Đang tải... (xem toàn văn)
Với sự phát triển vượt bậc của nền khoa học kỹ thuật cũng như nhu cầu giao thông ngày càng tăng của xã hội, cầu dây võng đã và đang là giải pháp tối ưu cho các cầu nhịp lớn trên thế giới nhờ vào khả năng vượt nhịp lớn, tính kinh tế và tính thẩm mỹ cao. Sau một thời gian khai thác, một số bộ phận của cầu dây võng có thể bị hư hỏng hay xuống cấp, dẫn đến việc giảm khả năng chịu tải cũng như tuổi thọ của cầu. Bài báo này tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng của ăn mòn tiết diện cáp treo trong cầu dây võng đến dao động của cầu dưới tác dụng của gió, một trong các tải trọng cần chú ý đặc biệt khi thiết kế cầu treo.
ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ ĂN MÒN TIẾT DIỆN CÁP TREO ĐẾN DAO ĐỘNG CỦA CẦU DÂY VÕNG DƯỚI TÁC DỤNG CỦA GIÓ EFFECT OF HANGER CORROSION ON SUSPENSION BRIDGE UNDER WIND LOAD TS Nguyễn Danh Thắng, TS Hồ Thu Hiền TÓM TẮT Với phát triển vượt bậc khoa học kỹ thuật nhu cầu giao thông ngày tăng xã hội, cầu dây võng giải pháp tối ưu cho cầu nhịp lớn giới nhờ vào khả vượt nhịp lớn, tính kinh tế tính thẩm mỹ cao Sau thời gian khai thác, số phận cầu dây võng bị hư hỏng hay xuống cấp, dẫn đến việc giảm khả chịu tải tuổi thọ cầu Bài báo tập trung vào việc phân tích ảnh hưởng ăn mòn tiết diện cáp treo cầu dây võng đến dao động cầu tác dụng gió, tải trọng cần ý đặc biệt thiết kế cầu treo Bên cạnh ưu điểm vượt trội, có độ cứng chống xoắn không cao nên cầu treo lại dễ bị ảnh hưởng lực gió dẫn đến tượng phá hủy công trình, điển hình phá hủy cầu Tacoma (Mỹ, Hình 1), cần ý đặc biệt trình thiết kế khai thác Với phát triển nhanh chóng khoa học kỹ thuật, thông số gió dao động cầu ghi nhận dễ dàng nhờ vào hệ thống quan trắc cầu Chính vậy, việc phân tích ảnh hưởng gió lên công trình cầu vấn đề quan trọng để đánh giá điều kiện làm việc cầu ABSTRACT With the rapidly increasing of the science and technology as well as the transport needs, long-span suspension bridge has been the optimal solution for large-span bridges in the world based on long span, economical and aesthetical After long time using, any parts of the suspension bridge can be deteriorated Consequently, the load capacity and longevity of the bridge will be affected This paper focuses on the influence of hanger deterioration on long-span suspension bridge under wind loading, special loading can cause destructive phenomena and need special attention for long-span suspension bridge TS Nguyễn Danh Thắng Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng , Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: ndthang@hcmut.edu.vn Điện thoại: 08.3864 3955 TS Hồ Thu Hiền Giảng viên, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa – Đại Học Quốc Gia Tp.HCM Email: hothuhien@hcmut.edu.vn Điện thoại: 08 3864 5856 Hình Cầu Tacoma (Mỹ) bị phá hủy gió Từ lý trên, nghiên cứu tiến hành để đánh giá ảnh hưởng hư hỏng cáp treo đến dao động cầu treo dây võng nhịp lớn tác dụng gió, thành phần lực quan trọng tác dụng lên cầu treo Sự xuống cấp hư hỏng cầu treo Mỗi loại công trình cầu có hư hỏng đặc trưng, phụ thuộc vào nhiều nguyên nhân khác Do cầu ngày cũ lượng xe lưu thông