Nghiên cứu động lực học hệ thống rung động đúc dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực

Nghiªn cøu ®éng lùc häc hÖ thèng rung ®éng ®óc dÇm cÇu bª t«ng cèt thÐp dù øng lùc PGS. TS. nguyÔn v¨n vÞnh KS. nguyÔn quang minh Bé m«n M¸y x©y dùng – XÕp dì Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i Tãm t¾t: Bμi b¸o tr×nh bμy tãm t¾t kÕt qu¶ nghiªn cøu ®éng lùc häc hÖ thèng rung ®éng ®óc dÇm BTCT dù øng lùc. Tõ ®ã rót ra nh÷ng kÕt luËn cÇn thiÕt nh»m tiÕp tôc hoμn thiÖn viÖc thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng rung ®éng kiÓu nμy phôc vô x©y dùng c¸c c«ng tr×nh giao th«ng. Summary: The article summaries the results of a dynamic research on vibration systems of pre-stressed concrete girders. Necessary conclusions are then drawn to further perfect the designing and manufacturing of the vibration system for transport constructions. i. §Æt vÊn ®Ò HiÖn nay, viÖc x©y dùng c¸c cÇu v−ît trong thµnh phè hoÆc c¸c vïng ngo¹i «, ng−êi ta th−êng dïng c¸c phiÕn dÇm bª t«ng cèt thÐp (BTCT) dù øng lùc tiªu chuÈn L = 33m, Q = 60 TÊn hoÆc phi tiªu chuÈn Q = 35m, Q = 70 TÊn. CT 2 C¸c phiÕn dÇm nµy ®−îc chÕ t¹o b»ng c¸ch ®óc s½n t¹i c«ng tr−êng sau ®ã ®−îc l¾p ghÐp thµnh mÆt cÇu. §Ó ®óc c¸c phiÕn dÇm ng−êi ta dïng mét hÖ thèng rung ®éng theo ph−¬ng ®øng cã s¬ ®å cÊu t¹o nh− sau: 3 4 2 5 6 7 1 8 a. Tæng thÓ hÖ thèng, b. S¬ ®å cÊu t¹o H×nh 1. HÖ thèng rung ®éng ®óc dÇm. Trong ®ã: 1. TÊm v¸n ®¸y; 2. Tµ vÑt bª t«ng; 3. T¨ng ®¬ liªn kÕt gi÷a tµ vÑt vµ v¸n khu«n; 4. V¸n khu«n thÐp; 5. T¨ng ®¬ liªn kÕt 2 v¸n khu«n 2 bªn; 6. §Çm rung;;7. DÇm bª t«ng cèt thÐp; 8. NÒn ®Êt ®−îc dÇm chÆt sau khi r¶i ®¸ r¨m. Rung ®éng cña ®Çm rung ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn chÊt l−îng cña phiÕn dÇm ®−îc ®óc ra. Tuy nhiªn, hiÖn nay vÊn ®Ò nµy ®èi víi hÖ thèng trªn ®−îc nghiªn cøu vµ quan t©m ch−a ®óng møc, viÖc dïng c¸c lo¹i ®Çm nµo, bè trÝ kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c ®Çm ra sao … ®Òu lµm theo kinh nghiÖm. ChÝnh v× vËy chóng t«i ®· tiÕn hµnh c«ng tr×nh nghiªn cøu sÏ ®−îc tr×nh bµy cô thÓ sau ®©y. II. Néi dung 1. X©y dùng m« h×nh ®éng lùc häc Trªn c¬ së kh¶o s¸t thùc tÕ, dùa trªn c¸c b¶n vÏ, t×m hiÓu cÊu t¹o, nguyªn lý lµm viÖc cña hÖ thèng chóng t«i ®· sö dông mét sè gi¶ thuyÕt sau ®©y: C¸c líp bª t«ng ®−îc r¶i ®Òu theo