Đặt vấn đề Chạy theo xu thế của thời đại, yếu tố mỹ quan đối với các công trình cầu ngày càng được chú trọng. Vẻ đẹp của các cây cầu đóng góp một phần rất lớn cho sự phát triển du lịch của vùng. Do tính thẩm mỹ, tính kinh tế và dễ lắp dựng, cầu dây văng được coi là thích hợp nhất cho các cầu có nhịp trung bình đến dài có nhịp từ 200m đến 1000m và trong những năm gần đây cầu dây văng được sử dụng rất rộng rãi. Những ưu điểm này của cầu dây văng là nhờ hệ thống dây văng truyền tải trọng từ mặt cầu lên các tháp sau đó giúp giảm độ sâu mặt cầu và tăng nhịp cầu.
Thông thường, dây văng được căng trước để giảm tác động của tải trọng lên cầu. Trên thực tế, chiều dài nhịp càng dài thì hệ thống kết cấu cầu càng linh hoạt. Do kích thước khổng lồ và cấu trúc phi tuyến phức tạp nên việc phân tích cầu dây văng phức tạp hơn nhiều so với cầu thông thường, chẳng hạn như cầu giàn và cầu dầm. Các nguyên nhân gây ra hiện tượng phi tuyến trong cầu dây văng chủ yếu bao gồm: võng cáp, dầm - cột và ảnh hưởng độ võng lớn.
Hệ cáp đóng vai trò rất quan trọng cả về mặt kỹ thuật lẫn mặt kinh tế trong cầu dây văng. Đây là bộ phận có chức năng gắn chặt cắc kết cấu cầu và gánh nặng phần thân cầu, chúng truyền tải trọng từ kết cấu phần trên xuống kết cấu phần dưới. Các dây cáp duy trì cầu dây văng có thể bị đứt do va chạm do tai nạn xe hơi, thiếu bảo dưỡng trong thời gian dài hoặc kết nối bị ăn mòn quá mức. Cũng có thể xảy ra hiện tượng tương tự do nới lỏng cáp trước khi thay thế.
Vì vậy, cần nghiên cứu xem một cây cầu dây văng có nhịp dài mảnh mai sẽ gây ra bất kỳ vấn đề an toàn nào vì những lý do này; đặc biệt là khi đã có những trường hợp hư hỏng thực sự về kết cấu do đứt cáp. Do đó, nghiên cứu sâu hơn về vấn đề này cần được thực hiện. Trong thời gian qua, rất nhiều nghiên cứu về loại cầu này đã được thực hiện nhưng chỉ có một số bài báo phân tích ảnh hưởng của dây cáp bị đứt đối với cầu dây văng. Trên 5 thế giới có một số tác giả đã nghiên cứu về vấn đề này (mục 1.
