Nghiên cứu ảnh hưởng của hành lang an toàn đường bộ tới an toàn giao thông trên các tuyến đường tỉnh thuộc địa bàn tỉnh Trà Vinh.

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------------------

PHAN BÁ TẠO

XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC
CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
Mã số: 8580205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH KỸ
THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng – Năm 2019


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm

Phản biện 1: TS. Trần Đình Quảng
Phản biện 2: PGS. TS. Hoàng Phương Hoa

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao
thông họp tại trường Đại học Trà Vinh vào ngày 23 tháng 11 năm
2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách
khoa
- Thư viện Khoa Xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách
khoa - ĐHĐN


1
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, cho phép tôi được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
đến quý Thầy Cô giáo trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà
Nẵng nói chung và quý Thầy Cô trong Khoa Xây dựng Cầu
Đường nói riêng. Cảm ơn Thầy Cô đã tận tình dạy dỗ và chỉ bảo
tôi trong suốt 2 năm học vừa qua.
Tôi xin bày tỏ sự kính trọng và biết ơn sâu sắc nhất đến Thầy
giáo hướng dẫn Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm – người đã định hướng,
giúp đỡ tận tình tôi trong suốt thời gian hoàn thành luận văn tốt
nghiệp.
Trong quá trình thực hiện, do nhiều nguyên nhân khác nhau
nên những thiếu sót là điều khó tránh khỏi. Tôi rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến của quý Thầy Cô để đề tài được hoàn
thiện hơn và để tôi vững vàng hơn khi tiếp xúc với công việc sau
này.
Lời cuối cùng, tôi xin kính chúc quý Thầy Cô luôn mạnh khỏe.
Trà Vinh, ngày

tháng năm 2019
Học viên thực hiện

Phan Bá Tạo


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đề tài tốt nghiệp do tôi thực hiện dưới sự
hướng dẫn của Tiến sĩ Hoàng Trọng Lâm là đề tài làm mới, không
sao chép hay trùng với đề tài nào đã thực hiện, chỉ sử dụng những
tài liệu tham khảo đã nêu trong báo cáo.
Các số liệu, kết quả nêu trong đề tài là trung thực và chưa
từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Nếu sai, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.
Học viên thực hiện

Phan Bá Tạo


XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC
CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG PHƢƠNG PHÁP
PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG
Học viên: Phan Bá Tạo.
Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông
Mã số: 8580205. Khóa: K36.
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt - Hệ thống quan trắc sức khỏe kết cấu (SHM) nhằm cung
cấp dữ liệu định lượng đáng tin cậy về các điều kiện thực tế của
cầu qua việc quan sát sự thay đổi của nó cũng như phát hiện sự
xuống cấp. Bằng cách thiết lập lâu dài một số cảm biến, liên tục
đo các thông số liên quan đến tình trạng kết cấu cũng như nghiên
cứu các thông số môi trường quan trọng khác, chúng ta có thể có
được một bức tranh thời gian thực về tình trạng và sự thay đổi của

kết cấu. Trong SHM, các tham số dao động (bao gồm tần số tự
nhiên, dạng dao động và hệ số cản) đóng vai trò quan trọng trong
việc phân tích ứng xử động của kết cấu. Một vài phương pháp sẵn
có để xác định đặc trưng dao động dựa vào sự chuyển động có thể
kể đến là: phương pháp biến đổi Fourier (FT) [14], phương pháp
hàm phản ứng tần số (FRF) [15] và phương pháp phân tích tại các
đỉnh (PPM) [16]. Luận văn này tập trung nghiên cứu ứng dụng
của phương pháp phân tích theo giá trị riêng (ERA) [3] trong việc
xác định dao động. Đây là hệ thống duy nhất sử dụng kết quả đầu
ra là dao động tự do hoặc phản ứng xung. Nghiên cứu cũng cung
cấp thuật toán toán học của phương pháp ERA và sử dụng nó
nhằm phân tích phản ứng dao động của cầu dưới tác dụng của xe
tải di động. Kết quả thu được từ ERA đồng thời được so sánh với
phương pháp phần tử hữu hạn.
Từ khóa - Quan trắc sức khỏe kết cấu; thông số dao động kết cấu;
phân tích dao động theo giá trị riêng; phần tử hữu hạn; phương
pháp hệ thống định dạng.


