Nghiên cứu chẩn đoán mất mát lực căng trước trong cầu dây văng

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

BÙI NAM BIÊN

NGHIÊN CỨU CHẨN ĐOÁN MẤT MÁT LỰC CĂNG TRƯỚC
TRONG CẦU DÂY VĂNG
Chuyên ngành : Xây Dựng Cầu - Hầm

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 . năm . 2009 .


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. LƯU BÂN ................................................

Cán bộ chấm nhận xét 1 :................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 :................................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại ……………………………………..
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . tháng . .7. . năm . .2009. . .

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2009. . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: . . .BÙI NAM BIÊN . . . . . . . . . . . . . . . Giới tính : Nam / Nữ 
Ngày, tháng, năm sinh : . .29/03/1982 . . . . . . . . . . .

Nơi sinh : Quảng Ngãi . . . . . . . . . .

Chuyên ngành : . Xây Dựng Cầu Hầm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khoá (Năm trúng tuyển) : . . .2007 . . . . . . . .
1- TÊN ĐỀ TÀI: . . . . Nghiên cứu chẩn đoán mất mát lực căng trước trong cầu dây văng.
.................................................................................
. . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .- Tổng quan về sự phát triển cầu dây văng và các sự cố của kết cấu cầu. . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .- Tổng quan về những vấn đề liên quan đã được nghiên cứu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . .- Nêu lý thuyết tính tốn cầu dây văng và kỹ thuật chẩn đốn tình trạng cầu . . . . . . . .
..........................................................................
. . . . . .- Nghiên cứu chẩn đoán sự mất mát lực căng trước trong dây văng . . . . . . . . . . . . . . .
..........................................................................
. . . . . .- Kết luận và kiến nghị. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
..........................................................................
...................
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: . .TS. LƯU BÂN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . .. . . . . ………………………………………………………………………………
Nội dung và Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chun Ngành thơng qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. LƯU BÂN

TS. LÊ BÁ KHÁNH


LỜI CẢM ƠN
Sau hai năm học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Bách KhoaTP. Hồ Chí Minh, dưới sự giảng dạy của thầy cô, tôi đã được tiếp thu nhiều
kiến thức bổ ích về chuyên ngành Cầu-Hầm, cùng với sự giúp đỡ của bạn bè
và đặc biệt là sự hướng dẫn hết sức nhiệt tình của thầy TS. Lưu Bân. Từ
những kiến thức có được và sự giúp đỡ đó sau 6 tháng thực hiện luận văn đến
nay tơi đã hồn thành đề tài luận văn của mình.
Qua đây, tôi xin được gởi lời cảm ơn chân thành đến các giảng viên bộ
môn Cầu-Đường, Khoa Xây Dựng Kỹ Thuật; phòng Đào Tạo Sau Đại HọcTrường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Chân thành cảm ơn đồng

nghiệp và các bạn học viên Cầu-Hầm 2007 đã giúp đỡ, động viên, tạo điều
kiện thuận lợi. Chân thành cảm ơn thầy TS. Phùng Mạnh Tiến đã giúp đỡ
hướng đề tài. Đặc biệt chân thành cảm ơn thầy TS. Lưu Bân đã hướng dẫn,
giúp đở trong suốt thời gian thực hiện luận văn.

Học viên
Bùi Nam Biên


TĨM TẮT LUẬN VĂN

Tên đề tài: Nghiên cứu chẩn đốn mất mát lực căng trước trong
cầu dây văng
Tóm tắt
Trong cầu dây văng các cáp văng là bộ phận chịu lực chính, dây văng làm việc
chịu kéo như các gối tựa đàn hồi chịu toàn bộ phản lực thẳng đứng do tĩnh tải và
hoạt tải tác dụng, đồng thời dây lại luôn chịu tác dụng của hiệu ứng Karman nên dễ
bị mỏi, do đó lực căng trong mỗi dây đóng vai trò hết sức quan trọng trong kết cấu
cầu dây văng. Nếu có sự cố mất mát một phần hay tồn bộ lực căng trong dây nào
đó có thể gây hậu quả: làm phân bố lại nôi lực trong dây khác, nội lực trong kết cấu
chính bị thay đổi, các mode dao động trong kết cấu sẽ bị thay đổi…
Những thay đổi trên sẽ gây nguy hiểm đến khả năng chịu lực của kết cấu thậm
chí làm cho kết cấu bị sụp đổ. Bởi chính tầm quan trọng đó của lực căng trước trong
dây văng nên chúng ta cần xem xét nghiên cứu chẩn đoán sự mất mát lực căng
trước trong dây văng nhằm cảnh báo trước sự cố giúp cho các cơ quan quản lý,
quản lý tốt các cơng trình cầu dây văng trong quá trình đưa cầu vào khai thác sử
dụng tránh những rủi ro đáng tiếc.
Chính vì vậy và trong phạm vi có thể người làm đề tài không nghiên cứu về
những hư hỏng của tất cả các bộ phận của cơng trình nói chung mà chỉ nghiên cứu
chẩn đoán sự mất mát lực căng trước của kết cấu cầu dây văng.

Nội dung nghiên cứu của đề tài bao gồm:
- Tổng quan về sự phát triển cầu dây văng và các sự cố của kết cấu cầu
- Tổng quan về những vấn đề liên quan đã được nghiên cứu.
- Lý thuyết tính tốn cầu dây văng và kỹ thuật chẩn đốn tình trạng cầu
- Nghiên cứu chẩn đốn sự mất mát lực căng trước trong dây văng.
+ Mô hình cơng trình cầu dây văng với các trường hợp giả thiết mất mát
lực căng trước trong dây văng
+ Tính tốn chẩn đốn với các mơ hình trên.


