Kết cấu cầu dây văng đang được sử dụng khá phổ biến tại Việt Nam trong những năm gần đây. Sở dĩ cầu dây văng được sử dụng nhiều do nó có nhiều tính năng tốt như: vượt nhịp lớn, kết cấu có độ cứng lớn và độ ổn định cao… Tuy nhiên, cũng như các loại kết cấu nhịp lớn khác, kết cấu cầu dây văng rất nhạy đối với các loại tải trọng động như: gió bão, động đất… Nghiên cứu trong bài báo xây dựng một giải pháp cấu tạo gối cầu cho kết cấu cầu treo dây văng tại tại nút giao thông Ngã Ba Huế thành phố Đà Nẵng sử dụng gối con lắc ma sát đơn (gối SFP). Hiệu quả giảm chấn của hệ thống gối con lắc ma sát đơn được đánh giá dựa trên phân tích ứng xử của kết cấu cầu chịu tác dụng của tải trọng động đất.
Trang 1Hội nghị khoa học kỹ thuật
Kỷ niệm 30 năm thành lập khoa XD Cầu đường Đà Nẵng 3/9/2016
Nghiên cứu biện pháp giảm chấn cầu dây văng tại nút giao thông Ngã Ba Huế - thành phố Đà Nẵng chịu tác động của động đất Hoàng Phương Hoa 1 , Phan Hoàng Nam 2 , Thái Văn Ngãi 3 , Nguyễn Bá Ngọ 4
1,2,3,4 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng
Tóm tắt - Kết cấu cầu dây văng đang được sử dụng khá phổ biến tại Việt Nam trong những
năm gần đây Sở dĩ cầu dây văng được sử dụng nhiều do nó có nhiều tính năng tốt như: vượt nhịp lớn, kết cấu có độ cứng lớn và độ ổn định cao… Tuy nhiên, cũng như các loại kết cấu nhịp lớn khác, kết cấu cầu dây văng rất nhạy đối với các loại tải trọng động như: gió bão, động đất… Nghiên cứu trong bài báo xây dựng một giải pháp cấu tạo gối cầu cho kết cấu cầu treo dây văng tại tại nút giao thông Ngã Ba Huế - thành phố Đà Nẵng sử dụng gối con lắc ma sát đơn (gối SFP) Hiệu quả giảm chấn của hệ thống gối con lắc ma sát đơn được đánh giá dựa trên phân tích ứng xử của kết cấu cầu chịu tác dụng của tải trọng động đất
Từ khóa: Cầu dây văng, giảm chấn, cách ly kết cấu, động đất, gối con lắc ma sát.
1 Giới thiệu
Động đất có thể xem như là thảm họa lớn nhất của thiên nhiên đến tính mạng con người và nền kinh tế thế giới Từ 1900 đến nay có trên 100 trận động đất có số người chết trên 1000 và 32 trận động đất có số người chết trên 10.000 người, và đã làm hư hỏng nhiều công trình xây dựng nhà cửa, cầu cống
Gần đây nhất, trận động đất rạng sáng ngày 16/4/2016 độ rung cấp 6, quy mô tâm chấn mạnh M7.3, mà tiền chấn là trận động đất ngày 14/4/2016 Hai trận động đất đã làm chết ít nhất 42 người, khoảng 3.000 người bị thương Gây thiệt hại nghiêm trọng đến cơ
sở hạ tầng Kumamoto
Hình 1: Sụp đổ công trình ở Nhật do trận động đất 1995
Ở Việt Nam cũng đã từng có 2 trận động đất lớn là trận động đất ở Điện Biên Phủ (năm 1935) 6,75 độ Richter và trận động đất Tuần Giáo (năm 1983) 6,8 độ Richter
Hiện nay có khá nhiều công trình cầu dây văng nhịp lớn đã và đang xây dựng như: cầu Nhật Tân, cầu Rạch Miễu, cầu Trần Thị Lý, cầu Nhật Lệ 2, vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất lên công trình cầu là cần thiết để phục vụ mục đích kinh tế xã hội Qua đó sẽ có những biện pháp hạn chế tác động của động đất lên các công trình cầu nói chung và cầu dây văng nói riêng
Trang 2sin cos
W
b
T
W
b
K = R
sin u;F f F n
R
Bài báo sẽ tập trung trình bày những vấn đề sau: giới thiệu về gối con lắc ma sát đơn – SFP; lựa chọn kích thước gối phù hợp, đánh giá hiệu quả của gối SFP khi sử dụng cho công trình cầu nút giao thông Ngã Ba Huế - thành phố Đà Nẵng trên cơ sở mô hình hóa bằng phần mềm Midas/Civil 2011
