Khi xỏc định những dữ liệu địa chấn ban đầu để tớnh toỏn cầu bất kỳ (bờ tụng, kim loại, và cỏc vật liệu khỏc nhau) được khuyến khớch sử dụng cỏc đường cong phổ tiờu chuẩn, nhận được với hệ số cản là 5% (được định hướng cho cỏc tũa nhà cao trung bỡnh). Hơn nữa, độ lớn của hệ số này trong tiờu chuẩn đang sử dụng thậm chớ khụng được đề cập. Như chỳng ta biết từđộng lực học cơ bản, lực cản - một đặc tớnh rất quan trọng của hệ thống, mà thực chất phụ thuộc vào mức độ ứng suất khi cộng hưởng. Tớnh toỏn khụng đỳng cỏc tớnh chất này cú thể dẫn đến kết quả sai.
Thiết kế của cầu bao gồm cỏc bộ phận, làm từ vật liệu khỏc nhau với cỏc hệ số cản khỏc nhau. Hệ
thống cỏc hệ số tớnh toỏn của SNiP khụng cú danh mục và tớnh chất kết cấu cầu. Vớ dụ, đối với thộp, hệ số cản ξ=2%, nếu trạng thỏi ứng suất nhỏ hơn 1/2 trạng thỏi ứng suất chảy. Đối với bờ tụng, hệ số
cản cũng phụ thuộc vào trạng thỏi ứng suất và nằm trong khoảng 2 – 4%. Đối với gối cao su, hệ số này cú thể thay đổi trong phạm vi rộng hơn từ 6 – 12%. Hệ số cản của đất phụ thuộc vào mức độ biến dạng và cú thể thay đổi trong một giới hạn rộng hơn.
Cỏc tiờu chuẩn phải được giới thiệu cỏc đặc tớnh của vật liệu và đất, cũng như phương phỏp tin cậy, hiện đại khi tớnh toỏn đặc tớnh cản của kết cấu, từ cỏc tài liệu khỏc nhau. Tuy nhiờn, cần lưu ý rằng việc sử dụng trong tớnh toỏn hệ số cản (5% thay vỡ 2%) sẽ dẫn đến khụng cũn dự trữđộ bền.
Phổ phản ứng - một trong những khỏi niệm quan trọng nhất, hữu ớch và sử dụng rộng rói trong lý thuyết và thực hành phõn tớch kết cấu chịu tỏc động địa chấn. Được đưa ra hơn 80 năm trước đõy, hiện nay khỏi niệm này được sử dụng trong hầu như tất cả cỏc quy trỡnh nước ngoài và cỏc hướng dẫn để
phõn tớch kết cấu chống địa chấn. Trong tiờu chuẩn của Nga đểđỏnh giỏ tỏc động của động đất sử
dụng khỏi niệm hệ số phổđộng học β (hỡnh 3). Đường cong của hệ sốđộng học được xõy dựng như
hàm của chu kỳ dao động tự do. Trong thực hành tớnh toỏn, khỏi niệm này ở dạng ẩn. Vỡ vậy hiện nay, cựng với khỏi niệm hệ sốđộng học β, cần thiết sử dụng thuật ngữ hay khỏi niệm phổ phản ứng, một khỏi niệm phản ỏnh chớnh xỏc hơn bản chất vật lý của thụng số này.
Trong cảm nhận thụng thường của người thiết kế, hệ sốđộng cho thấy cao hơn một số lần so với tỏc động tĩnh. Trong trường hợp này, nú khụng chỉđơn giản là nhõn số, cần thiết để nhõn chuyển vị
tĩnh, mà là phản ứng lớn nhất của cỏc hệ thống một bậc tự do với tần số khỏc nhau trờn chuyển động
đó cho.
Vỡ vậy, giả thiết rằng thay thuật ngữ “hệ số phổđộng học” cần thiết sử dụng chớnh xỏc hơn, phản ỏnh đỳng bản chất vật lý, bằng thuật ngữ “phổ phản ứng“. Cỏc tiờu chuẩn sẽđược sử dụng để xỏc định cỏc khỏi niệm cơ học cũng đó sử dụng.
