BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Lê Hoàng Anh

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH
CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
SÓNG BIỂN VÀ GIÓ THEO MÔ HÌNH BÀI TOÁN KHÔNG GIAN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ QUỐC PHÒNG

HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Lê Hoàng Anh

PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC KẾT CẤU CÔNG TRÌNH BIỂN HỆ THANH
CỐ ĐỊNH TRÊN NỀN SAN HÔ CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG
SÓNG BIỂN VÀ GIÓ THEO MÔ HÌNH BÀI TOÁN KHÔNG GIAN

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 62.52.01.01

Tác giả trân trọng cảm ơn tập thể Bộ môn Cơ học vật rắn, Khoa
Cơ khí, Phòng Sau đại học - Học viện Kỹ thuật quân sự và Trờng
Đại học Công nghệ giao thông vận tải đã tạo mọi điều kiện thuận lợi
cho tác giả trong quá trình nghiên cứu. Tác giả xin trân trọng cảm ơn
GS.TS.NGND Hoàng Xuân Lợng - Học viện Kỹ thuật quân sự,
GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm - Viện Cơ học đã cung cấp cho tác giả
nhiều tài liệu quý hiếm, các kiến thức khoa học hiện đại và nhiều lời
khuyên bổ ích, có giá trị.
Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn đối với những ngời
thân trong gia đình đã thông cảm, động viên và chia sẻ những khó
khăn với tác giả trong suốt thời gian làm luận án.
Tác giả


iii
MỤC LỤC
Lời cam đoan ............................................................................................................... i
Mục lục……............................................................................................................... ii
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ..................................................................... vi
Danh mục các bảng ................................................................................................... ix
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................... xi
MỞ ĐẦU….. ...................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.............................................6
1.1. Sơ lược về san hô và nền san hô ..........................................................................6
1.2. Công trình biển và tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển.....................7
1.2.1. Tổng quan về công trình biển ...........................................................................7
1.2.2. Tổng quan về tải trọng tác dụng lên công trình biển ......................................11
1.2.2.1. Tải trọng sóng biển.......................................................................................12
1.2.2.2. Tải trọng gió .................................................................................................13
1.3. Tổng quan về tính toán công trình biển .............................................................15

2.4.2. Phương trình mô tả dao động của hệ...............................................................48
2.4.3. Điều kiện biên .................................................................................................50
2.5. Thuật toán PTHH phân tích động lực học của hệ kết cấu công trình biển
và nền san hô .............................................................................................................50
2.6. Chương trình tính và kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính ........................56
2.6.1. Chương trình tính ............................................................................................56
2.6.2. Kiểm tra độ tin cậy của chương trình ..............................................................56
2.6. Kết luận chương 2 ..............................................................................................59
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN
PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG
CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ …… ................................................................60
3.1. Đặt vấn đề ..........................................................................................................60
3.2. Bài toán xuất phát...............................................................................................60
3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến phản ứng động của hệ ...................67
3.3.1. Ảnh hưởng của mô hình tính...........................................................................67


v
3.3.2. Ảnh hưởng của dạng kết cấu ...........................................................................71
3.3.3. Ảnh hưởng của vật liệu kết cấu .......................................................................74
3.3.3.1. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc chính ..................................................74
3.3.3.2. Ảnh hưởng của mô đun đàn hồi cọc phụ .....................................................78
3.3.4. Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc chính ..................................................81
3.3.5. Ảnh hưởng của đường kính ngoài cọc phụ .....................................................85
3.3.6. Ảnh hưởng của lớp nền san hô ........................................................................88
3.3.7. Ảnh hưởng của tải trọng..................................................................................91
3.3.7.1. Ảnh hưởng của giản đồ vận tốc gió .............................................................91
3.3.7.2. Ảnh hưởng của phương tải trọng gió ...........................................................95
3.3.7.3. Ảnh hưởng của chiều cao sóng biển ............................................................99
3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................102

vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
1. Danh mục các ký hiệu
1.1. Các ký hiệu bằng chữ La tinh
ax, ay, az

Gia tốc hạt nước theo các phương x, y, z,

[B], [Bi ]

