Trong một buổi chia sẻ với các kỹ sư cầu của CHODAI & KISO-JIBAN VIỆT NAM PGS.TS Tống Trần Tùng đã có bài chia sẻ hết sức quý giá về tuổi thọ và các hư hỏng các hệ cáp cầu dây văng. CKJVN xin được trích dẫn, đăng tải và chia sẻ tới bạn đọc cùng tham khảo.
I. Đặt vấn đề
Cầu dây nói chung xuất hiện khá lâu đời, còn cầu dây văng hiện đại thì cũng đã có lịch sử phát triển hơn một thế kỷ. Hệ dây cáp chịu lực bao gồm cả hệ neo tương ứng của các loại cầu này ngày càng được các chuyên gia và các hãng chế tạo hoàn thiện cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo vật liệu nhằm đáp ứng các yêu cầu về chịu lực, biến dạng, dao động, ổn định khí động, thuận tiện khi lắp dựng, căng kéo. Tuy vậy, vấn đề ngăn chặn các rủi ro gây ra hư hỏng hệ dây cáp dẫn đến nguy cơ sụp đổ cầu trong quá trình khai thác sử dụng, vấn đề đảm bảo tuổi thọ dự kiến của hệ dây cáp sao cho tương ứng với tuổi thọ thiết kế của cây cầu vẫn là những vấn đề luôn được chú ý đặc biệt.
Cầu Nhật Tân Hà Nội
Biện pháp cấu tạo, chế tạo nhằm bảo vệ chống các tác nhân gây ăn mòn đối với các sợi cáp (wires) nằm trong tao cáp, trong bó cáp (strand) và trong kết cấu neo cũng như nhằm ngăn chặn sự xuất hiện các ứng suất tập trung làm giảm độ bền mỏi của sợi cáp, của tao cáp, của bó cáp là những vấn đề đã được đặc biệt chú trọng để loại trừ các rủi ro này và nâng cao được tuổi thọ của hệ dây cáp. Chính vì vậy, trong nhiều thập kỉ qua, các hãng chế tạo thép cáp lâu đời trên thế giới như Freyssinet, BBR, Dywidag, VSL,Vorspanntecnik, Tata Steel… và gần đây như Nippon Steel, Kobe Steel, OVM, FASTEN, SPCC luôn tập trung nghiên cứu để đưa ra các hệ cáp hoàn thiện hơn nhằm thỏa mãn các yêu cầu này [1], [2], [3], [6].
Cầu Trần Thị Lý Đà Nẵng
II. Các hệ cáp và neo thông dụng.
Hiện nay trên thế giới, các loại cáp chịu lực thông dụng được chế tạo từ các sợi cáp có đường kính 5mm, 7mm và có khi lên tới 13,5 mm. Các bó cáp thuộc các hệ cáp và neo khác nhau dùng cho cầu treo dây võng thường được tổ hợp từ các sợi cáp 5mm, còn dùng cho cầu dây văng thường từ sợi cáp 7mm. Tại các nhà máy với các thiết bị chuyên dùng, các sợi cáp cùng với hệ neo tương ứng có thể được tổ hợp thành bó cáp (cáp chế tạo sẵn) hoặc thành tao cáp (sau đó tổ hợp các tao cáp thành bó cáp tại công trường). Các hệ thống cáp và neo thông dụng hiện nay trên thế giới có thể phân thành 4 loại chính:
- Bó cáp sợi xoắn (spiral strand, helical strand HSC)
- Bó cáp cuộn tự khóa chặt (locked coil strand LCSC)
- Bó cáp gồm các tao cáp song song (parallel strand system PSS)
- Bó cáp gồm các sợi cáp song song (parallel wires strand PWS)
1. Bó cáp sợi xoắn HSC
Bao gồm các sợi thép quấn quanh một lõi thép được mạ kẽm có đường kính khá lớn. Để có được đường kính cần thiết của bó cáp, các sợi thép này được quấn thành nhiều lớp theo kiểu quấn lò xo, các lớp có chiều quấn ngược nhau. Phương pháp quấn bó cáp theo cách này làm tăng được khả năng chịu kéo đứt của bó cáp nhưng lại làm giảm mô đun đàn hồi của bó cáp so với các hệ cáp khác. HSC được sử dụng nhiều ở nước Anh và được các hãng thép như Tatasteel của Anh và Ấn độ sản xuất
2. Bó cáp cuộn tự khóa chặt LCSC
Gồm các sợi thép có mặt cắt chữ Z hoặc mặt cắt hình thang xếp cài khít vào nhau thành những lớp bao quanh các sợi thép tròn được mạ kẽm. LCSC đã được sử dụng khá lâu đời ở châu Âu, ở Nhật Bản. Hệ thống cáp này có độ cứng lớn do được khóa chặt vào nhau, khả năng chống biến dạng, chống võng tốt nhưng khả năng chống ăn mòn bị hạn chế nên đến nay đã có những khuyến cáo không nên sử dụng cho công trình cầu [5].
