Một Số Nội Dung Trong Thiết Kế Cáp Văng - Bộ Xây Dựng

1. Giới thiệu chung - Hệ thống sợi song song và hệ thống tao song song.

Trong 30 năm qua, chúng ta đã chứng kiến bước phát triển quan trọng trong công nghệ dây văng. Ban đầu, chúng là các tao cáp lớn hoặc cấu tạo bởi một hệ thống các tao tương đối lớn, hay tạo bởi các cuộn cáp vỏ cài được mạ nhúng hoặc sơn bảo vệ, với những nhược điểm lớn liên quan đến chi phí và theo kinh nghiệm là khả năng chống ăn mòn kém. Trong những năm 70, một công nghệ mới được phát triển sử dụng các sợi thông thường có đường kính 7 mm hoặc các tao đường kính 15 mm song song, được bơm vữa xi măng xen kẽ, bọc trong lớp vỏ làm bằng Polyethylene mật độ cao HDPE. Giải pháp này cũng tồn tại một số nhược điểm: đôi khi cho sức kháng mỏi của dây khá thấp và chủ yếu là các vấn đề đứt gẫy do ăn mòn.

Vữa xi măng đôi khi được thay thế bằng sáp dầu ví dụ như ở cầu Tampico và cầu Iroise, hoặc với một số trường hợp khác thì bằng nhựa epoxy ví dụ như cầu qua sông Ibi và Kiso. Tuy nhiên, hiện nay đã phát triển hai hệ thống hiện đại cạnh tranh trực tiếp với nhau.

Hệ thống thứ nhất đưa ra đầu tiên bởi Công ty Freyssinet từ cuối những năm 1980, theo đó các dây văng chế tạo từ các tao song song được bảo vệ độc lập: tao 7 sợi, tất cả các sợi được mạ kẽm nhúng nóng và được kéo trước, với lớp bọc ngoài bằng HDPE. Các tao 15 mm bọc bởi một ống nhựa bao ngoài, chủ yếu vì các lý do liên quan đến khí động học. Giải pháp này được gọi là Hệ thống tao song song Parallel Strand System - PSS, trong thực tế có thể tồn tại cùng với một số cải tiến khác.

Trong hệ thống thứ hai, được gọi là Hệ thống sợi song song Parallel Wire System - PWS, dây văng được cấu tạo từ các sợi mạ kẽm song song các sợi có thể được xoắn nhẹ để giữ ổn định, được bảo vệ bởi một lớp HDPE dày bao ngoài. Giải pháp này được đề ra từ hệ thống BBR Hi-Am phát minh trước đây đã lâu.

Ở phương Tây: Châu Âu và Mỹ, thực tế tất cả các dây văng chế tạo gần đây đều thuộc hệ thống PPS, còn hệ thống PWS được phát triển rất mạnh ở Nhật Bản, Trung Quốc. Việc phân tích điểm mạnh và điểm hạn chế của hai giải pháp này do vậy là thực sự rất cần thiết.

2. Lực kéo khí động học trong dây văng.

Do công nghệ đặc thù của hệ thống PSS, đường kính ngoài của dây văng theo hệ thống này sẽ lớn hơn đường kính của dây văng dạng PWS vốn có kết cấu đặc chắc hơn một chút. Sự khác biệt này chính là một lý do dẫn đến việc sử dụng hệ thống PWS cho một số cầu dây văng nhịp dài được xây dựng gần đây ở vùng Viễn Đông. Vân đề này đòi hỏi phải có một số phân tích cụ thể, bắt đầu từ việc xem xét lại các dữ liệu về hệ số kéo khí động học của dây văng.

2.1. Hệ số kéo khí động học của ống bọc cáp.

Lực kéo khí động học tác dụng lên một dây - cũng giống như trong các tài liệu khác- được tính bằng:1

Fd= ------- ρU2 DCd

2

trong đó, ρ là tỷ trọng của không khí 1.23 kg/m3, U là vận tốc gió, D là đường kính của cáp và Cd là hệ số giãn khí động học. Với dây hình trụ tròn truyền thống, hệ số này sẽ có giá trị khá cao ứng với giá trị nhỏ của vận tốc gió, hoặc chính xác hơn là của hệ số Reynolds:

UD

Re= --------

υ

trong đó, υ là độ nhớt của không khí, bằng 15.10-6 trong hệ MKSA, hệ số giãn khí động học bằng khoảng 1.20 trong vùng dưới giá trị tới hạn. Ứng với giá trị tới hạn của hệ số Reynolds thường nằm trong khoảng từ 2.105 đến 5.105, tuỳ thuộc vào độ nhăn của ống nhựa, hệ số giãn khí động học giảm xuống đột ngột và đạt tới giá trị khoảng 0.6 hoặc 0.5 hoặc thậm chí còn thấphơn trong vùng vượt quá giá trị tới hạn của hệ số Reynolds. Khi giá trị của hệ số Reynolds tiếp tục tăng lên, hệ số giãn khí động học cũng tăng lên và đạt đến giá trị ổn định trong vùng siêu tới hạn, phụ thuộc vào độ nhăn của ống.

