CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Giới thiệu về gối cầu tải trọng lớn Gối cầu là bộ phận trung gian liên kết giữa kết cấu nhịp phần trên và kết cấu phần dưới như mố, trụ cầu của công trình cầu. Gối cầu có nhiệm vụ truyền áp lực tập trung từ kết cấu nhịp xuống mố trụ, đảm bảo cho đầu kết cấu nhịp có thể quay hoặc di động tự do dưới tác dụng của hoạt tải và nhiệt độ thay đổi, [22]. Gối cầu tải trọng lớn là loại gối cầu có tải trọng thử nghiệm từ 3000 Tấn (tương đương 30.000kN) trở lên.
Các loại gối cầu tải trọng lớn rất đa dạng có thể là gối thép, gối cao su, gối chậu…tuy nhiên gối chậu được sử dụng nhiều và phổ biến nhất. Gối chậu được chia làm hai loại: gối cố định và gối di động. Cấu tạo gối chậu gồm một tấm cao su hình tròn đặt trong một bộ phận bằng thép có dạng hình chậu. Chuyển vị xoay của đầu kết cấu nhịp được đảm bảo bởi biến dạng cắt đàn hồi của tấm cao su.
Nhờ có chậu thép, tấm cao su có khối lượng không đổi và không bị nén dưới tải trọng. Trong gối di động, chuyển vị trượt của gối do tấm Teflon PTFE (polytetra fluoroethylene) trượt trên mặt thép. Tấm trượt Teflon PTFE được đặt trong khấc lõm của bản thép. Trên mặt tấm trượt PTFE là một lá thép làm bằng thép hợp kim, mịn phẳng và không gỉ.
Cấu tạo gối chậu (di động) 7 Trong những năm trở lại đây, nhiều công trình có quy mô lớn đã, đang và sẽ được triển khai ở nước ta như cầu Tân Vũ Lạch Huyện, Vĩnh Tuy 2, Trần Hưng Đạo, Tứ Liên…Cùng với đó gối cầu tải trọng lớn cũng được sử dụng ngày càng nhiều. Do đó công tác thử nghiệm cũng như thiết bị TNGCTTL ở trong nước được quan tâm hơn bao giờ hết. Giới thiệu về thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn Để đảm bảo khả năng làm việc và tuổi thọ của công trình cầu, gối cầu cần phải được kiểm tra chất lượng chặt chẽ trong phòng thí nghiệm hợp chuẩn chuyên ngành trên các Thiết bị TNGCTTL trước khi đưa vào lắp đặt sử dụng. Trên thế giới việc thử nghiệm gối cầu áp dụng phổ biến tiêu chuẩn ASTM D4014; tiêu chuẩn AASHTO M251 (đối với gối cao su cốt bản thép) hoặc tiêu chuẩn ASTM D5977; tiêu chuẩn ASTM D5212 (đối với gối chậu).
Tại Việt Nam, hiện chúng ta dang thực hiện theo TCVN 10308 (gối cao su) và TCVN 10268:2014; TCVN 10269:2014 (gối chậu). Đối với gối cầu tải trọng lớn, thử nghiệm sẽ có hai nội dung cơ bản: - Thí nghiệm vật liệu chế tạo gối, [29], [35], [37], [38], [39]: + Thí nghiệm độ cứng shore A. + Thí nghiệm cơ lý cao su: độ bền kéo đứt độ dãn dài khi đứt. + Thí nghiệm biến dạng nén dư ở 22h tại 100oC.
+ Thí nghiệm khả năng già hóa nhiệt ở 70h tại 100oC hoặc 168h ở 70oC. + Khả năng trương nở trong dầu ASTM số 3. + Xác định độ bền kháng ozon của cao su gối. + Tính giòn của cao su ở nhiệt độ thấp.
Các phép thử này hầu hết các phòng thí nghiệm trong nước đều có thể thực hiện được trên các thiết bị thí nghiệm thông dụng, có độ chính xác cao. Vì lẽ đó, các phép thí nghiệm này không thuộc phạm vi nghiên cứu của luận án. - Thử nghiệm trên gối hoàn chỉnh, [30]: + Thử nghiệm nén thẳng đứng: Gối cầu được nén thẳng đứng đến 150% tải trọng thẳng đứng lớn nhất theo từng cấp lực, tối thiểu là 5 cấp tăng tải với tốc độ 8 không quá 0,05N/mm2/s. Mỗi cấp giữ tải từ (1 ÷ 5) phút.
