Thiết bị giảm chấn cho cầu dây văng

Thiết bị giảm chấn cho cầu dây văng

Thiết bị giảm chấn ma sát cho cầu dây văng

PGS.TS Nguyễn Viết Trung

KS Trần Thu Hằng

BM Công trình Giao thông Thành phố - ĐH GTVT

ThS Phạm Hữu Sơn

TCT T vấn Thiết kế Giao thông Vận tải TEDI

Tóm tắt:

Bài báo giới thiệu thiết bị giảm chấn ma sát cho cầu dây văng Đây là dạng thiết bị giảm chấn mới có nhiều u điểm, khắc phục đợc một số nhợc điểm quan trọng của các thiết bị giảm chấn thông thờng Thiết bị này đợc lắp đặt trên các dây cáp văng ở công trình cầu Kiền – Hải Phòng

Summary:

This work introduces the friction damper for cable-stayed bridges It is a kind of damper with many advantages, surmouts some of major disadvantages comes from others It has been installed for cables in Kien bridge – Hai Phong

I Mở đầu

Cầu dây văng là dạng kết cấu có rất nhiều u điêm nổi bật và hiện nay đang đợc phát triển rộng rãi trên thế giới ở Việt Nam, sau sự thành công của cây cầu dây văng lớn đầu tiên - cầu Mỹ Thuận, dạng kết cấu này đang đợc áp dụng ở nhiều công trình lớn khác nh cầu Kiền, cầu Bính, cầu Cần Thơ, cầu Bãi Cháy

Một trong những vấn đề đáng quan tâm trong việc thiết kế, thi công và duy tu bảo d-ỡng cầu dây văng là phản ứng của kết cấu dới tác dụng của các kích thích gây ra dao động Nếu không có biện pháp hạn chế các ảnh hởng xấu này, kết cấu sẽ gặp phải những ảnh hởng nguy hiểm do mỏi, cộng hởng dẫn đến làm giảm tuổi thọ của công trình, ảnh hởng tới tính an toàn trong khai thác, thậm chí làm phá hoại công trình

Phơng pháp phổ biến hiện nay là bố trí các thiết bị làm hạn chế dao động của kết cấu, tăng khả năng giảm chấn, điều chỉnh tần số dao động của công trình rơi vào phạm vi ít nhạy cảm Các thiết bị giảm chấn này rất phong phú về chủng loại nh các thiết bị giảm chấn kiểu

điều chỉnh khối lợng TMD, kiểu khối lợng chủ động AMD, giảm chấn nhớt VDS, giảm chấn

ma sát FD Thiết bị giảm chấn ma sát (Friction damper) là dạng thiết bị giảm chấn mới, có nhiều u điểm Dạng thiết bị này đợc lắp đặt cho các dây cáp văng trên cầu Kiền - Hải Phòng

II Giới thiệu thiết bị giảm chấn ma sát

Lắp đặt các thiết bị giảm chấn lên mặt kết cấu nhịp của cầu dây văng là biện pháp phổ biến nhất nhằm làm tăng khả năng giảm chấn của các dây cáp và giảm dao động Ưu điểm của giải pháp này là dễ dàng cho công tác bảo dỡng nhng trong một số trờng hợp lại ảnh hởng tới tính mỹ quan của công trình Các thiết bị khác có trên thị trờng đợc thiết kế để lắp đặt không

nối với kết cấu nhịp, có dạng nh một vòng xuyến bao quanh cáp Thiết bị giảm chấn đợc lắp

đặt trong ống dẫn hớng neo bằng thép bao bọc trong bản bêtông hoặc bố trí trong một ống đỡ bằng thép nối với ống dẫn hớng neo Các giảm chấn nhớt gồm các tấm dịch chuyển tự do hoặc các vòng xuyến làm bằng vật liệu nhớt, giả silicon có khả năng triệt tiêu năng lợng Nhng các thiết bị này cũng có một nhợc điểm chính từ đặc tính của thiết bị là phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số dao động của cáp

Tất cả các kiểu giảm chấn đó đều phải chịu tác dụng của các dao động nhỏ, không giới hạn và chúng sẽ rất mau phải chịu các chu trình ở cấp độ cao hơn Vì vậy, các thiết bị này rất chóng bị h hỏng và yêu cầu phải bảo dỡng thờng xuyên Thiết bị giảm chấn ma sát ra đời để giải quyết các bài toán nghiêm trọng về mỏi và công tác bảo dỡng

Thiết bị giảm chấn ma sát của hãng VSL

Thiết bị giảm chấn ma sát gồm hai phần nối một điểm đặc trng trên cáp với kết cấu cầu:

- Phần thứ nhất là một vòng đệm bằng thép đợc gắn chặt với cáp và dịch chuyển cùng với cáp Vòng đệm này gồm hai cánh nhô ra ngang với mặt phẳng dây và các tấm ma sát cứng đợc bố trí lên mặt và các cạnh bên của hai cánh

- Phần thứ hai gồm hai cặp bán khuyên lỡi đàn hồi đợc bắt chặt với kết cấu cầu, bao quanh dây cáp Các tấm ma sát mềm đợc nén ngợc với các tấm ma sát cứng do các vòng xuyến lỡi đàn hồi giữ nhờ một tấm nhô ra ở phía trong Khi cáp dao động, lực ma sát và phản lực giảm chấn đợc sinh ra giữa các tấm ma sát cứng và mềm để chống lại dịch chuyển của cáp

Tính linh động của các vòng xuyến lỡi đàn hồi cho phép các tấm ma sát mềm dịch chuyển theo sự dãn dài của cáp mà vẫn tiếp xúc cố định với các tấm ma sát cứng và lực ma sát trong thiết bị là không thay đổi Tất cả các thành phần cấu kiện của thiết bị giảm chấn ma sát