Các dây văng truyền thống thường rơi vào vùng trên tới hạn khi chịu gió lớn cực hạn, tuy nhiên, hệ số giãn khí động học vẫn có thể tăng lên trong những trường hợp gió thông thường, khoảng 10 m/s, tức là ứng với vùng dưới tới hạn hoặc vùng tới hạn. Lực gió thường được tính với giá trị này bằng 0.70 thậm chí là 0.80 trong những phân tích rất thiên về an toàn để bao hết các yếu tố không xác định được do sự phát triển của độ nhăn vỏ ống bọc theo thời gian.

Với cầu Normandie, chúng tôi đã đánh giá ảnh hưởng giãn khí động học tổng thể trong dây văng với hệ số 0.65 với quan điểm: không thể xảy ra trường hợp tất cả các dây cùng rơi vào trạng thái rất lợi ở cùng thời điểm.

Các loại dây văng hiện đại đều được bọc trong vỏ hay đặt trong ống, được xử lý về hình dạng để làm giảm nguy cơ dao động dây do tác nhân mưa và gió. Các xử lý hình dạng này gây ảnh hưởng rõ ràng đến hiệu ứng giãn khí động học của dây và do đó, phải được nghiên cứu, xem xét.

Trong quá trình thi công cầu Normandie, Công ty Monberg & Thorsen và văn phòng thiết kế của mình đã làm rõ được ảnh hưởng xấu của dao động gây ra do tác nhân mưa và gió, điều đã được phân tích ở Nhật Bản vài năm trước. Những giải pháp khác nhau cần được định trước để tránh các dao động này, và các thí nghiệm đã được C.S.T.B ở Nantes tién hành đối với dây văng đường kính 161 mm Falamand, 1994. Theo đó, hệ số giãn khí động học được tiến hành đo trên hàng loạt các mẫu sau:

- Ống trụ trơn để tham chiếu.

- Ống nhựa HDPE truyền thống có các vòng nổi đặt cách xa nhau, có tác dụng như gờ giọt nước, ngăn không cho nước chảy thành dòng dọc theo dây văng. Hệ thống này tỏ ra không hiệu quả trong việc hạn chế doa động của cáp, và cũng không ảnh hưởng đến hệ số giãn khí động học, thường có giá trị khoảng 0.5 đến 0.55 đối với vận tốc gió lớn.

- Ống với ba rãnh chạy dọc ở phần trên tạo thành các kênh dẫn nước, ít nhiều lấy cảm hứng từ ống bọc của cầu Higashi Kobe ở Nhật bản. Tuy nhiên, hệ số giãn là rất lớn trong khoảng 1.0 đến 1.10 và hệ thống thì không ổn định trong khi hiện nay đã thấy rõ rằng ống nhựa của cầu Higashi Kobe là rất ổn định.

- Ống nhựa có một rãnh xoắn ốc, đường kính 2 mm, có bước bằng 30 cm. Hệ thống tỏ ra cực kỳ hiệu quả. Hệ số giãn khí động học là khoảng 0.65 và gần như là không đổi khi chịu gió vận tốc lớn.

- Ống nhựa với hai rãnh xoắn ốc, đường kính 1.3 mm, mỗi rãnh hướng theo một chiều riêng và có bước bằng 30 cm. Hệ số giãn khí động học có giá trị rất ổn định, khoảng lớn hơn 0.70 một chút.

- Và loại ống nhựa với hai rãnh xoắn ốc theo cùng một chiều, sâu 1.3 mm, rộng 2 mm, bước dài 600 mm.

Với kết luận từ những thí nghiệm này, chúng tôi quyết định lựa chọn hệ thống với hai rãnh xoắn ốc theo cùng một chiều, sâu 1.6 mm, mỗi rãnh có chiều dài dốc 60 cm. Chúng tôi cho rằng có thể chấp nhận giá trị hệ số giãn nở bằng 0.63 lấy từ thí nghiệm cho hầu hết các hệ thống tương tự, nơi nhỏ hơn một chút so với giá trị sử dụng trong tính toán.

Ống nhựa trơn cho kết quả hệ số giãn rất thấp khoảng 0.35, loại ống nhựa dùng cho cầu Sutong xử lý hình dạng bằng các gờ sóng cho giá trị khoảng 0.65. Thí nghiệm với loại ống có rãnh xoắn ốc cho kết quả không phù hợp với kết quả do C.S.T.B xác định, nhưng tác giả đã nhận thấy loại ống nhựa được thí nghiệm ở Đại học Tonji; rãnh xoắn có độ sâu từ 2 đến 4 mm, thay vì 1.6 mm nhưloại ống nhựa của Freyssinet do C.S.T.B thí nghiệm và có hình dạng rất khác nhau. Rãnh được thí nghiệm có dạng tròn, trong khi rãnh của ống nhựa của có dạng hình chữ nhât có các góc trên vuốt tròn. Sự khác biệt lớn về kích thước và hình dạng có thể giúp giải thích sự khác biệt về hệ số giãn: giữa 0.6 và 0.8. Khi xét đến ảnh hưởng lớn của hình dạng hay thậm chí là sự phân bố khác nhau của các gờ, do các thí nghiệm này chỉ ra, có thể thấy rõ ràng rằng thí nghiệm cho ống nhựa nên được tiến hành bởi chính nhà cung cấp.