2 Gối đơn (SFP, Single friction pendulum)
2.1 Nguyên lý làm việc của gối SFP [1][2]
SFP làm từ vật liệu thép chống rỉ bao gồm các thành phần: mặt lõm trên và dưới, một khớp trượt Khi kết cấu cầu chuyển động, gối bố trí liên kết dầm và trụ sẽ trượt lên mặt lõm Xem hình 2
Hình 2: Gối trượt SFP 2.2 Quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang trong gối SFP [2][3]
Hình 3: Chuyển vị ngang của gối SFP
Phương trình cân bằng lực theo phương ngang và đứng:
(1)
Trong đó:
Gần đúng, sinµ θ =0 và cosθ =1
(2) Đây là phương trình quan hệ giữa lực và chuyển vị ngang trong gối (phương trình chuyển động của gối)
Chu kỳ tự nhiên của SFP được xác định phụ thuộc vào bán kính mặt lõm R như sau:
(3)
Trong đó: g là gia tốc trọng trường Độ cứng chuyển vị ngang K của gối SFP xác b
định phụ thuộc vào trọng lượng kết cấu W được biểu diễn bằng công thức:
(4)
Trang 3k s
c s m 2
a g
k 1
µe de
u 2
u 1
m 1
max
SF f
P ef
k
= +
4
D
[ ]M u t&&( )+[ ]C u t&( )+[ ]K u( )t = p t( )
1
( ) ( ) ( )
p
i i i
u t ψ z t ψz t
=
1 i p T
ψ = ψ ψ ψ
Hình 4: Đường ứng xử trễ trong gối SFP
Khi gối có chuyển vị lớn nhất D, lực truyền vào gối F, hệ số ma sát của gối µ, độ
cứng hữu hiệu của gối được tính như sau:
(5)
Thành phần năng lượng tiêu tán E D trong một chu kỳ trượt của gối:
(6) Trong đó: D là biên độ (khoảng cách từ vị trí trung tâm đến chuyển vị ngang lớn
nhất)
3 Mô hình tính toán có gắn gối SFP [4]
Hình 5: Mô hình tính toán kết cấu gắn gối SFP
Phương trình chuyển động khi chịu động đất (a&&g) được viết như sau:
(7)
Trong đó: và
4 Phương pháp tính toán [5]
Sử dụng phương pháp phân tích vecto Ritz cho hệ nhiều bậc tự do, và chương trình Midas/Civil cho phân tích tính toán
(8) (9)
(10) Trong đó: [M] là ma trận khối lượng; [C] là ma trận cản; [K] là ma trận độ cứng;
p(t) là vectơ tải trọng động theo thời gian; u(t), ( ) u t& và ü(t) lần lượt là vectơ chuyển vị, vectơ vận tốc và vectơ gia tốc tương ứng cho từng khối lượng, zi(t) tọa độ suy rộng thứ i, z(t) vectơ tọa độ suy rộng, ψ i vecto Ritz thứ i, ψ ma trận vectơ Ritz.
5 Bài toán thực tế [5][6][7][8]
2 2 2 1 2 1 2
&& & & &&
&& & & &&
F =k u −d sign u H u −d F f = µse WZ
Trang 4Gố i 1 và 2
Gố i 3 và 4 Gố i 5 và 6
Nút số 179 Nút số 9
và thanh số 8 x=20.4m
Ngàm
Kết cấu cầu gồm 2 nhịp liín tục 90m+90m=180m, vật liệu dầm vă trụ cầu có mô đun đăn hồi lần lượt lă: 200000MPa vă 24000MPa Dầm dọc chủ chịu tải trọng bản mặt cầu vă câc tiện ích 9.8 kN/m Trín mỗi trụ vă thâp bố trí hai gối con lắc ma sât có thuộc tính như sau: Độ cứng hữu hiệu phương đứng: 66446kN/m vă 199094kN/m; Độ cứng hữu hiệu phương ngang: 5422kN/m vă 16244 kN/m; Hệ số ma sât nhỏ nhất: 0.04; Hệ số
ma sât lớn nhất với tốc độ chuyển vị gối: 0.047; Bân kính lõm của gối: 0,15m vă bân kín
hòn bi 0.2m; Chuyển vị cho phĩp: D SFP = 0.35m; Vă câc độ cứng chống xoay của gối nhỏ nín lấy bằng 0
Hình 6: Sơ đồ cầu dđy văng nút giao thông Ngê Ba Huế
Giả sử cầu dđy văng nút giao thông ngê ba Huế chịu tâc động trận động đất EL centro 1940 Ta có gia tốc đất nền của trận động đất như sau:
Hình 7: Phổ gia tốc động đất El centro 1940 (a) theo phương ngang cầu
(b) theo phương dọc cầu, đơn vị phổ (g =9.81m/s 2 )
5.1 Ứng xử trễ của gối
Kết quả phđn tích thể hiện ứng xử của gối với độ lớn lực vă chuyển vị lớn nhất Từ chuyển vị lớn nhất của mỗi gối mă ta chọn kích thước gối phù hợp Xem hình 8
Hình 8:Ứng xử trễ gối số 1 vă 5 theo phương dọc cầu
