xác định nội lực thực tế trong cáp xiên của cầu dây văng bằng phương pháp tạo xung dao động

xác định nội lực thực tế trong cáp xiên của cầu dây văng bằng phơng pháp tạo xung dao động Bộ môn Công trình GTTP Khoa Công trình Trờng Đại học Giao thông Vận tải Liên bộ môn Công trình Cơ sở 2 Trờng Đại học Giao thông Vận tải TEDI Tóm tắt: Bài viết giới thiệu kết quả ứng dụng phơng pháp tạo xung dao động để xác định nội lực trong cáp xiên của cầu dây văng trong việc thử tải cầu Kiền và cầu Bính (Hải Phòng). Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho các công trình cầu dây văng khác ở Việt Nam Summary: This paper presents field test for cable - stayed force by the Force Oscillation method and the result applied in Load Testing of Kien Bridge and Binh Bridge in Haiphong City. The research result can help designers in analysis of other cable - stayed bridges in Vietnam. I. Đặt vấn đề CT 2 Sau cầu Mỹ Thuận, các công trình dạng dây văng nhịp lớn tơng tự đợc triển khai xây dựng ngày càng nhiều ở Việt Nam. Chúng ta vừa hoàn thành 2 cây cầu hiện đại dạng này là cầu Kiền - Quốc lộ 10 (thông xe 6/2004) và cầu Bính - Hải Phòng (thông xe 7/2005 - hình 1) đồng thời đang triển khai xây dựng cầu Cần Thơ, cầu Rạch Miễu, cầu Bãi Cháy Hình 1. Tổng thể cầu Bính (Hải phòng) Do đặc điểm cấu tạo, dầm chủ trong cầu dây văng có chiều cao thấp H = (1/100 ữ 1/150).L nên nội lực phát sinh trong kết cấu nhịp chủ yếu do các dây văng chịu (chiếm 70 - 80%). Nh vậy có thể thấy rõ trạng thái làm việc của các dây văng sẽ quyết định mức độ an toàn của công trình. Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 66 www.cauduongonline.com.vn Các dây văng phải chịu 3 thành phần nội lực chính là nội lực do tĩnh tải, nội lực do căng chỉnh các dây văng để điều chỉnh nội lực trong toàn hệ và nội lực do ngoại tải. Trong bài toán thiết kế, các thành phần nội lực phát sinh trong kết cấu đều đợc tính toán, phân tích kỹ lỡng trong tất cả các giai đoạn làm việc của công trình. Tuy nhiên, các nhà chuyên môn đều biết, do nhiều nguyên nhân khác nhau nên trạng thái làm việc thực tế của các bộ phận kết cấu so với kết quả phân tích lý thuyết tơng ứng luôn tồn tại sự khác biệt ở các mức độ khác nhau. Đây chính là lý do cần phải xác định các hiệu ứng thực tế trong các bộ phận kết cấu bằng các thiết bị thực nghiệm. Đối với các cáp của cầu dây văng hiện đại ứng suất và độ dãn dài của chúng đợc kiểm soát chặt chẽ từ giai đoạn thi công nhờ hệ thống thiết bị kiểm tra (Bridger Monitoring). ở giai đoạn khai thác cũng cần đo đạc ứng suất trong cáp do hoạt tải hay tác động gió, ma Về nguyên lý ứng suất trong cáp thu đợc nhờ việc xác định độ dãn dài tơng đối thể hiện qua các thiết bị đo. Tuy vậy trên thực tế việc đo trực tiếp độ dãn dài của dây cáp là vấn đề không đơn giản và thờng khó đạt độ chính xác mong muốn. Trừ trờng hợp các dây văng đợc làm bằng các thanh thép cờng độ cao nh ở cầu dây văng Sơn La, khi thử tải cầu có thể tẩy bỏ lớp sơn bảo vệ và gắn trực tiếp lá điện trở (Datric) vào bề mặt dây văng nên thu đợc kết quả đo khá chính xác (hình 2). CT 2 Hình 2. Bố trí thiết bị đo ứng suất trong cáp của cầu dây văng cầu Sơn La Các cáp mềm dạng để trần có thể dùng biện pháp kẹp (hình 3) nhng chỉ thu đợc kết quả có độ chính xác tơng đối. Nguyên nhân là do cấu tạo bó cáp đợc tổ hợp từ nhiều sợ thép cờng độ cao, việc bố trí thiết bị đo tại một số điểm quanh mặt cắt sẽ không phản ánh đầy đủ trạng thái ứng suất của toàn bó cáp. Hình 3. Bố trí thiết bị kẹp đo ứng suất trong cáp của cầu Cẩm Lơng (Thanh Hoá) Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 