thuyết minh đồ án tốt nghiệp cầu dây văng nút giao thông ngã ba huế chịu tải trọng động đất

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 1

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 38

MỞ ĐẦU 39

1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 39 Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý và không gây ra thiệt hại Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng và gây tử vong bằng nhiều cách Động đất có thể gây ra đất lở, đất nứt, sóng thần, nước triều giả, đê vỡ, và hỏa hoạn Tuy nhiên, trong hầu hết các trận động đất, sự chuyển động của mặt đất gây ra nhiều thiệt hại nhất Trong rất nhiều trường hợp, có rất nhiều trận động đất nhỏ hơn xảy ra trước hay sau lần động đất chính; những trận này được gọi là dư chấn Năng lực của động đất được trải dài trong một diện tích lớn, và trong các trận động đất lớn có thể trải hết toàn cầu Các nhà khoa học thường có thể định được điểm mà các sóng địa chấn được bắt đầu Điểm này được gọi

là chấn tiêu Hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn tâm 39 Nhiều trận động đất, đặc biệt là những trận xảy ra dưới đáy biển, có thể gây ra sóng thần, hoặc có thể vì đáy biển bị biến dạng hay vì đất lở dưới đáy biển 39 Việt Nam từng ghi nhận 2 trận động đất rất lớn là động đất Điện Biên (năm 1935) 6,75 độ Richter Trận thứ hai là động đất Tuần Giáo (năm 1983), với cường độ 6,8 độ Richter Vùng ngoài khơi Nam Trung Bộ, năm 1923 cũng có 1 trận động đất 6,1 độ Richter, đi cùng hiện tượng phun trào núi lửa Hòn Choi 39 Các trận động đất lớn xảy ra một cách ngẫu nhiên, khó dự đoán và dường như chẳng liên quan đến nhau Và sự thật là khi các trận động đất xảy ra thì con người hoàn toàn chẳng thể làm gì để ngăn chặn được chúng Sức mạnh của các trận động đất cũng kinh khủng và đáng

sợ hơn bất kỳ thứ gì mà con người có thể khuất phục được Vì thế, không phải là ngoa khi nói rằng động đất là một trong những hiện tượng tự nhiên nguy hiểm nhất đối với loài người 39 Trên thế giới, đặc biệt là Nhật Bản được xem là cái nôi của động đất Các trận động đất thường xuyên xảy ra ở Nhật Bản vì đây là một trong những khu vực có hoạt động địa chấn tích cực nhất, 20% các trận động đất mạnh từ 6,0 độ richter trở lên xảy ra trên thế giới là ở Nhật Bản 39 Nhật Bản là nơi “gặp gỡ” của nhiều mảng kiến tạo lớn nhỏ khác nhau như mảng Thái Bình Dương, Á-Âu, Bắc Mỹ, Philippine Đây là lý do khiến vì sao lại có quá nhiều núi lửa và suối nước nóng ở trên khắp đất nước Nhật Bản Và với việc nằm ngay trên vành đai lửa Thái Bình Dương, nên mỗi thế kỷ Nhật Bản đều phải hứng chịu một vài trận động đất mạnh có sức tàn phá kinh hoàng 40 Trong lịch sử của mình, đất nước mặt trời mọc đã phải trải qua khoảng 200 trận động đất kèm theo sóng thần diễn ra bên dưới hoặc ngay sát Biển Thái Bình Dương Hồi tháng 10 năm 2004, một trận động đất mạnh 6,8 đã tấn công vào khu vực Niigata ở phía bắc Nhật

Trang 2

Bản, giết chết 65 người và làm bị thương hơn 3.000 người Trận động đất gây nhiều người chết nhất ở Nhật Bản xảy ra ở thành phố Kobe, năm 1995 với hơn 6.400 người thiệt mạng.40 Qua đó chúng ta thấy được động đất ngày càng trở nên phổ biến, khó lường trước được hậu quả của chúng, tuy nhiên việc tính toán động đất còn khá mới mẻ và ít tài liệu đề cập đến các phương pháp tính toán động đất cũng như các tác động của động đất gây ra đối với công trình cầu Sau một số nghiên cứu của các nhà khoa học về động lực học đối với công trình cầu đã giúp chúng ta hiểu rõ thêm về những ứng xử của công trình cầu dưới tác dụng của

động đất cũng như các biện pháp kỹ thuật hạn chế những tác động đó 40

Trong đó tác động của động đất lên công trình cầu dây văng là một vấn đề cần được quan tâm hiện nay Có nhiều phương pháp được đề xuất để tính toán tác động của động đất lên công trình như phương pháp tĩnh ngang tương đương, phương pháp phổ phản ứng hay phương pháp lịch sử thời gian Ứng với mỗi bài toán, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng Luận văn sẽ đi sâu vào việc phân tích các phương pháp đó cũng như phương pháp nào thích hợp để tính toán động đất cho công trình cầu dây văng Trên thực tế, các nghiên cứu về động lực học động đất phải tiến hành đồng thời cả lý thuyết và thực nghiệm Từ những nghiên cứu đó, các ứng dụng thiết bị giảm chấn để hạn chế dao động của hệ dầm cầu dây văng cũng được phát triển 40

Hiện nay có nhiều công trình cầu dây văng nhịp lớn đã được xây dựng như: cầu Nhật Tân tại Hà Nội, cầu Rạch Miễu tại tỉnh Tiền Giang (Mỹ Tho), cầu Trần Thị Lý tại Đà Nẵng… Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến các công trình cầu là cần thiết để công trình có thể phục vụ mục đích kinh tế - xã hội 40

2 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 40

3 MỤC TIÊU VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU 40

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 41

CHƯƠNG 1 42

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT LÊN 42

CÔNG TRÌNH CẦU 42

1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA ĐỘNG ĐẤT 42

1.1.1 Khái niệm 42

Động đất là sự giải thoát đột ngột một lượng năng lượng lớn tích tụ trong một thể tích nào đó bên trong Trái đất Thể tích tích tụ năng lượng đó gọi là vùng chấn tiêu hay lò động đất và tâm của vùng gọi là chấn tiêu Vị trí hình chiếu trên bề mặt của Trái đất, nằm ngay trên chấn tiêu gọi là chấn tâm Khoảng cách giữa chấn tiêu và chấn tâm gọi là độ sâu chấn tiêu 42 Thời gian để năng lượng giải thoát tại vùng chấn tiêu rất ngắn, tính bằng giây, nên ta coi động đất gần như là một sự bùng nổ tức thời Bên ngoài vùng chấn tiêu các biến dạng của môi trường đất đá được truyền đi dưới dạng sóng đàn hồi và được gọi là sóng động đất Chịu tác động của sóng động đất đến bề mặt, mặt đất sẽ rung động Biên độ của các rung động nói

Trang 3

chung nhỏ cỡ phần mười milimet và chu kỳ rung động nằm trong khoảng 1/100 đến 100 giây Do đó để ghi các rung động này các máy ghi động đất phải có bộ phận khuếch đại Sóng động đất truyền năng lượng động đất đến các vị trí trên mặt đất (năng lượng sẽ giảm dần) 42 1.1.2 Nguyên nhân 42

a Nội sinh 42

- Liên quan đến sự phun trào của núi lửa, vận động kiến tạo ở các đới hút chìm, các đới đứt gãy 42

- Sự phun trào núi lửa: xảy ra trước và ngay khi núi lửa phun trào làm đất đá bị rung chuyển

Lò động đất thường không quá 10km, phạm vi ảnh hưởng không lớn 42

- Các nhà địa chấn học đã đưa ra thuyết kiến tạo mảng để giải thích các trận động đất bắt nguồn từ những hoạt động kiến tạo Theo thuyết này, bề mặt trái đất bao gồm nhiều mảng, tại vùng phân chia các mảng này xuất hiện các biến dạng tương đối trên một vùng khá hẹp

Có ba kiểu biến dạng chính đó là biến dạng tách giãn, biến dạng hút chìm và biến dạng trượt ngang Trong quá trình các mảng chuyển động tương đối so với nhau, biến dạng dần dần được tích lũy tại các vùng khác nhau của vỏ trái đất Khi vật chất tạo nên vỏ trái đất đạt tới trạng thái tới hạn, sự phá hoại xảy ra đột ngột Thế năng biến dạng tức thời chuyển thành động năng và động đất xuất hiện 43 Trên bề mặt vỏ trái đất, thông thường ta bắt gặp các đứt gãy Các đứt gãy này có thể là các vết lồi ở đáy đại dương hoặc các dãy núi trẻ Các chuyển động của đứt gãy được phân làm hai loại trượt nghiêng và trượt ngang Khi giữa các mảng thạch quyển xuất hiện chuyển động tương đối, năng lượng biến dạng đàn hồi trong vật chất tại vùng biên được tích luỹ làm gia tăng ứng suất cắt trên các mặt đứt gãy phân chia các mảng Khi ứng suất cắt tích lũy vượt quá cường độ của nền đá dọc theo đứt gãy, nền đá bị phá huỷ và năng lượng biến dạng tích lũy được giải phóng đột ngột dưới dạng các sóng địa chấn Các sóng này truyền trong vỏ trái đất theo tất cả các hướng và gây ra động đất 43 Ngoài ra động đất còn do sụp lở, động đất ở hồ chứa nước: 43 + Do sụp lở: xảy ra do khối đất trên nóc hang động ngầm, các hầm lò khai thác bị sụp hoặc

do sự trượt lở đất đá ở các vùng cao đặc trưng của nó là phạm vi ảnh hưởng không lớn, cấp động đất tương đối nhỏ 43 + Động đất ở hồ chứa nước: thường xuất hiện sau khi đưa nước vào hồ 1 thời gian Tại những vùng hồ xuất hiện động đất thường cho thấy đất đá ở đây tương đối vỡ nát, nước theo đới vỡ nát ngấm xuống sâu làm đất đá giảm độ bền, dễ gây ra trượt, cấp động đất thường nhỏ 44

b Ngoại sinh 44 Gồm động đất do thiên thạch va chạm vào trái đất, các vụ trượt lở đất với khối lượng lớn 44

c Nhân sinh 44

Trang 4

Hoạt động làm thay đổi ứng suất đá gần bề mặt hoặc áp suất chất lỏng, các vụ thử hạt nhân trong lòng đất 44 1.1.3 Sóng địa chấn và sự truyền sóng 44

a Sóng địa chấn 44

Có 3 loại sóng đàn hồi cơ bản gây ra chấn động làm cho con người cảm nhận được và làm

hư hại các công trình xây dựng Trong ba loại sóng đó có 2 loại sóng có khả năng truyền từ chấn tiêu qua nền đá cứng ra môi trường xung quanh được gọi là sóng khối, còn loại thứ 3 chỉ lan truyền sát mặt đất nên gọi là sóng mặt Sóng khối còn gọi là sóng thể tích bao gồm 2 loại sóng khác nhau về bản chất là sóng dọc và sóng ngang 44 Sóng dọc là sóng truyền đi nhờ sự thay đổi thể tích vật chất, gây ra biến dạng kéo nén trong lòng đất Sóng dọc đến các điểm quan trắc trước nên còn gọi là sóng sơ cấp (Primary waves)

kí hiệu là P Chuyển động của nó tương tự như là chuyển động của sóng âm trong chất lỏng Hướng chuyển động của các hạt vật chất trùng với hướng đi của sóng Các sóng P có thể truyền qua các nền đá cứng như granit lẫn chất lỏng như dung nham núi lửa hoặc nước biển 44 Sóng ngang là sóng hướng chuyển động của các hạt vật chất vuông góc với hướng đi của sóng Các sóng này gây ra hiện tượng xoắn và cắt mà không làm thay đổi thể tích của môi trường truyền sóng Vì vậy, sóng này còn có tên là sóng cắt Cũng vì lý do đó, khác với sóng dọc, các sóng ngang không thể truyền đi trong môi trường lỏng hoặc khí vì các môi trường này không có khả năng chịu ứng suất cắt Ở tại các điểm quan trắc, sóng ngang đến sau sóng dọc nên còn gọi là sóng thứ cấp (Secondary waves), ký hiệu là S Ở mặt đất các sóng S có thể gây ra các chuyển động theo phương đứng lẫn ngang 44 Khác với sóng khối, khi các sóng thể tích lên tới mặt đất phản xạ trở lại tạo thành các sóng mặt gây ra chuyển động nền đất ở lớp mặt Có thể phân các sóng mặt thành hai loại: 44 Sóng Rayleigh hoặc sóng R Đây là loại sóng làm cho các phần tử chuyển động theo một quỹ đạo hình ellipse trong mặt phẳng thẳng đứng song song với phương truyền sóng Chuyển động này tương tự như là chuyển động của sóng biển gây ra nén hoặc kéo và cắt trong nền đất 44 Sóng Love hoặc sóng Q Chuyển động của loại này về cơ bản là tương tự như của sóng S nhưng không có thành phần thẳng đứng Nó làm cho các phần tử vật chất chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang song song với mặt đất, vuông góc với hướng truyền sóng Các sóng này chỉ gây ra ứng suất cắt 45 Tốc độ truyền của các sóng P và S phụ thuộc vào các tính chất cơ lý của các lớp tạo nên nền đất và đá mà chúng đi qua Đất, đá càng cứng, nén càng chặt thì tốc độ truyền sóng càng lớn Các sóng mặt truyền đi với tốc độ nhỏ hơn các sóng thể tích Trong hai loại sóng mặt, thông thường sóng Love truyền đi nhanh hơn sóng Rayleigh 45

b Ảnh hưởng của nền đất tới chuyển động địa chấn 45

Trang 5

Khi một chùm sóng thể tích gặp mặt phân chia giữa hai lớp nền đất có tính chất cơ lý khác nhau,một bộ phận sóng bị phản xạ lại và một bộ phận sóng bị phản xạ lại và một bộ phận khác bị khúc xạ khi truyền tiếp vào lớp sau Nếu lớp tiếp theo này mềm xốp hơn lớp trước

thì hướng của sóng khúc xạ sẽ xích gần tới trục thẳng đứng hơn 45

Bên cạnh đó, sau mỗi lần khúc xạ và phản xạ,tính chất của các sóng địa chấn (P hoặc S) có thể thay đổi Ví dụ một sóng P có thể biến thành hai sóng phản xạ (P và S) và hai sóng khúc xạ (P và S) Khi sóng P và S lên tới mặt đất, phần lớn năng lượng của chúng bị phản xạ trở lại vào vỏ quả đất nên mặt đất gần như chịu tác động đồng thời các chuyển động lên và xuống của các sóng Hiện tượng cộng hưởng sẽ xảy ra khi chu kỳ của sóng địa chấn trùng với chu kỳ dao động của lớp đất bề mặt Sự khuyech đại này sẽ gây ra chấn động phá hoại trên mặt đất 45

Dạng, biên độ, thời gian kéo dài và các đặc trưng khác của sóng địa chấn bị ảnh hưởng không những bởi độ lớn và khoảng cách chấn tiêu, mà còn bởi nguồn gốc động đất, môi trường địa chất truyền sóng và các điều kiện cục bộ của khu vực đang xét Nói cách khác, dạng của sóng địa chấn bị thay đổi do sự suy giảm ứng suất, sự chuyển dịch cực đại của đứt gãy, diện tích, hình dạng và tính chất của mặt đứt gãy Càng cách xa chấn tiêu, cường độ của sóng không những yếu đi mà dạng của sóng cũng bị thay đổi so với cường độ và dạng sóng tại một vị trí gần chấn tiêu Do các sóng có chu kỳ ngắn bị suy giảm nhiều hơn khi truyền, nên chu kỳ trội có khuynh hướng dài ra Đồng thời, độ cứng và bề dày của lớp đất nằm dưới địa điểm đang xét cũng làm thay đổi mức độ khuyếch đại và dạng sóng địa chấn Ngoài ra, địa hình trên mặt đất cũng có ảnh hưởng đến sóng địa chấn Vì những lý do kể trên, chuyển động địa chấn trên mặt đất hoàn toàn mang tính chất ngẫu nhiên 45

Vì vậy việc lựa chọn đúng đắn địa điểm xây dựng công trình có một tầm quan trọng rất lớn trong thiết kế kháng chấn .45

c Ảnh hưởng của chuyển động địa chấn tới nền đất 46

Khi động đất xảy ra, nền đất có thể bị mất ổn định kèm theo những chuyển vị lớn trên bề mặt gây ra sự phá hoại công trình xây dựng Những hiện tượng có thể xảy ra đơi với nền đất: .46