Ghi lại chuyển vị thẳng đứng của gối. Sau đó xả tải về “0”. + Thử nghiệm tải trọng ngang: Tác dụng lên gối một lực nén bằng lực thiết kế và giữ tải trọng này trong suốt quá trình thí nghiệm. Sau đó, gối sẽ được tác động một lực ngang bằng 1,5 lần lực ngang thiết kế.
Sau đó giữ tải trọng một phút, quan sát mức độ phá hoại. + Thử nghiệm hệ số ma sát: Tác dụng lên gối một lực nén bằng lực thiết kế và giữ tải trọng này tối thiểu 12 giờ để qua đó đánh giá độ bền bề mặt trượt. Sau đó, gối sẽ được tác động tối thiểu 100 chu kì trượt với tốc độ trong khoảng 25cm/phút đến 30,5cm/phút với cự ly dịch chuyển ngang tối thiểu 2,5 cm. Ghi lại giá trị lực ngang.
+ Thử nghiệm góc xoay: Tác dụng một lực nén lên gối đến 75% lực nén thiết kế lớn nhất đồng thời định vị nó ở một góc xoay 0,02 rad hoặc góc xoay thiết kế tùy theo giá trị nào lớn hơn. Giữ tải 1 giờ. Sau đó xả tải về “0”, kiểm tra bề mặt làm việc của gối. Các thử nghiệm này phải thực hiện trên thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn.
Từ năm 2005 trở về trước, các phép thử nghiệm này đều phải mang ra nước ngoài thực hiện do trong nước chưa có thiết bị. Nhưng hiện nay, các phép thử này hoàn toàn có thể thực hiện trong nước trên thiết bị TNGCTTL do Việt Nam chế tạo. Giới thiệu về thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn Trên thế giới hiện nay, gối cầu rất phong phú và đa dạng về chủng loại cũng như tải trọng từ vài tấn đến vài nghìn tấn …. Tuy nhiên trong khuôn khổ luận án, tác giả chỉ nghiên cứu những thiết bị thử nghiệm gối cầu có thể thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn từ 3.000 tấn trở lên.
Thiết bị thử nghiệm gối cầu hoàn chỉnh trong thực tế, là cơ sở quan trọng trong việc đánh giá khả năng làm việc và chất lượng của gối cầu. Đối với thiết bị thử nghiệm nói chung và thiết bị TNGCTTL nói riêng, độ chính xác của thiết bị thử nghiệm luôn là yếu tố quan trọng được đặt lên hàng đầu. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thiết bị thử nghiệm có thể kể đến như là: áp suất động của hệ thống TĐTL, Kết cấu thép chịu lực của thiết bị, thiết bị đo, phương pháp đo, môi trường khai thác…. Thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng lớn trên thế giới a.
Thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng 10.000 tấn, [50] Hãng Mageba có một trong những thiết bị thử nghiệm gối cầu lớn nhất thế giới cho phép tạo ra tải trọng nén tới 100.000 kN (tương đương 10. Đây là thiết bị khổng lồ được xây dựng đặc biệt để kiểm tra gối chậu đã được đưa vào sử dụng thành công từ năm 1981. Cấu tạo bên trong khung 1- Xi lanh tạo lực ngang 2- Xi lanh tạo lực thí nghiệm hệ số ma sát Bảng 1. Thông số kỹ thuật của thiết bị STT Thông số cơ bản của thiết bị Đơn vị Thực tế I Khung thử tải Kích thước bao của khung thử 1 mm 9.500 (dài x rộng x cao) Kích thước khoang làm việc 2 mm 3.600 (dài x rộng x cao) II Kích đĩa tạo tải thẳng đứng 1 Đường kính piston mm 2.040 2 Hành trình max mm 40 3 Lực nâng lớn nhất kN 10.454 10 STT Thông số cơ bản của thiết bị Đơn vị Thực tế 4 Áp suất tối đa Bar 320 III Xi lanh tạo lực đẩy ngang 1 Đường kính piston mm 200 2 Hành trình max mm 40 3 Lực nâng lớn nhất kN 3.500 4 Áp suất tối đa Bar 720 5 Số lượng xi lanh Cái 03 III Xi lanh tạo lực dọc theo phương trượt 1 Đường kính piston mm 150 2 Hành trình max mm 250 3 Lực nâng lớn nhất kN 1.500 4 Áp suất tối đa Bar 700 5 Số lượng xi lanh: 06 cái được bố trí đều hai bên, mỗi bên 3 xi lanh Nhận xét: - Đây là thiết bị TNGCTTL lớn nhất thế giới hiện nay.