Luận văn Thạc só

MỤC LỤC
Mở đầu

Chương 1

1.1 Tổng quan về sự phát triển cầu dây văng và các sự cố của kết cầu cầu
1.1.1 Sơ lược sự phát triển cầu dây văng

1

1.1.2 Các sự cố kết cấu cầu

6

1.1.2.1 Tuột neo cáp văng và mất mát một phần lực căng trước

7

1.1.2.2 Hư hỏng ở trụ tháp

8

1.1.2.3 Hư hỏng khối neo và vùng treo

9

1.1.2.4 Hệ mặt cầu

9

1.1.2.5 Gối cầu

9

1.1.2.6 Quá trình phá huỷ vật liệu

10

1.1.2.7 Sai sót trong đồ án thi cơng

11

1.1.2.8 Do điều kiện thi công

13

1.1.2.9 Những nguyên nhân do sự thay đổi điều kiện sử dụng và môi trường 16
1.2 Lý do chọn đề tài

16

1.3 Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu

17

1.4 Nội dung nghiên cứu của đề tài

17

1.5 Đối tượng nghiên cứu của đề tài

17

Chương 2

Tổng quan về những vấn đế liên quan đã nghiên cứu

2.1 Một số nghiên cứu trong nước

19

2.2 Một số nghiên cứu nước ngoài

21

Chương 3

Lý thuyết tính tốn cầu dây văng

và những kỹ thuật chẩn đốn cơng trình

3.1 Lý thuyết tính tốn cầu dây văng
3.1.1 Mục đích, trạng thái và biện pháp điều chỉnh nội lực
3.1.1.1 Mục đích của điều chỉnh nội lực trong CDV, trạng thái hồn thiện

Chuyên ngành Cầu – Hầm

26
27
27


Luận văn Thạc só

3.1.1.2 Trạng thái xuất phát

29

3.1.1.3 Các biện pháp điều chỉnh nội lực

30

3.1.2 Tính cầu dây văng chịu tĩnh tải và điều chỉnh nội lực

33

3.1.2.1 Nội dung tính cầu dây văng chịu tĩnh tải và điều chỉnh nội lực

33

3.1.2.2 Các phương pháp thi công và điều chỉnh nội lực

34

3.1.2.3 Phương trình chính tắc điều chỉnh nội lực theo phương pháp lực

36

3.1.3 Cơ sở để phân tích kết cấu cầu treo dây văng trong Midas 7.01

39

3.1.3.1 Mơ hình hóa thuận (Forward Modeling)

39

3.1.3.2 Mơ hình hóa ngược (Backward Modeling)

39

3.2 Lý thuyết và kỹ thuật chẩn đốn

41

3.2.1 Lý thuyết đơ tin cậy trong chẩn đoán cầu

41

3.2.2 Kỹ thuật chẩn đoán

43

3.2.2.1 Kỹ thuật siêu âm

44

3.2.2.2 Kỹ thuật đo dao đông

45

3.2.2.3 Kỹ thuật nội soi

54

Chương 4 Chẩn đoán sự mất mát lực căng trước trong dây văng
4.1 Đối tượng nghiên cứu
4.1.1 Sơ đồ cầu

