Luận án Nghiên cứu cơ sở khoa học cho tính toán kết cấu thép cổng trục chuyên dùng do Việt Nam chế tạo phục vụ lao lắp dầm bê tông trên xà mũ cầu

 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO  TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ----------------------------o0o---------------------------- BÙI THANH DANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CỔNG TRỤC CHUYÊN DÙNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO PHỤC VỤ LAO LẮP DẦM BÊTÔNG TRÊN XÀ MŨ CẦU LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 01/2017  BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI ----------------------------o0o---------------------------- BÙI THANH DANH NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC CHO TÍNH TOÁN KẾT CẤU THÉP CỔNG TRỤC CHUYÊN DÙNG DO VIỆT NAM CHẾ TẠO PHỤC VỤ LAO LẮP DẦM BÊTÔNG TRÊN XÀ MŨ CẦU Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị xây dựng, nâng chuyển Mã số: 62.52.01.16 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS-TS. Nguyễn Văn Vịnh HÀ NỘI - 01/2017 i  LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản luận án này là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết  quả trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác./.  Bùi Thanh Danh  ii  LỜI CẢM ƠN Tôi  xin  được  trân  trọng  cám ơn PGS.TS- NGUT Nguyễn Văn Vịnh  đã  tận  tình  hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này.  Trân trọng cám ơn các Thầy, Cô giáo, các bạn đồng nghiệp tại bộ môn Máy xây  dựng – Xếp dỡ, khoa Cơ khí, các Thầy, Cô giáo, các nhà khoa học của Trường Đại học  giao thông vận tải, Đại học Xây Dựng, Học Viện kỹ thuật quân sự, Học viện nông nghiệp  Việt nam, Viện Khoa học và Công nghệ giao thông vận tải,... đã góp ý, giúp đỡ tôi trong  suốt quá trình làm luận án.  Xin trân  trọng cảm ơn lãnh đạo Trường Đại học giao  thông vận tải,  lãnh đạo và  cán bộ của các đơn vị chức năng trong nhà Trường (Phòng Đào tạo Sau đại học, Phòng  KHCN, Trung tâm KHCN Giao thông vận tải,...) đã tạo điều kiện, giúp đỡ tôi trong quá  trình nghiên cứu.  Trân  trọng cám ơn ông Nguyễn Văn Ánh cùng  toàn  thể  cán bộ  công nhân viên  công ty TNHH Hải Ánh; Ông Đặng Nam Hưng – giám đốc Trung tâm phát triển hạ tầng  trực  thuộc  công  ty  cổ  phần  Vinaconex  E&C;  Lãnh  đạo  phòng  thiết  bị-  Tổng  công  ty  XDCTGT 4 (Cienco 4) đã tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho tôi trong quá trình thu thập  số liệu và làm thực nghiệm tại công trường.  Trân  trọng cảm ơn những người  thân  trong gia đình, bạn bè, đồng chí, đồng nghiệp đã  động viên, hỗ trợ tôi hoàn thành luận án./.  Hà nội, tháng.... năm 2017 Bùi Thanh Danh iii  MỤC LỤC Lời cam đoan ...i  Lời cám ơn ..ii  Mục lục ..iii  Danh mục các ký hiệu dùng trong luận ánvii  Danh mục các chữ viết tắt ...x  Danh mục các bảng, biểu ....x  Danh mục các hình vẽ  ...xi  MỞ ĐẦU.1 1- Tính cấp thiết của đề tài: ................................................................................................. 1 2. Mục tiêu của đề tài: ......................................................................................................... 3 3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: ............................................................... 3 4. Phương pháp nghiên cứu: ................................................................................................ 3 5. Mục đích nghiên cứu thực nghiệm: ................................................................................. 4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: ........................................................................................ 4 7. Điểm mới của luận án ...................................................................................................... 5 8. Bố cục của luận án ........................................................................................................... 5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU............................................................ 8 1.1. Phương pháp lao lắp dầm cầu sử dụng thiết bị cổng trục (Giá long môn) ................... 