giới thiệu hệ thống giảm chấn áp dụng cho cầu dây văng

Giới thiệu hệ thống giảm chấn áp dụng cho cầu dây văng


PGS. TS. Nguyễn Viết Trung

KS. Trần Thu Hằng

Bộ môn Công trình Giao thông Thành phố - ĐH GTVT

I. Mở đầu
Cầu dây văng là dạng kết cấu cầu hiện nay đang đợc áp dụng phổ biến trên thế giới
nhờ các tính năng u việt về khả năng vợt nhịp, tính kinh tế, hiệu quả sử dụng vật liệu, tính mỹ
quan của công trình ở Việt Nam, cầu Mỹ Thuận, cầu Kiền, cầu Bính những công trình cầu
dây văng lớn đầu tiên đợc xây dựng đã mở ra một giai đoạn mới trong quá trình phát triển đi
lên của ngành giao thông vận tải. Bên cạnh những u điểm nổi bật thì dạng kết cấu này cũng
gặp phải một số nhợc điểm cần đợc khắc phục. Một trong những điều đáng quan tâm là sự
nhạy cảm của kết cấu với các dạng tải trọng theo chu kỳ. Dới tác dụng của ma, gió, động đất,
tác nhân cơ học và các tác động khác, kết cấu bị dao động, làm giảm khả năng khai thác an
toàn, gây ra những phá hoại nghiêm trọng bên trong kết cấu dẫn tới làm giảm tuổi thọ công
trình, thậm chí có thể dẫn đến phá hoại công trình.
Việc nghiên cứu với mục đích hạn chế ảnh hởng xấu này đã đợc tiến hành từ những
năm đầu của thế kỷ trớc. Có thể triệt tiêu các dao động nguy hiểm bằng cách thay đổi độ cứng
để điều chỉnh cho tần số dao động của kết cấu rơi vào phạm vi ít nhạy cảm hơn, thay đổi khối
lợng kết cấu để làm giảm sự cộng hởng dới tác dụng của lực kích thích, biến đổi hình dáng
công trình để phù hợp hơn về mặt khí động học Những giải pháp này không đợc áp dụng
rộng rãi do gặp phải những vớng mắc về giá thành, không gian và cảnh quan của công trình.
Một phơng pháp phổ biến nhất là bố trí các thiết bị để làm giảm tác dụng bất lợi do lực kích
thích gây ra, hấp thụ dao động, tăng khả năng tự giảm chấn của bản thân kết cấu, ngăn chặn
khả năng xảy ra cộng hởng. Dạng thiết bị này đợc gọi chung là các hệ thống giảm chấn. Trên
thế giới hiện nay, với sự phát triển vợt bậc của trình độ khoa học công nghệ, máy móc, có rất
nhiều hệ thống giảm chấn đã ra đời, đợc lắp đặt cho các công trình thực tế nh các nhà cao