THE IDENTIFICATION OF DYNAMIC PARAMETERS
OF BRIDGE STRUCTURES
USING EIGEN REALIZATION ALGORITHM
Abstract -Structural health monitoring (SHM) aims to provide
quantitative and reliable data on the real conditions of a bridge
observe its evolution and detect the appearance of degradations.
By permanently installing a number of sensors, continuously
measuring parameters relevant to the structural conditions and
other important environmental parameters, it is possible to obtain
a real-time picture of the structure’s state and evolution. In
structural health monitoring, the dynamic parameters (including

natural frequencies, mode shapes and damping properties) play an
important role in the understanding of the dynamic behavior of
structures. Several methodologies are available to determine
modal characteristics based on vibration such as Fourier transform
(FT) [14], Frequency Response Function (FRF) [15] and Peak
Picking Method (PPM) [16]. This study focuses on the using of
the Eigen Realization Algorithm (ERA) [3] for modal
identification. This is an output-only system identification using
free vibration or impulse response. The study provides a
mathematic algorithm on ERA method and then application to
analyze dynamic responses of the bridge under excitation by
difference truck modes. The results from ERA also compared with
Finite Element Method.
Key words - Structural health monitoring (SHM); Modal
parameter; Eigen Realization Algorithm (ERA); Finite Element
Method (FEM); system identification method.


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
SHM: Structural health monitoring (Hệ thống quan trắc sức khỏe
kết cấu)
FT: Fourier transform (Biến đổi Fourier)
FRF: Frequency Response Function (Hàm phản ứng tần số)
PPM: Peak Picking Method (Phân tích tại các đỉnh)
ERA: Eigen Realization Algorithm (Phân tích theo giá trị riêng)


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Hệ thống giao thông là một trong những hệ thống rất quan

trọng của nền kinh tế quốc gia. Trong mối quan hệ tổng hòa với
nền kinh tế, hệ thống giao thông được ví như mạch máu trong cơ
thể sống, ở nước ta, trong điều kiện hội nhập và phát triển kinh tế
hiện nay, mạng lưới giao thông không ngừng được xây dựng mở
rộng từ thành thị đến nông thôn và vùng sâu, vùng xa...
Hiện nay, các công trình giao thông tại Việt Nam đang được
xây dựng với số lượng lớn nhằm đáp ứng kịp thời với nhịp độ
phát triển của nền kinh tế. Do đó, chất lượng khai thác của công
trình cũng phải được xem xét một cách thỏa đáng. Việc nghiên
cứu hệ thống theo dõi sự làm việc của công trình trong giai đoạn
khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng. Kết quả thu thập được
là một bức tranh tổng thể về ứng xử của công trình trong giai đoạn
làm việc, là cơ sở quan trọng cho việc đưa ra các đánh giá về khả
năng khai thác phục vụ của công trình.
Với nhu cầu thực tế hiện nay, các công trình xây dựng nói
chung và công trình cầu nói riêng cần phải được theo dõi, đánh
giá một cách liên tục. Sự theo dõi, quan sát kết cấu một cách liên
tục và tự động có thể chỉ ra sự cần thiết cần phải sửa chữa, tăng
cường hoặc thay thế tùy thuộc vào tình trạng sức khỏe của chúng.
Cùng với sự phát triển khoa học kỹ thuật và công nghệ mà việc
theo dõi tình trạng của kết cấu cầu ngày càng chính xác hơn.


