THIẾT KẾ CẦU THÉP.TS.Nguyễn Xuân Toản-ThS.Nguyễn Văn Mỹ

TS NGUYỄN XUÂN TOẢN - ThS NGUYỄN v ă n mỹ THIẾT KẾ CẦU THÉP NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I-2010 L Ờ I N Ó I Đ Ầ U Trong năm gần với p h t triển khoa học công nghệ, lĩnh vực xây dựng cầu nước ta củng liên tục p h t triển theo hướng cơng nghiệp hố đại hố Các cơng nghệ xây dựng cầu thép, cầu nhịp lớn ngày hoàn thiện triển khai ứng dụn g rộng rãi ph ạm vi nước Đăc biệt công nghệ chê'tạo thép hợp kim, thép cường độ cao p h t triển thúc đ ẩ y khả ứng dụng kết cấu thép nòi chung cầu thép nói riêng vào xây dự ng ngày phơ biến nước ta C ùng ƯỚI gia nhập WTO hội nhập với nước p h t triển thê giới, Việt N a m áp dụng nhiều tiêu chuẩn thiết k ế xây dựng khác, tùy thuộc vào dự án nguồn vốn đầu tư Đê đáp ứng nhu cầu độc giả, đặc biệt sinh viên chuyên ngành cầu hầm, cầu đường trường đại học, cao đẳng, trung cấp, biên soạn "Thiết k ế cầu thép" với nội dung dựa Tiêu chuẩn thiết k ế cầu 22T C N 272-05 Việt Nam, Tiêu chuẩn AISC, Tiêu chuẩn A A SH T O LRFD 2005 Hoa Kỳ s ố tài liệu tham khảo khác N ội dung sách bao gồm sáu chương sau: Chương 1: Giới thiệu chung cầu thép Chương 2: Vật liệu thép Chương 3: Cơ sở thiết k ế cầu thép Chương 4: Liên kết cầu thép Chương 5: Thiết k ế cầu dầm thép Chương 6: Thiết k ế cầu dàn thép Trong chương biên soạn gồm ph ần lý thuyết kèm theo ví dụ tính tốn áp dụn g đê độc giả d ễ tiếp cận áp dụn g vào thực tế Tác g iả bày tỏ lòng biết ơn đến đồng nghiệp môn c ầ u H ầm trường Đ ại học Bách Khoa - Đ ại Học Đ N an g tạo điều kiện hoàn thành tài liệu Do trình độ có hạn biên soạn lần đầu nên khơng tránh khỏi thiếu sót nhầm lẫn, m ong độc giả đóng góp ý kiến đ ể chúng tơi hồn thiện cho lần tái sau C c tá c g iả C hương I GIỚI THIỆU CHUNG VỂ CÂU THÉP 1.1 KHÁI NIỆM CHUNG C n g trình cầu nói chung xây dựng hầu hết tu y ến g ia o th ôn g đ n g bô đ n g sắt để vư ợ t qua chư ớng ngại vật tự nhiên sô n g , su ố i, k ênh, rạch, đầm lầy, k h e s â u chư ng ngại vật nhân tạo c n g trình đư n g bộ, đư n g sắt, k iến trúc khác xây dựng bên d i T ron g cầu thép loại cầu m kết cấu chịu lực chủ y ế u đư ợ c làm vật liệu thép C ho tới cầu thép loại cầu sử dụng rộn g rãi ch o cầu nhịp trung nhịp lớn tính chất ưu việt vật liệu thép Đ ặc biệt n gày thép cò n đư ợc thêm v o thành phần kim loại quí khác để tạo nhữ n g loại thép hợ p kim c ó tính tốt, đặc biệt tiêu c học cao có khả năn g c h ố n g rỉ tốt hơn, th ép n g y cà n g trở nên quan trọng, xây dựng cầu vư ợ t nhịp lớn D o thép vật liệu dẳng hướng có độ bền cao chịu m ọi