60
60

4.1.1.1Sơ đồ bố trí chung

60

4.1.1.2 Sơ đồ và mặt cắt tháp và trụ neo

61

4.1.1.3 Mặt cắt ngang dầm chủ

62

4.1.1.4 Thông số cáp văng

62

4.1.2 Thông số vật liệu và đặc trưng hình học

63

4.1.2.1 Bêtơng

63

4.1.2.2 Cáp dự ứng lực

63

4.1.3 Tải trọng sử dụng trong nghiên cứu

63

4.2 Giả thiết và các trường hợp nghiên cứu

64

4.3 Ngun tắc tính tốn

64

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

4.4 Trình tự tính tốn

64

4.5 Tính tốn và kết quả

65

4.5.1 Chuyển vị giai đoạn hoàn thiện của các mặt phẳng dây

65

4.5.2 Chuyển vị khi mất mát 25%, 50%,75%,100% lực căng dây số 32

67

4.5.3 Chuyển vị khi mất mát 25%, 50%,75%,100% lực căng dây số 24

73

4.5.4 Chuyển vị khi mất mát 25%, 50%,75%,100% lực căng dây số 16

79

4.5.5 Chuyển vị khi mất mát 25%, 50%,75%,100% lực căng dây số 10

85

4.5.6 Chuyển vị khi mất mát 25%, 50%,75%,100% lực căng dây số 2

92

4.5.7 Chuyển vị khi mất mát 25%, 50%,75%,100% lực căng dây số 1

98

Chương 5 Kết luận và kiến nghị

105

5.1 Kết luận

105

5.2 Kiến nghị

106

Tài liệu tham khảo

Phụ lục

Chuyeân ngành Cầu – Hầm

108


Luận văn Thạc só

Trang 1

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU
1.1 Tổng quan về sự phát triển cầu dây văng và các sự cố của kết cấu cầu.
1.1.1 Sơ lược sự phát triển cầu dây văng
Trong quá trình phát triển của lịch sử, kiểu cầu dây văng đầu tiên xuất hiện
từ thời kỳ trung đại và từng nổ rộ ở thế kỷ XVIII. Nhưng do sự khơng phù hợp về
phương pháp tính tốn, cường độ vật liệu, giải pháp cấu tạo mà nhiều cây cầu có
tuổi thọ khơng cao, thậm chí đã sụp đổ khơng lâu sau khi đưa vào khai thác. Ví dụ
như cầu Dryburgh Abbey ở Scotlen đưa vào khai thác năm 1817, sau đó chỉ một
năm cây cầu đã bị sụp đổ dưới tác dụng của gió; cầu Saale ở Đức (1825) bị sụp đổ
cũng chỉ sau một năm đưa vào khai thác dưới tác dụng của trọng lượng đám đơng
người tụ tập trên cầu vv… Tình hình lúc đó bi quan tới mức kỹ sư Navier người
Pháp đã đưa ra lời khuyên nên dùng cầu treo dây võng thay cho cầu dây văng. Mặc
dù vậy, trong thế kỷ XIX tại một số nước trên thế giới nhiều cầu dây văng vẫn lần
lượt được xây dựng. Tại Mỹ có cầu dây văng Whealing vượt sông Ohio (1846), cầu
dây văng đường sắt vượt qua sông Niagara (1855), cầu hỗn hợp dây văng dây võng
Brooklyn (1873). Tại một số nước Châu Âu phải kể đến cầu dây văng Bilbao Tây
Ban Nha (1893), cầu tại Marseil (1903), tại Nante (1905) tại Pháp và tại Newport
vương quốc Anh (1906).
Sau chiến tranh thế giới thứ hai do phải khơi phục nhanh chóng các cây cầu
bị bom đạn tàn phá và cần áp dụng những tiến bộ công nghệ để giảm giá thành, một
loạt cây cầu đã được xây dựng bởi Caquot, điển hình như cầu Donzere-Mondragon
năm 1952 hoặc cầu Stromsund ở Thụy Sỹ năm 1955. Ở Đức từ năm 1958 đến năm

1960 cầu Theodor Heuss, cầu Severin, cầu Duisburg-Neunkamp v.v… những cầu
này dùng cáp dây văng kiểu LCC (locked coil strands) với mặt cắt ngang gồm lõi
trung tâm là những sợi cáp tròn và bao phía ngồi là các lớp sợi cáp xếp khít dạng
chữ Z hoặc đơi khi dạng hình thang. Từ năm 1970 đến năm 1985 phổ biến dùng cáp
kiểu sợi song song PWC (parallel wire) bên cạnh một số cầu dây văng như Masena,
cầu Saint-Lazaire, cầu Seyssel vẫn dùng cáp dây văng kiểu LCC hoặc dùng thanh
song song theo kỹ thuật Dywidag như cầu Penang ở Malaixia, cầu Dme Point ở Mỹ.

Chuyeân ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 2

Trong đó cầu Brotonne ở pháp (1977), cầu Rande ở Tây Ban Nha (1978) cầu
Sunshine Skyway ở Mỹ là những cầu đầu tiên dùng cáp dây văng kiểu SWS (sevwn
wires strand) dạng tao 7 sợi bảo vệ chống ăn mòn bằng nhồi vữa xi măng trong ống
bọc thép hoặc polyetilen.
Cầu dây văng Massena, một mặt phẳng dây vượt qua đường sắt gồm 6 nhịp
liên tục ba nhịp dây văng với khẩu độ 81m + 161m + 81m. mặt cắt ngang gồm dạng
2 hộp thép cao 4.3m, trong đó độ mảnh khơng lớn và độ cứng đáng kể nên vai trị
của dầm khi chịu lực trong tồn bộ hệ không bỏ qua. Đây được xem là một ví dụ
điển hình nên tham khảo trong việc lựa chọn tương quan giữa kích thước dầm với
qui mơ cáp dây văng nhằm phát huy hơn nữa hiệu quả của cấu kiện chịu kéo chính
trong cầu dây văng để có thể thanh mảnh hóa cơng trình và thỏa mãn phần nào yêu
cầu khắc khe về thẩm mỹ kiến trúc.
Đến cầu Saint-Lazaire đã có sự tách bạch một cách tương đối về phương
diện chịu lực của các cấu kiện, đó là dây văng sẽ đảm nhiệm gần như toàn bộ chức
năng của cấu kiện chịu lực chính, dầm chỉ đóng vai trị cấu kiện truyền lực.

Hình 1.1 Cầu Protonne - Pháp

Hình 1.2 Cầu Protonne - Pháp

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 3

Bắt đầu từ những năm 80 thế kỷ XX, các nhà xây dựng đã áp dụng một xu
hướng công nghệ khác nhằm bảo vệ chống ăn mòn cáp dây văng, tức là bảo vệ từng
tao cáp và cải thiện tính kháng mỏi bằng cách dùng nêm neo. Điển hình là cầu
Smbre qua Charleroi (1988), cầu Wandre (1989) ở Bỉ. Cuối thế kỷ XX đầu thế kỷ
XXI, những cây cầu nổi tiếng như Normandie năm 1995 ở Pháp, cầu Tatara năm
1999 ở Nhật… Ngoài ý nghĩa là những cây cầu đã từng giữ kỷ lục thế giới về khẩu
độ nhịp cịn là một trong số những ví dụ điển hình về sự hồn thiện về giải pháp
chống ăn mịn và thiết kế kháng gió trong cầu dây văng khẩu độ đặc biệt lớn.