Hình 0.1: Mô hình hệ thống quan trắc cầu
Mỗi kết cấu cầu trong thực tế thường có sự khác biệt rất lớn
so với dự đoán trong giai đoạn thiết kế. Nó phụ thuộc vào rất
nhiều vào các yếu tố bất định, kế cả yếu tố nội tại và tác động bên
ngoài. Một số yếu tố phát sinh ngay trong quá trình thi công làm
cho các ứng xử về kết cấu khác với các ứng xử dự kiến hoặc được
mô hình trong bước thiết kế. Khi được đưa vào sử dụng, kết cấu

cầu còn chịu sự tác động trực tiếp của tải trọng xe cộ và các tác
động khác như gió, giãn nở nhiệt... thông thường các tác động này
khá khác biệt và trong rất nhiều trường hợp không thể biết được
nguyên nhân xuất hiện và cường độ của chúng [1].
Ở Việt Nam hiện nay, các công trình cầu thường được kiểm
định và thử tải trước khi được vào sử dụng hoặc thử tải định kỳ
trong quá trình khai thác. Phương pháp thử tải tĩnh thường được
ứng dụng để xác định khả năng chịu tải của công trình cầu. Đối
với phương pháp thử tải động, phương pháp lực như là sử dụng xe
tải di động để kích thích dao động và xác định một số đặc trưng
dao động kết cấu (thường chỉ có tần số dao động bằng phương
pháp phân tích FFT) hay được sử dụng [2].


Các phương pháp phân tích dao động trước đây hay được sử
dụng như phép biến đổi Fourier (FFT) chỉ thu được tần số dao
động riêng, phương pháp Pick Peaking Method thu được cả tần số
dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản nhưng độ chính xác
lại không cao và không thể thực hiện khi đỉnh các tần số không
tách biệt rõ ràng.
Thuật toán phân tích theo giá trị riêng áp dụng thông số đầu ra
là dạng dao động tự do thu được từ dao động của cầu cho chúng ta
kết quả là các thông số dao động của kết cấu (tần số dao động
riêng, dạng dao động và hệ số cản) với độ chính xác cao [3]. Kết
quả thu được từ phương pháp phân tích theo giá trị riêng cho phép
đánh giá mức độ suy giảm của kết cấu và là cơ sở để cập nhật hiệu
chỉnh mô hình phần tử hữu hạn và sử dụng nó để đánh giá khả
năng chịu tải và phân tích ứng xử động của công trình cầu.
2. Đối tƣợng nghiên cứu
- Dao động tự do của kết cấu nhịp công trình cầu.

3. Phạm vi nghiên cứu
- Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của
kết cấu cầu (tần số dao động riêng, mode dao động và hệ số cản)
bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng.
- Thực hiện thí nghiệm đo dao động kết cấu cầu đối với mô
hình cầu thực tế.
- Phân tích kết quả thí nghiệm và cập nhật mô hình phần tử
hữu hạn.
4. Mục tiêu nghiên cứu
- Xây dựng chương trình xác định các thông số dao động của
kết cấu cầu bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng.
- Ứng dụng kết quả từ chương trình phân tích kết quả đo đạc
thực nghiệm để phân tích và đánh giá năng lực phục vụ của công
trình cầu.


5. Phƣơng pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu dưới tác dụng tải trọng động,
xây dụng thuật toán phân tích số liệu thí nghiệm công trình cầu
bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng.
- Đo đạc số liệu dao động thực nghiệm công trình cầu thực tế
và sử dụng thuật toán để phân tích kết quả.
- Cập nhật mô hình phần tử hữu hạn
6. Dự kiến kết cấu nội dung của luận văn:
PHẦN MỞ ĐẦU
- Lý do chọn đề tài (sự cần thiết phải nghiên cứu).
- Đối tượng nghiên cứu.
- Phạm vi nghiên cứu.
- Mục tiêu nghiên cứu.
- Phương pháp nghiên cứu.

