CHƯƠNG 1 MỞ DAU 1. Giới thiệu chung Từ nhiều thập kỉ qua cáp được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống neo giữ, hệ thống truyền tín hiệu quang học, điện tử và đặc biệt cáp được sử dụng ngày càng phô biến trong xây dựng như trong các công trình dân dụng và các công trình cau. Trong các công trình cau, đối với những cầu vượt nhịp lớn thì phương án cầu dây văng được sử dụng nhiều nhất. Cau dây văng là một loại cầu bao gồm một hoặc nhiều trụ (thường được gọi là tháp), với dây cáp căng được neo ở tháp va dầm cầu để chịu đỡ toàn bộ hệ mặt cầu và các dầm cau (Hình 1.
Hiện nay ở Việt Nam có nhiều các dự án cơ sở hạ tầng mới ở cấp quốc gia với ngày càng nhiều cây cầu dây văng được xây dựng, trong đó phải kế đến những cầu dây văng như cầu Mỹ Thuận (350 m nhịp chính, 24 m chiều rộng mặt cầu, 116 m chiều cao cột tháp): cầu Can Thơ (550, 26, 165); cầu Phú Mỹ (380, 16, 90): cầu Rạch Miễu (270, 16, 95); cầu Nguyễn Văn Trỗi - Trần Thị Lý (230, 34.5, 145) , cầu Bãi Cháy (435, 16, 90); cầu Binh (260, 22. Luận văn thạc sĩ HVTH: Trần Bá Cảnh MSHV: 12214025 Trang 4 Trong các công trình câu dây văng, cáp là một trong những thành phan quan trọng nhất bởi vì cáp trực tiếp mang tải trọng cầu nên sự sụt giảm phẩm chất cáp sẽ gây ra những sự cố trên cầu. Cáp có khả năng chịu lực rất cao (cường độ tới hạn của các sợi cáp kéo nguội đường kính 5-7 mm có thé đạt hơn 1600 MPa), tuy nhiên với trọng lượng nhẹ và đặc trưng cản thấp, cáp rất dễ bị kích thích dao động dưới tác động của môi trường xung quanh như gió, mưa và hầu hết những dao động này gây nguy hiểm cho cáp và kết cấu giữ cáp. Do đó, việc hiểu rõ ứng xử động lực học của cáp có ý nghĩa quan trọng trong việc quan trắc, bảo trì thường xuyên những kết cấu cầu dây văng và việc xác định lực căng cáp luôn là một trong những yêu cầu trước tiên.
Hiện nay, trên thế giới có nhiều phương pháp kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để xác định lực căng cáp của cầu dây văng trong quá trình thi công cũng như trong quá trình sử dụng. Nhìn chung, các phương pháp này được phân ra làm hai nhóm cơ bản đó là: nhóm phương pháp xác định trực tiếp lực căng cáp và nhóm phương pháp xác định gián tiếp lực căng cáp. Trong nhóm phương pháp xác định trực tiếp, lực căng cáp được đọc trực tiếp từ các đầu do lực (load cells) đã cài đặt trước bên dưới đầu neo cáp trong suốt quá trình xây dựng. Phương pháp này có ưu điểm là lực căng cáp được xác định nhanh và tương đối chính xác so với lực căng thực ở trong cáp, tuy nhiên phương pháp này ít được sử dụng bởi vì chỉ phí cao của các đầu đo lực.
Trong một phương pháp khác, lực căng cáp được xác định trực tiếp từ thí nghiệm kéo tha (lift-off test). Phương pháp này được sử dụng rộng rãi cho một tao cáp đơn hoặc một bó cáp. Những tao cáp đơn được nêm chặt tại bệ neo cáp. Một đầu đo lực và một kích thủy lực được cài đặt gần chốt neo (Hình 1.