Hình 1.3 Cầu Normandie, Pháp

Hình 1.4 Cầu bãi cháy, Việt Nam

Đối với hệ thống dầm cầu dây văng có một số dạng chủ yếu, đó là dầm
bêtông ứng suất trước, dầm thép và dầm thép bê tông liên hợp. Thế hệ dầm bê tông
ứng suất trước đầu tiên đi kèm với một số lượng hạn chế cáp dây văng, kéo theo
khoảng cách giữa các điểm neo dầm tới hàng chục mét. Điểm nổi bậc của thế hệ
dầm bêtơng này là mặt cắt bó cáp căng quá lớn, lực tập trung tại đầu neo truyền lên

dầm cao, dầm làm việc chịu uốn giữa các điểm treo là chủ yếu và dầm có độ cứng
cao, trong khi đó tháp lại mảnh do mơmen uốn nhỏ. Cầu Knie ở Đức là điển hình
cho loại cầu này. Sơ đồ tĩnh học của hệ có thể coi là một dầm liên tục với việc tạo
ứng suất trước nhờ hệ dây văng. Thế hệ dầm cầu dây văng bê tông thứ hai được đặc
trưng bởi cáp dây văng bố trí dày hơn, dầm có độ cứng vừa phải và được xem như
một dầm liên tục kê trên các gối tựa đàn hồi ở các vị trí neo cáp dây văng bên cạnh
gối cứng ở vị trí các tháp. Việc thi cơng dầm cầu dây văng thế hệ thứ hai một cách
tự nhiên đã tiếp nối và phát triển thêm về công nghệ đúc hẫng cầu dầm hộp liên tục

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 4

nhiều nhịp. Cầu Broton ở Pháp và cầu Coatazacoalcos gần vịnh Mexico có thể xem
là loại cầu điển hình cho thế hệ đó. Cầu thế hệ thứ hai có ưu điểm là đơn giản q
trình truyền lực, giảm lực tập trung tại vị trí neo và giảm mômen uốn tại các điểm
neo dầm. Nếu phải thay thế cáp trong quá trình khai thác thì khả năng gián đoạn
giao thơng ít hơn và q trình thay dây sẽ không làm thay đổi lớn ứng lực truyền
vào kết cấu.

Hình 1.5 Cầu Tsurumi-ku – Nhật Bản
Thế hệ cầu dây văng giàu bê tông thứ ba xuất hiện trong các dự án cầu lớn
với đặc điểm cấu tạo dây văng phân bố dày và treo gần như trên toàn bộ chiều dài
dầm, đồng thời dầm không kê trên gối đặt tại vị trí tháp nữa. Do cầu tạo như thế mà
chức năng làm việc của hệ kết cấu khơng cịn giống một dầm chịu uốn thơng
thường. Khi đó có thể coi dầm như một thanh mạ hạ chịu nén của dàn hổng và dây
văng đóng vai trị của thanh bụng chịu kéo, tháp cầu đóng vai trị thanh bụng chịu

nén. Một vấn đề khá lý thú là trong hệ dầm dây văng kiểu này chiều cao dầm có vẻ
như khơng còn phụ thuộc quá nhiều vào sự thay đổi khẩu độ nhịp mà điều kiện
được xem khống chế lại là khả năng chống mất ổn định của dầm và mức độ ổn định
của nó ảnh hưởng tới điều kiện khai thác như thế nào.
Trong khi đó cầu dây văng dầm hộp thép lại phát triển khá sớm, gần như
cùng thời với cầu dây võng nhưng do dây văng thời kỳ đầu có cấu tạo kiểu dây
xích, q thơ sơ khơng đủ chịu lực, độ dãn dài lớn khiến cho loại cầu dây văng dầm
thép bị đả phá mạnh và không có điều kiện ứng dụng, phát triển.

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 5

Ở Pháp khi nói tới cầu dây văng dầm thép không thể không nhắc đến cầu
Saint-Florent-Le-Vieil vượt qua sông Loire được xây dựng năm 1965 với khẩu độ
nhịp bằng 104m, tiếp theo là cầu Massena xây dựng năm 1970, sơ đồ nhịp tương
ứng 81m + 161m + 81m, dầm hộp thép cao 4.3m và cầu Saint-Nazaire xây dựng
năm 1975 với khẩu độ nhịp chính 404, chiều cao dầm hộp bằng 3.2m và là cầu từng
đạt kỷ lục nhịp thế giới.
Đến nay nhờ sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vật liệu, công nghệ xây
dựng, thiết bị thí nghiệm và sự hồn thiện của cơng cụ tính tốn đã cho phép xây
dựng được nhiều cầu dây văng khẩu độ đặc biệt lớn trên thế giới, khẩu độ nhịp cầu
dây văng xấp xỉ 1000m có lẽ chưa phải là giới hạn cuối cùng của loại hình cầu này.
Ở Việt Nam, cầu dây văng đầu tiên được xây dựng năm 1976 qua sông
Dak’rông thuộc tỉnh Quảng Trị. Cầu có nhịp chính 129m và đã bị sập tháng 2 năm
1999 do gỉ, đứt neo. Ngoài ra nhiều cầu dây văng đã liện tục được xây dựng : Cầu
Mỹ Thuận ở Vĩnh Long, cầu sông Hàn ở Đà Nẵng và hàng loạt dự án xây dựng

CDV nhịp lớn qua sông Tiền, sông Hậu ở miền Nam, cầu Thủ Thiêm, Phú Mỹ qua
sơng Sài Gịn, cầu Bính, Bãi Cháy ở miền Bắc….
Tuy nhiên loại kết cấu này trong quá trình đưa vào khai thác sử dụng do ảnh
hưởng của môi trường, lão hóa của vật liệu, bị khai thác liên tục trong thời gian dài,
tai nạn và do nhiều yếu tố khác nhau… đều có thể dẫn đến hư hỏng ở các mức độ
khác nhau.