Thêm nữa, thí nghiệm so sánh nên được tiến hành ở cùng phòng thí nghiệm, hoặc bởi 2 hoặc 3 hệ thống thí nghiệm tiến hành bởi 2 hoặc 3 phòng thí nghiệm để loại trừ tất cả các yếu tố không rõ ràng.

2.2.Tầm quan trọng của lực kéo khí động học tác dụng lên dây văng. Kinh nghiệm từ cầu Normandie.

Trước khi cầu Normandie được xây dựng, ảnh hưởng của lực kéo khí động học lên dây văng chưa bao giờ được coi là vấn đề then chốt do chiều dài nhịp của các cầu dây văng vào thời điểm đó còn khá hạn chế. Chúng tôi đã khám phá ra vấn dề này khi thiết kế cầu Normandie, và đã quyết định sử dụng dây văng vỏ cài vì hai nguyên nhân:

- Thời điểm đó, dây văng loại này được coi là phù hợp xét về khả năng chịu mỏi, tuy nhiên hiện nay tuổi thọ và sức kháng ăn mòn của loại dây văng này đã trở thành một vấn đề rất đáng nghi ngờ, do đó, loại này không còn được sử dụng nữa.

- Dây văng loại cuộn xoắn cho đường kính nhỏ nhất ứng với khả năng chịu lực cho trước do bản thân có tính đặc chắc cao, thậm chí còn nhỏ hơn nhiều so với loại dây văng theo hệ thống Bó Sợi Song Song PWS. đây đã được coi là một ưu điểm lớn do lực gió tác dụng lên hệ dây văng sẽ tạo ra khoảng 55% giá trị mô men uốn ngang quanh trục đứng tại mặt cắt nguy hiểm của dầm cầu, ở vị trí nối tiếp giữa dầm mặt cầu và trụ tháp, trong khi lực gió của bản thân dầm mặt cầu chỉ tạo ra khoảng 45% mô men theo Virlogeux, 1992.

Tuy nhiên, dây văng loại vỏ cài cũng có hai nhược điểm quan trọng cũng như đối với dây văng có bó sợi song song PWS là:

Dây văng loại này chỉ dược chế tạo sẵn, do đó phải được vận chuyển dưới dạng các bó lớn và bằng cần trục nặng. Trọng lượng của dây rất lớn: dây văng dài của cầu Normandie nặng 22 tấn. Trọng lượng lớn dẫn đến yêu cầu về thiết bị thi công phức tạp và dẫn đến chi phí rất lớn.

Việc thay thế dây văng khi cần thiết do một nguyên nhân nào đó, bao gồm cả do những tai nạn có thể xảy ra đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị nặng tương tự và tạo nên một vấn đề lớn cho công việc duy tu bảo dưỡng.

Vào thời điểm đó, Freyssinet đang phát triển một công nghệ mới: chế tạo dây văng từ từ các bó tao được bảo vệ độc lập mà không sử dụng ống nhựa bọc cầu bắc qua sông Sambre ở Bỉ, cầu ở Marbella Tây Ban Nha và cầu Burgundy ở Pháp, hoàn thành năm 1992, Freyssinet đã đề xuất phương án này cho cầu Normandie, theo đó sẽ không cần phải sử dụng các thiết bị thi công lớn, chi phí sẽ rẻ hơn khoảng 3 triệu Euro vào thời điểm năm 1986 và cho phép thay thế dây văng dễ dàng.

Tất nhiên, kích thước của bó gồm các tao độc lập sẽ lớn hơn nhiều kích thước của dây văng loại vỏ cài ứng với cùng một khả năng chịu tải, điều này đặt ra vấn đề về khả năng chịu lực của cầu dưới tác dụng của gió mạnh. Đó là nguyên nhân vì sao Freyssinet đã đưa ra một giải pháp mà rõ ràng là không phù hợp: chế tạo loại bó tao dẹt để làm giảm diện tích chắn gió theo phương vuông góc. Các thí nghiệm đã thực hiện cho thấy giá trị lực kéo khí động học tác dụng lên dây văng này là rất lớn và nguy cơ xảy ra sự cố galloping là rất cao Virlogeux, 1992. Xem xét các thông số trên, chúng tôi quyết định:

Lắp đặt bó các tao cáp độc lập trong một ống nhựa tròn. Do tiến bộ của dự án ở thời điểm đó, ống bọc chỉ được lắp đặt sau khi đã lắp đặt xong dây văng và kéo dây, do vậy, các ống bọc được chế tạo thành từng doạn dài 2m, mỗi đoạn lại được ghép từ 2 nửa, nửa này được điều chỉnh để lắp trùng khít với nửa kia không sử dụng phương pháp hàn nhiệt như kiến nghị ban đầu.

Tăng khoảng cách giữa các dây văng của hệ khoảng cách này chạy từ 16.00 đến 20.00 mét và giá trị cuối cùng là 19.65 mét khi chúng tôi phải lắp thêm một dây để bù lại ảnh hưởng từ việc lắp đặt các dây văng cắt ngang - cũng gọi là "aiguilles"- như chúng ta sẽ thấy sau: do diện tích mặt cắt thay đổi theo bình phương đường kính, khả năng chịu tải sẽ tăng nhanh hơn lực gió; việc giảm số lượng dây văng xuống, ứng với một khả năng chịu lực tổng thể tương đương, sẽ giúp giảm lực gió.

