Trong bài viết kỳ trước CHODAI & KISO-JIBAN VIỆT NAM đã gửi tới bạn đọc Kỳ 1 bài viết ” TUỔI THỌ VÀ RỦI RO HƯ HỎNG CỦA CÁC HỆ CÁP CẦU DÂY VĂNG” của PGS.TS Tống Trần Tùng. Hôm nay, CKJVN xin tiếp tục gửi tới độc giả bài viết Kỳ 2, ở Kỳ 1 chúng ta đã điểm qua “Các hệ cáp và neo thông dụng”. Kỳ này chúng ta sẽ đi vào tìm hiểu “Những đặc điểm chính của các hệ PSS, PWS và NPWS”, xin mời các bạn cùng đọc và chia sẻ:
III. Những đặc điểm chính của các hệ PSS, PWS và NPWS
3.1. Về độ bền mỏi.
Mặc dầu thép cáp có cường độ kéo đứt của vật liệu xấp xỉ nhau (1770Mpa – 1860 Mpa) nhưng độ bền mỏi của hệ PSS cũng chính là độ bền mỏi của từng sợi cáp do tránh được hiệu ứng cọ xát giữa chúng nên có thể đạt đến 300Mpa, trong khi đó, độ bền mỏi của hệ PWS hay NPWS chỉ được xác định cho cả bó cáp theo yêu cầu kỹ thuật của nhà sản xuất và chúng có giới hạn mỏi từ 180Mpa đến 250MPa tùy thuộc bên trong ống cáp được bơm vữa xi măng, epoxy hay tráng kẽm. Nguyên nhân của sự giảm cường độ mỏi của hệ PWS hoặc NPWS là do các sợi cáp tiếp xúc cọ xát lên nhau [2], [3].
3.2. Về khả năng chống rỉ
Do bó cáp PWS hoặc NPWS được chế tạo đảm bảo trong ống PE không có khoảng trống giữa các sợi cáp nhưng đường kính bó cáp lại khá lớn nên khi nhiệt độ thay đổi sẽ tạo ra áp lực làm cho vỏ bọc PE bị nứt, do vậy độ bền thực tế của ống PE khi bị nứt sẽ không đạt được như lý thuyết (với PE thông thường thì độ bền lý thuyết là 25 năm, còn nếu sử dụng các chất phụ gia đặc biệt thì độ bền lý thuyết là trên 75 năm). Khi ống PE bị nứt, nước sẽ chảy vào bên trong bó cáp và theo chu kỳ thay đổi của nhiệt độ, cáp sẽ ứng xử như một máy bơm không khí, giúp nước xâm nhập vào bó cáp ngày càng nhiều hơn làm cho cáp nhanh rỉ. Hiện tượng này đã xảy ra trên khá nhiều công trình, nhất là ở Trung Quốc (ví dụ cầu Jiujiang phải thay cáp sau 9 năm, cầu Chienwei ở Tứ Xuyên sau 13 năm…) [2]. Một số nhà sản xuất cáp PWS đã nghiên cứu khắc phục hiện tượng này bằng các biện pháp như sử dụng sợi cáp được mạ điện chế tạo sẵn bọc trong ống PE, còn khoảng trống được lấp đầy bằng mỡ hoặc sáp hoặc dùng chất độn là than đá trộn epoxy hoặc epoxy, hoặc bằng polyurethane những việc ngăn chặn tác hại của nước thấm vào gây rỉ cũng bị hạn chế. Đối với bó cáp hệ PSS thì nguy cơ tạo áp lực gây nứt ống vỏ PE khi nhiệt độ môi trường thay đổi cũng thấp hơn nhiều so với hệ PWS hay NPWS.
Mặt khác, việc sử dụng PE làm vỏ bọc ép sát các sợi cáp với nhau là không phù hợp với các quy định về thiết kế, thí nghiệm và lắp đặt cáp của Viện căng kéo cáp PTI [1] cũng như khuyến cáo của Liên đoàn quốc tế về bê tông ứng suất trước FIB.
Trong khi đó, việc sử dụng các biện pháp hoặc vật liệu chống gỉ cho cáp đối với hệ PSS dễ dàng hơn nhiều nhờ khoảng trống giữa các tao cáp trong ống PE nên có thể bơm vào bên trong vỏ bọc PE các chất chống rỉ, bảo vệ cáp 2 đến 3 tầng cả đối với từng sợi cáp có mỡ chống rỉ ở bên trong ống HDPE cũng như cả bó cáp bên trong ống PE. Do vấn để rỉ của cáp là vấn đề rất quan trọng đối với tuổi thọ của cầu dây văng nói riêng và cầu hệ dây nói chung nên hiện nay, các nhà khoa học cùng với các hãng chế tạo cáp đã bổ sung biện pháp chủ động phòng chống gỉ cho cáp bằng cách bố trí thiết bị thổi khí nóng khô vào trong bó cáp cũng như trong lòng dầm chủ và trụ tháp của cầu dây văng [6]. Giải pháp này chỉ có thể tiến hành đối với hệ PSS vì trong lòng bó cáp thuộc hệ PWS hoặc NPWS không có khoảng trống cho dòng không khí khô này di chuyển.