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE
KẾT CẤU CẦU
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.4. Các căn cứ của hệ thống quan trắc
1.1.5. Các cấp độ quan trắc
1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe
1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc
1.2.2. Các cảm biến
1.3. Một số phương pháp xác định thông số động lực học kết
cấu
1.3.1. Phương pháp biến đổi Fourier (FT)
1.3.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency
Response Function)


1.3.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking
Method)
1.3.4. Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị
riêng ERA
Kết luận chương 1
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH
ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG
2.1. Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization
Algorithm-ERA)
2.2. Xây dựng thuật toán ERA bằng ngôn ngữ Matlab
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab

2.2.2. Thuật toán ERA
2.2.3. Thuật toán tính tham số Markov
2.3. Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000
2.3.1. Giới thiệu phần mềm SAP2000
2.3.2. Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm SAP2000
Kết luận chương 2
CHƢƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG
CHƢƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH
3.1. Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu
3.1.1. Đo đạc thực nghiệm
3.1.2. Thu thập dữ liệu
3.2. Ứng dụng chương trình phân tích kết quả.
3.3. Kết quả từ phần tử hữu hạn.
Kết luận chương 3.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUAN TRẮC SỨC KHỎE
KẾT CẤU CẦU
1.1. Hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.1. Khái niệm về hệ thống quan trắc cầu
1.1.2. Lịch sử phát triển của hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.3. Chức năng hệ thống quan trắc kết cấu cầu
1.1.4 Các căn cứ của hệ thống quan trắc
1.1.5. Các cấp độ quan trắc
1.2. Tổng quan một số hệ thống quan trắc sức khỏe
1.2.1. Các thành phần của hệ thống quan trắc
1.2.2. Các cảm biến

1.2.2.1. Giới thiệu về các cảm biến
1.2.2.2. Cơ sở đo đạc của các cảm biến
1.2.2.3. Cảm biến quang học
1.3. Một số phƣơng pháp xác định thông số động lực học kết
cấu
1.3.1. Phương pháp biến đổi Fourier (FT)
- Ƣu điểm: Phương pháp tính toán đơn giản đối với trường
hợp chỉ yêu cầu thông số là tần số dao động riêng của kết cấu.
- Nhƣợc điểm: Vì chuổi Fourier là chuổi bao gồm các hàm
sin hoặc cosin nên nếu số liệu đầu vào trong một số trường hợp
không thỏa mãn yêu cầu thì phải xử lý số liệu trước với kỹ thuật
window và overlap nếu không kết quả sẽ không chính xác.
1.3.2. Phương pháp hàm phản ứng tần số (Frequency
Response Function)
- Ƣu điểm:
+ Phương pháp tính toán đơn giản.
- Nhƣợc điểm:


+ Phương pháp này chỉ sử dụng được khi đo được lực
kích thích
+ Kết quả tính toán có độ chính xác không cao
+ Chỉ tính được tần số dao động riêng.
1.3.3. Phương pháp phân tích tại các đỉnh (Pick Peaking
Method)
- Ƣu điểm:
+ Phương pháp tính toán đơn giản.
+ Kết quả thu được tần số dao động riêng, dạng dao động
và hệ số cản.
- Nhƣợc điểm:

+ Kết quả tính toán có độ chính xác không cao đối với
xác định hệ số cản.
+ Phương pháp không thể thực hiện được khi đỉnh các tần
số không tách biệt rõ ràng.
1.3.4. Ưu, nhược điểm phương pháp phân tích theo giá trị
riêng ERA
- Ƣu điểm:
+ Kết quả thu được tần số dao động riêng, dạng dao động
và hệ số cản.
+ Kết quả tính toán có độ chính xác cao.
- Nhƣợc điểm:
+ Phương pháp tính toán phức tạp.
Kết luận chƣơng 1
- Trong chương 1 đã tìm hiểu khái niệm, lịch sử, chức năng,
căn cứ, cấp độ quan trắc, tổng quan một số hệ thống quan trắc cầu
và một số phương pháp xác định thông số động lực học kết cấu.
- Cùng với sự phát triển của hệ thống quan trắc cầu thì việc
xây dựng chương trình để tính toán đặc trưng động lực học công
trình là hết sức cần thiết. Phương pháp phân tích theo giá trị riêng


có nhiều ưu điểm nhưng phương pháp tính toán phức tạp. Trong
chương 2 tác giả sẽ tiến hành xây dựng chương trình tính toán tần
số dao động riêng, dạng dao động và hệ số cản bằng phương pháp
này.
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH XÁC ĐỊNH
ĐẶC TRƢNG ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH CẦU BẰNG
PHƢƠNG PHÁP PHÂN TÍCH THEO GIÁ TRỊ RIÊNG
2.1. Thuật toán phân tích theo giá trị riêng (Eigen Realization
Algorithm-ERA)