2.3. Kết luận về tầm quan trọng của lực kéo khí động học trong dây văng.

Việc xem xét lực căng thay đổi như thế nào theo chiều dài nhịp là rất thú vị:

Lực kéo khí động học tác dụng lên dầm cầu gần như thay đổi tuyến tính với chiều dài nhịp do việc chiều cao kết cấu của cầu trong thực tế thường độc lập với chiều dài nhịp. Trong thực tế,lực gió thậm chí có thể còn tăng chậm hơn hàm bậc nhất do biến dạng của cầu cũng cần phải điều chỉnh để có dạng thanh thoát hơn khi chiều dài nhịp tăng, nhằm làm giảm lực gió tác động và làm tăng tính ổn định khí động học của cầu. Đối với chiều dài nhịp ngắn và trung bình đến khoảng 300 tới 400 mét, đôi khi hơn, khi xem xét về chi phí xây dựng thường thiên về các dạng kết cấu dầm hộp bê tông dự ứng lực hoặc kết cấu nhịp tạo bởi các sườn hình chữ nhật và các dầm mặt cầu, hoặc mặt cắt liên hợp tạo bởi dầm chủ bằng thép mặt cắt chữ I với hệ dầm cầu, tất cả các dạng mặt cắt có hệ số giãn khí động học cao.

Lực gió tác dụng lên tháp hiẻn nhiên phụ thuộc vào hình dạng của tháp. Tuy nhiên, với một hình dạng tháp đã cho, lực gió thay đổi lớn hơn hàm bậc nhất một chút, do kích thước của mặt cắt ngang tháp phải tăng lên một chút khi chiều dài nhịp tăng.

Và cuối cùng, lực gió tác dụng lên hệ dây văng thay đổi - ứng với mặt cắt ngang dầm mặt cầu đã cho - theo bình phương chiều dài nhịp.

Tóm lại, một phần của lực gió tới hạn sinh ra từ lực kéo khí động học tác dụng lên hệ dây, một phần tăng dầncùng với chiều dài nhịp, và càng lớn hơn ứng với mặt cắt ngang dầm mặt cầu càng thuôn gọn.

Tuy nhiên, chỉ trong những trường hợp rất cụ thể, lực gió tác dụng lên dây văng mới thực sự trở thành vấn đề trong thiết kế. Đó là trường hợp của cầu Normandie do tỷ lệ bề rộng mặt cầu trên chiều dài nhịp rất nhỏ khoảng 1/41; tuy nhiên vấn đề này đã được kiểm soát mà không có một hạn chế nghiêm trọng nào. Đây cũng là trường hợp của cầu Stonecutters do thiết kế đặc biệt với trụ tháp dạng cột được lựa chọn theo yêu cầu về kiến trúc, trái với các logic về mặt kết cấu và những yêu cầu đối với chiều dài nhịp lớn. Một trường hợp khác là cầu Bãi Cháy ở Việt Nam, cũng được thiết kế với trụ tháp dạng cột rất mảnh trong khi chiều dài nhịp là khá lớn và có dầm chủ dạng hộp rộng và nặng; trường hợp khá nghiêm trọng này có thể được trợ giúp bằng các giải pháp của Freysinet dây văng loại PSS đặc chắc hơn, với khoảng trống hạn chế giữa các tao cáp và ống bọc.

Mặt khác, cầu Sutong và gần đây hơn là cầu Incheon đã được thiết kế xuất sắc về mặt kết cấu , do đó lực gió tác dụng lên hệ dây văng mặc dù khá lớn nhưng vẫn không gây trở ngại cho kết cấu.

Như vậy rõ ràng là vấn đề quay trở về với dây văng dạng tổ hợp không cần đặt ra nữa vì mặc dù nó có đường kính rất nhỏ, là giải pháp tối ưu về vấn đề chịu lực gió tác dụng lên dây nhưng lại có sức kháng mỏi và khả năng bảo vệ ăn mòn thấp. Tương tự như vậy, đường kính nhỏ của hệ dây văng nhóm PWS không phải là lý do để không dùng dây văng nhóm PSS, việc thiết kế vẫn có thể kiểm soát một cách hoàn hảo đối với lực tác dụng lên dây tương ứng đường kính dây có lớn hơn một chút. Việc lựa chọn PWS hay PSS như vậy cần phải xem xét trong tất cả các khía cạnh về thiết kế, thi công và bảo dưỡng chứ không riêng một khía cạnh nào.

Thêm vào đó, có thể thấy rõ ràng rằng giá trị của hệ số lực kéo khí động học thường được khuyến nghị trong tiêu chuẩn, 0.70 hoặc 0.80, là thực sự thiên về an toàn. Lực gió thực tế không cao như các đánh giá thông thường.

3. Chất lượng của dây văng.

Chất lượng của dây văng, như vẫn hiểu, bao gồm một số nội dung như sức kháng mỏi và khả năng bảo vệ chống ăn mòn, và chúng ta có thể rút ra kết luận về vấn đề này thông qua cuộc tranh luận kinh điển giữa hai phương pháp: Chế tạo trước và chế tạo ngoài công trường.

