Nguyễn Đức Toàn



NGHIÊN CỨU DAO ĐỘNG DÂY CÁP CĂNG



LUẬN VĂN THẠC SĨ










HÀ NỘI 2006
ĐẠI HỌC QUỐC GIA
HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

VIỆN KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
VIỆN CƠ HỌC


3
MỤC LỤC
Trang
Trang bìa 1
Lời cam đoan 2
Mục lục 3
Danh mục các hình vẽ và đồ thị 5
Chương 1 dây văng và hệ neo 9
1.1 Lịch sử phát triển Cầu dây văng 9
1.2 Dây văng 12
1.2.1 Cáp gồm các thanh song song 14
1.2.2 Cáp gồm các sợi song song 16
1.2.3 Tao cáp 20
1.2.4 Cáp kín 21
1.3 Hệ neo 22
1.3.1 Cấu tạo đầu neo 23
1.3.2 Neo ép 24
1.3.3 Neo đúc hợp kim nóng 25
1.3.4 Neo bó dây gồm các thanh song song 25
1.3.5 Neo các bó dây có sợi song song 26
1.3.6 Neo dùng cho bó cáp kín 29
Kết luận chương 1 30
Chương 2 tĩnh học dây cáp 31
2.1 Mô hình bài toán khảo sát 31
2.2 Thiết lập phương trình biểu diễn đường cong tĩnh dây cáp 32

2.3 Quan hệ giữa độ võng tĩnh lớn nhất và sức căng tĩnh ban đầu của dây
cáp 36
2.4 Phương pháp tính lực căng ban đầu S
0
theo một độ võng tương đối cho
trước. 37
2.5 Các trường hợp đặc biệt 38


4
2.5.1 Góc  = 0. Dây cáp ở vị trí nằm ngang 38
2.5.2 Góc  = /2. Dây cáp ở vị trí thẳng đứng 39
2.6 Khảo sát bài toán Tĩnh học dây cáp cho một sợi cáp cụ thể 39
Kết luận chương 2 43
Chương 3 Dao động dây cáp 44
3.1 Khảo sát dao động tự do của dây cáp căng 44
3.1.1 Thiết lập phương trình vi phân chuyển động 44
3.1.2 Tìm nghiệm tổng quát của phương trình vi phân chuyển động 47
3.2 Khảo sát dao động của dây khi đầu dưới neo vào gối đàn hồi 53
3.3 Khảo sát dao động cưỡng bức của dây 55
3.4 Khảo sát dao động tự do có cản của dây 57
Kết luận chương 3 60
Chương 4
đo dao động dây văng cho cầu Bến Cốc, Hà tây 61
4.1 Mục đích thí nghiệm 61
4.2 Máy móc thiết bị thí nghiệm và quá trình đo dao động của dây cáp 61
4.3 Lắp đặt thiết bị đo dao động 62
4.4 Tiến hành gây tải trọng lên cầu 63
4.5 Kết quả thí nghiệm đo dao động của dây cáp 64
danh mục công trình của tác giả 71

Tài liệu tham khảo 72
Phụ lục 73
1. Chương trình tính toán bài toán Tĩnh học trên phần mềm Maple 8. 73
2. Chương trình tính toán bài toán Dao động trên phần mềm Maple 8. 77
3. Chương trình tính toán bài toán Dao động có phần tử đàn trên phần mềm
Maple 8. 80



5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1 Cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) 10
Hình 1.2 Cầu Đắk’ rông (Quảng
Trị) 11
Hình 1.3 Các loại cáp thép thông dụng dùng làm dây
văng 12
Hình 1.4 Các dạng thép thanh dùng làm dây văng 14
Hình 1.5 Các dạng bó cáp có sợi song
song 16
Hình 1.6 Cấu trúc bó cáp và tao cáp 19
Hình 1.7 Cấu trúc cáp kín 20
Hình 1.8 Các dạng liên kết đầu neo 21
Hình 1.9 Cấu tạo neo ép 22
Hình 1.10 Neo đúc hợp kim 23
Hình 1.11 Neo bó dây gồm các sợi song song 23
Hình 1.12 Neo BBRV 25
Hình 1.13 Kết cấu neo HiAm –
BBRV 26
Hình 1.14 Kết cấu neo cho bó cáp kín 27

Hình 2.1 Mô hình sợi cáp căng trên cầu 29
Hình 2.2 Mô hình khảo sát 30
Hình 2.3 Phân tố dây cáp 31
Hình 2.4 Hình dạng đường cong dây cáp khi bị võng tĩnh 38
Hình 2.5 Quan hệ giữa độ võng tĩnh lớn nhất và sức căng ban đầu
39
Hình 2.6 Đường cong dây cáp trong trường hợp nằm
ngang 40
Hình 3.1 Mô hình dây cáp để khảo sát dao động 42
Hình 3.2 Mô hình khảo sát 43
Hình 3.3 Các dạng dao động
riêng 48
Hình 3.4 Mô hình khảo sát dây cáp khi có phần tử đàn
hồi 50