8 1.1.1. Phương pháp lắp dọc sử dụng giá lao ba chân (hình 1.1, hình 1.2) .......................... 8 1.1.2. Phương pháp lắp dọc sử dụng giá lao hai chân (hình 1.3) ........................................ 8 1.1.3. Phương pháp lắp dọc sử dụng giá long môn di chuyển phía trên ............................. 9 1.1.4. Phương pháp lắp dọc sử dụng giá long môn di chuyển dưới mặt đất ....................... 9 1.1.5. Thi công theo phương pháp lắp ngang sử dụng giá long môn ................................ 10 1.2. Giới thiệu thiết bị cổng trục lao lắp dầm cầu bêtông thi công các cầu dẫn, cầu vượt ở  Việt Nam ............................................................................................................................ 11 1.2.1. Tổng quan về cổng trục phục vụ lao lắp dầm cầu ................................................... 11 1.2.2. Cấu tạo của cổng trục lao dầm đặt trên xà mũ trụ cầu ............................................ 12 1.2.3. Phân tích đặc điểm làm việc và cấu tạo cổng trục ................................................... 14 1.3. Phân  tích  tình hình nghiên cứu,  thiết kế, chế  tạo cổng  trục  lao dầm bêtông  lắp đặt  trên xà mũ trụ cầu. ............................................................................................................. 15 1.3.1.Tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo cổng trục trên thế giới ................................ 15 iv  1.3.2. Tình hình nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị cổng trục ở Việt Nam. .................. 16 1.3.3. Các nghiên cứu về động lực học, ứng suất động của cổng trục .............................. 18 KẾT LUẬN CHƯƠNG I VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU ................................................... 24 CHƯƠNG II. NGHIÊN CỨU ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CỔNG TRỤC DẠNG DÀN LẮP ĐẶT  TRÊN XÀ MŨ TRỤ CẦU PHỤC VỤ LAO LẮP DẦM CẦU SUPER-T TRONG CÔNG NGHỆ  THI CÔNG CẦU TẠI VIỆT NAM ............................................................................................... 25 2.1. Nghiên cứu động lực học cổng trục chuyên dùng tương ứng với quá trình nâng, hạ  dầm Cầu Super – T. ........................................................................................................... 25 2.1.1. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi nâng hàng (Dầm cầu) có độ chùng cáp .... 25 2.1.2. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi nâng hàng (Dầm cầu Super-T) từ vị trí cáp  căng (độ chùng cáp  = 0) ............................................................................................... 36 2.1.3. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi nâng dầm và phanh hãm từ vị trí cáp căng  ( = 0) .............................................................................................................................. 41 2.1.4. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi hạ hàng (Dầm cầu Super-T) xuống xà mũ  trụ cầu hoặc xuống đất. .................................................................................................... 45 2.1.5. Nghiên cứu động  lực học cổng  trục khi hạ hàng  (Dầm Super-T)– kết hợp phanh  hãm khi cáp căng (=0). .................................................................................................. 49 2.2. Nghiên cứu động lực học cổng trục khi di chuyển mang hàng (Dầm bêtông Super-T)  có kể đến độ cứng của cáp. ........................................................................................................ 52 KẾT LUẬN CHƯƠNG II ............................................................................................................. 59 CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU KHẢO SÁT CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CỔNG  TRỤC DẠNG DÀN LẮP TRÊN XÀ MŨ TRỤ CẦU .................................................................. 61 3.1. Thông số cần khảo sát ................................................................................................ 61 3.2. Khảo sát các thông số ứng với trường hợp nâng dầm cáp căng ................................. 