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 6

1.1.2 Các sự cố kết cấu cầu :
Từ việc hư hỏng một vài bộ phận của cơng trình làm giảm khả năng chịu lực
đến việc cơng trình bị sụp đổ như bảng giới thiệu dưới đây.
Bảng 1.1 [1]
Tên Cầu
Dryburgh Abbey

Địa điểm
Ecosse

Chiều

Năm bị

dài (m)

phá hủy

70

1818

Nguyên nhân
Do bão( sau 6 tháng
xây dựng)

Saale

Đức

1825

Do trọng lượng đám
đông

ĐaKrông

Quảng Trị

1999

Do gỉ, đứt neo

Schuykill

Mỹ

1811

Do đàn gia súc và
tuyết tích tụ

Union

Anh

138

1821

Do bão( sau 6 tháng
xây dựng)

Brighton Chain Pier

Anh

77

1833

Do bão

(1836)
Menai

Xứ Wales

Qua sơng Maine

Pháp

177

1839

Do bão

1850

Do gió

và đồn

qn qua cầu
Qua sơng Vilaine

Pháp

198

1852

Do bão

La Roche-Bermard

Pháp

196

1852

Do gió

(1871)
Wheeling

Mỹ

308

1854

Do bão

Niagara-Lewiston

Mỹ

317

1869

Do bão

Niagara – Clifton

Mỹ

386

1889

Do bão

Tacoma - Narrows

Mỹ

853

1940

Do gió nhẹ

Ngồi việc cơng trình bị phá hủy ra cịn có các dạng hư hỏng cơng trình khác
nhau như :
Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 7

1.1.2.1 Tuột neo cáp văng và mất mát một phần lực căng trước

Mất mát lực căng trước do nhiều nguyên nhân:
+ Do không dùng những nem neo
+ Sự va chạm của xe cộ vào cáp
+ Do ăn mòn làm giảm tiết diện sợi cáp
+ Do lún tháp
+ Do hiện tượng chùng nhão cốt thép DƯL

Hình 1.6 Sự cố tuột neo ở cầu Haiyin-Trung Quốc
+ Do mõi cáp
+ Nứt dưới mấu neo do ứng suất cục bộ
Cáp dùng phổ biến ở cầu dây văng là loại có cấu tạo các sợi xoắn quanh 1
sợi ở giữa gọi là lõi theo nhiều lớp với các bước khác nhau. Trong cáp mềm lõi ở
giữa bằng sợi dây gai, tẩm dầu chống gỉ. Cấu tạo của cáp như vậy không đảm bảo
tính chống thấm đối với nuớc chảy dọc cáp. Ngay cả trong trường hợp cáp kín,
trong đó các sợi lớp vỏ được tạo thành các tiết diện có dạng kín khít sợi này bẹn sợi
kia và mặc dù sử dụng cả các sản phẩm bảo vệ gốc dầu nhưng cũng khơng tránh
khỏi tình trạng nước thấm khi hơi nước, nước chảy dọc theo đường cáp và gây gỉ ở
những điểm trữ nước. Ngày nay người ta dung các ống hợp kim nhơm hoặc ống
nhựa bao ngồi và bơm đầy vữa mac cao vào trong lịng ống.

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 8

Hình 1.7 Cáp bị ăn mịn ở cầu Haiyin-Trung Quốc
1.1.2.2 Hư hỏng ở trụ tháp
Có hai dạng trụ tháp :

a) Dạng ngàm cứng:
Dạng tháp này thường bằng kết cấu BTCT, cũng có những cơng trình có
tháp cầu ngàm chế tạo từ thép hình, trụ tháp ngàm thuờng được đặt gối đỡ cáp di
động. Sự chuyển dịch của gối cáp do hệ thống con lăn đảm nhận. Bụi và gỉ dần dần
ngăn cản chuyển động của các con lăn, thậm chí làm liệt hồn tồn. Trong trường
hợp đó khi hoạt tải đi qua, tháp cầu phải chịu các lực rất lớn. Các lực như vậy
không được dự kiến trước nên dẫn đến các hư hỏng đặc biệt là nứt chân tháp.
b) Dạng có khớp ở chân tháp:
Về ngun tắc tháp loại này chỉ được tính tốn thiết kế để chịu lực nén, tuy
nhiên do độ linh động của khớp chân tháp khơng đảm bảo, tháp có thể phải chịu các
momen uốn phụ. Ngoài ra trong truờng hợp tháp có dạng hình khung, gặp tải trọng
khơng đối xứng sẽ gây nên xoắn vặn tháp. Trong trường hợp đó liên kết ngang trên
quá cứng hay không đủ cứng đều có thể là ngun nhân gây ra những biến dạng
khơng bình thuờng cho tháp cầu.

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 9

1.1.2.3 Hư hỏng khối neo và vùng treo.
Được cấu tạo để chịu lực kéo truyền từ các sợi cáp biên, các khối neo và
vùng neo ít khi xuất hiện các hư hỏng chung, nếu có chăng là sự chuyển dịch do
mất ổn định của đất nền, do hậu quả của sự xói lở do lũ lụt gây ra. Chưa thấy các hư
hỏng do nứt gẫy khối neo ở vị trí vùng neo, các hư hỏng thường xuất hiện trên các
sợi cáp hay trên các bộ phận neo cáp, điều chỉnh cáp đặt trong vùng neo vì trong
vùng neo ẩm thường rất cao, sau mỗi trận mưa hay bị đọng nước rất thuận lợi cho gỉ
phát sinh và phát triển.