6
Hình 4.1 Cầu bến cốc 58
Hình 4.2 Lắp đặt thiết bị đo dao
động 60
Hình 4.3 Các ô tô đang tiến hành thử
tải 60
Hình 4.4 Đồ thị gia tốc của dây cáp số 3 61
Hình 4.5 Đồ thị dịch chuyển của dây cáp số
3 62
Hình 4.6 Đồ thị gia tốc của dây cáp số 9 62
Hình 4.7 Đồ thị dịch chuyển của dây cáp số
9 63
Hình 4.8 Đồ thị gia tốc của dây cáp số 15 64
Hình 4.9 Đồ thị dịch chuyển của dây cáp số

15 64


7
MỞ ĐẦU

Hiện nay, các loại cầu treo được sử dụng rộng rãi ở nước ta và trên thế
giới, do chúng có nhiều ưu điểm về mặt kỹ thuật cũng như mỹ thuật. Nước ta
có nhiều sông ngòi, việc phát triển hệ thống cầu là rất cần thiết, đặc biệt là cầu
dây văng, vì chúng thích hợp với các sông có bề rộng lớn. Trước nhu cầu thực
tiễn, việc tìm hiểu nghiên cứu về dao động của các sợi cáp treo trên những
cây cầu thực sự đã trở thành mối quan tâm của nhiều nhà khoa học và các kỹ
sư, đặc biệt là việc làm giảm bớt biên độ dao động của các sợi cáp ngay từ khi
thiết kế các cây cầu mới hoặc nâng cao tính ổn định và tuổi bền cho các cây
cầu cũ. ở nước ta đã xây dựng một số cầu dây văng như: Cầu dây văng
Đak'rông (Quảng Trị), Cầu dây văng Mỹ thuận (Vĩnh Long), một số dự án đã
và đang được triển khai như cầu Phú Mỹ, cầu Bính (Hải Phòng), cầu Bãi
Cháy (Quảng Ninh) Tháng 2, năm 1999 cầu Đak'rông đã gặp sự cố đứt neo.
Điều đó cho thấy, việc nghiên cứu về kỹ thuật cầu dây văng ở nước ta là rất
cần thiết. Các sợi cáp trên cầu dây văng dễ bị ảnh hưởng bởi các kích động
phức tạp bên ngoài (tác động của gió, dao động ngẫu nhiên của các phương
tiện giao thông ). Để làm giảm ảnh hưởng đến mức có thể các dao động này,
một hướng nghiên cứu khả thi đã và đang được các nhà khoa học, các kỹ sư
quan tâm nhiều đó là gắn thêm bộ cản nhớt vào sợi cáp. Mặc dù quá trình đo
đạc, quan sát qua máy móc cũng chưa thể cho ta hiểu biết một cách sâu sắc,
thấu đáo, hoàn chỉnh về quá trình cơ học của sợi cáp khi có gắn bộ cản nhớt,
nhưng hiệu quả của việc kết nối thêm bộ cản nhớt là không thể phủ nhận.
Phần lớn các sợi cáp trên cầu dây văng ở vị trí nghiêng với phương
ngang một góc nào đó. Đã có nhiều tài liệu, công trình nghiên cứu về tĩnh học
và dao động của dây ở vị trí nằm ngang (xem [4, tr.191], [8,tr.239] ), khi đó

ảnh hưởng của khối lượng dây là không kể đến và lực căng trong dây là hằng


8
số. Luận văn này phát triển theo hướng nghiên cứu tĩnh học và dao động của
dây cáp căng nhưng ở vị trí nằm nghiêng so với phương ngang một góc nào
đó. Khi đó, yếu tố khối lượng dây cáp đã được đề cập đến và lực căng trong
dây không còn là hằng số nữa, mà lực căng phụ thuộc vào biến không gian
dọc theo chiều dài dây.
Về phương pháp nghiên cứu, luận văn vẫn sử dụng các định luật và
nguyên lý cơ học đã biết để thiết lập các phương trình vi phân chuyển động
của dây như các định luật cơ học của Newton và nguyên lý D’lambe. Việc
giải các phương trình vi phân chuyển động này, luận văn sử dụng các phương
pháp toán học giải tích thông thường như giải phương trình vi phân thường,
giải phương trình vi phân đạo hàm riêng bằng phương pháp tách biến.
Luận văn bao gồm 4 chương.
Chương 1. Trình bày tổng quan về cấu trúc dây văng cũng như các đặc
trưng cơ học của dây văng.
Chương 2. Nghiên cứu về tĩnh học của dây văng
Chương 3. Nghiên cứu về dao động của dây văng
Chương 4. Đo dao động dây văng cho cầu Bến Cốc – Hà Tây
Với mức độ nghiên cứu của một luận văn thạc sỹ, chắc chắn vẫn còn
nhiều vấn đề mà luận văn chưa thể nghiên cứu một cách thấu đáo, hoàn chỉnh
các vấn đề đã đề cập đến. Học viên xin chân thành cảm ơn Khoa Cơ học Kỹ
thuật và Tự động hoá- Đại học Quốc gia Hà nội, GS. TSKH Nguyễn Đông
Anh, TS. Nguyễn Đức Tính đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉ bảo để học viên có
thể hoàn thành luận văn này.





