CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG
2.2. ỨNG XỬ CẦU TREO DÂY VĂNG KHI ĐỨT CÁP
* Nguyên nhân do va chạm
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 thiết kế
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 một số nguyên nhân khác như : Cháy, sét đánh, sự khủng bố ….
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.
Phương pháp này được thực hiện trên mô hình cầu dây văng đứt cáp bằng cách loại bỏ phần tử cáp bị đứt và tại 2 đầu neo của cáp đứt được thay thế bằng lực tĩnh trong cáp trước khi đứt. Lực này có chiều ngược với chiều lực căng trong dây cáp. Để mô hình này giống với những ứng xử thực tế, lực tĩnh tác dụng tại 2 đầu neo đó độ lớn được tăng thêm một hệ số gọi là hệ số khuếch đại động-Dynamic amplication factor DAF (theo PTI Recommendations For Stay Cable (2007) (mục 5.5)) và hệ số này để lấy an toàn cho phép sử dụng là 2 (DAF = 2).