Tính toán đo lực căng trong dây văng dựa vào ứng dụng lý thuyết dây rung

Tính toán đo lực căng trong dây văng dựa vào ứng dụng lý thuyết dây rung là một giải pháp đã được triển khai ứng dụng đo lực căng dây với các dây văng có chiều dài cáp không lớn, cấu tạo đầu neo đơn giản.

Đà Nẵng, Sở Giao thông vận tải thành phố Đà Nẵng triển khai ứng dụng kỹ thuật này cho công tác quan trắc lực căng trong dây văng trong quá trình xây dựng cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý.

Cầu dây văng Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý, được thiết kế như một điểm nhấn kiến trúc đặc trưng của thành phố biển Đà Nẵng với cặp đôi mặt phẳng dây văng neo đối xứng, kết nối với một cột tháp nghiêng có chiều cao 145m. Chiều dài cầu bao gồm bốn nhịp cầu dẫn có chiều dài 50m và nhịp dây văng có chiều dài 230m vượt qua khẩu độ thông thuyền.
Với đặc điểm kết cấu kiến trúc và cấu tạo, giải pháp thi công phức tạp, một yêu cầu cấp thiết đặt ra là phải thiết kế và lắp đặt một hệ thống quan trắc tự động và thường xuyên, liên tục cho phép theo dõi các biến động của dầm chủ, cột tháp và dây cáp văng để có những điều chỉnh kịp thời trong quá trình thi công. Hệ thống quan trắc còn cho phép kiểm tra các giả thiết tính toán thiết kế cũng như mở rộng ứng dụng của hệ thống phục vụ cho công tác phân tích ứng xử, bảo trì, bảo dưỡng kết cấu trong quá trình khai thác.
Hệ thống quan trắc bao gồm các nội dung chính sau:

   • Đo đạc và theo dõi ứng suất trong các mặt cắt dầm chủ và cột tháp

   • Đo đạc và theo dõi độ nghiêng của cột tháp

   • Đo đạc và theo dõi nhiệt độ trong dầm chủ và cột tháp

   • Đo đạc và theo dõi hướng và tốc độ gió

   • Đo lực căng dây và theo dõi lực căng trong cáp dây văng (07/63 dây)

   • Đo đạc dao động trong dây cáp văng sử dụng hệ thống thiết bị đo lực căng cầm tay

   Toàn bộ hệ thống được kết nối với các đầu thu nhận tín hiệu và hệ thống máy tính trung tâm đặt trong phòng điều khiển trên mặt cầu đảm bảo công tác thu nhận số liệu một cách thường xuyên và liên tục. Một phần mềm thu nhận số liệu được thiết kế riêng cho cầu dây văng Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý phục vụ công tác quan trắc trong quá trình thi công.

giao diện điển hình của phần mềm thu nhận và quản lý số liệu quan trắc

Phương pháp đo lực căng dây và theo dõi lực căng trong dây văng

Tại Việt Nam, nhiều phương pháp kỹ thuật khác nhau đã được sử dụng để đánh giá lực căng trong dây cáp cầu dây văng sử dụng máy đo lực căng dây cáp trong quá trình thi công cũng như khai thác.

Phương pháp điển hình như kiểm tra áp lực trong kích thủy lực, sử dụng đầu đo lực căng , quan trắc biến dạng, xác định độ dãn dài của đường cáp trong quá trình lắp đặt và căng kéo… Tác giả Casas đã chứng minh rằng các phương pháp này mặc dù việc mô tả là rất đơn giản tuy nhiên ứng dụng thực tế thường khó đạt hiệu quả mong muốn về mặt giá thành, tính chính xác cũng như khả năng áp dụng (Casas, 1994).

Tuy nhiên có một phương pháp đơn giản, nhanh chóng và không quá đắt tiền là phương pháp ứng dụng lý thuyết dây rung bằng cách xác định lực căng trong dây văng thông qua tần số dao động riêng, trọng lượng riêng đơn vị và chiều dài thực tế của bó cáp.
Phương pháp này đã được ứng dụng rất thành công và thể hiện tính hiệu quả trên thế giới cho các cầu dây văng có chiều dài cáp văng không lớn, cấu tạo neo đơn giản hay các đường cáp dự ứng lực ngoài (Demars and al., 1985).

Ngoài ra, để ứng dụng được lý thuyết dây rung trong tính toán đo lực căng trong dây cáp văng với độ chính xác cao nhất, kết quả đo đạc phải đảm bảo sự tuyến tính giữa các mode dao động và tần số dao động riêng. Để đạt được điều này, cần một số giả thuyết như sau:

   • Mô men uốn trong cáp văng phải được coi là nhỏ và có thể bỏ qua;

   • Không có các chuyển vị tương đối giữa đầu neo và cáp văng tại vị trí neo cáp;

   • Cáp văng có độ dãn dài nhỏ. Các biến dạng của mode đối xứng không làm tăng lực căng trong dây văng.

   Với các cầu có chiều dài dây cáp văng rất lớn và/hoặc cấu tạo đầu neo, chuyển hướng, giảm chấn phức tạp, việc xác định một cách chính xác chiều dài dao động thực tế của cáp văng trở nên khó khăn hơn rất nhiều (Kiska and al., 1991). Bên cạnh đó, khi có các cấu tạo chuyển hướng hoặc giảm chấn phức tạp, đặc tính dao động của cáp văng có thể khác biệt hoàn toàn với lý thuyết dây rung thông thường. Việc xác định tần số dao động riêng của các mode thấp nhất của dây văng có độ sai lệch lớn và do đó ảnh hưởng đến độ chính xác của công thức xác định lực căng (Robert and al., 1991).

