Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể của cầu trần thị lý dựa trên số liệu quan trắc GPS và mô hình phần tử hữu hạn (tt)

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐỖ ANH VŨ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ ĐẾN BIẾN
DẠNG TỔNG THỂ CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ
LIỆU QUAN TRẮC GPS VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

C
C
R
UT.L

D

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

Đà Nẵng - Năm 2021


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học:
Hướng dẫn 1: GVC TS. VÕ DUY HÙNG
Hướng dẫn 2: TS. LÊ VĂN HIẾN

Phản biện 1: PGS.TS. NGUYỄN LAN

C
C
R
UT.L

Phản biện 2: TS. LÊ ANH TUẤN

D

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng họp tại Trường Đại
học Bách khoa vào ngày 24 tháng 4 năm 2021

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu và truyền thông tại trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN
 Thư viện Khoa Xây Dựng Cầu Đường, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
PHẦN MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kết cấu cầu treo dây văng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng
khá nhạy cảm với các tác động của môi trường. Cầu treo dây văng
Trần Thị Lý- thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên
độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn. Chiều dài nhịp dầm hộp bê tông
cốt thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng
của nhiệt độ lên biến dạng tổng thể của toàn cầu khá phức tạp và cần
xem xét đến trong đánh giá cầu. Hiện nay các nghiên cứu về đánh giá
ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng cũng như sức khỏe kết cấu còn
hạn chế.

C
C
R
UT.L

Thêm vào đó, hiện nay cầu Trần Thị Lý đã được lắp đặt xong
hệ thống quan trắc bao gồm nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm

D

biến nhiệt độ. Việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng
tổng thể dựa trên số liệu quan trắc GPS và mô hình phần tử hữu hạn
(ứng suất, chuyển vị, nhiệt độ, …) làm cơ sở cho phân tích đánh giá
sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết cũng như thực
tiễn.
Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ nghiên cứu, học viên
lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng
tổng thể của cầu Trần Thị Lý dựa trên số liệu quan trắc GPS và mơ
hình phần tử hữu hạn” rất cần thiết
1.1. Mục tiêu đề tài
 Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng tổng thể tại
những vị trí có khả năng thay đổi lớn của dầm (giữa nhịp) và tháp cầu
(đỉnh tháp) dựa trên số liệu đo đạc thực nghiệm GPS


2
 Phân tích ảnh hưởng của tải trọng nhiệt độ với các kịch bản
khác nhau để đánh giá mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị,
ứng suất của kết cấu.

1.2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Hệ thống dầm và tháp cầu.
Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ liên quan đến biến dạng
tổng thể của dầm và tháp cầu Trần Thị Lý và đưa ra các khuyến nghị.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
TỔNG QUAN VỀ ẢNH HƯỞNG NHIỆT ĐỘ
ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CƠNG TRÌNH CẦU VÀ ỨNG
DỤNG GPS TRONG ĐO ĐẠC CƠNG TRÌNH CẦU
1.1. Tổng quan về cầu dây văng Trần Thị Lý
1.1.1. Địa điểm xây dựng
Cầu Trần Thị Lý (Hình 1.1-1.5) bắc qua sơng Hàn, nối quận
Hải Châu, qua quận Sơn Trà, được thiết kế độc đáo với tạo hình và
định vị cho trụ tháp chính cao 145 mét nghiêng 12 độ về phía Tây gồm
3 mặt dây phẳng.

C
C
R
UT.L

D

Hình 1. 1. Cầu Trần Thị Lý
1.1.2.Quy mơ cơng trình
+ Sơ đồ kết cấu nhịp: 4x50+230+45+4x50+30+26m


3

Hình 1. 2. Kí hiệu các dây cáp văng
1.2.Tác động của nhiệt độ đến cơng trình cầu
1.2.1.Một số tác động của tải trọng nhiệt độ
 Nứt dầm trong quá trình thi công
 Co, dãn kết cấu đối với cầu thép dẫn đến độ võng lớn theo thời
gian
 Nứt bề mặt kết cấu bê tông
 Bê tông cũng giảm cường độ khi nhiệt độ tăng. Tuy nhiên,
dạng của đường cong thể hiện mối quan hệ ứng suất – biến dạng của
bê tơng ở những nhiệt độ khác nhau thì có sự khác biệt đáng kể so với
dạng biểu đồ của vật liệu thép. Tất cả các đường cong này đều đạt đến
cường độ chịu nén cao hơn giới hạn đàn hồi hiệu quả, sau đó giảm dần
theo một nhánh đi xuống. Trong trường hợp này, khả năng chịu kéo
của bê tông cũng xem như bằng không.
1.2.2. Tác động của tải trọng nhiệt độ đến cơng trình cầu
Trên thực tế, tùy thuộc vào thời điểm và vị trí các mặt cắt sẽ
chịu ảnh hưởng nhiều hay ít của ánh nắng mặt trời. Bức xạ nhiệt làm
thay đổi hình dáng của kết cấu, sự chệnh lệch nhiệt độ giữa các vị trí
trên cùng 1 mặt cắt dầm, tháp và dây văng. (Hình 2.6)
Khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mặt trời tại mặt cắt ngang
dầm hộp, bản mặt cầu, đáy dầm cũng như 2 mặt bên của dầm hộp thì
sẽ phân bổ nhiệt lượng khác nhau tùy thuộc vào hướng dầm hộp đó
tiếp nhận ánh sang mặt trời hàng ngày tác động lên.