Phương trình dao động của hệ có n bậc tự do được biểu diễn
dưới dạng ma trận như sau:
Mu(t )  Cu(t )  Ku(t )  Bz(t )
(2.1)
Trong đó: M, C, K lần lượt là ma trận khối lượng, ma trận cản,
ma trận độ cứng, u(t ), u(t ), u(t ) lần lượt là vector gia tốc, vận tốc và
chuyển vị và z(t) là vector lực.
Phương trình trạng thái không gian trong miền rời rạc thời
gian như sau:

x(k  1)  Ax(k )  Bz(k )

(2.13.a)

y(k )  Cx(k )  Dz(k )

(2.13.b)
Trong trường hợp hệ dao động tự do z(k)=0, từ (2.13.b) ta có:
y(0)=Cx(0); y(1)=CAx(0); y(2)=CA2x(0);…y(k)=CAkx(0) (2.16)
Dựa vào vector dao động tự do, ma trận Hankel có dạng như
sau:
 y1
y
s
H (0)   2


 ys

y2  ys 

y3  ys 1 

 

ys 1  y2 s 1  SxS

(2.17)


 y2
y
s
H (1)   3


 ys 1

y3  ys 1 
y4  ys  2 

 

ys  2  y2 s  SxS

(2.18)

Với s là số nguyên xác định kích thước của ma trận Hankel.
Thay phương trình (2.16) vào phương trình (2.17) ma trận
HS(0) có thể viết dưới dạng:
CAx(0)

 2
CA x(0)
s
H (0)  
 

s
CA x(0)

Với

 C
 CA
H1  
 

s1
CA

CA 2 x(0)  CA s x(0) 

CA3 x(0)  CA s 1x(0) 
 H1H 2



CA s 1x(0)  CA 2 s 1x(0) 




;




(2.19)

H 2   Ax(0) A 2 x(0) ... A s x(0) 

(2.20)

Thay phương trình (2.16) vào phương trình (2.18) ma trận
HS(1) có thể viết dưới dạng:
H s (1)  H1AH2
(2.21)
Vì vậy ma trận trạng thái A và C được tính như sau:
A  H1†H s (1)H†2 ; C=ETmH1
(2.22)
H1† ; H†2

Với

ma trận nghịch đảo pseudo;

ETm   Im

0

và Im là ma

trận đơn vị kích thước mxm. Phân tích theo giá trị đơn (singular
value decomposition) của ma trận Hs(0) biểu diễn như sau:
H (0)  U V   U n
s

T

H1  Un  1/2
n ;

 n
U p  
 0

0   VnT 
 
 p  VpT 

T
H2   1/2
n Un

(2.23)
(2.24)

Ma trận trạng thái A và C có thể được phân tích như sau:
A   n1/2 UTn Hs Vn  n1/2 ;

C  ETn Un  1/2
n

(2.25)


Giá trị riêng i và vector riêng d của ma trận trạng thái A
trong miền thời gian rời rạc được xác định như sau:
(2.26)
 A d  B  d  0
Trong đó B= diag[n ma trận chéo giá trị riêng
trong miền thời gian rời rạc.
(2.27)
 Ac     c  0
Trong đó Λ= diag[n ma trận chéo giá trị riêng
trong miền thời gian liên tục.
Ta có

i 

ln i
t

(2.28)

là giá trị riêng thứ i của ma trận trạng thái A, t là thời gian lấy
mẫu.
Tần số dao động tự nhiên và hệ số cản của các mode dao động
được tính như sau:
i  Re(i )2  Im(i )2

(2.29)

 i  Re(i ) / i

(2.30)

Trong đó: Re và Im là phần số thực và ảo của i
Hình dạng dao động của kết cấu được xác định như sau:

i =C. d

(2.31)

