I. Hướng dẫn cơ sở tính toán cầu chịu tải trọng động đất
Việc tính toán cầu chịu tải trọng của động đất là một bài toán phức tạp trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng công trình giao thông. Động đất, về bản chất, là sự dao động hỗn loạn của nền đất, gây ra các lực quán tính tác động lên kết cấu cầu. Các lực này có phương và cường độ thay đổi đột ngột theo thời gian, đòi hỏi một phương pháp phân tích động lực học chuyên sâu thay vì các phương pháp tính toán tĩnh thông thường. Mục tiêu chính của thiết kế kháng chấn không phải là để công trình hoàn toàn không bị hư hỏng, mà là để đảm bảo an toàn sinh mạng, duy trì khả năng khai thác sau động đất và tránh sụp đổ thảm khốc. Để đạt được mục tiêu này, các kỹ sư phải hiểu rõ các đặc trưng cơ bản của động đất như cấp động đất, gia tốc nền cực đại, và nội dung tần số của dao động. Các tiêu chuẩn thiết kế hiện đại như TCVN 11823:2017 và AASHTO LRFD cung cấp các phương pháp luận và quy trình chi tiết để xác định tải trọng động đất và phân tích ứng xử của kết cấu. Các phương pháp này bao gồm từ phân tích tĩnh lực tương đương đơn giản đến các phân tích động lực phức tạp như phân tích phổ phản ứng và phân tích lịch sử thời gian. Việc lựa chọn phương pháp phụ thuộc vào tầm quan trọng của công trình, mức độ phức tạp của kết cấu và cấp độ nguy hiểm động đất tại địa điểm xây dựng. Một trong những yếu tố cốt lõi là khả năng tiêu tán năng lượng của kết cấu thông qua biến dạng dẻo, được thể hiện qua độ dẻo kết cấu. Điều này cho phép cầu chịu được các trận động đất mạnh mà không bị phá hủy giòn. Do đó, việc mô hình hóa kết cấu cầu một cách chính xác và lựa chọn các thông số đầu vào phù hợp là yếu tố quyết định đến sự an toàn và kinh tế của công trình.
1.1. Tầm quan trọng của thiết kế kháng chấn cho công trình cầu
Công trình cầu là một hạng mục hạ tầng giao thông huyết mạch, có vai trò cực kỳ quan trọng đối với kinh tế và an sinh xã hội. Sự sụp đổ của một cây cầu do động đất không chỉ gây thiệt hại trực tiếp về người và tài sản mà còn có thể làm tê liệt mạng lưới giao thông, cản trở công tác cứu hộ, cứu nạn và gây ra những tổn thất kinh tế gián tiếp to lớn. Lịch sử đã ghi nhận nhiều thảm họa cầu sập trong các trận động đất lớn trên thế giới, cho thấy tác động tàn khốc của tải trọng động đất khi không được tính toán đầy đủ. Vì vậy, thiết kế kháng chấn cho cầu là một yêu cầu bắt buộc tại các khu vực có nguy cơ động đất. Mục tiêu của thiết kế kháng chấn không chỉ dừng lại ở việc đảm bảo kết cấu không sụp đổ, mà còn phân cấp theo các mức độ ứng xử khác nhau: cầu phải duy trì hoạt động bình thường dưới các trận động đất nhỏ và thường xuyên; có thể bị hư hỏng có thể sửa chữa được dưới các trận động đất trung bình; và không bị sụp đổ để bảo toàn tính mạng con người dưới các trận động đất lớn, hiếm gặp. Việc áp dụng các tiêu chuẩn như TCVN 11823:2017 đảm bảo một cách tiếp cận nhất quán và an toàn trong thực hành thiết kế tại Việt Nam.
1.2. Các khái niệm cơ bản về động đất và gia tốc nền
Để tính toán cầu, cần nắm vững các khái niệm cơ bản về động đất. Cấp động đất (ví dụ, theo thang MSK-64) mô tả mức độ rung động trên bề mặt, trong khi Magnitude (ví dụ, độ Richter) đo lường năng lượng giải phóng tại chấn tiêu. Trong thiết kế kỹ thuật, tham số quan trọng nhất là gia tốc nền (peak ground acceleration - PGA), là gia tốc cực đại của mặt đất tại vị trí công trình trong một trận động đất. Giá trị này là đầu vào cơ bản để xây dựng phổ thiết kế động đất, một biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa gia tốc phản ứng của kết cấu và chu kỳ dao động riêng của nó. Phổ thiết kế được chuẩn hóa dựa trên các phân tích thống kê từ nhiều trận động đất đã ghi nhận và được điều chỉnh theo điều kiện nền đất địa phương. Các yếu tố như hệ số tầm quan trọng (I), phản ánh mức độ quan trọng của cây cầu, và hệ số ứng xử (R), thể hiện khả năng chịu biến dạng dẻo của kết cấu, được sử dụng để điều chỉnh lực động đất thiết kế, đảm bảo mức độ an toàn phù hợp với yêu cầu.
