Thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 tấn được thiết kế chế tạo trong nước và ứng dụng trong thực tiễn phục vụ ngành GTVT

ThS. Phạm Đình Nam TS. Nguyễn Văn Thịnh Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải PGS. TS. Thái Hà Phi TrườngĐại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Lê Quý Thủy TS. Nguyễn Việt Khoa

TÓM TẮT: Để đảm bảo khả năng làm việc và tuổi thọ của công trình cầu, gối cầu cần phải được kiểm tra chất lượng chặt chẽ trong phòng thí nghiệm hợp chuẩn chuyên ngành trên các thiết bị kiểm tra chuyên dùng trước khi đưa vào lắp đặt sử dụng. Trước đây, chúng ta chỉ có thể tiến hành kiểm tra đánh giá chất lượng gối cầu có tải trọng dưới 2.800 tấn, với các loại gối có tải trọng lớn hơn 2.800 tấn, việc thí nghiệm phải đem ra nước ngoài với chi phí cao và thời gian chờ đợi lâu.

Xuất phát từ thực tế trên, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng gối cầu tải trọng đến 6.400 tấn. Đến tháng 10/2015, thiết bị đã được chế tạo thành công và đi vào phục vụ công tác kiểm tra đánh giá chất lượng gối cầu cho các dự án trọng điểm của ngàng GTVT như: Tân Vũ - Lạch Huyện, Bến Lức - Long Thành, Cao Lãnh - Vàm Cống, Bến Thành - Suối Tiên…

Bài báo giới thiệu về một số tính năng kĩ thuật ưu việt và ứng dụng trong thực tiễn kiểm tra đánh giá phục vụ ngành GTVT của thiết bị kiểm tra gối cầu tải trọng 6.400 tấn chế tạo tại Việt Nam.

TỪ KHÓA: Khung thử tải 6.400 tấn, thí nghiệm gối cầu 6.400 tấn.

ABSTRACT: To ensure the quality and lifespan of the bridgework, bearings have to be tested strictly in standard and specialised laboratories by dedicated testing equipments before running into installation for using. Regarding bearings that the load is small (under 2.800 tons), the testing equipments are carried out regularly in domestic laboratories. When it comes to bearings that the load is higher than 2.800 tons, currently, there is no domestic laboratories that are suitable for test. Thus, the experiments have to be carried out oversea with expensive expenses and long waiting period.

From this fact, Institute of Transport Science and Technology has researched, designed, produced quality testing and evaluating machine for bridge bearings that the load is about 6.400 tons. On Oct-2015, the machine had been produced succesfully and operated in vital projects, such as Tan Vu Lach Huyen, Ben Luc - Long Thanh, Cao Lanh - Vam Cong, Ben Thanh - Suoi Tien, etc.

The article presents some outstanding technical functions and practical application of this machine produced in Viet Nam.

KEYWORDS:  6’400 Ton load frame, bridge bearing test rig 6’400 Ton.

1. Đặt vấn đề

1.1. Tổng quan về gối cầu và công tác thí nghiệm gối cầu

Gối cầu là bộ phận trung gian liên kết giữa kết cấu nhịp phần trên và kết cấu phần dưới như mố, trụ cầu của công trình cầu. Gối cầu có nhiệm vụ truyền áp lực tập trung từ kết cấu nhịp xuống mố trụ (gồm có phản lực thẳng đứng và nằm ngang), đảm bảo cho đầu kết cấu nhịp có thể quay hoặc di động tự do dưới tác dụng của hoạt tải và nhiệt độ thay đổi.

Phân loại theo tải trọng [3], gối cầu được chia làm 3 loại:

- Loại nhỏ: Gối có tải trọng thiết kế dưới 1.000 tấn;

- Lọai trung bình: Gối có tải trọng thiết kế từ 1.000 tấn ÷ 3.000 tấn;

- Loại lớn: Gối có tải trọng thiết kế từ 3.000 tấn trở lên.