- Lún sau khi sóng địa chấn đi qua (nền đất có cấu trúc hạt rời và xốp) 46

- Sụt lở hoặc chuyển động trên mặt đất 46

- Hóa lỏng (nền đất bão hòa nước và được tạo thành từ các hạt rời không nén chặt) 46

Việc nghiên cứu phản ứng của một công trình được thực hiện với giả thiết nền đất ổn định, không có biến dạng thường xuyên Đối với những nền đất có thể bị mất ổn định khi động đất xảy ra cần phải áp dụng kỹ thuật gia cố nến trước khi xây dựng 46

Động đất có thể làm cho các công trình xây dựng bị phá hoại theo cách sau: 46

Bằng cách tạo ra sóng nước như sóng địa chấn (sóng thần) hoặc chuyển động chất lỏng trong bể chứa và hồ 46

1.1.4 Đánh giá sức mạnh của động đất 46

Trang 6

Vấn đề đánh giá và đo sức mạnh của các trận động đất là một vấn đề rất quan trọng, các nhà địa chấn hoạc thường xuyên quan tâm và nghiên cứu Trong nhiều thế kỷ qua có rất nhiều cách thức đánh giá định tính và định lượng các chuyển động địa chấn nói riêng và sức mạnh động đất nói chung Cho đến thời điểm hiện nay, sức mạnh của động đất được tính toán

thông qua: 46

- Thang cường độ động đất 46

- Thang độ lớn động đất (magnitude) 46

a Thang cường độ động đất 46

Đây là thước đo sức mạnh động đất cổ nhất mà hiện nay vẫn đang còn được sử dụng Thuật ngữ "cường độ động đất" biểu thị sức mạnh hoặc sự tàn phá một trận động đất lên con người và công trình xây dựng tại một khu vực cụ thể nào đó Các thang cường độ động đất đều được ra dựa trên cơ sở cảm giác của con người và các mức độ bị phá hoại của công trình khi chịu tác động của địa chấn Chính vì thế nó mag yếu tố chủ quan và phụ thuộc vào khoảng cách chấn tâm lẫn chất lượng công trình tại địa điểm đang xây dựng Một số thang cường độ động đất chính đang được sử dụng trên thế giới hiện nay 46

Trên quan điểm thiết kế công trình, cường độ động đất xác định theo các cường độ nêu trên không có ý nghĩa quan trọng Nguyên nhân là do các thang động đất không cung cấp bất kỳ một nội dung nào về các thông số liên quan tới chuyển động của nền đất (ví dụ chuyển vị, tốc độ, gia tốc cực đại, chu kỳ trội ) Vì vậy các nhà khoa học đã cố gắng thiết lập mối quan hệ giữa cấp cường độ động đất với trị số gia tốc cực đại của chuyển động nền đất Bên cạnh đó, tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt Nam TCXDVN 375:2006 cũng đã cho số liệu chuyển đổi từ cấp cường độ động đất sang đỉnh gia tốc nền [2] 47

b Thang độ lớn động đất 47

Cường độ động đất được trình bày ở trên cho chúng ta biết được sức tàn phá của một trận động đất tại một khu vực cụ thể nào đó nhưng không cho ta các thông tin về độ lớn tổng thể hoặc quy mô của nó Năm 1935, Ch.F.Richter thuộc viện công nghệ California (Hoa Kỳ), đã đề xuất một phương pháp xác định độ lớn của động đất dựa trên các số liệu ghi được từ các thiết bị đo địa chấn Phương pháp này sau đó đã được tác giả B.Gutenberg hoàn thiện thêm và mang tên là Richter 47

Thang Ritcher là một thang logarit với đơn vị là độ richter 48

Độ richter được tính như sau: 48

M = log(A) – log (A0) (1.1) 48

A: biên độ lớn nhất đo bằng địa chấn kế Wood-Anderson ghi được tại trạm quan trắc (mm) 48

A0: biên độ lớn nhất của trận động đất chuẩn có cùng khoảng cách chấn tâm (mm) 48

Thang độ lớn động đất Richter có các tính chất đặc trưng sau: 48

- Thang Richter được đề xuất cho vung phía Nam California (Hoa Kỳ) Đối với các vùng khác cần có sự điều chỉnh xét tới cấu trúc vỏ quả đất 48

Trang 7

- Độ sâu chấn tiêu không được xét tới 48

- Thang này chỉ có giá trị cho địa chấn kế Wood-Anderson Khi dùng các loại địa chấn kế khác cần phải đưa vào hệ số điều chỉnh 48

- Thang này không xét tới các tính chất địa chất cục bộ Trong nhiều trường hợp cần phải có hệ số điều chỉnh để xét đến sự sai lệch từ trạm quan trắc này sang trạm quan trắc khác 48

Độ Richter được phân loại như sau: 48

2–4 trên thang Richter: Có thể nhận biết nhưng không gây thiệt hại 48

4–5 trên thang Richter: Mặt đất rung chuyển, nghe tiếng nổ, thiệt hại không đáng kể 48

5–6 trên thang Richter: Nhà cửa rung chuyển, một số công trình có hiện tượng bị nứt 48

6–8 trên thang Richter: Mạnh, phá hủy hầu hết các công trình xây dựng thông thường, có vết nứt lớn hoặc hiện tượng sụt lún trên mặt đất 48

8–9 trên thang Richter: Rất mạnh, phá hủy gần hết cả thành phố hay đô thị, có vết nứt lớn, vài tòa nhà bị lún 48

> 9 trên thang Richter: Rất hiếm khi xảy ra 48

> 10 trên thang Richter: Cực hiếm khi xảy ra 48

Thang độ lớn cho chúng ta một tiêu chuẩn khách quan để đánh giá cường độ các chuyển động địa chấn Nó đánh dấu một bước tiến quan trọng trong việc nghiên cứu động đất Hiện nay, thang độ lớn đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới 48

Những so sánh tham khảo: 48

+ Năng lượng của trận động đất mạnh 7.3 độ Richter tương đương với năng lượng của quả bom 50 triệu tấn thuốc nổ TNT 48

+ Động đất 8 độ Richter mạnh hơn động đất 7 độ richter lên đến 35 lần Năng lượng của trận động đất 8 độ Richter tương đương với năng lượng 2.800.000 lần 4 độ richter 48

Hậu quả của động đất: 49

1.1.5 Các đặc trưng chuyển động của nền đất 49

Khi động đất xảy ra, chuyển động của bất kỳ hạt vật chất nào trong nền đất đều theo một quỹ đạo phức tạp 3 chiều với gia tốc, vận tốc và chuyển vị thay đổi nhanh chóng trong một giải tập hợp tần số rộng Chuyển động nền đất mạnh này được đo và ghi lại dưới dạng các đồ thị bằng một loại địa chấn kế có biên độ lớn Chuyển động của nền đất trong các trận động đất khác nhau đều khác nhau Trong số đặc trưng chuyển động nền khi động đất xảy ra, các đặc trưng sau có ý nghĩa trong kháng chấn công trình: 49

a Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất 49

Biên độ lớn nhất của chuyển động nền đất được thể hiện dưới nhiều dạng khác nhau: 49

Đỉnh của chuyển động nền đất (gia tốc đỉnh, vận tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh) 50 Thông tin quan trọng nhất mà chúng ta ghi được trên cơ sở các số ghi địa chấn là gia tốc đỉnh lớn nhất Đây là thông số dễ xác định, một phần do tải trọng động đất tỷ lệ với gia tốc nền nên các kỹ sư rất quan tâm đến thông số này Các nhà khoa học đã lập mối quan hệ giữa đỉnh gia tốc nền với cường độ động đất, tuy nhiên quan hệ này chưa đạt đến độ chính xác

Trang 8

cần thiết, nhưng nó thật sự hữu ích khi biết các thông tin về cường độ các trận động đất đã xảy ra Đỉnh gia tốc nền theo phương thẳng đứng thường ít được quan tâm hơn so với đỉnh gia tốc nền theo phương ngang vì khả năng chịu tải trọng đứng đủ an toàn để chịu thêm tác động động đất theo phương đứng Trong thiết kế đỉnh gia tốc nền theo phương đứng lấy bằng 2/3 đỉnh gia tốc nền theo phương ngang (Newmark và Hall, 1982) Các nghiên cứu gần đây cho thấy tỷ số giữa đỉnh gia tốc nền theo phương đứng và ngang biến thiên rất rộng, thường lớn hơn 2/3 ở vùng gần chấn tâm và nhỏ hơn 2/3 ở vùng cách xa chấn tâm đối với các trận động đất từ trung bình đến mạnh 50

So với gia tốc đỉnh thì vận tốc đỉnh và chuyển vị đỉnh của nền thường được dùng để biểu thị biên độ chuyển động nền đất vì nó dễ xác định 50 Gia tốc đỉnh là gia tốc lớn nhất và phản ánh độ mạnh của sự dịch chuyển nền đất Các nhà khoa học cố gắng thiết lập mối quan hệ giữa gia tốc đỉnh và cường độ động đất Mặc dù quan

hệ này chưa đạt được độ chính xác cần thiết nhưng nó cần thiết trong việc xác định đỉnh gia tốc nền khi biết thông tin các trận động đất đã từng xảy ra Đỉnh gia tốc nền theo phương ngang thường được quan tâm hơn theo phương đứng do khả năng chịu tải trọng đứng của công trình đủ an toàn để chịu thêm tải trọng động đất theo phương đứng Hơn nữa, gia tốc đỉnh có liên quan trực tiếp đến tải trọng động đất, đặc biệt là các công trình có độ cứng lớn Mặc dù vận tốc nền có thể phản ảnh rõ cường độ động đất rõ hơn gia tốc nhưng nó thường không được đo trực tiếp mà xác định bằng một số tính toán bổ sung Chuyển vị đỉnh của nền đất cũng khó khăn khi xác định một cách chính xác từ các tín hiệu cũng như tích phân các gia tốc đồ: 50 Gia tốc RMS hay còn gọi là gia tốc trung bình theo thời gian là một thông số biểu thị

chuyển động nền đất trong đó có xét tới biên độ cũng như nội dung tần số của chuyển động nên thường được các kỹ sư thiết kế quan tâm 50

b Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh 50 Khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh là khoảng thời gian giữa đỉnh đầu và đỉnh cuối, giá trị này vượt qua một giá trị đủ lớn cho trước (nghĩa là khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh - Page & Bolt 1969) Trong địa chấn học công trình người ta định nghĩa khoảng thời gian kéo dài chuyển động mạnh là khoảng thời gian nền đất chấn động với biên

độ lớn, biên độ này có khả năng phá hoại công trình Có nhiều cách thức để xác định khoảng thời gian chấn động như sau: 50 (1.2) 51 Trong đó: t là khoảng thời gian diễn ra động đất 51 Ngoài hai phương pháp trên các nhà địa chấn đã tìm ra rất nhiều phương pháp để xác định khoảng thời gian kéo dài của chuyển động mạnh Ví dụ: Mc.Cann và Shah (1979) dựa trên

sự phân tích RMS phân tích gia tốc tích lũy của gia tốc đồ, Vanmarcke và Lai (1977) sử dụng các khái niệm mật độ phổ năng lượng Do không có định nghĩa chuẩn về khoảng thời

Trang 9

gian kéo dài chuyển động mạnh, nên việc lựa chọn phương pháp tính toán phụ thuộc vào mục đích nghiên cứu .51

c Nội dung tần số 51 Nội dung tần số là số lần gia tốc bằng 0 trong mỗi giây Dễ hiểu rằng khi tần số của lực kích thích bằng với tần số của dao động tự nhiên của kết cấu, dao động của kết cấu tăng lên nhiều lần, ảnh hưởng của hiện tượng cản trở nên nhỏ nhất Mặc dù chuyển động của đất nền không bao giờ là dạng hình sin (nghĩa là dao động không phải tuần hoàn), thế nhưng thường vẫn có một chu kỳ có ảnh hưởng lớn đến phản ứng của kết cấu Nội dung tần số mô tả cách thức phân bố chuyển động nền đất giữa các tần số khác nhau Nội dung tần số của một gia tốc đồ được xác định theo nhiều cách khác nhau: 51 1.1.6 Các thông số chuyển động của nền đất 51 Việc thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng đòi hỏi phải đánh giá được mức độ chuyển động của nền đất có thể xảy ra tại các địa điểm xây dựng Do mức độ chuyển động của nền đất có thể được biểu thị qua các thông số chuyển động của nền đất nên có nhiều phương pháp đánh giá các thông số chuyển động này được đề xuất Các phương pháp đánh giá các thông số chuyển động nền đất cho chúng ta các biểu thức dự đoán, biểu thị các thông

số chuyển động của nền đất qua các yếu tố ảnh hưởng tới chuyển động nền đất Kết quả nghiên cứu cho thấy, chuyển động nền đất và thời gian kéo dài nó tại một điểm nào đó chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau: 51 Phần lớn năng lượng được giải phóng ở chấn tiêu được tuyền đi dưới dạng sóng đàn hồi Bởi vì, năng lượng được giải phóng trong một trận động đất liên quan mật thiết với độ lớn động đất, nên các đặc trưng của sóng đàn hồi cũng liên quan mật thiết với độ lớn động đất.52 Khi các sóng đàn hồi được truyền đi từ chấn tiêu, chúng bị hấp thụ và phân tán một phần bởi môi trường truyền sóng Kết quả là năng lượng riêng suy giảm cùng với sự gia tăng khoảng cách đến chấn tiêu Do các đặc trưng của sóng đàn hồi liên quan mật thiết với năng lượng riêng nên đồng thời chúng cũng liên quan mật thiết tới khoảng cách truyền sóng Khoảng cách giữa chấn tiêu của một trận động đất và địa điểm xây dựng có thể được biểu thị theo nhiều cách khác nhau 52 1.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 52

1.2.1 Phương pháp lực tĩnh ngang tương đương (Seismic Coeficient) 52 Phương pháp lực tĩnh ngang tương đương là phương pháp mà trong đó lực quán tính do động đất sinh ra tác động lên kết cấu theo phương ngang được thay thế bằng tĩnh lực ngang tương đương Lực do động đất gây ra tác động ở chân công trình được giả thuyết bằng tích

số của hệ số địa chấn C và toàn bộ trọng lượng bản thân công trình Q Hệ số địa chấn C phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau ở các tiêu chuẩn khác nhau, tuy nhiên quan trọng nhất vẫn

là chu kỳ của dạng dao động đầu tiên để tra gia tốc trong phổ gia tốc thiết kế Lực ngang Q

Trang 10

được gọi là lực cắt đáy hoặc lực cắt tại chân công trình, sau đó được phân phối lại trên chiều

cao công trình tại vị trí có khối lượng tập trung 52

Phương pháp lực tĩnh ngang tương đương thích hợp với công trình cầu có hình dạng đều đặn, độ cứng và khối lượng phân bố đều trên mặt bằng và chiều cao 52

Trình tự tính toán của phương pháp: 52

+ Bước 1: Xác định chu kỳ dao động cơ bản T1 (có thể xác định từ các phần mềm tính toán kết cấu hoặc theo công thức gần đúng của TCXDVN375-2006) 52

+ Bước 2: Xác định điều kiện áp dụng Phương pháp tính lực ngang tương đương được dùng kho thỏa mãn 2 điều kiện sau: 53

Có các chu kỳ dao động cơ bản theo 2 hướng chính thỏa mãn: T1 <= (4Tc;2s) 53

Thỏa mãn về tính đều đặn theo mặt đứng của công trình 53

+ Bước 3: Xác định phổ phản ứng không thứ nguyên 53

+ Bước 4: Xác định lực cắt đáy 53

(1.3) 53

+ Bước 5: Xác đinh lực cắt đáy cho các tầng: 53

(1.4) 53

Khi dạng dao động cơ bản được lấy gần đúng bằng các chuyển vị nằm ngang tăng tuyến tính dọc theo chiều cao thì lực ngang Fi tính bằng: 53

(1.5) 53

→ Phương pháp này khá đơn giản nhưng đã bỏ qua đặc tính động lực của kết cấu và đất nền do vậy trong phân tích hiệu ứng động đất với công trình do quá trình lan tỏa sóng động đất, phương pháp này chỉ được sử dụng chủ yếu trong thiết kế động đất kết cấu dầm, mố, trụ, nhịp giản đơn 53

