Tiến Sĩ Nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa móng cọc và nền đàn hồi

Luận án tiến sĩ năm 2013
Đề tài: Nhận dạng liên kết trên bề mặt tiếp xúc giữa móng cọc và nền đàn hồi


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN . i
LỜI CẢM ƠN .ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮVIẾT TẮT .vi
DANH MỤC CÁC BẢNG .xiv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒTHỊ xv
MỞ ĐẦU . 1
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4
1.1. Ý nghĩa thực tiễn của việc chẩn đoán trạng thái kỹthuật công trình và nhận dạng
liên kết móng - nền 4
1.2. Bài toán nhận dạng kết cấu . 5
1.3. Tổng quan các phương pháp nhận dạng kết cấu 7
1.3.1. Các phương pháp cơbản giải bài toán nhận dạng kết cấu 7
1.3.2. Phương pháp giải liên tiếp các bài toán thuận 10
1.3.3. Phương pháp quy hoạch phi tuyến . 11
1.3.4. Ứng dụng trực tiếp phần mềm MATLAB . 12
1.3.5. Phương pháp hàm phạt (Penalty function methods) 14
1.4. Tổng quan các công trình nghiên cứu vềnhận dạng kết cấu . 14
1.5. Kết luận . 17
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH, THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH
TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU HỆTHANH - MÓNG CỌC NGUYÊN VẸN 19