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay, việc thí nghiệm gối cầu áp dụng phổ biến Tiêu chuẩn ASTM D4014; Tiêu chuẩn AASHTO M251 (đối với gối cao su cốt bản thép) hoặc Tiêu chuẩn ASTM D5977; Tiêu chuẩn ASTM D5212; TCVN 10268:2014; TCVN 10269:2014 (đối với gối chậu).

Để đánh giá chất lượng gối cầu cần phải tiến hành 2 loại thí nghiệm:

- Thí nghiệm về vật liệu gối: Các chỉ tiêu thí nghiệm gồm độ cứng cao su, độ bền kéo đứt, độ giãn dài khi đứt, độ giãn dư khi đứt, già hóa, ôzone…

- Thí nghiệm gối cầu thành phẩm: Các chỉ tiêu thí nghiệm gồm nén tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang, góc xoay, mô-đun trượt, hệ số ma sát.

Hiện nay, các phòng thí nghiệm trong nước có đầy đủ thiết bị để thực hiện các thí nghiệm vật liệu gối, với thí nghiệm gối cầu thành phẩm chúng ta mới chỉ thực hiện được với loại có tải trọng nhỏ và trung bình. Các loại gối có tải trọng lớn phải đưa ra nước ngoài thí nghiệm với chi phí rất cao, không chủ động và thời gian chờ đợi lâu, ảnh hưởng đến tiến độ thi công. Do đó, việc nghiên cứu cơ sở khoa học để chế tạo thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn từ 3.000 tấn trở lên là cần thiết.

1.2. Hiện trạng các thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn ở trong nước hiện nay

Hiện nay, Việt Nam mới chỉ có hai đơn vị có thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn là Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng và Công ty TNHH KAWAKIN CORE - TECH VIETNAM.

Thiết bị thí nghiệm gối cầu 4.000 tấn của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng: Thiết bị này được chế tạo năm 2005 nhằm thí nghiệm gối đỡ dầm mái chính Trung tâm Hội nghị quốc gia. Thiết bị có thể tạo được lực nén thẳng đứng lên đến 4.000 tấn, lực đẩy ngang lên đến 300 tấn. Đây cũng là thiết bị lớn nhất của nước ta hiện nay, tuy nhiên thiết bị vẫn có một số hạn chế như: Hệ thống điều khiển và quan trắc số liệu bằng tay, quá trình gá lắp thí nghiệm chưa hợp lý nên mất rất nhiều thời gian.

Thiết vị của Công ty TNHH KAWAKIN CORE - TECH VIETNAM: Đây là thiết bị thí nghiệm gối cầu do Nhật Bản chế tạo có thể tạo được lực nén thẳng đứng lên đến 1.000 tấn, lực đẩy ngang 200 tấn, kết nối máy tính, tự động xử lý và lưu trữ số liệu. Tuy nhiên, thiết bị này chỉ phục vụ thí nghiệm sản phẩm sau chế tạo của nhà máy, không cung cấp dịch vụ thí nghiệm cho các đơn vị bên ngoài.

Do đó, cần thiết phải có thiết bị thí nghiệm gối cầu có thể thí nghiệm được cho các loại gối có tải trọng lớn từ 3.000 tấn trở lên, hiện đại, dễ thao tác và khắc phục được những nhược điểm còn tồn tại của các thiết bị hiện có.

2. Giới thiệu về thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 tấn chế tạo tại Việt Nam

Qua nghiên cứu nhu cầu thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn ở trong nước cũng như ưu, nhược điểm của các thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng lớn hiện có ở nước ta hiện nay, nhóm tác giả đã nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thành công thiết bị kiểm tra gối cầu tải trọng 6.400 tấn. Hiện nay, đây là thiết bị thí nghiệm gối cầu lớn nhất, hiện đại nhất ở Việt Nam do Viện Khoa học và Công nghệ GTVT thiết kế, chế tạo.