Thiết bị sử dụng kích thủy lực dạng đĩa tạo lực thẳng đứng là phù hợp vì loại kích này có chiều cao thấp nên tiết kiệm được không gian làm việc của thiết bị. Việc bố trí 6 xi lanh thủy lực hai bên giúp cho quá trình thử nghiệm hệ số ma sát diễn ra dễ dàng và chính xác. Thiết bị này chỉ phục vụ thử nghiệm gối cầu do hãng sản xuất. - Lực nén gối được đo gián tiếp qua áp suất của xi lanh thủy lực.
Chính vì vậy, các yếu tố gây ra dao động trong hệ thống TĐTL cũng sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của kết quả đo lực nén. - Biến dạng gối được đo bằng đồng hồ so gắn trực tiếp vào thớt trên và thớt dưới của gối. Phương pháp đo này đã loại bỏ được biến dạng của hệ khung chịu lực. Thiết bị thử nghiệm gối cầu loại 5.000 tấn - Thiết bị 5.000 tấn của Tứ Xuyên - Trung Quốc Thiết bị thử nghiệm gối cầu 5.000 tấn của Tứ Xuyên, Trung Quốc được giới thiệu trên Hình 1.
11 Xi lanh (1) có tác dụng đẩy thớt dưới (7) di chuyển ra vào nhằm thuận tiện cho việc gá lắp gối. Khi gối được gá lắp hoàn chỉnh trong khoang làm việc, xi lanh (4) có nhiệm vụ ép thớt trên (5) xuống bề mặt của gối để tạo ra lực nén thẳng đứng thử nghiệm. Xi lanh (2) có tác dụng tạo ra một lực ngang tác dụng lên gối lên đến 300 tấn. Thiết bị thử nghiệm gối cầu 5.000 tấn của Tứ Xuyên - Trung Quốc 1.Xi lanh di chuyển thớt dưới 2.
Xi lanh tạo lực đẩy ngang 3. Kết cấu thép khung thử 4. Xi lanh nén thẳng đứng 5. Cơ cấu dẫn hướng thớt trên 7.
Thớt dưới - Thiết bị TNGC 5.000 tấn của hãng OVM - Trung Quốc Thiết bị thử nghiệm gối cầu 5.000 tấn của hãng OVM - Trung Quốc được giới thiệu trên Hình 1. Thiết bị thử nghiệm gối cầu 5000 tấn của hãng OVM 1.Kết cấu thép 2. Xilanh tạo lực thẳng đứng 4. Thớt dưới Thiết bị này có tính thẩm mỹ cao, dễ tháo lắp, di chuyển.
Thiết bị có khả năng tạo ra được lực thử nghiệm thẳng đứng lên đến 5.000 tấn và lực đẩy ngang lên đến 300 tấn. Quá trình gá lắp thử nghiệm dễ dàng, nhanh chóng. Điều khiển quá trình thử nghiệm của thiết bị bằng phần mềm đảm bảo độ chính xác cao. Tuy nhiên, thiết bị này đòi hỏi độ chính xác cao khi gia công; khi lắp dựng đòi hỏi phải có thiết bị thi công chuyên dùng và cần diện tích không gian lớn để phục vụ lắp dựng.
Sau khi sử dụng một thời gian, phần xi lanh tạo tải thẳng đứng rất dễ bị chảy dầu ở cổ do chịu lực ngang tác dụng trực tiếp vào đầu xi lanh trong quá trình gia tải. * Nhận xét: - Các thiết bị thử nghiệm gối cầu tải trọng 5000 tấn đều sử dụng phương pháp đo lực gián tiếp qua áp suất của hệ thống TĐTL.
