Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ứng xử của cầu Phú Mỹ trong các trường hợp đứt cáp và thay cáp dây văng

- Trong hệ hai nhịp còn tồn tại nhược điểm cơ bản về phân bố dây, trong đó dây văng dài nhất, góc nghiêng nhỏ nhất ứng với độ cứng dây nhỏ nhất lại bố trí vào điểm có độ võng nhỏ của dầm

MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu ứng xử của cầu dây văng Phú Mỹ trong các trường hợp đứt cáp, thay cáp bao gồm sự ổn định, phân bố lại nội lực, ứng suất trong trụ tháp, hệ dầm chủ, sự phân phối lại lực căng trong các dây văng còn lại Kết quả thu được có thể là một tài liệu tham khảo hữu ích nhằm hiểu rõ bản chất làm việc của cầu dây văng trong trường hợp đứt cáp và thay cáp.

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của luận văn được giải quyết thông qua một số phương pháp nghiên cứu chính như sau:

- Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến kết cấu cầu dây văng

- Lựa chọn một số trường hợp nghiên cứu, xây dựng mô hình kết cấu cầu dây văng Phú Mỹ Luận văn sẽ đưa ra các trường hợp dây văng bị đứt hoàn toàn và quá trình thay thế sữa chữa dây văng Trên cơ sở phân tích kết cấu trên phần mềm Midas, sẽ giải quyết bài toán tính ứng với từng sơ đồ kết cấu Từ đó, tổng hợp, phân tích, so sánh, đánh giá các kết quả trong các trường hợp nghiên cứu, đưa ra các kết luận, kiến nghị, các hướng nghiên cứu tiếp theo

- Sử dụng các tài liệu, hình ảnh về biện pháp thi công trong thay thế dây văng của một số cầu cụ thể đã được thực hiện để đưa ra phương án thay thế dây văng của cầu Phú Mỹ.

KẾT CẤU LUẬN VĂN

Đề tài gồm các phần như sau:

- Phần mở đầu - Chương I : Tổng quan đề tài nghiên cứu - Chương II: Lý thuyết tính toán

- Chương III: Ứng xử của cầu Phú Mỹ (phần nhịp chính) trong các trường hợp đứt cáp

- Chương IV: Ứng xử của cầu Phú Mỹ (phần nhịp chính) trong các trường hợp thay cáp

- Phần phụ lục: Các tài liệu tham khảo, các phụ lục.

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CẦU DÂY VĂNG

1.1.1.1 C ầu dây văng mộ t nh ị p

Cầu dây văng một nhịp gồm hai tháp cầu được dựng trên hai mố; dầm chủ một nhịp tựa trên hai gối cứng trên mố và các gối đàn hồi khác là các điểm neo các dây văng từ đỉnh tháp Dây neo được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường

Về sơ đồ kết cấu, hệ làm việc như một dầm liên tục tựa trên các gối đàn hồi là các điểm neo dây và các gối cứng trên mố Tuy nhiên hệ có những nhược điểm sau :

- Tồn tại hai mố neo chịu lực ngang giống như trong các cầu treo dạng Parabol, mố neo là các công trình đồ sộ, tốn kém cần tránh trong cầu dây văng

- Trên các mố đỡ dầm, cần bố trí một gối cố định, một gối di động Gối cố định chịu lực ngang khi có tải trọng không đối xứng (hoạt tải), đồng thời lực ngang lại thay đổi theo vị trí của hoạt tải

- Như vậy trong cầu dây văng một nhịp mố neo chịu lực ngang, hơn nữa chiều của lực ngang trên mố lại đổi dấu, đặc biệt nguy hiểm khi chiều lực ngang hướng ra sông, cùng chiều với áp lực đất nền đường

- Dầm cứng ngoài chịu uốn còn chịu lực dọc đổi dấu (khi kéo, khi nén) tăng bất lợi cho dầm cứng

Do các nhược điểm trên nên cầu dây văng một nhịp chỉ được áp dụng vào thực tế trong điều kiện địa hình đặc biệt, cầu vượt qua thung lũng sâu, hai mố neo bố trí trên hai đỉnh núi

Hình 1.1 Sơ đồ cầu dây văng một nhịp

Cầu dây văng hai nhịp được áp dụng nhiều trong những năm 1960-1970 cho các cầu vượt qua đường, qua sông không lớn lắm Các phương án cầu hai nhịp được chọn chủ yếu do điều kiện địa hình, địa chất hoặc do yếu tố mỹ quan quyết định

Các cầu qua sông Rhin ở Dusseldorft hoặc cầu hai nhịp ở Bratislava là những ví dụ điển hình

Cầu dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi đó tháp cầu bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu, có thể bố trí dây neo vào hai mố

Hình 1.2 Sơ đồ cầu dây văng 2 nhịp a) Sơ đồ không có dây neo ; b) Sơ đồ có hai dây neo vào mố cầu c) Cầu hai nhịp có tháp cứng

Cầu dây văng hai nhịp có một số đặc điểm sau : - Nếu so với cầu dây văng ba nhịp với cùng chiều cao trụ, cùng số lượng dây văng và góc nghiêng thì hệ hai nhịp chỉ đạt được chiều dài bằng nửa hệ ba nhịp

- Do hệ đối xứng các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải nên để tránh dây chịu nén dưới tác dụng của hoạt tải trên một nhịp, các dây neo cần được căng trước với nội lực đủ để khắc phục lực nén lớn nhất có thể xảy ra Biện pháp này gây phức tạp cho công tác điều chỉnh nội lực và rất khó khống chế ứng suất mất mát trong quá trình khai thác

- Trong hệ hai nhịp còn tồn tại nhược điểm cơ bản về phân bố dây, trong đó dây văng dài nhất, góc nghiêng nhỏ nhất (ứng với độ cứng dây nhỏ nhất) lại bố trí vào điểm có độ võng nhỏ của dầm, tức là điểm dây văng gần như không chịu lực, kết quả là trong quá trình chịu tĩnh tải không thể sử dựng hết khả năng làm việc của dây, bù vào đó phải tăng tiết diện của dầm cứng do vậy không mang lại hiệu quả kinh tế Để khắc phục những nhược điểm trên thường dùng hai biện pháp : - Dùng một tháp cầu cứng ở giữa nhịp để hạn chế chuyển vị ngang của tháp

Các loại cầu này thường được áp dụng cho các cầu vượt qua đường (Hình 2.2c)

- Biện pháp thứ hai được áp dụng rộng rãi hơn là dùng hệ hai nhịp có các nhịp không bằng nhau, trong đó nhịp lớn hơn có số khoang lớn hơn Tại nhịp nhỏ bố trí dây neo vào mố Dưới tác dụng của tĩnh tải, trọng lượng bản thân của nhịp chính gây lực căng trước trong dây neo đủ khả năng khắc phục lực nén do hoạt tải khai thác đứng trên nhịp nhỏ

- Để tăng cường khả năng làm việc của dây văng dài nhất thì khoang dầm tại đó thường chọn có chiều dài lớn hơn

Như vậy trừ các trường hợp đặc biệt của các cầu qua đường, hoặc đối với các cầu vượt sông, do các đặc điểm địa chất, địa hình hoặc kiến trúc quyết định thì có thể áp dụng cầu dây văng hai nhịp Còn trong các trường hợp chung, hệ cầu dây văng hai nhịp không mang lại hiệu quả kinh tế kỹ thuật cao

1.1.1.3 C ầu dây văng ba nh ị p

Sơ đồ cầu dây văng ba nhịp có thể có hai dạng : đối xứng qua tháp cầu khi nhịp biên xấp xỉ khoảng nửa nhịp chính và dạng nhịp biên ngắn khi nhịp biên không được đỡ bằng các dây văng