62 3.2.1. Khi thay đổi bán kính quán tính quy đổi R (thay đổi vận tốc nâng). ...................... 62 3.2.2. Khi thay đổi độ cứng của kết cấu thép dàn chính S3 ............................................... 64 3.2.3. Khi thay đổi độ cứng của cáp trong cụm tời nâng S1 .............................................. 66 3.2.4. Khi thay đổi khối lượng kết cấu thép tầng trên m3 .................................................. 68 3.3. Khi di chuyển mang dầm ............................................................................................ 69 3.3.1. Khi  tải  trọng gió  tác dụng lên kết cấu cổng trục Pg1 và  tải  trọng gió tác dụng lên  dầm Pg2 thay đổi. .............................................................................................................. 70 3.3.2. Khi thay đổi độ cứng S1 tác dụng lên kết cấu cổng trục.......................................... 72 v  3.3.3. Khi thay đổi bán kính quán tính qui đổi Rdc (vận tốc di chuyển) của cổng trục. .... 74 3.3.4. Khi thay đổi khối lượng kết cấu thép (khối lượng m2) và vận tốc di chuyển ......... 76 (thay đổi bán kính qui đổi Rdc) của cổng trục. ................................................................... 76 KẾT LUẬN CHƯƠNG III ............................................................................................................ 78 CHƯƠNG IV. NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ỨNG SUẤT ĐỘNG CỦA CÁC  THANH TRONG KẾT CẤU DÀN CHÍNH CỔNG TRỤC DẠNG DÀN LẮP ĐẶT TRÊN XÀ  MŨ TRỤ CẦU .............................................................................................................................. 81 4.1. Nghiên cứu xác định ứng suất các thanh của dàn chính trong mặt phẳng thẳng đứng  (ZOX) khi hạ dầm cáp căng kết hợp phanh hãm ............................................................... 82 4.1.1 Giả thiết tính toán ..................................................................................................... 82 4.1.2. Tải trọng tác dụng .................................................................................................... 82 4.1.3. Sơ đồ tính ................................................................................................................. 82 4.1.4. Vật liệu chế tạo ........................................................................................................ 84 4.1.5. Ứng suất ................................................................................................................... 85 4.1.6. Chuyển vị ................................................................................................................. 88 4.2.  Nghiên  cứu  xác  định  ứng  suất  các  thanh  của  dàn  chính  trong  mặt  phẳng  ngang  (YOX) dưới  tác dụng của  lực quán  tính do  trọng  lượng của bản  thân dàn chính và của  dầm khi cổng trục di chuyển ............................................................................................. 89 4.2.1. Giả thiết tính toán. ................................................................................................... 89 4.2.2. Tải trọng tác dụng .................................................................................................... 89 4.2.3. Sơ đồ tính ................................................................................................................. 90 4.3. Nghiên cứu xác định ứng suất các thanh của dàn chính trong mặt phẳng thẳng đứng  (ZOX) dưới tác dụng của lực căng cáp khi cổng trục di chuyển cùng với hàng. .............. 94 KẾT LUẬN CHƯƠNG IV ............................................................................................................ 96 CHƯƠNG V. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ ĐỘNG LỰC  HỌC CỦA CỔNG TRỤC VÀ ỨNG SUẤT ĐỘNG XUẤT HIỆN TRONG CÁC THANH CỦA  KẾT CẤU DÀN CHÍNH ............................................................................................................... 98 5.1. Mục tiêu thực nghiệm ................................................................................................. 