1.1.2.4 Hệ mặt cầu
- Trong các mặt cầu dây văng ở nước ta có kết cấu cũng như vật liệu làm mặt
cầu rất đa dạng ( gỗ, bê tơng, bản thép bê tơng liên hợp…) Ngồi các hư hỏng
thường thấy ở mặt cầu nói chung cịn có các hư hỏng mang đặc tính kết cấu treo.
Những hư hỏng đặc trưng chủ yêu liên quan đến vấn đề mất ổn định (vênh, võng )
do các nguyên nhân:
- Hệ mặt cầu không đủ cứng.
- Các gối tựa bị kẹp
- Độ căng còn “ quá mềm “ (các đế quá lỏng và dây cáp đầu không đủ căng,
tải trọng quá lớn…)
- Hơn nữa những vấn đề do lực đạp ở các gối tựa thường nảy sinh ra nhưng
hư hỏng về gối cố định thậm chí dẫn đến những hư hỏng của chính các dầm
1.1.2.5 Gối cầu:
- Gối cầu nói chung ở phần lớn các cơng trình làm nhiệm vụ truyền phản lực
gối xuống móng trụ và cho phép khe co dãn của hệ mặt cầu làm việc bình thường.
Trong cầu dây văng gối cầu khơng làm việc hồn tồn giống như vậy, nó đóng vai
trị quan trọng hơn nhiều.
- Ở đó nó truyền phản lực gối thằng đứng, thay đổi nhanh và thường xuyên.
- Ở đó nó chịu các chuyển vị hay lực dọc rất lớn, luôn thay đổi và không
giống nhau khi hoạt tải đi qua.
- Là nơi tiếp nhận lực ngang do gió sinh ra.

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 10

Những hư hỏng chính đặc trưng của các loại gối như sau

- Bị mài mòn
- Bị tách rời các điểm cố định (bản mặt hoặc gối tựa)
- Sai lệch của khối xây gối tựa lúc đầm nén.
Sự tồn tại và thay đổi nhanh của các lực khơng gian tác dụng lên gối thuờng làm
cho gối chóng hư hỏng mà phần lớn các gối này đã không được tính tốn đầy đủ
đúng theo sự làm việc đa dạng của nó. Sự xuống cấp này làm tăng độ dơ, kéo theo
sự va đâp ngày càng mạnh, gây nên lực động trong kết cấu ngày càng lớn, gây hư
hỏng gối cầu, làm dập vở khối bê tông kê gối.
1.1.2.6 Q trình phá huỷ vật liệu
b. Mài mịn, các va chạm

Hình 1.8 Các va chạm
c. Sự phá hủy lý hóa của bêtơng
d. Sự ăn mịn của cốt thép
Sự ăn mịn đuợc phát hiện bằng cách biến đổi trở kháng chỉnh lưu bao quanh
cáp. Bất lợi của phương pháp này khi được dùng thuờng xuyên là ở chỗ chỉ đáp ứng
yêu cầu cho những giá trị tham khảo cho dây cáp còn nguyên vẹn. Do vậy, cần phải
thực hiện những biện pháp trong suốt tuổi thọ của cáp để có thể chắc chắn với kết
quả.
e. Hậu quả của co ngót chậm
f. Hiện tượng mỏi của cốt thép

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 11

1.1.2.7 Sai sót trong đồ án thi công

- Những nguyên nhân xuất phát chủ yếu do khơng tơn trọng các chỉ dẫn thiết
kế hoặc thi cơng
• Đặt cốt thép thiếu:
- Khơng có hoặc khơng đủ cốt đai
- Khơng có cốt thép cấu tạo
- Lớp bảo vệ cốt thép quá mỏng, neo đầu cốt thép quá ngắn
• Sai sót trong lắp đặt cốt thép
- Đặt cốt thép quá dày ngăn trở công tác đổ bê tông
- Đặt cốt thép q thừa
• Khơng đảm bảo các u cầu về mặt kết cấu
- Chiều dày lớp bê tông bảo vệ khơng đủ
- Có sự thay đổi đột ngột tiết diện của kết cấu, sự thay đổi này gây ra sự xuất
hiện các vết nứt ở vùng có tiết diện thay đổi.
- Khơng có sự bố trí đặc biệt để chịu lực tập trung, nhất là khi chúng chỉ là
tải trọng tạm thời.
- Thiếu sự kín khít thích đáng
- Khơng có hoặc làm khơng tốt các mối nối đường thốt nước mặt cầu,
không chú ý ngăn chặn nước chảy lan từ đường người đi xuống dầm cầu.
- Thiết bị gối tựa khơng hợp lý
- Có một số cách bố trí các kết cấu tuy không phải nguồn gốc của hư hỏng
nhưng thuờng làm trầm trọng thêm khả năng hư hỏng, gây khó khăn cho cơng tác
theo dõi, bảo dưỡng
- Sự bố trí những gối tựa của những nhịp treo
- Các thiết bị gối tựa, thiết bị tiêu nước không tiếp cận được
a) Những sai sót liên quan đến khả năng chịu uốn tổng thể
- Những thiếu sót này thuờng gây nên những vết nứt do uốn hoặc do ứng lực
cắt ngun nhân là do:

Chuyên ngành Cầu – Hầm

Luận văn Thạc só

Trang 12

+ Q tải trọng thường xun, đặc biệt tải trọng của thiết bị và của lớp bảo
vệ thường là giả thuyết (có cơng trình người ta đo được trọng lượng thực gấp 2.5
lần tải trọng lý thuyết) Trên các tuyến đường bộ địa phương thường có các xe quá
tải ( ví dụ xe chở gỗ) mà khơng bị ngăn chặn do thiếu các trạm kiểm sóat trước đây.
+ Do giả thuyết khơng chính xác về lực căng truớc trong cáp DUL trị số
này phụ thuộc vào nhiều thông số khác.
+ Những hệ số ma sát gọi là f và ϕ mà những giá trị lý thuyết đã dùng có
thể là quá lạc quan.
+ Sự chùng cốt thép DUL cũng là một vấn đề, đối với các cơng trình cũ
(theo quy định này giá trị gấp đơi) Mặt khác các sợi cáp thép hoặc các bó cáp thép
DUL có thể bị ăn mịn và gãy do q trình bơm phụt vữa lấp lịng ống chứa cáp sai
sót hoặc do thi cơng có sai sót.
b) Sự phân phối lại nội lực
Sự phân phối lại nội lực dưới tác dụng của những biến dạng khác nhau bị cản
trở (được gọi là sự phân phối lại nội lực do từ biến). Một cơng trình siêu tĩnh phải
nhớ được q trình thi cơng của nó. Trạng thái ứng lực của cơng trình trong giai
đoạn cuối của q trình thi cơng phụ thuộc vào sự thay đổi trong q trình đó. Nếu
sơ đồ tĩnh học lúc thi cơng khơng khác gì sơ đồ tĩnh học cuối cùng (ví dụ những cầu
dầm hẫng) nhưng biến dạng khác nhau của bê tông do từ biến sẽ gây ra hiện tượng
phân phối lại nội lực cho tới khi trạng thái của cơng trình có xu thế tiến tới gần
trạng thái thực của cơng trình nếu như nó được thi cơng trên đá giáo.
Sự phân phối lại nội lực nhìn chung được biểu hiện bởi sự xuất hiện một
mômen dương gọi nôm na là “momen rão” mà sẽ làm kéo căng thớ ở phía của mặt
cắt. Mơmen do từ biến này có thể tính được một cách khoa học bởi các chương
trình máy tính chun dụng hoặc cũng có thể ước tính gần đúng theo cơng thức:

M1=1/2(S1+S2)
Trong đó S1 là mơmen uốn trước khi phân phối lại, S2 là momen uốn của
cơng trình tương tự mà được đúc trên đà giáo. Hiện tượng này đối với những cơng

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 13

trình siêu tĩnh xây dựng trước năm 1975 không được lưu ý tới, do vậy mà việc bố
trí kết cấu lúc đó thường thiếu kích thước so với độ võng dọc.
c) Những ảnh hưỏng do các nội lực tập trung- sự lan truyền
Những hư hỏng được nêu dưới đây là do sự lan truyền của các nội lực tập trung
xuất phát từ vùng đặt các mấu neo cáp DUL. Ngày nay có xu hướng dùng các bó
cáp lớn, tất nhiên lực căng cũng lớn và nén vào bê tơng cũng lớn theo ( ví dụ ứng
suất nén khoảng 3MN cho một cáp loại 19T15 và thậm chí là 6MN cho loại căng
tập trung hơn. Khi đó sự lan truyền của các lực này sẽ phải được nghiên cứu cẩn
thận để tránh hư hỏng dầm ngay từ lúc đang thi công.
1.1.2.8 Do điều kiện thi công
a) Bê tông
Các yêu cầu về chất lượng bê tông theo thiết kế ( cường độ và độ linh đông)
và độ bền có thể bị vi phạm trong q trình thi cơng.
Khi tính cấp phối:
Khi thiết kế thành phần: do bản chất và chất lượng cốt liệu thực tế sử dụng vì
sự khơng thích ứng của xi măng đối với cơng trình.
- Dùng các hạt đá cát bẩn.
- Dùng các hạt đá dễ bị kiềm hố.
- Dùng xi măng khơng chịu được nước biển.

Q trình sản xuất bê tơng.
- Khơng tơn trọng thành phần cấu tạo.
- Độ nước vào không hợp thời gian.
- Sử dụng không đúng chất phụ gia.
- Thời gian vận chuyển lâu.
- Nhiệt độ thi công không đúng quy định.
Q trình đúc cấu kiện.
- Ván khn khơng rửa sạch
- Dùng lại những công cụ đổ bê tông không tốt.
- Đầm rung bê tơng khơng tốt.

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 14

- Chiều cao đổ của bê tông lớn (bê tông phân tầng )
- Không quan tâm hoặc quan tâm không đủ.
b) Cốt thép trong BTCT
Các sai sót có thể là:
- Quên đặt vài thanh thép hoặc một vài chi tiết thép quan trọng
- Đặt thép sai
- Không tuân thủ chiều dày lớp bảo vệ
- Thép đặt không bảo đảm nên khi đổ bê tông bị di chuyển
- Hàn những thép không được phép hàn.
- Không tôn trọng những bán kính cong
- Lẫn lộn thép này với thép khác
- Khung cốt thép không đủ cứng

- Thép mềm bị thay thế một cách thiếu suy nghĩ bằng thép cứng.
c) Cốt thép trong kết cấu bê tông dự ứng lực
Các sai sót có thể là:
- Giao nhận các chi tiết đi theo các bó cốt thép dự ứng lực khơng đồng bộ,
trong q trình vận chuyển, lưu giữ trong kho để cho cốt thép dự ứng lực cũng như
các chi tiết kèm theo bị sây xước, bẩn, gỉ, các ống dẫn bị cong, thủng, già hoá ống
bằng nhựa.
- Đặt thép sai.
- Đặt các rãnh cho thép căng.
- Thép đặt khơng nghiêm túc nên q trình đổ bê tơng sẽ xê dịch.
- Bơm phụt vữa hoặc bơm phụt không đúng quy cách.
d) Nhưng sai sót trên cơng trường
- Trong q trình thi cơng có xảy ra các sai lệch về mặt hình học, có thể kể
đến sự lún cục bộ ván khn, độ vồng ngược của dầm khơng thích hợp, các mối nối
khơng đảm bảo, các sai lệch có liên quan đến chất lượng không đồng đều của bê
tông, sự chịu tải hoặc căng kéo không đối xứng, sự tạo dự ứng lực q thơ bạo.
• Những sai sót trong q trình thi cơng có thể kế đến như sau:

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 15

- Khơng tơn trọng các giai đoạn đổ bê tơng đã quy định sẵn trong phịng thiết
kế.
- Chặt sắt hoặc uốn móc gây khó khăn khi đổ bê tông
- Điều chỉnh những công việc phát sinh khi ghép các cấu kiện biến dạng có
thể gây nên những hậu quả xấu đối với kết cấu.