Hình 1.3 Sơ đồ cầu dây văng ba nhịp có nhịp biên ngắn

Hình 1.4 Sơ đồ cầu dây văng ba nhịp có dây đối xứng qua tháp cầu

Sơ đồ cầu dây văng ba nhịp là hệ cơ bản trong cầu dây văng, nó khắc phục được các nhược điểm của cầu dây văng hai nhịp như đã đề cập, ngoài ra cầu dây văng ba nhịp dễ phù hợp với các mố trụ ở vùng có nền đất yếu và ở các sông có tính chất đối xứng Hơn nữa việc áp dụng công nghệ lắp hẫng hoặc bán hẫng không cần đà giáo giữa sông trong cầu dây văng ba nhịp cũng rất thuận lợi, phù hợp với khả năng thi công của các nhà thầu nước ta hiện nay, đồng thời cũng thuận lợi cho việc đảm bảo giao thông đường thủy trong quá trình thi công

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

Cầu dây văng là một hệ kết cấu bao gồm hệ dầm chủ, hệ tháp, hệ dây văng và một số những bộ phận khác Trong đó hệ dây văng là một trong những yếu tố đặc biệt quan trọng để duy trì sự ổn định cho cầu Do những yếu tố khách quan cũng như chủ quan mà sự đứt một hoặc nhiều hơn một cáp dây văng đều có thể dẫn đến sự sụp đổ của công trình

Trong những năm gần đây, những đề tài nghiên cứu trong nước về cầu dây văng khá phong phú, điển hình như một số đề tài dưới đây:

- Nghiên cứu tính bất đối xứng của chiều cao trụ tháp đến phân bố nội lực trong cầu treo dây văng - Nguyễn Hữu Hùng – 2007

-Nghiên cứu kiến nghị chiều dài nhịp hợp lý cho cầu dây văng, dây võng và dây văng kết hợp dây võng - Nguyễn Đức Hoàng Long

- Nghiên cứu phân tích ứng suất cục bộ tại vị trí neo cáp trên dầm của cầu dây văng - Nguyễn Văn Điệp

- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao trụ tháp đến nội lực, biến dạng cầu treo dây văng dưới tác dụng của tải trong gió - Phạm Vũ Anh Quân

- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng ba nhịp, một mặt phẳng dây - Phạm Đình Nguyên

- Nghiên cứu ảnh hưởng cách bố trí dây đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng ba nhịp hai mặt phẳng dây - Đỗ Thành Chung

- Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nhịp đến nội lực và biến dạng của cầu dây văng hai nhịp - Trương Thụy Minh Hoàng

- Nghiên cứu ảnh hưởng hình dáng trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng 3 nhịp hai mặt phẳng dây - Lê Văn Lâm

- Nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện dây văng đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng 3 nhịp 2 mặt phẳng dây - Ngô Công Dưỡng

- Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ chiều dài nhịp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu Treo dây văng ba nhịp hai mặt phẳng dây - Trương Công Minh Tân

- Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây văng hai nhịp - Vũ Đức Quang

- Nghiên cứu ứng xử của cầu treo dây văng 3 nhịp dưới tác dụng của tải trọng động đất - Nguyễn Trung Hiếu

- Phân tích ảnh hưởng trụ phụ đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu dây văng - Bùi Trương Nguyên Điểm chung của các đề tài trên là đề cập tới các quan hệ giữa các thông số hình học với nội lực, biến dạng của cầu hoặc nghiên cứu một số ứng xử tĩnh, động của cầu trong trường hợp cầu làm việc bình thường, chưa đề tài nào nghiên cứu ảnh hưởng của cầu khi dây văng bị đứt và biện pháp thay thế

Trong những hướng dẫn thiết kế của quốc tế cho cầu dây văng đã đòi hỏi sự mất mát của một dây cáp mà không dẫn đến sự sụp đổ của toàn bộ cấu trúc Tuy nhiên việc nghiên cứu này vẫn còn nhiều hạn chế chưa phản ánh được một cách toàn diện những ứng xử của kết cấu khi bị đứt cáp hay khi thay cáp Vì vậy luận văn này nhằm mục đích xem xét những ứng xử của cầu dây văng hai mặt phẳng dây, cụ thể là mô hình cầu Phú Mỹ (tại Tp Hồ Chí Minh đã được đưa vào khai thác sử dụng từ tháng 9/2009) trong các trường hợp đứt cáp, thay cáp để từ đó có được một cách nhìn toàn diện hơn trong thiết kế cũng như thi công để phòng ngừa giảm thiểu rủi do dẫn đến sụp đổ kết cấu mà gây ra thiệt hại rất lớn cả về con người lẫn tài sản.

GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Phương pháp phần tử hữu hạn được coi là phương pháp thông dụng nhất hiện nay để giải các bài toán cơ học trong môi trường liên tục nói chung và trong phân tích kết cấu công trình nói riêng MIDAS/Civil là một chương trình phân tích và thiết kế kết cấu dựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn Trong mục này sẽ trình bày những khái niệm cơ bản nhất về phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và việc ứng dụng phương pháp này trong MIDAS/Civil

2.1.1 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn

Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn: để tính toán một kết cấu với cấu tạo bất kỳ, chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ

Sự biến dạng tổng thể của kết cấu được thể hiện thông qua sự biến dạng của lưới nút hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt Tính liên tục của các cấu kiện và sự liên kết giữa các cấu kiện với nhau được thể hiện qua sự liên kết giữa các phần tử thông qua các nút Liên kết giữa kết cấu và nền được thể hiện bởi điều kiện biên của các nút hay độ tự do của nút Các tác động lên kết cấu đều được quy đổi về các nút Việc chia lưới phần tử và nút, mô tả liên kết, các điều kiện biên cần tương thích với kết cấu thực tế, nếu đảm bảo được điều này thì mô hình phần tử hữu hạn sẽ làm việc giống hay gần giống với kết cấu thực tế Việc tính toán mô hình PTHH là trước hết phân tích trạng thái làm việc tổng thể của kết cấu từ đó theo điều kiện liên kết tìm được trạng thái làm việc của từng phần tử hữu hạn

Trạng thái làm việc của từng phần tử được phụ thuộc vào quan hệ ứng suất và biến dạng của phần tử cũng là quan hệ giữa nội lực và chuyển vị nút của phần tử

Quan hệ đó biểu hiện ở độ cứng của phần tử, mà với những mẫu phần tử ta có thể xác định nhờ giải các bài toán cơ học

Trạng thái làm việc của kết cấu được thể hiện thông qua sự làm việc của các nút Các nút này liên hệ với nhau thông qua các phần tử nối giữa chúng, vì vậy từ điều kiện nối tiếp giữa các phần tử và độ cứng của từng phần tử có thể xác định được quan hệ giữa các nút Đó là quan hệ giữa chuyển vị nút và nội lực tác dụng từ phần tử lên nút Từ điều kiện cân bằng nội lực tại các nút, ta thiết lập được hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút Trong hệ phương trình biểu diễn quan hệ sẽ có những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị nút, từ đó ta có thể tìm ra những thành phần còn lại chưa biết

2.1.2 Phương trình cơ bản của phương pháp PTHH đối với vật rắn

Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn người ta đã chứng minh được sự giống nhau chủ yếu của tất cả các bài toán trong cơ học vật rắn khi thiết lập những công thức trong phạm vi của các phần tử hữu hạn Những đặc trưng của phần tử được thể hiện trong biểu thức đó là ma trận độ cứng phần tử:

[ ] K   [ ] [ ][ ] B T D B dV (2.1) và ma trận khối lượng phần tử:

[ M ]    [ N ] [ T N dV ] (2.2) Những biểu thức này sau đó đã xuất hiện trong ba lớp bài toán chính đối với vật rắn liên quan tới thực tế xây dựng, đó là:

Bài toán cân bằng tĩnh [K]{u}={F} (2.3) Bài toán trị riêng ([K]−ω 2 [M ]){u}=0 (2.4) Bài toán truyền sóng

[D] là ma trận đàn hồi của kết cấu

[B] là ma trận biểu thị mối quan hệ giữa biến dạng và chuyển vị trong kết cấu

[N] là ma trận các hàm dạng ρ là khối lượng riêng của phần tử

{u} véc tơ chuyển vị nút

{F} véc tơ ngoại lực nút ω tần số dao động riêng

Các phương trình trên là những phương trình cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn đối với vật rắn Phương trình (2.3) là phương trình tương thích có thể giải đối với lực

{F} đã biết để tìm ra chuyển vị{u}, phương trình (2.4) là phương trình dùng để tìm ra chuyển vị{u} và tần số dao động riêng ω của hệ đàn hồi, phương trình (2.5) dùng để xác định quy luật truyền sóng

Ngoài những phương trình cơ bản trên còn có các phương trình về các bài toán phi tuyến, bài toán về dao động cưỡng bức…

2.1.3 Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp PTHH

- Chia lưới phần tử hữu hạn

- Chọn hàm chuyển vị: Tính toán ma trận độ cứng phần tử (và các ma trận khác nếu có liên quan) trong hệ tọa độ địa phương

- Thiết lập ma trận độ cứng của toàn bộ kết cấu (và các ma trận khác nếu có liên quan)

-Thiết lập ma trận véctơ trong nút

-Thiết lập phương trình cân bằng

- Xử lý các điều kiện biên

-Tính toán nội lực, chuyển vị trong các phần tử.

ỨNG XỬ CẦU TREO DÂY VĂNG KHI ĐỨT CÁP

* Nguyên nhân do va ch ạ m Đây là một trong những nguyên nhân chính dẫn tới hiện tượng hư hỏng cáp và đứt cáp gây ra sụp đổ cả cây cầu Sự va chạm có thể do các phương tiện lưu thông trên cầu đâm trực tiếp vào các dây văng hoặc các phương tiện lưu thông dưới cầu như xà lan, tàu thuyền… do gió bão hay một số nguyên nhân khác mà dẫn tới đứt cáp neo đậu của tàu thuyền, lưu thông vào bên nhịp không được phép.Từ đó gây ảnh hưởng rất lớn tới dây văng cũng như các bộ phận khác của cầu Điển hình vụ tai nạn diễn ra tại Cầu Bính – Hải Phòng – Việt Nam xảy ra vào đêm 17/7/2010 do cơn bão đổ bộ vào Hải Phòng Ba chiếc tàu với trọng tải lớn đang neo đậu trên sông Cấm (TP Hải Phòng) bị gió bão giật đứt dây neo tàu, trôi dạt trên sông sau đó cùng lúc va đập mạnh đâm vào thành cầu Bính

Hình 2.1 Tai nạn tại cầu Bính – Hải Phòng

Hậu quả là làm vỡ bê tông thành cầu, dầm thép chủ bị cong vênh, lan can bị hư hỏng và đặc biệt 2 bó cáp bị hư hỏng và giảm khả năng chịu lực do đó cần phải thay thế chúng

Vụ va chạm tại cầu Ching Chau Min Jiang – Hồng Kông vào tháng 6 năm 2001 do một cơn bão đi qua khu vực này đã gây ra vụ va xà lan có trọng tải 1000T cùng cần cẩu đâm trực diện vào cầu và dây văng

Hình 2.2 Tai nạn tại cầu Ching Chau Min Jiang – Hồng Kông

Hậu quả là một số tao cáp đã bị hư hỏng làm giảm khả năng chịu lực đáng kể cho cầu mà từ đó phải thay thế những cáp này để đảm bảo an toàn cho kết cấu Rất may là cây cầu này đang xây dựng sắp hoàn thành tại thời điểm va chạm do đó các dây cáp đã được thay thế dễ dàng và trong thời gian không lâu đã được hoàn thiện

* Nguyên nhân do thi công Đây cũng là một nguyên nhân quan trọng dẫn tới việc đứt cáp Ở đây lỗi hay mắc phải đó là việc đóng nêm chưa đảm bảo kỹ thuật và an toàn đặt ra

Trong suốt quá trình thi công cũng như khai thác, các dây cáp văng luôn dao động cũng như chịu tác dụng của tải trọng di động Những tác dụng động này có thể làm cho các tao cáp bị trượt khỏi đầu neo

Những hiện tượng này thường xuyên xảy ra đối với những cầu có mặt cầu mềm Những thí nghiệm chuyên sâu đã chỉ ra rằng, nêm giữ cáp có nguy cơ bị trượt khi lực căng trong mỗi tao cáp không quá lớn so với lực giới hạn và khi có lực xung kích tác dụng

Trong suốt quá trình thi công, lực trong dây văng thay đổi với biên độ lớn: từ nhỏ nhất đến lớn nhất do quá trình di chuyển xe đúc, căng kéo các dây văng ở liền kề, vận chuyển vật liệu trên mặt cầu

Từ đó gây ra hiện tượng tuột neo, tuột cáp làm ảnh hưởng tới khả năng chịu lực của dầm, tháp, các cáp lân cận và gây mất ổn định cho toàn kết cấu

Việc thi công không đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật tại vị trí neo cáp gây ra dò rỉ nước vào thiết bị neo dẫn tới đứt cáp tại vị trí neo

Sự việc này đã diễn ra ở một số cầu như cầu Luling ở Lousiana – Mỹ Tuy cây cầu này đã được xây dựng khá lâu (năm 1983) nhưng hiện tượng bị xâm thực bởi nước mưa vào vị trí neo cáp cũng đã diễn ra từ lâu, nếu không phát hiện kịp thời và sửa chữa thì đứt cáp sẽ là điều tất yếu

Hình 2.3 Rỉ tại vị trí neo cáp cầu Luling – Mỹ

* Các nguyên nhân do thi ế t k ế

Thiết kế không đảm bảo được hết các điều kiện như về chịu lực, sức kháng mỏi đối với cáp

Một số các trường hợp đặc biệt như sự vượt tải trong tương lai, động đất, gió bão cũng là những nguyên nhân dẫn tới bị đứt cáp

*Ngoài ra còn m ộ t s ố nguyên nhân khác như : Cháy, sét đánh, sự kh ủ ng b ố …

Tóm lại, trong các bộ phận kết cấu nhịp cầu dây văng, dây văng là bộ phận dễ bị hư hỏng hơn vì nó lộ trên mặt cầu có thể bị va xe, va tàu, cháy, sét đánh… Vì vậy, trong chương này sẽ nghiên cứu ảnh hưởng do đứt cáp đến kết cấu nhịp cầu dây văng Các ứng xử của kết cấu nhịp gồm: nội lực (momen, lực dọc trục, lực căng trong dây văng) và chuyển vị, độ võng của dầm và tháp

2.2.2 Cơ sở tính toán thiết kế cầu dây văng dưới tác dụng của tải trọng đứt cáp

Theo một số yêu cầu cho việc tính toán mất cáp của cầu dây văng ( FIB 2005, PTI 2007…) để ngăn chặn sự sụp đổ của cầu, sự mất một cáp dây văng bất kỳ phải được xem xét để không dẫn tới việc phá hủy ngay lập tức toàn bộ kết cấu

Các phương pháp tính ở đây theo PTI Recommendations For Stay Cable (2007) có thể là phương pháp phân tích gần tĩnh (quasi-static) và phương pháp phân tích động (dynamic)

Phương pháp phân tích động (dynamic) cho phép mô tả một cách chính xác hơn những ứng xử của các bộ phận khi xảy ra mất cáp

