MỞ ĐẦU 1. Tổng quan tính hình nghiên cứu trên thế giới Trƣớc những yêu cầu phát triển của đất nƣớc đòi hỏi phải xây dựng và hoàn thiện hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông vận tải. Những dạng kết cấu cầu có khả năng vƣợt nhịp lớn và đảm bảo tĩnh không thông thuyền ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi do những tính năng ƣu việt của nó. Song những dạng kết cấu này thƣờng có tỷ lệ chiều dài nhịp so với chiều cao dầm chủ lớn nên có độ mảnh tƣơng đối lớn.
Do đặc điểm thanh mảnh nên vấn đề giữ ổn định và giảm dao động cho dạng kết cấu này là rất cần thiết. Có nhiều biện pháp giảm dao động cho công trình nhƣ tăng khối lƣợng, tăng độ cứng kết cấu, sử dụng các thiết bị giảm chấn.Trong đó biện pháp sử dụng các thiết bị giảm chấn là biện pháp rất tiên tiến đã đƣợc áp dụng trên thế giới trong vài ba thập kỷ gần đây và đã có rất nhiều thành tựu to lớn. Tuy nhiên hiện nay ứng dụng phổ biến nhất của các thiết bị giảm chấn trên cầu dây văng là cho các dây văng còn cho cột tháp và dầm chủ vẫn còn chƣa phổ biến. Đánh giá việc sử dụng các thiết bị giảm chấn đối với các kết cầu có độ mảnh lớn để thấy đƣợc cái nhìn tổng thể về việc sử dụng các thiết bị giảm chấn đối với công trình cầu.
Từ đó lựa chọn sử dụng thiết bị một cách hợp lý nhất. Mục tiêu nghiên cứu Sự áp dụng các thiết bị giảm chấn cho công trình cầu nói chung và cho cầu dây văng nói riêng vẫn còn đang là một bài toán mới mẻ và chƣa đƣợc quan tâm nhiều ở nƣớc ta. Việc nghiên cứu đi giải quyết các vấn đề về: - Xác định các loại thiết bị dao động phù hợp với trụ tháp cầu dây văng. - Tìm ra thông số tối ƣu của thiết bị khi lắp đặt lên kết cấu cầu dây văng.
- Tìm ra vị trí lắp đặt lên trụ tháp cầu dây văng nhằm mục đích giảm dao động hiệu quả nhất. - Đánh giá hiệu quả giảm dao động của trụ tháp cầu dây văng khi lắp đặt các thiết bị. Đối tƣợng nghiên cứu GVHD: NGUYỄN ĐỨC HIẾU TRƢỜNG ĐH GTVT CS II ĐỀ TÀI NCKH SV Các thiết bị giảm dao động áp dụng trong cầu dây văng… Tính toán cụ thể cho một kết cấu công trình đã khánh thành và đƣa vào sử dụng ở việt nam từ các số liệu đầu vào đƣợc lấy theo số liệu thực tế từ hồ sơ thiết kế kỹ thuật, các tài liệu thiết kế và công nghệ của công trình trong các trƣờng hợp không có các thiết bị giảm chấn và có các thiết bị giảm chấn. Phạm vi nghiên cứu Thiết bị giảm chấn là một giải pháp mới để tăng cƣờng sự ổn định động lực học cho trụ tháp cầu dây văng, việc ứng dụng thiết bị giảm chấn cho cột tháp cầu và cho dầm chủ cầu vẫn còn hạn chế.
Đánh giá hiệu quả của thiết bị giảm chấn khi đƣợc gắn lên kết cấu công trình đang là một bài toán đƣợc quan tâm hiện nay. Tổng hợp các kết quả từ thực tiễn đã áp dụng trên thế giới và xây dựng mô hình khảo sát tính toán để tìm ra các thông số tối ƣu. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với tính toán trên máy tính. - Thu thập các số liệu thực tế và phân tích đánh giá GVHD: NGUYỄN ĐỨC HIẾU TRƢỜNG ĐH GTVT CS II ĐỀ TÀI NCKH SV CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC TÁC NHÂN GÂY DAO ĐỘNG ĐỐI VỚI TRỤ THÁP CẦU DÂY VĂNG 1.
ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ TÍNH CHẤT CHỊU LỰC CẦU DÂY VĂNG 1. Đặc điểm cấu tạo cầu treo dây văng Cầu treo dây văng là loại cầu sử dụng các dây cáp đƣợc liên kết từ một hay nhiều cột tháp để treo hệ mặt cầu. Điển hình là một hệ dầm liên tục với một hay nhiều cột tháp đặt lên trụ cầu ở khoảng giữa nhịp đồng thời các dây văng đƣợc tỏa xuống đỡ hệ dầm chủ. - Tháp cầu: Hình dáng cột tháp có ảnh hƣởng trực tiếp đến cách bố trí dây văng của cầu treo dây văng.
Tháp cầu thƣờng có ba dạng cơ bản đó là: dạng chữ A, chứ H và chữ Y ngƣợc. Ngoài ra còn có những dạng cải tiến khác với những ƣu nhƣợc điểm và tính thẩm mĩ riêng tuy nhiên đều thể hiện là một thanh cơ bản về khái niệm tổng thể kết cấu.1: Tháp cầu treo dây văng - Cáp văng: Cáp văng trong cầu dây văng đóng vai trò hết sức quan trọng cả về kĩ thuật và kinh tế. Cáp văng thƣờng là các bó cáp cƣờng độ cao lớn hơn thép thƣờng từ 3 đến 4 lần.Các loại cáp có thể dung cho cầu dây văng là: thanh thép song song, sợi song song, tao song song, tao xoắn và lõi cáp.2: Cáp cầu treo dây văng GVHD: NGUYỄN ĐỨC HIẾU Trang 1 TRƢỜNG ĐH GTVT CS II ĐỀ TÀI NCKH SV - Dầm/ Hệ mặt cầu: Hệ dầm có thể bằng thép, bê tông hoặc bê tông-thép liên hợp, chẳng hạn nhƣ một khung dầm bằng thép bản mặt cầu bằng bê tông, hoặc hai dầm biên bằng bê tông với bản mặt cầu bằng thép. Dầm biên có thể xiên hay thẳng đứng, tùy thuộc vào hình dạng của tháp cầu, số mặt phẳng dây và phƣơng pháp thi công.
Tính chất chịu lực cầu treo dây văng Cầu dây văng là hệ không biến dạng hình học và có bậc siêu tĩnh cao. Hệ làm việc nhƣ một dầm cứng tựa trên các gối đàn hồi là các dây văng. Chức năng chính của cột tháp là đỡ hệ dây văng và đồng thời là chịu lực nén là chủ yếu. Trong cầu một mặt phẳng dây, các dây văng thƣờng đƣợc neo tại đƣờng tim của hệ mặt cầu.
Cầu chủ yếu chịu tải trọng theo phƣơng đứng còn khả năng chịu xoắn rất kém. Do đó, hệ dầm phải chịu xoắn tốt để có thể chịu lực lệch tâm. Trong cầu hai mặt phẳng dây (đứng hoặc xiên), các dây văng đƣợc neo dọc theo hai bên của hệ mặt cầu. Trong trƣờng hợp này, hệ dây văng sẽ chịu cả tải trọng đứng và xoắn.
CÁC NGUYÊN NHÂN GÂY DAO ĐỘNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU 1. Ảnh hƣởng của các tác động do hoạt tải Trong quá trình khai thác, tải trọng hoạt tải (phƣơng tiện tham gia giao thông) gây ra dao dộng cho kết cấu cầu dây văng. Trạng thái dao động do tập hợp của nhiều nhân tố kích động đó là: - Vận tốc di chuyển của tải trọng - Tác động do chuyển động của các phần khối lƣợng không cân bằng của hoạt tải - Sự va đập của bánh xe với những chỗ không bằng phẳng của mặt đƣờng trên cầu - Dao động của kết cấu lò so hay bộ phận giảm chấn của phƣơng tiện giao thông - Tác động lắc ngang của hoạt tải - Ảnh hƣởng do các đoàn tải trọng di động hỗn độn trên cầu và sự bứt phá khỏi mặt cầu của phƣơng tiện vận tải GVHD: NGUYỄN ĐỨC HIẾU Trang 2 TRƢỜNG ĐH GTVT CS II ĐỀ TÀI NCKH SV 1. Ảnh hƣởng của tác động gió 1.