ngày tăng nên hư hỏng cầu hậu nhiều lý ăn mòn (Hình 2), mỏi kết cấu, tai nạn… Trong số lý trên, ăn mòn điều cần ý đặc biệt cầu treo nhịp lớn thường xây dựng môi trường ven biển (Hình 3) Giới thiệu Cùng với việc phát triển trình độ khoa học sở hạ tầng, cầu treo phát triển rộng khắp giới Việt Nam Với việc tăng chiều dài nhịp độ mảnh kết cấu, cầu treo nhịp lớn ngày trở nên nhạy cảm với gió cần ý đặc biệt Bên cạnh đó, việc tu, bảo dưỡng cầu treo nhịp lớn gặp nhiều khó khăn chúng thường xây dựng cửa biển nên có môi trường tự nhiên khắc nghiệt bao gồm gió mạnh, sóng lớn không khí vùng biển chứa muối; số bậc tự lớn; số lượng phần tử lẫn vật liệu nhiều đa dạng Tuy nhiên, thường tuổi thọ công trình cầu phải 100 năm chi phí thiết kế, xây dựng cao, tầm quan trọng chúng hệ thống hạ tầng giao thông khu vực Hệ tất yếu khả chịu tải tính an toàn loại cầu treo nhịp lớn thu hút quan tâm lớn từ nhiều nhà khoa học kỹ sư xây dựng Hình Hư hỏng cáp ăn mòn [1] Tại Nhật Bản, nơi có nhiều cầu treo xây dựng, thời điểm có khoảng 5% số lượng cầu có tuổi thọ 50 năm tỷ lệ tăng lên thành 29% vòng 20 năm tới tăng lên thành 48% vòng 30 năm (Hình 4) Khoảng nửa số cầu thép, phần lại cầu BTCT dự ứng lực BTCT Phần lớn cầu treo Trang nhịp lớn Nhật xây dựng thập niên 90 kỷ trước, không công trình lắp đặt thiết bị quan trắc cầu để theo dõi, kiểm soát hư hỏng có trình khai thác Mô hình số 3.1 Mô vận tốc gió Để mô lực gió tác dụng lên công trình cầu, nghiên cứu này, mật độ phổ công suất (PSD) lực gió ngang cầu S uu (K) gió theo phương thẳng đứng cầu S ww (K) mô dựa vào phổ Hino Busch & Panofsky dựa thí nghiệm hầm gió, với cường độ gió xoáy cho thành phần gió xoáy u(t) w(t) I u = 0.1, I w = 0.05 sau [7]: u K U S uu ( K ) = 0.4751 1 + β 2πβ B −5 / (1) với β = 0.01718 Hình Ăn mòn tao cáp dự ứng lực cáp treo cầu [2] αK rU 10 z Iu ( m −3)α −1 10 (2) Trong đó: U : vận tốc gió trung bình B : bề rộng mặt cầu Kγ : z : cao độ hệ số ma sát bề mặt m : hệ số điều chỉnh cho dạng quang phổ tương ứng với tỷ lệ gió rối Tương tự, phần lớn số 1100 cầu treo nhịp lớn chủ yếu Mỹ (có nhịp lớn 100m) có tuổi thọ 50 năm, số cầu tồn 100 năm Trong số đó, 800 cầu phát có hư hỏng 40% số cầu nhà nước quản lý không đủ khả khai thác tiếp [4, 5] Trong công trình cầu treo, hệ thống cáp treo có vai trò vô quan trọng tập hợp phức tạp Mặc dù tất cáp bảo vệ kỹ nhiều biện pháp, chúng thường bị xuống cấp hay phá hủy ăn mòn mỏi Ăn mòn cáp thường xảy bên lẫn bên Ăn mòn bên thường dễ phát thường xảy vị trí mà lớp bảo vệ bị hư hại Nếu không sửa chữa kịp thời, ăn mòn bên nhanh chóng xâm nhập vào trong, gây nên ăn mòn bên trong, gây đứt sợi cáp Trái lại, ăn mòn bên khó bị phát gây nên hư hại nghiêm trọng đứt cáp mà khó quan sát qua biểu bên (Hình 5) : hệ số phân bố vận tốc, phụ thuộc vào chiều cao U 10 biển : vận tốc gió thiết kế cao độ 10m so với mực nước Iu : góc nghiêng gió tác động lên công trình cầu S ww ( K ) = 0.632 w z / f max U [1 + 1.5(Kz / 2πBf max ) (3) 5/3 ] Với f max đỉnh tần số rút gọn, phụ thuộc vào kết đo thí nghiệm hầm gió Hình minh họa ví dụ thành phần gió vận tốc 20m/s 600 giây với góc tác dụng vào cầu 00 25 Wind velocity (m/s) Hình Dự đoán