Luận văn thạc sĩ về ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng

• Tác giả: Dương Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Trương Việt Hùng
• Trường học: Trường Đại Học Thủy Lợi
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Nghiên cứu ảnh hưởng sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM DOAN
• LỜI CẢM ON
• DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
• DANH MỤC BANG BIEU
• DANH MỤC CÁC TỪ VIET TAT
• PHAN MỞ ĐẦU
• 1. Tính cắp tết của đề tài
• 2. Mue đích nghiên cứu
• 3. ch tgp cận và phương pháp nghiên cứu
• 4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 5. Y nghĩa Khoa học và ý nghĩa thực tiễn của đề di
• 6. Kết quả dat được
• 1. CHƯƠNG 1 TONG QUAN VỀ CAU DAY VANG
• 1.1. Li pat vin a8
• 1.2. Tinh hình ngbign cứu trong và ngoài nước
• 1.2.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.2.2. Tinh hình nghiên cứu trong nước
• 1.3. Tổng quan về cầu đây văng
• 1.3.1. Giới hiệu chung, lich sử hình thành và phát iển của cầu dây văng
• 1.3.2. Ưakhuyếtđiểm của cầu đây văng
• 1.3.3. Clu tạo và các loi cầu dây vũng
• 1.3.4. Điều chỉnh nội lực wong cầu dây văng
• 1.4. Cơ sởthiếtkế công trình cầu theo iều chun TCVN 11823/2017
• 1.4.1. Quan điểm chung vẻ thiết kế [16]
• 1.4.2. Phương pháp thiết ké theo hệ số tải trọng và sức kháng. Hệ số i tong và các tạng thi giới hạn
• 2. CHUONG2 — THIẾT KE CAU DAY VANG XÉT DEN SỰ CÔ DUT CaP
• 2.1. Khái niệm về din cấp và hả năng xảy ra sự cổ đứt cấp của cầu dây văng
• 2.2. Ảnh hướng của sự cỗ đức cáp đối với cau dây văng
• 2.2.1. Ảnh hưởng tổng thể
• 2.2.2. Ảnh hưởng đến ừng bộ phận của cầu dây ving
• 2.2.3. Chỉ dẫn đối với các trường hợp eve đoan đối với Cần dây văng
• 2.3. Chi din của Viện Dự Ứng Lực PTD
• 2.4. Chi din theo Eurocode
• 2.5. Phin L7.4 Chi din của Service d'Etudes Techniques des Routes et Autoroutes (SETRA), Pháp
• 2.6. Federation International de Beton (FIB), Thụy St 2005
• 2.7. Kế luận về chỉ dẫn đối với ự cổ ain cáp
• 2.8. Các phương pháp phân ích cầu diy văng xét đến sự cổ di cấp
• 2.8.1. Phường pháp phân tích bán tinh đối với sự cỗ đứt cáp
• 2.8.2. Phương pháp phn ích động đối với sự cổ đột ấp
• 2.9. Phương pháp thiết kế cầu đây ving có xét đến sự cổ đứt cáp áp dụng TCVN 1183-2017
• 2.10. M@ hinh tinh ton
• 2.11. To hop ti trọng vài tpn conned
• 2.12. Phường pháp xắc định lực căng ban đầu trong các dây văng
• 2.13. Trình wp tinh oán, so sinh nội lự cầu dây văng không và có xế đến sự cỗ ‘in cáp
• 3. CHƯƠNG3 VÍDỤTÍNHTOÁN
• 3.1. Thông tin chung về mô hình cầu diy văng
• 3.2. Thiết kế cẩu diy văng có xét dn sy cổ đứt cấp trong quá tình khai thie, vận hành
• 3.3. Thường hợp 1 (THỊ): cầu day văng không bị đt cấp ving
• 3.4. Trường hợp 2 (TH2) elu diy ving bị đứt một cấp ving bắt kỳ ot
• 3.5. So sánh trường hợp 1 cầu diy ving không bị đất đây văng và trường hop 2 cầu diy ving bị đút dây văng
• KẾT LUẬN VA KIÊN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về cầu dây văng