đều cố định Để đáp ứng các yêu cầu mỹ quan nên thiết bị thờng đợc bố trí gần neo Biên độ dao động tại điểm giảm chấn của cáp do đó không lớn hơn 1 hoặc 2 mm Một số thiết bị giảm chấn đợc thiết kế không tơng thích với các biên độ nhỏ này của cáp và phải đợc bố trí ở một vị trí xa neo hơn Các thiết bị mới làm việc theo bất cứ phơng dịch chuyển nào của cáp Tại các biên độ dao động nhỏ, các tấm ma sát đợc thiết kế chặt khít do đó không cho thiết bị hoạt

động Các giảm chấn đợc điều chỉnh để bắt đầu trợt ngay khi đạt tới một biên độ giới hạn trớc của biến dạng cáp

Nguyên lý phân tích thiết bị giảm chấn ma sát dựa trên lý thuyết dao động "galloping”

cổ điển

Ký hiệu:

Ffriction : lực ma sát, (N)

k : độ cứng của lò xo

M : khối lợng kết cấu, (kg)

x : ly độ dịch chuyển của kết cấu, (m)

Mô hình tính toán của thiết bị giảm chấn ma sát đợc lựa chọn nh sau:

x

k

N

F friction

x

N

Mô hình tính toán Phân tích lực tác dụng lên kết cấu

Tổng hợp các lực tác dụng lên kết cấu theo phơng ngang:

∑F =M x=−F k −F friction +F external (1) Gia tốc và ngoại lực tác dụng đợc xác định bằng các gia tốc kế và bộ chuyển lực Lò

xo đợc gộp vào thiết bị giảm chấn , tách ra khỏi kết cấu Vì thế triệt tiêu lực do lò xo sinh ra trong phơng trình (1) nên lực ma sát tính bằng công thức sau:

x M F

Phơng trình (2) đợc dùng để biểu diễn hoạt động của thiết bị giảm chấn ma sát Với:

g M N

Trong đó à là hệ số ma sát khi vật này trợt trên mặt một vật khác, giá trị của àđợc cho gần

đúng với cặp môi trờng cao su – thép là àđộng = 1,0 và àtĩnh = 1,20

Các u điểm chính của thiết bị giảm chấn ma sát nh sau:

- Thiết bị không hoạt động ở các biên độ dao động nhỏ và không giới hạn, có nghĩa là giảm đợc độ mài mòn và giá thành bảo dỡng không tăng cao

- Thiết bị đợc thiết kể để dễ dạng lắp đặt trên các cầu đã có với các dây cáp không cho phép dao động

- Tất cả các thành phần của thiết bị đều gần gũi, dễ dàng kiểm tra và thay thế nếu cần trong quá trình bảo dỡng

- Các đặc tính dễ điều chỉnh của thiết bị trong quá trình bảo dỡng

- Các lực ma sát gần nh không đổi và độc lập với tốc độ của điểm đợc giảm chấn

- Các đặc tính giảm chấn không phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số của các dao động

- Có thể bố trí gần neo để cải thiện tính mỹ quan của công trình

III Thiết bị giảm chấn ma sát lắp đặt trong công trình cầu Kiền Hải Phòng –

Cầu Kiền là công trình cầu dây văng lớn nhất và đẹp nhất khu vực phía Bắc hiện nay Cầu nằm trên tuyến đờng 10 từ Nam Định đi Quảng Ninh Cầu có chiều dài 1186 m, rộng 16,7

m, có nhịp thông thuyền dài 200m Cầu đợc thi công theo công nghệ lắp hẫng với 110 khối dầm hộp đợc treo trên 36 đôi cáp với hai trụ tháp cao 80m

Hệ thống giảm chấn dùng cho các dây cáp văng là thiết bị giảm chấn ma sát của hãng VSL Cấu tạo chi tiết của thiết bị đợc thể hiện trong các ảnh sau:

Toàn cầu có 144 thiết bị giảm chấn ma sát đợc lắp đặt ở hai đầu neo của cáp vào kết cấu nhịp và vào trụ tháp Việc lắp đặt các thiết bị này hoàn toàn do đội ngũ công nhân Việt Nam lành nghề thực hiện

Lắp đặt thiết bị giảm chấn ma sát ở công trình cầu Kiền – Hải Phòng

IV Kết luận

Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ cùng với yêu cầu cấp thiết của thực tế, hệ thống các thiết bị giảm chấn đợc tạo ra ngày càng phong phú hơn về chủng loại, nâng cao các tính năng u việt, giảm thiểu các nhợc điểm Bên cạnh những dạng quen thuộc, giảm chấn ma sát là dạng thiết bị tơng đối mới và có nhiều u điểm đáng quan tâm Ngoài những đặc tính vốn có của hệ thống, dạng thiết bị này có đợc một số cải tiến quan trọng là không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trờng và dao động của kết cấu, có dải tần rộng và không

làm ảnh hởng tới mỹ quan công trình Thiết bị này đợc lựa chọn để lắp đặt ở công trình cầu Kiền – Hải Phòng

tài liệu tham khảo

[1] Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hoà, Cầu dây văng, Nhà xuất bản Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội

2001

[2] Nguyễn Viết Trung, Trần Thu Hằng, Hệ thống giảm chấn áp dụng cho cầu dây văng,

Tạp chí Cầu Đờng, 2003

[3] O.V.Fominova, V.I.Chernishev, The research on oscillatory of vibro-protection system

with controlling friction damper, Serge Gavrilov - May 2001.

[4] Hemming Group, Friction factor, Bridge - design & engineering, 2003

[5] Memet Unsal, Force control of a new semi-active piezoelectric-based friction damper,

August 2002