II. Thách thức trong mô hình hóa kết cấu cầu chịu động đất
Việc mô hình hóa kết cấu cầu để phân tích động đất là một công việc đầy thách thức, đòi hỏi sự cân bằng giữa độ chính xác và tính khả thi trong tính toán. Một mô hình quá đơn giản có thể bỏ qua các dạng dao động bậc cao hoặc các hiệu ứng tương tác quan trọng, dẫn đến đánh giá sai nội lực và chuyển vị. Ngược lại, một mô hình quá phức tạp sẽ tốn nhiều thời gian tính toán và có thể gặp khó khăn trong việc xác định chính xác các tham số vật liệu và điều kiện biên. Một trong những thách thức lớn nhất là mô hình hóa đúng ứng xử của các bộ phận phi kết cấu và tương tác giữa các bộ phận khác nhau, chẳng hạn như tương tác giữa kết cấu nhịp và mố trụ cầu. Các chi tiết như gối cầu cách chấn hay thiết bị cản nhớt cần được mô hình hóa bằng các phần tử đặc biệt có khả năng thể hiện đúng đặc tính phi tuyến của chúng. Hơn nữa, tương tác giữa kết cấu và nền đất (Soil-Structure Interaction - SSI) cũng là một yếu tố phức tạp, đặc biệt với các trụ cầu cao hoặc nền đất yếu. Việc bỏ qua SSI có thể dẫn đến việc đánh giá sai chu kỳ dao động của hệ và lực động đất tác dụng. Các phần mềm tính toán kết cấu hiện đại như Midas Civil hay SAP2000 cung cấp nhiều công cụ mạnh mẽ để giải quyết các thách thức này, nhưng đòi hỏi người kỹ sư phải có kiến thức sâu rộng về động lực học kết cấu và kinh nghiệm thực tiễn để lựa chọn mô hình và các tham số đầu vào một cách hợp lý, đảm bảo kết quả phân tích phản ánh đúng ứng xử thực của công trình.
2.1. Lựa chọn mô hình phân tích 2D và 3D trong Midas Civil
Việc lựa chọn giữa mô hình 2D và 3D phụ thuộc vào hình dạng và độ phức tạp của kết cấu cầu. Đối với các cây cầu thẳng, có hình học đơn giản và đối xứng, mô hình 2D (phân tích riêng theo phương dọc và phương ngang) có thể cung cấp kết quả đủ tin cậy và tiết kiệm thời gian tính toán. Tuy nhiên, đối với các cầu cong, cầu dây văng, hoặc cầu có hình học bất đối xứng, mô hình 3D là bắt buộc. Một mô hình 3D đầy đủ cho phép xét đến sự tương tác phức tạp giữa các thành phần dao động theo cả hai phương ngang, phương dọc và xoắn. Các phần mềm tính toán kết cấu như Midas Civil và SAP2000 cho phép xây dựng các mô hình 3D chi tiết, trong đó khối lượng được phân bố chính xác và các bậc tự do được xem xét đầy đủ. Việc mô hình hóa 3D cũng rất quan trọng khi phân tích các hiệu ứng cục bộ tại liên kết giữa dầm và mố trụ cầu, hoặc khi đánh giá hiệu quả của các thiết bị như gối cầu cách chấn.
2.2. Sự phức tạp của tương tác đất kết cấu SSI
Tương tác đất - kết cấu (Soil-Structure Interaction - SSI) là hiện tượng phản ứng của nền đất ảnh hưởng đến dao động của công trình và ngược lại. Khi bỏ qua SSI, móng được giả thiết là ngàm cứng vào nền đá, điều này có thể không đúng với thực tế, đặc biệt là với nền đất yếu. SSI thường làm tăng chu kỳ dao động của hệ và tăng độ cản, dẫn đến sự thay đổi trong phản ứng của kết cấu so với giả thiết móng ngàm cứng. Trong một số trường hợp, SSI có thể làm giảm lực động đất tác dụng lên kết cấu, nhưng cũng có thể làm tăng chuyển vị tương đối giữa các bộ phận. Việc mô hình hóa SSI rất phức tạp, có thể thực hiện bằng phương pháp lò xo tương đương (Winkler springs) hoặc các mô hình phần tử hữu hạn chi tiết hơn cho nền đất. Việc đánh giá chính xác các tham số của lò xo đòi hỏi các khảo sát địa kỹ thuật chuyên sâu. Bỏ qua SSI có thể dẫn đến thiết kế không an toàn hoặc quá lãng phí, do đó việc xem xét hiệu ứng này là cần thiết cho các công trình cầu quan trọng hoặc nằm trên nền đất yếu.