Cầu dây văng là một trong những công trình cầu hiện đại, được thiết kế để chịu tải trọng lớn và có khả năng vượt nhịp dài. Nhờ vào hệ thống dây văng, cầu có thể truyền tải trọng từ mặt cầu lên các tháp, giúp giảm chiều cao và tăng khả năng vượt nhịp. Tuy nhiên, cầu dây văng cũng có những nhược điểm, đặc biệt là khi một hoặc nhiều dây văng bị đứt. Hiện tượng này có thể gây ra những thay đổi đáng kể trong ứng xử kết cấu, dẫn đến nguy cơ hư hỏng nghiêm trọng. Theo một nghiên cứu, "Sự cố đứt cáp có thể làm thay đổi mô hình làm việc của toàn bộ hệ thống cầu và có thể dẫn đến sự hỏng hóc của các kết cấu khác." Do đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng là rất cần thiết.

1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã quan tâm đến ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong cầu dây văng. Các nghiên cứu cho thấy, khi một dây cáp bị đứt, các dây cáp lân cận sẽ chịu lực tăng lên đáng kể. Tác giả Chin-Sheng Kao và Chang-Huan Kou đã chỉ ra rằng "ảnh hưởng lớn nhất đến khả năng chịu tải của cầu xảy ra khi các cáp trung tâm nhịp bị đứt." Tại Việt Nam, nghiên cứu về vấn đề này còn hạn chế, mặc dù đã có một số công trình nghiên cứu như của Nguyễn Hữu Hưng về phân tích sụp đổ trong cầu dây văng.

II. Ảnh hưởng của sự cố đứt cáp

Sự cố đứt cáp trong cầu dây văng không chỉ ảnh hưởng đến khả năng chịu tải mà còn có thể dẫn đến các phản ứng không mong muốn trong kết cấu. Khi một dây cáp bị đứt, lực căng trong các dây cáp khác sẽ tăng lên, có thể dẫn đến việc các dây cáp này cũng bị đứt nếu không được tính toán hợp lý. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng "sự cố đứt cáp có thể làm thay đổi đáng kể nội lực trong cầu, dẫn đến nguy cơ sụp đổ." Điều này cho thấy tầm quan trọng của việc đánh giá chính xác ảnh hưởng của sự cố đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng.

2.1. Phân tích ảnh hưởng đến kết cấu

Khi một dây cáp trong cầu dây văng bị đứt, các bộ phận khác của cầu sẽ phải chịu tải trọng lớn hơn. Việc này không chỉ ảnh hưởng đến độ bền của cầu mà còn có thể dẫn đến sự hư hỏng của các kết cấu phụ trợ. Theo một nghiên cứu, "khi xảy ra sự cố đứt cáp, việc đánh giá lại nội lực và khả năng chịu tải của cầu là rất cần thiết để đảm bảo an toàn cho người sử dụng." Điều này nhấn mạnh rằng việc thiết kế cầu dây văng cần phải tính đến các kịch bản xấu nhất, bao gồm cả sự cố đứt cáp.

III. Giải pháp khắc phục

Để giảm thiểu ảnh hưởng của sự cố đứt cáp, các kỹ sư cần áp dụng các phương pháp thiết kế và phân tích hiện đại. Việc sử dụng các phần mềm mô phỏng như Midas hay Matlab có thể giúp dự đoán được các phản ứng của cầu dưới các điều kiện khác nhau. Một trong những giải pháp được đề xuất là "thiết kế cầu với các cáp dự phòng, nhằm đảm bảo rằng nếu một cáp bị đứt, các cáp khác vẫn có thể chịu tải." Điều này không chỉ tăng cường độ an toàn mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình khai thác cầu.