Việc phân tích động cho sự mất cáp trong cầu dây văng cũng được xem xét trên mô hình kết cấu đã loại bỏ phần tử cáp bị mất, và thay thế bằng lực tương ứng trong cáp tại vị trí 2 đầu neo của cáp Trong phân tích động thời gian thực của việc cáp đứt được đưa vào trong tính toán cho cả việc xem xét phân tích tuyến tính và phi tuyến tính Do đó phải tham khảo tới sự phân tích lịch sử thời gian Phương pháp phân tích động chính xác hơn phương pháp gần tĩnh vì vốn bản thân nó đã kết hợp được cả hệ số khuếch đại động, lực quán tính, lực giảm chấn Tuy nhiên, những tài liệu hướng dẫn cho việc tiến hành phân tích động còn hạn chế và ít

Phương pháp gần tĩnh: phương pháp này đơn giản hóa vấn đề tính toán nhưng vẫn đáp ứng được những yêu cầu cần thiết cho thiết kế và đảm bảo những yếu tố an toàn theo các tiêu chuẩn

ỨNG XỬ CẦU TREO DÂY VĂNG KHI THAY CÁP BẰNG PHƯƠNG PHÁP SỬ DỤNG CÁP TẠM PHỤC VỤ THI CÔNG

2.3.1 Giới thiệu chung về phương pháp thay cáp

Trong quá trình thay cáp gây ra thay đổi về mặt kết cấu, đó là sự mất đi cáp trong một khoảng thời gian thi công nhất định Do đó dẫn tới yếu tố chịu lực của kết cấu đã bị thay đổi, ngoài ra do cáp bị tháo ra nên gây ảnh hưởng tới các cáp liền kề với nó Ảnh hưởng này có thể dẫn đến quá tải trong các cáp liền kề,từ đó gây ra hiện tựơng đứt cáp Mặt khác ta thấy trong quá trình thay cáp, cáp bị thay phải được tháo rời bằng việc cắt cáp hay tháo cáp, mà bản thân cáp bị thay thế đã tồn tại lực do tĩnh tải gây ra Lực này sẽ gây ra lực động rất lớn khi cáp bị cắt rời, do đó rất nguy hiểm trong quá trình cắt cáp cũng như không an toàn về chịu lực cho kết cấu

Trên cơ sở các yếu tố đó, để đảm bảo khả năng chịu lực của kết cấu, giao thông bị hạn chế tới mức tối thiểu và an toàn trong quá trình thi công, người ta sử dụng hệ cáp tạm để phục vụ cho quá trình thay thế cáp

Hệ cáp tạm có thể là 1 hay 2 bó hoặc nhiều hơn tùy thuộc vào điều kiện chịu lực của chúng mà quyết định Hệ cáp tạm này được lắp đặt ngay trước quá trình tháo cáp cũ, một đầu liên kết với dầm chủ tại vị trí đảm bảo về mặt chịu lực cũng như thuận tiện cho quá trình thi công, đầu còn lại thường liên kết với đỉnh của tháp.Một số cầu điển hình đã áp dụng biện pháp thay cáp bằng việc sử dụng cáp tạm:

- Cầu Luling bang Louisiana –Mỹ bắc qua sông Mississippi

Sau thời gian phục vụ tình trạng khu vực neo đã bị rỉ và rò rỉ nước vào, ống bảo vệ cáp đã bị nứt tách ra dẫn đến tình trạng xuống cấp của cáp do bị ăn mòn

Hình 2.5 Hư hỏng cầu Luling

Mặt khác do điều kiện kinh tế xã hội phát triển mà lưu lượng giao thông ngày càng tăng, cũng như sự xuất hiện nhiều xe quá tải Để đảm bảo điều kiện về mặt chịu lực cho kết cấu mà đòi hỏi việc duy tu bảo dưỡng thay thế cáp cũ bị hư hỏng là bắt buộc

Biện pháp sửa chữa thay thế cáp, neo ở đây là dùng hệ cáp tạm thay thế cho cáp bị tháo ra trong quá trình thi công Hệ cáp tạm ở đây gồm 2 bó cáp vắt qua tháp cầu thông qua hệ yên ngựa bố trí trên đỉnh tháp Cáp tạm được bố trí đối xứng qua tháp cầu để đảm bảo cho kết cấu vẫn an toàn và giao thông trên cầu không bị gián đoạn trong quá trình thi công thay thế cáp cũ

Hình 2.6 Bố trí cáp tạm phục vụ thay cáp

Cầu Panang hoàn thành vào năm 1985 tại Malaysia được thiết kế bởi công ty Malaysia Highway Authority (LLM) nối liền đảo Panang với đất liền Là một cây cầu dây văng với nhịp chính dài 225m và 2 nhịp biên dài 107.5 m Cầu gồm 6 làn đường xe chạy, mặt cắt ngang là những dầm bê tông cốt thép

Sau thời gian phục vụ, quá trình đo đạc được tiến hành cho thấy sự vượt về ứng suất cho phép trong các dây văng xảy đã ra khá lớn, phát sinh những điểm rỉ và rò rỉ nước tại các neo vì vậy phải thay thế một số dây văng để đảm bảo giao thông đi lại được an toàn

Việc thay thế cáp dây văng do công ty Freyssinet thực hiện Được tiến hành bằng biện pháp căng 2 bó cáp tạm ở mỗi bên tháp nhằm mục đích chịu lực thay cho cáp đã bị tháo ra và đảm bảo việc giao thông trên cầu không bị gián đoạn Một đầu cáp tạm được neo vào đỉnh tháp thông qua các lỗ khoan vào tháp để liên kết với tháp cầu, đầu còn lại được neo vào hệ đà giáo dàn thép được gia cố tại bản mặt cầu

Hình 2.8 Bố trí cáp tạm phục vụ thay cáp cầu Panang-Malaysia

- Để liên kết hệ cáp tạm với đỉnh tháp có thể dùng hệ yên ngựa hoặc hệ neo gia cố trên tháp tùy thuộc vào cấu tạo tháp

- Liên kết hệ cáp tạm với đỉnh tháp thông qua hệ yên ngựa

Yên ngựa là một tấm thép đúc có cấu tạo các rãnh, các dây văng vắt qua yên ngựa trong các rãnh và được liên kết cố định bằng bulong cường độ cao Tùy theo yêu cầu thiết kế, yên ngựa có thể cố định hoặc di động trên tháp cầu Để đảm bảo tính cố định của nút, ứng với mọi tổ hợp tải trọng Nút dây trên tháp thường được liên kết cố định với nhau qua hệ bản kẹp của yên ngựa bằng các bulong cường độ cao Để tránh cáp khỏi bị thương tổn dưới tác dụng của lực ép, để làm tăng ma sát trượt của bó dây và tạo độ mềm mại ở đầu ra của dây khỏi bàn kẹp, các bó dây được đệm qua các miếng đệm bằng kẽm hoặc nhôm Dưới tác dụng của lực xiết bulong, tấm đệm nhôm bị hằn vệt xoắn của cáp làm tăng ma sát Khi chịu hoạt tải và dao động, dây bị uốn, lắc do thay đổi góc xoay và do dao động gió, độ mềm của đệm nhôm làm giảm mức độ nguy hiểm tại tiết diện ngàm của dây.Yên ngựa liên kết với đỉnh tháp cầu thông qua các chốt

Hình 2.9 Bố trí yên ngựa trên đỉnh tháp cầu cầu Luling

- Liên kết hệ cáp tạm với đỉnh tháp thông qua hệ neo cố định tại đỉnh tháp cầu Để thuận tiện cho việc căng chỉnh nội lực cho cáp tạm nhằm mục đích gỡ bỏ cáp cũ hư hỏng người ta cũng có thể bố trí khối neo hay hộp neo bằng thép trên đỉnh tháp Các khối neo và hộp neo này được liên kết với đỉnh của tháp sao cho đảm bảo yêu cầu về mặt chịu lực khi cáp tạm được thay thế