9
Chương 1
DÂY VĂNG VÀ HỆ NEO
1.1 Lịch sử phát triển Cầu dây văng
Cùng với cầu treo, cầu dây văng có một lịch sử lâu đời. Năm 1970 một
công trình sư người Pháp là Poet đã đề nghị dùng hai tháp cầu cùng một hệ
dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu ba nhịp.
Năm 1817, ý tưởng của Poet đã được thực hiện ở Anh trong một cầu cho
người đi có nhịp chính là 33,5 m. Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng
xuất phát từ đỉnh tháp cầu, phía đối diện các dây văng sử dụng một dây neo.
Năm 1868, ở Praha đã xây dựng một cầu dây văng qua sông Vltava có
nhịp chính 146,6m. Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng dây văng tại các điểm dọc
theo nhịp, chia dầm thành các khoang dài 24,4m. Các dầm khá lớn nên đã bố
trí dầm cứng là hệ dàn có chiều cao tới 2,1m cùng với hệ dầm ngang liên kết
hai dàn. Dầm cứng vừa tham gia chịu uốn cục bộ và tổng thể gần giống như
vai trò dầm cứng trong cầu dây văng hiện đại.
Ngoài các dây văng thuần tuý, cuối thế kỷ 19 các dây văng còn được
dùng để tăng cường độ cứng của các cầu treo, tạo thành hệ liên hợp. Các dây
văng xuất phát từ đỉnh tháp cầu, neo vào dầm cứng tại một số điểm ở khu vực
1/4 nhịp để giảm mômen uốn và độ võng, thường có trị số lớn nhất trong cầu
treo. Cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 là thời kỳ tìm kiếm các biện pháp tăng
cường độ cứng cho hệ cầu treo, cầu dây. Sau hàng loạt các sự cố về cầu treo,
cầu dây văng mới lại được quan tâm nghiên cứu, áp dụng và phát triển.
Mặt khác, cùng với nhịp độ phát triển khoa học kỹ thuật, công nghệ
luyện thép đã cho lưu hành trên thị trường các kim loại và dây thép có cường
độ rất cao (1800 – 2000 MPa), trong khi môđun đàn hồi của các vật liệu


10

cường độ cao lại có khuynh hướng giảm, đặc biệt đối với dây cáp làm cầu
treo và cầu dây văng. Việc sử dụng vật liệu cường độ cao làm tăng độ võng
do hoạt tải. Đặc biệt với các hệ dây có trọng lượng bản thân nhỏ lại yêu cầu
tải trọng nặng, tỉ số nội lực do hoạt tải và tĩnh tải lớn nên thường gây biến
dạng do hoạt tải vượt trị số độ võng giới hạn quy định trong các quy trình. Để
giảm biến dạng của công trình thì hoặc giảm ứng suất do hoạt tải trong kết
cấu hoặc tăng tĩnh tải, điều đó đồng nghĩa với việc tăng tiết diện, vật liệu và
giá thành. Các biện pháp trên đều không mang lại hiệu quả kinh tế.
Để sử dụng hết khả năng chịu lực của vật liều cường độ cao trong các
hệ có dây chịu kéo có thể có hai phương hướng:
- Nghiên cứu các biện pháp tăng cường độ cứng của hệ thông qua các
giải pháp kết cấu như dùng dầm cứng, dùng các hệ liên hợp, các hệ
được gây tạo ứng suất trước có lợi về biến dạng, hoặc tìm các biện
pháp triệt tiêu biến dạng dư, biến dạng hình học, biến dạng đàn hồi
phi tuyến của các đoạn dây cong bị duỗi thẳng khi chịu tải trọng nút.
- Về mặt tiêu chuẩn kỹ thuật cũng cần nghiên cứu một cách thận
trọng và có cơ sở khoa học về việc quy định các trị số độ võng, biến
dạng cho phép của công trình dưới tác dụng của hoạt tải.
Cùng với thời gian, Cầu dây văng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.
Cho đến nay, đã có rất nhiều cầu dây văng được xây dựng trên thế giới, có thể
kể ra các cây cầu nổi tiếng sau đây:
- Cầu Saint – Nazaire, 1975, dầm thép tiết diện hình hộp bản trực
hướng.
- Cầu Barrios de Luna, 1983, dầm cứng bằng bê tông cốt thép ứng
suất trước.