Ma trận đạo hàm, ma trận nội suy của phần tử,

[B]e, [B]se

Ma trận quan hệ biến dạng – chuyển vị của phần tử, PTTX

CD, C1, Cp

Hệ số lực cản, hệ số lực quán tính, hệ số áp lực gió,

Cw, cx, cy

Tốc độ truyền sóng và các cosin chỉ phương

[C], [C]e,

Ma trận cản, ma trận cản phần tử,

C t +∆t 


Mômen quán tính trục của mặt cắt ngang phần tử thanh,

knz, kres

Độ cứng pháp tuyến theo phương z, chống trượt tới hạn

ksx, ksy

Độ cứng tiếp tuyến theo phương x và phương y,

k η, k ξ

Độ cứng pháp tuyến, tiếp tuyến của PTTX,

[K], [K]e

Ma trận độ cứng tổng thể, phần tử

[Kb]e, [Ks]e Ma trận độ cứng của phần tử thanh, PTTX
[K*]

Ma trận độ cứng hiệu quả,

kw, Tw, Hw, Lw, Số sóng, chu kỳ sóng, chiều cao sóng, chiều dài bước sóng,
lx, mx, nx, ly, my, ny, lz, mz, nz

Cosin chỉ phương của trục x, y, z


viii

tch, tph

Chiều dày thành ống cọc chính, cọc phụ

[T]e

Ma trận chuyển hệ trục tọa độ,

Uwin(t)

Hàm vận tốc gió theo thời gian,

Ux, U x , U x Đáp ứng chuyển vị ngang, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn,

Vx, Vy, Vz Chuyển vị của hạt nước theo các phương x, y, z,
1.2. Các ký hiệu bằng chữ Hy Lạp
α, δ

Các tham số trong tích phân Newmark,

αr, βr

Các hằng số cản Rayleigh,

β:

Góc nghiên của cọc chính,

∆σ, ∆εz



ωw, ωi , ω j Tần số sóng, các tần số dao động riêng
ξ

Tọa độ cục bộ không thứ nguyên (ξ ∈ [-1,1] và ξ = 2x/l),

ξI, ξj

Các tỷ số cản,

λ

Hệ số hiệu chỉnh cắt,

ηw

Độ cao mặt sóng biển so với mực nước tĩnh,

{ε}, {εse}

Véctơ biến dạng phần tử, PTTX

ε x , γ zx , γ xy Biến dạng tại một điểm thuộc phần tử
εD, εF

Độ chính xác yêu cầu theo chuyển vị, theo lực

τgh

Ứng suất trượt giới hạn,


PTTX

Phần tử tiếp xúc,

3D_FRAME_CORAL_2014: Chương trình phân tích kết cấu công trình hệ
thanh, chịu tác dụng đồng thời của tải trọng sóng biển và gió theo mô hình
bài toán không gian.


x
DANH MỤC CÁC BẢNG
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................. 6
CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ
ĐỊNH CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ .…… ..... 25
Bảng 2.1. Đặc trưng vật liệu của phần tử tiếp xúc (vật liệu đẳng hướng) .. 40
Bảng 2.2. Thông số cơ bản của kết cấu ..................................................... 56
Bảng 2.3. Kết quả so sánh 4 tần số riêng đầu tiên ...................................... 58
Bảng 2.4. So sánh giá trị lớn nhất của các đại lượng tính .......................... 58
CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ
ĐẾN PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU
TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ ..................................... 60
Bảng 3.1. Đặc trưng vật liệu các lớp nền san hô ........................................ 61
Bảng 3.2. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và mô
men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ ............................................. 66
Bảng 3.3. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và mô
men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, cọc phụ (mô hình TT và KTT) ........ 70
Bảng 3.4. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, vận tốc, gia tốc tại đỉnh giàn và
mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ tương ứng các dạng mô hình ..... 74
max

tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo đường kính ngoài Dph của cọc phụ ............. 85
max
max
max
Bảng 3.9. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo Ef2 ................................................................ 88
max
max
max
Bảng 3.10. Biến thiên giá trị U max
tại đỉnh giàn và M y tại
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ khi thay đổi giản đồ vận tốc gió ......................... 94
Bảng 3.11. Giá trị lớn nhất về chuyển vị, gia tốc chuyển vị tại đỉnh giàn và
mô men uốn tại chân cọc chính, cọc phụ (mô hình tương tác) ....................... 98
max
max
max
tại đỉnh giàn và M y tại
Bảng 3.12. Biến thiên giá trị U max
x , Ux , Ux

chân cọc chính, cọc phụ theo chiều cao sóng Hw .................................... 102