Hình 2.10 Liên kết tại đỉnh tháp thông qua hộp neo

Ngoài việc bố trí những khối neo và hộp neo trên đỉnh tháp, do cấu tạo đặc trưng của một số tháp mà người ta có thể khoan tạo lỗ bên này sang bên kia tháp ở thân tháp gần đỉnh để tạo chốt nhằm mục đích neo hệ cáp tạm vào tháp cầu như ở cầu Panang-Malaysia với những mũi khoan có đường kính 365mm có chiều sâu từ 3,6 đến 4,5m ngang qua tháp

Hình 2.11 Liên kết cáp tạm với tháp cầu Panang-Malaysia

- Liên kết cáp tạm với hệ dầm và mặt cầu: người ta có thể gia cố bằng cách hàn thêm hộc neo tại các vị trí dầm ngang đối với dầm chủ thép hoặc gia cố thêm dầm ngang cũng như tận dụng đặc điểm cấu tạo tại vị trí neo cũng như hệ dầm mặt cầu mà bố trí thành bộ phận liên kết với dầm chủ để truyền tải trọng từ dầm vào dây

Hình 2.12 Bố trí neo cáp tạm vào dầm ngang cầu Luling

Cũng có thể tạo khoan qua bản mặt cầu rồi dùng các thanh cường độ cao một đầu liên kết với hệ đỡ dầm chủ và đầu kia với hệ cáp tạm ví dụ như ở cầu Panang-Malaysia

Hình 2.13 Liên kết cáp tạm với dầm chủ cầu Panang

2.3.2 Các bước cơ bản thay thế cáp

Bước 1: Thực hiện việc hạn chế làn giao thông hoặc cấm cầu (nếu cần thiết) Bước 2: Lắp đặt hệ liên kết cáp tạm với bản mặt cầu và tháp cầu sau đó tiến hành lắp đặt và căng kéo cáp tạm

Bước 3:Giải phóng từ từ ứng suất trong cáp cần thay và di chuyển cáp cũ ra

Bước 4: Lắp đặt, căng kéo cáp mới thay thế

Bước 5: Giải phóng ứng suất cho cáp tạm và tháo cáp tạm ra

Bước 6: Hoàn thiện các công tác khác và tiến hành cho xe lưu thông trở lại.

PHẦN MỀM PHỤC VỤ TÍNH TOÁN

Hiện nay trên thị trường cũng như các công ty thiết kế cầu, có rất nhiều phần mềm để tính toán cầu với những ưu nhược điểm khác nhau Trong phạm vi luận văn, tác giả chỉ nêu hai phần mềm chuyên dụng để thiết kế cầu đã từng sử dụng trong công việc thiết kế của mình và hai phần mềm này cũng đã được sử dụng nhiều trong tính toán các công trình cầu thực tế, từ đó lựa chọn phần mềm để nghiên cứu đề tài

SAP2000 là phần mềm phân tích kết cấu nổi tiếng của hãng CSI ( Computer

& Structure Inc.), Mỹ SAP là tên viết tắt của Structure Analysis Program và được Edward Wilson phát triển dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn từ những năm 1970 Cho đến nay, đã có rất nhiều phiên bản của SAP-IV, khoảng những năm 1980, các phiên bản của SAP có tên là SAP90 và các phiên bản hiện nay mang tên SAP2000 SAP được coi là một trong những chương trình mẫu mực về độ tin cậy tính toán và dễ sử dụng Các tính năng chính của SAP2000 là:

- Phân tích kết cấu với tốc độ cao, không hạn chế số nút và số phần tử

- Hỗ trợ nhiều dạng phần tử khác nhau như phần tử thanh (có mặt cắt thay đổi), tấm, vỏ, khối , phần tử chỉ chịu kéo,phần tử chỉ chịu nén

- Hỗ trợ nhiều dạng phân tích khác nhau như phân tích tĩnh, phân tích động lực học, theo các phương pháp trị riêng, phương pháp Ritz, phân tích phổ phản ứng, lịch sử thời gian, phân tích tải trọng di động với các đoàn xe theo nhiều tiêu chuẩn khác nhau

- Phân tích phi tuyến hình học, phi tuyến vật liệu và phi tuyến điều kiện biên

- Có một số Wizard hỗ trợ tạo mô hình kết cấu điển hình

- Tuy nhiên, đối với các yêu cầu đặc biệt trong phân tích kết cấu cầu, SAP2000 còn thiếu một số tính năng cơ bản như: Tính co ngót, từ biến, sự thay đổi cường độ vật liệu theo thời gian; tính toán kết cấu theo các giai đoạn thi công…

MIDAS/Civil là một hệ thống chương trình hỗ trợ phân tích và thiết kế kết cấu của MIDAS IT, Hàn Quốc Trong dòng các chương trình phân tích kết cấu hiện nay MIDAS/Civil nổi lên như là một chương trình có khả năng tính toán tốt, dễ sử dụng và yêu cầu mức đầu tư không cao Chi tiết về các tính năng của chương trình này được khái quát một số tính năng nổi bật sau:

- Khả năng phân tích cao

- Quy Mô: MIDAS/Civil có khả năng phân tích kết cấu với một số phần tử và số nút không hạn chế

- Dạng phân tích: MIDAS/Civil hỗ trợ hầu hết các dạng phân tích cần thiết trong kỹ thuật kết cấu như phân tích tĩnh, phân tích động, phân tích tuyến tính, phân tích phi biến dạng lớn, P- ∆t , phân tích thủy nhiệt, phân tích các quá trình thi công có xét đến sự thay đổi tính năng vật liệu theo thời gian, phân tích co ngót, từ biến

- Dạng phần tử: MIDAS/Civil cung cấp hầu hết các dạng phần tử đủ khả năng mô hình hóa và phân tích các bài toán kết cấu

- Tốc độ tính toán: so với nhiều chương trình khác, tốc độ tính toán của MIDAS/Civil là rất cao do chương trình này áp dụng nhiều thuật toán tính toán hiện đại như giải đa mặt trận (multi-frontal solver)

- Giao diện: MIDAS/Civil cung cấp các giao diện đồ họa tiền xử lý và hậu xử lý rất tiện dụng và rất trực quan

Qua tham khảo, xem xét một số phần mềm tính toán, tác giả nhận thấy phần mềm Midas/Civil có giao diện người dùng thân thiện, dễ sử dụng, tính chính xác cao đặc biệt là được ứng dụng cho rất nhiều công trình thực tế trên thế giới Vì vậy luận văn quyết định lựa chọn phần mềm Midas Civil phiên b ả n 2011 để tiến hành mô hình hóa và phân tích kết cấu trong các trường hợp nghiên cứu

CHƯƠNG 3 ỨNG XỬ CỦA CẦU PHÚ MỸ TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP ĐỨT CÁP

SỐ LIỆU BAN ĐẦU

- Sơ đồ nhịp dây văng của Cầu Phú Mỹ được nghiên cứu trong luận văn này gồm 3 nhịp 162,5+380+162,5 (m) với tổng chiều dài toàn nhịp chính là 705 m

- Bề rộng mặt cầu B = 27,5m trong đó cầu có 4 làn xe cơ giới, 2 làn xe hỗn hợp và 2 làn bộ hành

- Tháp cầu dạng chữ H với chiều cao toàn tháp là 134,5m phần trên mặt cầu cao 93,0m phía dưới cao 41,5m, mặt cắt ngang tháp dạng hình chữ nhật thay đổi

Mô đun đàn hồi của bê tông tháp là Eb = 1,86.10 7 kN/m 2 ; cường độ f ’ c = 50 Mpa

Hình 3.1 Bố trí cầu và mặt cắt ngang tại tháp

Hình 3.2 Sơ đồ đánh số vị trí dây, dầm và tháp

- Dầm chủ bằng bê tông cốt thép dự ứng lực mác grade 50, có mặt cắt ngang dạng chữ  gồm 2 dầm biên, các dầm ngang cách nhau 5m và bản mặt cầu thi công theo phương pháp đúc hẫng Dầm biên cao 2,0m, rộng 1,5m-1,7m, bản mặt cầu dày 0,25m

- Cầu có 2 mặt phẳng dây đối xứng qua tháp cầu Toàn cầu có 144 dây văng được bố trí đối xứng qua tháp cầu theo sơ đồ hình rẻ quạt Các tao cáp thuộc kiểu Freyssinet 7 sợi, đường kính danh định 15,2mm.

ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN

- Sử dụng phần mềm Midas Civil 2011 mô hình 3D cho kết cấu cầu Tháp, dầm đỡ tại tháp, dầm chủ, dầm ngang được mô hình bằng những phần tử dầm Gối cố định được bố trí trên một trụ nhịp biên, các gối di động bố trí tại các tháp và trụ nhịp biên còn lại

- Các phần tử cáp ở đây được mô hình là những phần tử dàn chịu kéo (không chịu nén) với tải trọng bản thân của chúng Cáp một đầu được liên kết trực tiếp vào tháp cầu thông qua hệ thống neo vào tháp, đầu còn lại liên kết với dầm chủ thông qua hệ thống neo liên kết

- Tải trọng thiết kế là HL93, tải trọng người đi bộ 3KN/m 2

Hình 3.3 Mô hình tính toán 3D

- Tính toán theo phương pháp phân tích gần tĩnh (quasi-static) của PTI Recommendations For Stay Cable (2007) với hệ số khuếch đại động (Dynamic amplication factor) DAF = 2

Hình 3.4 Mô hình hóa tính toán đứt cáp

Việc nghiên cứu ứng xử của kết cấu được tiến hành như sau:

- Xem xét kết cấu trong trường hợp chưa đứt cáp (sơ đồ cầu hoàn chỉnh) + Xếp toàn bộ hoạt tải trên các làn xe thiết kế

+ Tổ hợp tải trọng sử dụng để nghiên cứu trong trường hợp này là :

1.2DC + 1.35DW + 0.75(LL ** + IM) Trong đó :

DC: Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu DW: Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng

LL ** : Hoạt tải xe (** Toàn bộ hoạt tải đặt vào làn thiết kế) IM: Lực xung kích cho hoạt tải

- Xem xét kết cấu trong trường hợp đứt cáp +Trên sơ đồ cầu dây văng đã loại bỏ đi cáp đứt và thay thế lực trong cáp đó bằng 2 lần lực tĩnh ở hai đầu neo cáp (trong trường hợp chưa đứt cáp)

+Xếp toàn bộ hoạt tải trên các làn xe thiết kế

+Tổ hợp tải trọng sử dụng là tổ hợp tải trọng đặc biệt trong trường hợp mất một cáp:

1.2DC + 1.35DW + 0.75(LL** + IM) + 1.1 CLDF Trong đó :

CLDF : Lực xung kích do đứt cáp Với lưu ý CLDF được tính bằng 2 lần lực tĩnh trong cáp trước khi bị đứt (2St: St - lực tĩnh trong dây và tác dụng lên cả hai đầu neo theo hướng ngược với lực căng trong cáp)

- Kết quả tính toán bao gồm : + Biểu đồ momen của dầm và tháp;

+ Biểu đồ lực dọc trục của dầm và tháp;

+ Biểu đồ lực cắt của dầm và tháp;

+ Biểu đồ lực căng trong các dây văng;

+ Biểu đồ độ võng của dầm chủ;

+ Biểu đồ chuyển vị ngang của tháp

Trong luận văn này do thời gian có hạn nên việc nghiên cứu xem xét ở đây được thực hiện theo phương pháp gần tĩnh Các hiệu ứng độ cong của cáp, ảnh hưởng của bộ phận giảm chấn không được xem xét nghiên cứu trong luận văn này Để giảm khối lượng tính toán (do thời gian có hạn) trong luận văn chỉ xem xét các cáp một cách sole nhau và các cáp nằm trong cùng một mặt phẳng dây (mặt phẳng cáp 1), trên cơ sở đó rút ra kết luận Cụ thể: nhóm I gồm các cáp nhịp giữa: cáp 71, 67, 63, 59, 55, 51, 47, 43, 39, 37; nhóm II gồm các cáp nhịp biên: cáp 1, 5, 9, 13, 17, 21, 25, 29, 33, 35 (xem hình 3.2).

ỨNG XỬ CỦA C ẦU PHÚ MỸ TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP THAY CÁP

ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN

- Tính toán theo mô hình 3D theo phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm MIDAS Civil 2011

- Tính toán dựa trên tiêu chuẩn 22TCVN 272-05, PTI Recommendations For Stay Cable2007

- Cáp tạm được liên kết với đỉnh tháp thông qua hộp neo bằng thép được đặt trên đỉnh tháp (như Hình 2.10)

- Đối với liên kết của cáp tạm và bản mặt cầu: Tiến hành khoan qua bản mặt cầu rồi dùng các thanh cường độ cao một đầu liên kết với hệ đỡ dầm chủ và đầu kia với hệ cáp tạm (như Hình 2.13) Vị trí liên kết cáp tạm cách vị trí cáp thay thế 2m

- Tải trọng sử dụng trong tính toán cho xe tải là HL93, tải trọng người đi bộ 3KN/m 2

Hình 4.1 Mô hình hóa tính toán thay cáp

Việc nghiên cứu ứng xử của kết cấu được tiến hành như sau:

- Cấm giao thông đi lại trên 4 làn đường (3 làn xe + 1 làn người đi) phía thay cáp để phục vụ thi công Hoạt tải xe và người đi xếp trên toàn cầu

- Trong trường hợp chưa thay cáp :

+ Tổ hợp tải trọng trong trường hợp này là:

1.2DC + 1.4DW + 1.5(LL * + IM) Trong đó :

DC: Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu DW: Tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng

LL * : Hoạt tải (* Cấm ít nhất 1 làn xe ở làn đường thay cáp) IM : Lực xung kích cho hoạt tải

- Trong trường hợp thay cáp : + Tổ hợp tải trọng sử dụng cho trường này là tổ hợp tải trọng đặc biệt trong trường hợp thay cáp

1.2DC + 1.4DW + 1.5(LL * + IM) + Cable Exchange Forces Cable Exchange Forces: Lực thay cáp

KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN

Tương tự như trong phần Đứt cáp đã trình bày ở Chương 3, luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của việc thay cáp dẫn đến nội lực và biến dạng trong dầm chủ 1, trụ tháp 1 và 3, dây văng nằm trong mặt phẳng cáp 1;các biểu đồ ứng xử kết cấu khi bị mất cáp được thể hiện từ hình 4.2 đến hình 4.33.Đối với nội lực, biến dạng của các kết cấu trong mặt phẳng cáp 2 được thể hiện trong phần Phục lục 2

* Bi ểu đồ ứ ng x ử k ế t c ấ u khi thay th ế cáp nh ị p gi ữ a (nhóm I):

Hình 4.2 Biểu đồ momen lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.3 Biểu đồ lực dọc lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Biểu đồ Momen dầm 1_Max (KN.m)

Thay cáp 71 Thay cáp 67 Thay cáp 63 Thay cáp 59 Thay cáp 55 Thay cáp 51 Thay cáp 47 Thay cáp 43 Thay cáp 39 Thay cáp 37 Chưa thay cáp