11
- Cầu Annacis ở Mỹ, 1986, dầm bê tông thép liên hợp, gồm hai dầm I
có bản bê tông liên hợp.

- Cầu Ikuchi, 1991, nhịp chính bằng thép, nhịp biên bằng bê tông cốt
thép.
- Cầu Skamsundet, 1991, dầm chủ là bê tông cốt thép ứng suất trước.
- Cầu Thượng hải, 1993, dầm thép bê tông liên hợp.
- Cầu Normandie, 1995, tiết diện hình hộp bằng thép ở nhịp giữa.
Cầu dây văng có ưu điểm rõ ràng về mọi mặt nên đã được nhanh chóng
áp dụng trên toàn thế giới. Cho đến nay đã thống kê được trên 300 cầu dây
văng lớn nhỏ với đầy đủ thể loại trong đó có một đặc điểm quan trọng mà các
loại cầu khác không có được là tính đa dạng.
Ở Việt nam, Cầu dây văng cũng được quan tâm nghiên cứu từ lâu, trên
thực tế đã xây dựng một số cầu hiện đang khai thác sử dụng như cầu dây văng
Đak'rông (Quảng Trị), Cầu dây văng Mỹ thuận (Vĩnh Long), cầu Bến Cốc
(Hà Tây), một số dự án đã và đang được triển khai như cầu Phú Mỹ, cầu Bính
(Hải Phòng), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh)









Hình 1.1 Cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long)


12











Như vậy, Cầu dây văng không chỉ là một công trình giao thông đơn
thuần mà còn là nơi thu hút, tập trung trí tuệ của các nhà khoa học, các kiến
trúc sư, các kỹ sư để tạo dựng được các công trình thể hiện một bản sắc kiến
trúc độc đáo cho từng khu vực. Với nhu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng, hoàn
chỉnh và phát triển mạng lưới giao thông toàn quốc, trong những năm tới chắc
chắn lịch sử xây dựng cầu dây văng ở nước ta sẽ được nối dài bằng những
công trình ở miền núi, miền xuôi, mang đủ tính hiện đại và bản sắc riêng của
mỗi vùng miền trên đất nước Việt Nam.
1.2 Dây văng
Cầu dây văng làm việc như một dàn có biên dưới cứng chịu nén, uốn,
dây văng làm việc như các gối đàn hồi trung gian chịu kéo nên có thể làm
bằng thép cường độ cao, tuy nhiên các gối đàn hồi này lại không trực tiếp
truyền phản lực xuống đất nền mà thông qua tháp cầu truyền xuống trụ chính.
Do đó về nguyên tắc, mố trụ chính của cầu dây văng chịu toàn bộ tĩnh và hoạt
Hình 1.2 Cầu Đăk’rông (Quảng Trị)


13
tải trên cầu. Nếu nhịp dài thì trụ tháp tập trung vào khu vực gần bờ tránh được
các vị trí có địa chất và thuỷ văn phức tạp, do đó cầu dây văng chỉ phát huy
được ưu điểm với cầu có nhịp lớn và vừa (nhịp chính trên 100m).
Cầu dây văng là cầu có thể vượt qua các nhịp rất dài, do đó dây văng
thường có chiều dài lớn được căng và neo vào hai điểm cố định, dưới tác

dụng của tải trọng bản thân dây thường bị võng, khi chịu hoạt tải gây lên biến
dạng phụ. Để hạn chế các ảnh hưởng trên dây thường được chế tạo từ các sợi
thép có cường độ cao như sợi thép đơn đặt song song hay các bó cáp
Có nhiều loại cáp dùng làm dây văng, tuỳ theo kết cấu bó, phương pháp
chế tạo, dây được phân thành các loại chủ yếu sau đây (xem [8, tr.103])
a
b
c
e
d
f
Hình 1.3 Các loại cáp thông dụng dùng làm dây văng
a. Thép thanh; b. thép sợi; c. cáp có sợi song song;
d. Tao cáp; e. Bó cáp; f. Cáp kín


14
Bảng 1.1 Các loại cáp thông dụng dùng làm dây văng(xem [8, tr.104])
Loại cáp
Thanh nối
736
thép 835/103
Thanh
không
nối
2616
Cáp sợi
song
song
1287