1.2.2 Phương pháp phổ phản ứng (Response Spectrum) 53

Đối với công trình lớn và phức tạp, việc sử dụng các phương pháp lực tĩnh ngang tương đương trong thiết kế kháng chấn thường không đủ độ chính xác cần thiết nên trong nhiều trường hợp phải dùng các phương pháp động để xác định phản ứng của kết cấu Trong các phương pháp động, tác động động đất được cho dưới dạng phổ phản ứng hoặc gia tốc đồ của chuyển động địa chấn Trong số các phương pháp động, phương pháp phổ phản ứng là đơn giản nhất 53

Phương pháp phổ phản ứng trước tiên xác định các chu kì và dạng dao động cho mỗi dạng dao động chính của kết cấu Sau đó, từ phổ phản ứng thiết kế cho trước, xác định gia tốc cực đại ứng với chu kì dao động và hệ số cản tới hạn cho mỗi dạng dao động Trên cơ sở này, bằng kỹ thuật phân tích dạng xác định phản ứng lớn nhất của hệ kết cấu ở các dạng dao động chính Ưu điểm của phương pháp phổ phản ứng là tính toán nhanh, đơn giản và cho kết quả chính xác chấp nhận được Do phải dùng nguyên lý cộng tác dụng nên phương pháp này chỉ giới hạn cho việc tính toán tuyến tính 53

Trang 11

Trên thực tế, có thể dễ dàng nhận thấy rằng phương pháp tĩnh lực ngang tương đương là một trường hợp đặc biệt của phương pháp phổ phản ứng Phương pháp tĩnh lực ngang tương đương chỉ xét đến dạng dao động cơ bản trong khi phương pháp phổ phản ứng xét tới nhiều

dạng dao động khi xác định phản ứng toàn phần của kết cấu 53

Về nguyên tắc chung trong phương pháp phổ phản ứng, vectơ lực đàn hồi max được viết dưới dạng: 54

(1.6) 54

: ma trận khối của kết cấu 54

: vectơ dạng dao động thứ i 54

Sa : phổ gia tốc tương ứng với dạng dao động thứ i 54

: tương ứng là tỉ số tắt dần dao động và chu kỳ dao động riêng thứ i 54

: hệ số kích thích động đất 54

: khối lượng sinh ra dạng dao động thứ i 54

Trình tự tính toán đối với phương pháp này: 54

+ Bước 1: Xác định điều kiện áp dụng, có thể áp dụng cho tất cả các loại công trình 54

+ Bước 2 : Xác định số dạng dao động cần xét trong phương pháp phổ phản ứng Phải xét đến phản ứng của tất cả các dạng dao động góp phần đáng kể vào phản ứng tổng thể của công trình, điều này sẽ thỏa mãn nếu công trình đạt 1 trong 2 điều kiện sau: 54

Tổng các trọng lượng hữu hiệu của các dạng dao động được xét đến chiếm ít nhất 90% tổng trọng lượng của kết cấu 54

Tất cả các dạng dao động có trọng lượng hữu hiệu lớn hơn 5% của tổng trọng lượng được xét đến 54

Nếu điều kiện nêu trên không được thỏa mãn (như nhà và công trình dao động xoắn góp phần đáng kể 0 thì số lượng tối thiểu các dạng dao động k cần được xét đến trong tính toán cần thỏa mãn 2 điều kiện sau: 54

và Tk<= 0,2s 54

Với k: số dạng dao động cần được xét đến khi tính toán 54

n: số tầng ở trên móng hoặc đỉnh của phần cứng phía dưới 54

Tk: chu kỳ dao động riêng tương ứng với dao động thứ k 54

+ Bước 3: Xác định phổ thiết kế không thứ nguyên ứng với từng dạng dao động 54

i: dạng dao động thứ i tương ứng theo phương X trên mặt bằng 54

+ Bước 4: Xác định lực cắt đấy tại chân công trình tương ứng với dạng dao động thứ i theo phương X bằng công thức sau: 54

(1.7) 55

: trọng lượng hữu hiệu theo phương X trên mặt bằng tương ứng với dạng dao động thứ i: 55 (1.8) 55

n: tổng số bậc tự do theo phương Y 55

Trang 12

: giá trị chuyển vi theo phương X trên mặt bằng tai điểm đặt trọng lượng thứ j của dao động

thứ i 55

: trọng lượng tập trung tại tầng thứ i của công trình .55

+ Bước 5: Phân phối lực cắt đáy cho các tầng .55

+ Bước 6: Tổ hợp các dạng dao động 55

Để đơn giản ta xem các dao động là độc lập tuyến tính việc tổ hợp các dạng dao động theo nguyên tắc căn bậc hai của tổng các bình phương 55

Khi các dạng dao động không độc lấp tuyến tính có thể tham khảo thêm TCXDVN375-2006 để tổ hợp các dạng dao động 55

Trình tự thực hiện tương tự như đối với phương Y 55

→ Phương pháp này tuy xét đặc tính động lực của kết cấu, đặc tính động lực của đất nền và hệ số phản ánh tính dẻo của kết cấu và được sử dụng phổ biến trong và ngoài nước nhưng vẫn do theo chuẩn tắc về phá hoại cường độ trong khi tập tính kết cấu khi chịu động đất vẫn còn nhiều vấn đề phức tạp chưa được nghiên cứu đầy đủ nên vẫn tồn tại những hạn chế nhất định 55

1.2.3 Phương pháp lịch sử thời gian (Time – History – Respone) 55

Phương pháp lịch sử thời gian thay vì dùng phổ gia tốc thiết kế như phương pháp phổ phản ứng, người ta dùng gia tốc đồ thực Có hai cách để giải phương trình chuyển động của hệ kết cấu trong phương pháp này: 55

- Kỹ thuật phân tích dạng chính: Trước tiên, phương pháp này tách phương trình chuyển động của kết cấu có n bậc tự do thành n phương trình chuyển động độc lập, mỗi phương trình ứng với một dạng dao động chính của hệ Sau đó ứng với mỗi khoảng thời gian chia nhỏ (thường là 0,02s), ta tính được phản ứng động của hệ ở mỗi dạng dao động chính Phản ứng toàn phần của hệ được tổ hợp giống như phương pháp phổ phản ứng Như vậy có thể thấy rằng phương pháp phổ phản ứng là một trường hợp đặc biệt của phương pháp lịch sử thời gian dùng kỹ thuật phân tích dạng chính 55

- Tích phân trực tiếp phương trình chuyển động: Phương pháp này có thể dùng cho cả hệ đàn hồi và phi đàn hồi Theo đó, từ một gia tốc đồ địa chấn là một hàm lực biến thiên theo thời gian, ta có thể xác định được lịch sử phản ứng của công trình Đây là phương pháp tính toán tốt nhất và cung cấp được nhiều thông tin nhất về trạng thái ứng suất, chuyển vị dưới tác dụng của một chuyển động địa chấn bất kỳ 55 → Phương pháp lịch sử thời gian là một phương pháp có nhiều ưu điểm Tuy nhiên, việc phân tích lại đòi hỏi một lượng thời gian và công sức tính toán khá lớn Cụ thể là dựa vào báo cáo chuyển động động đất của một hoặc hai trận động đất lớn tại vị trí khác có điều kiện tương tự khu vực xây dựng cầu Hoặc là dựa vào báo cáo chuyển động đất với cường độ nhỏ hơn tại vị trí xây dựng cầu, sau đó điều chỉnh sang động đất thiết kế bằng cách xét hệ số điều chỉnh phù hợp Để thực hiện được công việc này chắc chắn phải nhờ đến cơ quan chuyên

Trang 13

ngành về địa chấn thì mới đảm bảo độ tin cậy về cơ sở khoa học, tính thực tiễn và đảm bảo

tính pháp lý 56

1.3 HỆ THỐNG GIẢM CHẤN ĐƯỢC SỬ DỤNG TRONG CẦU DÂY VĂNG 56

1.3.1 Một vài vấn đề khi phân tích cầu dây văng khi chịu tác động của động đất 56

- Ảnh hưởng động đất trong cầu có độ mảnh lớn như cầu dây văng đóng vai trò rất quan trọng, thường thể hiện qua kết cấu và người sử dụng: 56

+ Tác dụng tâm sinh lý của người sử dụng, cho dù công trình chưa bị hư hỏng vẫn khai thác bình thường 56

+ Độ an toàn công trình cầu trước và sau khi chịu tải trọng động đất 56

1.3.2 Khái quát các thiết bị giảm chấn 56

Về cơ bản có thể coi các kích động tác động vào cơ hệ như là sự truyền một năng lượng vào cơ hệ Sự truyền năng lượng một phần từ hệ chính vào hệ phụ được coi như hấp thụ hoặc tiêu tán năng lượng dao động Có 3 cách hấp thụ và tiêu tán năng lượng: 56

1.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 57

Động đất là hiện tượng địa chất tự nhiên đang hoành hành ngày càng phổ biến trên thế giới, trong đó có Việt Nam Vì vậy trong điều kiện của nước ta hiện nay nên xây dựng phương pháp kháng chấn cho công trình theo phương pháp lực tĩnh ngang tương đương hoặc phương pháp động sử dụng phổ phản ứng Trong tương lai, Việt Nam cần có các trạm quan trắc để ghi chép số liệu cụ thể chuyển động của đất nền tại các khu vực trong cả nước 57

Động đất xảy ra rất khó dự đoán vì vậy nên khi xây dựng công trình không nên đặt tại những vị trí vết đứt gẫy địa tầng, sụt lở, đoạn sông bồi tích Khi thiết kế công trình cần quan tâm đến thiết kế kháng chấn và thiết kế cách chấn 57

CHƯƠNG 2 57

PHÂN TÍCH NỘI LỰC CẦU DÂY VĂNG DƯỚI TÁC ĐỘNG 57

CỦA TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT 57

2.1 PHÂN TÍCH ĐỘNG ĐẤT TRONG CÔNG TRÌNH CẦU 58

2.1.1 Giới thiệu chung 58

a Phân tích tĩnh và động 58

Nguyên nhân chủ yếu gây ra sự hư hỏng hoặc sụp đổ công trình xây dựng khi động đất xảy ra là do chính sự phản ứng của chúng đối với chuyển động của nền đất Để xác định được phản ứng của công trình xây dựng cũng có nghĩa là đi xác định ứng suất, chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng động đất .58

Tải trọng tác dụng lên công trình được chia làm hai hoại: 58

- Tải trọng tĩnh : độ lớn, chiều, điểm tác dụng không thay đổi theo thời gian 58

- Tải trọng động : độ lớn, chiều, điểm tác dụng thay đổi theo thời gian nên có thể gây ra lực quán tính 58

Hai đặc tính cơ bản trong bài toán động và bài toán tĩnh: 58

Trang 14

- Do sự biến thiên theo thời gian của tải trọng tác động và phản ứng của công trình nên bài toán động có vô số nghiệm tương ứng với các thời điểm khác nhau trong lịch sử phản ứng của kết cấu Khác với bài toán tĩnh chỉ có một nghiệm duy nhất 58

b Các loại tải trọng động 58 Tất cả các công trình xây dựng đều chịu nhiều tác động của các tải trọng khác nhau trong suốt thời gian tồn tại của chúng Chúng ta có thể phân thành 2 loại tải trọng động: tải trọng ngẫu nhiên và tải trọng lâu dài 58

- Tải trọng ngẫu nhiên: là loại tải trọng mà sự biến thiên theo thời gian của chúng chưa xác định nhưng chúng ta có thể nhận diện chúng bằng phương pháp thống kê toán học Ví dụ: áp lực gió lên công trình 58

- Tải trọng lâu dài là loại tải trong mà độ lớn, chiều, điểm đặt của chúng tại bất kỳ thời điểm nào đó đều có thể xác định được Có thể phân chia chúng thành 2 nhóm: 58 + Tải trọng có chu kỳ: có tính lặp lại cùng một kiểu biến thiên tạm thời trong một số chu kỳ tương đối lớn Ví dụ: chuyển động của chân vịt tàu thủy, 58 + Tải trọng không có chu kỳ có thể là ngắn hạn (áp lực vụ nổ lên công trình), hoặc dài hạn không lặp lại (chuyển động do động đất gây ra) 58

c Phân tích động đất trong thiết kế cầu 58 Phân loại theo tính chất tác động của động đất tác dụng lên công trình mà người ta chia thành các phương pháp tính toán động đất như sau: 58

- Phương pháp tĩnh: 59 Lực tĩnh ngang tương đương (phương pháp phân tích phổ đơn dạng, tải trọng phân bố đều): Phương pháp này giả thiết lực động đất được xem như một lực tĩnh ngang tương đương tác dụng lên kết cấu theo cả phương ngang hay phương dọc cầu Lực tĩnh ngang này dựa trên chu kì tự nhiên của hệ một bậc tự do (SDOF) hay phổ đáp ứng theo tiêu chuẩn Tính tải trọng động đất bằng hệ số động đất nhân với trọng lương công trình Trong đó hệ số động đất được tính toán bằng thực nghiệm, nó phụ thuộc vào vị trí xây dựng công trình, kiểu kết cấu, điều kiện địa chất của khu vực, Phương pháp này khá đơn giản nhưng nó đã bỏ qua đặc tính động lực của kết cấu và đất nền nên phương pháp này phù hợp cho những cầu có nhịp bằng nhau với độ cứng phân bố đồng đều Thông thường sử dụng trong thiết kế động đất kết cấu dầm, trụ mố nhịp giản đơn .59

- Các phương pháp động: 59 Phương pháp phổ phản ứng: Đối với các công trình lớn, phức tạp thì phương pháp phổ lực tĩnh ngang tương đương trong thiết kế kháng chấn thường không đủ độ chính xác nên trong nhiều trường hợp phải dùng các phương pháp động để xác định phản ứng của kết cấu Trong các phương pháp động thì phương pháp phổ phản ứng được xem là đơn giản nhất, tính toán nhanh, đơn giản và mang lại kết quả tính toán với độ chính xác cao Điều quan trọng của phương pháp này là người kỹ sư cần xác định được chu kỳ và dạng dao động của mỗi dạng dao động chính của hệ kết cấu Tiếp đó từ phổ phản ứng động đất cho trước, chúng ta đi xác

Trang 15

định được phổ gia tốc cực đại ứng với chu kỳ dao động và hệ số cản tới hạn của mỗi dạng dao động chính Phương pháp này cho phép chúng ta xác định xét tới nhiều dạng dao động khi xác định phản ứng toàn phần của hệ kết cấu 59 + Đối với cầu thông thường, phương pháp động đất được áp dụng là phương pháp phổ phản ứng dạng đơn Theo quy định cầu thông thường là cầu có sự chênh lệch độ cứng và khối lượng giữa các cấu kiện kề nhau không vượt quá 25% Khi tính theo phương pháp phổ phản ứng dạng đơn tải trọng tác dụng lên kết cấu theo phương ngang và phương dọc do tác động động đất được xác định từ dạng dao động riêng thứ nhất 59 + Đối với hầu hết cầu còn lại, phương pháp phân tích được áp dụng là phương pháp phổ đáp ứng dạng phức Theo phương pháp mày, tác động động đất lên kết cấu được xác định từ một

số dạng dao động nhất định Số dạng dao động tối thiểu được lấy theo kinh nghiệm bằng 3 lần số nhịp đối với cầu dầm còn cầu dây văng và cầu treo phức tạp hơn nên sẽ được lấy nhiều hơn Các giá trị đáp ứng của kết cấu được tính theo các dạng dao động 1 cách riêng rẽ

và sau đó phối hợp lại với nhau theo quy tắc nhất định Cách tổ hợp phổ biến là tổ hợp căn bậc hai (CQC – Complete Quadratic Combination) Phương pháp này về mặt lý thuyết và tính toán là tổng quát hơn phương pháp phổ phản ứng dạng đơn Vì vậy trong đề tài này sẽ đi trình bày và tính toán theo phương pháp phổ phản ứng dạng phức cho cầu dây văng tại nút gia thông Ngã Ba Huế 59

