Bài viết giới thiệu một số giải pháp kháng gió theo phương pháp khí động học được sử dụng cho dây cáp cầu dây văng và dây võng nhịp lớn tại Nhật Bản. Bài viết mang tính chất giới thiệu với bạn đọc các thông tin tham khảo và tác giả rất mong nhận được các ý kiến và thông tin bổ sung.
1. Mở đầu
Đối với cầu nhịp lớn, chi phí cho dây cáp rất lớn, chiếm một tỉ lệ phần trăm khá cao (tù 20-30% của tổng kinh phí toàn cầu. Do vậy, vấn đề chống dao động, cho dây cáp (trong cả cáp văng và cáp võng) rất quan trọng, vì nó làm giảm khả năng phá hoại mỏi của dây cáp.
Phương pháp kháng gió cho dây cáp trong các cầu nhịp lớn gồm có hai hoại: phương pháp kháng gió cơ học và phương pháp kháng gió khí động học. Phương pháp kháng gió cơ học thường được sử dụng như (1) tăng khôi lượng của kết cấu (không áp dụng đối với dây cáp), (2) tăng độ cứng của kết cấu, (3) tăng độ giảm chấn của kết cấu. Đây là phương pháp sử dụng các bộ tắt dao động. Còn phương pháp kháng gió khí động học là phương pháp thay đổi tiết diện, hình dạng bề mặt kết cầu nhằm làm thay đổi sự tác động của gió lên công trình.
Bài viết dưới đây giới thiệu một số giải pháp kháng gió khí động học và cơ học được sử dụng cho cầu dây văng và dây võng nhịp lớn trên tuyến đường Honshu-Shikoku, khu vực tập trung nhiều cầu dây văng và dây võng được thiết kế trong 40 năm gần đây tại Nhật Bản.
2. Giải pháp kháng gió khí động học cho cáp treo cầu Akashi Kaikyo
Cầu Akashi kaikyo có nhịp giữa dài 1991m, là cầu dây võng có nhịp dài nhất trên thế giới hiện nay. Trong quá trình thi công lắp đặt cáp, người ta phát hiện ra hiện tượng dao động giật tại dây cáp treo.
Dao động giật là hiện tượng dao động của dây cáp treo phía sau dưới tác dụng biến đổi của áp suất luồng khí phái sau dây cáp treo phía trước.
Một điều đáng chú ý là hiện tượng dao động giật này không xảy ra đối với các dây cáp treo (dạng xoắn) được xây dựng trước ó như cầu Minami Bisan Seto trong hình 2.
Việc tiến hành giải pháp kháng gió cho dây cáp trên của cầu Akashi kaikyo được tiến hành bắt đầu từ tháng 5/1999 và được kéo dài cho đến cuối mùa bão (khoảng tháng 9 – tháng10). Người ta lựa chọn giải pháp kháng gió khí động học để giải quyết vấn đề này.
Các sợi dây cáp treo ở cầu Akashi Kaikyo không phải là sợi dây cáp xoắn thường được sử dụng như ở các cầu khác mà là sợi dây nhẵn song song được phủ bằng lớp nhựa polyetylen nhằm làm tăng độ bền. Sợi dây cáp nhắn này có tiến diện hình tròn, đường kính 87mm, tại mỗi điểm treo được bố trí cách nhau 9D (D là đường kinh của dây cáp treo = 87mm)
Ban đầu khi phát hiện hiện tượng dao động giật xảy ram đơn vị thi công đã lắp các bộ tắt dao động kết nối hau dây cáp treo lại. Tuy nhiên, một phần bộ tắt dao động này đã bị phá hoại bởi trận bão số 7 năm 1998.
Để đưa ra giải pháp toàn diện cho hiện tượng này, người ta đã tiến hành các thí nghiệm tại hiện trường và kết hợp với thí nghiệm khí động học. Giải pháp được đưa ra là sử dụng các dây cáp có đường kính 10mm quấn xung quanh 720 dây cáp treo này. Khoảng cách giữa các dây cáp xoắn này là 80cm (Hình 3)
Đây là lần đầu tiên, hiện tượng dao động giật đối với các dây cáp treo song song được phát hiện và là hiện tượng không được dự tính trong quá trình thiết kế. Ta có thể thấy một điều thú vị rằng việc áp dụng các giải pháp mới lại nhằm đưa hình dây cáp áp dụng kỹ thuật hiện đại (dây cáp nhẵn) trở về dạng dây cáp xoắn trước kia.