D

C
C
R
UT.L

4

Hình 1. 3. Mắt cắt ngang dầm hộp chịu tác động của nhiệt độ
1.2.3.Giới thiệu GPS (Global Positioning System introduction)
1.2.4.Hệ thống giám sát GPS ứng dụng trong quan trắc cơng
trình cầu
Một hệ thống giám sát GPS quan trắc kết cấu bao gồm trạm
tham chiếu GPS (trạm gốc), trạm điều khiển từ xa (trạm điều hướng),
trung tâm giám sát và hệ thống liên lạc như tóm tắt trong Hình 2.10 và
cách thức hoạt động của hệ thống giám sát GPS đối với trường hợp
quan trắc cầu được tóm tắt trong Hình 2.11. Trong hệ thống quan trắc,
một trạm tham chiếu có nhiệm vụ theo dõi tất cả các vệ tinh GPS mà
nó có thể quan sát ở vị trí của nó và tất cả các ăng-ten ở các trạm từ xa
đồng thời nhận được tín hiệu vệ tinh từ một số vệ tinh. Để xác định
tọa độ của một vật thể chỉ theo hướng ba chiều, cần có ít nhất bốn vệ
tinh để có được định vị. Tại trạm tham chiếu, các thông tin khác nhau
nhận được từ các vệ tinh là được truyền tới các trạm từ xa trong thời
gian thực bằng cách sử dụng cáp của hệ thống thông tin liên lạc. Trong
trạm từ xa, cả tín hiệu nhận được từ vệ tinh và thông tin khác nhau từ
trạm tham chiếu được nhận, và tọa độ trạm từ xa trong ba chiều có thể
được tính tốn bằng cách thực hiện các xử lý khác nhau theo thời gian
thực bằng phần mềm GPS. Các tọa độ sau đó được truyền đến trung
tâm giám sát GPS và được xử lý thêm để có được cấu trúc chuyển vị,
góc quay theo một hướng đặc biệt, v.v. Tất cả các dịch chuyển được
lưu trữ vào cơ sở dữ liệu để thực hiện đánh giá sức khỏe kết cấu trong
tương lai.

D

C
C
R
UT.L


5

Hình 1. 4. Mơ hình quan trắc cầu dây văng bằng GPS
1.3.Kết luận chương
Chương 1 này đã giới thiệu khái quát sơ qua một số mặt cắt điển
hình về cầu dây văng Trần Thị Lý tại TP. Đà Nẵng cũng như những
số liệu đầu vào phục vụ đưa vào tính tốn ở mơ hình tại đây cũng được
nêu chi tiết. Cầu được trang bị hệ thống quan trắc GPS tháp, gối cầu
cũng như nhiều yếu tố khác như nhiệt độ, biến dạng, ứng suất,
gió...Trong bài tốn này tập trung xử lý dữ liệu chủ yếu là ảnh hưởng
của nhiệt độ và chuyển vị đỉnh tháp đến cơng trình. Ngồi ra, chương
này cũng trình bày một số tác động tổng quan của nhiệt độ đến cơng
trình cầu nói riêng cũng như cơng trình nói chung. Cuối cùng là giới
thiệu tổng quan chung một số kiến thức về hệ thống quan trắc GPS và
ứng dụng của nó đối với cơng trình cầu cũng được trình bày khá rõ
ràng.

C
C
R
UT.L

D

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ MƠ PHỎNG VÀ TÍNH
TỐN TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ TRONG CƠNG TRÌNH CẦU
2.1. Hệ thống GPS và cảm biến nhiệt độ của cầu Trần Thị Lý
Hệ thống quan trắc sức khỏe cầu Trần Thị Lý được lắp đặt để
theo dõi sức khỏe kết cấu cơng trình cầu thơng qua đo đạc các dữ liệu
về gia tốc, góc xoay, biến dạng, nhiệt độ trong kết cấu theo thời gian
thực để phục vụ đánh giá chẩn đoán sức khỏe lâu dài cầu. Một hệ thống
quan trắc mơi trường (nhiệt độ, gió) cũng được lắp đặt tại vị trí cầu.
Hệ thống camera lắp đặt trên cầu cho phép nhận dạng xe, đếm lưu
lượng cũng như phát hiện các xe vi phạm khi lưu thông qua cầu.


6

Hình 2. 1. Cảm biến quan trắc nhiệt độ RTD PT100
Ưu điểm:
+ Dân kỹ thuật gọi RTD là cảm biến nhiệt độ PT100 vì cơ bản
PT100 hiện nay là dịng sản phẩm luôn được săn lùng nhiều nhất bởi
thang đo của nó rất rộng;
+ Sai số trong khi đo rất thấp mà giá thành lại rẻ hơn các cặp nhiệt
điện rất nhiều.
+ PT100 được thiết kế rất đa dạng về chiều dài, loại dây, loại cây
nên rất linh hoạt trong việc lắp đặt trong nhà máy.
Nhược điểm:
+ Nó chỉ có nhược điểm duy nhất là với những ứng dụng cần đo
nhiệt độ trên 850ºC thì PT100 khơng thể đo được

C
C

R
UT.L

D

Hình 2. 2. Vị trí đặt các cảm biến quan trắc nhiệt độ và chuyển vị tại cầu
Trần Thị Lý
Bảng 2. 1. Một số thông số của cảm biến lắp tại cầu Trần Thị Lý
Giới hạn(oC)
Chi tiết vị trí lắp
Loại cảm Đơn vị
STT
đặt
biến
đo
Trên
Dưới
Thân trụ tháp, đốt
o
1
Nhiệt độ
C
80
-20
PYS20
Thân trụ tháp,
o
2
Nhiệt độ
C