Bó các tao
song song 2715
Cáp kín
Kết cấu dây
Thanh 26,5;
32 và
36mm
Thanh
16mm
Sợi
7,6mm
Tao xoắn 7 sợi
12,7; 15,2 và
17,8mm
Sợi có hình dạng
khác nhau
2,97mm
ứng suất ở
biến dạng
0,2%
(
0,2
MPa)
8351080
1350
1470
15701670

Cường độ
giới hạn

(MPa)
10301230
1500
1670
17701870
10001300
Giới hạn
mỏi
 (MPa)

max
/Z

80
0,6


350
0,45

300320
0,50,45

120150
0.45
Mô đun đàn
hồi E (MPa)
210.000
210.000
205.000

190.000200.000
160.000165.000
Tải trọng
phá hoại
(kN)
7339
7642
7487
7634
7341

1.2.1 Cáp gồm các thanh song song
Cáp được cấu tạo từ các thanh thép đặt song song với nhau trong một
ống thép và được định vị bằng các vách ngăn bằng chất dẻo PE. Trong quá
trình lắp đặt, các thanh thép có thể tự do trượt dọc theo tuyến dây, nên việc


15
căng kéo có thể thực hiện một cách đơn giản cho từng thanh. Sau khi căng
kéo xong có thể bơm vữa xi măng trong lòng ống, đảm bảo ống thép cùng
tham gia chịu tải. Việc vận chuyển dưới dạng cuộn chỉ có thể thực hiện được
với các thanh có đường kính nhỏ hơn 16mm. Các thanh có đường kính lớn
hơn thường được chế tạo và vận chuyển dưới dạng thanh dài 15-20m. Việc
nối liên tục thường được thực hiện qua ống nối ren, tuy nhiên mối nối ren làm
giảm tiết diện của dây, gây ứng suất tập trung và giảm khả năng chịu mỏi của
thép.
Để tránh làm giảm tiết diện, đầu mối nối thường được chế tạo có đường
kính lớn hơn. Bó các thanh thép đặt song song đã được áp dụng vào cầu
Hoechst qua sông Main ở Đức năm 1971. Thép thanh thường có cường độ
giới hạn khoảng 1000MPa, đường kính từ 15 đến 36mm. Dùng thép thanh có

cường độ trung bình cần có diện tích tiết diện lớn hơn so với khi dùng thép
sợi hoặc tao cáp. Tuy nhiên ứng suất thấp trong dây có thể giảm độ nguy hiểm
do mỏi.
Đối với các cầu có nhịp nhỏ và trung bình (100-150 m), và có tĩnh tải
lớn (dầm chủ là bê tông cốt thép) việc dùng thép thanh làm dây văng kín hoặc
hở hoàn toàn có thể chấp nhận được trên phương diện chịu lực, cấu tạo neo và
thi công. Sau đây là các chỉ tiêu cơ lý của một số loại thép thanh dùng làm
dây văng (xem [8, tr.105])





Hình 1.4 Các dạng thép thanh dùng làm dây văng
a. Thép thanh d=16mm cuốn trong rulô: b. Thép thanh d=26.5; 32 và 36mm
a.
b.
Ống thép
Thanh đầu có mũ
Ống thép
Thanh đầu có mũ
Khoảng trống bơm
vữa
Khoảng trống bơm
vữa


16






Loại thép
St 85/100
St 110/100
St 135/150
Đường kính danh
định (mm)
26.5
32
36
26.5
32
36
16
Diện tích danh định
(mm
2
)
551.5
804.2
1017.9
551.5
804.2
1107.9
201.1
Ứng suÊt 0,2%
0.2
(MPa)

835
835
835
1080
1080
1080
1325
C-êng ®é cùc h¹n 
z

(MPa)
1030
1030
1030
1230
1230
1230
1470
Lùc cùc h¹n/thanh (kN)
268
828.4
1048.4
687.4
989.2
1252
295.6
Lùc sö dông (0,45
z
)
(kN)

225.6
372.7
471.8
305.3
445.1
563.4
133
1.2.2 Cáp gồm các sợi song song
Cáp gồm các sợi song song là các bó dây làm bằng các sợi thép có
cường độ cao bố trí song song đặt trong ống thép hoặc ống nhựa
polyethylene. Sau khi lắp đặt xong, thường bơm vữa xi măng trong lòng ống.
Các sợi thép có thể đặt riêng rẽ, sắp sếp theo hình lục giác trên nguyên tắc
đảm bảo các thanh ép sít nhau thuận tiện cho việc bó cáp và tạo lớp vỏ chống
gỉ.Tuỳ theo bó lớn, nhỏ số lượng sợi thép có thể phân bố như sau: 1; 1+6=7;
7+2x6=19; 19+3x6=37; 37+4x6=61 v.v Cũng có thể xếp các dây theo dạng
hình chữ nhật như trường hợp cầu Severin, hoặc tiết diện tròn.
Bảng 1.2 Chỉ tiêu cơ lý của các loại thép thanh (xem [8, tr.105])


17
Bó dây có sợi song song chịu lực tốt hơn, có cường độ bằng cường độ
thép sợi đơn, có mô đun đàn hồi cao hơn các bó có dây ốc. Tuy nhiên các bó
lớn có độ cứng lớn, khó cuộn vào các rulô, khó vận chuyển, lắp đặt.


