3.1. Bảo vệ chống ăn mòn.

Dây văng loại PSS tuân theo các tiêu chuẩn hiện hành - Kiến nghị của Pháp CIP, kiến nghị fib và kiến nghị của Mỹ PTI - đều có khả năng chống ăn mòn tốt.

Tuyệt đối không được tồn tại lỗ rỗng trong tao đơn. Các sợi thép được bảo vệ bằng hai lớp bảo vệ hỗ trợ lẫn nhau: lớp mạ nhúng nóng và lớp vỏ bằng HDPE. Toàn bộ khoảng rỗng giữa các sợi cáp và ống HDPE được lấp đầy bằng sáp dầu để tránh nước chảy vào bên trong tao cáp thông qua những kẽ hở ở lớp vỏ vỏ HDPE.

Tiêu chuẩn này bắt nguồn từ một yêu cầu của tác giả nêu ra trong khoảng 1989 - 1990 đối với dây văng của cầu Normandie. Khi cho rằng các lỗ rỗng giữa các sợi thép có thể sẽ dẫn nước vào trong dây trong trường hợp xuất hiện khe hở trong vỏ HDPE hoặc do bất kỳ nguyên nhân nào đó, tác giả đã yêu cầu phải lấp đầy lỗ rỗng giữa các sợi thép. Công ty Freyssinet Pierre Jartoux đã phát triển một kỹ thuật cho phép lấp đầy lỗ rỗng bằng sáp dầu, và các chỉ dẫn kỹ thuật tương ứng đã liên tục được đưa vào trong các tiêu chuẩn của Pháp và quốc tế fib và PTI.

Theo như tiêu chuẩn quốc tế, ống bọc ngoài của dây văngloại PSS không được xem như một lớp bảo vệ, do việc các khe hở của nó xuất hiện do một nguyên nhân bất kỳ nào đó có thể dẫn nước hay dẫn ẩm vào trong dây cáp. Mục đích của lớp vỏ này là để bảo vệ tao cáp chống lại tia cực tím tia UV, tạo ra lớp vỏ chắn gió và bề mặt để sơn màu cho dây văng.

Với những dây văng PWS, trong đó khoảng trống giữa các sợi thép và khoảng trống giữa các sợi thép với lớp vỏ HDPE không được lấp đầy toàn bộ, không có hai lớp bảo vệ chống ăn mòn hỗ trợ nhau, các khe hở trong lớp bọc ngoài có thể dẫn nước chảy vào bên trong dây và tấn công sợi thép tại bất kỳ một điểm nào, do vậy chúng không phù hợp với các tiêu chuẩn hiện hành. Có thể dẫn ra đây:

Kiến nghị của Pháp CIP chỉ rõ ở mục 9.1.1.2:

Việc bảo vệ chống ăn mòn cho bộ phận chịu kéo bằng thép của dây văng phải có độ dư thừa bằng cách sử dụng hai lớp bảo vệ lồng nhau, hỗ trợ lẫn nhau.

- Lớp bảo vệ thứ nhất lớp bảo vệ bên trong phải là lớp phủ bảo vệ trực tiếp bộ phận chịu kéo chính và phải phủ kín toàn bộ chiều dài dây không được ngắt quãng.

- Lớp bảo vệ thứ hai lớp bảo vệ bên ngoài bao gồm một lớp vỏ bọc bên ngoài và một lớp trung gian giữa lớp vỏ bọc ngoài và lớp bảo vệ bên trong. để tránh cho lớp bảo vệ bên trong khỏi bị hư hỏng, lớp vỏ bọc ngoài phải hoàn toàn kín khí và kín nước cả ở vùng tự do và vùng neo. Ngoài ra, lớp trung gian phải có tác dụng ngăn nước và hơi ẩm sau khi đã qua lớp bọc ngoài không thể thấm tới lớp bảo vệ bên trong.

Theo những kiến nghị của fib phát triển hai hệ thống, cả hai hệ thống đều được chèn kín phần lỗ rỗng và chi tiết tại sao phần chèn kín nay cần thiết.

- Sự ngưng tụ hơi nước trong lỗ rỗng tiếp xúc với thép dự ứng lực.

- Ngăn chặn sự di chuyển của nước dọc theo bề mặt thép dự ứng lực, nếu nó có thể vượt qua được hệ thống bảo vệ hệ thống bảo vệ dư N.B hiệu ứng của việc truyền nhiệt của chất chèn khi nguội sau quá trình bơm lấp lỗ rỗng hoặc dưới việc thay đổi biên độ nhiệt cần dược tính đến.

- Bảo vệ chống ăn mòn.

