Báo cáo khoa học: "thiết bị giảm chấn ma sát cho cầu dây văng" ppsx

thiết bị giảm chấn ma sát
cho cầu dây văng



pgs. ts nguyễn viết trung
ks trần thu hằng

Bộ môn CT Giao thông TP - ĐH GTVT
ths phạm hữu sơn
TCT T vấn Thiết kế GTVT TEDI
Tóm tắt: Bi báo giới thiệu thiết bị giảm chấn ma sát cho cầu dây văng. Đây l dạng thiết
bị giảm chấn mới có nhiều u điểm, khắc phục đợc một số nhợc điểm quan trọng của các
thiết bị giảm chấn thông thờng. Thiết bị ny đợc lắp đặt trên các dây cáp văng ở công trình
cầu Kiền Hải Phòng.
Summary: This work introduces the friction damper for cable-stayed bridges. It is a kind
of damper with many advantages, surmouts some of major disadvantages comes from others.
It has been installed for cables in Kien bridge Hai Phong.
1. mở đầu
Cầu dây văng là dạng kết cấu có rất nhiều u điểm nổi bật và hiện nay đang đợc phát
triển rộng rãi trên thế giới. ở Việt Nam, sau sự thành công của cây cầu dây văng lớn đầu tiên -
cầu Mỹ Thuận, dạng kết cấu này đang đợc áp dụng ở nhiều công trình lớn khác nh cầu Kiền,
cầu Bính, cầu Cần Thơ, cầu Bãi Cháy
Một trong những vấn đề đáng quan tâm trong việc thiết kế, thi công và duy tu bảo dỡng
cầu dây văng là phản ứng của kết cấu dới tác dụng của các kích thích gây ra dao động. Nếu
không có biện pháp hạn chế các ảnh hởng xấu này, kết cấu sẽ gặp phải những ảnh hởng
nguy hiểm do mỏi, cộng hởng dẫn đến làm giảm tuổi thọ của công trình, ảnh hởng tới tính an
toàn trong khai thác, thậm chí làm phá hoại công trình.
Phơng pháp phổ biến hiện nay là bố trí các thiết bị làm hạn chế dao động của kết cấu,
tăng khả năng giảm chấn, điều chỉnh tần số dao động của công trình rơi vào phạm vi ít nhạy
cảm. Các thiết bị giảm chấn này rất phong phú về chủng loại nh các thiết bị giảm chấn kiểu

điều chỉnh khối lợng TMD, kiểu khối lợng chủ động AMD, giảm chấn nhớt VDS, giảm chấn ma
sát FD Thiết bị giảm chấn ma sát (Friction damper) là dạng thiết bị giảm chấn mới, có nhiều
u điểm. Dạng thiết bị này đợc lắp đặt cho các dây cáp văng trên cầu Kiền - Hải Phòng.
II. Giới thiệu thiết bị giảm chấn ma sát
Lắp đặt các thiết bị giảm chấn lên mặt kết cấu nhịp của cầu dây văng là biện pháp phổ
biến nhất nhằm làm tăng khả năng giảm chấn của các dây cáp và giảm dao động. Ưu điểm của

giải pháp này là dễ dàng cho công tác bảo dỡng nhng trong một số trờng hợp lại ảnh hởng
tới tính mỹ quan của công trình. Các thiết bị khác có trên thị trờng đợc thiết kế để lắp đặt
không nối với kết cấu nhịp, có dạng nh một vòng xuyến bao quanh cáp. Thiết bị giảm chấn
đợc lắp đặt trong ống dẫn hớng neo bằng thép bao bọc trong bản bêtông hoặc bố trí trong
một ống đỡ bằng thép nối với ống dẫn hớng neo. Các giảm chấn nhớt gồm các tấm dịch
chuyển tự do hoặc các vòng xuyến làm bằng vật liệu nhớt, giả silicon có khả năng triệt tiêu năng
lợng. Nhng các thiết bị này cũng có một nhợc điểm chính từ đặc tính của thiết bị là phụ thuộc
vào nhiệt độ và tần số dao động của cáp.
Tất cả các kiểu giảm chấn đó đều phải chịu tác dụng của các dao động nhỏ, không giới
hạn và chúng sẽ rất mau phải chịu các chu trình ở cấp độ cao hơn. Vì vậy, các thiết bị này rất
chóng bị h hỏng và yêu cầu phải bảo dỡng thờng xuyên. Thiết bị giảm chấn ma sát ra đời để
giải quyết các bài toán nghiêm trọng về mỏi và công tác bảo dỡng.