Bảng 1: Lực cắt lớn nhất vă chuyển vị lớn nhất của gối SFP
Vị trí gối 1 vă 2 3 vă 4 5 vă 6
Trang 55.1 Hiệu quả của gối SFP so với gối thường
Momen tại thanh số 8 (cách đầu dầm trái 20.4m) khi bố trí gối SFP giảm hơn so với khi sử dụng gối chậu Xem hình 9
Hình 9: Momen tại thanh số 8 với momen uốn (giảm 39.8%) và momen xoắn (giảm 85.4%)
Đối với lực cắt đầu dầm khi bố trí gối SFP giảm hơn so với khi sử dụng gối chậu Xem hình 10
Hình 10: Lực cắt đầu dầm phương đứng (giảm 39.8%) và phương ngang (giảm 85.4%)
Như vậy, kết cấu có hệ cách chấn sẽ có độ mềm hơn, có nghĩa là dầm sẽ phản ứng với nội lực phát sinh nhỏ hơn
Vận tốc và gia tốc tại nút số 9 (dầm) và tại nút số 179 (đỉnh trụ) khi bố trí gối SFP đều giảm và chu kỳ dao động cũng được kéo dài hơn Giảm được sự va đập giữa phần trên và phần dưới của gối, đồng thời cũng tránh được sự cộng hưởng của gia tốc, vận tốc của đất nền với kết cấu bên trên Nên đảm bảo sự ổn định của kết cấu công trình cầu Xem hình 11
Hình 11: Gia tốc nút số 9 (dầm, giảm 45.8%) và nút 179 (đỉnh tháp, giảm 50.4%)
Chuyển vị ngang tại các gối lớn hơn rất nhiều so với gối thường, nhưng chuyển vị tương đối của các tiết diện dầm thì lại rất nhỏ, số chu kỳ dao động ít hơn (thời gian cho một chu kỳ lớn hơn) Đây là ý nghĩa lớn của việc bố trí hệ cách chấn con lắc ma sát Xem hình 12
Trang 6Hình 12:Chuyển vị ngang của gối số 1 (tăng 7.8 lần) và gối số 5 (tăng 35 lần)
6 Kết luận
Ứng xử của gối con lắc ma sát và kết cấu cầu được phân tích ứng xử chuyển vị, nội lực theo thời gian để tìm được sự làm việc thích hợp
Kết cấu có hệ cách chấn sẽ có độ mềm hơn, có nghĩa là dầm sẽ phản ứng với nội lực phát sinh nhỏ hơn, chuyển vị tương đối giữa các tiết diện của dầm nhỏ, số chu kỳ dao động ít hơn (thời gian cho một chu kỳ lớn hơn) Đây là ý nghĩa lớn của việc bố trí hệ cách chấn con lắc ma sát
Với việc bố trí hệ cách chấn con lắc ma sát thì việc thiết kế kết cấu ở trạng thái giới hạn đặc biệt với các tổ hợp có sự tham gia của tải trọng động đất đem lại lợi ích kinh tế khi thiết kế trụ và dầm khi nội lực phát sinh nhỏ, đây chính là hiệu quả của hệ cách chấn SFP mang lại
Tài liệu tham khảo
sát một mặt trượt cho nhà nhiều tầng chịu động đất Tạp chí Xây dưng (Bộ Xây dựng), ISSN
0866-0762 Số: 3-2016 Trang: 106-109.
cho nhà cao tầng chịu động đất có xét đến thành phần kích động đứng Tạp chí Xây dưng (Bộ Xây dựng), ISSN 0866-0762 Số: 3-2016 Trang: 34-36
kết cấu cách chấn bằng gối SFP Tạp chí Xây dưng (Bộ Xây dựng), ISSN 0866-0762 Số: 3-2016 Trang: 102-105.
sát trong kết cấu chịu động đất: Gối SFP Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Tại Đại học Đà Nẵng năm 2015 Số: ISBN 978-604-84-1273-9 Trang: 479-486.
lắc ma sát cho cầu dầm liên tục chịu tải trọng động đất Tuyển tập công trình Hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc Kỷ niệm 35 thành lập Viện Cơ học Nhà xuất bản Khoa học tự nhiên và Công nghệ-6/2014 Tập 1 Cơ học máy-Cơ học thủy khí-Động lực học và Điều khiển Số: ISBN: 978-604-913-233-9 Trang: 155-160.
[6] Lê Xuân Tùng (2012) Thiết kế một số dạng gối cách chấn trong công trình chịu động đất Luận án tiến sĩ kỹ thuật, Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng.
[7] Ngô Đăng Quang, “Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với Midas/Civil, Tập 1 và 2”, Nhà xuất bản xây dựng 2012.
[8] Analysis for Civil Structures (Midas/Civil).