chiÒu dµi 1/3 dÇm (kho¶ng 12m). Träng l−îng cña bª t«ng, cèt pha t¸c dông t¹i trung t©m hÖ thèng rung ®éng ®óc dÇm. HÖ thèng cèt pha ®−îc liªn kÕt chÆt víi c¸c tµ vÑt vµ chóng t¹o thµnh mét khèi dao ®éng cïng víi nhau. HÖ thèng chñ yÕu thùc hiÖn rung ®éng theo ph−¬ng ®øng (bá qua dao ®éng theo ph−¬ng ngang vµ däc dÇm). Bá qua ®é vâng côc bé cña tÊm v¸n ®¸y v× v¸n ®¸y ®Æt trªn c¸c tµ vÑt bª t«ng víi kho¶ng c¸ch ng¾n. CT 2 C¸c m¸y ®Çm rung ®éng ®−îc coi nh− ho¹t ®éng ®ång thêi, cïng tÇn sè vµ cïng pha (bá qua sai lÖch ngÉu nhiªn vÒ tÇn sè vµ pha). Khi nghiªn cøu hÖ thèng rung ®éng chØ xÐt hÖ thèng rung ®éng cã chiÒu dµi b»ng 1/3 chiÒu dµi thùc tÕ cña dÇm thùc hiÖn rung ®éng (v× trong thùc tÕ ng−êi ta chØ cho c¸c ®Çm rung l¾p trªn 1/3 chiÒu dµi cèp pha ho¹t ®éng). Tõ s¬ ®å cÊu t¹o trªn h×nh 1, dùa trªn c¸c gi¶ thiÕt ®· nªu trªn, c¸c m« h×nh ®éng lùc häc cña hÖ thèng rung ®éng ®−îc x©y dùng: K S m y Y O X H×nh 2. M« h×nh ®éng lùc häc mét khèi l−îng. ∑P 1.1. M« h×nh ®éng lùc häc mét khèi l−îng M« h×nh ®éng lùc häc cña hÖ thèng ®−îc thÓ hiÖn trªn h×nh 2. trong ®ã: m lµ khèi l−îng chung cña hÖ thèng bao gåm: Khèi l−îng cña tµ vÑt, khèi l−îng cña tÊm v¸n ®¸y, khèi l−îng cña v¸n khu«n, khèi l−îng cña cèt thÐp, khèi l−îng cña hçn hîp bª t«ng tham gia dao ®éng. ∑P lµ tæng lùc kÝch ®éng cña c¸c ®Çm rung. Y lµ biªn ®é dao ®éng cña m. S lµ ®é cøng quy dÉn cña nÒn ®Êt. K lµ hÖ sè dËp t¾t dao ®éng quy dÉn cña nÒn ®Êt. Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña hÖ ∑ ω=++ tsin.psyykym &&&&& (1) Lùc ®éng cña hÖ t¸c dông xuèng nÒn ySyKF0 &&&&& += M« h×nh ®éng lùc häc mét khèi l−îng. Khi xem xÐt sù dao ®éng cña riªng hçn hîp bª t«ng cèt thÐp trong hÖ thèng, chóng ta cã thÓ ®−a vÒ hÖ dao ®éng 02 khèi l−îng nh− H×nh 3 Trong ®ã: m1 lµ khèi l−îng cña cèt thÐp vµ bª t«ng trªn 1/3 chiÒu dµi dÇm CT 2 m2 lµ khèi l−îng cña v¸n khu«n vµ tµ vÑt S1 lµ ®é cøng cña bª t«ng; S2 lµ ®é cøng cña nÒn d−íi c¸c tµ vÑt; K1 lµ hÖ sè c¶n nhít cña bª t«ng; K2 lµ hÖ sè c¶n nhít cña nÒn. Ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng cña hÖ: ( ) ( ) 0yySyyKym 2112111 =−+−+ &&&& ∑P K 2 S2 m 2 y 2 Y O X K 1 S 1 m 1 y 1 H×nh 3. M« h×nh ®éng lùc häc hai khèi l−îng ( ) ( ) ∑ ω=−−+−−+ tsin.PyySySyyKyKym 211222112222 &&&&& (2) BiÓu diÔn d−íi d¹ng ma trËn chóng ta cã: [ ]∑ ω=⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− −+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +− −+⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ tsin.P y y SSS SS y y KKK KK y y m0 0m 2 1 211 21 2 1 211 11 2 1 2 1 & & && && (3) 1.2 Gi¶i ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng §Ó gi¶i c¸c ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng (1) hoÆc (2), chóng t«i sö dông phÇn mÒm Matlab - Simulink 7.04. Tuy nhiªn, v× viÖc x¸c ®Þnh c¸c gi¸ trÞ cña c¸c th«ng sè trong m« h×nh mét c¸ch chÝnh x¸c cßn gÆp nhiÒu khã kh¨n. V× vËy b−íc ®Çu, chóng t«i gi¶i ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng (1) víi thuËt to¸n Runge-Kutta bËc 4 víi c¸c gi¸ trÞ cô thÓ nh− sau: m=10457kg; S=79,64.107 N/m, K=5000NS/m; ∑P=50000N; ω=297,53 1/s. CT 2 H×nh 4. S¬ ®å khèi thuËt to¸n hÖ gi¶i ph−¬ng tr×nh chuyÓn ®éng C¸c kÕt qu¶ thu ®−îc nh− chuyÓn vÞ, vËn tèc, gia tèc, lùc ®éng t¸c dông xuèng nÒn ®−îc thÓ hiÖn trªn c¸c h×nh sau ®©y: H×nh 5. ChuyÓn vÞ cña thμnh v¸n khu«n H×nh 6. VËn tèc cña thμnh v¸n khu«n CT 2 H×nh 7. Gia tèc cña thμnh v¸n khu«n H×nh 8. Lùc t¸c ®éng cña hÖ v¸n khu«n xuèng nÒn ®Êt III. KÕt luËn §· tiÕn hµnh nghiªn cøu ®éng lùc häc cña hÖ thèng rung ®éng ®óc dÇm BTCT dù øng lùc cã kÝch th−íc lín vµ kÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy: Biªn ®é dao ®éng cña thµnh v¸n khu«n trong mét hÖ thèng cô thÓ ®−a vµo tÝnh to¸n - trªn c«ng tr−êng TAISEI phÝa b¾c cÇu Th¨ng Long trung b×nh A=0,4mm. Nh− vËy lµ hîp lý v× ng−êi ta th−êng quy ®Þnh gi¸ trÞ nµy [A] = 0,4÷0,8mm. Cã thÓ sö dông m« h×nh ®éng lùc häc trªn ®Ó kh¶o s¸t c¸c yÕu tè ¶nh h−ëng ®Õn chÕ ®é rung déng cña hÖ thèng, tõ ®ã ¶nh h−ëng ®Õn chÊt l−îng ®Çm lÌn cña phiÕn dÇm. KÕt qu¶ nghiªn cøu cã thÓ sö dông phôc vô gi¶ng d¹y, hoµn thiÖn viÖc thiÕt kÕ, chÕ t¹o hÖ thèng rung ®éng ®óc dÇm víi chÊt l−îng cao h¬n. TiÕp tôc nghiªn cøu ph¸t triÓn ®éng lùc häc hÖ thèng nµy sau khi ®· hoµn thµnh viÖc nghiªn cøu ®é cøng vµ ®é c¶n nhít cña bª t«ng cèt thÐp b»ng thùc nghiÖm [2]. Tµi liÖu tham kh¶o [1]. PGS. TS. NguyÔn V¨n VÞnh. §éng lùc häc m¸y x©y dùng - xÕp dì - Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i, n¨m 2007. [2]. KS. NguyÔn Quang Minh. Nghiªn cøu ¶nh h−ëng cña m¸y ®Çm rung ®éng trong c«ng nghÖ ®óc dÇm bª t«ng dù øng lùc cã kÝch th−íc lín. LuËn ¸n th¹c sü kü thuËt, n¨m 2007. ♦ CT 2