Báo cáo nghiên cứu khoa học: NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC ĐỘNG GIỮA ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU (SSI) LÊN CẦU DÂY VĂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG

Cầu dây văng là loại công trình nhạy cảm với các tải trọng động như tải trọng di động, gió và đặc biệt là tải trọng động đất. Bài báo nghiên cứu tổng quan các phương pháp tính toán động đất, các mô hình tính toán cầu dây văng, các mô hình tương tác cọc và đất nền. Từ đó, nghiên cứu phân tích ứng xử động đất của cầu dây văng có xét đến hiệu ứng tương tác.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC ĐỘNG GIỮA ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU (SSI) LÊN CẦU DÂY VĂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG" TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 NGHIÊN CỨU TƯƠNG TÁC ĐỘNG GIỮA ĐẤT NỀN VÀ KẾT CẤU (SSI) LÊN CẦU DÂY VĂNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO PHƯƠNG PHÁP PHỔ PHẢN ỨNG A RESEARCH ON SOIL-STRUCTURE INTERACTION ON SEISMIC RESPONSE OF A CABLE STAYED BRIDGE USING THE RESPONSE SPECTRUM METHOD Nguyễn Văn Mỹ, Đỗ Việt Hải, Đoàn Việt Lê Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Cầu dây văng là loại công trình nhạy cảm với các tải trọng động như tải trọng di động, gió và đặc biệt là tải trọng động đất. Bài báo nghiên cứu tổng quan các phương pháp tính toán động đất, các mô hình tính toán cầu dây văng, các mô hình tương tác cọc và đất nền. Từ đó, nghiên cứu phân tích ứng xử động đất của cầu dây văng có xét đến hiệu ứng tương tác đất nền và kết cấu (SSI) được thực hiện. Trong một ví dụ cụ thể, cầu dây văng được mô hình hóa bằng sơ đồ 3D-Spine, tương tác giữa cọc - đất nền được mô hình hoá bằng mô hình Kelvin- Voigt và phương pháp phổ phản ứng được sử dụng để tính toán nội lực và các dạng dao động của cầu dây văng. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi hiệu ứng SSI được kể đến thì nội lực trong cầu dây văng giảm đáng kể khi chịu tác động của động đất. ABSTRACT A cable stayed bridge is the kind of structure that is very sensitive to different dynamic loads such as moving loads, wind load and especially seismic load. This paper presents an overall research on the methods of seismic analysis, models of cable stayed bridge and models of soil-structure interaction. The research paper focuses on the behavior of cable stayed bridge during earthquakes in which investigation into the effects of soil-structure interaction (SSI) was done. In a particular example, the modeling of cable stayed bridge in this paper is 3D-Spine. Soil-pile interaction is modeled by the Kelvin-Voigt model and the response spectrum method is applied in calculating its internal forces and modes to show some results of seismic response of a cable stayed bridge. The results of the example show that when soil-structure interaction is taken into account, the internal forces of the cable stayed bridge are significantly reduced during an earthquake. 1. Đặt vấn đề Ở Việt Nam, việc tính toán động đất còn khá mới mẻ và rất ít tài liệu đề cập đến các cách tính toán động đất cũng như các tác động của động đất gây ra đối với công trình cầu dây văng, đặc biệt là các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học về phân tích ảnh hưởng cầu dây văng dưới tác dụng của động đất có xét đến hiệu ứng SSI. Trước đây, các kết quả nghiên cứu về công trình chịu tác động của động đất thường bỏ qua ảnh hưởng điều kiện đất nền đến khả năng chịu lực của công trình và giả thiết công trình ngàm cứng tại vị trí ranh giới giữa công trình và nền đất. Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu gần đây chỉ ra sự cần thiết của việc nghiên cứu của điều kiện đất nền 180 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 đến sự ổn định của kết cấu do hiệu ứng SSI có xu hướng kéo dài chu kỳ tự nhiên của hệ đất nền- kết cấu và ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực cũng như chuyển vị của kết cấu. Vì vậy, yếu tố tương tác giữa đất nền và kết cấu cần phải được nghiên cứu một cách kỹ lưỡng hơn trong việc phân tích kết cấu chịu tác động của động đất. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Các phương pháp tính toán công trình chịu động đất Phương trình chuyển động của hệ nhiều bậc tự do chịu động đất được viết như sau: [ M ]{u} + [C ]{u} + [ K ]{u} = −[ M ]{B}u g (1) trong đó [K] là ma trận độ cứng, [C] là ma trận cản nhớt, [M] là ma trận khối lượng, {u} là véctơ chuyển vị của kết cấu, {u} là véctơ vận tốc của kết cấu, u g là gia tốc dịch chuyển của đất nền. Phương trình trên được xem là phương trình dao động cơ bản của hệ kết cấu chịu tác dụng của đất; và được áp dụng để tính toán tất cả các thông số phản ứng của kết cấu. Tuỳ thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất và tầm quan trọng của công trình cầu mà những phương pháp thường dùng để thiết kế cầu có xét đến ảnh hưởng của động đất là phương pháp phổ phản ứng hay phương pháp lịch sử thời gian. Thông thường ta hay giả thiết rằng, các gối cầu cùng chịu một kích thích như nhau khi động đất xảy ra. Giả thiết này chỉ đúng đối với kết cấu mà móng các công trình cầu gần nhau. Tuy nhiên đối với cầu nhịp lớn, các móng cách xa nhau một khoảng đáng kể. Như đã phân tích ở trên, dịch chuyển nền đất tại mỗi điểm phụ thuộc vào tính chất của đất tại đó và khoảng cách từ đó đến tâm chấn. Như vậy, rõ ràng là cầu nhịp lớn với khoảng cách các móng trụ lớn, sẽ chịu kích thích khác nhau. Phương trình chuyển động của kết cấu cầu nhịp lớn cũng tương tự như phương trình chuyển động của kết cấu cầu có nhiều bậc tự do. Tuy nhiên giá trị {B}u g thay thế bằng {u g } : [ M ]{u} + [C ]{u} + [ K ]{u} = −[ M ]{u g } (2) trong đó {u g } là véctơ gia tốc có giá trị khác 0 tại các gối và bằng 0 tại những vị trí không phải là gối. Ba hệ số ảnh hưởng đến phản ứng của kết cấu dưới kích thích đa gối là khoảng cách giữa các gối của kết cấu, mức độ khác nhau của kết cấu đất nền, và độ cứng của kết cấu. Khi kết cấu cầu đòi hỏi phải phân tích phi tuyến hoặc tính chất cản không còn được mô hình như thông thường thì kỹ thuật phân tích dạng chính không còn được sử dụng. Một phương pháp tích phân số, thông thường được hiểu là phân tích lịch sử thời gian, được sử dụng để phân tích chính xác phản ứng của kết cấu. 2.2. Phân tích kết cấu cầu dây văng chịu động đất 2.2.1. Mô hình hóa cầu dây văng Trong phân tích kết cấu cầu dây văng, ...