Đo đạc thực nghiệm và mô phỏng số nhận dạng dao động kết cấu nhịp cầu dây văng Mỹ Thuận

TS. Nguyễn Hữu Thuấn TS. Bùi Tiến Thành TS. Ngô Văn Minh Trường Ðại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Đỗ Anh Tú TS. Hồ Xuân Nam

TÓM TẮT: Cầu Mỹ Thuận là một trong các cầu dây văng nhịp lớn được xây dựng đầu tiên ở Việt Nam cùng với một số cầu dây văng khác như Cần Thơ, Rạch Miễu, Kiền, Bính... Sau một thời gian đưa vào khai thác, sử dụng, cầu đã xuất hiện một số dấu hiệu xuống cấp cần được xử lý để đảm bảo tuổi thọ và độ bền khai thác lâu dài của cầu. Đây cũng là yêu cầu nói chung đối với một số cầu dây văng khác ở Việt Nam sau một thời gian khai thác hiện chưa được đánh giá, khảo sát chi tiết toàn diện. Một trong những nội dung cần thiết phải đo đạc, thử nghiệm để góp phần đánh giá sự làm việc và khả năng chịu lực của kết cấu nhịp cầu là nhận dạng dao động của kết cấu nhịp, bao gồm dao động của dầm chủ, tháp cầu, dây văng. Nội dung chính của bài báo tập trung phân tích bằng thực nghiệm và bằng mô hình số các đặc trưng dao động của dầm chủ, của tháp cầu và dây văng. Các kết quả phân tích bằng mô phỏng số được so sánh với kết quả thực nghiệm, qua đó nhận biết được tình trạng dao động tổng thể của cầu.

TỪ KHÓA: Đo đạc, mô phỏng, dao động, cầu dây văng Mỹ Thuận.

ABSTRACT: My Thuan Bridge is one of the oldest long span cable-stayed bridges built in Vietnam toghether with Can Tho Bridge, Rach Mieu Bridge, and Kien Bridge. After many years in operation, there have been damages occurred in the cables, cable - anchorage system, girders and pylons. Such damages need to be put in a treatment plan in order to ensure the durability and serviceablity of the bridge. It is necessary to do vibration measurement of the whole structure, including the vibration of the girders, towers, and stayed cables. The vibration characteristics of the structure are determined and compared to that of the numerical model.

KEYWORDS: Measurement, simulation, oscillating, My Thuan cable-stayed bridge.

1. MỞ ĐẦU

Các cầu dây văng được sử dụng ngày càng phổ biến ở Việt Nam và trên thế giới, với những ưu điểm nổi bật của nó như tính thẩm mỹ, khả năng vượt khẩu độ nhịp lớn, tiết kiệm vật liệu… Ở Việt Nam, cầu Mỹ Thuận là cầu dây văng đầu tiên, được khởi công xây dựng từ năm 1997 và hoàn thành, đưa vào khai thác sử dụng năm 2000. Sau đó là hàng loạt các cầu dây văng được xây dựng tiếp như cầu Kiền (năm 2003), cầu Bính (2005), cầu Bãi Cháy (2006), cầu Rạch Miễu, Phú Mỹ (2009), cầu Cần Thơ (2010)… Cầu Mỹ Thuận gồm 2 mặt phẳng dây, nằm cách nhau 18,6 mét. Tổng chiều dài cầu 650m; tổng bề rộng cầu 23,6 mét, gồm 4 làn xe cơ giới và 2 làn người đi bộ. Trụ tháp kiểu chữ H, cao 123,5m tính từ đáy bệ trụ. Cầu gồm 128 dây cáp, đối xứng nhau qua cả trục thẳng đứng và trục nằm ngang. Góc nghiêng dao động trong khoảng từ 31,1^o đến 77,4^o [1,2].

Hình 1.1: Bố trí chung cầu Mỹ Thuận [1]

Sau một thời gian đưa vào khai thác, sử dụng, ngoài công tác duy tu, bảo dưỡng thường xuyên còn phải đặt ra yêu cầu cần tiến hành công tác kiểm định, thử nghiệm các kết cấu chịu lực chính. Trên cơ sở kết quả khảo sát, đo đạc, kết hợp với các mô hình phân tích số, tiến hành đánh giá về khả năng chịu lực, độ bền, tuổi thọ của các bộ phận chính cũng như đưa ra các giải pháp xử lý (nếu cần), khuyến nghị trong chế độ duy tu, bảo dưỡng thường xuyên.