- Lắp đặt các ống dẫn, các bó cốt thép dự ứng lực các thiết bị neo, chuyển
hướng khơng chính xác, các thiết bị giữ cố định vị trí của các bó cốt thép dự ứng
lực không đủ độ cứng, bị xê dịch, biến dạng trong q trình đổ bê tơng.
- Đặt cốt thép khơng đúng quy cách, sai số về vị trí lớn, kê chèn không đủ
cho chiều dày lớp bảo vệ theo dự định, không làm các mối nối cốt thép, thiếu cốt
thép chờ giữa các mối nối bê tông.
- Việc lau rửa bôi dầu mỡ ván khuôn làm không tốt.
- Việc đổ bê tông không tốt do chiều cao quá lớn, đầm kém dẫn tới hiện
tượng phân tầng tạo ra các ổ đá dăm, rỗ, nhiều lỗ rỗng bị phủ kín các màng mỏng,
nhiều vùng bê tơng khơng được nhét đầy vì dày đặc cốt thép như ống dẫn ở thành
dầm và bầu dầm. Khi đổ bê tông ở những giai đoạn khác nhau, đường nối ráp xấu.
- Xử lý nhiệt không tốt dẫn tới nứt, không dưỡng hộ hoặc dưỡng hộ không đủ
tạo nên sự nứt bề mặt và tăng mức độ thấm của bê tông.
- Tháo ván khuôn sớm dẫn đến biến dạng quá lớn, thậm chí gây nứt.
- Thiếu cẩn thận khi vận chuyển các kết cấu đúc sẵn.
- Sai sót khi bơm vữa vào trong ống dẫn các cốt thép dự ứng lực. Nguy cơ
đứt các sợi cáp hoặc sợi thép dự ứng lực do gỉ ln ln tồn tại nên cơng trình có
sai sót trong bơm vữa. Sai sót có thể xảy ra do chất lượng vữa không bảo đảm (độ
linh đông, đô phân tầng, thời gian có thể bơm sai khác giữa thiết kế và thực tế , sự
bố trí lỗ kiểm tra khơng đủ cịn đọng nước trong ống, tắc ống khơng kiểm tra được.
- Sai sót do căng kéo các bó cốt thép dự ứng lực như trượt chốt neo, lún côn
neo, căng kéo không đủ lực, đứt cục bộ các sợi cáp…
- Thiếu độ co giãn cần thiết ở vị trí mối nối đường, sai sót về lớp phủ bảo vệ
kín lớp đầu neo..

Chuyên ngành Cầu – Hầm


Luận văn Thạc só

Trang 16

1.1.2.9 Những ngun nhân do sự thay đổi điều kiện sử dụng và môi trường.
Những khuyết tật do bảo dưỡng.
- Quá tải do các đoàn xe đặc biệt nặng khơng dự tính trước.
- Tăng chiều dày mặt đường trên cầu một cách lạm dụng.
- Sự ô nhiễm của mơi trường ( khí thải cơng nghiệp) sự thay đổi chế độ nước.
- Thiếu sót do bảo dưỡng hệ thống thoát nước, bảo dưỡng mối nối đường.
- Sai sót do đặt trần cốt thép một cách ngẫu nhiên hoặc khơng.
- Sai sót do việc điều chỉnh sự làm việc của các gối tựa bị hỏng.
- Công việc bảo quản và sữa chữa không thực hiện vào thời gian thích hợp
+ Bảo quản hệ thống thốt nước.
+ Bảo quản những khe co dãn
+ Sửa chữa.
- Do sự thay đổi các điều kiện môi trường khu vực cầu (chế độ nước, ô
nhiễm )
- Do thi công sai khi sửa chữa nhỏ, ví dụ tăng tải q mức ( khơng bào gọt
lớp phủ mặt cầu cũ, ví dụ đã có trường hợp cho thấy 26cm chiều dày của lớp áo
đường trên mặt cầu)
1.2 Lý do chọn đề tài:
Trong cầu dây văng các cáp văng là bộ phận chịu lực chính, dây làm việc chịu
kéo như các gối tựa đàn hồi chịu toàn bộ phản lực thẳng đứng do tĩnh tải và hoạt tải
tác dụng, đồng thời dây lại luôn chịu tác dụng của hiệu ứng Karman nên dễ bị mỏi,
do đó lực căng trong mỗi dây đóng vai trị hết sức quan trọng trong kết cấu. Nếu có
sự cố mất mát một phần hay toàn bộ lực căng trong dây nào đó có thể gây hậu quả:
-

Làm thay đổi nội lực trong dây cịn lại

-

Nội lực trong kết cấu chính bị thay đổi

-

Các mode dao động trong kết cấu sẽ bị thay đổi

-

….

Những thay đổi trên sẽ gây nguy hiểm đến khả năng chịu lực của kết cấu thậm
chí làm cho kết cấu bị sụp đổ. Bởi chính tầm quan trọng đó của lực căng trước trong

Chuyên ngành Cầu – Hầm