2.1. Các phương trình và ma trận cơbản đối với các phần tửthanh trong hệtọa độcục
bộ[19], [22], [34] 20
2.1.1. Hàm xấp xỉchuyển vị 20
2.1.2. Các ma trận cơbản đối với phần tửthanh không gian . 22
2.1.3. Phương trình cân bằng động của phần tửthanh không gian . 28
iv
2.2. Các phương trình và ma trận cơbản đối với các phần tửcọc tiếp xúc với nền trong
hệtọa độcục bộ 28
2.2.1. Mô hình liên kết giữa cọc và nền . 28
2.2.2. Các phương trình và ma trận cơbản đối với các phần tửcọc tiếp xúc với nền
trong hệtọa độcục bộ[22] . 29
2.3. Phương trình cân bằng động kết cấu hệthanh - móng cọc nguyên vẹn và các
phương pháp giải [19], [22], [34] . 31
2.3.1. Biến đổi các véc tơchuyển vịvà lực nút từhệtoạ độcục bộsang hệtoạ độ
tổng thể 31
2.3.2. Phương trình cân bằng động của kết cấu hệthanh - móng cọc 34
2.3.3. Thuật toán giải bài toán dao động riêng của kết cấu 35
2.3.4. Thuật toán giải bài toán dao động cưỡng bức của kết cấu 37
2.4. Tính toán số 38
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CHƯƠNG TRÌNH NHẬN DẠNG LIÊN
KẾT GIỮA MÓNG CỌC VÀ NỀN ĐÀN HỒI 41
3.1. Bài toán chẩn đoán trạng thái kỹthuật công trình và nhận dạng liên kết cọc - nền
đàn hồi . 41
3.2. Lựa chọn phương pháp giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền . 43
3.3. Giải bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền đàn hồi bằng phương pháp hàm phạt
(Penalty function method) [26] 44
3.4. Các tính toán bằng số . 52
3.4.1. Bài toán phẳng . 52
Bài toán 1 . 52
Bài toán 2 . 54
3.4.2. Bài toán không gian 56
CHƯƠNG 4 NHẬN DẠNG LIÊN KẾT MÓNG - NỀN CỦA CÁC CÔNG TRÌNH DKI
. 60
4.1. Tổng quan các giải pháp kết cấu móng công trình biển DKI và bài toán nhận dạng
v
liên kết cọc - nền . 60
4.1.1. Tổng quan các giải pháp kết cấu móng công trình biển DKI 60
4.1.2. Bài toán nhận dạng liên kết móng - nền các công trình DKI 65
4.2. Các mô hình liên kết giữa móng công trình DKI với nền . 66
4.3. Thí nghiệm xác định các tần sốdao động riêng công trình DKI/2 69
4.3.1. Phương pháp và thiết bịthí nghiệm 69
4.3.2. Các kết quảthí nghiệm 75
4.4. Nhận dạng liên kết móng - nền của công trình DKI/2 80
4.4.1. Sơ đồtính của công trình DKI/2 và các tham sốnhận dạng liên kết móng - nền.
. 80
4.4.2. Rời rạc hoá PTHH đối với kết cấu . 83
4.4.3. Các sốliệu xuất phát . 85
4.4.4. Kết quảgiải bài toán nhận dạng liên kết móng - nền của công trình DKI/2 87
KẾT LUẬN CHUNG . 89
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐCỦA TÁC GIẢ . 91
TÀI LIỆU THAM KHẢO . 92
PHỤLỤC 98


MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đềtài
Móng cọc là loại kết cấu được sửdụng rất rộng rãi trong các công trình
xây dựng như: nhà cao tầng, cầu, cảng, tường kè, công trình biển đảo (giàn
khoan dầu khí, công trình đặc biệt dạng DKI), . Nhân tốquan trọng đảm bảo
cho công trình giữ được ổn định và bền vững là liên kết trên bềmặt tiếp xúc
giữa các cọc và môi trường đất đá (nền đàn hồi). Tuy nhiên, dưới tác dụng của
các loại tải trọng bên ngoài, các liên kết nói trên (mô hình hóa cho các tính
chất đàn hồi, đàn dẻo, ma sát của môi trường xung quanh cọc) bịsuy giảm
theo thời gian, dẫn đến khảnăng chịu lực của công trình cũng suy giảm theo.
Để đềxuất các biện pháp kỹthuật nhằm phục hồi, duy trì và nâng cao khả
năng làm việc tiếp theo của công trình, trước hết cần phải đánh giá được trạng
thái thực của các liên kết này tại các thời điểm bất kỳtrong quá trình khai thác
sửdụng.
Trong thực tế, miền tiếp xúc giữa kết cấu cọc và môi trường đất đá là
các “miền kín” nằm sâu trong đất, không đo đạc trực tiếp được bằng các thiết
bịthông thường. Vì vậy, cần phải nghiên cứu phương pháp nhận dạng (chẩn
đoán) mô hình và thực trạng liên kết giữa kết cấu móng cọc và môi trường đất
đá. Cho đến nay, bài toán nhận dạng kết cấu đã có nhiều công trình nghiên
cứu nhưng bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền còn ít được đềcập đến.
Với các lí do trên đềtài nghiên cứu vềnhận dạng liên kết trên bềmặt
tiếp xúc giữa kết cấu móng cọc và môi trường biến dạng là vấn đềrất cấp
thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu phương pháp, mô hình, thuật toán và chương trình tính đểnhận
dạng liên kết trên bềmặt tiếp xúc giữa kết cấu móng cọc và môi trường đàn
hồi phục vụcho chẩn đoán trạng thái kỹthuật của công trình.
2
Phạm vi nghiên cứu của luận án
- Kết cấu: hệthanh - móng cọc không gian.
- Môi trường nền: đàn hồi tuyến tính.
Nội dung và cấu trúc của luận án
Luận án gồm có: phần mở đầu, 04 chương và phần kết luận, danh mục các tài
liệu tham khảo và phụlục.
Phần mở đầu:Nêu lên tính cấp thiết của đềtài nghiên cứu, mục đích, phạm
vi, nội dung và cấu trúc của luận án.
Chương 1:Tổng quan.
Nêu ý nghĩa thực tếvà khoa học của bài toán nhận dạng liên kết trên bềmặt
tiếp xúc giữa móng cọc - nền, tổng quan vềcác phương pháp nhận dạng kết
cấu và tình hình nghiên cứu bài toán nhận dạng liên kết cọc - nền ởtrong
nước và trên thếgiới, từ đó đềxuất mục tiêu, nội dung và phương pháp
nghiên cứu của luận án.
Chương 2:Xây dựng mô hình, thuật toán và chương trình tính toán động lực
học kết cấu hệthanh - móng cọc nguyên vẹn. Trong chương này xây dựng các
phương trình, thuật toán và chương trình tính toán động lực học kết cấu hệ
thanh - móng cọc không gian còn nguyên vẹn chịu tác dụng của tải trọng
động bất kỳ đểlàm công cụtính toán khi giải bài toán nhận dạng liên kết cọc -
nền ởchương 3. Tiến hành tính toán bằng số đểkiểm tra độtin cậy của
chương trình đã lập.
