Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng thành công thiết bị thí nghiệm gối cầu tải trọng 6.400 tấn trong ngành giao thông vận tải

Xuất phát từ thực tế trên, ThS. Phạm Đình Nam và TS. Nguyễn Văn Thịnh (Viện Khoa học và Công nghệ Giao thông vận tải) và PGS. TS. Thái Hà Phi (Trường Đại học Giao thông vận tải) thực hiện Đề tài 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 ngành GTVT như: Tân Vũ - Lạch Huyện, Bến Lức - Long Thành, Cao Lãnh - Vàm Cống, Bến Thành - Suối Tiên…

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, gối cầu được chia làm 3 loại:
- Loại nhỏ: Gối có tải trọng thiết kế dưới 1.000 tấn;
- Loại 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.

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.

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.


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

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.

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. 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.

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.

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.

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.

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.



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, giúp cho các đơn vị trong nước tiết kiệm được chi phí./.