Ở Việt Nam cũng vậy, cũng chỉ có một vài nghiên cứu về kịch bản đứt cáp dây văng trong cầu dây văng, trong hệ tiêu chuẩn của ta cũng chưa đề cập đến ảnh hưởng của sự cố đứt cáp (mục 1. Nhận thấy việc nghiên cứu sự ảnh hưởng của sự cố đứt cáp đối với cầu dây văng là rất cần thiết và thiết thực nên tác giả đã lựa chọn đề tài nghiên cứu là bài toán “Nghiên cứu ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng”. Mục tiêu của đề tài là chỉ ra được sự ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng và việc tính toán cáp văng cho cầu dây văng tính đến trường hợp xảy ra sự cố đứt cáp là cần thiết. Đề tài rất thiết thực và mới mẻ, nó có ý nghĩa thúc đẩy việc nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng nói riêng và nghiên cứu về cầu dây văng nói chung ở nước ta, và đây cũng là một tài liệu tham khảo dành cho các kỹ sư cũng như sinh viên và những người quan tâm.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Tình hình nghiên cứu ngoài nước Trên thế giới có khá nhiều nhà khoa học quan tâm đến ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong cầu dây văng: Tác giả Chin-Sheng Kao và Chang-Huan Kou [2] với bài báo “The influence of broken cables on the structural behavior of long-span cable-stayed bridges” nghiên cứu về ảnh hưởng của đứt cáp đến ứng xử kết cấu của cầu dây văng nhịp dài, họ sử dụng công thức Lagrangian để xử lý hiệu ứng dịch chuyển lớn phi tuyến do toàn bộ cầu dây văng tạo ra; phần tử cáp cong đã được xem xét đối với cáp võng trong cầu dây văng; phần tử dầm hộp cũng được khảo sát bằng cách xem xét mối ghép của lực dọc trục với mô men uốn để đánh giá trực tiếp tác dụng dầm - cột của dầm chính và tháp; lý thuyết gia tăng Prandtl-Reuss và tiêu chí năng suất Von Mises được sử dụng để tính toán các hiệu ứng phi tuyến của vật liệu trước khi cầu dây văng xảy ra sự cố cuối cùng; và cuối cùng, điều chỉnh chuyển vị được sử dụng để giải quyết cân bằng của hệ thống phi tuyến.
Kết quả họ đã đưa ra một số kết luận sau: - Khi một dây cáp trong cầu dây văng bị đứt, các dây cáp bên cạnh sẽ chịu lực dây cáp tăng lên đáng kể. Do đó, đối với việc thay thế cáp trong tương lai của các cầu dây 6 văng hiện có, điều quan trọng là phải đánh giá sự gia tăng của lực cáp có thể xảy ra trong các cáp lân cận để ngăn ngừa sự cố đứt cáp ở các cáp lân cận. - Ảnh hưởng lớn nhất đến nội lực và khả năng chịu tải cuối cùng của cầu dây văng khi cáp ngoài cùng của cầu bị đứt. Ngoài ra, ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng chịu tải cuối cùng của cầu có thể xảy ra khi các cặp cáp gần tâm nhịp bị đứt.
Do đó, khi thay thế các dây cáp này người ta phải đánh giá ảnh hưởng đến nội lực và khả năng chịu tải cuối cùng của cầu để đảm bảo an toàn cho cầu. - Khi cáp ngoài cùng của cầu dây văng bị đứt, tháp có thể bị dịch chuyển ngang đáng kể và tâm dầm có thể bị võng đáng kể. Do đó, cần phải đánh giá kỹ lưỡng sự dịch chuyển tăng lên trước khi thay thế các dây cáp ngoài cùng, cùng với việc điều chỉnh thích hợp lực cáp trong các dây cáp bên cạnh để giảm thiểu sự gia tăng dịch chuyển nhằm đảm bảo an toàn cho cầu. - Có thể xảy ra thay đổi lực nâng của dầm cầu dây văng do đứt cáp xảy ra ở các vị trí khác nhau.
Đặc tính độc đáo này có thể được sử dụng để xác định cặp cáp nào trong một cây cầu có mái che hiện tại đã bị đứt và gây ra sự nâng lên kèm theo của dầm. Ruiz-Teran và A. Aparicio [3] với bài báo “Response of under-deck cable-stayed bridges to the accidental breakage of stay cables”, mục đích của bài báo này là nghiên cứu phản ứng của cầu dây văng trong tình huống vô tình làm đứt dây văng để chứng minh rằng loại cầu này có khả năng khắc phục sự cố đứt dây văng đột ngột hơn yêu cầu của quy phạm. Trong trường hợp bất khả thi này, việc sửa chữa có thể dễ dàng được tiến hành mà không ảnh hưởng đến giao thông với điều kiện là tình huống đứng cáp đã được xem xét trong giai đoạn thiết kế theo các tiêu chí thiết kế phù hợp.