trạng thái ứng suất k é o , n én, u ốn , x o ắ n nên c ó thể dùng cho tất loại cầu khác Đ iề u tạo n ên đa dạng phong phú cho cầu thép như: cầu dầm , cầu g iàn , cầu v ò m , cầu treo, cầu d ây v ă n g , cầu khung hệ liên h ợ p Đ ặ c b iệt thép cư n g đ ộ cao có khả chịu k éo tốt nên áp d ụ n g h iệu cầu treo, cầu dây văng, cầu thép dự ứng lực, cầu v ị m có c ă n g giảm đư ợ c kh ối lư ợ n g kết cấu, tiết k iệm vật liệu , tiết kiệm thép, vượt đ ợ c nhịp lớn Đ iể n hình cầu treo A k a sh i K aikyo N hật vượt nhịp 1991m T h ép vừ a c ó độ bền cao vừa có tính d ẻo nên liên kết đư ợ c cấu tạo đơn giản, sản xuất lắp ráp dễ dàng Đ iều đặc biệt lợi v i cầu nhịp lớn , v ì cầu nhịp lớ n c ó thể phân thành phân tố kết cấu có kích thư c trọng lư ợ n g phù h ọp v i c ô n g n g h ệ thi c ô n g , để v iệc vận ch u yển lắp ráp dễ d n g thuận lợi Đ iề u c ũ n g g iú p phát huy tối đa khả tiêu chuẩn hố, định hình h ố c g iớ i h oá từ khâu sản xuất kết cấu nhà m áy đến khâu vận chu yển lắp ráp n go i trường v ậ y giả m đư ợ c thời gian chi phí xâ y dựng T h ép vừ a c ó tính d ẻo vừ a có tính đồn g cao nên phân bố lại ú n g suất biến d ạn g tốt, có khả chịu lực cụ c tốt, chịu tác đ ộn g cá c tải trọng đ ộ n g tốt T h ép c ó đ ộ n g lớn góp phần tăng ổn định kết cấu, đặc biệt kết cấu ch ịu nén , nén uốn đồn g thời c ầ u th ép c ó n h iều u đ iểm son g tồn m ột số nhược đ iêm lớn cần cân nhắc áp dụng: - G iá thành c ủ a th ép k há cao dẫn tới chi phí cho vật liệ u làm cầu thép cao - T h ép th n g g ỉ m ạnh m trường k g khí ấm axit, m u ố i giảm tuổi thọ c ô n g trình - C hi phi d u y tu, b ã o d ỡ n g, sơn sửa định kỳ cao - N h ữ n g n g h iê n u đ ể khắc phục nhược điểm triên khai như: - S d ụ n g th ép c n g đ ộ cao để giảm khối lượng chi phí - D ù n g thép h ọ p k im k hôn g gỉ, thép mạ, thép tôi, sơn phủ bảo vệ sơn chống g i N h ìn ch u n g cầu th ép đa dạng, phong phú, kết cấu m ành, vượt nhịp lớ n , thờ i g ia n thi c ô n g nhanh, chi phí thi n g rẻ so n g chi phí vật liệu chi phí tron g khai thác c a o (ch i phí sơn, sữa, bão dư ỡ ng c ầ u ) vậy, lựa chọn p h n g án cầ n c ó cân n h ắc k ỹ lưỡng: - G iá thành x â y d ự n g ban đầu - C hi phí khai thác (chi phí sơn ,sữa, bão dưỡng cầu - Q ui m ô dự án, k n ăn g xây dựng, tiến độ xây dựng - T c đ ộ n g củ a m ô i trường - T u ổ i thọ c ô n g trình - M ỹ quan, M ộ t số hình ảnh v ề câ u thép xây dựng nước giới: Hình 1.1 Cầu qua vịnh Forth - Scotland, nhịp 52ỉm (1890) Hình 1.2 Cầu Quebec - Canada, nhịp chỉnh 549m (1917) H ĩnh 1.3 Cầu Sydney - Australia, nhịp 503m (1932) H ình 1,4 Cầu Rio Antirio - Hy Lạp, nhịp 560m (2004) Hình 1.5 cầw Normandie - Pháp, nhịp 856m (1995j Hình 1.6 Cầu Tatara - Nhật Bàn, nhịp 890m (1999) Hình 1.7 c ầ w Golden Gate - Mỹ, nhịp 1280m (1937) H ĩnh 1.8 CầuAkashi Kaikyo - Nhật Bàn , nhịp chỉnh 199ỉm (1998) Hình 1.9, Cầu Long Biên - Hà Nội (1902) Hĩnh 1.10 Cầu Hàm Rồng - Thanh Hố (1904) Hình 1.11 Cầu Hàm Rồng - Thanh Hố (1964) Hình 1.12 Cầu Tràng Tiền - Huế ( ỉ899) H ình L i Cầu Thăng Long, tầng, dài 3500m - Hà Nội (1985) 10 Hình 1.14 Cầu sơng Hàn - Đà Nằng (2000) Hình L I Cầu Bính - Hài Phịng (2005) H ình 1.16 Cầu Thuận Phước - Đà Ncmg, nhịp 405m (2009) 11 1.2 CÁC HỆ THỐ NG c BẢN CỦA CẨU THÉP T h ép vật liệ u đẳng huớ ng v c ó đ ộ bền ca o ch ịu m ọ i trạng thái ứng suất - b iển dạng nên tạo đa dạng v p h o n g phú v ề c h ủ n g loại, k iểu d án g kiến trúc, sơ đồ kết c ấ u sơ b ộ dựa đặc đ iểm cấu tạo s đ kết cấu phân loại cầu thép thành h ệ th ố n g c sau: - C ầu dầm thép - C ầu dàn thép - C ầu v ò m thép - C ầu khung - C ầu treo - C ầu dây văn g - C ầu liên hợp K ết th ốn g kê ch o thấy phạm vi ch iều dài nhịp kinh tế đư ợ c áp dụn g hệ th ốn g cầu n ói c ó thể tham khảo bảng 1.1 C h iều dài nhịp hệ thông cầu thực tế c ó thể lớn n h iều so v i trị số gh i g , so n g th eo nhà ch u y ên m ơn phân tích k g m ang lại h iệu k inh tế v n h iều trường hợp chi phí tốn nên cần cân nhắc k ỹ lư ỡ n g trước q u yết định lựa ch ọ n ph n g án kết cấu cầu ch o phù hợp vớ i m ục tiêu dự án Bảng 1.1 Phạm vi chiều dài nhịp kinh tế áp dụng hệ thống cầu [9| Hệ thống cầu Cầu dầm nhịp đơn giản Nhịp kinh tế (m) đến 30 Cầu dầm liên tục có chiều cao khơng thay đổi đến 120 Cầu dầm liên tục có biên gãy khúc cong 50 - 200 Cầu dầm khung 40 - 200 Cầu dầm hộp liên tục 100 - Cầu dàn đơn giàn -1 Cầu dàn liên tục -4 0 Cầu dàr mút thừa 250 - 550 Cầu vòm 200 - 500 Cầu dây văng 250 - 600 Cầu treo dây võng 350 - 1300 1.2.1 Cầu dầm Đ ợ c sử dụn g phổ b iến trước v đến c ò n đư ợc áp dụng Đ ặc diêm ch u n g cầu dầm là: 12 - D i tác dụn g tài trọng thẳng đứ ng, áp lực lên m ổ v trụ tồn tạithành phần th ẳng đ ứ n g, nên kích thư ớc m ổ trụ tương đối nhỏ so v i cầu v ò m , khu ng - C ấu tạo đơn giản , dễ tiêu chuẩn hoá định hình h ố kết cấu nên sản xuất hàng loạt nhà m áy v ì giảm đư ợc chi phí sản xuất - T hi c ô n g tư ơn g đối đơn giản, tiến độ thi c ô n g nhanh - N h n g cầu dầm th n g tốn vật liệu so vớ i loại cầu khác cầu dàn, k h u n g, v ò m , treo, liên h ợ p c h iều dài nhịp lớn - Cầu dầm thép liên tục c ó thể đạt nhịp 0 -3 0 m - T h n g áp dụng cho cầu