67 www.cauduongonline.com.vn Một khó khăn khác là đối với các cầu dây văng hiện đại, các bó cáp dây văng đều đợc đặt trong lòng các ống vỏ nhựa bảo vệ chống ăn mòn (HDPE) nên khi thử tải, kiểm định không thể tiếp cận trực để đo trực tiếp ứng suất trong cáp thép. Giải pháp đợc áp dụng phổ biến hiện nay ở các nớc tiên tiến là sử dụng phơng pháp đo đạc gián tiếp qua tần số dao động đặc trng của các dây văng. Bài viết giới thiệu kỹ thuật mới đợc áp dụng lần đầu tiên ở Việt Nam dùng để xác định ứng suất trong cáp xiên của các cầu dây văng hiện đại đã thực hiện ở các công trình cầu Kiền và cầu Bính (Hải Phòng) mới đây. II. phơng pháp xác định nội lực trong các cáp xiên của cầu dây văng bằng phơng pháp tạo xung dao động 2.1. Nguyên lý của phơng pháp Một kết cấu hay bộ phận của kết cấu bất kỳ đều phát sinh dao động dới tác dụng của một hay nhiều tác nhân kích thích động lực. Khi tác nhân kích thích không còn, kết cấu vẫn tồn tại dao động theo quán tính tắt dần theo thời gian. Trạng thái dao động của kết cấu đồng thời với tác nhân kích thích gọi là trạng thái dao động cỡng bức. Trạng thái dao động của kết cấu sau khi lực kích thích đã triệt tiêu gọi là trạng thái dao động tự do. Trên hình 4 trình bày các trạng thái dao động của một dầm giản đơn khi có xe ôtô chạy trên dầm (dao động cỡng bức) và khi xe ôtô đã ra khỏi dầm (dao động tự do). CT 2 Hình 4. Các trạng thái dao động của kết cấu Đặc trng cơ bản của trạng thái dao động thể hiện ở tần số hay chu kỳ dao động của nó. Tần số dao động tự do phụ thuộc vào nhiều yếu tố: - Đặc điểm cấu tạo của kết cấu hay bộ phận kết cấu. - Độ cứng của kết cấu bao gồm các yếu tố về kích thớc hình học và môđun đàn hồi của vật liệu. - Khối lợng của kết cấu. - Lực cản của môi trờng dao động Các nghiên cứu mới đây cho các dạng kết cấu phức tạp và có độ nhạy cảm dao động cao cho thấy tần số dao động tự do của kết cấu còn bị chi phối bởi biên độ dao động và trạng thái ứng suất trong kết cấu hay bộ phận kết cấu. Từ các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đối với cầu dây văng đã xây dựng đợc phơng trình mô tả mối quan hệ giữa lực căng trong dây và tần số dao động tự do theo phơng vuông góc với trục dây: Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 68 www.cauduongonline.com.vn a. Khi không xét đến độ võng của dây g )fL(W4 T 2 = (1) b. Khi có xét đến độ võng của dây + Trờng hợp 17 3 = 2 2 f C 89,10875,0 g )fL(W4 T (2) + Trờng hợp 17 = 2 2 f C 2 f C 2,21 g )fL(W4 T (3) trong đó: L. EI T = (4) 4 WL EIg C = (5) T - lực căng trong cáp dây văng (kg); CT 2 f - tần số dao động tự do tơng ứng với dạng dao động thứ nhất, xác định bằng phơng pháp tạo cỡng bức dao động (Hz); W - trọng lợng đơn vị dài của cáp dây văng (kg/m); L - chiều dài cáp (cm); g - gia tốc trọng trờng (= 981 cm/s 2 ); E - môđun đàn hồi của cáp dây văng (kg/cm 2 ); I - mômen quán tính chống uốn của cáp dây văng (cm 4 ). Việc xác định lực căng trong dây văng bằng phơng pháp cỡng bức dao động theo công thức (1) đơn giản và phù hợp với việc xác định lực căng trong dây khi cha bơm vữa lấp lòng ống nhựa HDPE vì trạng thái dao động của dây lúc này gần với mô hình dây dao động. Tuy nhiên sau khi đã bơm vữa lấp lòng các ống nhựa HDPE, độ cứng chống uốn theo phơng vuông góc với trục của dây trở nên lớn hơn nhiều nhờ sự đồng nhất hoá giữa tao cáp, vỏ bọc, vữa. Trạng thái dao động ngang của dây lúc này gần với mô hình dao động của một dầm giản đơn hơn nên cần sử dụng các công thức (2) và (3). Các tham số ảnh hởng và C phản ánh các đặc trng cấu tạo của cáp dây văng. 2.2. Xác định nội lực trong cáp dây văng bằng phơng pháp bán thực nghiệm Nh vậy có thể xác định đợc lực căng thực tế (T) trong cáp dây văng bất kỳ nếu đo đợc tần số dao động uốn tự do (f) theo phơng vuông góc với trục của dây ở dạng dao động thứ nhất. Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 69 www.cauduongonline.com.vn Bằng thiết bị đo dao động hiện đại có thể xác định đợc (f) với đủ độ tin cậy. Khi thử tải hay kiểm định các cầu dây văng, lực căng hay ứng suất trong dây do hoạt tải thử đợc xác định nhờ trị số hiệu lực căng trong dây văng bất kỳ cần nghiên cứu ở trạng thái không tải và trạng thái có tải trọng thử chất trên nhịp: a. Khi không xét đến độ võng của dây () g )Lf(W4 g )Lf(W4 TTT 2 0 2 h 0h == (6) b. Khi có xét đến độ võng của dây + Trờng hợp 17 3 () == 2 0 2 0 2 h 2 h 0h f C 89,10875,0 g )Lf(W4 f C 89,10875,0 g )Lf(W4 TTT (7) + Trờng hợp 17 () == 2 0 2 0 2 h 2 h 0h f C 2 f C 2,21 g )Lf(W4 f C 2 f C 2,21 g )Lf(W4 TTT (8) 2.3. Thiết bị và trình tự thực hiện CT 2 Bộ thiết bị ghi dao động dùng để đo tần số dao động tự do của cáp dây (Cable - stayed and deck vibration measuring ) gồm đầu đo gia tốc kế, máy ghi dao động kỹ thuật số nối với máy vi tính ghi lại biểu đồ dao động của dây. Tần số thu đợc nhờ phân tích phổ dao động theo phơng pháp FFT. Để tạo ra trạng thái dao động rõ nét cho dây văng trớc thời điểm đo dùng phơng pháp kích động lực nhờ một dây kéo tạo rung ở một điểm trên dây văng cách đầu neo giữa dây và dầm 2 m. Sơ đồ bố trí thiết bị và tạo xung lực cỡng bức dây văng dao động thể hiện trên hình 6. Hình 5. Bộ thiết bị đo dao động cáp dây văng (Cable - stayed and deck vibration measuring) Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 70 www.cauduongonline.com.vn Hình 6. Sơ đồ bố trí thiết bị do tần số dao động cáp xiên Trình tự xác định nội lực (lực căng hay ứng suất) trong cáp dây văng bằng phơng pháp tạo xung dao động ứng dụng cho việc thử tải, kiểm định cầu nh sau: a. Gắn thiết bị đo dao động cáp dây văng b. Tạo xung gây dao động dây đo thử thiết bị c. Tạo xung gây dao động dây, đo xác định tần số dao động tự do của dây ở trạng thái không có tải trọng thử chất trên cầu (f 0 ). d. Xếp tải trọng thử lên cầu. CT 2 e. Tạo xung gây dao động dây, đo xác định tần số dao động tự do của dây ở trạng thái có tải trọng thử chất trên cầu (f h ). g. Xác định nội lực (lực căng hoặc ứng suất) trong dây văng do hoạt tải bằng các công thức (6), (7) hoặc (8). h. Tính toán nội lực tơng ứng bằng phân tích mô hình lý thuyết. i. Kiểm chứng độ tin cậy thu đợc bằng cách đối chứng kết quả thu đợc từ lý thuyết và thực nghiệm. III. ứng dụng phơng pháp tạo xung dao động để xác định ứng suất trong các dây văng trong thử tải cầu kiền và cầu bính (hải phòng) 3.1. Cầu Kiền - Xác định ứng suất ở trạng thái không tải của tất cả các dây văng. - Xác định ứng suất do hoạt tải thử tại các cặp dây văng S1, S4 và S18 Kết quả phân tích xác định ứng suất trong các dây văng do hoạt tải thử theo phơng pháp tạo xung dao động và phơng pháp lý thuyết đợc tổng hợp trong bảng 1a, 1b và 1c. 3.2. Cầu Bính - Xác định ứng suất ở trạng thái không tải của các dây văng S1, S2, S19 và S20. Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 71 www.cauduongonline.com.vn - Xác định ứng suất do hoạt tải thử tại các cặp dây văng S1, S2, S19 và S20. Kết quả phân tích xác định ứng suất trong các dây văng do hoạt tải thử theo phơng pháp tạo xung dao động và phơng pháp lý thuyết đợc tổng hợp trong bảng 2a, 2b và 2c. Tải trọng thử đợc xếp theo các sơ đồ thu đợc từ sự phân tích đờng ảnh hởng nội lực sao cho tạo ra nội lực bất lợi nhất cho dây văng cần nghiên cứu (hình 7). Hình 7. Chất hoạt tải thử để đo lực căng trong dây văng S1 và S2 của cầu Bính (Hải phòng) CT 2 Để kiểm chứng độ tin cậy kết quả thu đợc từ phơng pháp đợc áp dụng đã tiến hành đối chứng với kết quả tính toán lý thuyết trên cơ sở phân tích mô hình kết cấu không gian 3 chiều bằng phần mềm chuyên dụng Midas - Civil với sự mô tả gần sát thực tế cấu tạo các bộ phận của cầu Kiền và cầu Bính. Bảng 1a Kết quả xác định ứng suất trong dây văng cầu Kiền bằng phơng pháp tạo xung dao động (sử dụng công thức 1) và tính toán lý thuyết Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây văng Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) ứng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 ) Tỷ lệ lt d % S1 1.563 7393.74 1.660 8339.93 0.097 946.19 840,38 112,59% S4 1.855 5007.47 1.953 5550.54 0.098 543.07 450,63 120,51% S18 1.465 8068.78 1.563 9184.40 0.098 1115.62 985,80 113,16% Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 72 www.cauduongonline.com.vn Bảng 1b Kết quả xác định ứng suất trong dây văng cầu Kiền bằng phơng pháp tạo xung dao động (sử dụng công thức 2) và tính toán lý thuyết Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây văng Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) ứng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 ) Tỷ lệ lt d % S1 1.563 6469.52 1.660 2797.44 0.097 827.91 840,38 98,52% S4 1.855 4381.53 1.953 4856.72 0.098 475.19 450,63 105,45% S18 1.465 7060.18 1.563 8036.35 0.098 976.17 985,80 99,02% Bảng 1c Kết quả xác định ứng suất trong dây văng cầu Kiền bằng phơng pháp tạo xung dao động (sử dụng công thức 3) và tính toán lý thuyết CT 2 Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây văng Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) ứng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 ) Tỷ lệ lt d % S1 1.563 7024.05 1.660 7922.93 0.097 898.88 840,38 106,96% S4 1.855 4757.09 1.953 5273.01 0.098 515.92 450,63 114,49% S18 1.465 7665.34 1.563 8725.18 0.098 1059.84 985,80 107,51% Bảng 2a Kết quả xác định ứng suất trong dây văng cầu Bính bằng phơng pháp tạo xung dao động (sử dụng công thức 1) và tính toán lý thuyết Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây văng Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) ứng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 ) Tỷ lệ lt d % S1 0.98 4268.06 1.07 5157.63 0.097 889.57 694.41 128% S2 0.98 3951.58 1.07 4775.18 0.097 823.60 708.45 116% S19 1.03 4739.04 1.12 5688.56 0.098 949.52 645.75 147% S20 0.88 4168.86 0.98 5146.55 0.098 980.69 869.54 113% Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 73 www.cauduongonline.com.vn Bảng 2b Kết quả xác định ứng suất trong dây văng cầu Bính bằng phơng pháp tạo xung dao động (sử dụng công thức 2) và tính toán lý thuyết Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây văng Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) ứng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 ) Tỷ lệ lt d % S1 0.98 3739.52 1.07 4512.93 0.097 733.40 694.41 111.37% S2 0.98 3457.63 1.07 4178.28 0.097 720.65 708.45 101,72% S19 1.03 4028.18 1.12 4335.27 0.098 807.09 645.75 124,98% S20 0.88 3647.75 0.98 4503.23 0.098 855.48 869.54 98,38% Bảng 2c Kết quả xác định ứng suất trong dây văng cầu Bính bằng phơng pháp tạo xung dao động (sử dụng công thức 3) và tính toán lý thuyết Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây văng Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) Tần số (Hz) ứng suất (Kg/cm 2 ) ứng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 ) Tỷ lệ lt