80
-20
đốt PYS01


7
o
3
Gối Trụ S5
Nhiệt độ
C
80
-20
o
4
Dầm chủ S3-S4
Nhiệt độ
C
80
-20
o
5
Dầm chủ S4-S5
Nhiệt độ
C
80
-20
o
6
Dầm chủ SG9

Nhiệt độ
C
80
-20
o
7
Dầm chủ SG18
Nhiệt độ
C
80
-20
o
8
Dầm chủ SG46
Nhiệt độ
C
80
-20
o
9
Dầm chủ SG56
Nhiệt độ
C
80
-20
2.2.Cơ sở phương pháp PTHH trong tính tốn kết cấu cầu
Trong phần này, phương pháp PTHH sẽ được mô tả trong việc
áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi
phân được đưa ra như sau:

𝜕2𝑢
(2-1)
𝜕𝑡 2
trong đó 𝛻̃ là ma trận tốn tử vi phân, 𝜎 là véctơ ứng suất, b là
véctơ nội lực
2.3.Cơ sở phân tích tải trọng nhiệt độ trong cơng trình cầu
Mỗi tiêu chuẩn thiết kế cầu có qui định về tải trọng nhiệt độ
khác nhau, thơng thường có hai dạng tải nhiệt độ là tải nhiệt phân bố
(uniform temperature) và tải chênh lệch nhiệt độ (gradient
temperature). Qui định tải nhiệt độ theo một số tiêu chuẩn thiết kế cầu
được mô tả sau đây.
2.3.1. Theo 22TCN 18-79
2.3.2.Theo AASHTO LRFD-07
2.3.3.Theo TCVN 11823:2017
Bảng 2. 2. Nhiệt độ thay đổi đều theo TCVN 11823:2017
𝛻̃ 𝑇 𝜎 + 𝑏 = 𝜌

C
C
R
UT.L

D

Vùng khí hậu

Kết cấu bê
tơng

Mặt cầu bê tông

trên dầm hoặc
hộp thép
+1o C đến +55o
C

Mặt cầu thép
trên dầm hoặc
hộp thép
-3o C đến +63o
C

Bắc vĩ độ
+5o C đến
o
16 B(Đèo Hải
+47o C
Vân)
Nam vĩ độ
+10o C đến
+6o C đến +55o +2o C đến +63o
16oB(Đèo Hải
+47o C
C
C
Vân)
Đối với các địa điểm ở phía bắc vĩ độ 16o B và ở độ cao cao hơn
mặt biển trên 700m nhiệt độ thấp nhất trong bàng phải trừ bớt 5o C.


8

Biên độ nhiệt độ cầu xác định theo Bảng là dựa trên biên nhiệt độ
khơng khí trong bóng râm từ 0o C đến +45o C phía bắc Vĩ tuyến 16o N(Hầm
Hải Vân) và từ +5o C đến +45o C phía nam vĩ tuyến 16o N. Khi xác định
được các dữ liệu nhiệt độ tại vị trí cơng trình, có thể sử dụng chúng để xác
định giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của nhiệt độ khơng khí trong bóng râm
với chu kỳ lặp là 100 năm cho vị trí cơng trình, và có thể điều chỉnh nhiệt
độ của cầu trong Bảng tương ứng.

Các tác động của gradien nhiệt khác nhau trong kết cấu phần
trên của cầu cần phải được lấy từ cả hai điều kiện chênh nhiệt dương
(mặt trên nóng hơn) và chênh nhiệt âm (mặt trên lạnh hơn). Gradien
nhiệt theo chiều thẳng đứng trong kết cấu nhịp bê tông hay thép bê
tơng liên hợp có bản mặt cầu bằng bê tơng có thể lấy như trong Hình
3.12. Các giá trị T1, T2 và T3 trong Hình 3.12 được cho trong Bảng
3.5 cho cả hai trường hợp chênh nhiệt dương và âm.
Kích thước “A” được lấy như sau:
300 mm cho kết cấu nhịp BTCT có chiều cao 400 mm hay lớn
hơn
Đối với mặt cắt BTCT có chiều cao thấp hơn 400 mm thì lấy
nhỏ hơn chiều cao thực tế 100 mm
Đối với kết cấu nhịp thép 300 mm, và cự ly “t” phải lấy bằng
chiều dày bản mặt cầu bằng bê tơng.

C
C
R
UT.L

D

Hình 2. 3. Biểu đồ Gradient nhiệt trong phương thẳng đứng trong kết cấu
nhịp thép và bê tông theo TCVN 118232:2017
Bảng 2. 3. Chênh nhiệt cơ sở theo TCVN 118232:2017
Thông số
Gradien nhiệt
Gradien nhiệt âm
dương
T1
+23
-7
T2
+6
-1


