Cơ Sở Tính Toán Cầu Chịu Tải Trọng Của Động Đất (PGS.TS Nguyễn Viết Trung)

P G S T S N G U Y Ễ N V IẾ T T R U N G T H S N G U Y Ễ N T H A N H H À CO S Ỉ TÍNH TỐN CẦU CHỊU TẢI TRỌNG CỦÃ DỘNG BẤT ■ PGS TS NGUYỄN VIẾT TRUNG TH § NGUYỄN THANH HÀ Cơ SỞ TÍNH TỐN CẦU CHIU TẢI TRONG CỦA ĐỌNG DAT * NHÀ XUẤT BẢN GIAO THÔNG VẬN TẢI HÀ NỘI - 2004 Chiu trách nhiệm xu ất bản: TS NGUYỄN XUÂN THỦY Biên tâp: THÂN NGỌC ANH Trình bày bìa: VƯƠNG THẾ HỪNG NHÀ XUẤT BẢN GIAO THƠNG VẬN TẢI 80B Trần H ưng Đ ạo - Hà N ội * ĐT: 9423346 - 9423345 * Fax: 8224784 MS x (6 V ) /0 -0 GTVT - 04 In 1.000 cuốn, khổ 19 X 27 cm, tạ i Công ty in Giao thông Giấy chấp nhận KHXB số 105/XB-QLXB cấp ngày 9/2/2004 In xong nộp lưu chiểu tháng năm 2004 LỜI NÓI ĐẦU Cuốn sách biên soạn với ước muốn giúp kỹ sư sinh viên ngành xây dựng cầu đường tìm hiểu tải trọng động đất cơng trình cầu phương pháp tính tốn cầu chịu tải trọng động dất Nội dung sách gồm phần: - Giới thiệu số đặc trưng động đất, nguy xẩy động đất Việt Nam giới - Trình bầy số phương pháp lý thuyết tính tốn động đất cho cơng trình cầu Tiếp theo phương pháp phân tích động đất tính tốn thiết kế cơng trình cầu theo số qui trình áp dụng Việt Nam - Dựa chương trình máy tính có sẵn lập số phần mềm phụ trợ cho việc tính tốn động đất đơn giản Thực hành tính tốn số phần mềm cụ thể - Thông qua việc nghiên cứu qui trình so sánh nguyên lý bản, phương pháp thực hành phân tích, sơ đánh giá mức độ an tồn việc tính tốn kháng chấn thiết kế cơng trình giao thịng (phần cầu) vùng có động đất theo Tiêu chuẩn 22 TCN 221-95 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-01 Bộ GTVT Tiêu chuẩn AASHTO - 1996 Hoa-kỳ - Đưa vài khuyến nghị việc áp dụng chương trình máy tính sẩn có cho việc tính tốn động đất cho cơng trình cầu - Đưa vài ý kiến đánh giá việc áp dụng Tiêu chuẩn thiết kế công trình cầu vùng có động dất Động đất vấn đề rộng phạm vi nghiên cứu vấn để phức tạp đa dạng, thêm vào hạn chc' Tiêu chuẩn thiết kế cơng trình giao thơng vùng có động đất 22 TCN-221-95 ncn nội dung sách dừng lại mức độ nghiên cứu kỹ khác nguyên lý bản, phương pháp thực hành, sơ đánh giá kết nội lực việc tính tốn kháng chấn thiết kế cơng trình cầu cho số dạng kết cấu sử dụng phương pháp tính động đất theo Tiêu chuẩn AASHTO - 1996 cửa Hoa-kỳ Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-01 so với sử dụng Tiêu chuẩn thiết kê' cơng trình giao thơng vùng có động đất 22 TCN-221-95- Bộ Giao thông Vận tải Sách viết lần đầu, khó tránh khỏi thiếu sót, tác giả mong nhận ý kiến phê bình bạn đọc Thư góp ý xin gửi vể Nhà xuất Giao thông vận tải, 80B Trần Hưng Đạo, Hà Nội Chúng xin chân thành cảm ơn rr / _ » ) Tác gia C hương KHÁI NIỆM VỂ ĐỘNG ĐẤT ■ ■ 1.1 NGUYÊN