Chương 3:Xây dựng thuật toán và chương trình nhận dạng liên kết giữa
móng cọc và nền đàn hồi. Chương này giành cho việc xây dựng mô hình,
phương trình, thuật toán và chương trình tính toán đểgiải bài toán nhận dạng
liên kết giữa kết cấu móng cọc với nền đàn hồi bằng phương pháp hàm phạt.
Sửdụng chương trình đã lập tiến hành các nghiên cứu bằng số đểkiểm tra độ
tin cậy của mô hình, thuật toán và chương trình tính.
3
Chương 4: Nhận dạng liên kết móng cọc các công trình DKI. Trong chương
này, sửdụng chương trình đã lập ởchương 2 và chương 3, trình bày kết quả
giải bài toán nhận dạng liên kết móng - nền của một công trình thực tế đặc
biệt - công trình biển DKI/2 (bao gồm cảcác kết quảthí nghiệm tại hiện
trường đểxác định tần sốdao động riêng của công trình làm tham số đầu vào
khi giải bài toán nhận dạng liên kết móng - nền bằng phương pháp hàm phạt).
Phần kết luậnnêu lên các kết quảmới của luận án, các vấn đềcần nghiên
cứu tiếp theo.
Phần phụlụcgiới thiệu mã nguồn của các chương trình đã lập trong luận án.
4
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. Ý nghĩa thực tiễn của việc chẩn đoán trạng thái kỹthuật công trình
và nhận dạng liên kết móng - nền
Trạng thái kỹthuật của công trình được xác định bởi độbền, độcứng
và độ ổn định của chúng. Trong giai đoạn khai thác sửdụng, dưới tác động
của môi trường bên ngoài xuất hiện các hưhỏng của kết cấu, làm cho trạng
thái kỹthuật của các công trình sẽgiảm dần theo thời gian. Do đó, cần phải
định kỳtiến hành công tác chẩn đoán trạng thái kỹthuật công trình nhằm
đánh giá chất lượng hiện tại, dựbáo sựthay đổi trạng thái kỹthuật tiếp theo
và tuổi thọcòn lại, đềxuất các biện pháp và thời gian duy tu bảo dưỡng, nâng
cao độtin cậy và sức sống công trình. Với các nội dung trên thuật ngữchẩn
đoán trạng thái kỹthuật công trình đồng nghĩa với một thuật ngữkhác trong
bệnh học công trình là giám định sức khỏe kết cấu (Structural Health
Monitoring - SHM).
Dấu hiệu bên ngoài của sựhưhỏng kết cấu được thểhiện dưới các
dạng và mức độkhác nhau của từng phần tửhoặc toàn bộkết cấu. Đối với
từng phần tửsựhưhỏng mang tính cục bộnhưsựtổn hao các kích thước hình
học, các khuyết tật, độcong vênh, nứt vỡ, đứt gãy. Đối với toàn hệsựhưhỏng
mang tính tổng thểnhưsựnghiêng lệch của công trình, kết cấu có chuyển vị
và dao động lớn, các cọc bịnhổvà cao nhất - sựsụp đổtoàn bộcông trình. Sự
suy giảm các chỉtiêu của chất lượng của công trình trong thời gian khai thác
sửdụng so với các tiêu chuẩn thiết kếcó nhiều nguyên nhân, tích lũy từgiai
đoạn thiết kế đến chếtạo, vận chuyển, thi công và sửdụng. Ởgiai đoạn thiết
kếcó thểphạm phải các sai lầm như: sốliệu đầu vào không phù hợp với thực
tế(khí tượng, thủy văn, địa hình, địa chất, ma sát cọc - nền .), lựa chọn sai
các giải pháp kết cấu, các mô hình tính toán, phương pháp tính, sửdụng sai


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Nguyễn Xuân Bàng (2009), Xây dựng chương trình giải bài toán chẩn
đoán công trình biển bán trọng lực trên nền san hô, Báo cáo khoa học của
đềtài nghiên cứu khoa học cấp trường, Học viện KTQS, Hà Nội.
[2] Bùi Đức Chính (2003), Áp dụng bệnh học công trình và tin học trong
đánh giá kết cấu nhịp đơn giản cầu BTCT thường trên đường ô tô,
Luận văn thạc sĩkỹthuật, Viện KH&CN GTVT, Hà Nội.
[3] Bùi Huy Đường (1996), Bài toán ngược cơhọc, Nhà xuất bản Xây
dựng, Hà Nội.