- Phương pháp lịch sử thời gian: là phương pháp tích phân số từng bước phương trình chuyển động, nó thường được dùng cho những cầu có địa chất yếu và kết cấu cầu phức tạp Phân tích phi đàn hồi cung cấp sự đánh giá ứng xử của kết cấu thực tế hơn so với phân tích đàn hồi Có 2 cách tính toán: áp dụng kỹ thuật phân tích dạng chính hoặc tích phân trực tiếp phương trình chuyển động Phương pháp này phản ánh hơn tình hình thực tế của công trình chịu tác động của động đất Do vậy phương pháp này cũng thường vận dụng để tính toán cho cầu dây văng nhịp lớn Tuy nhiên, cần lưu ý rằng việc có mặt báo cáo lịch sử quá trình thực tế với xem xét đáp ứng phi tuyến hoặc xem xét tới sự tương tác giữa các loại kết cấu khác nhau đóng vai trò đặc biệt quan trọng Tùy theo tính chất của việc áp dụng và thông tin

có thực mà việc mô tả chuyển động của động đất có thể thực hiện bằng cách sử dụng giản đồ gia tốc nhân tạo và các giản đồ gia tốc ghi được hoặc giản đồ gia tốc mô phỏng 60 + Đối với giản đồ gia tốc nhân tạo được thiết lập phải phù hợp với phổ phản ứng đàn hồi theo quy định ứng với hệ số cản nhớt bằng 5% Khoảng thời gian kéo dài của giản đồ gia tốc phải phù hợp với độ mạnh và các đặc trưng liên quan đến hiện tượng động đất dùng làm cơ

sở để xác định gia tốc nền thiết kế ag 60 + Đối với giản đồ gia tốc thông qua mô phỏng vật lý, người phát sinh và cơ chế lan truyền cũng phải đảm bảo điều kiện và các mẫu sử dụng được xem là tương thích động đất của nguồn phát sinh và điều kiện nền đất phù hợp để xây dựng công trình 60

Trang 16

Việc lựa chọn các phương pháp tính toán cho công trình cầu dưới tác dụng của tải trọng động đất phụ thuộc vào mức độ phức tạp, tính đều đặn của công trình bên cạnh đó phải xét đến sự phù hợp, tính hiệu quả trong việc thiết kế của người kỹ sư .60 2.1.2 Bậc tự do động 60

Để xác định được lực quán tính phát sinh dưới tác động của tải trọng động, điều cần thiết là phải xác định được gia tốc chuyển động của mỗi phần tử khối lượng tạo thành kết cấu Do các kết cấu thường có khối lượng phân bố nên việc xác định gia tốc đòi hỏi công sức và việc tính toán rất lớn Để đơn giản việc tính toán này người ta đưa khối lượng của kết cấu được tập trung lại một số hữu hạn các điểm rời rạc đặc trưng và phản ứng động của kết cấu có thể biểu thị qua một số thành phần hạn chế chuyển vị Số các tham số độc lập cần thiết để xác định đầy đủ vị trí của tất cả các khối lượng của hệ khi hệ dao động được gọi là số BTDĐ Thông thường số bậc tự do động bằng số chuyển vị độc lập của hệ đang xét Ta cũng có thể định nghĩa số bậc tự do động của một hệ dao động bằng số liên kết đơn giản tối thiểu cần để buộc hệ cân bằng tĩnh 60 Mỗi điểm khối lượng có tối đa 6 bậc tự do, nghĩa là có 6 chuyển vị có khả năng xảy ra: 3 chuyển vị thẳng và 3 chuyển vị góc xoay Nhưng trong thực tế tính toán ta có thể đưa vào trong tính toán một số bậc tự do ít hơn mà không làm thay đổi nhiều kết quả tính toán Ví dụ,

về nguyên tắc ở kết cấu phẳng, mỗi điểm khối lượng có 3 bậc tự do (2 chuyển vị thẳng và 1 chuyển vị xoay), nhưng chúng ta cũng có thể dùng một mô hình đơn giản hơn với 2 bậc tự

do cho một điểm khối lượng (2 chuyển vị thẳng) hoặc chỉ có 1 bậc tự do (một trong hai chuyển vị thẳng) 61 Như vậy có thể dựa vào số BTDĐ mà hệ có thể được phân thành hệ có 1 BTDĐ hoặc hệ có nhiều BTDĐ Một hệ mới nhìn qua ban đầu thì trông có vẻ phức tạp nhưng lại có thể mô hình hóa rất đơn giản với vài BTDĐ Vì vậy, vấn đề quan trọng đầu tiên đối với bài toán động chính là việc lựa chọn số BTDĐ cho kết cấu Bất kể một sai lầm nào trong khâu chọn

số BTDĐ cho kết cấu cũng đều dẫn đến kết quả tính toán sai lạc 61 Dựa vào số bậc tự do của hệ dao động, người ta phân ra các loại dao động của hệ như sau:61

a Hệ một bậc tự do (SDOF) chịu tác dụng của động đất 61 Một mô hình tính toán động của hệ bất kỳ luôn phải thể hiện được các nội dung cơ bản sau: 61

Mô hình khối lượng và lò xo tương đương trên hình 2.1 (a) là mô hình đơn giản nhất trong động lực học công trình Ở điều kiện lý tưởng nghĩa là không kể đến lực cản thì khi kết cấu chịu tác dụng của ngoại lực, khối lượng sẽ dao động xung quanh vị trí cân bằng của nó mãi mãi Tuy nhiên, ở kết cấu trong thực tế sau một khoảng thời gian, khối lượng sẽ trở về vị trí cân bằng, điều này được giải thích là do hiện tượng cản Để biểu diễn hiện tượng cản, trong

mô hình phân tích động, người ta đưa vào mô hình cản nhớt không khối lượng theo hình 2.1 (b) 61

Trang 17

Khi kết cấu bị kích thích bởi một ngoại lực p(t) vào khối lượng tập trung như hình 2.2 nghĩa

là dịch chuyển một khoảng ut so với gối, chuyển vị của nền đất là ug nên ta có: 62

ut = ug + u (2.1) 62

Áp dụng định luật Niutơn và nguyên lý cân bằng động lực D’Alambert 62

fI + fD + fS = 0 (2.2) 62

Trong đó là lực quán tính, 62

là lực cản, 62

là lực đàn hồi tác dụng lên khối lượng 62

Thay các giá trị này vào phương trình (2.2) ta được: 62

(2.3) 62

Khi chịu dịch chuyển nền thì phương trình trên trở thành: 62

(2.4) 62

b Hệ nhiều bậc tự do (MDOF) chịu tác dụng của động đất 62

Khi tính toán phản ứng động ta không thể mô hình hóa tất cả các hệ kết cấu dưới dạng hệ có 1 bậc tự do (SDOF) Đại đa số kết cấu chịu lực của các công trình xây dựng thường được mô hình tính toán gồm một số bậc tự do lớn hơn một Đó là các hệ kết cấu mà khối lượng của chúng có thể tập trung về một số bộ phận nào đó sao cho sự làm việc của chúng về cơ bản đều không bị ảnh hưởng Những hệ như vậy có tên gọi là khối lượng tập trung, hoặc hệ có khối lượng rời rạc hoặc thông dụng hơn là hệ có nhiều BTDĐ Các kết cầu thường được mô hình hóa bằng hệ có nhiều BTDĐ: cầu khung, cầu dàn, cầu dây văng, cầu ống thép nhồi bê tông, Sau đây chúng ta đi nghiên cứu về hệ có nhiều bậc tự do động 62

Phương trình chuyển động của hệ MDOF tương tự như hệ SDOF, tuy nhiên các thông số như độ cứng k, khối lượng m, cản nhớt c sẽ là các ma trận Phương trình được viết như sau: .62

(2.5) 62

Trong đó: [K] là ma trận độ cứng 62

[C] là ma trận cản nhớt 62

[M] là ma trận khối lượng 63

+ Dao động tự do không cản 63

Phương trình của hệ dao động tự do không cản được rút ra từ phương trình trên khi cho vế phải và [C] bằng không .63

(2.6) 63

Trong đó [K], [M] là ma trận vuông cấp n 63

Chuyển phương trình về dạng: 63

(2.7) 63

Trong đó: là ma trận biểu diễn dạng võng của hệ (deflected-shape matrix) hay còn gọi là vectơ riêng (eigenvector) Để giải phương trình trên ta cho định thức: 63

(2.8) 63

Trang 18

Triển khai định thức trên sẽ được phương trình đại số bậc n đối với Phương trình này gọi là phương trình tần số vòng của hệ dao động Giải phương trình này thu được n nghiệm thực và dương được gọi là tần số dao động riêng.Tần số vòng có giá trị nhỏ nhất gọi là tần số cơ

bản, các giá trị khác gọi là tần số vòng bậc cao .63

Biết n tần số vòng, ta có thể tính toán được tần số dao động cơ bản và các chu kỳ dao động cơ bản .63

Các trị số đặc trưng được gọi là các trị số riêng của hệ dao động còn tập hợp các giá trị của chúng được gọi là phổ các trị số riêng Các trị số riêng biểu thị đặc trưng vật lý của hệ dao động, chúng chỉ phụ thuộc vào tính chất đàn hồi của kết cấu và sự phân bố khối lượng Số các trị số riêng bằng với số bậc tự do động 63

Như vậy phổ các trị số riêng của hệ dao động có n bậc tự do được viết dưới dạng sau : 63

.63

63

Mỗi trị số riêng cụ thể () ứng với một dạng dao động của kết cấu gọi là dạng riêng hay dạng chính Bởi vì dạng hình học của một dạng riêng trùng với biểu đồ chuyển vị (biến dạng đàn hồi) gây ra bởi lực quán tính ứng với một số trị riêng nào đó nên các dạng riêng còn gọi là véc tơ riêng Tập hợp một trị số riêng và vectơ riêng tương ứng gọi là dạng dao động chính Một điểm quan trọng cần chú ý là các vectơ riêng chỉ là hình dạng võng của hệ tương ứng với tần số tự nhiên chứ không phải là độ lớn giá trị võng thực tế .63

Tập hợp n véctơ riêng thành một ma trận vuông cấp n:, gọi là ma trận dạng (Modal Matrix), trong đó mỗi cột chứa các hệ số liên quan đến dạng tự nhiên của hệ, nghĩa là một vectơ riêng Một tính chất quan trọng của các dạng riêng là chúng trực giao với nhau: 64

và 64

(2.9) 64

(2.10) 64

Trong đó là các ma trận chéo 64

+ Dao động tự do có cản 64

Phương trình chuyển động tự do của hệ MDOF khí có xét đến cản, không chịu lực kích thích : 64

(2.11) 64

Thành phần chuyển vị trước tiên được biểu diễn trong các dạng dao động tự nhiên, sau đó nhân với ma trận dạng dao động chuyển trí sẽ được phương tình sau: 64

(2.12) 64

Trong đó: (2.13) 64 Khi ma trận [C*] chéo thì ma trận cản được gọi là ma trận cản không đối xứng và ngược lại khi ma trận [C*] không chéo thì ma trận cản được gọi là ma trận cản đối xứng hay ma trận cản cổ điển Mô hình cản cổ điển thường sử dụng khi tính chất cản cơ học trong kết cấu phân

Trang 19

bố đều Mô hình cản “không cổ điển” (hay còn gọi là không đối xứng) thường chính xác khi

tính chất cản cơ học trong kết cấu khác nhau đáng kể 64

Vì phần lớn kết cấu cầu được chế tạo bởi một loại vật liệu (ví dụ bê tông hoặc thép) nên mô hình thường dùng là mô hình cản cổ điển, nghĩa là ma trận cản [C*] là ma trận chéo đối với hầu hết các cầu Phương trình dạng dao động (phương trình dạng) thứ n của hệ: 64

(2.14) 64

c Mô hình cản trong hệ MDOF 64

Thông thường hệ số cản nhớt phụ thuộc vào vận tốc có thể được xác định gần đúng trong phòng thí nghiệm bằng cách đo đạc chuyển vị của kết cấu SDOF Chuyển vị này sẽ tắt dần và dựa vào đó người ta có thể tính toán được hệ số cản Hệ số cản này còn gọi là hệ số cản có hiệu và nếu như cản tuyến tính thì còn gọi là cản cổ điển Tuy nhiên cần phải chú ý rằng hệ số này là gần đúng và dựa vào nhiều giả thiết khác nhau Đối với hầu hết các kết cấu trên thực tế, hệ số cản này không tuyến tính và thường không tỉ lệ với vận tốc 64

Khi năng lượng biến dạng trong kết cấu tỉ lệ với bình phương chuyển vị, ta có thể tính toán đựơc năng lượng mất đi trong một chu kỳ dao động tự do của kết cấu với nhiều hệ số cản khác nhau Một số nghiên cứu đã chứng minh rằng hệ số cản nhỏ hơn 5% thì cho kết quả khá chính xác 65

Mô hình cản Rayleigh 65

Sức cản của kết cấu liên quan đến năng lượng phân tán trong quá trình chuyển động Một phần năng lượng đó được giả thiết là mất mát do chuyển vị, vì vậy có thể nói rằng độ cản tỉ lệ với độ cứng của hệ Ngoài ra năng lượng còn mất mát do khối lượng của kết cấu Trong mô hình cản Rayleigh, độ cản tỉ lệ với độ cứng và khối lượng kết cấu: 65

(2.15) 65

Như vậy độ cản ở dạng dao động thứ n là: 65

(2.16) 65

(2.17) 65

Biểu đồ trên cho thấy quan hệ giữa mô hình cản Rayleigh với tần số dao động tự nhiên Các hệ số a0, a1 có thể được xác định từ hệ số cản nội suy tại 2 dạng dao động thứ i và j Như vậy tại dạng dao động thứ i và j: 65

; (2.18) 65

Khi hệ số cản tại cả dạng thứ i và j bằng nhau và bằng , thì các hệ số a0, a1 được xác định:

; (2.19) 65

Điều quan trọng cần chú ý là hệ số cản ở dạng dao động giữa dạng i và dạng j nhỏ hơn Và trong tính toán, cần chọn hệ số cản chính xác để đảm bảo nó là giá trị hợp lý tại tất cả các dạng dao động giữa dạng i và j 66

d Kỹ thuật phân tích dạng chính và hệ số dạng chính từng phần 66 Phương trình chuyển động của hệ kết cấu sẽ được thay bằng một hệ các phương trình độc lập bậc n biểu thị các dạng dao động riêng của hệ kết cấu Mỗi phương trình chỉ phụ thuộc

Trang 20

trực tiếp vào tính chất riêng (trị số và vecto riêng) ứng với một dạng dao động nào đó Dựa trên nguyên lý cộng tác dụng, phản ứng toàn phần của hệ kết cấu sẽ là tập hợp các phản ứng

từ các dạng dao động riêng Kỹ thuật nghiên cứu dao động của hệ kết cấu đàn hồi có nhiều

bậc tự do theo cách này có tên gọi là kỹ thuật phân tích dạng chính 66

Từ công thức trên, phương trình chuyển động của hệ dưới tác dụng của động đất: 66

(2.20) 66

Biến đổi phương trình 2.1-20: 66

(2.21) 66

Như vậy, ở dạng dao động thứ n: 66

(2.22) 66

Trong đó: 66

(2.23) 66

: gọi là hệ số dạng chính từng phần của dạng dao động thứ n 66

Chia phương trình dạng dao động thứ n cho: 66

(2.24) 66

Các phương trình 2.1-24 tương tự như phương trình của hệ dao động một bậc tự do SDOF, vì vậy Yn cũng được xác định bằng cách sử dụng phương pháp tương tự cho SDOF Khi Yn được tính toán thì chuyển vị ở dạng dao động thứ n sẽ được tính toán Tổng chuyển vị của tất cả các dạng dao động có thể được xác định bằng cách cộng các chuyển vị tại mỗi dạng dao động: 66

(2.25) 66

2.1.3 Khái niệm chung về phổ phản ứng 66

Trong thực tế khi thiết kế công trình, ta không nhất thiết phải biết toàn bộ lịch sử phản ứng của hệ kết cấu theo thời gian mà chỉ cần biết biên độ lớn nhất của chuyển vị tương đối, vận tốc tương đối và gia tốc tuyệt đối của phản ứng quá trình động đất Bởi vì các trị số này đủ để cho ta thực hiện được mục tiêu xác định trạng thái ứng suất biến dạng lớn nhất của hệ kết cấu Vì lý do này mà khái niệm về phổ phản ứng được đề xuất và định nghĩa như sau: Phổ phản ứng của một trận động đất là một đồ thị mà tung độ của nó biểu diễn biên độ lớn nhất của một trong các thông số phản ứng (chuyển vị tương đối, vận tốc tương đối, gia tốc tuyệt đối) của hệ kết cấu theo chu kỳ dao động tự nhiên của nó và độc lập với lịch sử chuyển động của kết cấu theo thời gian 66

