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

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
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


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
).

TTT
2
0
2
h
0h
==
(6)
b. Khi có xét đến độ võng của dây
+ Trờng hợp 17 3


()


















)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

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.

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


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

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

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
)

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

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

thức (2) hoặc (3) phụ thuộc rất nhiều vào độ dài và đờng kính của dây văng thông qua
các tham số và C.
3. Để có đợc kết quả đo tần số ổn định và đáng tin cậy hơn cần nghiên cứu loại bỏ các
ảnh hởng do gió và nhiệt độ bằng cách lựa chọn thích hợp thời điểm đo thử cầu.
V. KếT LUậN
1. Sử dụng phơng 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 đợc 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 đợc có thể sử dụng công thức (1) để xác
định nội lực trong cáp dây văng ở giai đoạn cha 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 phơng 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 hớng dẫn bảo dỡng 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 - Trờng 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 - Trờng Đại học Giao thông
vận tải - Hà nội, 2004ẳ

Tạp chí Khoa h