Bảng 1.3 Đặc điểm của bó các sợi song song đường kính 7mm (xem [8, tr.106])
Số sợi
1
61
91
121
163
211
253
313
Diện tích danh
định (mm
2
)
38.5
2348.5
3503.5
4658.5
6275.5
8123.5

9740.5
12050
Cường độ
0,2%
0.2
(MPa)
1520
1520
1520
1520
1520
1520
1520
1520
Cường độ cực
hạn 
z
(MPa)
1670
1670
1670
1670
1670
1670
1670
1670
a.
b.
c.
d.

e.
g.
Ống nhựa
Vữa bảo vệ
Thép sợi
Hình 1.5 Các dạng bó dây có sợi song song
a. b. Bó dây gồm các sợi đơn; c. Bó dây có tiết diện chữ nhật
d. e. Bó dây dạng lục giác; g. bó dây có tiết diện tròn


18
Lực cực
hạn/thanh (kN)
64.3
3922
5850.8
7779.7
10480.1
13566
16266
20124
Lực sử dụng
(0,45
z
) (kN)
18.9
1764.9
2632.9
3500.9
4716

6104.8
7320
9056
Hãng KOBELKO của Nhật chế tạo các bó cáp có sợi song song xếp
theo hình lục giác có tên PWS (Parallel wire strands). Các tính năng cơ bản
của loại cáp này bảng 1.4.

Bảng 1.4 Các tính năng cơ bản của cáp có sợi song song PWS (xem [8, tr.107])




Kí hiệu
Số sợi
5mm
Kích thước
tiết diện (mm)
Diện tích
tiết diện (cm
2
)
Lực kéo đứt
tối thiểu (kN)
Khối lượng
đơn vị (kg/m)
PWS19
19
b=25; h=22.3
3.731
585

2.92
PWS24
24
b=30; h=22.3
4.712
739
3.69
PWS30
30
b=30; h=31.0
5.890
924
4.61
PWS37
37
b=25; h=31.0
7.265
1140
5.69
PWS44
44
b=40; h=31.0
8.369
1350
6.76
PWS52
52
b=40; h=39.5
10.21
1600

7.99
PWS61
61
b=45; h=39.5
11.98
1880
9.38
PWS70
70
b=50; h=39.6
13.74
2150
10.8
PWS80
80
b=50; h=48.3
15.71
2460
12.3
PWS91
91
b=55; h=48.3
17.87
2800
14.0
PWS102
102
b=60; h=48.3
20.03
3140

15.7
PWS114
114
b=60; h=57.0
22.38
3510
17.5


19
PWS127
127
b=65; h=57.0
24.94
3910
19.5
PWS140
140
b=70; h=57.0
27.49
4310
21.5
PWS154
154
b=70; h=65.5
30.24
4740
23.7
PWS169
163

b=75; h=65.6
33.18
5200
26.0
PWS184
184
b=80; h=65.6
36.13
5670
28.3
PWS200
200
b=80; h=74.3
39.27
6160
30.7
PWS217
217
b=85; h=74.3
42.61
6680
33.4



20
Bảng 1.5 Các tính chất cơ bản của cáp xoắn ốc và cáp kín (xem [8, tr.107])
Loại bó cáp
Lực kéo đứt
T (kN)

Đường kính
bó (mm)
Khối lượng
đơn vị W
(kg/m)
T/W
Môđun đàn hồi
(MPa)
PWS 91
2800
55
14
200
200000
Cáp 7taox37sợi
2860
68
18
159
130000-140000
Cáp xoắn
1taox127sîi
dïng cho cÇu
2890
60
17.8
164
155000-160000
C¸p kÝn lo¹i C
2880

58
19
152
150000-170000
1.2.3 Tao cáp
Tao cáp là một bó các sợi thép cường độ cao đường kính 4,5 đến 7mm
cuốn xoắn ốc một hay nhiều lớp quanh một sợi thép nằm chính giữa gọi là lõi,
mỗi lớp có vòng xoắn ngược chiều nhau để cáp khỏi bị tơi khi chịu lực.Các
chỉ tiêu chung của các loại bó cáp gồm nhiều tao theo tiêu chuẩn một số nước
có thể tham khảo trong bảng sau.
Bảng 1.6 Chỉ tiêu cơ lý của cáp có nhiều tao (xem [8, tr.109])