Kiến nghị của PTI cũng khẳng định yêu cầu phải có ít nhất hai lớp bảo vệ lồng nhau:

Bảo vệ chống ăn mòn cho bộ phận chịu kéo chính phải được đảm bảo bằng ít nhất hai lớp bảo vệ lồng nhau. Lớp bên trong phải bọc kín bộ phận chịu kéo chính trên suốt chiều dài tự do và cả chiều dài vùng neo. Lớp bên ngoài phải bọc kín hoàn toàn lớp bên trong trong suốt chiều dài tự do của nó. Các lớp bảo vệ phải được bố trí sao cho trong trường hợp các tác nhân ăn mòn vượt qua được lớp bên ngoài thì lớp bên trong vẫn có thể bảo vệ được bộ phận chịu kéo chính. Khi sử dụng chất vô cơ làm lớp bảo vệ trong cho mỗi tao cáp dự ứng lực, lớp này cần phải phủ kín mặt ngoài của tao cáp cũng như lấp đầy hoàn toàn khoảng hở giữa các sợi cáp và vật liệu trơ. Lớp bảo vệ bên trong cần phải ngăn không cho nước tự do xâm nhập vào khoảng hở bên trong tao.

Yêu cầu của việc như lấp đầy khoảng hở cũng áp dụng đối với việc sử dụng lớp bảo vệ trơ, không phải là những chất ức chế ăn mòn chủ động.

Ngoài ra, quy định của PTI cũng nói rõ đây là các quy định kỹ thuật mới.

Hiện có một số hệ thống chống ăn mòn đang được sử dụng trong dây văng. Nói chung, một hệ cáp văng thông thường sẽ bao gồm một ống bọc ngoài bao quanh bộ phận chịu kéo. Ống bọc có thể chứa các tác nhân chống ăn mòn được bơm vào. Ngoài ra, các bộ phận chịu kéo có thể có lớp bảo vệ riêng để tăng cấp độ bảo vệ khi cần thiết. Như vậy hệ thống chống ăn mòn sẽ bao gồm các lớp bảo vệ lồng nhau để tạo ra tính dư thừa trong việc bảo vệ. Với việc tăng số lượng lớp bảo vệ hiệu quả sẽ giúp tăng tính dư thừa và do đó tăng độ tin cậy của hệ thống bảo vệ chống ăn mòn.

Các nội dung trên là bổ sung mới cho phiên bản các quy định lần này. Có nhiều hệ thống khác nhau thường được sử dụng để chống ăn mòn, bao gồm ống bọc ngoài bằng HDPE, vữa, nhựa Epoxy sơn ngoài tao cáp, và vỏ bọc tao cáp. Người kỹ sư khong nên cho rằng tất cả các hệ thống truyền thống này đều nhất thiết thoả mãn yêu cầu của lớp bảo vệ và thí nghiệm đánh giá chất lượng ở Mục 4.1.4.1.

Tất nhiên, dây văng loại bó sợi song song PWS có thể được thiết kế có chất lấp đầy khoảng không giữa các sợi thép, và khoảng không giữa các sợi thép mạ với lớp vỏ bọc ngoài, như Baudin Chateauneuf đã thực hiện ở Pháp.

Cuối cùng, quy định của Pháp chỉ rõ thí nghiệm về tính kín nước cho tất cả các loại dây văng, hiện nay đã mang tính quốc tế với những quy định của fib với nội dung hơi khác. Thí nghiệm thành công sẽ đảm bảo dây văng kín nước hoàn hảo trong điều kiện sử dụng, bằng cách kiểm soát không cho nước lưu thông trong hệ thống bảo vệ chống ăn mòn của mặt cắt thông thường - bên trong vỏ bọc của dây văng PWS hay trong mặt cắt tao đơn, kể cả vùng neo trong và sau hàng loạt các chu kỳ nhiệt độ cùng với các chu kỳ mỏi tạo bởi sự thay đổi góc dưới lực căng không đổi.

3.2. Sức kháng cường độ và sức kháng mỏi.

Dây văng laọi PWS do công ty BBR, công ty Nippon Steel và công ty Kobe Steel sản xuất đã sử dụng loại neo cải tiến từ neo Hi-Am do công ty BBR phát triển trước đây. Đây là loại neo rất tốt, có khả năng chịu được sự thay đổi ứng suất dọc trục lớn. Tuy nhiên, dây văng loại PSS, các tao cáp uốn độc lập với nhau. Do ma sát giữa các sợi cáp mỗi sợi có đường kính 5.3mm nên ứng suất uốn cực đại trong mỗi sợi cáp có giá trị bằng với ứng suất uốn xuất hiện trong một sợi lẻ có đường kính 10mm.

Trong dây văng loại PWS, tại vị trí các sợi cáp luồn vào lỗ neo, các sợi cáp song song phần nào làm việc như một thanh đặc có đường kính lớn. Lượng thay đổi ứng suất do uốn cáp lớn hơn so với cáp văng loại PSS, ma sát sinh ra giữa các sợi cáp có thể gây ra các hiệu ứng mỏi, do hậu quả của việc bị ăn mòn.

Đó là nguyên nhân tại sao kiến nghị CIP của Pháp quy định rõ các thí nghiệm mỏi có xét đến tác động uốn. Các thí nghiệm này phải dược tiến hành cho toàn bộ hệ thống neo, có thể đã có các thiết bị hay có những cải tiến trong thiết kế đẻ làm giảm các tác động uốn trong vùng neo.

Cần phải đề cập riêng đến bộ phận chêm neo của dây văng nhóm PSS. Thiết kế của chúng - và chất lượng chế tạo chúng - có tính quyết định đến hiệu quả làm việc của dây văng.

