cầu vòng xuyến chịu động đất

Hiện nay, nút giao thông khác mức là một trong những giải pháp hữu hiệu để giải quyết vấn đề giao thông, đặc biệt tại khu vực cửa ngõ của các thành phố lớn như: Đà Nẵng, Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh…Kết cấu vòng xuyến bê tông cốt thép ứng suất trước tại nút giao thông Ngã Ba Huế thành phố Đà Nẵng đã được xây dựng và đưa vào sử dụng từ tháng 3 năm 2015. Đối với loại kết cấu này, khi động đất xảy ra nó sẽ chịu ảnh hưởng rất lớn nếu không áp dụng một biện pháp giảm chấn nào. Bài báo sẽ trình bày cách tính toán hiệu quả giảm chấn công trình vòng xuyến nút giao thông Ngã Ba Huế chịu động đất khi cấu tạo hệ gối con lắc ma sát thay thế hệ thống gối hiện nay đang dùng cho công trình này. Kết quả tính toán cho thấy việc áp dụng hệ thông gối mới sẽ giúp cho công trình chống chịu tốt hơn với ảnh hưởng của tải trọng do động đất gây ra.

Hội 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 kết cấu vòng xuyến 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 , Đặng Xuân Bình 3 , Nguyễn Văn Duẫn 4

1,2,3,4 Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Tóm tắt - Hiện nay, nút giao thông khác mức là một trong những giải pháp hữu hiệu để giải

quyết vấn đề giao thông, đặc biệt tại khu vực cửa ngõ của các thành phố lớn như: Đà Nẵng,

Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh…Kết cấu vòng xuyến bê tông cốt thép ứng suất trước tại nút giao thông Ngã Ba Huế thành phố Đà Nẵng đã được xây dựng và đưa vào sử dụng từ tháng 3 năm 2015 Đối với loại kết cấu này, khi động đất xảy ra nó sẽ chịu ảnh hưởng rất lớn nếu không áp dụng một biện pháp giảm chấn nào Bài báo sẽ trình bày cách tính toán hiệu quả giảm chấn công trình vòng xuyến nút giao thông Ngã Ba Huế chịu động đất khi cấu tạo hệ gối con lắc ma sát thay thế hệ thống gối hiện nay đang dùng cho công trình này Kết quả tính toán cho thấy việc áp dụng hệ thông gối mới sẽ giúp cho công trình chống chịu tốt hơn với ảnh hưởng của tải trọng do động đất gây ra

Từ khóa: vòng xuyến, cầu cong, giảm chấn, động đất, gối cách ly dao động, hiệu quả giảm

chấn

1 Giới thiệu

Trong lịch sử tồn tại và phát triển của nhân loại luôn luôn phải đương đầu với các tại họa thiên nhiên như: lũ lụt, hạn hán, báo tố, động đất, sóng thần… Trong các loại

đó, có lẽ động đất là tai họa khủng khiếp nhất, bởi vì chỉ trong vài giây cả một thành phố có thể bị sụp đổ hoàn toàn gây ra cái chết cho hàng trăm, hàng nghìn người Điều đáng lo ngại nhất là cho đến nay khoa học và kỹ thuật đương đại vẫn chưa dự báo chính xác địa điểm, thời gian động đất xảy ra

Bảng 1: Thông tin động đất từ năm 1990 đến nay[1]

-1994

1995 -1999

2000 -2004

2005 -2009

2010

- Nay

Cường độ lớn nhất

Cường độ nhỏ nhất

Hiện nay, động đất xuất hiện ngày càng nhiều và cường độ cũng tăng dần lên (bảng 1) Tại Việt nam đã xảy ra 9 trận động đất trong 60 ngày đầu năm 2015 như hai trận động đất có độ lớn lần lượt là 3.2 và 2.4 độ richter, cùng xảy ra tại khu vực huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam

Cầu vòng xuyến nút giao thông Ngã Ba Huế - TP Đà Nẵng là một công trình quan trọng và là kết cấu dạng cong Do đó thiết kế giảm chấn cho cầu trong tương lai

là môt việc rất cần thiết

2 R

T

g

π

=

max

SF

f

P ef

k

W

n

Yz & = Au & − z γ sign z & + β &

1 max

n

A z

β γ

=  + 

Bài báo sẽ tập trung trình bày những vấn đề sau: giới thiệu về gối giảm chấn con lắc ma sát đơn (Single Friction Pendulum - SFP); lựa chọn kích thước gối phù hợp, đánh giá hiệu quả của gối SFP khi sử dụng cho công trình cầu vòng xuyến nút giao thông Ngã Ba Huế trên cơ sở mô hình hóa bằng phần mềm Midas/Civil 2011

2 Giới thiệu về gối con lắc ma sát đơn - SFP

2.1 Cấu tạo và nguyên lý làm việc

Hình 1: Cấu tạo và mô tả sự làm việc của gối SFP

SFP làm từ vật liệu thép chống rỉ bao gồm các thành phần: một mặt lõm bán kính

R, một khớp trượt Khi kết cấu cầu chuyển động dưới tác dụng của tải trọng động đất,

dầm liên kết với thớt trên cùng con lắc sẽ trượt lên mặt lõm được cấu tạo tại thớt dưới của gối (xem hình 1)

Chu kỳ tự nhiên của SFP được xác định phụ thuộc vào bán kính mặt lõm bán

kính R như sau:

(1)

trong đó: g là gia tốc trọng trường; và

R là bán kính cung trượt của gối.