Hình 2.1: Sơ đồ thiết bị thí nghiệm gối cầu 6.400 tấn

 

Bảng 2.1. Các thông số kỹ thuật của thiết bị thí nghiệm gối cầu 6.400 tấn

I	Khung thử tải	IV	Hệ kích đẩy ngang
1	Kích thước khung thử tải (dải x rộng x cao) 2200x3200x3400mm	20	Lực làm việc lớn nhất: Fmax = 900 tấn
2	Kích thước khoang làm việc (dài x rộng x cao) 2100 x 2100 x 1800mm	21	Áp suất làm việc: Pmax = 52MPa
3	Tải trọng nén thẳng đứng thí nghiệm: Fđmax = 6.400 tấn	22	Hành trình làm việc: Hmax = 250mm
4	Tải trọng ngang thí nghiệm: Fnmax = 900 tấn		Hệ kích tạo tải thẳng đứng
5	Góc xoay thí nghiệm: a=0,02 rad	23	Lực làm việc lớn nhất: Fmax = 6.400 tấn
6	Hệ số ma sát: Đáp ứng được yêu cầu	24	Áp suất làm việc: Pmax = 62MPa
7	Tải trọng thiết kế gối lớn nhất thí nghiệm: 4.000 tấn	25	Hành trình làm việc: Hmax = 200mm
8	Sai số lực nâng 0,95FS	VI	Hệ điều khiển và quan trắc số liệu tự động
9	Tổng trọng lượng máy: 90.000kg
II	Bộ nguồn tạo tải thẳng đứng	26	Kiểu điều khiển: Tự động/bằng tay
10	Áp suất làm việc lớn nhất: Pmax = 70MPa	27	Kiểu hiển thị: Hiện thị số trên LCD
11	Lưu lượng riêng: 2,7 ÷ 8,7cm3/vòng	28	Điều khiển tộc độ gia tải nén thẳng đứng: Tự động/bằng tay
12	Lưu lượng làm việc: 4 ÷ 12 l/ph
13	Công suất động cơ điện dẫn động: 5kW	29	Điều khiển tốc độ gia tải hệ thống đẩy ngang: Tự động/bằng tay
14	Tốc độ động cơ: 1.440 vòng/phút
15	Khả năng điều chỉnh lưu lượng: Vô cấp	30	Điều khiển tốc độ bàn nâng di chuyển ra-vào tháo lắp gối: Tự động/bằng tay
III	Bộ nguồn tạo tải nằm ngang
15	Áp suất làm việc lớn nhất: Pmax = 60MPa	31	Ghi nhận số liệu quan trắc: Tự động/bằng tay
16	Lưu lượng làm việc: 4 ÷ 10 l/ph
17	Công suất động cơ điện dẫn động: 5kW	32	Tự động lưu trữ số liệu khi gặp sự cố về điện
18	Tốc độ động cơ: 1440 vòng/phút
19	Khả năng điều chỉnh lưu lượng: Vô cấp

Mô tả hoạt động của thiết bị:

Hệ bàn nâng di chuyển (1) có thể di chuyển vào - ra nhờ động cơ điện hai chiều 1,5kW (7) thông qua bộ truyền xích (8). Khi bàn nâng (1) chạy ra ngoài, hệ thống cổng trục 10 tấn sẽ nâng gối cầu (2), con đội, tấm trung gian (12) gá lắp lên bàn nâng như sơ đồ Hình 2.1.

Gá lắp xong, bàn nâng di chuyển vào trong khoang làm việc của khung thử tải. Cơ cấu đẩy ngang (6) được hạ xuống nhờ hệ thanh treo (4) và gá lắp với tấm trung gian và tấm đệm đầu kích bằng các chốt. Thanh ren (5) dùng để điều chỉnh chiều cao của thiết bị tạo tải ngang để phù hợp với chiều cao của nhiều loại gối khác nhau.

