhiều công trình gần đây sử dụng kết cấu này ừong thời gian dài chịu nhiều
tác động của môi trường, bị lão hóa, ăn mòn, chịu tải ừọng vượt thiết kế cho phép... gây
ra những sự cố đáng tiếc. Sự cố gãy nhịp cầu vượt, thuộc dự án đường cao tốc Trung
Lưomg năm 2009 gây thiệt hại về người và tài sản (hình 1.6). Nguyên nhân được xác
định do hạ dầm dây cáp ở hai đầu không đều nên gây đứt cáp. Từ những sự cố như thế,
vấn đề về chất lượng kỹ thuật thi công cũng như việc chẩn đoán hư hỏng ừong cấu kiện
BTCTƯST cần được quan tâm.


5

Hình L6.Sự cổ gãy nhịp cầu vượt, đường cao tốc Trung Lương
Tiên thế giới và tại Việt Nam, nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau đã được
sử dụng đế đánh giả tổn hao lục căng cáp của kết cấu BTCTƯST như: kiểm tra áp lực
trong kích thủy lực, sử dụng đầu đo lục, theo dõi biến dạng... Các phương pháp này mặc
dù việc mô tả đơn giản nhưng úng dụng thực tế thường khố đạt hiệu quả về mặt giá
thành, tính chính xác cũng như khả năng áp dụng. Cho nên việc cần thiết là phải đưa ra
phương phập thay thế để theo dõi bảo tà và phát hiện hư hỏng. Một phương pháp đơn
giản, nhanh chóng và hiệu quả ỉà phương phặp theo dõi lực căng cạp thông qua tần số
dao động tự nhiên. Phương pháp đã được ứng dụng rất thành công và thể hiện tính hiệu
quả cao (Kim và cộng sự 2004, Kim và cộng sự 2010, Ho và cộng sự 2012).
1.2 Mục tiêu vằ nội dung nghiên cứu
1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nhận dạng tổn hao lực căng trong kết cấu dầm
BTCTƯST. Bước đầu tiên, thiết lập mối quan hệ giữa tần sổ dao động tự nhiên và lục
căng cáp trong dầm. Kế tiếp, mô phỏng sụ làm việc của dầm bằng phần mềm ABAQUS.
Hiệu chỉnh kết quả mô hình bằng thuật toán tối ưu hóa (áp dụng giải thuật tiến hóa khác
biệt - Differential Evolution-DE). Cuối cùng, từ kết quả thí nghiệm và hiệu chỉnh mô

6

hình, dự đoán trạng thái tổn hao ứng suất trước trong dầm.
1.2.2

Nội dung nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, cần thực hiện những nhiệm vụ cụ thể sau:
- Chọn kết cấu dầm BTCTƯST thí nghiệm đã được công bố, để lấy kết quả tần số
đo được ứng với các trường hợp lực căng cáp khác nhau. Kết quả thí nghiệm phải
cụ thể, đảm bảo chính xác vì đó là cở sở cho các so sánh sau này.
- Mô phỏng ứng xử của dầm bằng phần mềm ABAQƯS. So sánh kết quả thu được
từ phần mềm và thí nghiệm, đưa ra nhận xét.
- Xác định các thông số hiệu chỉnh trong mô hình phần tử hữu hạn. Hiệu chỉnh các
thông số mô hình theo từng trạng thái ứng suất trước cho đến khi bài toán hội tụ.
- Xác định tần số dao động của dầm theo mô hình PTHH đã hiệu chỉnh. Dựa vào
phân tích hồi quy tuyến tính xác định được tần số mô hình của dầm ở trạng thái
không ứng suất trước.
- Dựa vào tần số tự nhiên đo được và tần số mô hình ở trạng thái không ứng suất
trước kết hợp với biểu thức quan hệ lực ứng suất trước và tần số tự nhiên trong
dầm, xác định được trạng thái tổn hao ứng suất trước của dầm.
- Rút ra kết luận về những công việc đã thực hiện. Nêu lên những hướng phát triển
đề tài.
1.3 Tính cần thiết và ứng dụng thực tiễn của nghiên cứu

Một mô hình phần tử hữu hạn (PTHH) chính xác là điều kiện tiên quyết cho các
ứng dụng kỹ thuật dân dụng như phát hiện các phá hoại, theo dõi, kiễm soát sự làm việc
của kết cấu. Tuy nhiên, đối với các kết cấu phức tạp, không phải dễ dàng để tạo ra các
mô hình PTHH chính xác để có thể theo dõi sự làm việc, bởi các đặc tính vật liệu, hình

học, điều kiện biên, và điều kiện nhiệt độ xung quanh là không hoàn toàn xác định. Cho
nên vấn đề quan trọng là làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình PTHH sử dụng các kết quả
thực nghiệm để việc phân tích các thông số kết cấu phù hợp với thực nghiệm. Từ đó có
thể nhận dạng tổn hao lực căng trong dầm.
Trong thực tế, nghiên cứu này có thể áp dụng để thiết lập một cảnh báo hư hỏng
cho dầm BTCTƯST từ các dữ liệu dao dộng thu được qua các gia tốc kế gắn trên dầm.
Nghiên cứu này là một trong những phương pháp theo dõi và bảo trì kết cấu (SHM). Nó


7

cảnh báo tình trạng mất ứng suất gây hư hỏng kết cấu khi tăng tải sử dụng đột ngột, sự
co ngót của bê tông.
1.4 Cấu trúc luận văn