III. Phương pháp phân tích phổ phản ứng trong thiết kế kháng chấn
Phương pháp phân tích phổ phản ứng là phương pháp phân tích động lực học tuyến tính được sử dụng phổ biến nhất trong thiết kế kháng chấn công trình cầu. Theo tài liệu "Cơ sở tính toán cầu chịu tải trọng của động đất" của Nguyễn Việt Trung và Nguyễn Thanh Hà, phương pháp này dựa trên nguyên lý chồng chất các dạng dao động riêng của kết cấu. Thay vì giải phương trình chuyển động theo toàn bộ lịch sử thời gian, phương pháp này xác định phản ứng cực đại (chuyển vị, nội lực) cho từng dạng dao động riêng dựa trên phổ thiết kế động đất. Phổ thiết kế là một đường cong quan trọng được quy định trong các tiêu chuẩn như TCVN 11823:2017 hoặc AASHTO LRFD. Đường cong này biểu diễn gia tốc phản ứng lớn nhất của một hệ một bậc tự do ứng với các chu kỳ dao động T và một tỷ số cản nhất định. Quá trình phân tích bao gồm ba bước chính: (1) Xác định các dạng dao động riêng và chu kỳ tương ứng của kết cấu thông qua phân tích modal. (2) Với mỗi dạng dao động, xác định giá trị gia tốc phản ứng từ phổ thiết kế, từ đó tính toán các phản ứng cực đại. (3) Tổ hợp các phản ứng cực đại từ các dạng dao động khác nhau để có được phản ứng tổng thể của kết cấu. Việc tổ hợp thường được thực hiện bằng các quy tắc thống kê như CQC (Complete Quadratic Combination) hoặc SRSS (Square Root of Sum of Squares). Phương pháp này hiệu quả cho các kết cấu có ứng xử chủ yếu là đàn hồi và là công cụ mạnh mẽ được tích hợp trong các phần mềm tính toán kết cấu.
3.1. Xây dựng phổ thiết kế động đất theo TCVN 11823 2017
Tiêu chuẩn TCVN 11823:2017 cung cấp hướng dẫn chi tiết để xây dựng phổ thiết kế động đất cho các vùng lãnh thổ Việt Nam. Phổ thiết kế được xác định dựa trên các thông số chính: gia tốc nền thiết kế (PGA) tương ứng với một chu kỳ lặp nhất định (ví dụ 475 năm), loại nền đất (từ loại A - đá cứng đến E - đất yếu), và hệ số tầm quan trọng (I) của công trình. Nền đất có ảnh hưởng lớn đến hình dạng của phổ, nền đất yếu thường khuếch đại các dao động có chu kỳ dài. Phổ thiết kế đàn hồi sau đó được điều chỉnh để có phổ thiết kế cho phân tích phi tuyến bằng cách chia cho hệ số ứng xử (R). Hệ số R phản ánh khả năng của kết cấu trong việc tiêu tán năng lượng thông qua biến dạng dẻo, phụ thuộc vào loại hệ kết cấu (ví dụ, trụ cầu có độ dẻo cao hay thấp) và vật liệu. Việc lựa chọn đúng loại nền đất và hệ số R là cực kỳ quan trọng để xác định chính xác lực động đất thiết kế.
3.2. Quy trình tổ hợp tải trọng động đất với các tải trọng khác
Lực động đất không tác dụng một mình mà phải được kết hợp với các tải trọng thường xuyên khác để kiểm tra trạng thái giới hạn của kết cấu. Quy trình tổ hợp tải trọng được quy định rõ trong các tiêu chuẩn. Thông thường, tải trọng động đất được xét trong tổ hợp tải trọng đặc biệt, trong đó các tải trọng thường xuyên như tĩnh tải, hoạt tải được nhân với hệ số nhỏ hơn 1.0. Điều này phản ánh xác suất xảy ra đồng thời của tải trọng động đất cực đại và các tải trọng khác ở giá trị lớn nhất là rất thấp. Ví dụ, một tổ hợp điển hình có thể là: 1.0 * Tĩnh tải + 1.0 * Động đất + 0.5 * Hoạt tải. Tải trọng động đất cũng cần được xem xét tác dụng theo cả hai phương chính (dọc và ngang cầu). Phản ứng do tác dụng theo phương này thường được tổ hợp với phản ứng do tác dụng theo phương vuông góc theo quy tắc 100% + 30%, tức là 100% lực động đất theo một phương cộng với 30% lực động đất theo phương vuông góc, và ngược lại. Việc thực hiện đúng quy trình tổ hợp tải trọng đảm bảo kết cấu được kiểm tra an toàn dưới các điều kiện bất lợi nhất có thể xảy ra.