[4] Trần Thanh Hải (2012), Chẩn đoán vết nứt của dầm bằng phương
pháp đo dao động, Luận án tiến sĩkỹthuật, Viện Cơhọc Việt Nam, Hà
Nội.
[5] Nguyễn Văn Hợi (2007), Báo cáo kết quảkhảo sát trạng thái kỹthuật
các công trình DKI sau gia cốvà sửa chữa, Trung tâm Kỹthuật các
công trình đặc biệt, Hà Nội.
[6] Nguyễn Văn Hợi, Nguyễn Xuân Bàng (2012), Khảo sát đánh giá trạng
thái kỹthuật các công trình DKI (quyển III.9) thuộc dựán nhánh
NCKH cấp nhà nước ĐTB11.3 “Điều tra, khảo sát và đánh giá trạng
thái kỹthuật của các công trình quốc phòng dưới tác dụng của môi
trường biển đảo và ảnh hưởng của công trình xây dựng đối với môi
trường sinh thái đảo”, BộTưlệnh Công binh, Hà Nội.
[7] Nguyễn Văn Hợi, Phạm Đình Ba (1994), Giáo trình động lực học công
trình, Học viện Kỹthuật Quân sự, Hà Nội.
[8] Thái Doãn Hoa (2012), Điều tra khảo sát về địa chất công trình và các
tính chất cơlý san hô trong vùng quần đảo Trường Sa (quyển III.2)
thuộc dựán nhánh NCKH cấp nhà nước ĐTB11.3 “Điều tra, khảo sát
và đánh giá trạng thái kỹthuật của các công trình quốc phòng dưới
tác dụng của môi trường biển đảo và ảnh hưởng của công trình xây
93
dựng đối với môi trường sinh thái đảo”, BộTưlệnh Công binh, Hà
Nội.
[9] Phạm Xuân Khang (2001), Chẩn đoán kết cấu nhịp cầu bằng phương
pháp dao động, Luận án tiến sĩkỹthuật, Viện KH & CN GTVT, Hà
Nội.
[10] Nguyễn Tiến Khiêm, Đào NhưMai, Nguyễn Việt Khoa (1994), “Phân
tích động lực học khung không gian phục vụchẩn đoán kỹthuật công
trình”, Tuyển tập báo cáo Hội nghịcơhọc vật rắn biến dạng toàn quốc
lần thứIV, Hà Nội.
[11] Nguyễn Tiến Khiêm và các công sự(2002), Báo cáo kết quảkhảo sát
và đánh giá các công trình DKI sau sửa chữa và cơsởhạtầng trên
đảo Trường Sa, Viện Cơhọc Việt Nam, Hà Nội.
[12] Nguyễn Tiến Khiêm (2008), Nhập môn chẩn đoán kỹthuật công
trình, Nhà xuất bản Khoa học tựnhiên và công nghệ, Hà Nội.
[13] Nguyễn Tiến Khiêm, Đào NhưMai, Nguyễn Việt Khoa, Lê Vân Anh
(1996), “Bài toán chẩn đoán hưhỏng cầu bằng cách đo tần sốdao động
riêng”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghịcơhọc vật rắn biến
dạng toàn quốc lần thứV, tr.303-310, Hà Nội.
[14] Nguyễn Tương Lai (2012), Điều tra khảo sát và nghiên cứu vềma sát
giữa cọc và nền san hô trên các đảo thuộc quần đảo Trường Sa (quyển
III.3) thuộc dựán nhánh NCKH cấp nhà nước ĐTB11.3 “Điều tra,
khảo sát và đánh giá trạng thái kỹthuật của các công trình quốc
phòng dưới tác dụng của môi trường biển đảo và ảnh hưởng của công
trình xây dựng đối với môi trường sinh thái đảo”, BộTưlệnh Công
binh, Hà Nội.
[15] Trần Văn Liên (2003), Bài toán ngược của cơhọc và một số ứng
dụng, Luận án tiến sĩkỹthuật, Viện Cơhọc Việt Nam, Hà Nội.
[16] Đào NhưMai (2001), Độnhạy cảm của các đặc trưng động lực học
kết cấu và ứng dụng trong chẩn đoán kỹthuật công trình, Luận án tiến
sĩkỹthuật, Viện Cơhọc Việt Nam, Hà Nội.