3.3 Về sự cố trong quá trình thi công, lắp dựng cáp.
Nguy cơ gây hư hỏng cục bộ hay nứt vỏ bọc bó cáp hệ PWS hoặc hệ NPWS trong quá trình thi công cáp cũng lớn hơn so với hệ PSS (ảnh 1) do trọng lượng bó cáp chế tạo sẵn khá lớn, phải dùng các thiết bị thi công lắp đặt có sức nâng lớn hơn nhiều, 3 đến 20 lần so với lắp đặt hệ PSS. Nếu bó cáp PWS hay NPWS bị nứt, hỏng khi thi công thì phải thay toàn bộ bó cáp, trong khi với bó cáp PSS thì chỉ cần thay những tao cáp bị hỏng hoặc sửa cục bộ vỏ bọc. Do cáp PWS sản xuất tại nhà máy nên tiến độ khắc phục hư hỏng, khắc phục sự cố lúc đó lại còn phụ thuộc vào tiến độ của nhà cung cấp cáp PWS. Điều này sẽ dẫn đến nguy cơ chậm hoặc phá vỡ tiến độ thi công của toàn công trình.
3.4. Về tuổi thọ của neo
Do đặc điểm cấu tạo neo của hệ PWS, NPWS nên các ống PE bảo vệ neo không hoàn toàn gắn liền với bó cáp. Vì vậy, nước có thể xâm nhập qua khe hở vào bên trong ống PE, nhất là khi nhiệt độ không khí giảm xuống thấp. Ngoài ra, liên kết giữa ống PE và đế neo của PWS hoặc NPWS khó đảm bảo độ bền cao do ống PE bị co dãn khi nhiệt độ thay đổi và nhạy cảm với bức xạ tia cực tím làm suy giảm độ bền. Những nguyên nhân này sẽ làm giảm tuổi thọ của neo nếu công việc bảo trì không được chú trọng, nhất là đối với điều kiện khí hậu nhiệt ẩm.
Ảnh 1.Nứt vỏ bọc bó cáp PWS trong khi thi công [2]
3.5. Ứng suất trong cáp do uốn tại vùng neo
Đoạn bó cáp PWS hay NPWS gần neo khi chịu uốn sinh ra ứng suất nén uốn (σB) có trị số gần bằng ứng suất kéo căng (σT) (khoảng 500 Mpa, lớn hơn nhiều cường độ giới hạn mỏi 200Mpa), do vậy phải có biện pháp xử lý để ngăn sự phá hoại do mỏi của cáp tại vùng neo [2].
3.6. Vận chuyển và thi công nâng, kéo căng cáp
PWS và NPWS đòi hỏi thiết bị vận chuyển có kích thước và trọng tải lớn do kích thước ru lô để cuộn cáp và trọng lượng các cuộn cáp này lớn hơn nhiều so với PSS. Việc thi công nâng, kéo căng cáp trên công trường đối với PWS và NPWS đòi hỏi trình độ chuyên môn cao hơn, thiết bị cẩu lắp lớn hơn, công tác định vị yêu cầu cao hơn và thiết bị kích căng kéo lớn hơn so với thi công PSS. Các thiết bị này có thể nặng gấp từ 3 đến 20 lần. Có thể khẳng định rằng việc lắp dựng cáp hệ PSS dễ dàng và đơn giản hơn nhiều so với hệ PWS và nguy cơ xảy ra sự cố khi lắp dựng đối với hệ PWS cũng lớn hơn. Một số bó cáp NPWS bị hư hỏng trong quá trình cẩu lắp, định vị ở cầu Nhật Tân phải thay thế là một ví dụ.
Ảnh 2: Cầu Nhật Tân – Hà Nội
3.7. Đường kính bó cáp.
Với cùng điều kiện chịu lực tương đương thì bó cáp PWS và NPWS có đường kính bé hơn, do đó ứng xử với gió động cũng như gió tĩnh tốt hơn so với PSS. Đây là ưu điểm nổi trội của PWS hoặc NPWS so với PSS. Tuy nhiên, tổ hợp tải trọng có xét đến tác động của gió tĩnh ít khi là tổ hợp quyết định, mà nếu có thì phần áp lực gió tĩnh tăng lên do đường kính cáp lớn hơn cũng không nhiều. Còn ổn định khí động cục bộ và tổng thể của cầu dây văng cũng ít phụ thuộc vào đường kính cáp văng, hơn nữa, giải pháp khắc phục hiện tượng mất ổn định khí động của cầu dây văng thông thường rất đơn giản, chi phí không đáng kể.