Sau đó tao cáp được căng với một lực kích tăng dân và độ giãn dài gia tăng của cáp sẽ được ghi nhận. Ở trạng thái ban dau, khi tao cáp ở bên ngoài chốt neo chịu được lực kích thì mối quan hệ giữa lực căng và độ giãn dài như đường AB (Hình 1. Nếu lực kích đạt tới lực kích tới hạn mà chốt neo có thé giữ được thì chốt neo sẽ bị nhac lên từ khối neo, khi đó mối quan hệ giữa lực căng và độ giãn dài như đường BC (Hình 1. Điểm giao nhau Luận văn thạc sĩ HVTH: Trần Bá Cảnh MSHV: 12214025 Trang 5 giữa hai đường AB và BC chính là lực căng trong tao cáp đơn.
Dau do lực 7: " (a) (load cell) (b) A | <— yp N | | .ò+-- c Kích thủy lực Tet `.L2@s=eQ°**/ ia + 4 Diem giao nhau=Lực căng cap. 3 —@— Trước khi chốt neo rời ra (Displacement Meter) Chôtneo | Máy đo độ giãn dài hinh ném =«»« Sau khi chôt neo rời ra >. Xác định trực tiếp lực căng cáp từ thí nghiệm kéo tha (/j/?-oƒf test) a. Cai đặt thiết bị; b.
Xác định lực căng cáp Đối với một bó cáp, lực căng cáp được xác định bởi lực căng trung bình của mỗi tao cáp đơn (xác định bang lift-off test) nhân với số lượng tao cáp đơn có trong bó cáp. Phương pháp này cho kết quả lực căng tương đối chính xác, tuy nhiên phương pháp này có chi phí cao. Hơn nữa phương pháp này không thê được lặp đi lặp lai nhiều lần cho một công trình cầu dây văng bởi vì các chốt neo dé neo cáp sẽ bị hư hại và các lớp bảo vệ chống ăn mòn đâu neo cáp bị bong ra dưới tác dụng của lực kích lớn. Trong nhóm phương pháp xác định gián tiếp lực căng cáp, thay vì đo trực tiếp lực căng, lực căng trong cáp sẽ được xác định thông qua việc đo tần số tự nhiên của cáp.
Trong phương pháp này, cáp được kích thích dao động bởi tải của môi trường xung quanh hoặc từ sức người; dao động của cáp sẽ được ghi nhận, và từ đó tần số tự nhiên của cáp được tính toán. Sau đó lực căng cáp có thể được xác định gián tiếp từ quan hệ giữa lực căng cáp và tần số tự nhiên được đo. Phương pháp xác định gián tiếp lực căng cáp có ưu điểm là thực hiện đơn giản và chỉ phí thấp hơn so với phương pháp đo trực tiếp lực căng cáp. Tuy nhiên độ chính xác của phương pháp này phụ thuộc vào độ chính xác của các thông số xác định quan hệ giữa lực căng và tân sô như sơ đô kêt câu, khôi lượng cáp, chiêu dài cáp, tân sô tự Luận văn thạc sĩ HVTH: Trần Bá Cảnh MSHV: 12214025 Trang 6 nhiên được đo ngoài hiện trường, độ chùng cáp và độ cứng chống uốn của cáp.
Mặc dù vậy, trong một hình thức để đơn giản hóa lý thuyết xác định lực căng cáp. các nhà nghiên cứu đã bỏ qua ảnh hưởng đồng thời của độ chùng cáp và độ cứng chống uốn của cáp hoặc chỉ xét riêng lẻ ảnh hưởng của từng thông số. Sự đơn giản hóa này dẫn đến sai số đáng ké trong điều kiện cáp có độ ching lớn (cáp dài) hoặc cáp có độ cứng chống uốn đáng ké (cáp ngăn). Trong luận văn này, nhằm cải thiện độ chính xác của phương pháp xác định lực căng cáp gián tiếp, tác giả sẽ xem xét ảnh hưởng đồng thời của hai thông số độ chùng cáp và độ cứng chống uốn của cáp.