Phổ phản ứng của một kết cấu đàn hồi thường được xác định thông qua các bước sau: 67

+ Xác định gia tốc nền theo thời gian (thông thường là 0,02s cho mỗi khoảng) 67

+ Chọn chu kỳ giao động tự do Tn và hệ số cản của hệ đàn hồi SDOF 67

+ Sử dụng các phương pháp số tính toán biến dạng u(t) 67

+ Xác định giá trị đỉnh của u(t) là u0 67

+ Tính toán các giá trị phổ D = u0 67

+ Xây dựng ba biểu đồ phổ phản ứng hoặc biểu đồ ba thành phần phản ứng 67

Trang 21

Cần phải chú ý rằng mặc dù các giá trị phổ như gia tốc, vận tốc, chuyển vị đều phản ánh sự dịch chuyển của nền đất nhưng mỗi giá trị đó đều có một ý nghĩa vật lý khác nhau Ví dụ phổ chuyển vị thể hiện giá trị chuyển vị lớn nhất trong kết cấu, phổ vận tốc liên quan đến năng lượng biến dạng lớn nhất trong kết cấu, phổ gia tốc liên quan trực tiếp đến giá trị lực tĩnh ngang tương đương và lực cắt đáy công trình Phổ phản ứng được chia ra 3 vùng giai đoạn:

67

Vùng nhạy cảm gia tốc (rất ngắn): Ở giai đoạn này, kết cấu vẫn cứng mà chuyển vị rất nhỏ, giá trị đỉnh của gia tốc gần bằng với gia tốc nền 67

Vùng nhạy cảm vận tốc (trung bình): Ở giai đoạn này, kết cấu đáp ứng với vận tốc nền hơn bất kì thông số dịch chuyển nền nào 68

Vùng nhạy cảm chuyển vị (rất dài): Ở giai đoạn này kết cấu mềm dẻo nhất và có khuynh hướng giữ nguyên trạng thái ban đầu trong khi nền đất di chuyển Giá trị đỉnh của biến dạng gần với chuyển vị của đất nền Phản ứng của kết cấu liên quan trực tiếp nhất đến chuyển vị nền 68

Phổ thiết kế đàn hồi 68

Phổ phản ứng đàn hồi được xây dựng dựa trên 1 thành phần duy nhất của một trận động đất độc nhất chỉ thích hợp cho mục đích tính toán lý thuyết chứ không phù hợp cho mục đích thiết kế thực tế Các trận động đất khác nhau tại những địa điểm khác nhau sẽ cho các phổ phản ứng khác nhau Mặc khác tính chất động đất xảy ra trong tương lai của một địa điểm xây dựng nào đó hoàn toàn chưa kiểm soát được Do đó phổ phản ứng địa chấn được dùng để thiết kế các công trình xây dựng phải được thiết lập trên một tập hợp các chuyển động địa chấn có thể xảy ra tại địa điểm đang xét đó Bên cạnh đó nếu chỉ dựa vào một gia tốc đò duy nhất, phổ phản ứng thu được sẽ là các đường cong hình răng cưa, lồi lõm với các đỉnh cao thấp kế tục nhau Khi dùng phổ này chỉ cần một thay đổi nhỏ của chu kỳ dao động, hệ kết cấu có thể rơi vào đỉnh trũng hoặc đỉnh lồi của phổ phản ứng, dẫn đến việc thiết kế sẽ không an toàn hoặc quá an toàn Để tránh vấn đề này phổ phản ứng thiết kế đã được đề xuất Phổ phản ứng thiết kế hay còn gọi là phổ thiết kế đàn hồi, hay ngắn gọn hơn nữa là phổ thiết kế được định nghĩa như sau: là phổ trung bình của các phổ phản ứng động đất được xây dựng từ các gia tốc đồ ghi tại địa điểm có cấu trúc địa chất tương đồng của nhiều trận động đất khác nhau, sau đó được điều chỉnh và làm trơn Phổ thiết kế đàn hồi dùng để miêu tả giá trị bao của các dịch chuyển nền đất ghi lại trong các trận động đất trước đây 68

Hiện nay đã có rất nhiều phổ thiết kế đã được xây dựng như: 68

+ Phổ thiết kế trung bình của Housner 68

+ Phổ thiết kế của Newmark và Hall 68

Phân biệt sự khác nhau giữa phổ phản ứng và phổ thiết kế : 68

- Phổ phản ứng đơn thuần là những giá trị đỉnh của tất cả các bậc tự do dưới tác dụng của động đất 68

Trang 22

- Phổ thiết kế là những giá trị lực hay biến dạng mang tính lý thuyết, và thường là giá trị bao của cả hai phổ phản ứng và phổ thiết kế đàn hồi Phổ thiết kế đàn hồi cung cấp những giá trị

cơ bản nhất dùng để xác định lực hay biến dạng thiết kế dùng cho hệ đàn hồi 68 Phổ phản ứng phi đàn hồi 68 Kết cấu cầu dưới tác dụng của một trận động đất nguy hiểm có thể chuyển sang trạng thái phi đàn hồi Chẳng hạn như một hệ SDOF đàn hồi và đàn-dẻo ứng xử như hình sau dưới tác dụng của một trận động đất 68 Năng lượng do động đất cung cấp cho kết cấu cầu sẽ bị tiêu tán bởi hai nguyên nhân là cản nhớt và chảy dẻo Chính hai nguyên nhân này làm giảm những phản ứng của kết cấu phi đàn hồi so với kết cấu đàn hồi Cản nhớt thể hiện sự mất mát năng lượng do ma sát trong hệ khi biến dạng, phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu Chảy dẻo đối với các hệ khác nhau sẽ khác nhau phụ thuộc vào các yếu tố như: vật liệu, dạng kết cấu, tải trọng, quá trình chất tải Hiện tượng cản thường ít ảnh hưởng đến kết cấu có chu kì dài hay ngắn mà chỉ xảy ra mạnh nhất ở các kết cấu có chu kì trung bình 69 Trong thiết kế cầu, điều quan trọng nhất là đảm bảo làm sao khi chịu tải trọng động đất mạnh, kết cấu chuyển sang trạng thái dẻo Phân tích kết cấu phi đàn hồi phi tuyến khá phức tạp về mặt lí thuyết và cần phải quan tâm cẩn thận đến việc mô hình kết cấu và thuật giải tính toán Để xem xét ứng xử phi đàn hồi phi tuyến mà không cần phân tích phi tuyến, người ta dùng phương pháp hệ số dẻo thu được từ phổ phản ứng đàn hồi và phi đàn hồi Hệ số dẻo (độ dẻo) của kết cấu thông thường là hệ số dẻo chuyển vị ; trong đó tỉ số chuyển vị tới hạn chia cho chuyển vị chảy dẻo, xem hình 2.6 69 Cách đơn giản nhất để xác định phổ thiết kế phi đàn hồi là dựa trên một tỉ lệ so với phổ thiết kế đàn hồi thông qua một số hàm liên quan đến độ dẻo của kết cấu: 70 (ARS: Phổ phản ứng gia tốc) (2.26) 70 (2.27) 70

Có thể nhận thấy rằng đối với chu kì ngắn () trong vùng nhạy cảm với gia tốc thì yêu cầu chuyển vị đàn hồi nhỏ hơn chuyển vị tới hạn Lúc này hệ số có nghĩa rằng kết cấu nên được thiết kế ở trạng thái đàn hồi nhằm tránh những biến dạng phí đàn hồi quá mức Đối với chu kì trung bình (), trong vùng nhạy cảm với vận tốc, yêu cầu về chuyển vị đàn hồi có thể nhỏ hoặc lớn hơn chuyển vị tới hạn, hệ số dẻo dựa trên giả thiết cân bằng năng lượng Đối với chu kì dài (), trong vùng nhạy cảm với chuyển vị, hệ số dẻo dựa trên giả thiết cân bằng chuyển vị 70 2.1.4 Phương pháp phổ phản ứng tính toán động đất công trình cầu 70 Phương pháp phổ phản ứng có tên gọi đầy đủ là phương pháp phân tích phổ phản ứng dạng dao động Đây là phương pháp tham chiếu để xác định hệ quả của tác động động đất, sử dụng mô hình đàn hồi tuyến tính và phổ thiết kế động đất Phương pháp này dùng để phân tích kết cấu không thõa mãn điều kiện áp dụng phương pháp lực tĩnh ngang tương đương (có

Trang 23

chu kỳ dao động cơ bản T1 ≤ 4Tc và T1≤ 2s, thỏa mãn các điều kiện về tính đều đặn trên chiều cao quy định) 70

Nó là một phương pháp gần đúng trong tính toán động lực học nhằm đưa ra các phản ứng lớn nhất của công trình như chuyển vị, vận tốc, gia tốc của hệ một bậc tự do có cùng hệ số cản nhưng khác nhau tần số tự nhiên khi phản ứng với các kích thích khác nhau Mô hình kết cấu của hệ có n bậc tự do động có thể chuyển về n hệ có một bậc tự do, như vậy thì các nguyên lý của phân tích phổ phản ứng có thể áp dụng cho hệ có nhiều bậc tự do Đối với hầu hết các loại cầu, phân tích theo lịch sử thời gian dường như không cần thiết vì cần công sức tính toán lớn nên phương pháp phổ phản ứng được sử dụng khá phổ biến 70

a Phân tích đơn phổ 71 Phương pháp này thường sử dụng cho những kết cấu đối xứng, phân tích đàn hồi tuyến tính đế tính toán lực và biến dạng Ví dụ tính toán cho các kết cấu cầu liên tục hay không liên tục theo phương dọc, phương ngang 71 Nguyên lý tính toán của phương pháp này là xem lực thiết kế động đất tác động lên công trình ở dạng dao động cơ bản có ảnh hưởng lớn hơn so với các dạng dao động khác 71 Phương pháp phân tích đơn phổ dựa trên phương pháp năng lượng Rayleigh, một phương pháp gần đúng giả thiết các dạng dao động của kết cấu Chu kỳ tự nhiên của kết cấu được tính toán bằng sự cân bằng giữa động năng và thế năng lớn nhất ở các dạng dao động Lực quán tính pe(x) được tính toán bằng cách sử dụng chu kỳ tự nhiên, sau đó lực và chuyển vị thiết kế được tính toán dựa vào phân tích tĩnh Trình tự chi tiết được thực hiện như sau: 71

1 Đặt lực phân bố đều po trên chiều dài của kết cấu và tính toán chuyển vị tĩnh tương ứng us(x) Độ võng của kết cấu dưới tác dụng của động đất us(x,t) sau đó được tính bởi hàm dạng us(x) nhân với hàm cường độ tổng quát u(t) phải thoả mãn điều kiện biên của kết cấu: 71 .71

2 Tính toán các thông số tổng quát 71 ; 71 (2.28) 71 Trong đó: w(x) là trọng lượng tĩnh tải kết cấu nhịp 71

3 Tính toán chu kỳ tự nhiên (2.29) .71 Trong đó g là gia tốc trọng trường (mm/s2) 71

4 Tính toán tải trọng tĩnh tương đương lực quán tính pe(x) theo chuyển vị us(x) và chuyển

vị này lấy từ đường cong phổ phản ứng gia tốc: 72 (2.30) 72 Trong đó: 72 Csm: hệ số phản ứng động đất đàn hồi không thứ nguyên cho dạng dao động thứ m 72 A: hệ số gia tốc tra từ bản đồ hệ số gia tốc 72 S: hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào loại đất 72

Trang 24

Tm: chu kỳ của kết cấu dạng thứ m 72 pe(x): cường độ của lực động đất tĩnh tương đương tương ứng với dạng dao động cơ bản 72

5 Đặt tải trọng pe(x) tác dụng lên hệ và tính toán độ võng cũng như nội lực kết cấu 72 Phương pháp này là một quá trình lặp cho đến khi kết quả tính toán trùng với dạng dao động giả thiết ban đầu 72

b Phương pháp tải trọng phân bố đều 72 Phương pháp này thường áp dụng cho cầu đơn giản, tương đối thẳng, độ cứng cân bằng hay kết cấu hạ bộ khá nhẹ, không có khớp Nó không phù hợp cho kết cấu hạ bộ cứng tương đối (trụ kiểu tường) 73 Phương pháp này là phương pháp lực tĩnh tương đương dùng tải trọng phân bố đều để tính động đất với giả thiết sự liên tục của kết cấu và sự phân bố tải trọng động đất lên tất cả các cấu kiện của cầu dựa trên dạng dao động cơ bản theo cả phương ngang và phương dọc cầu Chu kỳ dao động được tính toán dựa trên mô hình dao động của khối lượng - lo xo Độ cứng

lò xo được tính toán dựa trên chuyển vị lớn nhất xuất hiện dưới tác dụng của một tải trọng phân bố đều bất kì Hệ số phản ứng động đất đàn hồi Csm hoặc đường cong phổ phản ứng giá tốc được dùng để tính toán tải trọng động đất phân bố đều, từ đó tính ra chuyển vị và nội lực của hệ Các bước tính toán như sau: 73 (2.31) 73 (2.32) 73

c Phân tích đa phổ (Phân tích phổ nhiều dạng dao động) 73 Đây là phương pháp mang lại độ chính xác cao nhưng khá phức tạp Nó phù hợp cho kết cấu cầu không cân xứng về dạng hình học, khối lượng hay độ cứng 74 Phương pháp phân tích đa phổ thường dùng mô hình các loại cầu có hệ thanh 3D với khối lượng quy về các vị trí khác nhau để việc phân tích dạng dao động được chính xác Thông thường, nếu mỗi nhịp cầu qui về 5 khối lượng tập trung thì đủ để phân tích chính xác 3 dạng dao động đầu tiên Để tính toán được dạng dao động thứ i, một qui tắc chung là mỗi nhịp nên chia thành ít nhất (2i-1) khối lượng tập trung Đối với cầu nhịp lớn thì càng nên chia làm nhiều khối lượng tập trung ở các vị trí khác nhau Để có một phản ứng hợp lí, số lượng các dạng dao động tính toán nên bằng ít nhất 3 lần số lượng nhịp Phép phân tích này thường được dùng trong các chương trình tính toán kết cấu như Sap2000, Midas Civil Đối với kết cấu cầu có trụ console, trụ chữ C, trụ cột thì momen quán tính của kết cấu thượng bộ nên được kể vào trong tính toán Sự không liên tục của kết cấu cầu tại vị trí các khớp hay mố trụ cũng nên đưa vào tính toán Mố trụ nên có những nút trung gian ở các điểm một phần tư giữa các nút ở hai đầu 74 Bằng cách sử dụng các chương trình như nói ở trên, tần số, dạng dao động, nội lực và chuyển vị có thể được tính toán Tóm tắt các bước thực hiện như sau: 74 (2.34) 74 Trong đó: (2.35) 74