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN
PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA CÔNG TRÌNH BIỂN CỐ ĐỊNH CHỊU TÁC
DỤNG CỦA TẢI TRỌNG SÓNG VÀ GIÓ .............................................. 60
Hình 3.1. Hình chiếu đứng của mô hình bài toán khảo sát ......................... 61
(1)

(1)

Hình 3.2. Giản đồ vận tốc gió U win ( t ) với U max = 46,35m / s ................... 62


xiii
Hình 3.3. Mô hình PTHH của bài toán ...................................................... 63
Hình 3.4. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian.......... 64
Hình 3.5. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời gian.... 65
Hình 3.6. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời gian..... 65
Hình 3.7. Đáp ứng mô men uốn tại mặt cắt chân cọc chính, chân cọc phụ
theo thời gian ............................................................................................................. 66
Hình 3.8. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian (mô
hình tương tác và mô hình không tương tác) .............................................. 67
Hình 3.9. Đáp ứng vận tốc U x tại đỉnh giàn theo thời gian (mô hình tương
tác và mô hình không tương tác)................................................................. 68
Hình 3.10. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo thời
gian (mô hình tương tác và mô hình không tương tác) .............................. 68
Hình 3.11. Đáp ứng mô men uốn My tại mặt cắt chân cọc chính theo thời
gian (mô hình tương tác và mô hình không tương tác) .............................. 69
Hình 3.12. Đáp ứng mô men uốn My tại mặt cắt chân cọc phụ theo thời
gian (mô hình tương tác và mô hình không tương tác) .............................. 69
Hình 3.13. Đáp ứng chuyển vị ngang Ux tại đỉnh giàn theo thời gian tương



đàn hồi Ech của của vật liệu cọc chính ....................................................... 77
Hình 3.23. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và mô đun đàn hồi
x
Eph của của vật liệu cọc phụ ....................................................................... 79
Hình 3.24. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và mô đun
x

đàn hồi Eph của của vật liệu cọc phụ ........................................................ 79
Hình 3.25. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và mô đun

đàn hồi Eph của của vật liệu cọc phụ ........................................................... 80
Hình 3.26. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc chính và mô đun
y

đàn hồi Eph của của vật liệu cọc phụ .......................................................... 80
Hình 3.27. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ và mô đun đàn
y
hồi Eph của của vật liệu cọc phụ ................................................................. 81
Hình 3.28. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và đường kính
x
ngoài Dch của cọc chính ............................................................................... 82


xv

y
ngoài Dph của cọc phụ ................................................................................. 87
Hình 3.38. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và Ef2 ............... 89
x
Hình 3.39. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn và Ef2 .. 89
x
Hình 3.40. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn và Ef2 ....... 90
Hình 3.41. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc chính và Ef2 ...... 91
y
Hình 3.42. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc phụ và Ef2 ......... 92
y


xvi
Hình 3.43. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo giản đồ vận
x
tốc gió............ .............................................................................................. 92
Hình 3.44. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo giản
x

đồ vận tốc gió .............................................................................................. 92
Hình 3.45. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo giản đồ
vận tốc gió ................................................................................................. 93
Hình 3.46. Đáp ứng mô men M max

Hình 3.54. Đáp ứng chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo chiều cao
x
sóng Hw

................................................................................................ 99

Hình 3.55. Đáp ứng vận tốc chuyển vị ngang U max
tại đỉnh giàn theo chiều
x
cao sóng Hw ............................................................................................... 100
Hình 3.56. Đáp ứng gia tốc chuyển vị ngang U x tại đỉnh giàn theo chiều
cao sóng Hw ............................................................................................... 100
Hình 3.57. Đáp ứng mô men M max
tại mặt cắt chân cọc chính theo chiều
y
cao sóng Hw ............................................................................................... 101
tại mặt cắt chân cọc phụ theo chiều cao
Hình 3.58. Đáp ứng mô men M max
y
sóng Hw

.............................................................................................. 101

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG ĐỘNG CỦA KẾT CẤU HỆ
THANH MÔ PHỎNG CÔNG TRÌNH BIỂN BẰNG THỰC NGHIỆM . 104
Hình 4.1. Mô hình thí nghiệm tại bể tạo sóng . ........................................ 105
Hình 4.2. Mô hình thí nghiệm tại bãi cạn đảo Song Tử Tây .................... 106
Hình 4.3. Cảm biến gia tốc ....................................................................... 107
Hình 4.4. Hệ thống đo động LMS và màn hình làm việc của máy . ........ 109