3.1. Đề xuất cải thiện thiết kế

Việc cải thiện thiết kế cầu dây văng cần dựa trên các nghiên cứu thực tiễn và các tiêu chuẩn hiện hành. Cần thiết lập các tiêu chuẩn thiết kế mới, trong đó xem xét đến khả năng xảy ra sự cố đứt cáp. Một nghiên cứu đã chỉ ra rằng "các tiêu chuẩn hiện hành chưa đủ để bảo vệ cầu khỏi các sự cố đứt cáp, do đó cần có những điều chỉnh và cập nhật kịp thời." Điều này không chỉ giúp tăng cường an toàn cho cầu mà còn nâng cao tính bền vững của công trình.

Tổng quan nghiên cứu

Cầu dây văng là một trong những loại cầu hiện đại được ứng dụng rộng rãi nhờ khả năng vượt nhịp lớn, tiết kiệm vật liệu và tính thẩm mỹ cao. Theo báo cáo ngành xây dựng, các cầu dây văng có nhịp từ 200m đến 1000m đang ngày càng phổ biến, đặc biệt tại các đô thị lớn như Hà Nội và TP. Hồ Chí Minh. Tuy nhiên, hiện tượng đứt cáp dây văng trong quá trình thi công hoặc khai thác vận hành đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng về an toàn kết cấu và khai thác công trình. Ví dụ điển hình là sự cố đứt cáp tại cầu Bính (Hải Phòng) năm 2010, làm hư hỏng nghiêm trọng một số bộ phận kết cấu.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của sự cố đứt cáp dây văng trong thiết kế cầu dây văng, từ đó đề xuất phương pháp tính toán và thiết kế có xét đến kịch bản này nhằm nâng cao độ an toàn và độ bền công trình. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các cầu dây văng có nhịp dài, với mô hình tính toán và phân tích nội lực được thực hiện trên phần mềm chuyên dụng như Midas Civil, Matlab và Python. Thời gian nghiên cứu chủ yếu là giai đoạn 2019-2021 tại Việt Nam.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc đánh giá kịch bản đứt cáp như một trường hợp đặc biệt trong thiết kế cầu dây văng, đồng thời có ý nghĩa thực tiễn trong việc tăng cường an toàn, làm cơ sở cập nhật tiêu chuẩn thiết kế và hỗ trợ kỹ sư trong thực hành thiết kế và vận hành cầu dây văng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết phi tuyến hình học: Xem xét hiệu ứng võng dây cáp, hiệu ứng cột-dầm và biến dạng lớn trong kết cấu cầu dây văng, giúp mô phỏng chính xác ứng xử thực tế của cầu dưới tải trọng.
• Mô hình điều chỉnh nội lực (BCNL): Phương pháp điều chỉnh lực căng dây văng nhằm giảm mô-men uốn và độ võng của dầm chính, đảm bảo trạng thái làm việc tối ưu cho kết cấu.
• Mô hình phân tích động lực học phi tuyến: Đánh giá ảnh hưởng của sự cố đứt cáp đột ngột đến phản ứng động của cầu, bao gồm hệ số khuếch đại động (DAF) và phân bố lại nội lực trong hệ thống nhiều bậc tự do.
• Khái niệm đứt cáp và sụp đổ liên hoàn: Phân tích chuỗi phản ứng hư hỏng lan truyền trong kết cấu cầu dây văng khi xảy ra sự cố đứt cáp, bao gồm mô hình sụp đổ kiểu domino và sụp đổ không ổn định.

Các khái niệm chính bao gồm: lực căng ban đầu của dây văng, hệ số tải trọng, hệ số sức kháng, tổ hợp tải trọng theo TCVN 11823:2017, và các chỉ dẫn thiết kế theo Eurocode và PTI.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các tài liệu tiêu chuẩn quốc gia (TCVN 11823:2017), các bài báo khoa học quốc tế và trong nước, cùng với số liệu thực tế từ các công trình cầu dây văng tại Việt Nam như cầu Nhật Tân, cầu Bính, cầu Mỹ Thuận.

Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Phân tích lý thuyết: Tổng hợp và hệ thống hóa các lý thuyết về cầu dây văng, đứt cáp và điều chỉnh nội lực.
• Mô phỏng số: Sử dụng phần mềm Midas Civil để mô hình hóa cầu dây văng với các trường hợp đứt cáp ngẫu nhiên, tính toán nội lực, lực căng dây văng và phản ứng động lực học.
• So sánh mô hình: Đánh giá sự khác biệt giữa mô hình thiết kế cầu dây văng thông thường và mô hình có xét đến sự cố đứt cáp.
• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài khoảng 18 tháng, từ thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả đến đề xuất giải pháp.

Cỡ mẫu mô hình tính toán là một cầu dây văng điển hình với nhịp chính khoảng 300m, được lựa chọn do tính đại diện và phổ biến trong thực tế xây dựng tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của đứt cáp đến nội lực cầu dây văng: Khi một dây văng bị đứt, lực căng trong các dây văng lân cận tăng lên trung bình khoảng 20-35%, gây ra sự phân bố lại nội lực đáng kể trong hệ thống. Mô hình tính toán cho thấy lực căng tối đa trong dây văng tăng đến 1,3 lần so với trạng thái bình thường.

2. Phản ứng động lực học và hệ số khuếch đại động (DAF): Hệ số DAF dao động trong khoảng 1,5 đến 3,5 tùy thuộc vào vị trí đứt cáp và loại trụ tháp. Đặc biệt, trụ tháp hình chữ H tạo ra chuyển động xoắn và dịch chuyển đứng lớn hơn 15% so với trụ hình chữ A, làm tăng nguy cơ mất ổn định kết cấu.

3. So sánh mô hình thiết kế có và không xét đến đứt cáp: Mô hình thiết kế có xét đến đứt cáp cho thấy sự gia tăng đáng kể về mô-men uốn và lực cắt tại các vị trí neo dây văng, với mức tăng khoảng 25-40%. Điều này cho thấy việc không xét đến kịch bản đứt cáp có thể dẫn đến đánh giá thấp nguy cơ hư hỏng và giảm độ an toàn của cầu.

4. Ảnh hưởng cục bộ đến các bộ phận cầu: Đứt cáp gây ra sự lệch tâm trong các gối đỡ mặt cầu, làm tăng ứng suất cục bộ lên đến 30% và có thể dẫn đến hiện tượng cong vênh, giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các hiện tượng trên là do sự phân bố lại lực căng trong hệ dây văng khi một hoặc nhiều dây bị mất khả năng chịu lực. So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả của luận văn phù hợp với báo cáo của Chin-Sheng Kao và Chang-Huan Kou, cũng như các khuyến nghị của PTI và Eurocode về hệ số khuếch đại động.

Việc mô hình hóa chi tiết và phân tích động lực học phi tuyến giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hư hỏng và phản ứng của cầu dây văng khi xảy ra sự cố đứt cáp. Kết quả này có thể được trình bày qua các biểu đồ lực căng dây văng, biểu đồ mô-men uốn và bảng so sánh hệ số DAF giữa các trường hợp.

Nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc thiết kế cầu dây văng cần phải xem xét kịch bản đứt cáp như một trường hợp đặc biệt để đảm bảo an toàn tối đa, tránh các sự cố nghiêm trọng có thể xảy ra trong quá trình khai thác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình thiết kế có xét đến đứt cáp: Các kỹ sư thiết kế cầu dây văng cần tích hợp kịch bản đứt cáp vào quá trình tính toán nội lực và điều chỉnh nội lực, nhằm đảm bảo độ an toàn và khả năng chịu tải của công trình. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế mới.

2. Tăng cường kiểm tra, bảo dưỡng dây văng: Đề xuất xây dựng quy trình kiểm tra định kỳ và bảo dưỡng chuyên sâu cho hệ thống dây văng, đặc biệt là các dây có nguy cơ đứt cao do va chạm hoặc ăn mòn. Chủ thể thực hiện: Ban quản lý công trình và đơn vị khai thác.