Người vận hành chọn chu trình thí nghiệm trên hệ điều khiển, chọn chế độ điều khiển tự động hoặc bằng tay. Nếu chọn chế độ tự động, toàn bộ quy trình thí nghiệm sẽ được tự động diễn ra mà không cần sự tác động của người vận hành. Sau khi quá trình thí nghiệm kết thúc, kết quả sẽ được tự động lưu lại và in ra báo cáo. Nếu chọn chế độ điều khiển bằng tay, toàn bộ quy trình thí nghiệm sẽ được người vận hành thực hiện.

Bộ nguồn tạo tải đứng (10) sẽ cung cấp nguồn dầu thủy lực cho hệ kích (9) để tạo lực nén cho gối. Khi lực nén thẳng đứng đạt đến lực cần thiết thì hệ tạo tải ngang (6) sẽ tác động lực ngang vào gối thông qua tấm trung gian (12). Lúc này nguồn dầu thủy lực cung cấp cho hệ tạo tải ngang do bộ nguồn (11).

Hình 2.2: Thiết bị khi đưa vào hoạt động

3. NHỮNG TÍNH NĂNG ƯU VIỆT CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG 6.400 TẤN

3.1. Không gian khoang làm việc lớn

Không gian khoang làm việc là yếu tố rất quan trọng đối với thiết bị thí nghiệm gối cầu. Hiện nay, trên thế giới, gối cầu được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau như: Mageba (Thụy Sĩ), Freysinet (Pháp), Unison (Hàn Quốc), OVM (Trung Quốc), Kawakin (Nhật Bản)… Do đó, gối có cùng tải trọng thiết kế nhưng kích thước lại rất khác nhau. Thực tế cho thấy nhiều trường hợp, về tải trọng thí nghiệm thiết bị hoàn toàn có thể đáp ứng được nhưng về kích thước của gối lại không phù hợp với không gian khoang làm việc của thiết bị.

Thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 tấn đã khắc phục được hạn chế đó. Thiết bị được chế tạo với không gian khoang làm việc tương đối lớn có kích thước dài x rộng x cao: 2.200mm x 2.000mm x 1.800mm.  Không gian khoang làm việc này đáp ứng được hoàn toàn với các loại gối cầu có tải trọng thiết kế đến 4.000 tấn.

3.2. Khả năng gá lắp mẫu thử đơn giản, nhẹ nhàng

Toàn bộ hệ kích (9) được cố định tại tâm của khung máy nhằm đảm bảo độ chính xác của hệ tạo tải thẳng đứng (Hình 2.1). Để tháo lắp mẫu, thí nghiệm viên chỉ cần nhấn nút điều khiển động cơ (7) thông qua bộ truyền xích dẫn động bàn nâng (1) di chuyển ra. Gối cầu, các encoder đo chuyển vị sẽ được lắp đặt trên bề mặt bàn nâng, sau đó hệ bàn nâng sẽ di chuyển vào trong khung để thực hiện thí nghiệm. Toàn bộ quá trình gá lắp được thực hiện đơn giản, nhẹ nhàng, nhanh chóng.

3.3. Tải trọng nén thẳng đứng lớn

Thiết bị có thể tạo được lực nén tối đa lên đến 6.400 tấn, do vậy có thể tiến hành thí nghiệm cho những gối cầu có tải trọng thiết kế đến 4.000 tấn.

Tải trọng nén thẳng đứng của thiết bị được tạo ra bởi hệ kích thủy lực ghép nối tiếp nhau. Các kích thủy lực được sắp xếp theo sơ đồ hợp lý, khoa học để đảm bảo tổn thất trong đường ống là nhỏ nhất, đồng thời trên mỗi kích thủy lực có lắp hệ thống kiểm soát lưu lượng và hành trình nhằm đảm bảo được sự đồng tốc và cùng áp suất giữa các kích, nhờ đó đã làm tăng độ chính xác của thiết bị.