đảoTrường Sa, Hoàng Sa và rất nhiều các đảo lớn, nhỏ cùng các bãi cạn san
hô đã xây dựng nhiều công trình phòng thủ khẳng định và bảo vệ chủ quyền
biển nước ta. Ngày nay, với sự tranh chấp chủ quyền, đặc biệt chủ quyền
biển đảo đang là vấn đề hết sức phức tạp đòi hỏi chúng ta phải có những giải
pháp xây dựng, gia cố các công trình trong vùng lãnh hải của mình, trong đó
công trình móng cọc hệ thanh như nhà giàn DKI, giàn khoan dầu khí là các
công trình điển hình. Nhận thức rõ tầm quan trọng này, Đảng và Nhà nước
ta đã có những quyết sách đúng đắn nhằm xây dựng các đảo thuộc quần đảo
Trường Sa và vùng thềm lục địa trở thành những căn cứ quân sự, kinh tế
vững chắc, có đủ khả năng đáp ứng tốt nhiệm vụ kinh tế, chính trị trước mắt
và lâu dài.
Với đặc điểm môi trường biển, đặc thù vùng biển và thêm lục địa Việt
Nam, công trình biển cố định dạng móng cọc được dùng rộng rãi và phát
huy khá tốt tính năng của chúng, góp phần giữ vững an ninh quốc phòng và
góp phần phát triển kinh tế biển, đây là một hệ cơ học khá phức tạp, gồm
kết cấu đàn hồi đặt trong môi trường nước biển, có sự tương tác với nền
san hô, chịu tác dụng của sóng, gió, dòng chảy và các tác động khác của
môi trường. Điểm lại các công trình hệ thanh trên nền san hô hiện nay,
trong đó phải kể đến các công trình DKI, có thể khẳng định sự phát triển
vượt bậc về kỹ thuật thiết kế, thi công với các loại công trình dạng này.
Tuy nhiên do nhiều yếu tố phức tạp, như tính chất cơ lý của vật liệu nền


2
san hô, tính chất của tải trọng tác dụng, các phương pháp tính chưa phù
hợp với điều kiện làm việc thực tế của công trình, trong đó có thể kể đến sự
chưa phù hợp về mô hình, điều kiện tải trọng tính và các nghiên cứu thực
nghiệm mô phỏng trạng thái làm việc của các công trình này còn hạn chế,
dẫn đến khó khẳng định sự phù hợp của phương pháp tính toán, thiết kế.
Cho nên qua quá trình sử dụng, một số công trình đã bộc lộ những nhược

động của các hệ kết cấu – nền, đồng thời so sánh đối chiếu với kết quả
nghiên cứu lý thuyết, làm cơ sở đánh giá mức độ phù hợp của phương pháp
nghiên cứu.

Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của luận án:
Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu công trình biển cố định hệ thanh
không gian, cố định trên nền san hô (mô tả các công trình nhà giàn DKI)
chịu tải trọng sóng biển và gió gây ra.
Phạm vi nghiên cứu:
- Về kết cấu: Công trình biển cố định hệ thanh không gian, định hướng
ứng dụng cho các công trình như: nhà giàn DKI, công trình biển cố định
ngoài khơi.
- Về nền: Nền san hô khu vực quần đảo Trường Sa.
- Về tải trọng: Tải trọng sóng biển được xác định theo lý thuyết sóng
Airy, lý thuyết sóng Stoke và tải trọng gió là hàm của thời gian.

Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu bằng lý thuyết trên cơ sở phương pháp PTHH, lập trình tính
toán trong môi trường Matlab và nghiên cứu thực nghiệm kết cấu công trình
biển bằng mô hình ngoài thực địa và mô hình trong bể tạo sóng.


4
Cấu trúc của luận án:
Luận án gồm phần mở đầu, bốn chương, phần kết luận chung, tài liệu
tham khảo, với 128 trang thuyết minh, trong đó có 19 bảng, 97 hình vẽ, đồ
thị, 80 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục.
Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của đề tài luận án và bố cục luận án.
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Trình bày tổng quan về nền san hô, tải trọng tác dụng lên công trình

sự phù hợp của phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Nội dung được phản
ánh trong các công trình [7], [8] của tác giả.
Kết luận chung:
Trình bày các kết quả chính, những đóng góp mới của luận án và các
kiến nghị nội dung cần tiếp tục nghiên cứu.
Tài liệu tham khảo
Phụ lục