Họ sử dụng các phép phân tích tham số để phân tích phản ứng của cầu dây văng dưới sự cố đứt dây văng. Kết quả họ chỉ ra rằng nếu xem xét đến sự cố đứt dây văng trong giai đoạn thiết kế thì trường hợp bất ngờ xảy ra đứt dây văng đột ngột, việc sửa chữa kết cấu có thể được tiến hành đơn giản, nhanh chóng và rẻ hơn so với trường hợp kết cấu thông thường và thậm chí không ảnh hưởng đến giao thông. Ngoài ra còn có tác giả Oluremi Olamigoke [7] với đề tài nghiên cứu “Structural response of cable-stayed bridges to cable loss”, nghiên cứu về ứng xử của kết cấu cầu 7 dây văng đối với sự cố đứt cáp. Tác giả Zoli và Woodward [8] với nghiên cứu “Design of Long Span Bridges for Cable loss” nghiên cứu thiết kế cầu nhịp lớn xét tới trường hợp mất mát (đứt) cáp.
Tình hình nghiên cứu trong nước Tại Việt Nam, nghiên cứu về bài toán đứt cáp cầu dây văng chưa có nhiều, một số nghiên cứu có thể kể đến như: Bài báo của tác giả Nguyễn Hữu Hưng [4] với đề tài “Phân tích sụp đổ lan truyền trong cầu dây văng bằng phương pháp phần tử hữu hạn”. Bài báo đã phân tích kết cấu bằng mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến. Kết quả của bài báo chỉ ra hiện hiện tượng lan truyền đứt cáp trong cầu và khi nào hiện tượng sụp đổ lan truyền sẽ xảy ra. Bài báo của tác giả Nguyễn Trọng Nghĩa và Vanja Samec [5] với nội dung cũng phân tích bài toán đứt cáp nhưng tập trung vào ảnh hưởng của một số tham số đến hệ số động khi đưa vào phân tích tĩnh.
Bài báo cũng minh họa một vài kết quả phân tích với thông số của một số công trình cầu ở Việt Nam. Bài báo của tác giả Hoàng Vũ và các cộng sự [9], trong bài báo này nhóm tác giả đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hiện tượng đứt cáp. Các nghiên cứu thực nghiệm đã làm rõ cơ chế phá hoại cũng như độ lớn của hệ số động lấy vào khi phân tích tĩnh. Ngoài ra, bài báo cũng phân tích được sự ảnh hưởng của số lượng cáp đứt đến các bộ phận của kết cấu cầu dây văng.3 Tổng quan về cầu dây văng Giới thiệu chung, lịch sử hình thành và phát triển của cầu dây văng Lịch sử phát triển của Cầu Dây Văng: [10] Cầu dây văng là loại cầu sử dụng các dây cáp được liên kết từ một hay nhiều cột tháp để treo hệ mặt cầu.
Một cầu dây văng điển hình có một hệ dầm liên tục với một hay nhiều cột tháp được đặt trên trụ cầu ở trong khoảng giữa nhịp. Từ các cột tháp này, các dây văng được tỏa xuống và đỡ hệ dầm chủ. Ý tưởng đỡ một dầm bằng một hệ dây xiên tỏa xuống từ một cột buồm hay một tháp đã 8 xuất hiện từ thời cổ xưa khi người Ai Cập áp dụng ý tưởng này cho các thuyền buồm của họ. Việc sử dụng cáp treo trong xây dựng cầu đã trở lại vào thế kỷ 17.
Vào đầu năm 1617, Faus-tus Verantius, một kỹ sư ở Venice (Ý), đã phác họa một cây cầu với nhiều dây xiên. Năm 1784, một thợ mộc Đức, Löscher, đã thiết kế một cây cầu gỗ có nhịp 32m bao gồm các thanh treo bằng gỗ gắn vào một cột tháp gỗ. Năm 1817, chiếc cầu dây văng bằng sắt đầu với một nhịp khoảng 33.6 m, sử dụng các dây cáp xiên neo vào một tháp cầu bằng sắt đúc sẵn.