CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CẦU DÂY VĂNG
1.1.5. Neo và các liên kết
Việc lựa chọn cáp cho cầu dây văng cần dựa vào lực kéo đứt, khả năng chịu mỏi cũng như các yêu cầu về cấu tạo, lắp đặt thi công và yêu cầu về kinh tế, ưu tiên sử dụng vật liệu có sẵn. Như vậy có rất nhiều loại cáp dùng làm dây văng nhưng chủ yếu vẫn là thép cường độ cao. Với sự phát triển công nghệ cầu dây văng, ban đầu cáp dây văng là các tao cáp lớn hoặc cấu tạo bởi một hệ thống các tao tương đối lớn hay cấu tạo bởi các cuộn cáp vỏ cài được mạ nhúng hoặc sơn bảo vệ với những nhược điểm lớn liên quan đến chi phí và khả năng chống ăn mòn kém. Trong những năm 70, một công nghệ mới được phát triển, sử dụng các sợi (thông thường có đường kính 7mm) hoặc các tao (đường kính 15mm) song song, được bơm vữa xi măng xen kẽ, bọc trong lớp vỏ bằng Polyethylen mật độ cao (HDPE). Tuy nhiên hiện nay có hai hệ thống hiện đại cạnh tranh trực tiếp với nhau.
Hệ thống thứ nhất đưa ra đầu tiên bởi công ty Freyssinet từ cuối những năm 1980, theo đó các dây văng chế tạo từ các tao song song được bảo vệ độc lập: tao 7 sợi, tất cả các sợi được mạ kẽm nhúng nóng và được kéo trước, với lớp vỏ bọc ngoài bằng HDPE. Các tao 15mm bọc bởi một ống nhựa bao ngoài, chủ yếu vì các lý do liên quan đến khí động học. Giải pháp này gọi là “Hệ thống tao song song”
(Parallel Strand System-PSS).
Hệ thống thứ hai là “Hệ thống sợi song song” (Parallel Wire System – PWS), dây văng được cấu tạo từ các sợi mạ kẽm song song (các sợi có thể được xoắn nhẹ để giữ ổn định), được bảo vệ bởi một lớp HDPE dày bao ngoài.
Hình 1.24. Tao cáp và cáp dây văng
1.1.5.2. Cấu tạo neo
Trong cầu dây văng, làm việc chịu kéo như các gối tựa đàn hồi chịu toàn bộ phản lực thẳng đứng do tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên công trình, đồng thời dây lại dễ bị mỏi, do đó nếu dây có sự cố sẽ nguy hại cho toàn cầu, đặc biệt đối với các cầu dây ít, khoang lớn. Dây cáp thường được chế tạo trong nhà máy với công nghệ cao nên có chất lượng và độ tin cậy tốt, trong khi hệ neo cố định có thể phải chế tạo tại hiện trường nên độ chính xác và tin cậy kém hơn, do đó neo cũng cần được đặc biệt quan tâm đến chất lượng, độ tin cậy, biện pháp chống ăn mòn và chống rung.
- Yêu cầu cơ bản của kết cấu neo như sau:Có khả năng chịu lực và chịu mỏi tương đương với dây và có thể truyền toàn bộ lực trong dây và dầm; có khả năng căng chỉnh, thay đổi chiều dài trong thi công và có thể vi chỉnh hoặc thả chùng khi cần thiết trong quá trình khai thác; bố trí đủ không gian để thi công đơn giản, dễ kiểm tra, sửa chữa; chống gỉ tốt.
- Kết cấu neo thường gồm hai bộ phận:
+ Bộ phận thứ nhất nhằm liên kết bó dây với khối neo, gọi là “neo”. Bộ phận này có tầm quan trọng đặc biệt vì việc liên kết một bó dây cường độ cao với khối neo này sinh nhiều vấn đề phức tạp về khả năng chịu lực cũng như công nghệ chế tạo.
+ Bộ phận thứ hai nhằm liên kết khối neo với công trình như dầm hoặc tháp cầu để chịu lực và có thể thay đổi chiều dài dây và nội lực trong hệ, gọi là “đầu neo”. Bộ phận này có kết cấu đơn giản hơn vì là bộ phận liên kết giữa các khối vật liệu có kích thước và hình dáng tùy chọn, tuy nhiên cần có cấu tạo thích hợp để có khả năng thay đổi chiều dài trong quá trình điều chỉnh nội lực.
- Cấu tạo đầu neo:
Đầu neo có cấu tạo, hình dáng, kích thước phụ thuộc vào kích thước dây văng và phương pháp căng kéo. Đầu neo cần được thiết kế, chế tạo đủ khả năng chịu lực kéo của dây mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu đầu neo. Tùy theo khả năng chịu lực, có thể phân biệt hai loại đầu neo, đầu neo cố định và đầu neo di động. Đầu neo cố định không có khả năng thay đổi chiều dài sau khi lắp đặt.
Đầu neo di động có khả năng thay đổi chiều dài dây, tạo điều kiện căng chỉnh trong quá trình thi công cũng như khai thác.
Đầu neo cố định có thể trực tiếp tựa lên dầm chủ hoặc tháp cầu qua các lỗ rỗng hoặc qua mấu neo dạng vành khuyên. Đầu neo di động thường được thiết kế trên nguyên tắc các thanh ren răng dạng bulong hoặc tăng đơ, tạo điều kiện thay đổi chiều dài dây. Cũng có trường hợp neo được kích điều chỉnh chiều dài và chêm chèn bằng các bản thép để cố định chiều dài dây.