9
T3
+3
2.3.4.Theo Eurocode EN 1991-1-5
2.4. Mô phỏng tải trọng nhiệt độ
2.4.1.Gradient nhiệt trong kết cấu nhịp bê tơng

0

Hình 2. 4. Gradient nhiệt dầm chủ
2.4.2.Gradient nhiệt trong trong kết cấu tháp

C
C
R

UT.L

D

Hình 2. 5. Gradient nhiệt tháp cầu
2.4.3.Biên độ nhiệt độ
Theo tiêu chuẩn TCVN 11823:2017, chênh lệch giữa nhiệt độ
cao nhất và thấp nhất với nhiệt độ cơ sở thi công giả định trong thiết
kế phải được dùng để tính các hiệu ứng biến dạng do nhiệt độ. Đối với
cầu Trần Thị Lý (Vùng khí hậu Nam vĩ độ 16oB, Đèo Hải Vân), biên
độ nhiệt của kết cấu bê tông là từ +10oC đến +47oC (Lấy nhiệt độ ban
đầu là 20oC)
2.4.3.1.Cấu kiện chênh 10oC
2.4.3.2.Cấu kiện chênh 20oC
2.4.3.3.Cấu kiện chênh 30oC
2.4.3.4.Cấu kiện chênh 37oC
2.5.Kết luận chương
Qua trình bày ở trên dẫn đến một số kết luận chương 2 như sau:


10
Hệ thống GPS và các sensor cảm biến nhiệt độ được lắp đặt tại các
mặt cắt quan trắc của cầu dây văng Trần Thị Lý đã được trình bày một
cách đầy đủ. Vị trí các mặt cắt quan trắc cũng như một số thông số
làm việc của các sensor thiết lập thu dữ liệu tại cơng trình cầu được
nêu ra chi tiết( 33 cảm biến đo nhiệt độ lắp đặt tại 9 mặt cắt và 01 cảm
biến đo chuyển vị được lắp đặt ở đỉnh tháp). Thêm vào đó, chương
này nêu ra cơ sở phân tích tải trọng nhiệt độ trong cơng trình cầu thơng
qua một số tiêu chuẩn như: 22TCN 18-79; AASHTO LRFD-07;
TCVN 11823:2017; Eurocode EN 1991-1-5.

Ngoài ra, cơ sở của phương pháp PTHH được trình bày rõ ràng,
làm cơ sở để mơ phỏng tải trọng nhiệt độ trình bày rất cụ thể ở chương
này dựa vào 02 yếu tố là gradient nhiệt trong kết cấu và chênh lệch
nhiệt độ cao nhất và thấp nhất so với nhiệt độ cơ sở thi cơng giả định
trong thiết kế để tính toán các hiệu ứng dưới sự hỗ trợ của phần mềm
MIDAS Civil cũng như một số kiến thức tại tiêu chuẩn TCVN
11823:2017.

C
C
R
UT.L

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NHIỆT ĐỘ
ĐẾN BIẾN DẠNG CỦA CẦU TRẦN THỊ LÝ DỰA TRÊN SỐ
LIỆU QUAN TRẮC VÀ MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN
3.1. Phân tích tương quan giữa chuyển vị và nhiệt độ cầu Trần Thị
Lý dựa trên số liệu đo quan trắc thực tế
3.1.1. Phân tích chuyển vị của điểm đỉnh tháp dựa trên số liệu
quan trắc GPS
3.1.1.1.Ứng dụng GPS trong quan trắc cầu Trần Thị Lý
Tần số thu dữ liệu của hệ thống GPS là 2Hz (02 dữ liệu/giây).

D

Hình 3. 1. Sơ đồ bố trí GPS sensor và cảm biến nhiệt độ
3.1.1.2.Phân tích chuyển vị điểm đỉnh tháp dựa trên số liệu quan
trắc GPS
a. Dữ liệu GPS đỉnh tháp

11
Dữ liệu quan trắc GPS dùng cho phân tích chuyển vị đỉnh tháp
được lấy trong 02 ngày 16 và 17 tháng 6 năm 2020. Dữ liệu phân tích
có những đặc điểm như sau:
Bảng 3. 1. Số liệu quan trắc chuyển vị đỉnh tháp đầu vào
STT

1

2

NGÀY

16/6/2020

17/6/2020

THỜI GIAN
ĐOẠN LẤY MẪU
Từ 4h08p đến 6h25p
Từ 10h08p đến
12h25p
Từ 16h08p đến
18h25p
Từ 22h08p đến
00h25p
Từ 4h08p đến 6h25p
Từ 10h08p đến
12h25p

Từ 16h08p đến
18h25p
Từ 22h08p đến
00h25p

SỐ
THỨ
TỰ
ĐOẠN
1
2

TẦN
SỐ(Hz)
2
2

16384
16384

3

2

16384

4

2

16384

5
6

2
2

16384
16384

7

2

16384

8

2

16384

C
C
R
UT.L

D

ĐỘ LỚN
CHUỖI DỮ
LIỆU

b. Các kết quả phân tích
Từ bảng trên, ta dùng 4 đoạn dữ liệu của 02 ngày từ 16h08p đến
00h25p (ngày hôm sau) dùng để phân tích. Ta có được một số kết quả
như sau:
Biên độ chuyển vị của điểm đỉnh tháp theo các phương được
tính theo cơng thức:
Biên độ A= Max – Min
2 theo cơng thức:
Sai số trung phương của trị∑(𝐿
đo được
tính
𝑖 − 𝐿𝑡𝑏 )
√
𝑚=∓
𝑛−1
Trong đó:
- Li: Giá trị của trị đo
- Ltb: Giá trị trung bình
- n: Số lượng trị đo
- m: sai số trung phương của trị đo