Trang 25

(2.36) 74 (2.37) 75 với (2.40) 76 với (2.41) 76 (2.42) 76 (2.43) 76 trong đó (2.44) 76 Phương pháp này tương tự như CQC 76 với (2.45) 76 Trong đó: 76 76 với td là khoảng thời gian dịch chuyển của gối 76 Hiệu ứng của chuyển động nền đất theo hai phương ngang trực giao (ngang cầu và ngang theo phương dọc cầu) có thể kết hợp một cách dễ dang trong thiết kế cầu chịu động đất Đối với các kết cấu cầu lớn, khi nền đất chuyển động đủ lớn, thì các giá trị theo phương thẳng đứng nên đưa vào thiết kế Thông thường, kết cấu cầu sẽ được phân tích độc lập theo mỗi phương theo phương pháp phân tích phổ phản ứng và sau đó kết hợp lại với nhau theo các cách tổ hợp dạng chính như là CQC hay SRSS nói trên, hoặc bằng một phương pháp tương đương Khi thiết kế cầu bằng phương pháp tĩnh ngang tương đương hay là phân tích dạng chính, lực động đất có thể được xác định bằng phương pháp tương đương sau: 77 SeismicX = 100% SeismicXY+ 30% SeismicYX 77 SeismicY = 100% SeismicYX+ 30% SeismicXY 77 Với kết cấu cầu thiết kế dùng phương pháp Lịch sử thời gian, phản ứng kết cấu được tính toán bằng cách sử dùng dữ liệu đầu vào theo các phương trực giao khác nhau đồng thời Nếu điều này thực hiện không khả thi thì phương pháp tương đương trên được sử dụng 77

d Phương pháp phân tích phổ phản ứng cho kết cấu cầu nhịp lớn 77 Thông thường ta hay giả thiết rằng, các gối cầu cùng chịu một kích thích như nhau khi động đất xảy ra, giả thiết này chỉ đúng đối với kết cầu mà móng các công trình cầu gần nhau Tuy nhiên, đối với cầu nhịp lớn, các móng cách xa nhau một khoảng đáng kể Như đã phân tích ở trên, dịch chuyển nền đất tại mỗi điểm phụ thuộc vào tính chất của đất tại đó và khoảng cách từ đó đến chấn tâm Như vậy, rõ ràng là cầu nhịp lớn với khoảng cách các móng cầu lớn, sẽ chịu kích thích khác nhau 77(a) Sơ đồ cầu 77 b) Tương quan chuyển vị theo phương dọc của trụ W3 và W5 theo thời gian 77 (2.46) 78 Trong đó: 78 : véctơ gia tốc có giá trị bằng 0 tại những vị trí không phải là gối .78

Trang 26

Biến đổi tương tự như phương trình chuyển động của kết cấu cầu có nhiều bậc tự do, ta có phương trình dạng của dạng dao động thứ n: 78 (2.47) 78 Trong đó: 78 Ng: tổng số gối chịu lực kích thích khác nhau 78 2.1.5 Phân tích lịch sử thời gian 78 Khi kết cấu cầu đòi hỏi phải phân tích phi tuyến hoặc tính chất cản không còn được mô hình như thông thường thì phân tích dạng chính không còn được sử dụng Một phương pháp tích phân số, thông thường được hiểu là phân tích lịch sử thời gian, được sử dụng để phân tích chính xác phản ứng của kết cấu 78 Trong phân tích lịch sử thời gian, trục thời gian được chia thành những bước nhỏ dt Ở khoảng thời gian thứ i, phản ứng được xác định bằng các giá trị Như vậy phản ứng của kết cấu ở khoảng thời gian thứ i phải thoả mãn phương trình: .78 (2.48) 78

Ở khoảng thời gian thứ i+1, phương trình là: 78 (2.49) 78 Bằng cách giải lần lượt các phương trình trên ta thu được phản ứng của kết cấu theo lịch sử thời gian 78 2.2.PHÂN TÍCH CẦU DÂY VĂNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 78 Trong phạm vi nội dung của luận văn, kết cấu cầu dây văng sẽ được mô hình hóa với từng

bộ phận của hệ kết cấu như sau: dầm cứng, trụ tháp, các dây văng 78 2.2.1 Dầm cứng 78 Dầm cứng trong dây văng làm việc chịu uốn như dầm liên tục kê trên mố, trụ và các gối đàn hồi là các điểm trao dây văng Lực kéo trong dây văng làm cho dầm bị uốn và nén đồng thời 79 Dầm cứng bằng thép có thể cấu tạo từ các tiết diện dầm chữ I hoặc hộp liên kết bởi dầm ngang, dầm dọc và trên đó hệ mặt cầu bằng BTCT hoặc bằng thép Khi yêu cầu chống xoắn cao, dầm thép có dạng hình hộp 79 Dầm cứng bằng BTCT có thể dùng loại dầm hoặc dạng bản có dầm ngang và khi yêu cầu chống xoắn thì thường làm bằng dạng hộp .79 Thông thường cầu được mô hình hóa bằng các phần tử dầm (beam), với kết cấu cầu này thì được mô hình hóa bằng sơ đồ 3D 79 2.2.2 Tháp cầu 79 Trong cầu dây văng tùy theo độ cứng chịu uốn của tháp theo phương dọc có thể phân biệt hai loại tháp cầu: tháp mềm và tháp cứng 79 Tháp mềm có kích thước theo phương dọc cầu tương đối nhỏ, độ cứng bé, khả năng chịu uốn kém Chuyển vị ngang của đỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng kéo của dây neo và độ cứng chống uốn của dầm .79

Trang 27

Tháp cứng có kích thươc tiết diện ngang lớn, độ cứng theo phương dọc cầu lớn để hạn chế chuyển vị ngang tại đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng Do đó tháp cứng liên kết với trụ và không cần dây neo Nó chịu tải như một thanh đầu ngàm, một đầu tự do nén uốn .79 Tháp cầu có thể cấu tạo hình chữ A, H hoặc Y ngược Để có thể bố trí dầm chủ tiết diện hộp liên tục qua trụ, chân tháp thường không trực tiếp liên kết vào trụ mà ngàm vào dầm chủ, phản lực thẳng đứng truyền qua gối của dầm hộp xuống trụ Theo phương ngang tháp chịu nén uốn như thanh một đầu ngàm, 1 đầu tự do nên kích thước tiết diện tương đối lớn 79 2.2.3 Dây văng 79 Dây cáp trong cầu dây văng có đầu trên neo vào tháp, đầu dưới neo vào dầm và mố trụ Dưới tác dụng của tải trọng dây văng sẽ chịu kéo 79 Cáp có thể có các cấu tạo như sau: các thanh song song, các sợi song song, các tao song song, cáp kín hoặc dạng bó cáp tao xoắn 79 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 79 Phân tích động đất trong công trình cầu nói chung và rút ra được phương pháp tính toán cầu dây văng chịu tải trọng động đất trong phạm vi nghiên cứu của luận văn: phương pháp phổ phản ứng và phương pháp lịch sử thời gian 79 Phân tích chi tiết và đưa ra được những trình tự tính toán cho các phương pháp tính toán công trình cầu chịu tải trọng động đất của Việt Nam hiện nay 79

CHƯƠNG 3 80

VÍ DỤ PHÂN TÍCH NỘI LỰC CẦU DÂY VĂNG TẠI 80 NÚT NGÃ BA HUẾ - ĐÀ NẴNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 80

3.1 CÁC SỐ LIỆU CỦA CẦU DÂY VĂNG TẠI NÚT NGÃ BA HUẾ -ĐÀ NẴNG 80 3.1.1 Giới thiệu chung về Cầu dây văng tại nút ngã ba Huế - Đà Nẵng 80 Nút giao thông Ngã ba Huế nằm ở phía Tây Bắc thành phố Đà Nẵng, trên địa phận quận Thanh Khê, quận Cẩm Lệ và quận Liên Chiểu Tại vị trí nút giao, Quốc lộ 1A vượt qua đường sắt Bắc Nam rồi rẽ phải đi dọc theo đường sắt về phía Nam Tuyến Quốc lộ 1A cũng đấu nối với đường Điện Biên Phủ (đường vào trung tâm thành phố Đà Nẵng tạo thành ngã ba đường bộ) và tuyến đường sắt quốc gia Hà Nội - TP.Hồ Chí Minh Hiện nay đường Điện Biên Phủ đã được nâng cấp mở rộng nhằm giải quyết một phần lưu lượng giao thông đi vào nội thành, lưu lượng phương tiện thông qua tại nút giao lớn, thành phần tham gia giao thông phức tạp Việc giao nhau giữa nhiều tuyến đường giao thông tạo nên khu vực này luôn gây

ùn tắc giao thông đặc biệt tại các giờ cao điểm và lúc các chuyến tàu Bắc Nam chạy qua Đầu tư xây dựng nút giao thông khác mức tại nút giao thông ngã ba Huế sẽ góp phần giải quyết tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông; đồng thời tạo ra cảnh quan, điểm nhấn kiến trúc cho cửa ngõ vào trung tâm thành phố 80

Trang 28

Phương án thiết kế xây dựng nút giao gồm 3 tầng với các hạng mục công trình chính như sau: 80 Tầng mặt đất : tầng mặt đất được thiết kế ưu tiên dành đường riêng cho đường sắt, không

có giao cắt với đường bộ, với các đường gom có mặt cắt ngang là 7 mét 80 Tầng 1: Cầu vượt vòng xuyến, gồm vòng xuyến chính và các nhánh cầu và đường dẫn dẫn các phía đường Điện Biên Phủ, Trường Chinh và Tôn Đức Thắng Cầu vòng xuyến có đường kính là 150 mét, mặt cắt ngang của đường vòng xuyến rộng 15 mét, bao gồm 3 làn xe (2 làn dành cho xe cơ giới và 1 làn dành cho xe thô sơ), tốc độ qua nút là 40Km/h, được tổ chức lưu thông cho các phương tiện từ 4 hướng ra - vào nút 80 Tầng 2: cầu dây văng có mặt cắt ngang là 17 mét, bao gồm 4 làn xe (mỗi chiều 2 làn) tốc độ phương tiện qua nút là 60km/h, được tổ chức giao thông cho phép tất cả phương tiện lưu thông theo trục Điện Biên Phủ - Tôn Đức Thắng 81 3.1.2 Điều kiện tự nhiên khu vực xây dựng cầu 82

a Điều kiện địa hình 82 Nút giao đường sắt & đường bộ Ngã Ba Huế thuộc Km 793+460 tuyến đường sắt Hà Nội-

Tp Hồ Chí Minh Đây là một trong những cửa ngõ quan trọng nối liền giao thông Bắc – Nam (Đường Tôn Đức Thắng và đường Trường Chinh) vào trung tâm TP Đà Nẵng (Đường Điện Biên Phủ) Nút giao thuộc địa phận quận Thanh Khê, quận Liên Chiểu và quận Cẩm Lệ – TP.Đà Nẵng Với địa hình bằng phẳng tạo điều kiện thuận lợi để tạo dáng kiến trúc cho công trình, dễ dàng tập kết vật liệu, khá thuận lợi cho việc bố trí công trường và vận chuyển trang thiết bị phục vụ thi công công trình Tuy xung quanh khu vực dự án nhà cửa tập trung nhiều, phía tầng mặt lại có tuyến đường sắt hoạt động ngày đêm nên gây nhiều trở ngại trong quá trình thi công Độ cao trung bình khu vực khoảng 4m, địa hình có xu hướng dốc cao dần lên

về phía đường Trường Chinh đi thành phố Tam Kỳ và phía đường Điện Biên Phủ đi vào trung tâm thành phố Đà Nẵng 82 Nhìn chung, địa hình khu vực nằm ở trên tuyến đường trọng tâm của thành phố đồng thời là nơi cửa ngõ giao thông Bắc Nam nên tương đối thuận lợi cho việc vận chuyển vật liệu, vật tư

kỹ thuật khi xây dựng 82

b Điều kiện địa chất .82 Lớp ĐĐ: Đất đắp: Sét pha cát lẫn dăm sạn, kết cấu nền đường BTN cũ Lớp đất đắp này được hình thành do quá trình thi công bồn hoa và nền mặt đường cũ Lớp này được gặp ở tất

cả các lỗ khoan của cầu vượt tầng 2 Bề dày lớp thay đổi từ 1.20m(LKT3) đến

1.70m(LKT10) 82 Lớp 1a: Cát lẫn sét (SC), màu xám vàng, nâu đỏ Kết cấu rời rạc Lớp 1a chỉ gặp ở lỗ khoan LKT4 Bề dày lớp 6.30m Cao độ đáy lớp -3.29 Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp thay đổi từ 83 Lớp 2a: Đất cát lẫn bụi (SM) xen kẹp các lớp sét mỏng (d=10cm-15cm), màu xám xanh, xám trắng, trạng thái bão hoà, kết cấu rất rời rạc - chặt vừa Lớp 2a được gặp ở các lỗ khoan

Trang 29

của cầu vượt tầng 2 Bề dày lớp thay đổi từ 6.00m (LKT4) đến 11.80m (LKT7) Cao độ đáy lớp thay đổi từ -9.29m (LKT4) đến -8.28m (LKT8) Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp thay đổi từ 83 Lớp 3a: Đất sét ít dẻo (CL) lẫn dăm sạn, màu xám xanh, trạng thái dẻo chảy Lớp 3a được gặp ở các lỗ khoan LKT7 Bề dày lớp 2.10m Cao độ đáy lớp -10.58m Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp bằng 2 .83 Lớp 4a: Cát cấp phối tốt (SW), màu xám xanh, trạng thái bão hoà, kết cấu chặt vừa Lớp 4a được gặp ở lỗ khoan (LKT7) Bề dày lớp 2.20m Cao độ đáy lớp -13.05m Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp bằng 20 .83 Lớp 5a: Đất sét ít dẻo (CL) màu xám trắng, xám xanh Trạng thái nửa cứng Lớp 5a được gặp ở các lỗ khoan LKT8, LKT9, LKT10 Bề dày lớp thay đổi từ 2.40m (LKT8) đến 3.80m (LKT9) Cao độ đáy lớp thay đổi từ -10.69m (LKT8) đến -12.36m (LKT9) Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp thay đổi từ 83 Lớp 5b: Đất sét ít dẻo (CL) màu xám trắng, xám xanh Trạng thái cứng Lớp 5b được gặp ở tất cả các các lỗ khoan của cầu vượt tầng 2 Bề dày lớp thay đổi từ 1.80m (LKT7) đến 4.50m (LKT9) Cao độ đáy lớp thay đổi từ -14.85m (LKT7) đến -16.86m (LKT9) Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp thay đổi từ 83 Lớp 6a : Đá phiến phong hóa nặng, nứt nẻ, vỡ vụn, vỡ dăm, độ cứng cấp 4-6 TCR thay đổi

từ 0% -43.80%, RQD thay đổi từ 0 - 30.40% .83 Lớp 6a được gặp ở tất cả các lỗ khoan của cầu vượt tầng 2 Bề dày lớp thay đổi từ 9.00m (LKT9) đến 26.70m (LKT5) Cao độ đáy lớp thay đổi từ -36.61m (LKT5) đến -25.86m (LKT9) Kết quả thí nghiệm SPT cho giá trị N30 của lớp thay đổi rất lớn và đều lớn hơn 75 .83 Lớp 6b : Đá phiến phong hóa, nứt nẻ, vỡ tảng, độ cứng cấp 7-8 TCR thay đổi từ 0% - 48%, RQD thay đổi từ 0 - 80% .83 Lớp 6b được gặp ở tất cả các lỗ khoan của cầu Bề dày khoan xuyên vào lớp thay đổi từ 2.50m (LKT4) đến 9.60m (LKT7) Cao độ đỉnh lớp thay đổi từ -24.53m (LKT3) đến

-36.61m (LKT5) Qua thí nghiệm 15 mẫu đá cho thấy cường độ kháng nén của đá có sự thay đổi rất lớn từ 65.20kG/cm2413.60kG/cm2 (trạng thái khô) và 47.60kG/cm2228.10kG/cm2 (trạng thái bão hoà) 83 Nhìn chung các lỗ khoan cầu đều gặp lớp chịu lực có thành phần là đá phiến sét phong hóa, nứt nẻ trung bình đến mạnh Độ sâu lỗ khoan thay đổi từ khoảng 32m đến xuất hiện lớp đá phiến sét có độ cứng cấp 78 nhưng phong hóa và nứt nẻ; RQD tốt hơn tuy nhiên mức độ đồng đều không cao, trong phạm vi khoan, lớp này có bề dày khoảng 38m Đây là lớp chịu lực chính của công trình cầu, độ sâu thiết kế cọc khoan nhồi đặt ngàm trong lớp này 83 Các hiện tượng địa chất động lực 84 + Hiện tượng xói mòn bề mặt và mương xói: Do địa hình đồi núi ở phía Tây Nam chiếm đa

số, các dãy núi có xu hướng thấp dần về phía biển nên hiện tượng xói mòn bề mặt, mương