Trong tiờu chuẩn hiện tại, thiếu cỏc quy định và đề xuất chọn số lượng dạng dao động của cầu. Đề
xuất về số dạng dao động đối với tũa nhà hoàn toàn khụng thể chấp nhận được cho kết cấu cầu. Trong tiờu chuẩn nước ngoài được đề nghị tớnh toỏn số dạng dao động với tổng khối lượng của “khối lượng dạng dao động” tớnh toỏn ớt nhất là 90% tổng khối lượng của kết cấu. Nhưđó chỉ ra từ phõn tớch đồ thị
gia tốc của số lượng lớn cỏc trận động đất, nhận thấy tần số phổ cơ bản luụn luụn nhỏ hơn hoặc bằng 33Hz. Với trỡnh độ hiện tại, sự phỏt triển của cỏc phương phỏp phõn tớch kết cấu và cụng nghệ mỏy tớnh khụng khú khăn nhiều khi tớnh một số lượng lớn cỏc tần số riờng và cỏc dạng dao động, vỡ vậy cú thểđề xuất tớnh tất cả cỏc dạng dao động, tần số riờng trong miền đến 33 Hz.
Một nội dung thiếu rất quan trọng khỏc: Đỏnh giỏ tỏc động của kết cấu và đất nền khi xảy ra động
đất. Tài liệu về mụ hỡnh và phõn tớch cỏc quỏ trỡnh chịu tải trọng động phức tạp cho việc sử dụng cỏc
đường cong phổ, phụ thuộc vào loại đất, quỏ đơn giản. Tớnh chất phức tạp của cỏc tương tỏc của kết cấu và đất nền đũi hỏi chuẩn bị cỏc mụ hỡnh cụ thể và cỏc phương phỏp phõn tớch cú tớnh quan hệ phi tuyến, dẻo và cú thể sự húa lỏng của đất nền. Tớnh toỏn hiện tượng này bằng cỏch giới thiệu một hệ số,
để tớnh quan hệ phi tuyến của đất nền.
Cỏc đặc thự của cỏc kết cấu cầu là chiều dài, dẫn đến ảnh hưởng ngày càng tăng của cỏc tỏc động
địa chấn tần số thấp của biến động địa chấn và dao động khụng đồng bộ của cỏc trụ cầu riờng biệt. Về đặc thự này của kết cấu cầu, trong cỏc quy định hiện hành khụng đề cập đến, và kết quả là khụng đưa vào tớnh toỏn.
Trong một số mục của tiờu chuẩn nước ngoài: ôTương tỏc kết cấu với đất nền. Mụ hỡnh và phõn tớchằ là rất chi tiết, và bao gồm tất cả cỏc dữ liệu cần thiết khi thiết kế. Nội dung của mục này bao gồm cỏc đề nghị về sự lựa chọn của cỏc mụ hỡnh cú thểđơn giản húa và mụ hỡnh phức tạp, đểđưa vào tớnh toỏn quan hệ phi tuyến của đất nền, cỏc lớp đất, súng địa chấn, cỏc hiệu ứng khụng gian và những ảnh hưởng của độ sõu, vv... Cỏc phương phỏp phõn tớch (trực tiếp và thụng số kết cấu) của cỏc mụ hỡnh đề
xuất được giới thiệu. Cỏc đặc trưng của đất nền: Modul cắt, hệ số cản, hệ số Poisson, phụ thuộc vào mức độ biến dạng đối với tớnh toỏn phi tuyến vv…
Một khớa cạnh quan trọng của cầu về khỏng chấn, được đưa ra trong quy định hiện hành theo SNiP của Nga, mà chưa cú lập luận chặt chẽ - một sự kết hợp của tải trọng chuyển động và động đất. Rừ ràng, khi chiều dài của cầu và cường độ chuyển động lớn, xỏc suất tớnh toỏn tải trọng di động trờn cầu khi xảy ra động đất là gần bằng 1. Trong quy định hiện hành, khụng tớnh đến chiều dài của cầu và cường độ giao thụng, cỏc hệ số sau đõy của cỏc kết hợp tải trọng chuyển động và động đất (Keq=0.8, Ktr=0.7). Để xỏc định cú cơ sở về cỏc hệ số này, cần thiết tớnh toỏn chiều dài cầu, cường độ tham gia giao thụng và cỏc dạng tải trọng di động trờn cầu.