3.8. Thay thế cáp.
Việc thay thế cáp đối với bó cáp PWS hay NPWS phụ thuộc hoàn toàn vào nhà cung cấp bó cáp và không thể đáp ứng ngay vì phải sản xuất đơn chiếc. Khi một bó cáp PWS hay NPWS của cầu dây văng bị sự cố, dù chỉ là vỏ cáp bị nứt, bị hư hỏng hay một vài sợi cáp trong bó cáp bị đứt là bắt buộc phải thay bằng cả bó cáp mới khác, trong khi đó, đối với bó cáp PSS, phần nào hỏng, bộ phận nào hỏng hay tao cáp nào bị đứt thì chỉ cần khắc phục hay thay thế riêng bộ phận hay tao cáp bị đứt đó mà thôi. Các tao cáp này đã trở thành thương phẩm nên hoàn toàn có thể được cung cấp ngay để đảm bảo tiến độ thi công của công trình. Thực tế sự cố cầu Bính vừa qua đã chứng tỏ điều này. Trong khi 2 bó cáp bị hư hỏng nhẹ của cầu Bính cần thay thế nếu là bó cáp hệ PSS thì chỉ cần kiểm tra và xác định được vỏ cáp bị hư hỏng hay sợi cáp nào bị đứt thì chỉ cần thay thế các bộ phận riêng rẽ này và do đó, giá thành sửa chữa sẽ thấp hơn nhiều so với việc phải thay thế toàn bộ 2 bó cáp thuộc hệ NPWS này. Hai bó cáp NPWS mới để thay thế hai bó cáp bị hỏng này phải đặt hàng vì chúng được chế tạo tại Nhật. Trong khi đó nếu 2 bó cáp này thuộc hệ PSS thì chỉ cần kiểm tra khả năng chịu lực của từng tao cáp và nếu có tao nào suy giảm khả năng chịu lực thì mới phải loại bỏ và thay mới cho tao đó. Việc khắc phục hai cáp văng hệ PSS bị sự cố trong khi thi công cầu Ching Chau Min Jiang ở thành phố Fuzhou, Trung Quốc đã được thực hiện theo cách này, trong đó bó cáp C20E vỏ bọc bị xé rách và có 3 tao cáp qua kiểm tra bị suy giảm khả năng chịu lực đã được thay bằng 3 tao cáp mới và thay vỏ bọc, còn bó cáp C19E chỉ bị xây xát vỏ bọc được sửa chữa cục bộ tại chỗ bị xây xát [4]. Cách khắc phục này là không thể thực hiện đối với bó cáp hệ PWS hay NPWS.Việc bắt buộc phải thay thế đồng bộ cả 2 bó cáp đối với cầu Bính là một minh chứng cho vấn đề này.
Ảnh 3. Cáp văng PSS bị va hỏng trong khi thi công cầu Ching Chau Min Jiang ở Fuzhou, Trung Quốc[4]
Cáp số C20E bị xé vỏ bọc và đứt 3 tao cáp
Ảnh 4. Cáp văng PSS bị va hỏng trong khi thi công cầu Ching Chau Min Jiang ở Fuzhou, Trung Quốc[4]
cáp số C19E (phía trên) bị xây xát nhẹ
3.9. Vấn đề kiểm tra, quan trắc trong quá trình bảo trì khai thác
Nếu như đối với hệ PSS, việc kiểm tra lực căng trong bó cáp bằng mắt thường có thể thực hiện được bằng cách nới lỏng một tao cáp hoặc gắn các thiết bị để đo lực căng trong từng tao cáp trong khi việc này là không thể đối với bó cáp PWS. Với các bó PWS hay NPWS chỉ có thể tiến hành đo lực căng trong cả bó cáp với các thiết bị đo có kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước của thiết bị đo lực cho từng tao cáp riêng rẽ. Việc lắp đặt các thiết bị quan trắc ứng xử của cáp văng loại PWS, NPWS sau khi cầu đã đưa vào khai thác do vậy cũng khó khăn và tốn kém hơn.
IV. Kết luận
Vấn đề tuổi thọ của cáp cầu dây văng phụ thuộc không những vào khả năng chịu mỏi, cường độ mỏi của sợi cáp, tao cáp hay bó cáp mà còn phụ thuộc vào biện pháp chống ăn mòn hữu hiệu của cấu tạo và công nghệ chế tạo, dựng lắp và căng kéo bó cáp, tức là phụ thuộc vào hệ cáp. Trong điều kiện nhiệt ẩm, khí hậu ven biển có các yếu tố ăn mòn cao ở nước ta thì cần phải chú trọng đến đặc điểm này khi quyết định lựa chọn hệ cáp cho cầu dây nói chung và cầu dây văng nói riêng. Trong việc quản lý, bảo trì, khai thác cầu dây văng cũng cần đặc biệt lưu ý đến những đặc điểm đã được nêu trên của cáp văng để có được những biện pháp can thiệp đúng đắn và kịp thời nhằm bảo đảm được độ bền khai thác của cáp văng nói riêng và cây cầu nói chung thỏa mãn tuổi thọ thiết kế đã đề ra và ngăn chặn được những hư hỏng, sự cố có thể xảy ra.
CKJVN xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Tống Trần Tùng đã chia sẻ những kiến thức và kinh nghiệm về các hệ cáp cầu dây văng cho các kỹ sư cầu đường Chodai Kiso-Jiban Việt Nam và độc giả.
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!
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