NHÂN CỦA ĐỘNG ĐẤT 1.1.1 Động đất nguyên nhân động đất Động đất tượng địa vật lý phức tạp, thường xuyên xảy vỏ trái đất Động đất đặc trưng chuyển động hỗn loạn vỏ trái đất chuyển động có phương cường độ thay đổi theo thời gian Bất kỳ trận động đất đểu liên quan đến toả lượng iượng từ nơi định Có nhiều nguyên nhân dẫn đến phát sinh lượng gây động đất sau vài nguyên nhân thường gặp: - Sự va chạm mảnh thiên thạch vào vỏ trái đất - Các vụ thử bom hạt nhân ngầm đất - Các hang động lòng đất bị sập - Sự vận động kiến tạo trái đất: Đây nguyên nhân chủ yếu gây vụ động đất Theo thống kè 95% trận động đất xảy giới có liên quàn trực tiếp đến vận động kiến tạo Sau nghiên cứu kỹ vận động kiến tạo trái đất 1.1.2 Vận động kiến tạo trái đất Sự vận động kiến tạo trái đất chuyển động tương hỗ không ngừng khối vật chất nằm sâu lòng đất để thiết lập cân Đây nguyên nhân gây vụ động đất Dưới quan điểm việc tính tốn động đất cho cơng trình ngun nhản động đất vận động kiến tạo trái đất quan tâm nghiên cứu nhiều Người ta quan tâm đến dạng động đất lẽ có khả lặp lại thường xuyên, giải phóng lượng lớn tác động diện rộng Có nhiều quan điểm khác chế phát sinh động đất kiến tạo ngày quan điểm thừa nhận rộng rãi minh chứng đầy đủ quan sát thực tế quan điểm cho động đất kiến tạo phát sinh dịch chuyển đột ngột khối theo đứt gãy địa chất Theo thuyết kiến tạo, thạch (vỏ trái đất) lớp cứng tạo chủ yếu quần thể đá giàu nguyên tố Si Mg (gọi tắt Sima), cịn bên gắn đơi với khối lục địa (Á, Âu, Mỹ ) quần thể đá giàu chất Si AI {gọi tắt Sial) tạo nên Bề dày thạch vào khoảng 70km biển 140 km lục địa Tuy bao trùm toàn vỏ trái đất, thạch khơng phải lớp liên hồn mà có dạng kiến trúc phân mảng vết đứt sâu xuyên thủng Bên thạch dung nham lỏng, dẻo nhiệt độ cao Cấu tạo làm cho mảng có chuyển động tương Do chuyển động khối lục địa nằm mảng bị cưỡng chuyển động theo (thuyết lục địa trôi nổi) Ngày trẽn giới tổn mười vĩ mảng mang tên Á - Âu, An - Úc, Thái Binh Dương, Bắc Mỹ, Nam Mỹ, Phi, Nam Cực, Philippin, Cocos, Caribe Nazca Các vĩ mảng lại phản chia thành mảng qua vết đứt gãy nông Dựa vào quan hệ chuyển động tương đối mảng, người ta phân năm loại chuyển động bản: - Chuyển động phân ly (hai mảng gần tách dần ra) - Chuyển động dũi ngẩm (mảng dũi xuống mảng kia) - Chuyển động trườn (mảng trườn lên mảng kia) - Chuyển động va chạm đàn hồi (hai mảng kể va vào sau trở lại vị trí ban đầu) - Chuyển động rúc đồng quy (hai mảng gần châu đẩu rúc xuống lớp dung nham lỏng phía dưới) Trong chuyển dộng trẽn chuyển động dũi ngầm chuyển động trườn có tác dụng gây động đất mạnh Trong trình chuyển động trượt tương đổi khối vật chất, người ta nhận thấy rằng: chuyển động khối không vận đồng học