37 tao
61 tao
91 tao
Đường kính
danh định
(mm)
Tải trọng
giới hạn

z

(kN)
Tải trọng
sử dụng
0,45
z

(kN)

Tải trọng
giới hạn

z

(kN)
Tải trọng
sử dụng
0,45
z

(kN)
Tải trọng
giới hạn

z

(kN)
Tải trọng
sử dụng
0,45
z

(kN)
12.7
6724
3030.3
11102
4995.9
16562

4752.9
15.2
9634.8
4335.7
15884.4
7148
23696.4
10663.4
15.7
98235
4420.6
16195.5
7288
24160.5
10872.2
17.8
12772.4
5747.6
21057.2
9475.7
31413.2
14135.9


21











1.2.4 Cỏp kớn
Cỏp kớn l t hp ca cỏc si thộp trũn, hỡnh thang v hỡnh ch Z.
Thụng thng lừi l mt tao cỏp gm cỏc si trũn, quanh lừi l vi lp dõy tit
din hỡnh thang v ngoi cựng l cỏc lp dõy tit din Z. Khi chu kộo cỏc dõy
hỡnh nờm v Z ộp sớt nhau bo v cho nc v khớ m khụng lt c vo cỏc
lp trong lm g thộp. Ngoi ra cỏp kớn cũn cú mụ un n hi ln hn v
chng g tt hn cỏc loi cỏp khỏc.
i vi cu dõy vng cỏp kớn c s dng cú li khi khụng cn t
dõy trong ng v bm va bo v, khi cn gim kớch thc neo v khi cn t
dõy qua thỏp cu b neo trung gian ti thỏp. Tuy nhiờn h cú dõy vt qua
thỏp cu mc nhiu nhc im ch yu do khú thay dõy khi b g, hoc cn
thay th khi cú s c, c bit khi vn chụng g cha c gii quyt trit
, Vớ d hin nay cu Maracaibo v cu Kởlbrand các dây đều bị gỉ và cần
thay thế.




Hỡnh 1.7 Cu trỳc cỏp kớn
Hỡnh 1.6 Cu trỳc bú cỏp v tao cỏp
Bú 7 tao x 37 si
Bú 1 tao x 127 si


22




1.3 Hệ neo
Trong cầu dây văng, dây làm việc chịu kéo như các gối tựa đàn hồi
chịu toàn bộ phản lực thẳng đứng do tĩnh và hoạt tải tác dụng lên công trình,
đồng thời dây lại luôn chịu tác dụng của hiệu ứng Karman nên 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. Do đó khi thiết kế ngoài việc dùng cường độ tính toán của dây
thấp hơn 0,45 tải trọng giới hạn còn cần dùng các biện pháp chống dao động
và bộ phận neo cố là rất quan trọng. 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 có thể phải gia cố và lắp ráp 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 vào dầm.
- Có khả năng thay thế khi cần thiết.
- 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 trong
khai thác.
- Chống gỉ tốt.
- Chịu được các sự cố bất ngờ (chẳng hạn một dây bị đứt bất ngờ du tụt
neo hoặc do phá hoại).
Kết cấu hệ neo thường gồm hai bộ phận.


23

- 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 nảy 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 tuỳ chọn, tuy nhiên cần có cấu
tạo thích hợp để có khả năng thay đổi chiều dài trong quá trình điều chỉnh nội
lực.
1.3.1 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 để đủ
khả năng chịu lực kéo đứt của dây mà không vượt quá giới hạn chảy của vật
liệu đầu neo. Tuỳ theo chức năng, 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.








Hình 1.8 Các dạng liên kết đầu neo
a. Neo cố định; b. Neo cố định bằng chốt; c. Neo di động ren răng lên thân neo
d. Neo di động qua các bu lông; e. Chêm chèn cố định vị trí neo