tầng và cầu.
Bài báo này giới thiệu một số hệ thống giảm chấn đang có, đồng thời đi sâu vào một
dạng thiết bị có nhiều đặc tính u việt và đang đợc sử dụng khá phổ biến hiện nay là hệ thống
giảm chấn kiểu điều chỉnh khối lợng TMD.
II. Các hệ thống giảm chấn
Việc bố trí hệ thống giảm chấn để đáp ứng cho bài toán khí động lực công trình cầu dây
văng là một giải pháp kinh tế và thuận lợi. Các hệ thống có thể đợclắp đặt cùng với quá trình
xây dựng công trình hoặc đợc bổ xung vào sau quá trình bảo dỡng. Mỗi hệ thống có những
tính năng riêng biệt, cấu tạo phức tạp khác nhau nhng đều cùng chung mục đích là khống chế
dao động của kết cấu, hấp thụ năng lợng do kết cấu sinh ra để chuyển thành một dạng năng
lợng khác, làm giảm hiện tợng cộng hởng trong kết cấu.
Hệ thống giảm chấn bố trí trên cầu Hồ Dongtinh - Trung Quốc
1. Hệ thống giảm chấn kiểu điều chỉnh khối lợng TMD (Tuned Mass Damper)
TMD là một hệ giảm chấn bị động bằng cách bố trí một vật nặng phụ lên kết cấu. Vật
nặng này đợc cung cấp các đặc tính động có liên quan chặt chẽ với kết cấu chính. Một lợng
giảm chấn nhất định đợc tạo ra bằng cách điều chỉnh tỷ số về khối lợng, tỷ số về tần số giữa
vật nặng và kết cấu chính, tỷ số giảm chấn của vật nặng. Thực chất có thể coi TMD là một thiết
bị hấp thụ năng lợng sinh ra trong kết cấu chính để truyền sang vật nặng phụ. Sau đó năng
lợng đợc triệt tiêu nhờ các thiết bị giảm chấn nhớt đợc nối giữa kết cấu và vật nặng.
Có rất nhiều dạng của hệ thống TMD hiện có trên thị trờng thế giới nh TMD dùng
dầu, TMD thuỷ lực, TMD từ các dạng vật liệu nhớt đàn hồi, TMD nam châm
2. Hệ thống giảm chấn kiểu điều chỉnh cột chất lỏng TLCD (Tuned Liquid Column
Damper)
TLCD cũng là một hệ giảm chấn bị động. Trong khi lò xo và giảm chấn nhớt của hệ
thống TMD đợc gắn với vật nặng bằng bêtông hoặc thép với thì ở hệ thống TLCD lại là nớc
hoặc chất lỏng. Kích thớc hình học của bồn chứa chất lỏng đợc xác định bằng lý thuyết để
đạt tới tần số riêng mong muốn cho dịch chuyển của chất lỏng. Cửa cống (hoặc thiết bị tơng
tự) đợc dùng để triệt tiêu năng lợng có trong dòng chất lỏng. Sử dụng TCLD giúp tăng gấp ba
khả năng giảm dịch chuyển cho kết cấu. Ngoài ra, nớc trong bồn chứa có thể dùng cho mục
đích cứu hoả và trong một vài trờng hợp cá biệt còn dùng để dự trữ nớc làm mát công trình.

3. Hệ thống giảm chất nhớt (Vicous Damping System)
Hệ thống giảm chấn nhớt từ lâu đã là một phơng tiện hiệu quả để làm giảm các tác
động do gió và động đất gây ra. Nó đợc ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất ôtô.
Các tiến bộ kỹ thuật gần đây trong công nghệ giảm chấn nhớt và các thiết bị phóng đại dịch
chuyển nhỏ của kết cấu đã giúp cho hệ thống giảm chấn này ngày càng khả thi hơn trong việc
triệt tiêu các dịch chuyển do gió gây ra.
4. Hệ thống giảm chấn kiểu khối lợng chủ động AMD (Active Mass Damper)
Một phơng pháp khác để làm giảm dao động là ngăn chặn các lực thực tế gây ra dao
động. AMD là một hệ thống nh vây. Các dụng cụ để phát hiện dịch chuyển của kết cấu, ví dụ
nh
gia tốc kế, và một máy tính điều khiển hệ thống khởi động di chuyển một khối lợng lớn
để tạo ra một lực ngăn chặn đối tợng gây ra dịch chuyển ở vị trí đầu tiên. Chìa khoá đem đến
thành công cho AMD là các thiết bị cảm nhận nhanh, các thuật toán điều khiển ổn định và hệ
thống khởi động phản ứng nhạy. Phạm vi thay đổi khối lợng cho trớc có thể thay đổi sự giảm
chấn trong một phạm vi lớn hơn so với hệ thống TMD là một u điểm của hệ thống này. Mặc
dù vậy, hệ thống AMD điển hình có giá thành đắt hơn hệ thống TMD và yêu cầu mức độ bảo
dỡng cao hơn. Trong một số trờng hợp chịu khống chế của lực động đất thì hệ thống AMD
giúp làm giảm lực nén do tác dụng của động đất.
5. Hệ thống giảm chấn nhờ ma sát
Hệ thống này chính là các thiết bị giảm chấn nhớt hoặc giảm chấn thuỷ lực đợc bố trí
gần vị trí neo giữa dây cáp và kết cấu nhịp. Có nhiều dạng thiết bị khác nhau trên thị trờng
đợc thiết kế để lắp đặt không nối với kết cấu nhịp, ví dụ 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.
III. Hệ thống giảm chấn kiểu điều chỉnh khối lợng TMD
Hệ thống TMD là một thiết bị bao gồm một vật nặng, một lò xo và một giảm chấn đợc
lắp đặt vào để làm giảm phản ứng động của kết cấu. Tần số của giảm chấn đợc điều chỉnh đến
một tần số cụ thể của kết cấu để khi tần số này bị kích thích thì giảm chấn sẽ cộng hởng lệch