đơn giản, mà nhiều cịn kèm theo tích luỹ biến dạng, kèm theo chuyển hoá lượng từ trạng thái (rắn) sang trạng thái khác (lỏng, khí ) Diễn biến dẫn đến tích tụ lượng ỏ vùng xung yếu định lòng đất Khi nãng lượng tích tụ đạt đến giá trị tới hạn, không cho phép chúng nằm cân với môi trưởng xung quanh, lượng phải thoát từ dạng biến thành động gây động đất 1.2 TÁC HẠI CỦA ĐỘNG ĐẤT 1.2.1 Ảnh hưỏng trực tiếp vào cơng trình Khi động đất xảy xuất dịch chuyển từ điểm định lan truyền nhanh chóng theo chiểu dài đứt gãy duới dạng sóng địa chấn Do ảnh hưởng sóng địa chấn đất bị lực kéo nén xoắn bị ổn định Kết sau sóng động đất qua đất bị lún sụt hố lỏng Các cơng trình đặt trẽn đất bị phá hoại động đất nêu bị phá hoại theo 1.2.2 Ảnh hưỏng tới móng cơng trình Khi động đất xảy ảnh hưỏng sống địa chấn đất chưa bị ổn định cơng trình đặt đất xuất ứng xử (chuyển vị, vận tốc, gia tốc) nội lực, chuyển vị công trình vượt nội lực, chuyển vị tĩnh trước lúc xảy động đất cơng trình khơng tính tốn đủ động đất nguyên nhân trực tiếp dẫn đến hư hại phá hoại cơng trình nằm vùng động đất 1.2.3 Ảnh hưởng tịi cơng trình cẩu Trong cơng trình cầu động đất thưởng gây ra: phá huỷ nển móng phá huỷ đất nền, phá huỷ kết cấu nhịp, kết cấu móng mố trụ, làm xơ [ệch hay nứt vỡ kết cấu v.v Do tác hại to lớn động đất đối vối cơng trình mà khí thiết kế thi cơng cơng trình nói chung cơng trình cầu nói riêng vùng có nguy xảy động đất người ta đưa nhiều phương pháp tính tốn chi tiết cấu tạo nhằm đảm bảo an toàn cho cơng trình 1.3 MỘT VÀI KHÁI NIỆM c BẢN VỂ ĐỘNG ĐẤT * ■ ã 1.3.1 Chấn tiêu (focus, centre) Chấn tiêu điểm vỏ trái đất, nơi xạ sóng địa chấn phù hợp vâi tính tốn theo số liệu quan sát Trong địa chấn cơng trinh, ngưịi ta hiểu chấn tiêu vâi nghĩa rộng hơn, vùng đứt đoạn vỏ trái đất 1.3.2 Chấn tâm (epicenter, epiíocus) Hình chiếu theo phương thẳng đủng chấn tiêu lên mặt đất gọi chấn tâm (epicenter, epiíocus) Nếu khơng có số liệu quan trắc trạm địa chấn, chấn tâm thường xác định ca sở kết khảo sát phá huỷ điểm có cường độ chấn động mạnh Thường điểm khơng hồn tồn trùng với chấn tâm xác định theo số liệu quan trắc máy Để tương ứng với việc hiểu chấn tiêu với nghĩa rộng, vùng đứt đoạn vỏ trái đất địa chấn công trình ta có vùng chấn tâm, hình chiếu theo phương thẳng đứng vùng chấn tiêu lèn mặt đất Thường điểm có cường độ chấn động mạnh nằm trung tâm vùng này, chấn tâm xác định theo số liệu quan sát máy nằm vùng 1.3.3 Độ sâu chấn tiêu, khoảng cách chấn tiêu, khoảng cách chấn tâm Độ sâu chấn tiêu khoảng cách từ chấn tiêu lên mặt đất, tức khoảng cách chấn tiêu chấn tâm Khoảng cách chấn tiêu khoảng cách từ-một điểm mặt đất đến chấn tiêu Khoảng cách chấn tâm điểm khoảng cách từ điểm đến