Hơn nữa, sử dụng phương án tạo lực nén thẳng đứng bằng nhiều kích còn giúp cho việc điều chỉnh đối tượng gối thí nghiệm được linh hoạt. Chỉ bằng thao tác đơn giản là thay đổi số lượng kích, thiết bị có thể đáp ứng được việc thí nghiệm cho các loại gối có tải trọng nhỏ vài trăm tấn đến các loại gối có tải trọng lớn đến 4.000 tấn, nhờ đó làm tăng tính hiệu quả của thiết bị.

3.4. Tải trọng đẩy ngang

Thiết bị có thể tạo lực đẩy ngang đến 900 tấn. Đây cũng chính là một trong những ưu điểm nổi bật của thiết bị.

 

Toàn bộ lực đẩy ngang của hệ kích (3) sẽ được truyền qua tấm (1), (2) và không tác động trực tiếp lên hệ kích tạo tải thẳng đứng, nhờ vậy sẽ triệt tiêu toàn bộ lực đẩy ngang tác động lên cổ kích và lên khung thử tải, tăng sự ổn định và tuổi thọ của kết cấu, làm cho kết cấu khung nhỏ gọn hơn so với thiết bị của các hãng chế tạo.

3.5. Điều chỉnh được tốc độ gia tải

Thiết bị đã sử dụng biến tần để điều chỉnh tốc độ động cơ nhằm thay đổi lưu lượng của bơm thủy lực, dẫn đến thay đổi tốc độ gia tải của hệ kích tạo lực nén phù hợp với từng loại gối và từng quy trình thí nghiệm cụ thể. Nhờ việc sử dụng biến tần ta có thể điều chỉnh vô cấp tốc độ động cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tự động hóa điều chỉnh tốc độ gia tải cho gối theo đúng tiêu chuẩn quy định.

3.6. Điều khiển tự động quá trình thí nghiệm gối cầu

Thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 tấn đã khắc phục được hoàn toàn hạn chế của các thiết bị thí nghiệm gối cầu trong nước hiện nay. Thiết bị đã được chế tạo, lắp đặt hệ điều khiển thông minh, có độ chính xác cao, giao diện thân thiện với người sử dụng. Trước khi thí nghiệm, thí nghiệm viên chỉ việc nhập thông tin đơn vị thí nghiệm, tải trọng thí nghiệm, chọn chương trình thí nghiệm trên hệ điều khiển, sau đó toàn bộ quá trình thí nghiệm sẽ được diễn ra tự động, các thông số thí nghiệm sẽ được đưa lên màn hình một cách trực quan nhất để khách hàng có thể theo dõi quá trình thí nghiệm.

4. KẾT QUẢ ỨNG DỤNG CỦA THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM GỐI CẦU TẢI TRỌNG 6.400 TẤN TRONG NGÀNH GTVT

Từ khi đi vào hoạt động cho đến nay, thiết bị đã kiểm tra đánh giá chất lượng các loại gối cầu có tải trọng lớn của các công trình trọng điểm trong ngành GTVT. Việc thí nghiệm gối được thực hiện ở trong nước với chi phí chỉ bằng 70% so với đem ra nước ngoài, không chỉ giúp cho các đơn vị trong nước tiết kiệm được giá thành thí nghiệm, đẩy nhanh tiến độ thi công công trình mà còn là cơ sở để Bộ GTVT có thể kiểm soát được chất lượng công trình.

Một số công trình đã thí nghiệm:       

- Dự án kết nối khu vực Trung tâm đồng bằng sông Cửu Long; hợp phần 2: Đường tiếp nối giữa cầu Cao Lãnh và cầu Vàm Cống. Gói thầu CW2C: Km18+200 - Km23+450. Công trình cầu sông Lấp Vò:

+ Thí nghiệm gối Kawakin tải trọng nén 1.750 tấn, lực đẩy ngang 800 tấn. 