   Trong trường hợp đó, nhiều phương pháp khác nhau đã được đề xuất để nâng cao độ chính xác trong tính toán xác định lực căng trong dây văng. Nhóm biện pháp đơn giản nhất là kết hợp các kỹ thuật đo khác nhau cho phép bù trừ các sai số của biện pháp đo này với kết quả của một biện pháp đo khác sử dụng quy trình bình phương tối thiểu. Các nhóm giải pháp phức tạp hơn bao gồm việc xét đến ảnh hưởng của mô men uốn trong cáp văng hay độ dãn dài của cáp văng.

Phương pháp theo dõi lực căng trong dây văng sử dụng cho cầu Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý

Để theo dõi đo lực căng trong cáp dây văng của cầu dây văng Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý sử dụng kết hợp hai phương pháp.
Phương pháp thứ nhất sử dụng đầu đo lực loadcell HC160 được lắp đặt trên một số dây văng quan trọng để thường xuyên và tự động thu thập số liệu lực căng.
Phương pháp thứ hai là sử dụng lý thuyết dây rung với thiết bị đo gia tốc cầm tay cung cấp bởi công ty VSL.
Việc sử dụng hai phương pháp kết hợp này thể hiện một số ưu điểm như sau:

    • Là giải pháp rất phù hợp khi mà việc sử dụng đầu đo lực căng đảm bảo độ chính xác cao trong khi việc sử dụng phương pháp dây rung là phương pháp có hiệu quả kinh tế cao nhất;

   • Việc kết hợp hai phương pháp trên cho phép đánh giá lực căng trong các dây văng với độ chính xác cao thông qua việc giảm thiểu các sai số của phương pháp dây rung;

   • Trong quá trình khai thác, khi hệ thống giảm chấn và chuyển hướng được lắp đặt đầy đủ, các số liệu đo lực căng trong dây văng bằng đầu đo lực cho phép có các hiệu chỉnh hợp lý trong tình toán lực căng từ kết quả đo dao động mà có thể xét đến ảnh hưởng của các thiết bị trên.

   Tính lực căng trong dây văng từ kết quả đo dao động

   Phương pháp đo lực căng trong dây văng gián tiếp qua tần số dao động riêng của dây văng là phương pháp dựa trên lý thuyết dây rung. Để giảm sai số có thể xuất hiện trong quá trình đo đạc tần số dao động riêng, người ta thường xác định các tần số dao động riêng ứng với các mode dao động đầu tiên. Lực căng trong dây văng có chiều dài tự do và trọng lượng riêng xác định khi đó sẽ được tính toán thông qua tần số dao động riêng fn thứ n sử dụng công thức sau đây (Cunha and al., 1995):

   Trong đó T là lực căng trong dây văng, f_n là tần số dao động riêng thứ n của cáp văng, L là khoảng cách giữa hai đầu cố định của dây văng và m là trong lượng đơn vị theo chiều dài của cáp văng.

   Chiều dài của cáp văng và trọng lượng đơn vị có thể dễ dàng xác định trên bản vẽ cũng như chỉ tiêu kỹ thuật của cáp văng.

   Để giảm thiểu sai số khi xác định tần số dao động riêng của cáp văng, đề xuất xác định năm tần số dao động riêng gần nhất để đưa vào trong tính toán trung bình lực căng theo phương pháp đã được ứng dụng cho công trình cầu dây văng Vasco da Gama và nhiều cầu dây văng khác trên thế giới (Cunha and al., 1995).

   Xác định tần số dao động riêng của cáp văng

   Để xác định tần số dao động riêng của cáp văng, một thiết bị đo gia tốc (accelerometer) đã được sử dụng bởi Công ty VSL. Thiết được gắn trên bề mặt ngoài của bó cáp thông qua một dây đai thép cho phép định vị chắc chắn thiết bị trên bó cáp. Vị trí điểm bố trí đo dao động nằm ở cao độ 5m trên mặt cầu để triệt tiêu ảnh hưởng của đầu neo khi đo dao động trên mặt đứng.

   Tính toán lực căng trong dây văng

   Hai trong số các dây văng đã được thi công đến thời điểm hiện tại mà có lắp đặt các đầu đo lực đã được lựa chọn trong gian đoạn đầu của dự án để tiến hành đánh giá phương pháp tính toán lực căng gián tiếp qua tần số dao động riêng là dây văng số hiệu S215 (dây neo) và dây văng số hiệu S326 (dây văng nhịp chính).

   Các tần số dao động riêng của dây văng số hiệu S215 sau khi căng kéo lần một tương ứng với các mode từ 3 đến 7 lần lượt là: 1.563; 2.100; 2.588; 3.125; 3.662 Hz (Hình 2) cho lực căng tính toán trung bình tương ứng bằng 2089.4kN so với lực căng đo được qua đầu đo lực (loadcell) là 2156kN. Sai số tương ứng là 3%.

   Tương tự như với dây văng số hiệu S215, hình số 5 thể hiện kết quả phân tích tần số dao động riêng cho dây văng S326 sau khi căng kéo lần đầu tiên sử dụng thuật toán FFT. Các tần số dao động riêng ứng với các mode từ 2 đến 6 lần lượt là: 2.197; 3.320; 4.443; 5.518; 6.592 cho kết quả tính toán trung bình lực căng trong dây văng là 5177.7kN so với giá trị đo được qua đầu đo lực là 5183kN. Sai số do đó chỉ là 0.1%.