Cỏc vấn đề về sự tương tỏc của tải trọng di động và kết cấu nhịp khi xảy ra trận động đất, đũi hỏi phải xem xột thờm. Cần lưu ý rằng vấn đề này vẫn chưa nhận được đề xuất cần thiết ngay cả trong cỏc tiờu chuẩn nước ngoài. Với một xỏc suất cao trong tớnh toỏn, tải trọng di chuyển trờn cầu khi xảy ra
động đất, cần thiết đưa vào cỏc phương phỏp tớnh toỏn tỏc động của xe cộ với kết cấu nhịp. Trong thời gian trận động đất cú thể xuất hiện dao động lớn của xe chuyển động trờn cầu, mà cú thể dẫn đến sự
trượt ray của đoàn tàu, chuyển động khụng ổn định của xe ụ tụ, hoặc thậm chớ là rơi ra khỏi cầu. Nhiều cầu được xõy dựng cú độ cao lớn, theo tớnh toỏn và đo lường của dao động của cỏc cụng trỡnh cao, mức độ dao động của cỏc điểm trờn cao của kết cấu cú thể tăng đến mười lần trở lờn so với mức độ
dao động bề mặt mặt đất. Cỏc đặc trưng động của tải trọng di động, như khối lượng của đầu mỏy xe lửa, toa tàu, xe ụ tụ cú thể mang tải hoặc trống rỗng, cũng nhưđặc tớnh lũ xo cú thể thay đổi trong giới hạn rộng. Nếu kết hợp khụng cú kết quả của cỏc đặc tớnh động của hệ thống ôđất nền - cầu - xe cộằ, biờn độ dao động của xe khi xảy ra trận động đất cú thể dẫn tới mức độ nguy hiểm. Để ngăn chặn cỏc tỡnh huống như vậy, cú thểđề xuất tớnh toỏn sự tương tỏc của xe cộ với nhịp bằng cỏch sử dụng cỏc khỏi niệm về phổ phản ứng.
nào đú cao hơn vài lần mức dao động của bề mặt đất nền. Khỏi niệm phổ phản ứng tầng là rất hữu ớch cho việc phõn tớch tương tỏc của kết cấu nhịp với trụ và đối với tớnh toỏn cỏc bộ phận biệt lập.
Trong cỏc tiờu chuẩn chưa đề cập đến thiết bị khỏng chấn của cầu. Khụng cú những yờu cầu đối với những thiết bị này, cũng nhưđề xuất cho lựa chọn và tớnh toỏn, trong khi, như là một phản ứng với những tỏc động địa chấn của cầu biệt lập, khỏc một cỏch đỏng kể từ phản ứng của cỏc cầu thụng thường mà khụng cú biện phỏp biệt lập.
Phõn tớch cho thấy việc phỏ hủy cụng trỡnh cầu trong trận động đất mạnh, những tổn thất phổ biến nhất là sựđứt đoạn kết cấu nhịp với trụ. Trong cỏc tiờu chuẩn đề xuất rằng chỉ việc lắp đặt cỏc thiết bị
khỏng chấn (hóm) để ngăn chặn sựđứt đoạn của kết cấu nhịp, trong khi khụng cú hướng dẫn về tớnh toỏn chuyển vị cú thểở cuối của nhịp, khụng cú phương phỏp để xỏc định những tỏc động động của cỏc thiết bị khỏng chấn, cỏc yờu cầu cho việc thiết kế cỏc thiết bị này khụng được quy định.