98 5.2. Đối tượng nghiên cứu. ................................................................................................ 98 5.3. Thiết bị phục vụ đo đạc thực nghiệm. ........................................................................ 98 5.4. Sơ đồ khối khi tiến hành thí nghiệm ......................................................................... 100 5.5. Các trường hợp đo .................................................................................................... 102 5.6. Xử lý kết quả đo ....................................................................................................... 102 vi  5.6.1. Phương pháp xử lý kết quả .................................................................................... 102 5.6.2. Phương pháp thực nghiệm và số lần làm thực nghiệm ......................................... 103 5.7. Phân tích và so sánh các kết quả lý thuyết với thực nghiệm .................................... 105 5.7.1. Nâng dầm có độ chùng cáp ................................................................................... 105 5.7.2. Nâng dầm từ vị trí cáp căng................................................................................... 105 5.7.3. Nâng dầm kết hợp phanh hãm ............................................................................... 106 5.7.4. Hạ dầm. .................................................................................................................. 106 5.7.5. Hạ dầm kết hợp với phanh hãm. ............................................................................ 107 5.7.6. Di chuyển cùng với dầm ........................................................................................ 107 5.7.7. Ứng suất động trong các thanh của dàn chính ....................................................... 108 KẾT LUẬN CHƯƠNG V ........................................................................................................... 112 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ. .................................................................................................... 113 I. KẾT LUẬN .................................................................................................................. 113 II. KIẾN NGHỊ ................................................................................................................ 114 III. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO ..................................................................... 114 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐàCÔNG BỐ KẾT QUẢ ................................................. 116 NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN ÁN. ............................................................................................... 116 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................... 117 PHỤ LỤC .................................................................................................................................... 121 vii  DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DÙNG TRONG LUẬN ÁN TT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị tính 1  Lk  Khẩu độ của cổng trục  m  2  Q  Tải trọng nâng của cổng trục  Tấn  3  Vn  Vận tốc nâng  m/ph  4  Vdc  Vận tốc di chuyển  m/ph  5  Hn  Chiều cao nâng  m  6  i2  Số nhánh cáp treo cụm puly di động  nhánh  7  i1  Tỷ số truyền hộp giảm tốc của bộ máy nâng.    8  dc  Đường kính cáp  mm  9  Dtg  Đường kính tang cuốn cáp  mm  10  Ddc  Đường kính bánh xe cụm di chuyển  mm  11  Nn  Công suất động cơ nâng  Kw  12  nn  Tốc độ vòng quay của động cơ nâng  v/ph  13  Ndc  Công suất động cơ di chuyển  Kw  14  ndc  Tốc độ vòng quay của động cơ di chuyển  v/ph  15  Gd  Trọng lượng kết cấu thép dàn chính  N  16  Gq  Trọng lượng của hàng nâng  N  17  Gtoi  Trọng lượng bản thân của cụm tời nâng  N  18  qt  Tải  trọng  do  trọng  lượng  bản  thân  dàn  chính  tác dụng lên mỗi nút của dàn (mặt phẳng ZOX)  N  19  q  Tải  trọng  do  lực  quán  tính  tác  dụng  lên mỗi  nút của dàn tại mặt phẳng YOX  N  20  G  Trọng lượng toàn bộ cổng trục  