1. Giới thiệu chung

Trên thế giới có nhiều nghiên cứu về rung động ngang của trụ cầu và móng cọc dưới tác dụng của lực động đất hay địa chấn hay lực tác dụng trùng phục như Flores – Berrones cộng sự (1982), Han (1989), Markris, (1994). Nhưng nghiên cứu về va đập hay va chạm của tàu vào kết cấu trụ cầu là vấn đề mới mẻ cả trên thế giới lẫn trong nước. Lý thuyết va chạm vật rắn phá huỷ và không phá huỷ được giáo sư Fourney đề cập (1993) và giáo sư Romero đề cập (2003). Nghiên cứu va chạm trong lĩnh vực kỹ thuật ở các cấp độ, đối tượng có kích thước lớn và thuyết va chạm được áp dụng cho vật liệu rắn hoặc vật liệu biến dạng được giáo sư Frémond cùng cộng sự đưa ra (2003) và được tổ chức hội thảo vào (2007). Từ việc nghiên cứu đưa ra thuyết va chạm và diễn biến của quá trình va chạm ngành công nghiệp sản xuất ôtô đã đưa ra hệ thống cảnh báo va chạm và hệ thống phanh tự động bởi giáo sư Tamura và cộng sự của ông đưa ra năm 2001 và giáo sư Jansson và cộng sự đưa ra năm 2002 [6], [7].

Các kết quả nghiên cứu về va đập của tàu vào kết cấu trụ cầu chưa thực sự phổ biến trên thế giới cũng như trong nước vì lĩnh vực nghiên cứu này khá phức tạp và chi phí thử nghiệm rất tốn kém. Trong phạm vi bài viết này các tác giả xây dựng một mô hình đơn giản xét đến va đập của tàu thủy vào trụ T5 của cầu Sông Hàn và phân tích dao động của hệ khi chịu va đập của tàu có trọng tải 10.000 DWT di chuyển với vận tốc dưới 6,1 m/s.

2. Cơ sở tính toán

2.1. Mô hình tính toán

Xét va đập của tàu vào trụ T₅ của cầu sông Hàn theo hai trường hợp sau:

Tàu va đập dọc vào thân trụ như hình 1
Tàu va đập ngang vào thân trụ như hình 2

Căn cứ vào tài liệu thiết kế [1]

Xét trường hợp bất lợi khi nhịp chính quay 90^o cho tàu qua lại, chỉ còn nhịp cầu dẫn kê trên trụ T₅, một cách gần đúng ta xét mô hình gồm 3 khối lượng tương đương được mô hình hóa như hình 3 và hình 4: khối lượng một phần kết cấu nhịp cầu dẫn và xà mũ trụ được tập trung về M₃; khối lượng một phần thân trụ được tập trung về M₂ là vị trí chịu va đập của tàu; khối lượng một phần thân trụ bên dưới tập trung về M₁.

Trong phạm vi bài viết này các tác giả chỉ xét hệ làm việc trong giai đoạn đàn hồi, bỏ qua năng lượng bị mất mát do biến dạng không phục hồi, ma sát, nhiệt...

2.2. Lực va tàu vào trụ cầu

Lực va tàu vào trụ cầu có thể xác định bằng thực nghiệm, song do không có điều kiện làm thực nghiệm, lực va tàu vào trụ cầu T₅ được xác định gần đúng theo công thức của AASHTO [3]:

2.3. Phương trình vi phân dao động

Xét tàu có khối lượng M_g di chuyển với vận tốc v tại thời điểm chuẩn bị va đập vào trụ cầu. Khi đó trụ vẫn đứng yên nên ta có động lượng của hệ (gồm tàu và trụ).

2.4. Xác định các tham số của hệ phương trình vi phân dao động

2.4.1 Ma trận độ cứng của hệ [K]

2.4.2 Ma trận khối lượng của hệ [M]

2.4.3 Ma trận hệ số cản [C]

2.4.4 Lực đàn hồi của gối cầu

3. Vận dụng tính toán

Tính toán cho tàu có trọng tải M_g=10.000 DWT, va đập dọc tàu vào dọc tiết diện thân trụ với vận tốc thiết kế V^tt=6,1(m/s).

4. Phân tích quan hệ giữa biên độ dao động với tải trọng tàu

5. Kết luận

Bài báo giới thiệu mô hình và kết quả phân tích hiệu ứng va đập của tàu vào kết cấu trụ T₅ cầu sông Hàn trên cơ sở áp dụng định lý biến thiên động lượng, nguyên lý d’Alembert và các phương pháp số. Trong đó hệ số cản được xác định theo phương pháp Rayleigh. Đây là mô hình nghiên cứu đơn giản có thể áp dụng phân tích cho các kết cấu trụ cầu chịu va đập của tàu trong khai thác khi xét hệ làm việc trong miền đàn hồi. Có thể phân tích chính xác hơn khi xét đến tương tác với nền đất.

Theo kết quả nghiên cứu trên trụ T₅ của cầu sông Hàn với tỷ số cản 5% cho thấy biên độ dao động của trụ tăng gần như tỉ lệ thuận với tải trọng và vận tốc va của tàu. Các quan hệ này có thể xấp xỉ tuyến tính. Do vậy khi phân tích cho các kết cấu cầu vượt sông tương tự có thể phân tích xác định chuyển vị động tương ứng với 2 cấp tải trọng và tốc độ khác nhau để nội suy ra các giá trị chuyển vị động tương ứng với các cấp tải trọng và tốc độ thiết kế hoặc tải trọng và tốc độ thực tế của tàu thông thương. Như vậy có thể giảm được khối lượng tính toán mà vẫn chủ động trong nghiên cứu thiết kế và quản lý khai thác công trình.

6. Tài liệu tham khảo

[1]. Sở giao thông thành phố Đà Nẵng (1998), Hồ sơ bản vẽ thiết kế thi công công trình cầu vượt sông Hàn thành phố Đà Nẵng.

[2]. Nguyễn Trọng, Tống Danh Đạo, Lê Thị Hoàng Yến (2001). Cơ học cơ sở - Phần động lực học. NXB. KHKT, Hà Nội.

[3]. Nguyễn Xuân Toản, Đặng Nguyễn Uyên Phương (2013). Phân tích dao động cầu cảng Thọ Quang chịu va đập của tàu thủy.Tạp chí KHCN Đại học Đà Nẵng, số 10(71)2013, trang 45-49.

[4]. AASHTO (2005). Standard specifications for highway bridges 17th Ed., Washington, D.C.

[5]. Francesco Freddi, Michel Fremoud (2010). “Collision and Fractures: A predictive theory”. European Joural of Mechanics A/Solids 29, pp 998-1007.

[6]. Jonas Jansson, Fredrik Gustafson (2008). Aframework and automotive application of collision avoidance decision making. Automatica 44, pp 2347-2351.

[7]. P.C. Chang, C.P.Heins (1985). “Seismic study of curved bridges using the Rayleigh –ritz method” Computer & Structure Vol.21 No.6, pp 1095-1104.

[8]. R.A. Ibrahim (2009). Vibro-Impact Dynamics. Model. Map. & Appl., LNACM 43, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, pp. 217–232.

[9]. Steven C. Chapra, Raymond P. Canale (1998). Numerical Methods for Engineers. Mc Graw-Hill International Edition.

Tải file đính kèm:

dao_dong_tru_cau_song_han_chiu_va_dap_tau-thuy.pdf