12
Bảng 3. 2. Tính tốn giá trị chuyển vị của các đoạn dữ liệu
STT

1

2

ĐOẠN

Phương X
Min

Max

3

1776460.255

1776460.228

Biên
độ
0.027

4

1776460.259

1776460.233

0.026

7

1776460.250

1776460.224

0.026

8

1776460.251

1776460.227

0.024

GIÁ TRỊ CHUYỂN VỊ (m)
Phương Y
Max
Min
Biên
độ
0.034
296575.447 296575.481
0.042
296575.454 296575.496
0.033
296575.446 296575.479
0.045
296575.451 296575.496

Max

Phương Z
Min

133.736

133.645

Biên
độ
0.091

133.743

133.647

0.096

133.735

133.641

0.094

133.748

133.65

0.098

Bảng 3. 3. Sai số trung phương của chuyển vị tháp theo các đoạn khảo sát
SAI SỐ TRUNG PHƯƠNG (mm)

GIÁ TRỊ TRUNG BÌNH (m)
STT

1
2

ĐOẠN
3
4
7
8

Phương X
1776460.242
1776460.245
1776460.238
1776460.240

Phương Y

Phương Z

Phương X

Phương Y

Phương Z

-296575.467
-296575.475
-296575.466
-296575.474

133.700
133.691
133.701
133.694

0.005
0.004
0.005
0.004

0.006
0.006
0.005
0.007

0.014
0.012
0.016
0.012

DU

C

C
R
T.L


13

Hình 3. 2. Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp
đoạn 3

C
C
R
UT.L

D

Hình 3. 3. Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp
đoạn 4

Hình 3. 4. Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp
đoạn 7


14

Hình 3. 5. Biểu đồ thể hiện chuỗi dữ liệu 3 phương chuyển vị đỉnh tháp
đoạn 8
Nhận xét:
- Về biên độ chuyển vị: theo dữ liệu nghiên cứu, giá trị biên độ

chuyển vị theo phương dọc cầu (phương x) là nhỏ nhất; trong khi đó
biên độ chuyển vị theo phương thẳng đứng (phương z) là lớn nhất.
- Về sai số trung phương của chuỗi dữ liệu đo: sai số trung
phương theo phương dọc cầu là nhỏ nhất và biến động ít nhất; trong
khi đó sai số này biến động khá lớn đối với hai chuỗi dữ liệu theo
phương ngang và phương đứng. Biểu đồ dữ liệu cũng cho thấy rằng,
có những đoạn dữ liệu không ổn định theo hai phương ngang và đứng,
gây ra biên độ chuyển vị và sai số trung phương lớn.
- Phần lớn các giá trị chuyển vị theo các phương đều nằm trong
miền giới hạn về sai số cho phép (±3.m; m – là sai số trung phương).
Điều này chứng tỏ rằng, mặc dù có một số đoạn dữ liệu bất thường,
nhưng nhìn chung chuỗi dữ liệu đo dùng trong nghiên cứu có độ tin
cậy, phù hợp với điều kiện thực tế của cầu.
3.1.2.Phân tích tương quan giữa chuyển vị và yếu tố nhiệt độ tại
cầu Trần Thị Lý
3.1.2.1. Lý thuyết phân tích tương quan
Hệ số tương quan giữa hai đại lượng được tính theo cơng thức:

C
C
R
UT.L

D

r

Cov( x, y )
var( x). var( y )



Cov( x, y )
s x .s y

(1)
Trong đó: r là hệ số tương quan; x và y là hai biến cần xét mối
tương quan; Cov(x,y) là hiệp biến của x và y và được tính theo cơng


15
thức: cov( x, y ) 

1 n
 ( xi  x )( yi  y ) ; sx và sy là các phương
n  1 i 1

sai của x và y;
Nếu giá trị của r là dương, hai biến x và y là tương quan đồng biến,
nghĩa là x tăng thì y tăng; ngược lại nếu giá trị của r là âm, x và y là
tương quan nghịch biến, tức là khi x tăng thì y giảm. Nếu r = 1 hay r
= -1, mối liên hệ của xvà yđược hồn tồn xác định; có nghĩa là cho
bất cứ giá trị nào của x, chúng ta có thể xác định giá trị của y. Nếu r =
0, hai biến x và y hồn tồn độc lập, tức khơng có liên hệ với nhau.
Có thể xem hệ số tương quan như “ hệ số ảnh hưởng”, hệ số tương
quan càng cao thể hiện sự ảnh hưởng giữa hai yếu tố càng lớn. Ý nghĩa
của hệ số tương quan được giải thích theo bảng sau:
Bảng 3. 4. Ý nghĩa của hệ số tương quan
Hệ số tương quan
Ý nghĩa

±0.01 đến ±0.1
Mối tương quan quá thấp, không đáng kể
±0.2 đến ±0.3
Mối tương quan thấp
±0.4 đến ±0.5
Mối tương quant rung bình
±0.6 đến ±0.7
Mối tương quan cao
±0.8 trở lên
Mối tương quan rất cao
3.1.2.2.Phân tích tương quan giữa chuyển vị đỉnh tháp và nhiệt
độ tại cầu Trần Thị Lý
Áp dụng lý thuyết tương quan trên để tính cho số liệu quan trắc
cầu Trần Thị Lý, xem xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chuyển vị
của cầu như thế nào. Dữ liệu dùng cho phân tích là dữ liệu trung bình
3 phút, trích xuất trong 07 ngày 16-22/6/2020. Dữ liệu phân tích gồm
những loại sau:
- Dữ liệu chuyển vị GPS lắp đặt tại cầu Trần Thị Lý: Để xem
xét sự tương quan giữa 02 yếu tố chuyển vị đỉnh tháp và nhiệt độ, dữ
liệu chuyển vị đỉnh tháp tại cầu Trần Thị Lý được lọc ra cứ 3 phút lấy
1 dữ liệu và chuỗi dữ liệu được lấy kéo dài trong vòng 07 ngày
- Dữ liệu nhiệt độ: Dữ liệu nhiệt độ sẽ được lấy từ các sensor
lắp đặt ở mặt cắt SG18 và SG46. Dữ liệu được lấy với tần suất 3p/data,
dữ liệu lấy về sẽ khớp với cùng thời điểm lấy dữ liệu của chuyển vị
đỉnh tháp.