Sau khi giải pháp kháng giao này được áp dụng, hiện tượng dao động giật được ghi nhận là không còn xảy ra đối với các dây cáp treo nữa.
3. Giải pháp kháng gió cho cáp xiên song song
Hiện tượng dao động giật cũng xảy ra đối với các dây cáp xiên song song trong cầu dây văng 2 nhịp liên tục Seto (được hoàn thành năm 1988, có nhịp giữa là 420m). Đường kính các dây cáp xiên song song là 147-187mm. Khoảng cách giữa các dây cáp xiên là 2.5-5.5D (D là đường kính dây cáp). Đây là dạng dây cáp PWS (dây cáp có các sợi song song) có bọc lớp nhựa Polyethylene, có tiêm keo epoxy.
Khi hiện tượng dao động giật được phát hiện, người ta sử dụng các dây liên kết (nối 2 cáp song song – spacers) và cáp liên kết (nối nhiều cáp xiên lại – connectiopn ropes) như hình 1. Tuy nhiên, lúc này lúc này các điểm kết nối trở thành các nút, các dây cáp dài bị chia nhỏ thành các đoạn dây cáp nhỏ hơn, và hiện tượng dao động tiếp tục xảy ra (dù nhỏ hơn). Sau một thời gian sử dụng, một số cáp liên kết bị đứt do phá hoại mỏi và phải thay thế.
Hình 5 mô tả vị trí của các dây cáp liên kết (đường liền nét), và vị trí của dây liên kết (đường đứt). Đường màu đỏ mô tatr hiện tượng dao động riêng của các dây cáp mà tại đó vị trí liên kết trở thành cách nút của dao động.
Giải pháp kháng gió tương tự như đối với cáp treo cầu Akashi đã được áp dụng. Các cáp xoắn (herical wire) quấn xung quanh các dây cáp xiên, sau khi được kiểm tra tại thí nghiệm khí động học và hiện trường, đã được áp dụng (Hình 8).
Ta có thể thấy, việc sử dụng tổng hợp cả hai phương pháp kháng gió khí động học bà kháng gió cơ học đã được ử dụng trong trường hợp này.
Giải pháp sử dụng các cáp liên kết tuy có tác dụng làm hạn chế ở mức tối đa các dao động của dây cáp, tuy nhiên cần phải chú ý một số yêu tố sau:
- Việc lắp ráp ở bảo dưỡng gặp nhiều khó khăn vì phải thi công lắp ráp ở không gian trên cao. Bên cạnh đó, cần phải tính đến yếu tố thẩm mỹ (vị trí bố trí cáp, đường kính cáp) bên cạnh yêu tố kỹ thuật khi sử dụng dây cáp liên kết
- Các dây liên kết phải được tính toán sao cho khi các dây cáp dao động, lực căng của dây liên kết phải luôn lớn hơn 0. Trong trường hợp dây bị chùng, khi các dây cáp xiên dao động ngược lại sẽ làm cho cáp liên kết bị căng đột ngột. Hiện tượng này sẽ dẫn đến phá hoại mỏi tại các dây cáp liên liên kết
- Phương pháp sử dụng các dây cáp liên kết bên cạnh tác dụng hạn chế dao động giật, còn được sử dụng như một trong các giải pháp để hạn chế các dao động liên hợp xảy ra. Dao động liên hợp là dạng dao động cộng hưởng của dây cáp xảy ra khi dầm cầu hoặc tháp cầu dao động dưới tác dụng của gió. Tuy nhiên, một đặc điểm cần phải chú ý là các dây cáp liên kết làm tăng độ cứng và hạn chế dao động của dây cáp, nhưng đồng thười cũng làm tăng độ ảnh hướng của dây cáp lên toàn cầu và do đó làm biên độ dao động thẳng đứng của hệ dầm cao hơn so với khi chưa lắp cáp liên kết
Hiện nay, cả hai phương pháp kháng gió gồm phương pháp kháng gió kết cấu (sử dụng cáp liên kết) và phương pháp kháng gió khí động học (sử dụng cáp xoắn) đang dược đồng thời sử dụng và kiểm nghiệm. Các chi phí tổng thể cho cả quá trình sử dụng (Life cycle cost) cũng đang được đánh giá để đưa ra giải pháp thích hợp mang tính kinh tế cao nhất.
