ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN TRONG VIỆC TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU DÂY VĂNG ThS. TRẦN THU HẰNG Bộ môn CTGTTP và CT Thuỷ Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Kết cấu cầu dây văng đang được áp dụng phổ biến trên thế giới với nhiều ưu điểm nhưng bên cạnh vẫn có một số nhược điểm cần khắc phục. Một trong số đó là ứng xử động lực học của công trình. Thiết bị giảm chấn là giải pháp mới nhằm cải thiện nhược điểm này. Hiện nay, ứng dụng phổ biến nhất của thiết bị trên cầu dây văng là cho các dây văng còn cho cột tháp và cho dầm chủ vẫn chưa phổ biến. Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu quả hoạt động của thiết bị giảm chấn, trong đó phương pháp sử dụng các chương trình máy tính có nhiều ưu điểm. MIDAS Civil là một trong những chương trình phân tích kết cấu phổ biến có thể mô hình hoá được thiết bị giảm chấn gắn trên kết cấu công trình. Từ việc ứng dụng tính toán thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh TMD trên một công trình cầu dây văng cụ thể chịu tác động của gió, các kết quả thu được cho thấy thiết bị có hiệu quả tốt về khả năng cải thiện các đặc trưng dao động và ứng xử chuyển vị của kết cấu. Summary: Cable stayed bridges, applied widely around the world, have many advantages but also some disadvantages. One of the disadvantages is the dynamic response that dampers are new devices for improvement. Now, the most popular application for cable stayed bridges is on cables, but not pylons and girders. There are some approaches to evaluate the effect of dampers, in which using computer software has many good points. MIDAS Civil is one of the popular structural analysis programmes that can modeling dampers on structures. Through an example of an actual cable stayed bridges with tuned mass dampers (TMD) under wind load, the results shows good effects in improving vibration and displacement responses. CT 1 1. MỞ ĐẦU Cầu dây văng nhịp lớn là dạng kết cấu cầu đã nhanh chóng trở nên phổ biến trên toàn thế giới do hiệu quả sử dụng cao về vật liệu, vẻ đẹp kiến trúc của công trình, khả năng vượt nhịp lớn. Nhờ những phát triển trong công nghệ vật liệu và các lý thuyết tính toán phân tích kết cấu, chiều dài nhịp cầu ngày càng được kéo dài và hình dáng kết cấu cầu, nhất là dầm chủ và cột tháp cầu, ngày càng thanh mảnh và cầu kỳ hơn. Điều này khiến cho kết cấu trở nên nhẹ hơn, đẹp hơn và mang tính kiến trúc táo bạo hơn nhưng cũng làm cho các bộ phận kết cấu dễ bị dao động dưới các tác động động lực học. Những tác động này không chỉ đơn thuần là có thêm tải trọng tham gia vào tổ hợp tải trọng thiết kế cầu, chúng còn gây ra những dao động, biến dạng cho kết cấu, làm biến đổi ứng xử thông thường của công trình ở các mức độ khác nhau. Lịch sử ngành xây dựng cầu đã chứng kiến nhiều công trình bị hư hỏng, thậm chí phá huỷ hoàn toàn trong những điều kiện thông thường. Mọi dao động quá mức của kết cấu do bất kỳ tác nhân nào gây ra đều nguy hiểm. Đối với cầu dây văng, kích thích tham số rất dễ xảy ra do sự có mặt của nhiều tần số thấp trong kết cấu dầm, tháp cầu và trong các dây cáp. Khi những điều kiện cộng hưởng xảy ra thì thậm chí một chuyển dịch được coi là nhỏ của kết