Từ phương trình đặc trưng dao động tự do có kế đến ảnh hưởng đồng thời của hai thông số này của cáp, quan hệ giữa lực căng và tần số tự nhiên được xác định băng lời giải giải tích. Tuy nhiên quan hệ này rất phức tạp, do đó lời giải xấp xỉ được áp dụng để đơn giản hóa cho quan hệ này với giả thiết độ cứng chống uốn của cáp nhỏ. Từ đó lực căng cáp sẽ được xác định thông qua quan hệ đơn giản này khi biết được tần số tự nhiên được đo ngoài hiện trường. Tuy nhiên việc đo tần số tự nhiên ngoài hiện trường thường mắc phải sai số nhất định, do đó để xử lý sai số này, phương pháp bình phương tối thiểu được dé nghị.
Bên cạnh đó, xuất phát từ quan điểm thực tế răng cần phải có một công thức thực hành xác định lực căng cáp dễ dàng áp dụng trong thực tế và có độ chính xác cao, tác gia sẽ đề nghị một công thức thực hành để xác định lực căng cáp dựa vào tần số tự nhiên của cáp được đo ngoài hiện trường. Lực căng cáp được xác định theo các phương pháp đề xuất trong luận văn này sẽ được kiểm chứng độ chính xác bằng cách so kết quả với giá trị lực căng được xác định theo phương pháp khác. các phương pháp xác định lực căng cáp được dé xuất trong luận văn này sẽ được áp dụng thực tế để xác định lực căng cáp của cầu dây văng Nguyễn Văn Trỗi — Trần Thị Lý ở Việt Nam (Hình 1. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu của dé tài nghiên cứu này là: 1.
Xác định lực căng cáp từ tần số tự nhiên được do và đề nghị phương pháp xử lý sai sô trong việc đo tân sô tự nhiên ngoài hiện trường. Luận văn thạc sĩ HVTH: Trần Bá Cảnh MSHV: 12214025 Trang 7 2. Đề nghị một công thức thực hành xác định lực căng cáp dựa vào tần số tự nhiên được đo ngoài hiện trường với ảnh hưởng đồng thời của độ ching cáp và độ cứng chong uôn. Kiểm chứng tính chính xác của các phương pháp xác định lực căng cáp trong luận văn này với kết quả trong các nghiên cứu trước.
Áp dụng xác định lực căng cáp của cầu Nguyễn Van Trỗi — Trần Thị Lý ở Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu Luận văn này chỉ nghiên cứu phương pháp xác định lực căng cáp trong cầu dây văng có tỷ số giữa độ chùng cáp ở giữa nhịp so với chiều dài của nhịp là 1/8 hoặc nhỏ hơn. Giả thiết này nhăm đảm bảo đường biến dạng của cáp dưới tác dụng của trọng lượng ban thân là một đường parapol bậc hai (Irvine, 1981). Trong luận văn này, phương pháp xác định lực căng cáp gián tiép chịu ảnh hưởng của các thông sô như khôi lượng cáp trên một đơn vị chiêu dài m, chiêu dai cáp L, góc nghiêng của cáp đ độ chung cáp d, độ cứng chông uôn của cáp #7, tân sô tự nhiên của cáp ƒ và bỏ qua ảnh hưởng của các thông sô như nhiệt độ của môi trường, độ cứng và chuyên vi ở hai dau neo cáp.
Luận văn chỉ xem xét giải quyết sai sô trong việc đo tân sô tự nhiên và bỏ qua sai sô trong việc xác định khôi lượng cáp trên một đơn vi chiêu dài m và chiêu dai cáp L. Độ chính xác cua các phương pháp xác định lực căng cáp trong luận van này chỉ được kiêm chứng với kêt quả của các nghiên cứu khác. Luận văn thạc sĩ HVTH: Trần Bá Cảnh MSHV: 12214025 Trang 8 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYET VA TINH HÌNH NGHIÊN CUU VE PHƯƠNG PHÁP GIÁN TIẾP XÁC ĐỊNH LỰC CĂNG TRONG CÁP Trong chương này, cơ sở lý thuyết và tổng quan các nghiên cứu về phương pháp gián tiếp xác định lực căng cáp sẽ được trình bày.