pha với dịch chuyển của kết cấu. Lực ban đầu do giảm chấn sinh ra tác dụng lên kết cấu sẽ làm
triệt tiêu năng lợng. Hệ thống TMD đợc lắp lần đặt đầu tiên cho các tàu thuỷ nhằm làm giảm
tròng trành cũng nh dao động của thân tàu do Frahm thực hiện năm 1909. Sau đó Ormondroyd
và Den Hartog đa ra lý thuyết về TMD vào 1928, tiếp theo là thảo luận chi tiết về vấn đề điều
chỉnh tối u và các thông số giảm chấn trong cuốn sách Các dao động cơ học của Den Hartog
năm 1940.
Hệ thống giảm chấn kiểu điều chỉnh khối lợng (TMD) có lẽ là hệ thống giảm chấn
đợc sử dụng rộng rãi nhất so với các hệ thống khác nhờ một số u điểm nổi bật sau:
- Cấu tạo gọn nhẹ, đơn giản.
- Có thể lắp đặt lên kết cấu đã thiết kế hoàn chỉnh, thậm chí đã xây dựng xong.
- Khả năng giảm chấn cao với khối lợng nhỏ.
- Không ảnh hởng đến độ cứng cũng nh cờng độ tĩnh của kết cấu.
- Mô hình phân tích đơn giản.
- Có thể áp dụng nhiều dạng vật liệu hoặc cấu tạo khác nhau để tạo nên một họ TMD
phong phú.
1. Sự phong phú của họ sản phẩm hệ thống TMD
Hệ thống TMD gồm có rất nhiều dạng thiết bị khác nhau.
a/ TMD dùng dầu có hệ thống van khoá điền từ
Đây là hệ thống giảm chấn điều chỉnh khối lợng TMD có các giảm chấn dầu. Giảm
chấn này có thể thay đổi khả năng giảm chấn bằng cách bật tắt van điện từ. Nó đợc đặt ở hệ số
giảm chấn tốt nhất để hoạt động nh một thiết bị TMD thờng. Khi có động đất lớn, van đợc
tự động bật tới mức giảm chấn cao để giữ một vật nặng dịch chuyển trong giới hạn hành trình
của nó. Hành trình của TMD nằm trong giới hạn dới tác dụng của động đất mạnh.
b/ TMD không sử dụng dầu (TMD khô)
Hệ thống này khắc phục đ
ợc nhợc điểm chỉnh của hệ thống trên là các đặc tính của
dầu biến đổi theo thời gian và việc che dấu nguồn cung cấp dầu gây nguy hiểm khi ngời sử
dụng tự ý thay đổi kết cấu.
c/ TMD sử dụng vật liệu đàn hồi nhớt (TMD used Viscous Elastic Materials)
Vật liệu nhớt đàn hồi (VEM) hấp thụ năng lợng cơ cấu và chuyển thành nhiệt khi