chấn tâm 1.3.4 Sóng địa chấn Khi động đất xảy ra, lượng giải phóng từ chấn tiêu truyền mơi trường xung quanh dạng sóng đàn hổi vật lý: sóng dọc, sóng ngang, sóng mặt Tất sóng vừa nêu động đất gây cịn gọi sóng địa chấn Sóng dọc Sóng dọc (hay sóng nguyên cấp P) truyền nhờ thay đổi thể tích mơi trường, gây biến dạng kẻo nén lịng đất Sóng dọc truyền theo phương từ chấn tiêu đến trạm quan sát, với vận tốc lớn (Vp = -^ km/s), nên chúng máy đo địa chấn ghi nhận sớm Sóng ngang Sóng ngang (sóng thứ cấp S) truyền theo phương vng góc với sóng dọc, có vận tốc nhỏ sóng dọc (Vs = ^ 5km/s) Sóng ngang khống làm thay đổi thể tích mà gây nên tượng xoắn cắt mơi trường (nên cịn gọi chúng sóng cắt) Sóng mặt Các sóng dọc sóng ngang tới mặt đất chuyển thành sóng mặt gây chuyển động độ sâu nhỏ Sóng mặt gẩn giống sóng biển, gây nên kéo, cắt mặt đất Vận tốc truyền sóng mặt phụ thuộc vào tính chất lý tầng đất phủ Nền đất cứng (vững chắc), vận tốc truyền sống tăng (1,5-15 km/s), Nền đất yếu, vận tốc truyền sóng mặt giảm (0,5 -1,5) Nguyên lý để xác định chấn tiêu Do sóng dọc có vận tốc lớn vận tốc sóng ngang, nên sau khoảng thời gian Tps tính từ thời điểm nhận tín hiệu sóng dọc nhận tín hiệu sóng ngang Thời gian Tps gọi thời gian rung động mở đầu Từ xác định khoảng cách chấn tiêu chấn tâm trận động đất tới điểm đặt máy đo Khi có số liệu ghi ba điểm khác thuật tốn thơng thường xác định chấn tiêu chấn tâm trận dộng đất Khi tăng khoảng cách D từ trạm quan sát đến chấn tâm thời gian lan truyền sóng địa chấn tăng lên Qua tập hợp so sánh sổ liệu ghi lại trạm đo địa chấn khác nhau, người ta đă thiết lập mối quan hệ khoảng cách D với thời gian truyền sóng Qua xử lý nhận thấy: mối quan hệ khoảng cách D với thời gian truyền có giá trị chung cho tất trận động đất không phụ thuộc vào vị trí chấn tâm, từ kết luận điểu kiện đàn hổi lòng đất phân chia xung quanh tâm đất theo qui luật gần đối xứng Kết quả, đứng phương diện nghiên cứu động đất, đất coi cấu tạo từ tớp có dạng xấp xỉ hình cẩu tâm với tính chất lý Kết luận cho phép áp dụng lý thuyết đàn hồi vào việc phản tích sóng địa chấn 1.3.5 Magnỉtude động đất Khái niệm Magnitude động dất Magnitude cấp động đất hai đại lượng khác đặc trưng cho sức mạnh động đất Magnitude mức độ lượng giải phóng trận động đất dạng sóng đàn hồi, cịn cấp động đất đạí lượng biểu thị cưàng độ chấn động mà gây mặt đất đánh giá qua mức độ tác động nhà cửa, cơng trình, mật đất, đổ vật, người Hiện chưa có thuật ngữ tiếng Việt để Magnitude nên sách tạm thời để nguyên từ gốc tiếng Anh Magnitude không dùng thuật ngữ "chấn cấp" văn dịch từ tài liệu Trung Quốc trùng với thuật ngữ cấp động đất Đại lượng Magnitude Richter C.F đưa áp dụng đẩu tiên từ năm 