Thiết bị giảm chấn ma sát của hãng VSL
Thiết bị giảm chấn ma sát gồm hai phần nối một điểm đặc trng trên cáp với kết cấu cầu:
- Phần thứ nhất là một vòng đệm bằng thép đợc gắn chặt với cáp và dịch chuyển cùng với
cáp. Vòng đệm này gồm hai cánh nhô ra ngang với mặt phẳng dây và các tấm ma sát cứng
đợc bố trí lên mặt và các cạnh bên của hai cánh.
- Phần thứ hai gồm hai cặp bán khuyên lỡi đàn hồi đợc bắt chặt với kết cấu cầu, bao
quanh dây cáp. Các tấm ma sát mềm đợc nén ngợc với các tấm ma sát cứng do các vòng
xuyến lỡi đàn hồi giữ nhờ một tấm nhô ra ở phía trong. Khi cáp dao động, lực ma sát và phản
lực giảm chấn đợc sinh ra giữa các tấm ma sát cứng và mềm để chống lại dịch chuyển của
cáp.

Tính linh động của các vòng xuyến lỡi đàn hồi cho phép các tấm ma sát mềm dịch chuyển
theo sự dãn dài của cáp mà vẫn tiếp xúc cố định với các tấm ma sát cứng và lực ma sát trong
thiết bị là không thay đổi. Tất cả các thành phần cấu kiện của thiết bị giảm chấn ma sát đều cố
định. Để đáp ứng các yêu cầu mỹ quan nên thiết bị thờng đợc bố trí gần neo. Biên độ dao
động tại điểm giảm chấn của cáp do đó không lớn hơn 1 hoặc 2 mm. Một số thiết bị giảm chấn
đợc thiết kế không tơng thích với các biên độ nhỏ này của cáp và phải đợc bố trí ở một vị trí
xa neo hơn. Các thiết bị mới làm việc theo bất cứ phơng dịch chuyển nào của cáp. Tại các biên

độ dao động nhỏ, các tấm ma sát đợc thiết kế chặt khít do đó không cho thiết bị hoạt động.
Các giảm chấn đợc điều chỉnh để bắt đầu trợt ngay khi đạt tới một biên độ giới hạn trớc của
biến dạng cáp.
Nguyên lý phân tích thiết bị giảm chấn ma sát dựa trên lý thuyết dao động "galloping cổ
điển.
Ký hiệu:
F
external
: ngoại lực tác dụng lên cáp, (N).
F
friction
: lực ma sát, (N).
F
string
: lực sinh ra trong lò xo, (N).
k : độ cứng của lò xo
M : khối lợng kết cấu, (kg).
x : ly độ dịch chuyển của kết cấu, (m).
Mô hình tính toán của thiết bị giảm chấn ma sát đợc lựa chọn nh sau:
x
k
M

M
Fexternal
Fexternal
Fk
N
F
friction
x
N

Mô hình tính toán Phân tích lực tác dụng lên kết cấu.
Tổng hợp các lực tác dụng lên kết cấu theo phơng ngang:

+==
externalfrictionk
FFFxMF
&&
(1)
Gia tốc và ngoại lực tác dụng đợc xác định bằng các gia tốc kế và bộ chuyển lực. Lò xo
đợc gộp vào thiết bị giảm chấn , tách ra khỏi kết cấu. Vì thế triệt tiêu lực do lò xo sinh ra trong
phơng trình (1) nên lực ma sát tính bằng công thức sau:
xMFF
externalfriction
&&

=
(2)
Phơng trình (2) đợc dùng để biểu diễn hoạt động của thiết bị giảm chấn ma sát. Với:

g.M.N.F

friction

=

=
(3)
Trong đó là hệ số ma sát khi vật này trợt trên mặt một vật khác, giá trị của


đợc cho
gần đúng với cặp môi trờng cao su thép là

động
= 1,0 và

tĩnh
= 1,20.
Các u điểm chính của thiết bị giảm chấn ma sát nh sau:
- Thiết bị không hoạt động ở các biên độ dao động nhỏ và không giới hạn, có nghĩa là giảm
đợc độ mài mòn và giá thành bảo dỡng không tăng cao.

