Cầu dây văng là một trong những loại cầu có tính thẩm mỹ cao và phổ biến nhất trên thế giới nhờ các ưu điểm như trọng lượng nhẹ, tiết diện tương đối nhỏ và hiệu quả kết cấu cao. Cầu dây văng cũng đặc trưng bởi khả năng giảm chấn kết cấu thấp, ứng xử động học phức tạp và chu kỳ dao động tự nhiên dài. Tiết diện nhỏ và trọng lượng nhẹ khiến chúng dễ bị dao động dưới các tải trọng động như gió, động đất, tải trọng người đi bộ và xe cộ. Hơn nữa, khi chiều dài nhịp cầu tăng lên, độ mềm dẻo của kết cấu và chiều dài dây cáp cũng tăng, có thể dẫn đến các vấn đề về ổn định khí động học.
Biên độ dao động lớn có thể gây hư hại cho cáp do tải trọng uốn và mỏi, làm giảm độ bền của cáp và thậm chí có thể gây nguy hiểm cho an toàn kết cấu. Tùy thuộc vào các thông số cụ thể của từng cáp, mức độ dễ bị dao động sẽ khác nhau. Cáp càng dài thì càng dễ bị dao động hơn so với cáp ngắn.
Do đó, bổ sung giảm chấn đã trở thành một thành phần phổ biến trong hệ thống cáp dây văng của cầu dây văng. Giảm chấn lắp ở các đầu neo dây văng có tác dụng làm tắt dần các dao động của bó cáp văng một cách nhanh nhất, tránh việc cộng hưởng tần số dao động riêng của dây và tần số dao động do các kích thích bên ngoài gây ra. Vì vậy, nghiên cứu thiết kế và lắp đặt giảm chấn cho cáp dây văng là hết sức cần thiết và cần phải được nghiên cứu đánh giá hiệu quả của việc lắp đặt này. Mục tiêu hướng tới sự an toàn khai thác ổn định các công trình cầu dây văng thì các nghiên cứu nhằm tối ưu hóa giảm chấn cho cầu vẫn đang được đầu tư nghiên cứu và liên tục cải tiến.
Cáp dây văng có thể bị dao động do kích thích trực tiếp bởi gió hoặc gián tiếp thông qua chuyển động của mặt cầu và trụ tháp. Là nguồn kích thích trực tiếp gây dao động trên dây cáp, gió là một trong những yếu tố thách thức nhất trong thiết kế cầu dây văng. Các hiện tượng khí đàn hồi khác nhau xảy ra trên dây cáp bao gồm:
- Dao động do chuyển động (motion-induced vibration);
- Dao động do tách dòng (vortex-induced vibration - VIV);
- Dao động do nhiễu động gió (buffeting);
- Dao động do gió - mưa kết hợp (rain-wind-induced vibration - RWIV);
- Dao động do dòng khí phía sau (wake galloping - WG);- Dao động khô (dry galloping - DG);
- Dao động do băng giá (ice galloping - IG);
- Các hiện tượng khí động học khác...
Ngoài ra, hiện tượng nhiễu khí động học và ảnh hưởng kéo dài cũng được ghi nhận. Hai dây cáp liền kề có cấu hình tương tự nhau nhưng có thể trải qua các dạng dao động khác nhau khi chịu tác động của gió. Trong khi đó, hiện tượng dao động do gió - mưa kết hợp (RWIV) có thể gây ra sự kết hợp giữa dao động trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng của dây cáp.
Kích thích gián tiếp hoặc kích thích từ điểm tựa của dây cáp được tạo ra bởi chuyển động của dầm mặt cầu và trụ tháp thông qua các điểm neo hoặc giá đỡ của dây cáp. Ngoài ra, sự kết hợp mạnh giữa dao động cục bộ và dao động toàn cầu có thể xảy ra khi tần số dao động tự nhiên của hai dạng này gần bằng nhau. Việc này có thể gây ra các hư hại cho bề mặt ống cáp hoặc trực tiếp lên dây văng. Thiệt hại này phản ánh tầm quan trọng của tương tác động giữa dây cáp và mặt cầu vốn là sự kết hợp giữa dạng dao động toàn cầu của mặt cầu và dạng dao động cục bộ của dây cáp. Các kích thích trực tiếp hoặc gián tiếp lên dây văng tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất ổn định cho hệ dầm mặt cầu, hệ thống treo của cầu văng.
Nghiên cứu đã trình bày các nguyên nhân gây ra dao động đối với cáp dây văng, những ảnh hưởng của việc dao động của nó đến kết cấu cầu dây văng và phương pháp kiểm soát dao động của dây cáp bằng việc bổ sung giảm chấn cho cáp văng. Các bộ giảm chấn cáp dây văng sẽ làm cho dây văng nhanh chóng tắt dần các dao động khi bị kích thích, giúp cho các cây cầu dây văng được ổn định và an toàn khai thác. Bài báo cũng đã trình bày kết quả của việc đo đạc hiệu suất giảm chấn cáp văng được lắp đặt trên cầu Rạch Miễu 2. Thực nghiệm đo đạc và xử lý số liệu hiện trường trên một cây cầu dây văng cho thấy hiệu suất của các giảm chấn lắp đặt thêm trên cầu đều lớn hơn 4%. Con số này là đảm bảo lớn hơn các yêu cầu của các tiêu chuẩn hiện hành cho giảm chấn cáp văng, đồng thời đánh giá được rõ hiệu quả của việc bổ sung giảm chấn sẽ làm tắt nhanh dao động ở ngay các chu kỳ đầu tiên sau khi dây văng bị kích thích so với việc dây văng không có giảm chấn thì dao động sẽ kéo dài và tắt dần chậm lại. Do vậy, các giảm chấn trên cầu đảm bảo được yêu cầu thiết kế, giúp tăng cường ổn định và an toàn khai thác cho công trình cầu dây văng.
|