cấu dầm và/hoặc các tháp cầu cũng có thể gây ra sự mất ổn định động và gây ra tình trạng dao động rất mạnh cho các bộ phận kết cấu. Cách hiệu quả nhất để giảm dao động không mong muốn là ngăn chặn hoặc thay đổi nguồn gây ra dao động. Tuy nhiên, biện pháp này thường khó thực hiện được. Cũng có thể tác động tới bản thân kết cấu để làm triệt tiêu các dao động quá mức của kết cấu: - Tăng độ cứng của kết cấu, - Thay đổi khối lượng của kết cấu, - Thay đổi hình dáng kết cấu phù hợp hơn về khí động học. Lĩnh vực điều khiển dao động đã có những phát triển rất rộng trong những năm qua với 3 dạng điều khiển ứng xử động lực học cơ bản là chủ động, bị động và bán chủ động. Việc tăng cường khả năng tiêu hao năng lượng động của kết cấu, mà cụ thể là thiết kế một hệ triệt tiêu dao động để cô lập nguồn gây ra dao động hoặc cách ly bộ phận khỏi nguồn gây ra dao động đã trở thành một phương thức phổ biến hơn cả để khống chế dao động của kết cấu. Hình 1. Cấu tạo của một giảm chấn Hình 2. Lắp ráp giảm chấn ma sát trên dây văng của cầu Kiền - Hải Phòng TCT1 Bố trí thiết bị giảm chấn là một giải pháp kinh tế cho bài toán ổn định dao động của công trình cầu dưới các tác dụng động lực học. Có rất nhiều hệ thống giảm chấn khác nhau đã ra đời nhưng đều tuân theo nguyên lý dao động cơ bản. Tương ứng với ba dạng điều khiển ứng xử động lực học cơ bản, có ba dạng hệ thống giảm chấn chính là giảm chấn chủ động, giảm chấn bị động và giảm chấn bán chủ động. Có rất nhiều thiết bị giảm chấn như TMD, TLD, TLCD, MRD, v.v… đã được ứng dụng cho nhiều dạng kết cấu xây dựng khác nhau. Trên cầu dây văng, có thể bố trí thiết bị giảm chấn trên các dây văng, trong dầm chủ hay cột tháp cầu. Tuy nhiên, ứng dụng phổ biến nhất vẫn là cho các dây văng, tại vị trí liên kết dây với dầm chủ và với cột tháp. Đối với dầm chủ và cột tháp cầu, việc bố trí giảm chấn vẫn còn chưa thực sự rộng rãi. 2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN Hiện nay, để đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị giảm chấn khi được gắn lên kết cấu, có ba phương pháp chính: - Sử dụng công cụ toán học, cơ học, v.v… để xây dựng các công thức về lý thuyết - Sử dụng chương trình máy tính để mô phỏng sự hoạt động của hệ, - Tiến hành thí nghiệm trên các mô hình. Các phương pháp này được áp dụng song song với nhau, các kết quả được dùng để bổ trợ, đối chiếu, kiểm chứng độ chính xác của nhau. Nguyên nhân là do mỗi phương pháp đều tồn tại những đặc thù riêng, có những ưu điểm và nhược điểm riêng. MIDAS Civil là một chương trình phân tích kết cấu mạnh, có nhiều tính năng phong phú, chuyên dùng để phân tích các dạng kết cấu theo các mô hình khác nhau. Đây là một chương trình dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn tổng quát, có khả năng phân tích tĩnh và động học, phân tích tuyến tính và phi tuyến các hệ thống kết cấu. MIDAS Civil tuy mới xuất hiện nhưng với những tính năng ưu việt cùng với giao diện đẹp và thân thiện với người sử dụng nên hiện nay đang được sử dụng khá rộng rãi để phân tích kết cấu cầu, đặc biệt là các kết cấu cầu phức tạp như cầu BTCT DƯL, cầu dây văng, cầu dây võng, cầu vòm, v.v Để mô hình hoá thiết bị giảm chấn, trong trình đơn Model của MIDAS có phần tử General Link với