1935 Trong địa chấn học người ta lấy tên ông làm đơn vị cho đại lượng gọi ỉà độ Richter Ngày người ta sử dụng dạng Magnitude sau để đặc trưng mức độ lượng động đất (tuỳ thuộc vào sóng địa chấn sử dụng): - Magnitude địa phương (local magnìtude) ML - Magnitude theo sóng mặt (surtace wave magnítude) MS - Magnìtude theo sóng khối (body wave magnitude) M Magnitude địa phương ML Magnitude địa phương ML thang magnitude nhà địa chấn Mỹ Richter C.F thiết lập vào nãm 1935 theo công thức: ML = IgA(A) - ơL(A) ( 1- 1) Trong đó: A(A) - tổng véc tơ biên độ cực đại đo thành phần nằm ngang băng ghi dịch chuyển máy địa c;hấn Wood-Anderson (chu kỳ dao động riêng T0 = 0.8s, độ phóng đại lớn Vmax = 2800, hệ số tắt dần r| = 0.8) A - Khoảng cách chấn tâm ơL(A) - Gọi đường cong chế định Đường cong chế định đường tắt dần theo khoảng cách tổng véc tơ biên độ cực đại thành phần nằm ngang băng ghi dịch chuyển máy địa chấn WoodAnderson trận động đất coi có ML = Để trận động đất ghi máy Wood-Anderson có ML > 0, Richter đồng trận động đất ML = với trận động đất yếu mà máy Wood-Anderson cịn ghi Caliíornia thời Đường ơL(A) có giá trị /am khoảng cách A = 100 km, tức !à IgơL(A) Ị A = 10km = oL đo fim Từ quan điểm ta định nghĩa ML sau: Magintude ML động đất logarit sô' 10 tổng vectơ biên độ cực đại đo ụ.m thành phần nằm ngang hãng băng ghi địa chấn máy Wood-Anderson khoảng cách A = 1000km Thang magnitude ML dùng cho động đất gần, khoảng cách chấn tâm A không 800km M agnitude theo sóng mặt Magnitude theo sóng mặt MS xác định theo công thức: MS - Lg A ÍA _ cts(A ) (1-2) Trong đó: A(A) - biên độ dịch chuyển cực đại đo fim thành phần nằm ngang sóng mặt Rayleigh T - chu kỳ tương ứng Hàm chế định ơS đường cong tắt dần đại lượng động đất vâi MS = 0, có dạng: ơS = - (1.66lgA0 + 3.3) Thang MS nói thơng qua để nghị áp dụng Đại hội đồng Hội Vật lý Địa cầu Trắc địa Quốc tế họp ỏ Zurich năm 1967 Nó sử dụng để xác định magnitude động đất ỏ khoảng cách A = 200 - 1600 độ sâu chấn tiêu nhỏ 50km M agnitude theo sóng khối MB Magnitude theo sóng khối MB xác định theo công thức: MB - Lg 10 ơb(A) (1-3) ... xây dựng cầu đường tìm hiểu tải trọng động đất cơng trình cầu phương pháp tính tốn cầu chịu tải trọng động dất Nội dung sách gồm phần: - Giới thiệu số đặc trưng động đất, nguy xẩy động đất Việt... KHÁI NIỆM VỂ ĐỘNG ĐẤT ■ ■ 1.1 NGUYÊN NHÂN CỦA ĐỘNG ĐẤT 1.1.1 Động đất nguyên nhân động đất Động đất tượng địa vật lý phức tạp, thường xuyên xảy vỏ trái đất Động đất đặc trưng chuyển động hỗn loạn... dao động đất động đâ''t mạnh tác động đến cơng trình Trên nét dao động đất động đất mạnh tác động đến cơng trình có đặc điểm sau: Q trình dao động q trình khơng dừng với bién độ chu kỳ biến động