d CT 2 % S1 0.98 4054.65 1.07 4899.74 0.097 845.10 694.41 121.70% S2 0.98 3754.00 1.07 4536.42 0.097 782.42 708.45 110,44% S19 1.03 4146.66 1.12 4977.49 0.098 830.83 645.75 128,66% S20 0.88 3960.41 0.98 4889.22 0.098 928.81 869.54 106,81% Cầu Bính Hình 8. (xem chú thích trang sau) Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 74 www.cauduongonline.com.vn CT 2 Cầu Kiền Hình 8. Biểu đồ dao động dây văng của cầu Bính và cầu Kiền do hệ thống Cable - stayed and Deck Vibration Measuring ghi tại hiện trờng Tạp chí Khoa h ọ c Giao thông v ậ n tải Số 12 - 11/2005 75 www.cauduongonline.com.vn [...]... c 1 Sử dụng ph ơng pháp tạo xung dao động cùng với bộ thiết bị đo dao động cáp dây văng chuyên dụng (Cable - stayed and Deck Vibration Measuring) có thể xác định đ ợc nội lực (lực căng hay ứng suất) trong dây văng bất kỳ mà không cần gắn trực tiếp thiết bị đo vào cáp 2 Từ tần số dao động tự do của dây văng đo đ ợc có thể sử dụng công thức (1) để xác định nội lực trong cáp dây văng ở giai đoạn ch a bơm... quả thực nghiệm cho thấy với số liệu tần số dao động đo đ ợc có thể xác định đ ợc nội lực (lực căng hay ứng suất) trong dây văng với các công thức dẫn suất (1), (2) và (3) Tuy nhiên sử dụng các công thức (1) cho sai số với tính toán lý thuyết từ 13 - 47%, các công thức (2) và (3) cho các sai số từ 1,7 - 28,66% 2 Kết quả thu đ ợc từ các công thức (2) và (3) do đ ợc xây dựng trên các mô hình cáp dây văng. .. sát thực tế hơn nên có mức độ tin cậy cao hơn Tuy nhiên việc lựa chọn công thức (2) hoặc (3) phụ thuộc rất nhiều vào độ dài và đ ờng kính của dây văng thông qua các tham số và C .v n 3 Để có đ ợc kết quả đo tần số ổn định và đáng tin cậy hơn cần nghiên cứu loại bỏ các ảnh h ởng do gió và nhiệt độ bằng cách lựa chọn thích hợp thời điểm đo thử cầu om V KếT LUậN au du on go nl in e c 1 Sử dụng ph ơng pháp. .. giai đoạn ch a bơm vữa lấp lòng các ống HDPE, sử dụng công thức (2) và (3) cho giai đoạn đã bơm vữa lấp lòng các ống HDPE w w w c 3 Hệ thống thiết bị cùng ph ơng pháp nêu trên có thể áp dụng rộng rãi cho thử tải, kiểm định các công trình cầu dây văng ở Việt Nam Tài liệu tham khảo [1] Chatterjee P K., Datta T K., Surana C S Vibration of Cable - Stayed Bridges under moving vehicle SEI, Vol.4 - No 2, May,... 1991 [4] Tài liệu h ớng dẫn bảo d ỡng cầu Kiền - Dự án Quốc lộ 10: Liên danh Công ty xây dựng Sumitomo Mitsui - Tổng công ty xây dựng Thăng long - Hà nội, 2004 [5] Báo cáo kết quả thử tải cầu Kiền - Quốc lộ 10: Liên danh Viện KHCN - GTVT, Trung tâm NCTV và TNCT - Tr ờng Đại học Giao thông vận tải - Trung tâm t vấn 18 - PMU 18 - Hà nội, 2004 [6] Báo cáo kết quả thử tải cầu Bính - Hải phòng: Trung tâm NCTV... TNCT - Tr ờng Đại học Giao thông vận tải - Trung tâm t vấn 18 - PMU 18 - Hà nội, 2004 [6] Báo cáo kết quả thử tải cầu Bính - Hải phòng: Trung tâm NCTV và TNCT - Tr ờng Đại học Giao thông vận tải - Hà nội, 2004ẳ 76 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải Số 12 - 11/2005 CT 2 . tạo của cáp dây văng. 2.2. Xác định nội lực trong cáp dây văng bằng phơng pháp bán thực nghiệm Nh vậy có thể xác định đợc lực căng thực tế (T) trong cáp dây văng bất kỳ nếu đo đợc tần số dao. đo dao động cáp dây văng b. Tạo xung gây dao động dây đo thử thiết bị c. Tạo xung gây dao động dây, đo xác định tần số dao động tự do của dây ở trạng thái không có tải trọng thử chất trên cầu. phơng pháp tạo xung dao động để xác định nội lực trong cáp xiên của cầu dây văng trong việc thử tải cầu Kiền và cầu Bính (Hải Phòng). Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng cho các công trình cầu dây