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 phương pháp tạo xung dao động ư Bộ môn Công trình GTTP – Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải Liên bộ môn Công

Trang 1

xác định nội lực thực tế trong cáp xiên

của cầu dây văng bằng phương pháp tạo xung dao động

ư

Bộ môn Công trình GTTP – Khoa Công trình Trường Đại học Giao thông Vận tải

Liên bộ môn Công trình Cơ sở 2 Trường Đại học Giao thông Vận tải

TEDI Tóm tắt: Bài viết giới thiệu kết quả ứng dụng phương 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 tương tự được 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%)

Như vậy có thể thấy rõ trạng thái làm việc của các dây văng sẽ quyết định mức độ an toàn

của công trình

vn

Trang 2

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 được tính toán, phân tích kỹ lưỡng 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 tương 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 được 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, mưa

Về nguyên lý ứng suất trong cáp thu được nhờ việc xác định độ dãn dài tương 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 thường khó đạt độ chính xác mong muốn

Trừ trường hợp các dây văng được làm bằng các thanh thép cường độ cao như 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 được 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) nhưng chỉ thu được kết quả

có độ chính xác tương đối Nguyên nhân là do cấu tạo bó cáp được tổ hợp từ nhiều sợ thép cường 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 Lương (Thanh Hoá)

vn

Trang 3

Một khó khăn khác là đối với các cầu dây văng hiện đại, các bó cáp dây văng đều được 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 được áp dụng phổ biến hiện nay ở các nước tiên tiến là sử dụng phương pháp đo

đạc gián tiếp qua tần số dao động đặc trưng của các dây văng

Bài viết giới thiệu kỹ thuật mới được 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 phương pháp xác định nội lực trong các cáp xiên của cầu dây văng

bằng phương pháp tạo xung dao động

2.1 Nguyên lý của phương pháp

Một kết cấu hay bộ phận của kết cấu bất kỳ đều phát sinh dao động dưới 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 cưỡng 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 cưỡng 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 trưng 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 thước hình học và môđun đàn hồi của

vật liệu

- Khối lượng của kết cấu

- Lực cản của môi trường 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 được

phương trình mô tả mối quan hệ giữa lực căng trong dây và tần số dao động tự do theo phương

vuông góc với trục dây:

vn

Trang 4

a Khi không xét đến độ võng của dây

g

) fL ( W 4 T

2

b Khi có xét đến độ võng của dây + Trường hợp 3≤ξ〈17

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

=

2 2

f

C 89 , 10 875 , 0 g

) fL ( W 4

+ Trường hợp 17≤ξ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

=

2 2

f

C 2 f

C 2 , 2 1 g

) fL ( W 4

EI

T

=

4

WL

EIg

T - lực căng trong cáp dây văng (kg);

CT 2

f - tần số dao động tự do tương ứng với dạng dao động thứ nhất, xác định bằng phương pháp tạo cưỡng bức dao động (Hz);

W - trọng lượng đơn vị dài của cáp dây văng (kg/m);

L - chiều dài cáp (cm);

g - gia tốc trọng trường (= 981 cm/s2);

E - môđun đàn hồi của cáp dây văng (kg/cm2);

I - mômen quán tính chống uốn của cáp dây văng (cm4)

Việc xác định lực căng trong dây văng bằng phương pháp cưỡng bức dao động theo công thức (1) đơn giản và phù hợp với việc xác định lực căng trong dây khi chưa 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 phương 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 hưởng ξ và C phản ánh các đặc trưng cấu tạo của cáp dây văng

2.2 Xác định nội lực trong cáp dây văng bằng phương pháp bán thực nghiệm

Như vậy có thể xác định được lực căng thực tế (T) trong cáp dây văng bất kỳ nếu đo được tần số dao động uốn tự do (f) theo phương vuông góc với trục của dây ở dạng dao động thứ nhất

vn

Trang 5

Bằng thiết bị đo dao động hiện đại có thể xác định được (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 được 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