- Thiết bị đợc thiết kể để dễ dạng lắp đặt trên các cầu đã có với các dây cáp không cho
phép dao động.
- Tất cả các thành phần của thiết bị đều gần gũi, dễ dàng kiểm tra và thay thế nếu cần
trong quá trình bảo dỡng.
- Các đặc tính dễ điều chỉnh của thiết bị trong quá trình bảo dỡng.
- Các lực ma sát gần nh không đổi và độc lập với tốc độ của điểm đợc giảm chấn.
- Các đặc tính giảm chấn không phụ thuộc vào nhiệt độ và tần số của các dao động.
- Có thể bố trí gần neo để cải thiện tính mỹ quan của công trình.
III. Thiết bị giảm chấn ma sát lắp đặt trong công trình Cầu Kiền - Hải Phòng

Cầu Kiền là công trình cầu dây văng lớn nhất và đẹp nhất khu vực phía Bắc hiện nay. Cầu
nằm trên tuyến đờng 10 từ Nam Định đi Quảng Ninh. Cầu có chiều dài 1186 m, rộng 16,7 m,
có nhịp thông thuyền dài 200 m. Cầu đợc thi công theo công nghệ lắp hẫng với 110 khối dầm
hộp đợc treo trên 36 đôi cáp với 2 trụ tháp cao 80 m.
Hệ thống giảm chấn dùng cho các dây cáp văng là thiết bị giảm chấn ma sát của hãng
VSL. Cấu tạo chi tiết của thiết bị đợc thể hiện trong các ảnh sau:

Toàn cầu có 144 thiết bị giảm chấn ma sát đợc lắp đặt ở hai đầu neo của cáp vào kết cấu
nhịp và vào trụ tháp. Việc lắp đặt các thiết bị này hoàn toàn do đội ngũ công nhân Việt Nam
lành nghề thực hiện.
Lắp đặt thiết bị giảm chấn ma sát ở công trình cầu Kiền Hải Phòng.

IV. Kết luận
Với sự phát triển không ngừng của khoa học công nghệ cùng với yêu cầu cấp thiết của thực
tế, hệ thống các thiết bị giảm chấn đợc tạo ra ngày càng phong phú hơn về chủng loại, nâng
cao các tính năng u việt, giảm thiểu các nhợc điểm. Bên cạnh những dạng quen thuộc, giảm
chấn ma sát là dạng thiết bị tơng đối mới và có nhiều u điểm đáng quan tâm. Ngoài những
đặc tính vốn có của hệ thống, dạng thiết bị này có đợc một số cải tiến quan trọng là không phụ
thuộc vào nhiệt độ môi trờng và dao động của kết cấu, có dải tần rộng và không làm ảnh
hởng tới mỹ quan công trình. Thiết bị này đợc lựa chọn để lắp đặt ở công trình cầu Kiền Hải
Phòng.

Tài liệu tham khảo
[1] Lê Đình Tâm, Phạm Duy Ho. Cầu dây văng. Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2001.
[2] Nguyễn Viết Trung, Trần Thu Hằng. Hệ thống giảm chấn áp dụng cho cầu dây văng. Tạp chí Cầu
Đờng, 2003.
[3] O. V. Fominova, V. I. Chernishev. The research on oscillatory of vibro-protection system with controlling
friction damper. Serge Gavrilov - May 2001.
[4] Hemming Group. Friction factor, Bridge - design & engineering, 2003.
[5] Memet Unsal. Force control of a new semi-active piezoelectric-based friction damper, August 2002Ă