Các phương pháp quan trắc kết cấu được khuyến nghị sử dụng đối với các cầu dây văng nói chung và cầu Mỹ Thuận nói riêng như theo dõi ứng suất, biến dạng, chuyển vị… tại các vị trí bất lợi của kết cấu [6]. Đặc biệt, phương pháp quan trắc để theo dõi, đánh giá hiện trạng của kết cấu bằng nhận dạng dao động được sử dụng rất phổ biến trên thế giới. Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là không phá hủy, có thể đo đạc thực nghiệm trong điều kiện lưu thông xe bình thường, kết quả tin cậy…[3-6]. Các kết quả đo đạc thực tế sẽ được bổ sung và cập nhật vào mô hình phân tích số để đưa ra các đặc trưng dao động chính của kết cấu như các mode dao động với tần số, chu kỳ tương ứng, biên độ dao động. Dựa trên các đặc trưng dao động của kết cấu có thể đưa ra các đánh giá cơ bản về khả năng làm việc cũng như có thể nhận dạng cơ bản được các hư hỏng, bất thường (nếu có của kết cấu) 

2. MÔ HÌNH PHÂN TÍCH SỐ: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PTHH)

Phương pháp PTHH được sử dụng để mô hình hóa ứng xử dao động của kết cấu nhịp. Trong đó, hệ dầm dọc, dầm ngang được mô hình bằng phần tử dầm 2 nút; bản mặt cầu được mô hình bằng phần tử tấm 4 nút (Hình 2.1). Tháp cầu dạng chữ H được mô hình hóa bằng phần tử dầm 2 nút; liên kết giữa hệ dầm mặt cầu và tháp cầu tại vị trí xà ngang tháp cũng được mô phỏng để đảm bảo chuyển vị tự do tương ứng với gối cố định và di động của 2 dầm dọc (Hình 2.2). Hệ cáp dây văng được mô hình bằng phần tử cáp, có thể sử dụng để tính lực căng dây và phi tuyến hình học. Các đặc trưng cơ lý của dầm, tháp và dây cáp được cho trong các Bảng 2.1, 2.2 và 2.3.

Hình 2.1:Mô hình PTHH hệ dầm mặt cầu Mỹ Thuận

Hình 2.2:Mô hình tháp cầu và liên kết giữa hệ dầm mặt cầu và tháp

Bảng 2.1. Đặc trưng hình học, vật liệu của phần tử dầm, tháp

STT	Thành phần	A(mm2)	Ix (mm4)	Iy(mm4)	Bê tông	Thép
1	Dầm chính	3.53E+06	1.49E+12	3.29E+12	fc'=50	Fy=400 Mpa
2	Dầm ngang	9.38E+05	3.70E+11	5.20E+10	g=2400	G=7860 kg/m3
3	Bản mặt cầu	3.70E+06	1.93E+10	6.54E+13	Ebt=35750	Es=20000 Mpa
4	Mặt cắt tháp 1-1	7.05E+06	4.51E+12	1.20E+13
5	Mặt cắt tháp 3-3	7.40E+06	6.24E+12	2.85E+13
6	Mặt cắt tháp 5-5	9.57E+06	1.91E+13	2.11E+13
7	Mặt cắt tháp 6-6	3.30E+06	2.27E+12	2.51E+12
8	Mặt cắt tháp 7-7	9.57E+06	1.91E+13	2.11E+13
9	Mặt cắt tháp 8-8	3.30E+06	2.27E+12	2.51E+12

Bảng 2.2. Đặc trưng hình học và vật liệu của cáp 

Cáp	Chiều dài (m)	Khối lượng trên chiều dài (kg/m)	E (MPa)	fpu (MPa)
1	177.507	87.1	195000	1860
2	173.809	72.8
3	170.393	65
4	162.404	49.4
5	152.552	44.2
6	142.784	44.2
7	133.138	44.2
8	123.641	44.2
9	114.329	41.6
10	105.264	40.3
11	96.47	37.7
12	88.038	36.4
13	80.053	35.1
14	72.596	33.8
15	65.562	31.2
16	58.56	29.9

Kết quả mô hình phân tích:

Mô hình PTHH tổng thể được thể hiện trong Hình 2.3. Hình 2.4 thể hiện một số mode dao động chính theo mô hình PTHH.

Hình 2.3: Mô hình PTHH phân tích, nhận dạng dao động

Kết quả mô hình phân tích:

 

Hình 2.4: Một số mode dao động đầu tiên nhận dạng trong mô hình PTHH

 

3. ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM

Việc đo đạc thực nghiệm được tiến hành thông qua các đầu đo gia tốc, mỗi điểm cần nhận dạng dao động được bố trí 2 - 3 đầu đo gia tốc (theo 3 phương X,Y,Z). Sơ đồ bố trí điểm đo nhận dạng dao động bố trí như Hình3.1. Các điểm nhận dạng này được bố trí cả trên dầm và trên tháp cầu. Các đầu đo được kết nối với bộ xử lý và ghi nhận dữ liệu (Hình3.2). Quá trình đo tiến hành trong tải trọng khai thác ngẫu nhiên. Mỗi vị trí dữ liệu được ghi nhận trong khoảng thời gian đủ dài (khoảng 30 phút) để đảm bảo ổn định, tin cậy và cho phép lọc nhiễu gây ra do gió, tải trọng khai thác trong quá trình xử lý. Kết quả đo sau khi xử lý bằng phần mềm MACEC và MATLAB sẽ thu được các mode dao động thực tế của kết cấu nhịp, các đặc trưng dao động, biên độ, chuyển vị tại tác điểm nhận dạng dao động [3,4,5]. Hình 3.3 thể hiện mode dao động đầu tiên nhận dạng được từ kết quả đo đạc thực nghiệm.