Để neo được tốt thì chêm neo phải cắn chặt vào tao cáp, tuy nhiên việc răng chêm ngập sâu vào cáp sẽ làm giảm một chút sức kháng đứt và làm giảm đáng kể hơn sức kháng mỏi của tao. Cần phải chọn được sự cân bằng thật tốt giữa hai điều kiện giới hạn này: nếu răng chêm ngập quá sâu, sức kháng mỏi có thể bị giảm đáng kể; nhưng nếu không đủ sâu, tao cáp có thể trượt so với chêm.

Điều này đã xảy ra trong một số áp dụng đầu tiên, đặc biệt khi khối neo không sạch như mong muốn chẳng hạn có một số vụn bê tông rơi trong hốc định tao và nêm: ma sát giữa chêm và hộp neo có thể ngăn cản chêm tiến sâu vào hộp neo, và do đó là ngăn cản răng chêm cắm sâu vào tao cáp trong quá trình kéo; khi đó có thể xảy ra trượt khi lực kéo tao tăng lên.

Vấn đề này có thể giải quyết bằng một loạt các giải pháp phù hợp như sau:

- Thiết kế chêm neo hợp lý.

- Kiểm soát nghiêm túc chất lượng tại hiện trường, nhằm bảo vệ hộp neo và chêm neo không bị bẩn.

- Áp dụng biện pháp "gõ dần" hammering để đóng chêm neo vào hộp neo, đặc biệt nếu như dây văng được lắp đặt với lực kéo nhỏ nhằm ngăn cho chêm không bị tụt sâu vào trong hộp neo hay trong trường hợp sẽ phải chịu sự thay đổi ứng suất lớn sau này.

3.3. Chế tạo trước so sánh với lắp đặt tại hiện trường.

Hiển nhiên là các dây văng chế tạo trước sẽ có lợi thế từ chất lượng chế tạo cao khi được sản xuất trong những nhà máy tốt nhất, với các tiêu chuẩn kiểm soát chất lượng chặt chẽ, như trong nhà máy tại Thuỵ Sỹ của công ty BBR hay trong các nhà máy của Nhật Bản của công ty Nippon Steel và Kobe Steel. Tuy nhiên, chất lượng cuối cùng của dây văng cũng còn phụ thuộc vào điều kiện vận chuyển, lắp đặt và căng kéo.

Các cáp văng này được cuốn thành những cuộn đường kính lớn rồi vận chuyển trên một quãng đường dài, điều này dẫn đến một số bất lợi như: sự rung động của ácc bộ neo nặng trong quá trình vận chuyển có thể tạo ra các hiệu ứng mỏi nếu như các bộ neo không được cố định chắc chắn; việc uốn cong ống nhựa HDPE có thể gây ra ứng suất dư và biến dạng dư có hại nếu như ống tiếp xúc với nhiệt độ cao trong thời gian dài, gây ra các vết nứt trong ống HDPE ở một số cầu ở Nam và Bắc Mỹ. Chính từ các kinh nghiệm này đã dẫn đén yêu cầu phải sử dụng hai lớp bảo vệ lồng nhau.

Việc sử dụng cần trục nặng để lắp đặt và căng kéo dây văng chế tạo sẵn cũng có thể gây ra lực uốn, đặc biệt là ở vùng neo, nếu như các quy định hạn chế độ cong của dây văng không được tuân thủ và các thao tác không được tiến hành cẩn thận.

Tình trạng cũng tương tự đối với dây văng chế tạo tại hiện trường: chất lượng cuối cùng hoàn toàn phụ thuộc vào hiệu quả của từng công đoạn và quy trình, và phụ thuộc vào hiệu quả của việc kiểm soát chất lượng. Các nhà cung cấp dây văng PSS tốt nhất đã đưa ra kỹ thuật và quy trình lắp đặt nhằm đảm bảo được chất lượng cao, ví dụ như:

Lựa chọn cẩn thận các tao đơn, được sản xuất tại các nhà máy tốt nhất trên thế giới ví dụ như các nhà máy Tyesa ở Tây Ban Nha, Bridon ở Anh, Trefileurope ở Pháp và Bỉ, Kiswire ở Hàn Quốc….

Lựa chọn cẩn thận ống bọc HDPE, kể cả ống bọc cho từng tao và ống bọc bên ngoài dây văng, với tuổi thọ thiết kế là 70 năm.

Chế tạo các bộ phận của bộ neo trong nhà máy, được kiểm soát chất lượng có hệ thống.

Áp dụng quy trình được tiêu chuẩn hoá để lắp ống bọc với một hoặc hai tao đầu tiên, và để lắp đặt các tao khác.

Áp dụng quy trình tự động và được tiêu chuẩn hoá cho việc căng kéo các tao bằng phương pháp kéo đẳng lực. Quy trình gồm có việc kiểm soát chiều dài dây văng bằng việc cắt tao đầu tiên tao định hướng với chiều dài mong muốn và độ chính xác tương đương với dây văng chế tạo trước, và bằng cách sử dụng phương pháp kéo đẳng lực, được tự động kiểm soát với sự hỗ trợ của máy tính, điều này đảm bảo rằng tất cả các tao đều có lực kéo như nhau tại bất kỳ thời điểm nào với độ chính xác của bộ phận đo áp lực khoảng 2%.