) L f ( W 4 g

) L f ( W 4 T T T

2 0 2

h 0

=

b Khi có xét đến độ võng của dây

+ Trường hợp 3≤ξ〈17

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ư

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ư

=

ư

=

∆

2 0

2 0 2

h

2 h 0

C 89 , 10 875 , 0 g

) L f ( W 4 f

C 89 , 10 875 , 0 g

) L f ( W 4 T T

+ Trường hợp 17≤ξ

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ư

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

ư

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

ư

=

ư

=

∆

2 0

2 0 2

h

2 h 0

C 2 f

C 2 , 2 1 g

) L f ( W 4 f

C 2 f

C 2 , 2 1 g

) L f ( W 4 T T

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 được nhờ phân tích phổ dao động theo

phương pháp FFT

Để tạo ra trạng thái dao động rõ nét cho dây văng trước thời điểm đo dùng phương 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 cưỡng 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)

vn

Trang 6

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 phương pháp tạo xung dao động ứng dụng cho việc thử tải, kiểm định cầu như 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 (f0)

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 (fh)

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 tương ứng bằng phân tích mô hình lý thuyết

i Kiểm chứng độ tin cậy thu được bằng cách đối chứng kết quả thu được từ lý thuyết và

thực nghiệm

III ứng dụng phương 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 phương pháp tạo xung dao động và phương pháp lý thuyết được 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

vn

Trang 7

- 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 phương pháp

tạo xung dao động và phương pháp lý thuyết được tổng hợp trong bảng 2a, 2b và 2c

Tải trọng thử được xếp theo các sơ đồ thu được từ sự phân tích đường ảnh hưởng 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 được từ phương pháp được 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 phương 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)

ứ ng suất (Kg/cm 2 )

Tần

số (Hz)

Tần

số (Hz)

ứ ng suất tính toán lý thuyết (Kg/cm 2 )

Tỷ lệ

lt

d σ

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%

vn

Trang 8

Bảng 1b

Không có hoạt tải Có hoạt tải Chênh Dây

văng Tần số

(Hz)

Tần

số (Hz)

Tần

số (Hz)

Tỷ lệ

lt

d σ

σ

%

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

CT 2

văng Tần số

(Hz)

Tần

số (Hz)

Tần

số (Hz)

Tỷ lệ

lt

d σ

σ

%

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 phương pháp tạo xung dao động

văng Tần số

(Hz)

Tần

số (Hz)

Tần

số (Hz)

Tỷ lệ

lt

d σ

σ

%

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%

vn

Trang 9

Bảng 2b

Dây

văng Tần số

(Hz)

Tần

số (Hz)

Tần số (Hz)

Tỷ lệ

lt

d σ

σ

%

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

Dây

văng Tần số

(Hz)

Tần

số (Hz)

Tần số (Hz)

Tỷ lệ

lt

d σ σ

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)

vn

Trang 10

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 trường

vn

Trang 11

IV Nhận xét

1 Kết quả thực nghiệm cho thấy với số liệu tần số dao động đo được có thể xác định được

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 được từ các công thức (2) và (3) do được xây dựng trên các mô hình cáp dây

văng gần 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 đường kính của dây văng thông qua

các tham số ξ và C

3 Để có được kết quả đo tần số ổn định và đáng tin cậy hơn cần nghiên cứu loại bỏ các

ảnh hưởng do gió và nhiệt độ bằng cách lựa chọn thích hợp thời điểm đo thử cầu

V KếT LUậN

1 Sử dụng phương 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 được nội

lực (lực căng hay ứng suất) trong dây văng bất kỳ mà không cần gắn trực tiếp thiết bị đo

vào cáp

CT 2

2 Từ tần số dao động tự do của dây văng đo được có thể sử dụng công thức (1) để xác

định nội lực trong cáp dây văng ở giai đoạn chưa 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

3 Hệ thống thiết bị cùng phương 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, 1994

[2] Ray W Clough, Joseph Penzien Dynamic of Structures Mc Graw - Hill Book Co Singapore, 1993

[3] John C Wilson and Wayne Gravrlle Modelling of a Cable - stayed Bridges for Dynamic Analysis

Earthquake Engineering and Structural Dynamics Vol 20, 707 - 724, 1991

[4] Tài liệu hướng dẫn bảo dưỡng 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 - Trường Đại học Giao thông vận tải - Trung tâm tư vấn 18 - PMU 18 - Hà nội, 2004

[6] Báo cáo kết quả thử tải cầu Bính - Hải phòng: Trung tâm NCTV và TNCT - Trường Đại học Giao thông

vận tải - Hà nội, 2004ẳ

vn

Định dạng
Số trang	11
Dung lượng	700,42 KB