nhiều dạng khác nhau: giảm chấn nhớt đàn hồi (Viscoelastic damper), khe hở (Gap), phần tử Hook (Hook), hệ từ trễ (Hysteretic system), gối cách ly bằng cao su lõi chì (Lead rubber bearing isolator) và hệ cách ly con lắc ma sát (Friction pendulum system isolator). CT 1 Hình 3. Bảng khai báo các đặc tính cho kết cấu giảm chấn của MIDAS Civil 2006 a) Phần tử Maxwell b) Phần tử Kelvin (Voigt) c) Phần tử Maxwell+Kelvin Hình 4. Ba kiểu phần tử giảm chấn có trong phần mềm MIDAS Thiết bị giảm chấn có thể là phần tử tuyến tính hoặc phi tuyến với ba dạng mô hình hoá là phần tử Maxwell, phần tử Kelvin (Voigt) và phần tử Maxwell + Kelvin với các thông số về độ cứng k d , độ giảm chấn c d , vận tốc tham chiếu v 0 , số mũ giảm chấn s và độ cứng chống cắt k b . 3. ỨNG DỤNG THỰC TẾ Để kiểm chứng khả năng mô hình hoá thiết bị giảm chấn của MIDAS Civil, lựa chọn một công trình cầu dây văng thực tế là cầu Bãi Cháy để mô hình hoá thiết bị giảm chấn khối lượng điều chỉnh (Tuned mass damper) bố trí tại các vị trí có chuyển vị lớn nhất của kết cấu. Cụ thể gồm các trường hợp: - gắn trong dầm chủ, - gắn trên đỉnh cột tháp cầu, - gắn trong lòng cột tháp cầu, - gắn trong dầm chủ và trên đỉnh cột tháp cầu. Kết cấu cầu gồm có 6 nhịp liên tục với sơ đồ (35,0 + 86,0 + 129,5 + 435,0 + 129,5 + 86,0) m với hai trụ tháp P3 và P4 chịu tác dụng của tĩnh tải bản thân kết cấu và tải trọng gió. Hình 5. Mô hình kết cấu trên phần mềm MIDAS Civil Hình 6. Tốc độ gió và tải trọng gió tác dụng lên trụ tháp cầu TCT1 Lựa chọn loại liên kết đặc trưng là giảm chấn nhớt đàn hồi (Viscoelastic damper) theo mô hình phần tử Kelvin (Voigt) và mode dao động đầu tiên của kết cấu làm mode khống chế để thiết kết thiết bị giảm chấn, có được các thông số cơ bản của thiết bị như sau: Trọng lượng (kN) Hệ số giảm chấn Tần số góc (rad/s) Độ cứng k d (KN/m) Độ giảm chấn c d (KN.s/m) 7900,96380 0,06 1,53802 476,34248 74,33076 3.1. Các thông số dao động đặc trưng Từ kết quả phân tích trị riêng (eighen value), tổng hợp các thông số về đặc trưng dao động ứng với các trường hợp bố trí thiết bị giảm chấn, so sánh với các giá trị tương ứng của kết cấu trước khi bố trí thiết bị. Kết quả được thể hiện trong bảng sau: Trường hợp bố trí thiết bị Tần số f (rad/s) Tần số góc (vòng/s) Chu kỳ (s) Dung sai Không bố trí 0.96637 0.15380 6.50186 0.00E+00 Trên đỉnh cột tháp 0.95942 0.15270 6.54895 4.82E-16 Trong dầm chủ 0.90481 0.14401 6.94419 0.00E+00 Trong dầm chủ và trên đỉnh cột tháp 0.89920 0.14311 6.98752 1.37E-16 3.2. Chuyn v ca kt cu dm ch nhp chớnh P3-P4 Trong 3 cp giỏ tr chuyn v ca kt cu (chuyn v ng v chuyn v gúc) theo cỏc phng X (dc cu), Y (ngang cu), Z (thng ng), hai giỏ tr thng c quan tõm nhiu hn c l chuyn v ng theo phng ngang cu Dy v chuyn v ng theo phng thng ng Dz. Giỏ tr chuyn v Dz thng c nhc n bng thut ng " vừng ca kt cu". Hai giỏ tr ny thng c s dng ỏnh giỏ trng thỏi s dng ca dm ch cu theo mt s quy trỡnh thit k cu ph bin hin nay nh ASSHTO (M), 22TCN272-05 (Vit Nam), JSHB- 96 (Nht Bn), v.v T cỏc kt qu thu c trong quỏ trỡnh phõn tớch kt cu, xõy dng cỏc biu biu din tng quan gia cỏc trng hp b trớ thit b trờn kt cu nh sau: chuyển vị của dầm chủ nhịp p3-p4 theo phơng thẳng đứng (mode 1) -14.00 -12.00 -10.00 -8.00 -6.00 -4.00 -2.00 0.00 2.00 0 86 150 217 285 349 435 Chiều di nhịp (m) Chuyển vị Dz (10 -1 m) Không có giảm chấn Giảm chấn dọc trong cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trong dầm chủ (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp v trong dầm chủ (m=0.01) chuyển vị của dầm chủ nhịp p3-p4 theo phơng ngang cầu (mode 1) 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 Chiều di nhịp (m) Chuyển vị Dy (m) Không có giảm chấn Giảm chấn dọc trong cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trong dầm chủ (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp v trong dầm chủ (m=0.01) 3.3. Chuyn v ca ct thỏp cu Tng t thc hin nh i vi dm ch cu, vi hai giỏ tr quan tõm nhiu hn c l chuyn v ng theo phng ngang cu Dy v chuyn v ng theo phng dc cu Dx ca ct thỏp cu P3 v P4. T cỏc kt qu thu c trong quỏ trỡnh phõn tớch kt cu, xõy dng cỏc biu biu din tng quan gia cỏc trng hp b trớ thit b trờn kt cu nh sau: CT 1 i vi ct thỏp cu P3: chuyển vị của cột tháp p3 theo phơng dọc cầu (mode 1) -0.50 0.00 0.50 1.00 1.50 2.00 2.50 3.00 3.50 4.00 0 16 33 42 47 52 56 61 67 70 75 81 84 90 Chiều cao cột tháp (m) Chuyển vị Dx (m) Không có giảm chấn Giảm chấn dọc trong cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trong dầm chủ (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp v trong dầm chủ (m=0.01) chuyển vị của cột tháp p3 theo phơng ngang cầu (mode 1) 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0 16 33 42 47 52 56 61 67 70 75 81 84 90 Chiều cao cột tháp (m) Chuyển vị Dy (m) Không có giảm chấn Giảm chấn dọc trong cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trong dầm chủ (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp v trong dầm chủ (m=0.01) i vi ct thỏp cu P4: chuyển vị của cột tháp p4 theo phơng dọc cầu (mode 1) -4.00 -3.50 -3.00 -2.50 -2.00 -1.50 -1.00 -0.50 0.00 0.50 0 16 33 42 47 52 56 61 67 70 75 81 84 90 Chiều cao cột tháp (m) Chuyển vị Dx (m) Không có giảm chấn Giảm chấn dọc trong cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trong dầm chủ (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp v trong dầm chủ (m=0.01) chuyển vị của cột tháp p4 theo phơng ngang cầu (mode 1) 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.025 0.030 0.035 0.040 0.045 0.050 0 16 33 42 47 52 56 61 67 70 75 81 84 90 Chiều cao cột tháp (m) Chuyển vị Dy (m) Không có giảm chấn Giảm chấn dọc trong cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trong dầm chủ (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp (m=0.01) Giảm chấn trên đỉnh cột tháp v trong dầm chủ (m=0.01) 3.4. Nhận xét về các kết quả thu được Từ kết quả phân tích trị riêng (eighen value), thấy rằng các đặc trưng dao động (tần số dao động, tần số góc, chu kỳ) của kết cấu có bố trí giảm chấn đều giảm xuống so với kết cấu không bố trí giảm chấn. Tác dụng này khiến cho dao động của kết cấu chậm hơn, với chu kỳ dao động lớn hơn, làm giảm tác động khó chịu (nếu có) đối với người sử dụng công trình. Trên cơ sở phân tích các biểu đồ chuyển vị của dầm chủ ở nhịp chính P3-P4 và hai cột tháp cầu ở trên, thấy rằng đường biến dạng của kết cấu trước và sau khi bố trí giảm chấn là đồng dạng. Các trường hợp bố trí giảm chấn trong kết cấu đều có tác