24

Đầu neo cố định có thể trực tiếp tựa lên dầm chủ hoặc tháp cầu qua các
lỗ rỗng (hình 1.8.e) hoặc qua mấu neo dạng vành khuyên (hình 1.8.a,b). Đầu
neo di động thường được thiết kế trên nguyên tắc các thanh ren hoặc dạng bu
lông hoặc tăng đơ, tạo điều kiện thay đổi chiều dài dây (hình d), hoặc trên
thân neo khoan sẵn các lỗ để liên kết với các bu lông, qua đó neo vào kết cấu
(hình 1.8.c). 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 1.8.e).
Đầu neo có thể liên kết cứng (hình 1.8.d, e) hoặc liên kết khớp (a,b,c)
với dầm chủ và tháp cầu. Đầu neo liên kết cứng thì mặt đệm neo phải lắp đặt
rất chính xác để giảm độ nghiêng lệch mặt neo. Trong quá trình chịu hoạt tải,
chịu lực gió, dây và neo luôn bị uốn làm cho dây và neo bị mỏi. Đầu neo liên
kết khớp với kết cấu có thể làm đơn giản việc thi công, tránh được hiện tượng
uốn dây và neo khi chịu hoạt tải và lực gió.
1.3.2 Neo ép
Đối với các bó dây nhỏ như các tao cáp xoắn ốc, đặc biệt là các tao đơn
thì có thể dùng neo ép. Neo có dạng một ống thép hình trụ, đường kính trong
bằng đường kính tao cáp, sau đó neo được đưa vào máy ép thủy lực ép nóng
để thân neo ép chặt và cắn vào rãnh xoắn của dây nhưng không làm dây bị
thương tổn.
Do chỉ có mặt ngoài dây tiếp xúc với hộp neo nên neo ép chỉ dùng cho các tao
cáp xoắn ốc cỡ nhỏ như các tao đơn. Thân neo được ren răng để bắt bu lông
liên kết với các bộ phận khác của công trình (hình 1.9)



Hình 1.9 Cấu tạo neo ép



25



1.3.3 Neo đúc hợp kim nóng
Neo đúc hợp kim nóng có cấu tạo gồm một hộp neo lòng rỗng có dạng
hình côn hoặc elip, bó dây lồng vào hộp, các sợi thép được tách riêng rẽ, có
thể uốn móc câu (hình 1.10) tạo mũ ở đầu sợi hoặc nhúng vào dung dịch rửa
sạch, đảm bảo dính kết tốt với kẽm.






Công việc tách dây phải đảm bảo rất cả các sợi đều được tắm trong hợp
kim nóng chảy. Hợp kim đúc neo có thành phần chính là kẽm (Zn), 9-11%
nhôm (Al) và 1-2% đồng (Cu) được nung nóng ở nhiệt độ 400-480
o
C. ở nhiệt
độ này thép bị nung nóng làm thay đổi tính chất cơ lý, đặc biệt giảm khả năng
chịu mỏi của bó dây.
1.3.4 Neo bó dây gồm các thanh song song
Hệ neo các bó dây gồm các thanh thép đặt song song được Dywidag
thực hiện vào cầu Hoechst qua sông Rhin ở Đức. Bó dây gồm các thanh thép
d=16mm đặt song song trong một ống thép. Đầu các thanh thép được tạo mũ
và neo sau một bản neo, sau khi lắp đặt và căng kéo xong, trong lòng ống
được bơm vữa xi măng. Nhược điểm cơ bản của hệ neo Dywidag là không có
khả năng thay thế và vi chỉnh chiều dài trong quá trình khai thác (hình 1.11)

Hình 1.10 Neo đúc hợp kim


26







1.3.5 Neo các bó dây có sợi song song
Bó dây có các sợi song song được dùng nhiều trong kết cấu BT (bê
tông) ứng suất trước và cũng được áp dụng cho cầu dây văng. Ưu điểm cơ
bản của bó dây các sợi song song là khả năng chịu lực và môđun 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 bó dây các sợi song song được E. Freyssinet kiến nghị áp dụng từ
năm 1928 cho kết cấu BT ứng suất trước. Neo bao gồm một khối neo có lỗ
âm và chốt dương dạng hình côn, các dây khi chịu kéo bị kẹp giữa chốt và ổ
neo. Khi gặp các bó lớn thì kích thước neo phát triển rất nhanh, đồng thời
chốt neo hình côn dễ làm dây bị trượt khi chế tạo không chính xác. áp dụng
và cầu dây văng, Stalhton (Thuỵ sỹ) và Prescon (Mỹ) đã khắc phục nhược
điểm trên bằng cách tạo mũ ở đầu các sợi và neo sau một bản neo.
Dưới đây giới thiệu một số loại neo thông dụng của một số hãng chế tạo để
nắm được nguyên tắc cấu tạo cơ bản và tham khảo trong quá trình nghiên cứu
chế tạo áp dụng.
- Neo BBRV (Thuỵ sỹ) (xem [8, tr.113])
Neo BBRV của Thuỵ sỹ dùng để neo một bó các sợi thép đặt song song
đầu tạo mũ có khả năng chịu tải lớn hơn cường độ dây. Tuy nhiên đầu neo tạo

Hình 1.11 Neo bó dây gồm các thanh song song