D

C
C

R
UT.L


16

Hình 3. 6. Biểu đồ số liệu chuyển vị đỉnh tháp 07 ngày theo 3 phương

C
C
R
UT.L

D

Hình 3. 7. Biểu đồ số liệu nhiệt độ 07 ngày của các sensor lắp trên
mặt cắt SG18

Hình 3. 8. Biểu đồ số liệu nhiệt độ 07 ngày của các sensor lắp trên
mặt cắt SG46
Từ biểu đồ số liệu nhiệt độ 07 ngày của các sensor lắp trên mặt cắt
SG18 và SG46, ta có thể thấy được dữ liệu khá ổn định qua từng ngày
quan trắc. Nhiệt độ thấp nhất vào thời điểm tầm 12h khuya , nhiệt độ
cao nhất và bắt đầu giảm xuống từ lúc tầm 16h chiều.
Tại mặt cắt SG18, sensor 24 và 25 lắp đặt ở vị trí đáy dầm nên ln
có ngưỡng nhiệt độ thấp hơn nhiều so với sensor 26 và 27. Điều này


17
này thấy số liệu phản ánh rất đúng và hợp lý. (Tương tự với mặt cắt

SG46, sensor 28 và 29 lắp đặt ở đáy dầm còn sensor 30 và 31 lắp đặt
ở phía bản trên của dầm chính)
Hệ số tương quan giữa nhiệt độ với chuyển vị của cầu Trần Thị Lý
được tính theo cơng thức (1). Kết quả tính toán được tổng hợp ở bảng
sau:
Bảng 3. 5. Hệ số tương quan
STT

1

Mặt
cắt

SG18

Sensor
Thermal
24
Thermal
25
Thermal
26
Thermal
27
Thermal
28
Thermal
29
Thermal
30

Thermal
31

Hệ số tương quan của các điểm theo các
phương của chuyển vị đỉnh tháp
Phương X
Phương Y
Phương Z
-0.73

0.21

-0.15

-0.62

0.2

-0.13

-0.37

0.05

-0.08

C
C
R
UT.L

2

SG46

D

-0.56

0.25

-0.13

-0.66

0.19

-0.13

-0.67

0.22

-0.14

-0.62

0.09

-0.12

-0.64

0.11

-0.12

Từ bảng kết quả trên cho thấy:
- Tương quan của chuyển vị của đỉnh tháp theo phương dọc
cầu với nhiệt độ cao hơn so với phương ngang cầu và thẳng
đứng.
Tương quan của nhiệt độ và chuyển vị đỉnh tháp khá thấp
theo 2 phương Y và Z( Hệ số tương quan<0.5) điều này
chứng tỏ rằng, chuyển vị của đỉnh tháp theo phương ngang
và đứng không chịu ảnh hưởng nhiều bởi yếu tố nhiệt độ.
- Đồng thời qua việc phân tích tương quan ở trên, có thể nhận
thấy rằng sự thay đổi nhiệt độ và biến dạng của kết cấu có
sự tương quan khá cao.


18
3.2. Mơ hình hóa cầu Trần Thị Lý và xác thực mơ hình
3.2.1. Mơ hình hóa cầu Trần Thị Lý

Hình 3. 9. Mơ hình hồn thiện
3.2.2.Xác thực mơ hình cầu Trần Thị Lý
Bảng 3. 6. Kết quả chuyển vị đo đỉnh tháp cầu Trần Thị Lý
Kết quả đo/tính tốn lý thuyết do tải trọng thử
Chuyển vị
Chuyển vị Chuyển vị đo

lớn nhất do
tính tốn
do hệ thống
Đại lượng
hoạt tải xếp
theo phân
GPS (mm)
Vị trí đo
tĩnh (mm)
tích mơ
[Dữ liệu GPS
[Đo đạc thực hình FEM
thực tế]
tế]
(mm)
Chuyển
Đỉnh trụ tháp
23
25.9
24
vị(mm)
theo phương
dọc cầu
(Nguồn: Kết quả kiểm định thử tải cầu Trần Thị Lý năm 2013 –
Công ty tư vấn triển khai công nghệ & Xây dựng Giao thông – Trường
Đại học GTVT thực hiện)
Dựa vào số liệu đo đạc/tính tốn ở bảng trên, ta mơ phỏng và
có được kết quả chuyển vị tính tốn theo lý thuyết là 24.283mm, lệch
so với kết quả kiểm định 6.24%