Tấn  21  Ld  Chiều dài dầm bêtông  m  22  GdBT  Trọng lượng dầm bêtông  Tấn  23  m2  Khối lượng qui dẫn dầm bêtông (Super-T) + Cụm móc câu  kg  24  m3  Khối lượng qui dẫn  kết cấu thép dàn chính  kg  25  m  Tổng khối lượng (m2 + m3)  kg  viii  26  1, 4, 5, 6  Mô men quán tính quy dẫn của roto động cơ điện và khớp nối  Kg.m2  27  qd  Chuyển vị góc của tang cuốn cáp  rad  28  q1, q4,q5, q6  Chuyển vị góc của động cơ   rad  29  q2, q3  Chuyển vị thẳng của khối lượng (m2 và m3)  m  30  q7  Chuyển vị thẳng của khối lượng (m3)  m  31  q8  Góc lắc của hàng khi di chuyển  rad  32  q9  Độ dãn của cáp hàng khi treo vật trong trường hợp di chuyển  m  33  R  Bán kính qui dẫn của cơ cấu nâng  m  34  Rdc  Bán kính qui dẫn của cơ cấu di chuyển  m  35    Độ chùng của cáp     36  S1  Độ cứng của một nhánh cáp hàng  N/m  37  S2  Độ cứng qui dẫn của hệ chân cổng trục  N/m  38  S3  Độ cứng qui dẫn của kết cấu thép dàn chính  N/m  39  S4  Độ cứng qui dẫn của các nhánh cáp hàng  N/m  40  S5, S6  Độ  cứng  qui  dẫn  của  bộ  máy  di  chuyển  về  trục động cơ  Nm/rad  41  K1, K2  Hệ số dập tắt dao động của cáp hàng cụm tời nâng số 1 (bên trái) và số 2 (bên phải).  Ns/m  42  Fct  Lực căng cáp tĩnh  N  43  Fc  Lực căng cáp động    44  • • • • •1 2 3 4 5, , , ,q q q q q   Các đạo hàm tương ứng với các khối lượng chuyển động    45  • 1( )M q , • 2( )M q   Đường đặc tính ngoài của động cơ    46  T  Hàm động năng    47  U  Hàm thế năng    48    Hàm hao tán    49  Ni  Đạo  hàm  của  hàm  thế  năng  theo  các  chuyển  vị tương ứng của khối lượng chuyển động    ix  50  Di  Đạo hàm của hàm động năng  theo  các  chuyển vị tương ứng của khối lượng chuyển động    51  l  Độ giãn dài của cáp nâng hàng  m  52  1  Biến dạng của lò xo S2 do trọng lượng KCT cổng trục  m  53  2  Biến dạng của lò xo S2 do trọng lượng hàng   m  54  3  Độ dịch chuyển của khối lượng KCT (m3)  m  55    Biến dạng tổng  m  56  g  Gia tốc trọng trường  m/s2  57  Mf  Mômen phanh  N.m  58  Q1,Q2,Q3  Các lực suy rộng    59  a  Gia tốc chuyển động  m/s2  60  z  Số lượng các nút dàn trong mặt phẳng thẳng đứng (ZOX)    61  Nz  Lực kéo (nén) trong các thanh  N  62  Fi  Tiết diện mặt cắt của mỗi thanh  mm2  63    Hệ số giảm trừ ứng suất    64    Độ mảnh của thanh    65  Pg1  Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu dàn chính  N  66  Pg2  Tải trọng gió tác dụng lên hàng nâng  N  67  kđ  Hệ số lực động    68  fcv; fcp  Chuyển  vị  tính  toán  và  chuyển  vị  cho  phép  tại điểm chính giữa dàn   mm  69  l  Chiều dài của cáp nâng hàng  m  70  W  Lực cản di chuyển của cổng trục  N  71    Vận tốc góc của động cơ  rad  72  qbt  Tải trọng bản thân kết cấu phân bố đều trên KCT dàn chính  N/m  73  Mu  Mômen uốn tại điểm chính giữa của dàn chính  N.mm  74  J  Mômen quán tính quy đổi của dàn chính  mm4  75  Ftr, Fd  Diện tích tiết diện thanh biên trên, dưới  mm2  x  76  H  Chiều cao dàn chính  mm  77  a1  Hệ số  trong công thức tính mômen của động cơ nâng    78  b1  Hệ số  trong công thức tính mômen của động cơ nâng    79  a2  Hệ số  trong công thức tính mômen của động cơ di chuyển    80  b2  Hệ số  trong công thức tính mômen của động cơ di chuyển    DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Diễn giải Ghi chú PTCĐ  Phương trình chuyển động    KCT  Kết cấu thép    ĐLH  Động lực học    BTCT  Bê tông cốt thép    DANH MỤC CÁC BẢNG, BIỂU TT Tên bảng, biểu Trang 1  Bảng 1.1. Thông số kỹ thuật cổng trục  13  2  Bảng 2.1. Bảng giá trị các thông số đầu vào để giải các PTCĐ  33  3  Bảng 2.2. Bảng hệ số lực động và biên độ dao động của gia tốc  3q   59  4  Bảng 3.1. Bảng các thông số cần khảo sát.  61  5  Bảng 3.2. Giá trị lực căng cáp động khi thay đổi bán kính qui đổi R  63  6  Bảng 3.3. Giá trị biên độ gia tốc  3q , chuyển vị q3 khi thay đổi bán kính qui  đổi R  63  7  Bảng 3.4. Giá trị lực căng cáp động khi thay đổi độ cứng S3  65  8  Bảng 3.5. Giá trị biên độ gia tốc 3q , chuyển vị q3 khi thay đổi độ cứng S3  65  9  Bảng 3.6. Giá trị lực căng cáp động khi thay đổi độ cứng S1  67  10  Bảng 3.7. Giá trị biên độ gia tốc 3q , chuyển vị q3 khi thay đổi độ cứng S1  67  11  B