- Dự án đường vành đai phía nam TP. Thái Bình. Công trình cầu vượt sông Trà Lý; hạng mục: Thi công dầm liên tục (68+120+68) trụ P3, P4:

+ Thí nghiệm gối OVM LKQZ5DX-HZF1 tải trọng nén 650 tấn.

- Gói thầu XL04: Xây dựng cầu sông Hốt thuộc Dự án đường nối TP. Hạ Long - cầu Bạch Đằng:

+ Thí nghiệm gối APS APC 15G tải trọng nén 2.700 tấn.

- Dự án xây dựng cảng Lạch Huyện, gói thầu số 6:

+ Thí nghiệm gối Kawakin tải trọng nén 900 tấn.

- Dự án Xây dựng nâng cấp QL10, cầu Tiên Cựu:

+ Thí nghiệm gối Bành Phổ tải trọng thí nghiệm đến 1.200 tấn.

-  Dự án xây dựng tuyến đường sắt đô thị TP. Hồ Chí Minh đoạn Bến Thành - Suối Tiên (tuyến số 1).

+ Thí nghiệm gối Freyssinet tải trọng nén 30.795kN (3.139 tấn).

4. KẾT LUẬN

Việc thiết kế, chế tạo thành công thiết bị thử tải gối cầu tải trọng đến 6.400 tấn hoàn toàn bằng nguồn vật tư sẵn có và công nghệ gia công trong nước thể hiện sự cố gắng nỗ lực của Viện Khoa học và Công nghệ GTVT.

Thiết bị thử tải trên đây là thiết bị hiện đại, dễ điều khiển, dễ lắp đặt mẫu thử, hoạt động tuân thủ theo đúng các quy trình, tiêu chuẩn đánh giá chất lượng gối cầu hiện hành, đạt được độ chính xác cần thiết và được Tổng cục Đo lường chất lượng kiểm tra, đánh giá và công nhận.

Thiết bị đã được đưa ngay vào khai thác phục vụ sản xuất của Ngành, trong quá trình kiểm tra đánh giá được các chuyên gia, các nhà khoa học, các nhà quản lý trong các dự án của Việt Nam, Nhật Bản ghi nhận và đánh giá tốt.

Thiết bị kiểm tra đánh giá chất lượng gối cầu tải trọng đến 6.400 tấn hoạt động đáp ứng tất cả các tiêu chuẩn đánh giá hiện hành, đã được Tổng cục Đo lường chất lượng công nhận, Viện Khoa học và Công nghệ GTVT giao cho Phòng Thí nghiệm Vilas 276 quản lý và vận hành; đề nghị các nhà thầu, tư vấn giám sát, chủ đầu tư công trình giao thông có gối tải trọng lớn xem xét đưa mẫu đến thí nghiệm để tiết kiệm thời gian, chi phí.

Tài liệu tham khảo

[1]. Nguyễn Xuân Khang (2001), Nghiên cứu những giải pháp khoa học công nghệ thiết kế chế tạo các thiết bị thi công chuyên dùng công trình GTVT, Tuyển tập báo cáo tại Hội nghị Khoa học nhân kỷ niệm 45 năm thành lập Viện KHCN GTVT 1956 - 2001, Hà Nội.

[2]. Nguyễn Xuân Khang (2008), Nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ nguồn thủy lực bù tải tự động phục vụ công nghệ kiểm tra sức chịu tải cọc khoan nhồi theo phương pháp thử tải tĩnh, Đề tài KHCN cấp Bộ.

[3]. Nguyễn Viết Trung, Mố trụ cầu - gối cầu (Bài giảng), TrườngĐại học GTVT.

[4]. TCVN 10268:2014, Gối cầu kiểu chậu - Yêu cầu kĩ thuật.

[5]. TCVN 10269:2014, Gối cầu kiểm chậu - Phương pháp thử.