Hình 3.1: Sơ đồ bố trí điểm nhận dạng dao động tổng thể kết cấu nhịp cầu Mỹ Thuận

Hình 3.2: Bố trí thiết bị đo nhận dạng dao động

Hình 3.3: Mode dao động uốn thẳng đứng đầu tiên từ kết quả đo đạc thực nghiệm

4. SO SÁNH GIỮA KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM

Kết quả so sánh giữa mô hình tính toán và đo đạc thực nghiệm đối với các đặc trưng dao động, như trong Bảng 4.1. Trong mỗi mode dao động các giá trị chuyển vị tương ứng với các vị trí bố trí điểm nhận dạng trên KCN cũng được so sánh giữa mô hình tính toán và kết quả đo đạc thực nghiệm. Kết quả đối với chuyển vị thẳng đứng cho một số mode dao động cơ bản thể hiện trong các Hình 4.1và4.2.

Bảng 4.1. So sánh tần số của các mode dao động giữa tính toán và đo đạc

 

Tần số dao động tự nhiên của chế độ uốn thẳng đứng (Hz)
Mode	Kết quả đo đạc	Kết quả tính toán	Δ %
Mode 1 - 2	0,299	0,289	3,2%
Mode 2 - 3	0,387	0,368	4,9%
Mode 3 - 8	0,588	0,598	-1,8%
Mode 4 - 10	0,653	0,659	-0,8%
Mode 5 - 12	0,708	0,723	-2,1%

Hình 4.1: So sánh dạng biểu đồ dạng mode dao động tại các điểm nhận dạng trong mô hình PTHH và kết quả đo đạc

Hình 4.2: Mode dao động đứng không được xác định từ kết quả đo (tần số f = 0,604Hz)

 

5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Bài báo trình bày phương pháp phân tích, nhận dạng dao động tổng thể của toàn bộ kết cấu nhịp của cầu dây văng Mỹ Thuận bao gồm dao dộng của tháp, dầm chủ và hệ dây văng. Phương pháp này cho phép nhận dạng dao động một cách tổng thể, tương đối đầy đủ nhiều mode dao động của kết cấu, cùng với các đặc trưng dao động của nó.

Các kết quả nghiên cứu cho thấy giữa mô hình phân tích và kết quả đo đạc thực nghiệm là khá phù hợp. Các mode nhận dạng dao động cơ bản và các đặc trưng của nó chênh lệch tương đối nhỏ giữa mô hình tính toán và đo đạc thực nghiệm. Tuy vậy, kết quả phân tích cũng cho thấy có sự khác biệt giữa mô hình phân tích và đo đạc thực nghiệm. Trong mô hình phân tích xuất hiện 1 mode dao động chưa được nhận dạng trong kết quả thực nghiệm. Sự khác biệt này có thể giải thích do các thông số trong mô hình chưa thể mô phỏng sát với thực tế, một số thông số sử dụng giá trị giả thiết. Dựa trên kết quả này sẽ cho phép tiến hành các nghiên cứu sâu hơn trong tương lai như cập nhật, điều chỉnh các thông số trong mô hình tính toán, cập nhật các thông số phản ánh hiện trạng của kết cấu.

Tài liệu tham khảo

[1]. Công ty TNHH Fressinet Việt Nam (2004), Báo cáo kết quả khảo sát cầu dây văng Mỹ Thuận.

[2]. Công ty TNHH GTVT, Công ty Cổ phần Tư vấn Đầu tư và Xây dựng công trình giao thông, Công ty TNHH Fressinet Việt Nam (2016), Báo cáo kết quả kiểm định cầu dây văng Mỹ Thuận.

[3]. Hội thảo Việt - Bỉ, Đánh giáđộbền khai tháccủa công trình bằng phương phápquan trắc kết cấu.

[4]. Qin, Shiqiang, Edwin Reynders, Leqia He, Tien Thanh Bui, and Guido De Roeck (2014), Effects of initial conditions in operational modal analysis, Structural Control and Health Monitoring 21, no. 4: 557-573.

[5]. Tien Thanh Bui, Reynders Edwin, Gert Lombaert, and Guido De Roeck (November 2013) Ambient vibration testing of a large truss bridge with optimal sensor placement, In G. Gao, E. Tutumluer and Y. Chen, editors, Recent Advances in Environmental Vibration, Proceedings of the 6th International Symposium on Environmental Vibration, ISEV 2013, pages 15-30, Shanghai, China, Tongji University, Shanghai, China, Keynote lecture.

[6]. Tien Thanh Bui, Nguyen Ngoc Long and Guido De Roeck (August 2012), Design of a permanent structural health monitoring system on the Guadalquivir rail bridge based on baseline ambient vibration testing and optimal sensor placement, In Proceedings of International Conference on Advances in Computational Mechanics - ACOME, pages 967-981, Ho Chi Minh City, Vietnam.