chúng chịu ứng suất tuần hoàn. Vật liệu này đợc ứng dụng trong hệ thống TMD để tạo ra một
cơ cấu giảm chấn nhẹ, giá thành rẻ và đơn giản áp dụng rộng rãi cho các kết cấu. Giới hạn
chính của VEM khi dùng cho TMD là các đặc tính của vật liệu ảnh hởng tới không chỉ giảm
chấn mà còn cả tần số riêng của nó. Hai thứ này không thể khống chế độc lập. Đồng thời VEM
với khả năng hấp thụ mạnh lại nhạy cảm với nhiệt độ cao. Hệ thống TMD dựa trên cơ sở VEM
vì thế có hiệu quả cao nhất trong trờng hợp nhiệt độ xung quanh biến đổi trong một phạm vi
hẹp.
d/ TMD dùng bộ giảm chấn nam châm chủ động
Các nam châm chủ động có thể dùng để tạo ra một bộ giảm chấn với nhiều u điểm.
Vật dẫn ví dụ nh lá đồng, dịch chuyển qua một từ trờng sinh ra một nam châm vĩnh cửu. áp
dụng các định luật Maxshell cho vật dẫn, thời gian biến thiên trong từ trờng sinh ra một điện
trờng. Điều này gây ra sự tuần hoàn, hay là các dòng xoáy chạy trong vật dẫn. Dòng điện này
làm tiêu hao năng lợng khi nó chạy qua điện trở của vật dẫn. Lực kháng sinh ra trong vật dẫn
tỷ lệ với vận tốc của nó liên quan tới trờng. Vì thế, thiết bị đóng vai trò của một phần tử giảm
chấn nhớt.
2. Phơng trình dao động của TMD
Hệ thống TMD gồm một lò xo, một vật nặng và một giảm chấn. Bản thân TMD là một
hệ cộng hởng một bậc tự do. Vì thế, hệ gồm kết cấu cơ bản và TMD đợc mô hình hoá bằng
một hệ hai bậc tự do nh hình vẽ sau:
ma
m
k
c
K
Hệ
giảm chấn
Kết cấu
cơ bản

Các giá trị d biểu diễn cho hệ thống TMD

Tần số dao động riêng của hệ cơ bản và TMD
m
k
=
2

(1)
d
d
d
m
k
=
2

(2)
Độ giảm chấn:
c = 2...m (3)
c
d
= 2.
d
.
d
.m
d
(4)
Tỷ số giữa khối lợng của hệ cơ bản và TMD:
m
m

m
d
=
(5)
Phơng trình chuyển động của hệ cơ bản và TMD:
d
um
m
p
uuum
&&&&&
=+++ 2).1(
2

(6)
uuu
ddddd
&&&&&
=++
2
2

(7)
Mục đích lắp đặt thiết bị TMD vào kết cấu là để làm hạn chế dịch chuyển của kết cấu
khi kết cấu chịu tác dụng của lực kích thích. Thiết kế TMD thực chất là đi xác định các đặc
trng khối lợng m
d
, độ cứng k
d
, hệ số giảm chấn c

d
của thiết bị. Bài toán xác định các giá trị
tối u này cần đợc tiến hành nghiên cứu chi tiết trong một bài báo khác. Trong bài báo này,
lựa chọn giá trị gần tối u bằng cách cho tần số của TMD bằng với tần số của hệ cơ bản:

d
= (8)
Độ cứng của TMD do đó đợc xác định bằng công thức:
kmk
d
.= (9)
Lực kích thích là một lực biến thiên tuần hoàn:
p = P.sin t (10)
Dịch chuyển của hệ cơ bản và TMD đợc cho dới dạng sau:
u = U.sin (t+
1
) (11)
u
d
= U
d
.sin (t+
1
+
2
) (12)
Giả thiết trong điều kiện cộng hởng, lực kích thích có tần số góc = . Thì phơng
trình dịch chuyển của hệ cơ bản và TMD đợc biến đổi nh sau:
2
.2

1.2
1
1
.