Quá trình cũng phải đảm bảo rằng các tao cáp, được lắp đặt từng tao một tại vị trí định trước vào trong hai đầu neo, phải thực sự song song với nhau.

Cuối cùng, phải sử dụng công nghệ phòng nước và chống ăn mòn đã được kiểm chứng bằng cả thí nghiệm và thực tế.

Tất cả công tác lắp đặt và căng kéo đều phải được thực hiện bởi đội ngũ chuyên nghiệp, bởi các kỹ thuật viên và công nhân có kinh nghiệm, được đào tạo để thực hiện công việc đặc thù này trước khi bắt đầu thi công.

Vậy có thể kết luận rằng cả hai công nghệ - chế tạo trước hay chế tạo tại công trường - đều có thể đạt được chất lượng cao, nếu như việc chế tạo, lắp đặt và căng kéo được tiến hành bởi đội ngũ chuyên nghiệp, có kinh nghiệm và được giám sát chất lượng chặt chẽ. Để đạt được kết quả này, các công ty tiến hành thi công dây văng tại hiện trường phải chịu toàn bộ trách nhiệm lắp đặt và căng kéo dây văng, và đưa lắp đặt vào trong kết cấu. Công ty sản xuất các dây văng chế tạo trước có thể lắp đặt chúng bằng các thiết bị thi công nặng do nhà thầu cung cấp: cần trục…, tuy nhiên thông thường, họ để nhà thầu chính làm công tác lắp đặt và căng kéo, cùng với những rủi ro của việc thao tác sai do trọng lượng lớn của dây văng và neo, và các vấn đề trách nhiệm kèm theo.

4. Lắp đặt và căng kéo và duy tu bảo dưỡng.

Điều kiện thi công của dây văng PWS và dây văng PSS là rất khác nhau, từ việc lắp đặt, căng kéođến quá trình thi công.

4.1. Dây văng chế tạo trước.

Trọng lượng của dây văng chế tạo trước là khá lớn với các cầu dây văng nhịp trung bình, và là rất lớn với các cầu dây văng nhịp dài và rất dài. Đối với các cầu có nhịp dài đặc biệt: cầu Normandie, cầu Stonecutters, cầu Sutong và cầu Incheon, trọng lượng dây văng nằm trong khoảng từ 20 đén 60 tấn trên một mét.

Dây văng chế tạo trước cần phải cuốn thành những cuộn rất lớn và nặng để vận chuyển, đườcg kính của cuộn dây phải đủ lớn để tránh làm giảm chất lượng của dây văng và của ống HDPE. Gần đây, chúng tối đã nhận thấy việc vận chuyển và bảo quản không tốt có thể gây ra biến dạng dài hạn và vết nứt trong ống HDPE.

Việc lắp đặt các dây văng chế sẵn lớn đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị nặng và thiết bị hỗ trợ đặc biệt. Trong bất kỳ trường hợp nào, cần thiết phải có một cần trục lớn hoặc thiết bị đặc biệt gắn trên tháp để nâng đầu trên của dây văng và bộ neo của nó, cũng cần thiết phải có một thiết bị hỗ trợ thích hợp để nâng đoạn dây văng nằm giữa hai bộ neo trong khoảng thời gian căng kéo dây văng, giúp cân bằng độ võng lớn gây ra do trọng lựng bản thân của dây văng.

Một trong hai bộ neo của dây văng phải được lắp trước vào vị trí làm việc, có thể lắp trước bộ neo dưới ở dầm mặt cầu, nhưng nói chung thường lắp trước bộ neo tại tháp, dây văng tất nhiên không thể nối tới ngay bộ neo ở đầu kia của nó trọng lượng của dây văng và độ võng tương ứng. Dây văng cần được duỗi rộng thành các sợi thép chịu kéo gắn chặt ở neo, bắt đầu duỗi từ một khoảng cách thích hợp đến điểm neo sao cho đoạn mở rộng của dây văng là đủ để có thể tiến hành kéo các sợi thép này bằng một kích nặng tại vị trí neo; và cuối cùng, sau đoạn duỗi rộng khoảng vài mét – hay thậm chí vài chục mét với dây văng rất dài, kích kéo có thể kéo cục neo vượt qua bản neo, và hoàn thành việc căng kéo.

Cầu Tatara Bridge là một ví dụ ró ràng về quá trình thi công nặng nề này. Phải sau ba giai đoạn thành công kích kéo chạm được vào hộp neo:

- Đầu tiên các dây văng được kéo bằng tời với lực 300 kN.

- Sau đó, dây văng được kéo bằng kích kẹp với lực 700 kN.

- Và cuối cùng, dây văng được kéo bằng kích rỗng thông qua các thanh thép kéo đường kính 180 mm, dài 8.5 m, tất nhiên là phải kéo dần qua rất nhiều bước.

Phản ánh từ các nhà thầu cho biết quá trình căng kéo này mất rất nhiều thời gian.

Quá trình giữ vai trò then chốt trong việc thi công cầu. Tất nhiên hoàn toàn có thể sử dụng cần trục nặng – hay hệ cần trục – đã được sử dụng để thi công tháp để thi công lắp đặt dây văng.

Tác giả: Virlogeux, Michel .

Nguồn tin: T/C Cầu đường Việt nam, số 8/2007.