Thiết bị nμy được lắp đặt trên các dây cáp văng ở công trình cầu Kiền – Hải Phòng.. Dạng thiết bị này được lắp đặt cho các dây cáp văng trên cầu Kiền - Hải Phòng.. Giới thiệu thiết bị gi
Trang 1thiết bị giảm chấn ma sát
cho cầu dây văng
pgs ts nguyễn viết trung
ks trần thu hằng
Bộ môn CT Giao thông TP - ĐH GTVT
ths phạm hữu sơn
TCT Tư vấn Thiết kế GTVT TEDI Tóm tắt: Bμi báo giới thiệu thiết bị giảm chấn ma sát cho cầu dây văng Đây lμ dạng thiết
bị giảm chấn mới có nhiều ưu điểm, khắc phục được một số nhược điểm quan trọng của các thiết bị giảm chấn thông thường Thiết bị nμy được 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
1 mở đầu
Cầu dây văng là dạng kết cấu có rất nhiều ưu điểm nổi bật và hiện nay đang được 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 được áp dụng ở nhiều công trình lớn khác như 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 dưỡng cầu dây văng là phản ứng của kết cấu dưới tác dụng của các kích thích gây ra dao động Nếu không có biện pháp hạn chế các ảnh hưởng xấu này, kết cấu sẽ gặp phải những ảnh hưởng nguy hiểm do mỏi, cộng hưởng dẫn đến làm giảm tuổi thọ của công trình, ảnh hưởng tới tính an toàn trong khai thác, thậm chí làm phá hoại công trình
Phương 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 như các thiết bị giảm chấn kiểu
điều chỉnh khối lượng TMD, kiểu khối lượng 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
ưu điểm Dạng thiết bị này được 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
Trang 2giải pháp này là dễ dàng cho công tác bảo dưỡng nhưng trong một số trường hợp lại ảnh hưởng tới tính mỹ quan của công trình Các thiết bị khác có trên thị trường được thiết kế để lắp đặt không nối với kết cấu nhịp, có dạng như một vòng xuyến bao quanh cáp Thiết bị giảm chấn
được lắp đặt trong ống dẫn hướng neo bằng thép bao bọc trong bản bêtông hoặc bố trí trong một ống đỡ bằng thép nối với ống dẫn hướng 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 lượng Nhưng các thiết bị này cũng có một nhược 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 hư hỏng và yêu cầu phải bảo dưỡng thường xuyên Thiết bị giảm chấn ma sát ra đời để giải quyết các bài toán nghiêm trọng về mỏi và công tác bảo dưỡng
Thiết bị giảm chấn ma sát của hãng VSL
Thiết bị giảm chấn ma sát gồm hai phần nối một điểm đặc trưng trên cáp với kết cấu cầu:
- Phần thứ nhất là một vòng đệm bằng thép được 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
được bố trí lên mặt và các cạnh bên của hai cánh
- Phần thứ hai gồm hai cặp bán khuyên lưỡi đàn hồi được bắt chặt với kết cấu cầu, bao quanh dây cáp Các tấm ma sát mềm được nén ngược với các tấm ma sát cứng do các vòng xuyến lưỡi đàn hồi giữ nhờ một tấm nhô ra ở phía trong Khi cáp dao động, lực ma sát và phản lực giảm chấn được sinh ra giữa các tấm ma sát cứng và mềm để chống lại dịch chuyển của cáp
Tính linh động của các vòng xuyến lưỡi 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 thường được 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
được thiết kế không tương thích với các biên độ nhỏ này của cáp và phải được bố trí ở một vị trí
xa neo hơn Các thiết bị mới làm việc theo bất cứ phương dịch chuyển nào của cáp Tại các biên
Trang 3độ dao động nhỏ, các tấm ma sát được thiết kế chặt khít do đó không cho thiết bị hoạt động Các giảm chấn được điều chỉnh để bắt đầu trượt ngay khi đạt tới một biên độ giới hạn trước 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:
Fexternal : ngoại lực tác dụng lên cáp, (N)
Ffriction : lực ma sát, (N)
Fstring : lực sinh ra trong lò xo, (N)
k : độ cứng của lò xo
M : khối lượng kết cấu, (kg)
x : ly độ dịch chuyển của kết cấu, (m)
Mô hình tính toán của thiết bị giảm chấn ma sát được lựa chọn như sau:
x
k
N
F friction
x
N
Tổng hợp các lực tác dụng lên kết cấu theo phương ngang:
∑F=Mx&&=ưFkưFfriction+Fexternal (1) Gia tốc và ngoại lực tác dụng được xác định bằng các gia tốc kế và bộ chuyển lực Lò xo
được gộp vào thiết bị giảm chấn , tách ra khỏi kết cấu Vì thế triệt tiêu lực do lò xo sinh ra trong phương trình (1) nên lực ma sát tính bằng công thức sau:
x M F
Phương trình (2) được dùng để biểu diễn hoạt động của thiết bị giảm chấn ma sát Với:
g M N
Trong đó là hệ số ma sát khi vật này trượt trên mặt một vật khác, giá trị của μ μđược cho gần đúng với cặp môi trường cao su – thép là μđộng = 1,0 và μtĩnh = 1,20
Các ưu điểm chính của thiết bị giảm chấn ma sát như sau:
- Thiết bị không hoạt động ở các biên độ dao động nhỏ và không giới hạn, có nghĩa là giảm
được độ mài mòn và giá thành bảo dưỡng không tăng cao
Trang 4- Thiết bị được 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 dưỡng
- Các đặc tính dễ điều chỉnh của thiết bị trong quá trình bảo dưỡng
- Các lực ma sát gần như không đổi và độc lập với tốc độ của điểm được 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 đường 10 từ Nam Định đi Quảng Ninh Cầu có chiều dài 1186 m, rộng 16,7 m,
có nhịp thông thuyền dài 200 m Cầu được thi công theo công nghệ lắp hẫng với 110 khối dầm hộp được treo trên 36 đôi cáp với 2 trụ tháp cao 80 m
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 được thể hiện trong các ảnh sau:
Toàn cầu có 144 thiết bị giảm chấn ma sát được 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
Trang 5IV 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 được tạo ra ngày càng phong phú hơn về chủng loại, nâng cao các tính năng ưu việt, giảm thiểu các nhược điểm Bên cạnh những dạng quen thuộc, giảm chấn ma sát là dạng thiết bị tương đối mới và có nhiều ưu điểm đáng quan tâm Ngoài những
đặc tính vốn có của hệ thống, dạng thiết bị này có được một số cải tiến quan trọng là không phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và dao động của kết cấu, có dải tần rộng và không làm ảnh hưởng tới mỹ quan công trình Thiết bị này được lựa chọn để lắp đặt ở công trình cầu Kiền – Hải Phòng
Tài liệu tham khảo
[1] Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hoμ 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
Đường, 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 2002Ă