số lượng công trình cầu xuống cấp Nhật Bản [3] α 20 15 200 400 600 Tim e (s) a) Gió ngang cầu Wind velocity (m/s) -5 200 400 600 Tim e (s) b) Gió theo phương thẳng đứng cầu Hình Hai thành phần gió theo thời gian vận tốc 20m/s Hình Sợi cáp bị đứt suy giảm tiết diện cáp treo cầu Alvsborg, Thụy Điển [6] Trang 3.2 Mô lực gió tác động lên công trình cầu Dao động cầu tác dụng gió xác định phương trình sau: Với M khối lượng, C độ cản, K độ cứng cầu; u vector chuyển vị F ngoại lực Trong trường hợp bỏ qua lực tự kích thích (self-excited forces) gió, lực rung lắc (buffeting forces) gió tác động lên cầu theo phương thẳng đứng L b , theo phương ngang D b moment M b (Hình 7) xác định theo công thức sau [6]: Lb = A u w ρU B C L 1 + + C L' + n C D U B U Force (T) (4) 50 -50 -150 200 400 600 400 600 Tim e (s) 400 Force (T) Mu + Cu + Ku = F 150 (5a) 300 200 100 Db = u w ρU An C D 1 + + C D' U U (5b) Mb = u w ρU B C M 1 + + C M' U U (5c) 200 Tim e (s) Moment (Tm) Với ρ khối lượng riêng không khí; U vận tốc gió trung bình; B bề rộng mặt cầu; C L , C D C M hệ số tĩnh lực nâng, lực ngang moment (phụ thuộc vào bề rộng mặt cầu) mặt cầu điển hình; C L' = dC L / dα , 1000 500 -500 -1000 200 400 600 Tim e (s) C M' = dC M / dα C M' = dC M / dα ; u = u(t) w = w(t) vận tốc gió ngang gió theo phương đứng cầu; A n diện tích chắn gió mặt cầu theo phương gió thổi Ngoài ra, để xác định vận tốc gió điểm khác cầu, phương trình liên kết thể liên quan không gian điểm P1(x1, y1, z) P2(x2, y2, z) áp dụng theo hàm số mũ Davenport sau: f k x ( x1 − x ) + k y ( y1 + y ) 2 ˆ Coh( f ) = e − f , fˆ = 0.5(U y1 + U y ) (5) Trong đó: U yi : vận tốc gió trung bình điểm i Hình thành phần lực gió theo thời gian vận tốc 20m/s tác dụng nhịp cầu 3.3 Mô hình phần tử hữu hạn (FEM) cầu treo Trong nghiên cứu này, cầu Akashi Kaikyo (Nhật Bản), cầu treo dây võng dài giới với nhịp dài 1991m nhịp biên dài 960m nhịp, lựa chọn để phân tích Cầu mô hình hóa theo sơ đồ khung theo phương với 681 nút 917 phần tử, bao gồm 154 cáp treo Lực gió tác dụng vào cầu theo phương mô 53 tâm cắt dầm chủ Hình k x , k y = 8: hệ số suy giảm Hình Mô hình 3D cầu Akashi Kaikyo Hình thành phần lực gió tác dụng lên mặt cầu Dao động cầu tính toán dựa vào lực gió tác động theo phương ngang cầu với vận tốc gió sở độ cao 10m 15m/s, tương ứng với vận tốc gió độ cao 82m mặt cầu 20m/s Hình minh họa thành phần lực gió tác dụng lên nhịp cầu dựa vận tốc gió mô mục 3.1 Phân tích ổn định cầu treo tiến hành theo bước Đầu tiên, tĩnh tải hệ mặt cầu, cáp chủ, tháp cầu lực căng cáp gán vào mô hình Sau đó, lực gió theo thời gian gán vào sau Tính xác mô hình kiểm chứng thông qua tần số dao động riêng cầu Kết phân tích cho thấy sai số tần số dao động riêng đo tính toán mô hình không đáng kể (xem Bảng 1) Ảnh hưởng hư hỏng cáp treo đến dao động cầu dây võng tác dụng gió Trong nghiên cứu này, dựa vào xuống cấp cáp treo ăn mòn, cáp treo điển hình nhịp bao gồm cáp treo dài (gần tháp cầu), cáp treo trung bình (tại ¼ nhịp) cáp treo ngắn (tại nhịp) giả thiết giảm Trang 5%, 10%, 30% 50% tiết diện để phân tích ảnh hưởng mát đến dao động cầu treo tác dụng gió đổi (Hình 12), đồng nghĩa với việc