++
=
d
m
mk
P
U


(13)
UU
d
d
.
.2
1

=

(14)






+=
d
m



.2
1.2
tan
1
(15)
2
tan
2


=
(16)
Phản ứng của TMD lệch pha một góc 90
0
với phản ứng của kết cấu cơ bản. Sự lệch pha
này tạo nên sự triệt tiêu năng lợng do lực quán tính của TMD gây ra.
Nh vậy, khi không bố trí TMD, phản ứng của hệ cơ bản là:

)
.2
1
.(

k
P
U = (17)
2
1


=
(18)
Nh vậy, so sánh hai trờng hợp trớc và sau khi bố trí thêm hệ thống TMD từ hai
phơng trình () và (), thấy tỷ số giảm chấn thu đợc là:
2
)
.2
1.2
(1.
2
d
e
m
m



++=

(19)
áp dụng cụ thể với các giá trị
0
=

, tỷ số giảm chấn %10
=
e

:
Từ phơng trình (19):
1.0)
.2
1.2
(1.
2
2
=++=
d
e
m
m




Từ phơng trình (14), có mối quan hệ:
UU
d
d

).
.2
1
(

=

Từ hai phơng trình này với giá trị
0
=

thì:
1.0)(1.
2
2
=+
U
U
m
d

Vì Ud > U nên coi gần đúng:
1.0).(
2

U
U
m
d
và

)
/
1
.(.2
UU
m
d
e



Lấy U
d
= 10.U thì:
2,0
10
)1,0.(2
==m
và
05,0)
10
1
(
2
1
==
d


và

kkmk
d
02,0. ==
Nh vậy, ta thấy, chỉ cần lắp đặt một hệ thống TMD có khối lợng vằng 2% khối lợng
của kết cấu cơ bản thì tỷ số giảm chấn đạt đợc là 10%. Đây là một kết quả rất đáng quan tâm
và thể hiện tầm quan trọng của hệ thống TMD trong việc làm giảm dao động của kết cấu thực
khi đợc làm việc chung cùng với kết cấu.
IV. Kết luận
Các hệ thống giảm chấn hiện nay rất phát triển trên thế giới. Đó là một giải pháp đợc
u tiên lựa chọn cho các kết cấu nhạy cảm dới tác dụng của lực kích thích tuần hoàn nhờ tính
kinh tế, khả năng lắp đặt thuận tiện, cờng độ làm việc cao, bền, cấu tạo không quá phức tạp.
Đồng thời, các hệ thống giảm chấn còn đem lại những hữu ích bổ xung ví dụ nh các bồn chứa
của hệ thống TMD thủy lực, TLCD còn là nơi cung cấp nớc khẩn cấp cho công tác cứu hoả,
giữ nớc làm mát công trình.
Tuy nhiên, các hệ thống này còn chứa đựng một số nhợc điểm cần đợc khắc phục nh
tính phụ thuộc vào nhiệt độ, dải tần số điều chỉnh còn hẹp, phải bố trí nhiều hệ thống để giảm
chấn có hiệu quả cho các dạng dao động có dải tần số quá rộng

TàI liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Hải, Phân tích dao động máy, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 2002.
[2]. Lê Đình Tâm, Cầu dây văng, Nhà xuất bản Giao thông Vận tải, Hà Nội 2000.
[3]. Daniel J.Inman, Engineering Vibration, Prentice Hall, Upper Saddle River, New Jersey
07458, USA.
[4]. Tuned  Mass Dampers for Vibration Control, CSA Vibration Suppression, Precision
Motion & Noise Control, 2003.
[5]. Vibration Damper, Aurotek 2002.
[6]. Rowan Williams Davies & Irwin Inc, Damping Systems, RMDI Technotes Issue N
0
.10-
2003.