Độ cứng chuyển vị ngang ban đầu k b của gối SFP xác định phụ thuộc áp lực của

kết cấu W tác dụng lên gối được biểu diễn bằng công thức:

kb = W/R (2) Khi gối có chuyển vị lớn nhất D SFP , áp lực tác dụng lên gối W, hệ số ma sát của gối µ, độ cứng hữu hiệu k eff của gối được tính như sau:

(3)

Khi gối trượt tạo ra một chuyển vị u, thành phần lực ngang F truyền vào kết cấu bằng tổng lực phục hồi F s , lực ma sát F và lực va chạm f F (xuất hiện khi gối đạt r

dịch chuyển ngang lớn nhất)

(4)

Với Z là biến trễ phụ:

(5) trong đó:

A, γ , β là các dạng không thứ nguyên điều chỉnh hình dạng của vòng trễ và n là

tham số ảnh hưởng đến độ trơn của đường cong trễ

Giá trị giới hạn của z xác định theo công thức: (6)

Sign là hàm dấu, trong công thức (5) sign uz( )& có giá trị và biểu đồ như sau:

1 0

khi uz khi uz khi uz







&

& &

&

2µ W

F

µ W

−µ W

+

−µ W

µ W Ff

u

W/R u

F s

ks

ag

k1

µe

de

u2

u1

m1





&& & & &&

&& & & &&

1 1

1 , u , u

u & &&

2 , u , u 2 2

(7)

Hình 3: Đồ thị hàm z hình a) và đồ thị hàm sign hình b)

Hình 4: Đường ứng xử trễ trong gối SFP

Thành phần năng lượng tiêu tán E D trong một chu kỳ trượt của gối xác định như sau:

ED = 4µWD (8)

trong đó: D là biên độ (khoảng cách từ vị trí trung tâm đến chuyển vị ngang lớn

nhất)

2.2 Mô hình tính toán kết cấu gắn gối SFP[3]

Hình 6: Mô hình tính toán kết cấu gắn gối SFP

Phương trình chuyển động khi chịu động đất được viết như sau:

(9)

trong đó: (10)

(11)

m1 là khối lượng của gối SFP; m 2 là khối lượng của kết cấu bê trên; k 1 là độ

cứng ban đầu của gối; µ là hệ số ma sát trượt của gối; d e là chuyển vị tương đối của

gối; k s là độ cứng của kết cấu bên trên; c s là lực cản nhớt của kết cấu bên trên; H là hàm Heaviside; k r là độ cứng lúc va chạm; lần lượt là chuyển vị, vân tốc, gia

tốc của gối; lần lượt là chuyển vị, vận tốc, gia tốc của kết cấu bên trên; và là gia tốc đất nền

2.3 Phương pháp tính toán[4]

;

f se

F =µ WZ

[ ]M u t&&( ) +[ ]C u t&( ) +[ ]K u t( ) = p t( )

( ) ( ) ( )

1

p

i i i

=

1

T

ψ = ψ Kψ Kψ 

Sử dụng phương pháp phân tích vecto Ritz cho hệ nhiều bậc tự do, và chương trình Midas/Civil cho phân tích tính toán

(12) (13) (14)

Ở đây: [ ]M là ma trận khối lượng; [ ]C là ma trận cản; [ ]K là ma trận độ cứng; p t( )

là vecto tải trọng động theo thời gian; u t( ), u t&( )và u t&&( ) lần lượt là vecto chuyển vị, vecto vận tốc và vecto gia tốc tương ứng cho từng khối lượng; z t i( )là tọa độ suy rộng thứ i;

( )

z t là vecto tạo độ suy rộng; ψi là vecto Ritz thứ i; và ψlà ma trận vecto Ritz

3 Mô hình hóa và phân tích trên Midas/Civil 2011

3.1 Mô hình hóa cầu vòng xuyến[5]

Cầu vòng xuyến có chiều dài 424.11m, bán kinh R= 67.5m và được chia thành các liên với các sơ đồ cầu liên lục gồm 4 liên: Liên 1 (30.0m+32.715m+2x30.0m) + Liên 2 (3x30.0m) + Liên 3 (2x30.0m+30.5m) + Liên 4 (30.5+3x30.0m) Khi mô hình

và phân tích nhóm tác giả chỉ mô hình Liên 1 của cầu vòng xuyến

Gối SFP được sử dụng có các thông số cơ bản sau đây: hệ số ma sát nhỏ nhất μ = 0.04; hệ số ma sát lớn nhất μ = 0.047; bán kính gối R = 1.5m; bán kính con lắc (hòn bi): r = 0.2m; D = 0.35m.