Biểu đồ lực dọc trục dầm 1_Max (KN)

Hình 4.4 Biểu đồ lực cắt lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.5 Biểu đồ độ võng lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Biểu đồ độ võng dầm 1_Max (m)

Hình 4.6 Biểu đồ nội lực lớn nhất của dây văng trong mặt phẳng cáp 1 khi đứt cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.7 Biểu đồ momen lớn nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Biểu đồ Momen tháp 1_Max (KNm)

Thay cáp 71 Thay cáp 67 Thay cáp 63 Thay cáp 59 Thay cáp 55 Thay cáp 51

Thay cáp 47 Thay cáp 43 Thay cáp 39 Thay cáp 37 Chưa thay cáp

Hình 4.8 Biểu đồ lực cắt lớn nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi đứt cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.9 Biểu đồ chuyển vị ngang lớn nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

C hâ n th áp D n ga ng d ướ i D n ga ng tr ên 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 63 7- 65 5- 67 3- 69 1- 71 Đ ỉn h th áp

Biểu đồ chuyển vị ngang tháp 1_Max (m)

C hâ n th áp D n ga ng d ư ới D n ga ng tr ên 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 63 7- 65 5- 67 3- 69 1- 71 Đ ỉn h th áp

C hâ n th áp D n ga ng d ư ới D n ga ng tr ên 10 7- 10 9 10 5- 11 1 10 3- 11 3 10 1- 11 5 99 -1 1 7 97 -1 1 9 95 -1 2 1 93 -1 2 3 91 -1 2 5 89 -1 2 7 87 -1 2 9 85 -1 3 1 83 -1 3 3 81 -1 3 5 79 -1 3 7 77 -1 3 9 75 -1 4 1 73 -1 4 3

Biểu đồ Lực cắt Tháp 3_Max (KN)

C hâ n th áp D n ga ng d ướ i D n ga ng tr ên 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 63 7- 65 5- 67 3- 69 1- 71

Thay cáp 71 Thay cáp 67 Thay cáp 63 Thay cáp 59Thay cáp 55 Thay cáp 51 Thay cáp 47 Thay cáp 43Thay cáp 39 Thay cáp 37 Chưa thay cáp

Hình 4.10 Biểu đồ momen nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.11 Biểu đồlực dọc nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Biểu đồ Momen dầm 1_Min (KN.m)

Biểu đồ lực dọc trục dầm 1_Min (KN)

Hình 4.12 Biểu đồ lực cắt nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.13 Biểu đồ độ võng nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Biểu đồ độ võng dầm 1_Min (m)

Thay cáp 71 Thay cáp 67 Thay cáp 63 Thay cáp 59 Thay cáp 55 Thay cáp 51 Thay cáp 47 Thay cáp 43 Thay cáp 39 Thay cáp 37 Chưa thay cáp -20000

Biểu đồ Lực cắt dầm 1_Min (KN)

Hình 4.14 Biểu đồ nội lựcnhỏ nhất của dây văng trong mặt phẳng cáp 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.15 Biểu đồ momen nhỏ nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

C h â n th áp D n g an g d ư ới D n g an g tr ên 3 5- 3 7 3 3- 3 9 3 1- 4 1 2 9- 4 3 2 7- 4 5 2 5- 4 7 2 3- 4 9 2 1- 5 1 1 9- 5 3 1 7- 5 5 1 5- 5 7 1 3- 5 9 1 1- 6 1 9 -6 3 7 -6 5 5 -6 7 3 -6 9 1 -7 1

Biểu đồ Momen tháp 1_Min (KNm)

C h ân th áp D n g a ng d ư ớ i D n ga ng trê n 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 63 7- 65 5- 67 3- 69 1- 71

Biểu đồ lực căng trong cáp_Min (KN)

Thay cáp 71 Thay cáp 67 Thay cáp 63 Thay cáp 59 Thay cáp 55 Thay cáp 51

Thay cáp 47 Thay cáp 43 Thay cáp 39 Thay cáp 37 Chưa thay cáp

Hình 4.16 Biểu đồ lực cắt nhỏ nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Hình 4.17 Biểu đồ chuyển vị ngang nhỏ nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp giữa

Biểu đồ chuyển vị ngang tháp 1_Min (m)

Biểu đồ chuyển vị ngang tháp 3_Min(m)

C hâ n thá p D ng ang d ư ớ i D n g an g tr ên 3 5- 37 3 3- 39 3 1- 41 2 9- 43 2 7- 45 2 5- 47 2 3- 49 2 1- 51 1 9- 53 1 7- 55 1 5- 57 1 3- 59 1 1- 61 9 -6 3 7 -6 5 5 -6 7 3 -6 9 1 -7 1

Biểu đồ Lực cắt Tháp 1_Min (KN)

C hâ n th áp D n g an g dư ới D n g an g tr ên 10 7- 10 9 10 5- 11 1 10 3- 11 3 10 1- 11 5 99 -1 17 97 -1 19 95 -1 21 93 -1 23 91 -1 25 89 -1 27 87 -1 29 85 -1 31 83 -1 33 81 -1 35 79 -1 37 77 -1 39 75 -1 41 73 -1 43

* Bi ểu đồ ứ ng x ử k ế t c ấ u khi thay th ế cáp nh ị p biên (nhóm II):

Hình 4.18 Biểu đồ momen lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.19 Biểu đồ lực dọc lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Biểu đồ Momen dầm 1_Max(KN.m)

Biểu đồ lực dọc trục dầm 1_Max (KN)

Hình 4.20 Biểu đồ lực cắt lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.21 Biểu đồ độ võng lớn nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Biểu đồ độ võng dầm 1_Max (m)

Biểu đồ Lực cắt dầm 1_Max (KN)

Hình 4.22 Biểu đồ nội lực lớn nhất của dây văng trong mặt phẳng cáp 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.23 Biểu đồ momen lớn nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

C hâ n th áp D n ga ng d ư ới D ng ang tr ên 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9 -6 3 7 -6 5 5 -6 7 3 -6 9 1 -7 1

C hâ n th áp D n g an g d ư ới D n ga ng t rê n 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 63 7- 65 5- 67 3- 69 1- 71

Biểu đồ lực căng trong cáp_Max (KN)

Thay cáp 1 Thay cáp 5 Thay cáp 9 Thay cáp 13 Thay cáp 17 Thay cáp 21Thay cáp 25 Thay cáp 29 Thay cáp 33 Thay cáp 35 Chưa thay cáp

Hình 4.24 Biểu đồ lực cắt lớn nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.25 Biểu đồ chuyển vị ngang lớn nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

C hâ n th áp D n ga ng d ư ớ i D n ga ng t rê n 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 6 3 7- 6 5 5- 6 7 3- 6 9 1- 7 1

C hâ n th áp D n ga ng d ư ớ i D n g an g tr ên 10 7- 10 9 10 5- 11 1 10 3- 11 3 10 1- 11 5 9 9- 1 17 9 7- 1 19 9 5- 1 21 9 3- 1 23 9 1- 1 25 8 9- 1 27 8 7- 1 29 8 5- 1 31 8 3- 1 33 8 1- 1 35 7 9- 1 37 7 7- 1 39 7 5- 1 41 7 3- 1 43

Hình 4.26 Biểu đồ momen nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.27 Biểu đồlực dọc nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Biểu đồ Momen dầm 1_Min (KN.m)

Biểu đồ lực dọc trục dầm 1_Min (KN)

Hình 4.28 Biểu đồ lực cắt nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.29 Biểu đồ độ võng nhỏ nhất trong dầm 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Biểu đồ độ võng dầm 1_Min (m)