IV. Bí quyết phân tích lịch sử thời gian cho các công trình cầu đặc biệt
Phương pháp phân tích lịch sử thời gian (Time History Analysis - THA) là công cụ phân tích động đất tiên tiến và chính xác nhất hiện nay. Không giống như phân tích phổ phản ứng chỉ cho kết quả cực đại, THA tính toán phản ứng của kết cấu (chuyển vị, vận tốc, gia tốc, nội lực) tại từng bước thời gian trong suốt quá trình xảy ra động đất. Phương pháp này đặc biệt cần thiết cho các công trình cầu có tầm quan trọng đặc biệt, kết cấu phức tạp, hoặc khi cần đánh giá ứng xử phi tuyến của vật liệu và hình học. Đầu vào của phương pháp này là một hoặc nhiều bản ghi gia tốc nền (accelerograms) từ các trận động đất thực tế hoặc được tạo ra nhân tạo. Các bản ghi này phải được lựa chọn và hiệu chỉnh (scaling) cẩn thận để phù hợp với điều kiện địa chấn tại vị trí xây dựng, cụ thể là phải tương thích với phổ thiết kế động đất mục tiêu trong một dải chu kỳ quan tâm. Phân tích THA có thể là phân tích tuyến tính hoặc phi tuyến. Phân tích phi tuyến cho phép mô hình hóa các hiện tượng phức tạp như biến dạng dẻo của cốt thép, nứt của bê tông, và ứng xử của các thiết bị cản nhớt hay gối cầu cách chấn. Các phần mềm như SAP2000 và Midas Civil hỗ trợ mạnh mẽ phương pháp này, cho phép kỹ sư có cái nhìn chi tiết và thực tế nhất về ứng xử của cầu dưới tác động của một trận động đất cụ thể.
4.1. Lựa chọn và hiệu chỉnh các bản ghi gia tốc nền
Chất lượng của kết quả phân tích lịch sử thời gian phụ thuộc rất lớn vào việc lựa chọn và hiệu chỉnh các bản ghi gia tốc nền. Theo các tiêu chuẩn như AASHTO LRFD, cần sử dụng một bộ gồm ít nhất ba hoặc bảy cặp bản ghi (tương ứng với hai phương ngang) từ các trận động đất có cùng cơ chế đứt gãy, khoảng cách chấn tâm, và điều kiện nền đất tương tự như tại địa điểm thiết kế. Các bản ghi này sau đó được hiệu chỉnh (scale) để phổ phản ứng trung bình của chúng khớp với phổ thiết kế động đất mục tiêu. Quá trình hiệu chỉnh có thể thực hiện trong miền thời gian (time domain) hoặc miền tần số (frequency domain). Việc lựa chọn không cẩn thận có thể dẫn đến việc đánh giá quá cao hoặc quá thấp phản ứng của kết cấu. Các cơ sở dữ liệu động đất trực tuyến như PEER Ground Motion Database là nguồn tài nguyên quý giá để tìm kiếm các bản ghi phù hợp.
4.2. Ứng dụng phân tích phi tuyến cho độ dẻo kết cấu
Phân tích lịch sử thời gian phi tuyến (Nonlinear THA) là công cụ duy nhất có thể mô phỏng chính xác quá trình hình thành khớp dẻo và phân phối lại nội lực trong kết cấu khi nó vượt qua giới hạn đàn hồi. Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết độ dẻo kết cấu, một yếu tố cốt lõi trong thiết kế kháng chấn hiện đại. Bằng cách sử dụng các mô hình vật liệu phi tuyến cho bê tông và cốt thép, kỹ sư có thể theo dõi quá trình biến dạng, xác định các vùng có nguy cơ hư hỏng cao, và kiểm tra xem các yêu cầu về độ dẻo có được đáp ứng hay không. Phân tích phi tuyến cũng rất quan trọng để đánh giá hiệu quả của các hệ thống bảo vệ như gối cầu cách chấn và thiết bị cản nhớt, vì các thiết bị này có đặc tính lực-chuyển vị phụ thuộc vào vận tốc và biên độ, điều mà chỉ có THA mới mô tả chính xác được.