dụng làm giảm chuyển vị của kết cấu tương đối rõ rệt. IV. KẾT LUẬN Mọi tác dụng động lực học đều có ảnh hưởng lớn tới công trình. Thiết bị giảm chấn là giải pháp mới để tăng cường ổn định động lực học cho rất nhiều toà nhà cao tầng, ống khói, công trình có kiến trúc đặc biệt. Cầu dây văng có kết cấu thanh mảnh, kiến trúc đẹp - phức tạp, vượt nhịp lớn với các đặc trưng ứng xử động lực học phức tạp. Thiết bị giảm chấn cũng đã được ứng dụng cho cầu dây văng trên các dây văng, trong dầm chủ và cột tháp cầu. Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu quả hoạt động của thiết bị giảm chấn. Những kết quả thu được đều cho thấy thiết bị có hiệu quả tốt đối với kết cấu công trình. Sử dụng chương trình MIDAS Civil để tính toán ứng dụng thiết bị giảm chấn cho các bộ phận dầm chủ và cột tháp của một công trình thực tế là cầu dây văng Bãi Cháy - Quảng Ninh đều cho các kết quả tốt về khả năng cải thiện các đặc trưng dao động và ứng xử chuyển vị của các bộ phận kết cấu. Ứng xử của kết cấu trước và sau khi bố trí thiết bị giảm chấn là đồng dạng. Sơ bộ nhận thấy trường hợp bố trí giảm chấn trên đỉnh cột tháp không hiệu quả như khi bố trí trong lòng cột tháp; bố trí kết hợp trong dầm chủ và trên đỉnh cột tháp không khác biệt nhiều với bố trí trong dầm chủ. TCT1 Việc sử dụng một chương trình phân tích kết cấu phổ biến như MIDAS Civil để mô hình hoá thiết bị giảm chấn gắn trên cầu dây văng giúp cho việc đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị đơn giản hơn. Trong thực tế, có thể kết hợp với các số liệu quan trắc cầu để xác định được loại thiết bị giảm chấn tối ưu phục vụ cho mục đích sửa chữa, bảo dưỡng, tăng cường công trình. Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Viết Trung, Vũ Văn Toản, Phạm Hữu Sơn. Cơ sở thiết kế chống gió cho cầu dây văng nhịp lớn. Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2007. [2]. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Hữu Hưng. Phân tích kết cấu cầu cong và cầu dây văng bằng SAP 2000. Nhà xuất bản Giao thông vận tải, Hà Nội, 2003. [3]. Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Nguyễn Trọng Nghĩa, Bùi Công Độ. Mô hình hoá và phân tích kết cấu cầu bằng phần mềm MIDAS – Civil (Tập 1). Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội, 2005. [4]. Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hoà. Cầu dây văng. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001. [5]. Phan Văn Cúc, Nguyễn Lê Ninh. Tính toán và cấu tạo kháng chấn các công trình nhiều tầng. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 1994♦ . ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN TRONG VIỆC TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH ĐỘNG LỰC HỌC CỦA CẦU DÂY VĂNG ThS. TRẦN THU HẰNG Bộ môn CTGTTP và CT Thuỷ Khoa Công trình Trường Đại học Giao. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA THIẾT BỊ GIẢM CHẤN Hiện nay, để đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị giảm chấn khi được gắn lên kết cấu, có ba phương pháp chính: - Sử dụng công cụ toán học, . lực học phức tạp. Thiết bị giảm chấn cũng đã được ứng dụng cho cầu dây văng trên các dây văng, trong dầm chủ và cột tháp cầu. Có nhiều phương pháp đánh giá hiệu quả hoạt động của thiết bị giảm