3. Bó cáp gồm các tao cáp chế tạo sẵn, xếp song song PSS
Được tạo thành bó cáp trong quá trình dựng lắp và căng kéo từng tao đơn tại công trường là loại thường được lựa chọn sử dụng cho cầu dây văng. Tao cáp được sản xuất thành thương phẩm tại nhà máy của hệ PSS này thường gồm 7 sợi thép có đường kính 7 mm mạ kẽm xoắn chặt vào nhau với bước xoắn khá dài và được bọc bằng vỏ poly ethylen mật độ cao HDPE. Hệ thống cáp và neo PSS được hầu hết các hãng chế tạo cáp như Freyssinet, VSL (Pháp), BBR (Thụy Sĩ, Đức), Vorspann Technik (Áo), OVM (Trung Quốc)… tập trung nghiên cứu hoàn thiện nhằm tăng khả năng chống mỏi, giảm rủi ro do ăn mòn, nâng cao tuổi thọ sử dụng, đơn giản khi thi công lắp đặt, căng kéo hoặc thay thế.
4. Bó cáp gồm các sợi cáp song song chế tạo sẵn PWS
Cùng hệ neo tương ứng được sử dụng đầu tiên từ cuối thế kỉ 19 cho cầu dây võng, sau đó cho kết cấu bê tông dự ứng lực (thường được gọi là neo đầu tù, sau đó Liên Xô cũ đã nghiên cứu đưa ra kiểu neo Karobkin, căng kéo cả bó và dùng các nêm hình móng ngựa để giữ lực căng sau khi căng kéo). PWS được sử dụng cho cầu dây văng được nghiên cứu và sử dụng đầu tiên là hệ thống cáp và neo HiAm của hãng BBR (Thụy Sĩ) xuất hiện vào những năm bảy mươi của thế kỉ trước. Bó cáp này gồm các sợi thép cán nóng, bọc bằng ống PE, đầu tiên bơm vữa xi măng, về sau là epoxy để chống rỉ. Năm 1980, các hãng Nippon Steel, Kobe Steel của Nhật đã cải tiến phương pháp chế tạo bằng cách ép trực tiếp vỏ bọc PE lên các bó sợi cáp để tạo ra bó cáp không còn khoảng trống giữa các sợi cáp và cho ra đời loại bó áp song song chế tạo sẵn thế hệ mới NPWS (new parallel wires strand). Đến năm 1990 các hãng FASTEN, SPCC của Trung Quốc bắt đầu chế tạo các bó cáp hệ này.
(Còn tiếp trong bài viết tiếp theo Phần III. Những đặc điểm chính của các hệ PSS, PWS và NPWS)
3.1. Về độ bền mỏi.
3.2. Về khả năng chống rỉ
3.3 Về sự cố trong quá trình thi công, lắp dựng cáp.
3.4. Về tuổi thọ của neo
3.5. Ứng suất trong cáp do uốn tại vùng neo
3.6. Vận chuyển và thi công nâng, kéo căng cáp
3.7. Đường kính bó cáp.
3.8. Thay thế cáp.
3.9. Vấn đề kiểm tra, quan trắc trong quá trình bảo trì khai thác
CKJVN Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong bài viết “TUỔI THỌ VÀ RỦI RO HƯ HỎNG CỦA CÁC HỆ CÁP CẦU DÂY VĂNG – Kỳ 2”
Tài liệu tham khảo:
[1] Recommendation for stay cable design, testing and installation. PTI 2007
[2]. Freyssinet: Stay Cables System: PSS versus PWS 2005
[3]. VSL: Comparative study Strand stay cable / PWS stay cable. 2012
[4]. VSL: Ching Chau Min Jiang Stay Cable Bridge: stay cable replacement, May 2002
[5] Tatasteelconstruction.com
[6] Prof. Eiichi Watanabe, Kyoto University: On longeviti and monitoring technology of infrastructures – A Survey Study by Japanese Society of Steel Construction, lecture at International Association of Bridge Maintenance and Safety (IABMAS), Philadelphia 14/7/2010