V. Top giải pháp công nghệ thiết kế kháng chấn cầu hiện đại
Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã mang lại nhiều giải pháp công nghệ tiên tiến cho thiết kế kháng chấn cầu, giúp nâng cao đáng kể mức độ an toàn và hiệu quả kinh tế. Thay vì chỉ tăng cường độ cứng và độ bền cho kết cấu để chống lại lực động đất, triết lý thiết kế hiện đại tập trung vào việc kiểm soát và tiêu tán năng lượng địa chấn. Một trong những giải pháp phổ biến và hiệu quả nhất là sử dụng hệ thống cách ly nền (base isolation). Hệ thống này, bao gồm các gối cầu cách chấn bằng cao su chì (LRB) hoặc gối con lắc ma sát (FPS), được lắp đặt giữa kết cấu nhịp và mố trụ cầu. Các gối này có độ cứng ngang thấp, giúp kéo dài chu kỳ dao động cơ bản của cầu ra khỏi vùng đỉnh của phổ gia tốc, từ đó làm giảm đáng kể lực động đất truyền lên kết cấu bên trên. Một công nghệ khác là sử dụng các thiết bị tiêu tán năng lượng, chẳng hạn như thiết bị cản nhớt (viscous dampers). Các thiết bị này hoạt động tương tự như giảm xóc trên ô tô, biến đổi năng lượng dao động thành nhiệt năng và tiêu tán nó, qua đó làm giảm biên độ dao động và nội lực trong kết cấu. Việc tích hợp các công nghệ này đòi hỏi phải sử dụng các phương pháp phân tích nâng cao như phân tích lịch sử thời gian phi tuyến và các phần mềm tính toán kết cấu chuyên dụng để mô phỏng chính xác ứng xử của chúng.
5.1. Hệ thống gối cầu cách chấn Base Isolation và nguyên lý
Hệ thống gối cầu cách chấn hoạt động dựa trên nguyên lý cơ bản là tách rời chuyển động của kết cấu bên trên khỏi chuyển động của nền đất. Bằng cách lắp đặt một lớp linh hoạt có độ cứng ngang thấp (gối cách chấn) tại móng hoặc đỉnh trụ, chu kỳ dao động tự nhiên của công trình được kéo dài đáng kể, ví dụ từ 0.5 giây lên 2-3 giây. Theo phổ thiết kế động đất, các kết cấu có chu kỳ dài thường chịu gia tốc phản ứng nhỏ hơn nhiều so với các kết cấu có chu kỳ ngắn. Kết quả là lực quán tính và nội lực trong các bộ phận như trụ và móng giảm mạnh, cho phép thiết kế các bộ phận này thanh mảnh và tiết kiệm hơn. Ngoài ra, các gối cách chấn thường được tích hợp cơ chế cản để tiêu tán năng lượng, giúp kiểm soát chuyển vị lớn tại lớp cách ly. Các loại gối phổ biến bao gồm gối cao su cốt thép, gối cao su lõi chì (LRB) và gối con lắc ma sát (FPS).
5.2. Vai trò của thiết bị cản nhớt và cản ma sát trong cầu
Các thiết bị cản (dampers) được sử dụng để tăng khả năng tiêu tán năng lượng của hệ kết cấu, qua đó giảm phản ứng động lực. Thiết bị cản nhớt (viscous dampers) tạo ra một lực cản tỉ lệ với vận tốc tương đối giữa hai đầu của thiết bị. Khi kết cấu dao động, piston trong damper di chuyển qua một chất lỏng nhớt, tạo ra nhiệt và tiêu tán năng lượng. Các thiết bị này đặc biệt hiệu quả trong việc giảm chuyển vị và vận tốc dao động. Một loại khác là thiết bị cản ma sát, hoạt động bằng cách trượt giữa các bề mặt tiếp xúc, tiêu tán năng lượng thông qua công của lực ma sát. Các thiết bị cản có thể được lắp đặt tại nhiều vị trí trên cầu, chẳng hạn như giữa kết cấu nhịp và trụ, hoặc dưới dạng các thanh giằng chéo trong khung trụ. Chúng cung cấp một giải pháp hiệu quả để nâng cấp kháng chấn cho các cây cầu hiện hữu hoặc tối ưu hóa thiết kế cho các cây cầu mới.