4. Giải pháp kháng gió cho cáp xiên cầu Tatara
Cầu Tatara được hoàn thành ngày 1/5//1999, là cầu dây văng lớn nhất thế giới hiện nay với nhịp giữa dài 890m.
Là một trong số những cây cầu “sinh sau, đẻ muôn” trên tuyến đường Honshu-Shikoku, cầu Tatara thừa hưởng rất nhiều yếu tố kỹ thuật hiện đại được phát triển từ các cầu khác trên cùng tuyến.
Ở đây, bên cạnh việc bố trí các tắt dao động cao su có tính nhớt tại chân cáp, nhằm hạn chế tác động cuộn xoáy tác động vào dây cáp, cáp treo, …người ta tạo ra độ nhám trên bề mặt dây cáp, khiến cho các cuộn cáp không hề xuất hiện một cách có chu kỳ, và do đó, khó tạo ra hiện tượng dao động cộng hưởng.
Đối với trường hợp cầu Tatara, các dòng nước mưa ổn định chạy dọc theo dây cáp là nguyên nhân gây ra hiện tượng dạo dộng do mưa – gió. Do đó, để cản trở tính ổn định của dòng nước mưa, người ta bố trí các vết lõm ngẫu nhiên trên bề mặt cáp. (Hình 11)
Bên cạnh phương pháp sử dụng nốt gồ nhắm này, các phương pháp như sử dụng thanh gờ nồi chạy dọc dây cáp được sử dụng tại cầu Higashi-Kobe (hình 12) hoặc các đường lõm chạy dọc dây cáp như tại cầu Yuge(Hình 13)
5. Lời kết
Bài viết này giới thiệu các phương pháp kháng gió khí động học kết hợp cơ học đã được sử dụng tại dây cáp các cầu nhịp lớn trên tuyến Honsku shikoku (Nhật Bản). Việc sử dụng các giải pháp kỹ thuật cần được căn cứ vào điều kiện tự nhiên , phân tích kỹ thuật và thí nghiệm khí động học
Xin cảm ơn bài viết của Mr.Hồ Thái Hùng – Tổng giám đốc Công ty TNHH Chodai & Kiso – Jiban Việt Nam
Với mong muốn chọn lọc và truyền tải những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn hữu ích nhất đến đông đảo bạn đọc để lan toả kho tàng tri thức rộng lớn. Tiếp nối sau bài viết kỳ này, Ban biên tập sẽ chia sẻ rộng rãi đến bạn đọc thêm rất nhiều các bài viết chuyên đề tương tự.
Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo!
Tư liệu tham khảo:
- Hồ Thái Hùng, Uneo Takeshi: Sơ lược thiết kế sức kháng gió và giải pháp thực tiễn sức kháng gió cho cầu nhịp lớn ở Nhật Bản, Tạp chí cầu đường, 2006, số 6, trang 44-52
- Newsletter on Long – span bridges, Honshu Shikoku bridge Expressway Company Limited,
No 1, June 1999 - Newsletter on Long – span bridges, Honshu Shikoku bridge Expressway Company Limited,
No. 27 Sept 2006 - Web: http://www.yokogawa – bridge.co.jp
- Michael Virlogeux: Cable vibration in cable stayed bridge, High performance stay cable system conference, Tokyo April 2, 2004, p. 45
- Hitoshi Yamada: Control of wind – induced cable vibrations from a viewpoint of the wind resistant design of cable – stayed bridge, trang web trường ĐHQG Yokohama.
- Quy trình thiết kế kháng gió Nhật Bản