3. Cập nhật tiêu chuẩn thiết kế và thi công: Cơ quan quản lý nhà nước cần xem xét bổ sung các quy định về kịch bản đứt cáp trong tiêu chuẩn thiết kế cầu dây văng, dựa trên các kết quả nghiên cứu mới nhất. Thời gian thực hiện: trong vòng 2 năm tới.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thiết kế và phân tích cầu dây văng có xét đến sự cố đứt cáp cho kỹ sư thiết kế, giảng viên và sinh viên ngành xây dựng cầu đường. Chủ thể thực hiện: các trường đại học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế cầu: Nghiên cứu cung cấp phương pháp tính toán và mô hình phân tích chi tiết, giúp kỹ sư nâng cao chất lượng thiết kế, đảm bảo an toàn kết cấu khi xảy ra sự cố đứt cáp.

2. Quản lý dự án và khai thác công trình: Thông tin về ảnh hưởng của đứt cáp và các biện pháp bảo dưỡng giúp quản lý dự án lập kế hoạch bảo trì hiệu quả, giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

3. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng cầu đường: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá cho việc giảng dạy và nghiên cứu chuyên sâu về cầu dây văng và các vấn đề an toàn kết cấu.

4. Cơ quan quản lý nhà nước về xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để cập nhật tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế và vận hành cầu dây văng, nâng cao chất lượng công trình giao thông.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần xét đến kịch bản đứt cáp trong thiết kế cầu dây văng?
   Đứt cáp có thể xảy ra do va chạm, ăn mòn hoặc lỗi thi công, gây phân bố lại nội lực và tăng ứng suất cục bộ, làm giảm độ an toàn và tuổi thọ công trình. Việc xét đến kịch bản này giúp thiết kế cầu có khả năng chịu đựng tốt hơn khi xảy ra sự cố.

2. Hệ số khuếch đại động (DAF) là gì và tại sao quan trọng?
   DAF là hệ số dùng để nhân lực tĩnh nhằm mô phỏng hiệu ứng động do đứt cáp đột ngột. Nó phản ánh mức độ gia tăng ứng suất và chuyển vị trong kết cấu, giúp đánh giá chính xác hơn phản ứng của cầu khi xảy ra sự cố.

3. Phương pháp phân tích nào được sử dụng để đánh giá ảnh hưởng của đứt cáp?
   Phương pháp phân tích động lực học phi tuyến và phân tích bán tinh được sử dụng để mô phỏng chính xác phản ứng của cầu dây văng khi đứt cáp, bao gồm cả hiệu ứng thời gian và phân bố lại nội lực.

4. Có thể phát hiện sớm đứt cáp trong cầu dây văng không?
   Có thể thông qua việc giám sát lực căng dây văng và chuyển vị mặt cầu bằng các cảm biến chuyên dụng. Sự thay đổi bất thường trong lực căng hoặc biến dạng có thể cảnh báo nguy cơ đứt cáp.

5. Luận văn có đề xuất giải pháp gì cho việc bảo trì cầu dây văng?
   Luận văn đề xuất tăng cường kiểm tra định kỳ, bảo dưỡng chuyên sâu dây văng, đồng thời áp dụng mô hình thiết kế có xét đến đứt cáp để nâng cao độ bền và an toàn công trình trong quá trình khai thác.

Kết luận

• Đứt cáp dây văng gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến phân bố nội lực và phản ứng động của cầu, làm tăng lực căng dây văng lân cận từ 20-35%.
• Hệ số khuếch đại động (DAF) dao động từ 1,5 đến 3,5, phụ thuộc vào vị trí đứt cáp và loại trụ tháp, ảnh hưởng đến độ ổn định kết cấu.
• Mô hình thiết kế có xét đến đứt cáp giúp đánh giá chính xác hơn các ứng suất và mô-men uốn, nâng cao độ an toàn công trình.
• Cần cập nhật tiêu chuẩn thiết kế và tăng cường đào tạo kỹ sư về kịch bản đứt cáp trong cầu dây văng.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của đứt cáp đa điểm và các biện pháp khắc phục trong vận hành cầu dây văng.

Luận văn khuyến nghị các kỹ sư, nhà quản lý và cơ quan quản lý nhà nước áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng thiết kế, thi công và khai thác cầu dây văng, đảm bảo an toàn và bền vững cho hệ thống giao thông quốc gia.