Tại Nhật Bản, sau khi phõn tớch của sự tàn phỏ của cầu gõy ra bởi trận động đất năm 1995 (Kobe), cỏc Tiờu chuẩn về việc tớnh của cầu đường bộđó được chỉnh sửa đỏng kể. Tiờu chuẩn mới bao gồm cỏc phần sau đõy:
• Đỏnh giỏ cỏc tỏc động địa chấn với những trận động đất tàn phỏ, gần khoảng cỏch chấn tõm;
• Phương phỏp tớnh toỏn trụ cầu, múng và cỏc bộ phận trụ và gối hóm, cú tớnh đến quan hệ dẻo của vật liệu mà từđú chỳng được chế tạo;
• Tớnh toỏn của cỏc thiết bị biệt lập;
• Tớnh toỏn tỏc động của thiết bịđịa chấn để ngăn ngừa sựđứt đoạn của kết cấu nhịp với trụ. Trong cỏc tiờu chuẩn hiện tại chưa cú khuyến nghị nhằm tăng cường cỏc cầu hiện cú để nõng cao sức khỏng địa chấn. Một số trường hợp, cú thể thay đổi một cỏch đỏng kể sựổn định chống động đất của kết cấu, vớ dụ, thay thế cỏc phần của gối kim loại bằng cao su với một sốđặc tớnh đàn hồi và cản.
Trong quy định cỏc cấp tớnh toỏn của trận động đất nờn được đưa vào cỏc tớnh toỏn thớ nghiệm của nước ngoài, cú tớnh đến phõn loại cầu theo mức độ quan trọng. Cỏc yờu cầu tăng cao về khỏng chấn được đề xuất theo mức độ quan trọng của cầu. Theo tiờu chõu Âu Eurocode 8, cầu được chia thành ba loại: Quan trọng (greater than average), trung bỡnh (average), và cầu kộm quan trọng (less than average). Đa số cỏc cầu đường bộ và đường sắt trờn tuyến đường giao thụng quan trọng quốc gia, liờn quan đến loại cầu ở mức trung bỡnh. Cỏc chủng loại cầu quan trọng bao gồm: a). Cầu được bảo toàn, đặc biệt là trong cỏc tỡnh huống khẩn cấp, cần thiết đểđảm bảo vận chuyển hàng hoỏ, b). Cầu cú thể bị phỏ huỷ dẫn đến nhiều tai nạn, c). Cầu duy nhất, thời hạn tớnh toỏn khai thỏc vượt quỏ thời hạn khai thỏc của cầu ở mức trung bỡnh.
Tại Nga, những cầu quan trọng là cầu dài hơn 500 một. Để cú căn cứ cho mức độ quan trọng của cỏc cầu, cú thể sử dụng nghiờn cứu của cỏc nhà khoa học trường Đại học tổng hợp giao thụng quốc gia St. Petersburg. Những nghiờn cứu này, cung cấp một cỏch định lượng đỏnh giỏ cỏc chỉ tiờu mức độ rủi ro của địa chấn đến cầu dài khỏc nhau, phụ thuộc vào lưu lượng chuyển động trờn đường và lập luận hợp lý mức độ quan trọng của cụng trỡnh này hay cụng trỡnh kia.
Trong cỏc tiờu chuẩn mới, cần thiết đưa vào tiờu chuẩn thiết kế khỏng chấn. Thỏng 3 năm 2002, tại Nhật Bản đó được cụng bố tiờu chuẩn tớnh toỏn cầu đường bộ. Cỏc tiờu chuẩn thay đổi quan trọng nhất trong lĩnh vực địa chấn, tớnh toỏn là việc ỏp dụng cỏc tiờu chuẩn thiết kếđịa chấn, dựa trờn cỏc quan hệ của kết cấu cầu núi chung trong quỏ trỡnh động đất; thành lập ba loại khỏng địa chấn và tương
ứng với cỏc trạng thỏi giới hạn, mà được sử dụng khi thiết lập cỏc tỏc động tớnh toỏn. Loại khỏng chấn
được thành lập trờn cơ sở từ ba quan điểm khỏc nhau: Đảm bảo an toàn, đảm bảo cú lợi khi khai thỏc và đảm bảo khả năng sửa chữa.
• Khỏng chấn loại 1: Khụng cú bất kỳ thiệt hại nào.
• Khỏng chấn loại 2: Thiệt hại khụng đỏng kể và khả năng phục hồi nhanh chúng, đỏng tin cậy.
• Khỏng chấn loại 3: Khụng cú thiệt hại mang tớnh thảm họa.