2.2. Xây dựng thuật toán ERA bằng ngôn ngữ Matlab
2.2.1. Giới thiệu phần mềm Matlab
2.2.2. Thuật toán ERA
2.2.3. Thuật toán tính tham số Markov
2.3. Cập nhật và hiệu chỉnh bằng phần mềm SAP2000
2.3.1. Giới thiệu phần mềm SAP2000
2.3.2. Mô phỏng cầu Thuận Phước bằng phần mềm
SAP2000
2.3.2.1. Tổng quan về cầu Thuận Phước


2.3.2.2. Kết quả mô phỏng cầu Thuận Phước

Hình 2.9: Mô phỏng cầu Thuận Phước trong phần mềm SAP2000
Kết luận chƣơng 2
- Tác giả đã tìm hiểu một số thuật toán xác định thông số dao
động kết cấu và đi sâu tìm hiểu thuật toán phân tích theo giá trị
riêng.

- Từ lý thuyết phân tích theo giá trị riêng, tác giả tiến hành
xây dựng thuật toán bằng phần mềm Matlab và xây dựng mô hình
phần tử hữu hạn bằng phần mềm SAP2000.
- Trong chương 3, tác giả sẽ tiến hành đo đạc thực nghiệm và
ứng dụng chương trình để xác định các thông số dao động của kết
cấu và hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm
SAP2000.
CHƢƠNG 3: ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG
CHƢƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH


3.1. Đo đạc thực nghiệm và thu thập dữ liệu
3.1.1. Đo đạc thực nghiệm
3.1.2. Thu thập dữ liệu
Thuật toán ERA sử dụng phần dữ liệu dao động tự do nên dữ
liệu được lấy từ phần dao động tự do từ đồ thị phản ứng gia tốc.
Dữ liệu thu thập từ kết quả đo đạc được thể hiện ở các biểu đồ
sau:

Hình 3.6: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor
số 1 ở vận tốc xe chạy 20km/h


Hình 3.7: Biểu đồ biến thiên của gia tốc theo thời gian tại sensor
số 1 giai đoạn dao động tự do
3.2. Ứng dụng chƣơng trình phân tích kết quả

Hình 3.16: Xác định số bậc hệ thống

Theo lý thuyết, số bậc của hệ thống là số phần tử khác 0,
nhưng với số liệu đo thực tế, bị ảnh hưởng bởi các nhiễu tác động
nên những giá trị đó chỉ gần bằng 0. Lúc này, bậc của hệ thống
được xác định dựa vào những giá trị lớn hơn hẳn 0. Từ biểu đồ
Hình 3.16, xác định được công trình có 22 bậc tự do.
- Kết quả thông số động lực học:
Bảng 3.1:Thông số động lực học tính bằng phương pháp ERA
Chuẩn hóa dao động
Tần số
STT
Hệ số cản
(Hz)
Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 Sensor 4
1
0,7352
0,2293
0,2821 -1,0000 -0,7548 -0,1591
2
1,5100
0,0481
0,2198 1,0000 -0,2545 0,2323
3
2,6885
0,0056 -0,0420 0,7288 -1,0000 -0,2204
4
3,5216
0,0062 -0,9244 -1,0000 0,0741 0,3051
5
3,9150
0,0452

0,2867 -1,0000 0,5124 0,3877
6
5,2398
0,0145
0,4266 0,6548 0,3931 1,0000
7
6,0649
0,0242 -0,6560 1,0000 0,7955 -0,4514
8
6,6712
0,0088 -0,5090 0,3541 -0,6904 -1,0000
9
7,9855
0,0026 -0,1669 0,1793 1,0000 -0,0453
10 9,0142
0,0011
0,2307 1,0000 -0,3846 -0,7603
11 10,1150 0,0081
0,2132 0,9794 -0,8663 -1,0000


Hình 3.17: Dạng dao động ứng với tần số f=0,73518 Hz từ kết
quả ERA
3.3. Kết quả từ phần tử hữu hạn

Hình 3.18: Tần số thu được từ phương pháp FFT
Từ kế quả phân tích bằng phần mềm SAP2000 ta thu được tần số
riêng của hệ là:

Bảng 3.2: Tần số dao động riêng
Tần số (Hz)
Sai số
STT Nội dung
(%)
SAP2000
FFT
1 Mode 1 0,2947
0,2424
17,75
2 Mode 2 0,3218
0,4364
35,61
3 Mode 3 0,4462
0,6303
41,26
- Một số dạng dao động tính bằng phần mềm SAP2000:

Hình 3.19: Dạng dao động ứng với mode 1 từ kết quả SAP2000
Kết luận chƣơng 3
- Trong chương 3, luận văn đã thực hiện được những nội dung
sau:
+ Đo đạc, thu thập phản ứng của kết cấu để cung cấp dữ liệu
đầu vào cho chương trình.
+ Ứng dụng chương trình để xác định thông số dao động của
cầu.
+ Hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn từ kết quả tần số tính
được thông qua phương pháp biến đổi Fourier.

- Bằng cách sử dụng phương pháp phân tích theo giá trị riêng,
ta có thể thu được các thông số động lực học của cầu (tần số, hệ
số cản, hình dạng mode dao động), từ đó đánh giá trạng thái kỹ
thuật của cầu.
- Sai số giữa phương pháp phần tử hữu hạn và biến đổi
Fourier từ 17,75% đến 41,26%, có thể sử dụng mô hình phần từ
hữu hạn để đánh giá khả năng chịu tải và phân tích ứng xử động
của công trình cầu.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Cùng với sự phát triển cầu dây văng, dây võng như hiện nay
thì việc xây dựng chương trình tính toán thông số động lực học
của cầu bằng phương pháp động để theo dõi sự làm việc của công
trình trong giai đoạn khai thác mang ý nghĩa đặc biệt quan trọng.
Vì vậy, sau khi nghiên cứu thì luận văn đạt được một số kết quả
cụ thể như sau:
- Xây dựng chương trình tính toán thông số động lực học
bằng phương pháp phân tích theo giá trị riêng thông qua ngôn ngữ
Matlab.
- Xây dựng mô hình cầu bằng phần mềm SAP 2000.
- Đo đạc, thu thập phản ứng của kết cấu để cung cấp dữ liệu
đầu vào cho chương trình.
- Áp dụng chương trình tính toán để tính ra các thông số động
lực học của cầu (tần số, hệ số cản, hình dạng mode dao động), từ
đó đánh giá trạng thái kỹ thuật của cầu.
- Hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn từ kết quả tần số tính
được thông qua phương pháp biến đổi Fourier. Từ đó, đánh giá
khả năng chịu tải và ứng xử động của công trình cầu

Kiến nghị
- Vì số lượng sensor quá ít (4 sensor) và độ nhạy thấp nên tác
giả không thể xác định chi tiết dạng dao động của kết cấu. Nên
trong tương lai nếu có điều kiện thì nên lắp đặt nhiều sensor với
độ nhạy cao để xác chính xác dạng dao động của kết cấu và là
thông số quan trọng để hiệu chỉnh mô hình phần tử hữu hạn chính
xác hơn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] GS.TS. Nguyễn Viết Trung, Cơ sở quan trắc công trình cầu
trong thi công và khai thác, Nhà xuất bản Xây Dựng, Hà Nội,
năm 2011.
[2] Bộ GTVT, 22TCN 243-98, Quy trình kiểm định cầu trên
đường ô tô, Hà Nội, năm 1998.
[3] Jer-Nan Juang, Richard S. Pappa, An Eigensystem Realization
Algorithm for Modal Parameter Identification and Model
Reduction, Journal of Guidance Control and Dynamics, năm
1985.
[4] Helmut Wenzel, Health Monitoring of Bridges, năm 2009.
[5] Zienkiewicz and R. L. Taylor, The finite element method, New
York, năm 1989.
[6] Francis T.S.Yu, Shizhuo Yin, Fiber Optic Sensors, Taylor &
Francis, năm 2002.
[7] B. Glisic, Very dense arrays of sensors for reliable and
accurate damage identification, 7th International Conference
on Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure,
Torino, năm 2015.
[8] Zimran Rafique, Boon-Chong Seet, Handbook of Green
Information and Communication Systems, năm 2013.
[9] Jer-Nan Juang, System Realization Using Information Matrix,