C
C
R
UT.L

D

Hình 3. 10. Chuyển vị đỉnh tháp theo phương dọc cầu


19
3.3.Nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến biến dạng cầu Trần
Thị Lý dựa vào mơ hình phần tử hữu hạn(FEM)
3.3.1. Nghiên cứu Gradient nhiệt đến kết cấu
Bảng 3. 7. Chuyển vị đỉnh tháp ảnh hưởng bởi gradient nhiệt trong tháp
S
Cấu
Chuyển
vị Chuyển
vị Chuyển
vị
T
kiện
đỉnh
đỉnh tháp
đỉnh tháp
T
tháp(mm;
(mm; phương (mm; phương
phương x)

y)
z)
1
Đỉnh
12.694
0.000
0.207
tháp
Bảng 3. 8. Chuyển vị dầm chủ ảnh hưởng bởi gradient nhiệt dầm chủ
STT
Cấu kiện
Giá trị chuyển vị max Vị trí dây
(mm; phương z)
văng
1
Dầm chủ
-81.51
310
Nhận xét:
- Ảnh hưởng của gradient nhiệt độ chuyển vị thẳng đứng của dầm
chủ và chuyển vị tháp không đáng kể và không gây bất lợi đối với
kết cấu.
- Kết quả tính tốn chỉ dựa trên mặt cắt hình học của mơ hình . Để
có kết quả chính xác hơn về sự làm việc của kết cấu dầm dưới tác
dụng của gradient nhiệt thì cần phải tiến hành các nghiên cứu thực
nghiệm.
- Chuyển vị của dầm chủ theo phương thẳng đứng lớn nhất là
81.51(mm) tại vị trí dây văng 310.
3.3.2. Nghiên cứu ảnh hưởng của chênh lệch nhiệt độ đến ứng xử
kết cấu

3.3.2.1. Cấu kiện chênh 10oC
Đối với trường hợp tải trọng nhiệt độ chênh 10oC thì độ võng lớn
nhất xuất hiện trong cầu là 15.4mm tại vị trí dây văng số 314
Đồng thời khi chênh nhiệt độ cũng gây ra sự thay đổi lực căng dây
văng như biểu đồ hình 3.22. Lý giải cho sự thay đổi này là do nguyên
nhân nhiệt độ gây biến dạng phi tuyến cho tháp và dầm như hình 3.21.
Mối quan hệ giữa biến dạng dây do nhiệt độ và biến dạng tháp, chuyển
vị dầm tạo nên sự thay đổi lực căng khác nhau trong dây văng. Điều
đặc biệt là các dây 316 đến 326 có xu hướng tăng lực căng, các dây
cịn lại có xu hướng giảm lực căng khi nhiệt độ thay đổi.

D

C
C
R
UT.L


20
Ngoài ra lực căng tăng lớn nhất nằm ở dây 321 với 5.7(KN). Và
lực căng giảm nhiều nhất nằm ở dây 301 với 89.77(KN).
3.3.2.2.Cấu kiện chênh 20oC
Đối với trường hợp tải trọng nhiệt độ chênh 20oC thì độ võng lớn
nhất xuất hiện trong cầu là 30.8mm tại vị trí dây văng số 314
Đồng thời khi chênh nhiệt độ cũng gây ra sự thay đổi lực căng dây
văng như biểu đồ hình 2.24. Lý giải cho sự thay đổi này là do nguyên
nhân nhiệt độ gây biến dạng phi tuyến cho tháp và dầm như hình 3.23.
Mối quan hệ giữa biến dạng dây do nhiệt độ và biến dạng tháp, chuyển
vị dầm tạo nên sự thay đổi lực căng khác nhau trong dây văng. Điều

đặc biệt là các dây 316 đến 326 có xu hướng tăng lực căng, các dây
cịn lại có xu hướng giảm lực căng khi nhiệt độ thay đổi.
Ngoài ra lực căng tăng lớn nhất nằm ở dây 321 với 11.55(KN). Và
lực căng giảm nhiều nhất nằm ở dây 301 với 179.54(KN).
3.3.2.3.Cấu kiện chênh 30oC
Đối với trường hợp tải trọng nhiệt độ chênh 30oC thì độ võng
lớn nhất xuất hiện trong cầu là 46.2mm tại vị trí dây văng số 314
Đồng thời khi chênh nhiệt độ cũng gây ra sự thay đổi lực căng
dây văng như biểu đồ hình 3.26. Lý giải cho sự thay đổi này là do
nguyên nhân nhiệt độ gây biến dạng phi tuyến cho tháp và dầm như
hình 3.25. Mối quan hệ giữa biến dạng dây do nhiệt độ và biến dạng
tháp, chuyển vị dầm tạo nên sự thay đổi lực căng khác nhau trong dây
văng. Điều đặc biệt là các dây 316 đến 326 có xu hướng tăng lực căng,
các dây cịn lại có xu hướng giảm lực căng khi nhiệt độ thay đổi.
Ngoài ra lực căng tăng lớn nhất nằm ở dây 321 với 17.33(KN).
Và lực căng giảm nhiều nhất nằm ở dây 301 với 269.30(KN).
3.3.2.4.Cấu kiện chênh 37oC
Đối với trường hợp tải trọng nhiệt độ chênh 37oC thì độ võng
lớn nhất xuất hiện trong cầu là 56.98mm tại vị trí dây văng số 314
Đồng thời khi chênh nhiệt độ cũng gây ra sự thay đổi lực căng
dây văng như biểu đồ hình 3.28. Lý giải cho sự thay đổi này là do
nguyên nhân nhiệt độ gây biến dạng phi tuyến cho tháp và dầm như
hình 3.27. Mối quan hệ giữa biến dạng dây do nhiệt độ và biến dạng
tháp, chuyển vị dầm tạo nên sự thay đổi lực căng khác nhau trong dây
văng. Điều đặc biệt là các dây 316 đến 326 có xu hướng tăng lực căng,
các dây cịn lại có xu hướng giảm lực căng khi nhiệt độ thay đổi.
Ngoài ra lực căng tăng lớn nhất nằm ở dây 321 với 21.37(KN).
Và lực căng giảm nhiều nhất nằm ở dây 301 với 332.14(KN).