ảnh hưởng hư hỏng lại tác động không đáng kể đến phận khác cầu Bảng So sánh tần số tự nhiên mô hình FEM thực tế Mode thứ Dạng dao động Tần số (Hz) Mô hình Thực tế [5] Chênh lệch (%) Uốn ngang đối xứng 0.0376 0.0391 - 3.84 Uốn dọc đối xứng 0.0652 0.0647 0.77 11 Xoắn đối xứng 0.145 0.155 - 6.45 Trong trường hợp phân tích, kết tính toán cho thấy dao động cầu (bao gồm chuyển vị đứng, chuyển vị ngang góc xoay, xem Hình 10) không bị ảnh hưởng mát tiết diện cáp treo cầu Hình 11 Tần số dao động riêng điểm hư hỏng cầu trường hợp bình thường 30% diện tích cáp treo trung bình Hình 12 Tần số dao động riêng điểm lân cận cầu trường hợp bình thường 30% diện tích cáp treo trung bình Kết luận Hình 10 So sánh chuyển vị góc xoay cầu trường hợp bình thường 30% diện tích cáp treo trung bình Mặc dù dao động cầu xảy suy giảm tiết diện cáp treo thay đổi không đáng kể so với bình thường, tần số dao động riêng cục (được xác định thông qua phân tích phổ mật độ công suất - PSD) vị trí hư hỏng mặt cầu lại cho thấy khác biệt rõ ràng, dao động theo phương ngang cầu (Hình 11) Trong đó, tần số dao động riêng cục điểm lân cận với điểm phá hoại lại không thay Bài báo sâu vào việc phân tích ảnh hưởng ăn mòn tiết diện cáp treo đến dao động cầu dây võng tác dụng gió thông qua việc phân tích mô hình số cầu Akashi Kaikyo có gió vận tốc 20m/s Kết phân tích thu nghiên cứu cho thấy dao động cầu treo dây võng không bị ảnh hưởng hư hại cáp treo tần số dao động riêng cục vị trí hư hỏng lại có thay đổi đáng kể Điều có ý nghĩa lớn với công tác tu, bảo dưỡng cầu việc đánh giá hư hỏng cầu treo dây võng thông qua việc phân tích giá trị tần số dao động riêng cục Tài liệu tham khảo Keith Kesner and Randall W Poston, Evaluation of Corrosion Damage in Unbonded Post-Tensioned Concrete Structures: Misunderstandings and Moving Forward, Trang 4 Whitlock Dalrymple Poston & Associates, Inc, Consulting Engineers D Mackenzie, N Adamson, M Bloomstine, Bridge hanger deterioration, The Firth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 2010, Philadelphia, Pennsylvania - United States S Sumitro, M Tomigana and Y Kato (2002), Monitoring based maintenance for long span bridge, First International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, IABMAS 2002, Barcelona D Pines and A E Aktan (2002), Status of structural health monitoring of long-span bridges in the United States, Peog Struct Eng Mater., pp 372 – 380 E Aktan, S Chase, D Inman and D Pines (2001), Monitoring and Managing the Health of Infrastructure Systems, Proceedings of the 2001 SPIE Conference on Health Monitoring of Highway Transportation Infrastructure Nguyen Danh Thang, Hitoshi Yamada, Hiroshi Katsuchi and Eiichi Sasaki, Damage detection of a long-span bridge by wind-induced response, IABSE-IASS Symposium London 2011, 2011, London - United Kingdom Nguyen Danh Thang, Hiroshi Katsuchi, Hitoshi Yamada and Eiichi Sasaki, Analytical study on detection of structural damages of a long-span suspension bridge by wind-induced response, The Firth International Conference on Bridge Maintenance, Safety and Management, 2010, Philadelphia, Pennsylvania - United States Trang