Trang 30

xói khá phát triển trên các sườn đồi, núi, nhất là tại những nơi lớp phủ thực vật bị tàn phá, vỏ phong hóa được cấu tạo từ đất mềm xốp, địa hình trong khu vực dốc nên hiện tượng xói mòn, mương xói diễn ra mạnh nhất vào thời kỳ mưa lũ 84 + Hiện tượng phong hóa diễn ra mạnh mẽ do khí hậu trong khu vực biến đổi phức tạp làm cho đất đá mất tính ổn định về mặt cấu trúc, kiến trúc và cường độ chịu tải 84 + Hiện tượng động đất: Theo tài liệu về địa chấn cho thấy khu vực thành phố Đà Nẵng có cấp động đất từ cấp 8 đến cấp 9 84

c Điều kiện thủy văn 84 Toàn bộ khu vực nút giao thông Ngã ba Huế là đồng bằng ven biển, được phủ một đới trầm tích khá dày Trên bề mặt địa hình có mạng lưới sông, ao, hồ, nên điều kiện địa chất thủy văn trong vùng rất đặc biệt, trữ lượng nước mặt, nước ngầm rất phong phú 84 Trong khu vực nghiên cứu có đới chứa nước là các lớp đất đá rời như cát, dăm, sạn, đá gốc phong hóa nứt nẻ, nguồn cung cấp chủ yếu là nước mặt Chính vì vậy, mực nước dưới đất ở đây bị dao động theo mùa 84 3.1.3 Các thông số chung về cầu dây văng 84

a Kích thước chung của cầu 84 Cầu có tổng chiều dài Lc=555m gồm 14 nhịp bố trí theo sơ đồ: 84 Liên 1 (2x30+2x35+30)m+ Dây văng (2x90)m+ Liên 2 (30+35+5x30)m 84 Trong quá trình mô hình và phân tích tính toán tính cho nhịp dây văng (2x90)m 84

b Thông số gối cầu dây văng 85 Gối TE cho phép dịch chuyển theo một phương và đáp ứng được lực ngang

theo phương vuông góc với phương này 86 Gối TE có thể được trang bị một dẫn hướng trung tâm (hiển thị bởi chữ “i”

trong loại gối) hoặc hai dẫn hướng bên ngoài (hiển thị bởi chữ “a”) 86 Chuyển vị vuông góc so với phương dẫn hướng theo lý thuyết là bằng không

Trong thực tế, có khoảng cách lên đến 2mm 86

Hệ số ma sát: 86 khoảng .86 =trung bình PTFE-áp lực 86 Lực ma sát ngang: 86 : lực ma sát ngang 86 : lực theo phương dọc gối 86 : lực theo phương ngang gối 86 Hình 3.7 Khả năng chịu tải tối đa của một số loại gối TE 87 Hình 3.8 Kích thước một số loại gối TE 87 3.2 PHÂN TÍCH CẦU 87 3.2.1 Phương pháp lực tĩnh ngang tương đương 87

Trang 31

Tải trọng động đất tác dụng lên công trình thông qua dịch chuyển của nền đất và được biểu diễn thông qua lực quán tính Lực động đất tác dụng lên công trình có phương nằm ngang có giá trị bằng: 87 (3.1) 87 Trong đó: Q là trọng lượng công trình .87

là hệ số động đất 87 Suy ra: F = KS.Q (3.2) 87

Hệ số động đất được xác định trên cơ sở thực nghiệm và phụ thuộc vào một loạt thông số tùy theo từng tiêu chuẩn tính toán và đặc điểm công trình hoặc các điều kiện địa chất 87 Dựa vào công thức trên, ta có thể xác định được lực quán tính lớn nhất, tức là tải trọng động đất tác động lên công trình khi biết gia tốc cực đại của nền đất và trọng lượng công trình 87 Trong các tiêu chuẩn kháng chấn, lực ngang do động đất gây ra tác động ở chân công trình được giả thiết bằng tích hệ số địa chấn CS với trọng lượng toàn bộ công trình Q Lực ngang này có tên là lực cắt đáy hoặc lực cắt ở chân công trình, được phân bố trở lại trên chiều cao công trình tại các vị trí có khối lượng tập trung Phương pháp tĩnh ngang tương đương không

áp dụng cho các công trình có hình dạng không đều đặn trên mặt bằng cũng như trên chiều cao 87 Đối với công trình cầu dây văng thì lực tĩnh ngang tương đương sẽ tập trung tại các vị trí liên kết dây văng với dầm cầu 88 3.2.2 Phương pháp phổ phản ứng 88 Trình tự: 88

1 Mô hình hóa kết cấu 88

2 Xác định sự phân bố khối lượng trong kết cấu 88

3 Xác định các thông số của phân tích trị riêng 88

4 Xây dựng hàm phổ đáp ứng và trường hợp tải trọng cho phân tích phổ đáp ứng 88

5 Xác định nguyên tắc tổ hợp đáp ứng 88

6 Tiến hành phân tích và xử lý kết quả 88 Dựa vào phần mềm Midas, kết cấu cầu được phân tích và đưa ra các giá trị chuyển vị của các nút, nội lực của các thanh theo thời gian .88 Kết luận: 93

Từ các biểu đồ trên nhóm tác giả chọn một số vị trí bất lợi về nội lực để đi đến phân tích ảnh hưởng của động đất đối với các điểm này theo thời gian bằng ứng dụng của phần mềm Midas Civil 2011 Dưới đây là một số vị trí mà nhóm tác giả chọn để phân tích lịch sử thời gian Xem hình 3.14 94 3.2.3 Phương pháp lịch sử thời gian 94

Mô hình cầu dây văng được phân tích theo gia tốc nền một trận động đất lớn trên thế giới là

El Cetro Site vào năm 1940 Gia tốc nền của trận động đất này được ghi lại với số gia thời

Trang 32

gian là 0,02s Gia tốc nền được kích thích theo ba phương theo gia tốc đồ đo được Kỹ thuật phân tích dạng chính đựơc sử dụng để phân tích lịch sử thời gian chuyển động của kết cấu.94 Tương ứng với trận động đất được khảo sát ở trên thì sự thay đổi nội lực tại các vị trí của kết cấu dây văng: 95

a Momen tại các thanh 95

b Lực cắt tại các gối 95 3.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 96 Khi tính toán động lực học cầu dây văng và tính toán động đất cầu dây văng điều chú ý là số dạng dao động cần xét đến Số dạng dao động cần đủ để phân tích chính xác phản ứng chung của hệ Đối với cầu dầm liên tục số dạng dao động tối thiểu bằng 3 lần số nhịp 96 Dựa vào phần mềm Midas/Civil để giải quyết công việc tính toán các bài toán động lực học công trình, đặc biệt là bài toán động đất Đối với phương pháp phổ phản ứng, dựa vào gia tốc

đồ cho trước hoặc phổ thiết kế cho trước chúng ta có thể xác định được nội lực, chuyển vị của hệ, qua đó có thể xác định được giá trị nội lực max, min của nút, bên cạnh đó nó còn có thể tính toán với nội lực và chuyển vị cho riêng của từng phần tử cụ thể Đối với phương pháp lịch sử thời gian chuyển vị, vận tốc và gia tốc được tính toán cho mỗi nút 96

CHƯƠNG 4 96 CÁC BIỆN PHÁP GIẢM CHẤN CHO CẦU DÂY VĂNG KHI CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT 96

4.1 TỔNG QUAN VỀ CÁC THIẾT BỊ GIẢM CHẤN 97 Hiện nay những thảm họa của các trận động đất gây ra trên thế giới cũng như Việt Nam đang ngày càng phổ biến, vì vậy nhiệm vụ đặt ra cho các nhà nghiên cứu là phải tìm ra phương pháp thiết kế kháng chấn phù hợp cho công trình Vì vậy theo thiết kế kháng chấn hiện đại, khi thiết kế công trình cần đảm bảo 2 quy định sau: công trình có một độ bền đủ lớn nhằm tăng khả năng chịu lực của kết cấu và có một độ cứng thích hợp nhằm giúp công trình

có sự cân bằng hài hòa về mặt động lực 97 Với quan điểm thiết kế như trên các nhà khoa học đã nghiên cứu các kỹ thuật điều khiển kết cấu để chống động đất Ý tưởng chính về điều khiển kết cấu là lắp đặt các thiết bị vào trong kết cấu nhằm giảm dao động và đảm bảo độ bền cho kết cấu khi chịu tác động của động đất Nhiệm vụ chính của thiết bị điều khiển là: hoặc hấp thu, tiêu tán năng lượng, từ đó giảm dao động cho kết cấu hoặc làm cách ly dao động Vì vậy đây được xem là một biện pháp tối ưu cho công trình chống động đất Các hệ thống điều khiển được chia làm 3 nhóm sau: 97

- Điều khiển bị động (Pasive Control) 97

- Điều khiển chủ động (Active Control) 97

- Điều khiển bán chủ động (Semi-active Control) 97 4.1.1 Điều khiển bị động (Pasive Control) 97

Trang 33

Hệ này giúp kết cấu hấp thu một phần năng lượng do gió, bão, động đất thiết bị tiêu tán năng lượng được gắn vào kết cấu sẽ làm tiêu tán năng lượng này Hiện nay hệ này rất phổ biến, được con người sử dụng từ lâu vì nó không cần năng lượng bên ngoài, giá thành tương đối rẻ Tuy nhiên chúng ta không thể thay đổi thông số của chúng vì mỗi thiết bị đươc thiết

kế riêng, phù hợp cho từng công trình cụ thể Hệ cản hiện nay đang được sử dụng phổ biến là: 97

a Hệ cô lập móng (base isolation) 97

Hệ này gồm một gối đỡ được đặt giữa dầm và phần móng ở dưới Gối đỡ này có ưu điểm là

độ cứng theo phương ngang rất nhỏ nên sẽ làm kéo dài chu kỳ của kết cấu, ngoài ra nó còn

có thể tiêu tán một phần năng lượng tại gối Vì vậy đây được xem như là thiết bị điều khiển tốt nhất cho công trình chịu động đất Hiện nay có 2 loại gối cô lập móng đang được sử dụng rộng rãi: 97

b Hệ tiêu tán năng lượng bị động 98

- Hệ cản kim loại (Metallic Damper): Hệ cản này tiêu tán năng lượng thông qua biến dạng không đàn hồi của kim loại như: thép mềm, chì và các hợp chất khác… Hình 4.3 98

- Hệ cản chất lỏng nhớt (Viscous Fluid Damper): Hệ cản này lợi dụng đặc tính nhớt của chất lỏng Năng lượng tiêu tán là do chuyển động chất lỏng qua lại buồng 1 và 2 sinh ra lực cản

và sự ma sát giữa chất lỏng và các thành phần khác của thiết bị, xem Hình 4.4 98

- Hệ cản chất rắn đàn nhớt (Solid Viscoelastic Damper): Hệ cản này dùng vật liệu polymer dán ở giữa các tấm thép Khi dao động thì các tấm thép sẽ chuyển động tương đối với nhau sinh ra lực cản làm tiêu tán năng lượng Hệ cản này thường được bố trí trong các giằng chéo của công trình Hệ cản này ngoài việc tiêu tán năng lượng còn làm tăng độ cứng kết cấu 98

- Hệ cản ma sát (Friction Damper): Ứng dụng nguyên lý lực ma sát giữa 2 bề mặt trượt tương đối lẫn nhau, năng lượng vào được tiêu tán bởi lực ma sát này Hình 4.5 98

- Hệ cản điều chỉnh khối lượng (Tuned Mass Damper): Hệ gồm một khối lượng gắn vào công trình tại nơi có chuyển động lớn nhất (thường là tầng trên cùng hoặc trên các tháp cầu) thông qua liên kết đàn hồi và liên kết cản Tần số của hệ được điều chỉnh đế một tần số riêng của kết cấu để tạo sự công hưởng lệch pha với chuyển động kết cấu khi có lực tác động vào Hình 4.6 99

- Hệ cản điều chỉnh chất lỏng (Tuned Liquid Damper): Nhóm hệ càn này thường có 2 loại chính là: Cản điều chỉnh chuyển động của chất lỏng (TSD: Tuned sloshing damper) và Cản điều chỉnh cột chất lỏng (TLCD: Tuned liquid colomn damper) TSD thường được dùng nhiều trong nhà cao tầng vì tận dụng các bể chứa nước trên mái Thiết bị TCLD có thể đặt thêm hệ thống điều chỉnh chu kỳ và có tên gọi là TLCD_PAE (Tuned liquid colomn damper with period adjustment equipment) 99 4.1.2 Điều khiển chủ động (Active Control): 100 Điển hình của hệ điều khiển chủ động là thiết bị ADM, thiết bị này dùng để đo vận tốc hoặc gia tốc của kết cấu, từ đó tính toán ra lực điều khiển, sau đó đưa ra quyết định điều khiển lực

Trang 34

để đưa kết cấu về trạng thái mong muốn Thiết bị này có ưu điểm là phản ứng nhanh với dao động dau 1/100 giây và có khả năng thích nghi với thay đổi của môi trường, điều khiển với các dao động không biết trước Quá trình làm việc của hệ ADM như sau: Hai thiết bị ADM được gắn vào kết cấu, thiết bị có khối lượng lớn hơn 4 tấn được đặt ở giữa để hạn chế dao động cho toàn bộ kết cấu còn thiết bị khối lượng nhỏ hơn được bố trí bên cạnh để hạn chế hiệu ứng xoắn Vật nặng của hai thiết bị được nối với nhau bởi các dây cáp và được điều khiển bằng cơ cấu chấp hành thủy lực tự động Hai bơm thủy lực và một ắc quy làm nhiệm

vụ duy trì áp suất cho cơ cấu thủy lực có khả năng tạo áp lực nhanh Thiết bị với vật nặng có khối lượng bằng 1,5% khối lượng kết cấu thì có khả năng giảm từ 1/2 đến 2/3 biên độ dao động Qua phân tích quá trình làm việc của thiết bị chúng ta đã thấy được sự cồng kềnh của thiết bị, mặt khác việc duy tu bảo dưỡng khá tốn kém và phức tạp, bên cạnh đó nó thường cần một năng lượng đủ lớn để vận hành Vì vậy, hiện nay người ta cũng ít sử dụng thiết bị này vào việc giảm chấn cho công trình .100 4.1.3 Điều khiển bán chủ động (Semiactive Control): 100

Hệ thống giảm chấn bán chủ động (S-AMD) được chế tạo để thích ứng với những tác động đột ngột như động đất hoặc biến động của thời tiết Phần chủ động của thiết bị S-AMD chỉ hoạt động khi có dao động lớn, khi dao động nhỏ chỉ có phần bị động hoạt động 100 Trên đây là toàn bộ các hệ thống giảm chấn hiện nay đang được đưa vào sử dụng Mỗi loại thiết bị đều có những ưu, nhược điểm riêng, tùy theo công trình mà chúng ta lựa chọn giải pháp giảm chấn cho phù hợp Hiện nay, tại Việt Nam việc lựa chọn ra giải pháp tối ưu nhất khi thiết kế công trình chống động đất đang là bài toán thử thách cho các kỹ sư thiết kế cũng như các nhà khoa học Và một trong những thiết bị đã, đang được sử dụng phổ biến hiện nay

là hệ điều khiển bị động với tính năng đơn giản, dễ vận hành Trong luận văn này sẽ nghiên cứu sâu về gối con lắc ma sát (SFP) sử dụng chống giảm chấn cho cầu dây văng tại nút ngã

ba Huế 100 4.2 TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG TẠI NÚT NGÃ BA HUẾ CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT KHI CÓ BỐ TRÍ THIẾT BỊ GỐI TRƯỢT CON LẮC MA SÁT ĐƠN (SFP) 100 4.2.1 Giới thiệu về gối trượt ma sát đơn (SFP) 100 Các gối trượt ma sát được chế tạo từ kim loại chống gỉ,bao gồm những con lắc trượt trên những mặt cong, nó được phủ một lớp hóa chất tạo ma sát theo phương ngang chịu tác động của động đất Hiện nay có ba loại gối trượt của dạng này đang được nghiên cứu: 100 Như vậy hai hệ số quan trọng trong gối con lắc ma sát là bán kính mặt cong R và hệ số ma sát µ Dưới đây sẽ nghiên cứu về gối con lắc ma sát đơn sử dụng giảm chấn cho cầu dây văng tại nút ngã ba Huế - Đà Nẵng 102

a Đặc điểm cấu tạo của gối trượt ma sát (SFP) 102 Thiết bị gồm có khớp trượt (1) bề mặt được phủ một lớp inox bóng, có độ cong bám theo bề mặt của một phần bán cầu lõm trên(2) làm bằng théo không gỉ và được đặt trến một bán cầu lõm (3) cũng được phủ bằng một loại vật liệu composite có hệ số ma sát thấp 102