Hình 1.25. Các dạng liên kết đầu neo
Bó dây có các sợi song song được dùng nhiều trong kết cấu bê tông ứng suất trước và cũng được áp dụng cho cầu dây văng. Ưu điểm cơ bản của bó sợi song song là khả năng chịu lực và modun đàn hồi chịu kéo lớn hơn nên nhiều nước, nhiều chuyên gia nghiên cứu chế tạo các loại neo thích hợp nhằm áp dụng tốt nhất loại bó dây này.
- Neo các bó dây gồm các tao đơn đặt song song:
Bộ phận quan trọng có ý nghĩa quyết định chất lượng của cầu dây văng chính là các dây và hệ neo cáp. Sự phát triển của cầu gắn liền với sự phát triển cầu dây và neo. Vào thời kỳ đầu hầu hết các cầu đều dùng khoang lớn, dẫn tới kích thước dây văng và hệ neo lớn, bó lớn dây dài, neo lớn làm cho công tác chế tạo neo đúc phức tạp, việc lắp đặt dây khó khăn. Ngoài ra các bó dây và neo được chế tạo trước nên có kích thước cồng kềnh, trọng lượng và chiều dài đều lớn, việc vận chuyển, chuyên chở, lắp đặt và căng chỉnh rất khó khăn.
Hệ neo cáp dựa trên nguyên lý neo kẹp 3 mảnh giống như hệ neo đã dùng trong cầu bê tông cốt thép ứng suất trước. Neo gồm một khối thép hình trụ có khoan các lỗ hình côn để luồn các tao thép và được kẹp cố định bằng ba mảnh nêm thép hình côn, số lỗ trong một neo đúng bằng số tao trong bó. Bên ngoài hộp neo được
ren răng để bắt ecu neo theo nguyên tắc xiết bu lông. Hiện nay hầu hết các cầu dây văng ở nước ta đều dùng loại neo này.
1.1.5.3. Liên kết dây văng với dầm chủ
Việc liên kết dây văng với dầm chủ cần phải thỏa mãn các điều kiện sau:
Điều kiện chịu lực tức thời và lâu dài; không gây các nội lực thứ cấp trong khai thác; dễ thi công, dễ thay đổi chiều dài dây để có thể điều chỉnh nội lực trong quá trình thi công cũng như trong khai thác; dễ kiểm tra, dễ sửa chữa và thay thế trong trường hợp cần thiết.
Liên kết dây văng vào dầm chủ được thực hiện thông qua các neo cố định hoặc neo động. Neo cố định là neo không có khả năng điều chỉnh chiều dài dây sau khi lắp đặt. Neo động là neo có khả năng thay đổi chiều dài dây để điều chỉnh nội lực và biến dạng trong quá trình thi công cũng như trong khai thác, đồng thời tạo điều kiện có thể thay dây và căng lại trong trường hợp cần thiết.
a) Liên kết dây văng với dầm chủ bằng thép
Thông thường nếu sử dụng neo đúc, thì do khả năng chỉnh chiều dài không lớn nên neo động thường được bố trí ở cả hai đầu bó dây trên dầm chủ và tháp. Nếu dùng neo kẹp thì do khả năng căng chỉnh chiều dài không hạn chế nên có thể chỉ cần bố trí neo động ở một đầu dây trên tháp hoặc dưới dầm chủ.
Hình 1.26. Neo dây vào dầm chủ bằng thép
b) Liên kết dây văng với dầm chủ BTCT
Liên kết dây văng với dầm chủ bằng BTCT chủ yếu phụ thuộc vào đặc điểm cấu tạo và hình dạng của dầm. Nếu dầm chủ thuộc dạng đơn năng gồm hai khối tách biệt nằm trong hai mặt phẳng dây thì neo thường được bố trí tại tim các dầm chủ, thông qua các dầm ngang (nếu dầm chủ dạng U hoặc hộp rỗng), khi đó lực từ dây neo truyền vào vách đứng của dầm chủ thông qua dầm ngang chịu cắt, dây văng neo vào dầm ngang thông qua các cửa sổ hoặc qua các ống thép tròn chôn sẵn trong dầm chủ
Hình 1.27. Neo dây vào dầm ngang của tiết diện chữ U ngược hoặc hộp đơn năng 1.1.5.4. Liên kết dây văng với tháp cầu
Cấu tạo của mối liên kết dây văng với tháp cầu ngoài đảm bảo các yêu cầu về chịu lực của dây, tháp, độ cứng của hệ còn phải thỏa mãn điều kiện riêng về lắp đặt, kiểm tra, sửa chữa, chống gỉ, thay thế và khả năng chịu lực cục bộ của các bộ phận chi tiết. Trên nguyên tắc này dây văng có thể neo trực tiếp riêng từng bó trên đỉnh tháp cầu hoặc vắt liên tục qua tháp cầu trên một bộ phận gối dây gọi là yên ngựa.
Nhận xét:Qua nghiên cứu về đặc điểm cấu tạo các bộ phận cầu dây văng ta thấy được tính đa dạng về kiến trúc cũng như về vấn đề chịu lực. Sự đa dạng này thể hiện thông qua các yếu tố như: đa dạng về sơ đồ cầu, tháp cầu, dầm chủ, liên kết dây văng, neo….
Do đặc điểm của cầu dây văng có cấu tạo hệ dây cáp, điều này cho phép tăng được khẩu độ nhịp, tạo được vẻ kiến trúc cho cầu. Nhưng ngược lại, ổn định của kết cấu lại phụ thuộc lớn vào hệ dây cáp văng này.
Vì vậy cần phải xem xét các bộ phận cấu tạo cầu dây văng trên cơ sở khi dây văng gặp sự cố. Từ đó yêu cầu nghiên cứu ứng xử của cầu khi thay cáp, đứt cáp.