D

C
C
R
UT.L


21
3.3.2.5. Tổng hợp kết quả

Hình 3. 11. Biểu đồ kết quả chuyển vị kết cấu nhịp theo các trường hợp
Nhận xét: Từ biểu đồ, khi chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và
thấp nhất với nhiệt độ cơ sở thi công giả định trong thiết kế của cầu
Trần Thị Lý càng tăng thì chuyển vị kết cấu nhịp càng tăng, chuyển vị
lớn nhất theo phương z là 56,98mm tại vị trí dây số 314(theo tiêu
chuẩn TCVN 11823:2017)

C
C
R
UT.L

D

Hình 3. 12. Biểu đồ kết quả chuyển vị đỉnh tháp theo các trường hợp
Nhận xét: Từ biểu đồ, khi chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và
thấp nhất với nhiệt độ cơ sở thi công giả định trong thiết kế của cầu
Trần Thị Lý càng tăng thì chuyển vị tháp thay đổi khác nhau, chuyển
vị theo phương x và z thay đổi 1 cách rõ rệt, chuyển vị tháp lớn nhất
theo phương x;z theo thứ tự là 69.27mm và 45.55mm, còn chuyển vị

tháp theo phương y không đáng kể, cụ thể là 0.2mm(theo tiêu chuẩn
TCVN 11823:2017)


22

Hình 3. 13. Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng dọc tim cầu
chịu tải trọng nhiệt độ theo các trường hợp khác nhau
Nhận xét:
Từ biểu đồ, dây văng chịu tác động của chênh lệch nhiệt độ cao
nhất và thấp nhất so với nhiệt độ cơ sở thi cơng, lực căng của các dây
văng có sự thay đổi rõ rệt, hàng dây văng từ 301 đến 315 và 327 đến
333 bị giảm lực căng, lực căng giảm lớn nhất là 332.14(KN) tại dây
301 (dây văng dài và xa tháp nhất). Hàng dây văng từ 316 đến 326 lại
tăng lực căng, lực căng tăng lớn nhất là 21.37(KN) tại dây 321.
Chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì lực căng của dây văng cũng
thay đổi theo đường tuyến tính, thay đổi lực căng lớn nhất ở trường
hợp chênh lệch 37oC và thay đổi lực căng bé nhất tại trường hợp chênh
lệch 10oC.

C
C
R
UT.L

D

Hình 3. 14. Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng thượng lưu
chịu tải trọng nhiệt độ theo các trường hợp khác nhau
Nhận xét:

Từ biểu đồ, dây văng chịu tác động của chênh lệch nhiệt độ cao
nhất và thấp nhất so với nhiệt độ cơ sở thi cơng, lực căng của các dây
văng có sự thay đổi rõ rệt, hàng dây văng từ 201 đến 215 bị giảm lực
căng, lực căng giảm lớn nhất là 113.57(KN) tại dây 201
Chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì lực căng của dây văng cũng
thay đổi theo đường tuyến tính, thay đổi lực căng lớn nhất ở trường


23
hợp chênh lệch 37oC và thay đổi lực căng bé nhất tại trường hợp chênh
lệch 10oC.

Hình 3. 15. Biểu đồ thay đổi lực căng mặt phẳng dây văng hạ lưu chịu tải
trọng nhiệt độ theo các trường hợp khác nhau
Nhận xét:
Từ biểu đồ, dây văng chịu tác động của chênh lệch nhiệt độ cao
nhất và thấp nhất so với nhiệt độ cơ sở thi công, lực căng của các dây
văng có sự thay đổi rõ rệt, hàng dây văng từ 101 đến 115 bị giảm lực
căng, lực căng giảm lớn nhất là 113.24(KN) tại dây 101
Chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì lực căng của dây văng cũng
thay đổi theo đường tuyến tính, thay đổi lực căng lớn nhất ở trường
hợp chênh lệch 37oC và thay đổi lực căng bé nhất tại trường hợp chênh
lệch 10oC.
3.4.Kết luận chương
Từ kết quả nghiên cứu số liệu GPS cũng như kết quả tính tốn từ mơ
hình phần tử hữu hạn FEM. Chúng ta có thể đưa ra một vài kết luận
như sau:
- Số liệu quan trắc từ cầu Trần Thị Lý phản ánh khá đúng sự
làm việc hiện tại của cầu. Hệ số tương quan của chuyển vị đỉnh tháp
và nhiệt độ khá cao - theo phương X, phù hợp với kết quả tính tốn

trong phần mềm. Tuy nhiên, đối với phương Y và Z thì hệ số tương
quan khá thấp. Vì vậy, ngoài yếu tố nhiệt độ, ta cần nghiên cứu thêm
sự ảnh hưởng của các yếu tố khác như gió, tải trọng động ...để đưa ra
hệ số tương quan chính xác hơn .
- Sự suy giảm lực căng dây văng mặt phẳng dọc tim cầu do thay
đổi biên độ yếu tố nhiệt độ có kết quả biến đổi phi tuyến. Điều này
được lý giải bằng tương quan giữa độ giãn dài của dây văng so với
tổng chuyển vị thẳng đứng của dầm và chuyển vị đỉnh tháp.

D

C
C
R
UT.L