Biểu đồ Lực cắt dầm 1_Min (KN)

Hình 4.30 Biểu đồ nội lựcnhỏ nhất của dây văng trong mặt phẳng cáp 1 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.31 Biểu đồ momen nhỏ nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

C hâ n th áp D n g a ng d ư ới D n g an g tr ên 3 5- 37 3 3- 39 3 1- 41 2 9- 43 2 7- 45 2 5- 47 2 3- 49 2 1- 51 1 9- 53 1 7- 55 1 5- 57 1 3- 59 1 1- 61 9 -6 3 7 -6 5 5 -6 7 3 -6 9 1 -7 1

Ch â n th á p D n g an g dư ới D n ga ng t rê n 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9 -6 3 7 -6 5 5 -6 7 3 -6 9 1 -7 1

Biểu đồ lực căng trong cáp_Min (KN)

Thay cáp 1 Thay cáp 5 Thay cáp 9 Thay cáp 13 Thay cáp 17Thay cáp 21 Thay cáp 25 Thay cáp 29 Thay cáp 33 Chưa thay cáp

Hình 4.32 Biểu đồ lực cắt nhỏ nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

Hình 4.33 Biểu đồ chuyển vị ngang nhỏ nhất trong tháp 1 và tháp 3 khi thay cáp nhóm cáp nhịp biên

C h ân th á p D n ga ng d ư ới D n ga ng t rê n 35 -3 7 33 -3 9 31 -4 1 29 -4 3 27 -4 5 25 -4 7 23 -4 9 21 -5 1 19 -5 3 17 -5 5 15 -5 7 13 -5 9 11 -6 1 9- 63 7- 65 5- 67 3- 69 1- 71

C hâ n th áp D n g an g dư ới D n g an g tr ên 10 7- 10 9 10 5- 11 1 10 3- 11 3 10 1- 11 5 99 -1 17 97 -1 19 95 -1 21 93 -1 23 91 -1 25 89 -1 27 87 -1 29 85 -1 31 83 -1 33 81 -1 35 79 -1 37 77 -1 39 75 -1 41 73 -1 43

- Qua việc nghiên cứu xem xét ứng xử của kết cấu trong trường hợp thay cáp ta nhận thấy rằng việc thay thế bất kỳ một cáp nào cũng đều tác động đến kết cấu cũng như gây ảnh hưởng tới các cáp liền kề Nhưng ảnh hưởng này dường như rất ít đối với vùng tháp liền kề với nó (vùng tháp 3) và với làn phía bên (tháp 2 và tháp 4) về mặt nội lực cũng như biến dạng đối với dầm, dây văng và với tháp

- Quá trình thay cáp bằng việc sử dụng hệ cáp tạm luôn gây ra độ vồng nhất định cho dầm chủ vì mục đích là làm giảm hoặc triệt tiêu lực trong cáp bị thay trước khi tháo cáp ra

Vì vậy cần phải kiểm soát chặt độ vồng của dầm khi tiến hành căng cáp tạm để tránh gây ra nứt bản mặt cầu Trên cơ sở độ vồng cho phép ta tiến hành căng kéo cáp tạm Trong một vài trường hợp vì lực trong cáp bị thay là rất lớn, cáp tạm không thể khử hết được lực trong cáp này cần có bộ giảm tải cho cáp bị thay thế

Thông qua bộ giảm tải này đưa lực trong khu vực cắt cáp về 0 rồi tiến hành cắt cáp

Sau đó dùng bộ phận giảm tải này đưa dần lực trong hệ giảm tải về 0 rồi mới tiến hành tháo cáp, điều này tạo ra sự an toàn trong quá trình tháo, cắt cáp

- Trong quá trình căng cáp tạm sẽ làm cho lực trong cáp liền kề sẽ bị giảm thậm trí bằng 0 vì vậy cần phải tính toán sao cho trong trường hợp bất lợi nhất thì lực trong dây văng luôn lớn hơn 0 (tức là dây văng luôn chịu kéo)

Chưa đứt cáp 0.034 Thay cáp 21 0.175 Thay cáp 51 0.181

Biểu đồ độ vồng của dầm lớn nhất (m)

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1 Kết luận và kiến nghị

Với ưu điểm vượt trội của cầu dây văng là sử dụng cáp cường độ cao, số lượng trụ ít, tránh được móng sâu, mố không chịu lực ngang, trọng lượng bản thân của kết cấu nhịp nhỏ nhưng vượt được nhịp lớn nên kết cấu cầu dây văng ngày càng được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới cũng như ở Việt Nam

Luận văn đã tìm hiểu về các cầu dây văng đã xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam, nghiên cứu các đặc điểm cấu tạo của cầu dây văng như: dầm chủ, tháp cầu, cáp văng và hệ neo Tuy nhiên, do đặc điểm cấu tạo của loại cầu này có hệ dây văng lộ ra bên ngoài, do đó nó chịu những tác động đặc biệt khác nhau mà dẫn tới bị hư hỏng, đứt cáp dây văng từ đó yêu cầu cần phải bảo dưỡng thay thế chúng

Trên cơ sở những yêu cầu cấp thiết đặt ra, luận văn đã nghiên cứu một cách chi tiết rõ ràng hơn về ứng xử của cầu Phú Mỹ trong trường hợp đứt cáp và thay cáp trên cơ sở phương pháp gần tĩnh và từ đó đưa ra các nhận xét sơ bộ sau :

- Khi sự cố đứt cáp xảy ra, tình trạng cầu sẽ rất nguy hiểm, có thể dẫn tới sụp đổ bộ phận hay toàn bộ cầu Sự cố này là đặc biệt nguy hiểm nếu cáp ngoài cùng của nhịp biên (cáp neo) bị đứt Nó gây nên hiện tượng quá tải cho cáp liền kề với nó làm cho lực trong cáp này có thể tăng lên tới 96% Điều này đồng nghĩa với việc nếu không tính toán trong thiết kế thì sẽ xảy ra hiện tượng đứt cả cáp liền kề, đồng thời độ võng tại giữa nhịp của nhịp giữa cũng tăng lên đáng kể Không những vậy còn xảy ra hiện tượng tăng độ vồng của dầm chủ khi xảy ra đứt cáp của nhóm cáp nhịp biên dẫn tới nứt bản mặt cầu

Do đó cần phải kiểm soát được trạng thái đặc biệt này để đảm bảo an toàn cho cầu trong quá trình sử dụng nếu gặp sự cố đứt cáp

- Quá trình khắc phục khi gặp sự cố về cáp dây văng thông qua việc thay cáp cũng cho thấy rằng cần phải kiểm soát được độ vồng và lực căng trong các cáp để tránh gây ra hiện tượng nứt bản mặt cầu

Qua những nghiên cứu trên ta thấy rằng để giảm bớt nguy hiểm cho các dây văng trong trường hợp đứt cáp, cần phải tăng cường độ an toàn cho dây, đặc biệt là dây neo và dây liền kề với nó

Về neo cáp: theo yêu cầu cơ bản của neo, neo có khả năng chịu lực và chịu mỏi tương đương với dây và có thể truyền toàn bộ lực trong dây vào dầm, tức là độ an toàn của neo và của cáp là như nhau Tuy nhiên để chịu được những sự cố đặc biệt như đứt cáp cần phải tăng cường độ an toàn cho neo để sao cho đứt cáp mà neo không bị phá hoại, đồng thời neo của cáp liền kề với cáp bị đứt phải đảm bảo không bị tuột dây hay bị phá hoại trong trường hợp này

Trong quá trình thay cáp, để an toàn nên bố trí bộ phận giảm tải cho cáp bị thay thế Điều này cho phép giảm được độ vồng của dầm đồng thời tạo ra sự an toàn trong quá trình tháo, cắt cáp