Tác động tĩnh do gió Mất ổn định đƣợc nhận thấy ở các kết cấu mảnh, và mất ổn định đột ngột tại bề mặt vuông góc với hƣớng gió. Ứng suất và biến dạng gây ra trên bề mặt chắn gió do dòng khí thổi “êm thuận” lý tƣởng này đặc trƣng do giá trị trung bình của tốc độ gió thay đổi theo thời gian. Các tác động khí động do gió a. Sự hình thành các xoáy khí và dao động nâng hạ Karman Các xoáy khí xuất hiện khi các dòng khí gặp vật cản sẽ đóng vai trò nhƣ các “vật cản phụ” làm cho dòng khí không còn êm thuận nữa tạo ra các lực nâng và hạ tác động vào vật cản gây dao động.3: Hiện tƣợng tạo thành các xoáy khí sau vật cản Hiện tƣợng dao động của kết cấu theo hƣớng nâng hạ do tác dụng này gọi là dao động Karman.4: Tần số xuất hiện xoáy khí sau vật cản Tần số của lực nâng hạ do gió bằng tần số xuất hiện các xoáy khí sau vật cản.
Kết quả nghiên cứu cho thấy tần số này phụ thuộc vào hình dạng, kích thƣớc của vật cản và tốc độ của luồng gió tác động. Hiện tƣợng fluter. Dao dộng không giới hạn Một dạng tác động khác của gió đối với công trình cầu là dao động tròng trành tự kích thích. GVHD: NGUYỄN ĐỨC HIẾU Trang 3 TRƢỜNG ĐH GTVT CS II ĐỀ TÀI NCKH SV Hiện tƣợng mất ổn định khí động do cộng hƣởng đồng thời của nhiều dao động có nguyên nhân liên quan tới các dao động tự kích thích dẫn tới nguy cơ phá hoại công trình gọi là hiện tƣơng flutter.
Đối với công trình cầu hiện tƣợng flutter xuất hiện chủ yếu khi có sự cộng hƣởng giữa các dao động uốn và xoắn. Tốc độ gió có ảnh hƣởng trực tiếp tới khả năng xảy ra mất ổn định khí động, khi tốc độ gió đạt tới mức độ gần tới tốc độ xảy ra cộng hƣởng, kích thích dao động và làm tăng biên độ dao động một cách đột ngột gây mất ổn định.5: Hiện tƣợng flutter đối với dầm mặt cầu 1. Ảnh hƣởng tác động do mƣa Có thể có tác động gió mà không có mƣa nhƣng tác động gây dao động của mƣa luôn bao gồm sự kết hợp với các tác động gió. Các cơn mƣa có lƣu lƣợng lớn bao giờ cũng chia thành từng “đợt” với cƣờng độ khác nhau tạo thành tác động lực thay đổi theo thời gian gây ra dao động.
Đối với tổng thể kết cấu, do cấu tạo đủ để chịu tải trọng khai thác nên tác động do bản thân mƣa không lớn. Tuy nhiên tác động mƣa kết hợp với hiện tƣợng lốc lớn có thể gây nguy hiểm cho công trình. GVHD: NGUYỄN ĐỨC HIẾU Trang 4 TRƢỜNG ĐH GTVT CS II ĐỀ TÀI NCKH SV 1. Ảnh hƣởng do tác dụng động đất Động đất là hiện tƣợng chuyển động hỗn loạn của vỏ trái đất có phƣơng và cƣờng độ thay đổi theo thời gian do những nguyên nhân giải tỏa năng lƣợng từ một vị trí nào đó trên trái đất.
Khi xảy ra động đất, dƣới nền móng công trình sẽ xuất hiện các chuyển dịch theo phƣơng thẳng đứng và phƣơng ngang. Chuyển vị động của đất dƣới nền móng làm xuất hiện các hiệu ứng động tác dụng lên công trình nhƣ dao động, chuyển dịch, vận tốc chuyển động của đất nền. làm thay đổi trạng thái nội lực, biến dạng trong các bộ phận và tùy theo mức độ ảnh hƣởng gây ra các hƣ hỏng ở mức độ khác nhau hoặc có thể phá hủy công trình.