Trang 35

b Cách xác định hệ số ma sát và - trong thiết bị SFP 102

Có rất nhiều mô hình được đưa ra để xác định hệ số ma sát, một trong những mô hình hiện nay được sử dụng để tính toán hệ số ma sát của thiết bị SPF là "Mô hình Columb hiệu chỉnh" .102

Mô hình Columb với hệ số ma sát µ là hằng số phản ánh không đúng với thiết bị trượt của gối Constaintinous và cộng sự đã nghiên cứu thực nghiệm và chỉ ra hệ số ma sát thay đổi trong quá trình trượt, µ phụ thuộc vào vận tốc, gia tốc, áp lực bề mặt Vận tốc trượt là hệ số quan trọng tác giả đã đưa ra công thức tính hệ số ma sát: 102 Trong đó: phụ thuộc áp lực bề mặt 102

là hệ số ma sát ứng với vận tốc lớn nhất và nhỏ nhất 102 Với được tính theo công thức : 102 + : hệ số ma sát áp lực của khớp trượt lên bề mặt bán cầu lõm bằng 0 102 + : hệ số ma sát khi có áp lực lớn nhất của khớp trượt lên bán cầu lõm 102 + p: áp lực khớp trượt lên bán cầu lõm, được thiết kế cho phép là pmax=3.108N/m2 102 + : hệ số điều chỉnh khi chuyển tiếp giữa áp lực bề mặt của khớp trượt lên bán cầu lõm từ tương đối thấp sang tương đối cao 103 Gối SFP có các hệ số ma sát như sau: 103

có giá trị cực đại là 0.15; 103

có giá trị cực tiểu là 0.04; 103 =0.05 103 Trong kỹ thuật để chu kỳ dao động T của gối cách chấn trong khoảng 2÷ 4s Phân tích hệ thống cách chấn con lắc ma sát 103 Tham số định nghĩa cho biến dạng cắt đàn hồi như sau: 103 Stiffness (k): Độ cứng cắt ban đầu cho trượt 103 Friction Coefficient, Slow (μs): Hệ số ma sát cho trường hợp vận tốc biến dạng chậm 103 Friction Coefficient, Fast (μf): Hệ số ma sát cho trường hợp vận tốc biến dạng nhanh 103 Rate Parameter (r): Tỷ số thay đổi hệ số ma sát tương ứng với vận tốc biến dạng 103 Radius of Sliding Surface (R): Bán kính của bề mặt trượt cong 103 Hysteretic Loop Parameter (α): Tham số xác định hình dạng đường cong từ trễ của biến dạng cắt đàn hồi 103 Hysteretic Loop Parameter (β): Tham số xác định hình dạng đường cong từ trễ của biến dạng cắt đàn hồi 103

c Mô phỏng chuyển động của gối cách chấn FPS 104 .104

d Ứng xử trễ của gối con lắc ma sát FPS 104 Ứng xử trễ được hiểu như sau: 105 Hình 4.15a lúc chưa có lực ngang F tác động, gối ở tại vị trí cân bằng Khi có lực F tác dụng nhưng chưa lớn ( F < Ff), 105

Trang 36

Hình 4.15b gối vẫn chưa chuyển động Khi F = Ff (tại A), lúc này bắt đầu xảy ra trượt của gối 105 Hình 4.15c diễn tả quá trình trượt (từ A đến B) Năng lượng gối hấp thu vào ở 2 dạng: Thế năng (do Fs) và năng lượng tiêu tán do ma sát Ở tại vị trí B, lực tác dụng đổi chiều, gối dừng

ở tại vị trí có biên độ lớn nhất (hình 4.15d) Khi lực ngang đổi chiều và lớn hơn lực ma sát thì sẽ xảy ra trượt theo chiều ngược lại (vể vị trí cân bằng: D đến E) Kết thúc nửa chu kỳ, nửa chu kỳ còn lại hoàn toàn tương tự, tạo nên vòng trễ trong 1 chu kỳ 105 Năng lượng tiêu tán trong một chu kỳ chính là diện tích vòng trễ (phần gạch chéo hình 4.14), được xác định: 105 4.2.2 Mô hình tính toán có gắn gối SFP 105 4.2.3 Phương pháp tính toán 106 4.2.4 Bố trí gối con lắc ma sát đơn SFP (so sánh trường hợp có và không bố trí gối cách chấn SFP) 106 + Hệ số ma sát : μ = 0.04 106 + Bán kính gối : R = 1.5m 106 + Bán kính hòn bi : r = 0.2m 106 + Gối có chuyển vị : DSFP = 0.35m 106 + Độ cứng hữu hiệu : keff1,3 = 66446 KN/m keff2= 199094 KN/m 107 Sau khi khảo sát bằng phần mềm Midas/Civil 2011, ta có kết quả như sau: 107

a Phương pháp phổ phản ứng phương chính X 107 Momen uốn của dầm và tháp khi bố trí gối SFP giảm nhiều so với khi sử dụng gối chậu Xem hình 107 Hình 4.17 Biểu đồ momen uốn của dầm khi chịu trận 107 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 1,19%- 50,66%) 107 Hình 4.18 Momen uốn của tháp cầu khi chịu trận 107 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 1%- 64,37%) 107 Khi sử dụng gối SFP ta thấy momen xoắn ở những vị trí nội lực bất lợi cũng giảm đi đáng

kể so với khi sử dụng gối chậu Xem hình 107 Hình 4.19 Momen xoắn của dầm khi chịu trận 108 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 14,82%- 79,61%) 108 Hình 4.20 Momen xoắn của tháp khi chịu trận 108 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 0,61%- 40,51%) 108 Tương tự, lực cắt tại các gối và đỉnh tháp khi sử dụng gối SFP cũng giảm nhiều so với khi

sử dụng gối chậu Điều này cho thấy khi ta sử dụng gối SFP thì kết cầu sẽ mềm hơn, sự va đập khi động đất xảy ra tại các gối cầu sẽ nhỏ hơn Đây là hiệu quả của việc sử dụng gối cách chấn Xem hình 108 Hình 4.21 Lực cắt của dầm khi chịu trận 108 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 2,03%-40,61%) 108

Trang 37

Hình 4.22 Lực cắt của tháp cầu khi chịu trận động đất 109 El.Centro 1940 (giảm từ 8,16%-62,32%) 109

b Phương pháp phổ phản ứng phương chính Y 109 Tương tự với phương chính X, khi chịu động đất với phương chính là phương Y thì momen uốn của dầm và tháp khi bố trí gối SFP cũng giảm nhiều so với khi sử dụng gối chậu Xem hình 109 Hình 4.23 Biểu đồ momen uốn của dầm khi chịu trận 109 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 1,19%- 50,65%) 109 Hình 4.24 Biểu đồ momen uốn của tháp cầu khi chịu trận 109 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 2,04%- 66,51%) 109 Hình 4.25 Momen xoắn của dầm khi chịu trận 110 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 7,21- 82,34%) 110 Hình 4.26 Momen xoắn của tháp cầu khi chịu trận 110 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 2,85% -67,39%) 110 Hình 4.27 Lực cắt của dầm khi chịu trận 110 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 2,54%-46,76%) 110 Hình 4.28 Lực cắt của tháp cầu khi chịu trận 111 động đất El.Centro 1940 (giảm từ 7,43%-65,52%) 111

c Phương pháp lịch sử thời gian 111 Hình 4.29 Momen uốn của thanh số 8 khi chịu trận 111 động đất El.Centro 1940 (Giảm 16.6%) 111 Hình 4.30 Momen xoắn của thanh số 8 khi chịu trận 111 động đất El.Centro 1940 (Giảm 85%) 111 Hình 4.31 Lực cắt đầu dầm phương đứng khi chịu trận 112 động đất El.Centro 1940 (Giảm 14%) 112 Hình 4.32 Lực cắt phương ngang cầu khi chịu trận 112 động đất El.Centro 1940 (Giảm 98%) 112 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 16-19 112 Hình 4.33 Vận tốc của nút số 9 khi chịu trận 112 động đất El.Centro 1940 (Giảm 43.8%) 112 Hình 4.34 Gia tốc của nút số 9 phương Y khi chịu trận 113 động đất El.Centro 194 (Giảm 45.8%) 113 Hình 4.35 Vận tốc của nút số179 (đỉnh tháp) khi chịu trận 113 động đất El.Centro 1940 (Giảm 64.7%) 113 Hình 4.36 Gia tốc của nút số179 (đỉnh tháp phương X) khi chịu trận 113

Trang 38

động đất El.Centro 1940 (Giảm 50%) 113 Hình 4.37 Gia tốc của nút số179 (đỉnh tháp phương Y) khi chịu trận 114 động đất El.Centro 1940 (Giảm 50.4%) 114 Hình 4.39 Chuyển vị của gối số 3 khi chịu trận động đất El.Centro 1940 114 (tăng 7.6 lần) 114 4.3 KẾT LUẬN 116

TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

LỜI NÓI ĐẦU

Đất nước đang trong thời kỳ hội nhập kinh tế thế giới WTO, đang từng ngày đổi mới, mỗi người phải xác định được mục tiêu cần làm.

Với mục tiêu và nhiệm vụ, các trường đại học nói chung và trường đại học Bách Khoa - Đại Học Đà Nẵng nói riêng đã và đang đầu tư cho sinh viên điều kiện học tập tốt, trang bị kiến thức một cách tâm huyết để sau khi ra trường góp một phần kiến thức nhỏ bé của mình vào công cuộc xây dựng tổ quốc Việt Nam giàu mạnh sánh vai cùng cường quốc năm châu như Bác Hồ mong đợi

Là sinh viên năm cuối, chúng em được Khoa Xây Dựng Cầu Đường giao nhiệm vụ thiết kế đồ án tốt nghiệp nhằm tổng hợp các kiến thức đã học Với sự giúp

đỡ tận tình của các thầy giáo trong Khoa, đặc biệt là thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Hoàng Phương Hoa, thầy đã truyền cho em niềm say mê nghiên cứu và niềm cảm

hứng học tập, em đã tiếp cận được nhiều công nghệ mới và những kiến thức cần thiết trong chuyên ngành, và cũng nhận biết được cả một biển tri thức đang chờ đợi mình phía trước, cũng như trong thực tế còn vô vàn điều bở ngở Và đến nay em đã hoàn thành được nhiệm vụ được giao Do trình độ còn hạn chế, chắc chắn đồ án còn nhiều sai sót, kính mong thầy cô chỉ bảo thêm để giúp chúng em có thể hoàn thiện kiến thức chuyên môn của mình.

Lời cuối cùng, chúng em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến quý thầy cô giáo trong Khoa Xây Dựng Cầu Đường và kính chúc các thầy cô giáo luôn mạnh khoẻ.

Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm

2016

Thái Văn Ngãi & Nguyễn Bá Ngọ

Trang 39

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động đất xảy ra hằng ngày trên Trái Đất, nhưng hầu hết không đáng chú ý và không gây ra thiệt hại Động đất lớn có thể gây thiệt hại trầm trọng và gây tử vong bằng nhiều cách Động đất có thể gây ra đất lở , đất nứt , sóng thần , nước triều giả , đê

vỡ , và hỏa hoạn Tuy nhiên, trong hầu hết các trận động đất, sự chuyển động của

động đất nhỏ hơn xảy ra trước hay sau lần động đất chính; những trận này được gọi

các trận động đất lớn có thể trải hết toàn cầu Các nhà khoa học thường có thể định được điểm mà các sóng địa chấn được bắt đầu Điểm này được gọi là chấn tiêu Hình chiếu của điểm này lên mặt đất được gọi là chấn tâm

Nhiều trận động đất, đặc biệt là những trận xảy ra dưới đáy biển, có thể gây ra sóng thần, hoặc có thể vì đáy biển bị biến dạng hay vì đất lở dưới đáy biển.

Việt Nam từng ghi nhận 2 trận động đất rất lớn là động đất Điện Biên (năm 1935 ) 6,75 độ Richter Trận thứ hai là động đất Tuần Giáo (năm 1983 ), với cường độ 6,8 độ Richter Vùng ngoài khơi Nam Trung Bộ, năm 1923 cũng có 1 trận động đất 6,1 độ Richter, đi cùng hiện tượng phun trào núi lửa Hòn Choi.

Các trận động đất lớn xảy ra một cách ngẫu nhiên, khó dự đoán và dường như chẳng liên quan đến nhau Và sự thật là khi các trận động đất xảy ra thì con người hoàn toàn chẳng thể làm gì để ngăn chặn được chúng Sức mạnh của các trận động đất cũng kinh khủng và đáng sợ hơn bất kỳ thứ gì mà con người có thể khuất phục được Vì thế, không phải là ngoa khi nói rằng động đất là một trong những hiện tượng tự nhiên nguy hiểm nhất đối với loài người.

Trên thế giới, đặc biệt là Nhật Bản được xem là cái nôi của động đất Các trận động đất thường xuyên xảy ra ở Nhật Bản vì đây là một trong những khu vực có hoạt động địa chấn tích cực nhất, 20% các trận động đất mạnh từ 6,0 độ richter trở lên xảy ra trên thế giới là ở Nhật Bản.

Trang 40

Nhật Bản là nơi “gặp gỡ” của nhiều mảng kiến tạo lớn nhỏ khác nhau như mảng Thái Bình Dương, Á-Âu, Bắc Mỹ, Philippine Đây là lý do khiến vì sao lại có quá nhiều núi lửa và suối nước nóng ở trên khắp đất nước Nhật Bản Và với việc nằm ngay trên vành đai lửa Thái Bình Dương, nên mỗi thế kỷ Nhật Bản đều phải hứng chịu một vài trận động đất mạnh có sức tàn phá kinh hoàng.

Trong lịch sử của mình, đất nước mặt trời mọc đã phải trải qua khoảng 200 trận động đất kèm theo sóng thần diễn ra bên dưới hoặc ngay sát Biển Thái Bình Dương Hồi tháng 10 năm 2004, một trận động đất mạnh 6,8 đã tấn công vào khu vực Niigata ở phía bắc Nhật Bản, giết chết 65 người và làm bị thương hơn 3.000 người Trận động đất gây nhiều người chết nhất ở Nhật Bản xảy ra ở thành phố Kobe, năm 1995 với hơn 6.400 người thiệt mạng.

Qua đó chúng ta thấy được động đất ngày càng trở nên phổ biến, khó lường trước được hậu quả của chúng, tuy nhiên việc tính toán động đất còn khá mới mẻ và

ít tài liệu đề cập đến các phương pháp tính toán động đất cũng như các tác động của động đất gây ra đối với công trình cầu Sau một số nghiên cứu của các nhà khoa học

về động lực học đối với công trình cầu đã giúp chúng ta hiểu rõ thêm về những ứng

xử của công trình cầu dưới tác dụng của động đất cũng như các biện pháp kỹ thuật hạn chế những tác động đó.

Trong đó tác động của động đất lên công trình cầu dây văng là một vấn đề cần được quan tâm hiện nay Có nhiều phương pháp được đề xuất để tính toán tác động của động đất lên công trình như phương pháp tĩnh ngang tương đương, phương pháp phổ phản ứng hay phương pháp lịch sử thời gian Ứng với mỗi bài toán, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm riêng Luận văn sẽ đi sâu vào việc phân tích các phương pháp đó cũng như phương pháp nào thích hợp để tính toán động đất cho công trình cầu dây văng Trên thực tế, các nghiên cứu về động lực học động đất phải tiến hành đồng thời cả lý thuyết và thực nghiệm Từ những nghiên cứu đó, các ứng dụng thiết bị giảm chấn để hạn chế dao động của hệ dầm cầu dây văng cũng được phát triển.

Hiện nay có nhiều công trình cầu dây văng nhịp lớn đã được xây dựng như: cầu Nhật Tân tại Hà Nội, cầu Rạch Miễu tại tỉnh Tiền Giang (Mỹ Tho), cầu Trần Thị Lý tại Đà Nẵng… Vì vậy việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất đến các công trình cầu là cần thiết để công trình có thể phục vụ mục đích kinh tế - xã hội.

2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu

Phân tích nội lực cầu dây văng tại nút Ngã Ba Huế - Đà Nẵng chịu tác động của động đất.

• Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu dao động của cầu dây văng khi chịu dao động của động đất.

3 Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Định dạng
Số trang	118
Dung lượng	8,89 MB