Sử dụng phương pháp lịch sử thời gian để phân tích ứng xử của kết cấu, giả sử công trình trải qua trận động đất có cường độ tương đượng trận El Centro 1940

Hình 6: Mô hình hóa trên phần mềm Midas/Civil 2011

a) b)

Hình 9: 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 )

3.2 Ứng xử trễ của gối SFP

Ứng xử trễ thể hiện chuyển vị lớn nhất và lực cắt lớn nhất của gối SFP Chuyển

vị lớn nhất là cơ sở để chọn kích thước gối cho phù hợp với công trình

Hình 10: Ứng xử trễ của gối phía ngoài a) và phía trong b) trên trụ 5 của cầu vòng xuyến

Bảng 2: Lực cắt lớn nhất và chuyển vị lớn nhất của các gối

Vị trí gối Trụ 1 Trụ 2 Trụ 3 Trụ 4 Trụ 5

Fmax (KN) 500 850 350 850 370

Dmax (cm) 9 10 7 10 13

3.3 Hiệu quả giảm chấn khi sử dụng gối SFP cho công trình cầu vòng xuyến chịu tác động của động đất

a Đánh giá hiệu quả đối với gia tốc, vận tốc và chuyển vị của dầm

a) b)

Hình 11: Gia tốc hình a) và vận tốc hình b) của dầm tại vị trí giữa nhịp 4 khi sử dụng gối

SFP, khi sử dụng gối chậu và gia tốc của đất nền

Độ lớn gia tốc và vận tốc của dầm khi sử dụng gối SFP lần lượt giảm 3.7 lần và 2.45 lần so với khi sử dụng các liên hết gối hiện tại

Biên độ giao động và chu kỳ dao động khi sử dụng gối SFP đều lớn hơn khi sử dụng các liên kết gối hiện tại, nhưng độ lớn lại thay đổi chậm Hình 12a Vì thế kết cấu trở nên mềm hơn và nội lực sinh ra do tải trọng động đất giảm đi đáng kể Hình 12b

a) b)

Hình 12: a) Chuyển vị của dầm tại vị trí giữa nhịp 4 khi sử dụng gối SFP, khi sử dụng các

liên kết gối hiện tại; b) Momen uốn My của dầm tại vị trí giữa nhịp 2

b) a)

b Đánh giá hiệu quả về nội lực của dầm khi chịu tác động động đất

Momen uốn My của dầm khi sử dụng gối SFP tại vị trí giữa nhịp 1, 2, 3 và 4 lần lượt giảm 19.12 lần, 9.53 lần, 14.07 lần và 9.37 lần (bảng 3)

Bảng 3: Momen giữa nhịp của dầm (KN.m)

Vị trí Giữa nhịp 1 Giữa nhịp 2 Giữa nhịp 3 Giữa nhịp 4

Sử dụng gối chậu 288.41 332.92 631.22 479.27

Momen uốn My của dầm khi sử dụng gối SFP tại vị trí trên trụ 2,3 và 4 lần lượt giảm 10.74 lần , 14.07 lần và 11.11 lần (bảng 4)

Bảng 4: Momen của giầm tại các vị trí trên trụ (KN.m)

Lực cắt Fz, Momen xoắn Mz của dầm khi sử dụng gối SFP lần lượt giảm 8.37 lần và 14 lần

4 Kết luận

Hiện nay có 3 loại gối con lắc ma sát là SFP, DFP, TFP Đối với công trình cầu

số lượng gối ít và áp lực tác dụng vào một gối là tương đối lớn nên lực chọn gối SFP

sẽ ổn định hơn 2 gối SFP và TFP

Hiệu quả giảm chấn mà gối trượt con lắc ma sát đơn – SFP mang lại cho công trình rất lớn Điều đó thể hiện ở sự thay đổi ứng xử của kết cấu khi gia tốc, vận tốc được giảm đi đáng kể; nội lực của kết cấu vì thế cũng giảm theo Bài báo cũng đã nêu

ra cơ sở để chọn kích thước phù hợp của gối SFP cho kết cấu cầu vòng xuyến tại nút giao thông Ngã Ba Huế

Tóm lại, Biện pháp giảm chấn hiệu quả nhất cho cấu cầu vòng xuyến tại nút giao thông Ngã Ba Huế - thành phố Đà Nẵng trong tương lai là sử dụng gối con lắc ma sát đơn – SFP

Tài liệu tham khảo

[1] Earthquake.usgs.gov.

[2] Hoàng Phương Hoa, Nguyễn Văn Nam, Phạm Duy Hòa (2016) Thiết kế tối ưu kích thước gối ma 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.

[3] Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa, Phạm Duy Hòa (2016) Hiệu quả của gối cách chấn SFP 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.

[4] Trần Quốc Khánh, Nguyễn Văn Nam, Hoàng Phương Hoa (2014) Hiệu quả cách chấn của gối con lắc ma sát cho cầu dầm liên tục chịu tải trọng động đất , hội nghị Cơ học kỹ thuật toàn quốc 09/4/2014

[5] 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.