Trong luận văn này thực hiện phương pháp nhận dạng tổn hao lực căng từ kết quả
phân tích dao động của kết cấu dầm bê tông ứng suất trước. Bài toán tối ưu hiệu chỉnh
mô hình PTHH dùng giải thuật tiến hóa khác biệt DE và phương pháp phân tích hồi quy
tuyến tính để tìm tần số dầm trạng thái không ứng suất trước, cấu trúc luận văn gồm 5
chương như sau:
Chương 1: Giới thiệu, trình bày mục tiêu và nội dung nghiên cứu cũng như tính cần thiết

và ứng dụng thực tế của đề tài.
Chương 2: Tổng quan về tình hình nghiên cứu nước ngoài và tại Việt Nam đã thực hiện

về đề tài đang nghiên cứu. Từ đó rút ra hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.
Chương 3: Trình bày cơ sở lý thuyết mối tương quan giữa lực ứng suất và tần số dao

động, lý thuyết tối ưu hóa sử dụng giải thuật tiến hóa khác biệt DE đề hiệu chỉnh bài
toán.

Chương 4: Các bài toán áp dụng. Chương này sẽ phân tích dao động của một dầm

BTCTƯST bằng phần mềm PTHH, sau đó hiệu chỉnh mô hình với thuật toán DE. Dựa
trên cơ sở lý thuyết chương 3, dự đoán được trạng thái tổn hao ứng suất trong dầm.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị sau khi thực hiện đề tài.

Phần cuối là các tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN
Nguyên nhân dẫn đến mất mát ứng suất trong kết cấu dầm BTCTƯST có thể do
co ngót, từ biến của bê tông, giảm ứng suất trong sợi cáp, giảm ma sát và vị trí đầu neo.
Các phương pháp theo dõi và nhận dạng hư hỏng trong kết cấu dầm bê tông cốt thép
ứng suất trước đã được nghiên cứu và áp dụng thực tế rất thành công. Phương pháp
không phá hủy nhằm phát hiện mất mát ứng suất trước đó là theo dõi tần số dao động tự
nhiên, hay hệ thống lai sử dụng phương pháp tuần tự rung động hở kháng để phát hiện
hư hỏng trong sợi cáp...Tuy nhiên phương pháp theo dõi trạng thái mất ứng suất trước
từ kết quả phân tích tần số dao động là một trong những hướng nghiên cứu đã và đang


8

được quan tâm nhiều nhất. Trong chương này sẽ trình bày các nghiên cứu nước ngoài
cũng như tại Việt Nam về vấn đề mất ứng suất trong dầm BTCTƯST.
2.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Từ đầu những năm 1970, nhiều nghiên cứu đã được thực hiện về vấn đề sử dụng
đặc trưng dao động như là một chỉ số để xác định hư hỏng xảy ra trong kết cấu. Trạng
thái mất ứng suất trước xảy ra dọc theo toàn bộ dầm được xác nhận là do giảm khả năng
đàn hồi và uốn của bê tông, từ biến và co ngót trong bê tông, giảm ứng suất trong cáp,
giảm ma sát và vị trí các đầu neo (Collins và cộng sự 1991). Đối với kết cấu dầm bề

tông ứng suất trước, Saiidi và cộng sự (1994) đã theo dõi thay đổi đặc trưng dao động
liên quan đến sự thay đổi trong lực ứng suất trước.
Nhiều phương pháp phát hiện và khoanh vùng phá hoại tuyến tính trong kết cấu
sử dụng các thông số dao động đo được (Doebling và cộng sự 1998). Ngoài ra, một số
phương pháp khác cũng được sử dụng dựa trên dao động (Abdel và De 1999) sử dụng
sự thay đổi trong đường cong dao động để xác định hư hỏng xảy ra trên dầm ứng lực
trước.
Một phương pháp không phá hủy nhằm phát hiện mất mát ứng suất trước của dầm
BTCT ứng suất trước bằng cách sử dụng tần số tự nhiên. Kim và cộng sự (2007) đã đề
xuất chương trình giám sát hư hỏng dựa vào dao động để đưa ra cảnh báo về sự xuất
hiện, vị trí và mức độ nghiêm trọng của hư hỏng trong điều kiện nhiệt độ thay đổi. Hay
hệ thống lai sử dụng phương pháp tuần tự rung động trở kháng để phát hiện hai loại phá
hoại trong dầm BTCT ứng suất trước, đó là phá hoại về sợi cáp ứng lực trước và dầm
BTCT (Kim và cộng sự 2010).
Phương pháp đánh giá lực ứng suất trước trong một dầm BTCT ứng suất trước
bằng cách sử dụng các đặc trưng dao động và hệ thống nhận dạng. Phương pháp này sử
dụng thuật toán độ nhạy để hiệu chỉnh các thông số trong mô hình PTHH (Ho và cộng
sự 2012). Mục tiêu của việc hiệu chỉnh mô hình là nhằm giảm chênh lệch giữa giá trị
tính toán và đo được của tần số. Các phương pháp hiệu chỉnh như hiệu chỉnh một mô
hình PTHH áp dụng đối với các kết cấu phức tạp bằng cách sử dụng phương pháp hiệu
chỉnh độ nhạy của trị riêng (Zhang và cộng sự 2000), thuật toán lời giải nghịch đảo
(inverse-solution algorithm) để phát hiện mất mát ứng suất trước bằng cách đo sự thay