Khụng thể bỏ qua cỏc đề xuất hợp lý về sự phỏt triển của tiờu chuẩn, quy định về cỏc vấn đềđảm bảo khỏng chấn thiết bịđường sắt, đại diện bởi cỏc nhà nghiờn cứu của trường Đại học tổng hợp giao
thụng quốc gia St. Petersburg (УздинымА.М., КузнецовойИ.О. và СахаровымО.А. ôCỏc vấn đề đảm bảo khỏng chấn của giao thụng đường sắtằ. Xõy dựng khỏng chấn, an toàn cụng trỡnh 2005, № 4 p. 43-47). Cỏc tỏc giảđề xuất để phỏt triển một tài liệu chớnh thức, cho tất cả cỏc đối tượng vận tải
đường sắt: Cầu, hầm, nền đường, bể chứa với cỏc sản phẩm dầu, hệ thống điện và cấp nước, truyền thụng, vv… Đõy là đề xuất chuẩn bị nền tảng tiờu chuẩn cho hai cấp thiết kế của cụng trỡnh giao thụng (chịu tỏc động của động đất thiết kế và tớnh toỏn tối đa). Bước đầu tất cả cỏc kết cấu phải được chia ra thành cỏc nhúm theo mức độ quan trọng của chỳng và đối với mỗi nhúm cần thiết lập mức độ cho phộp hư hỏng và rủi ro địa chấn. Trong mỗi nhúm, phải được chứng minh cỏc mức độ của cỏc tỏc
động tớnh toỏn, trạng thỏi giới hạn và đề xuất sơđồ tớnh toỏn.
Chắc chắn, những giả thiết đề xuất: Phõn loại đối tượng, hai hoặc nhiều cấp độ thiết kế với cỏc mức độ tớnh toỏn quan trọng và rủi ro chấp nhận được dựa trờn trạng thỏi giới hạn và những kiến nghị
cỏc sơđồ tớnh toỏn sử dụng khi chuẩn bị cỏc quy định mới.
4. Kết luận
Từ những phõn tớch cỏc tài liệu tiờu chuẩn tớnh toỏn cụng trỡnh cầu chịu tỏc động địa chấn và so sỏnh với tiờu chuẩn hiện đại của nước ngoài, cần dựđịnh trong thời gian hiện tại cường độ xõy dựng giao thụng tại khu vực cú hoạt động địa chấn cao, khụng được đảm bảo bởi cỏc quy định cần thiết cho việc thiết kế, xõy dựng và khai thỏc kết cấu khỏng chấn.
Cần nhanh chúng nghiờn cứu cỏc quy định sử dụng cỏc thớ nghiệm nước ngoài, cỏc thành tựu khoa học và cụng nghệ hiện đại, cú tớnh đến việc phõn tớch phỏ hủy kết cấu thiệt hại khi động đất đó xảy ra trong thời gian gần đõy.
Cỏc tiờu chuẩn hiện tại phải đỏp ứng cỏc yờu cầu sau: Tiờu chuẩn cần được thể hiện chi tiết và làm sỏng tỏ về khả năng tất cả cỏc vấn đề, liờn quan đến tớnh toỏn cầu chịu động đất; khụng cú cỏc hệ
số hiệu chỉnh và sửa chữa mà khụng rừ nguồn gốc; mỗi mục tiờu chuẩn cần được cung cấp cựng với lời bỡnh luận chi tiết và cỏc chỳ thớch với cỏc nguồn chớnh, trong trường hợp, khi sử dụng cỏc kết quả
nghiờn cứu mới được đề xuất; cần được sử dụng trong khỏi niệm hiện đại, tiếp nhận sự phổ biến trờn thế giới về thực hành thiết kế; khuyến khớch tăng kỹ năng của người thiết kế tham gia vào việc tớnh toỏn cỏc kết cấu phức tạp chịu tỏc động địa chấn.
Tài liệu tham khảo
[1]. 22 TCN 221 – 95 (1995): Cụng trỡnh giao thụng trong vựng động đất. Tiờu chuẩn thiết kế, Bộ Giao thụng vận tải.