nhịp nhỏ vừa, phạm v i áp dụn g có h iệu qua (x em g ) - Cầu dầm thép c ó thể làm theo sơ đồ dầm đơn g iản , liên tục m út thừa (x em hình 1.17) a) Cầu dầm đơn giản b) Cẩu dắm liên tục c) Cầu dầm mút thừa Hình ỉ 17 Cúc sơ đồ cầu dầm thép 1.2.1.1 Cầu dầm đơn giản u điềm: - K h ôn g phát sin h nội lực phụ lún lệch m ố trụ cầu, thay đổi nhiệt đ ộ - K ết cấu đơn giản , dễ định hình hố, tiêu chuẩn h oá sản xuất hàng loạt nhà m áy giảm đư ợc chi phí sản xuất - Hư h ỏ n g cụ c k g ảnh hường đến tồn cầu Nhược điếm: - K êt câu nặn g nề tốn thép so v i cầu dầm liên tục m út thừa - Kêt câu trụ lớn so với cầu liên tục mút thừa trụ phải dở hai hàng gối lệch tâm - Đ n g đàn hồi k h ôn g licn tục nên x e chạy qua cầu k h ôn g êm thuận 13 Phạm vi áp dụng: - T ốt nên áp dụn g nhịp m , đạt nhịp 50m - Á p dụn g ch o m ọi loại địa chất, th n g dùn g nhiều điều kiện địa chất yếu 1.2.1.2 Cầu dầm liên tục: N gư ợ c lại so với cầu dầm đơn giản, có đặc điểm sau: u điêm: - K et cấu m ảnh, g ọ n nhẹ tiết k iệm thép h n so vớ i cầu dầm đơn giản - K ết cấu trụ nhỏ so v i cầu dầm đơn giản trụ d ỡ m ột hàng g ố i tàm - Đ n g đàn h ồi liên tục nên x e ch y qua cầu êm thuận - v ề p h n g d iện thi g: áp dụn g c ô n g n gh ệ thi c ô n g tiến tiến cô n g n gh ệ lắp hẫn g từ ng m ơđul nên xây d ự n g đ ợ c cầu vư ợ t nhịp lớn cầu dâm đơn giản Nhược điêm: - Phát sinh nội lực phụ lún lệch m ố trụ cầu, thay đổi nhiệt độ, điều nội lự c - V i cầu có b iên thay đ ổ i kết cấu phức tạp, k hó định hình hố tiêu chuấn hố cầu đơn giản phí sản xuất x â y lắp cao, - H hỏng cục ảnh hưởng đến tồn cầu Phạm vi áp dụng: - Có áp dụng cho nhịp 30-300m, phạm vi áp dụng có hiệu quà (xem bảng 1.1) - Á p dụn g phù hợ p ch o v ù n g có địa chất tốt - C ó thể áp dụn g v ù n g c ó địa chất k h ôn g đ ợ c tốt n h u n g phải sử d ụ n g m ón g sâu dề hạn ch ế độ lún m ố trụ 1.2.1.3 Cầu dầm m ú t thừa: v ề c khắc phục nhược điểm cầu dầm đơn giản liên tục, phát huy ưu điểm hai hệ có đặc đ iểm sau: Ưu điểm: - K et cấu m ảnh, g ọ n nhẹ tiết k iệm thép so v i cầu dầm đơn giản - Ket cấu trụ nhỏ so với cầu dầm đơn giản trụ dỡ m ột hàng gối tâm - K h ô n g phát sin h nội lự c phụ d o lún lệch m ố trụ cầu, d o thay đ ổi nhiệt đ ộ - H hỏng cục nhịp đeo không ảnh hưởng đến toàn cầu - v ề p h n g d iện thí g: c ó thể áp d ụ n g c ô n g n gh ệ thi c ô n g tiến tiến cô n g n gh ệ lắp hẫn g m ơđul n ên xây d ự n g đ ợ c cầu vư ợ t nhịp lớn cầu dầm đơn giản Nhược điêm: - Đ n g đàn hồi k h ôn g liê n tục, đặc biệt bị gãy khúc vị trí nối tiếp giữ a dầm đeo dầm ch ín h g â y x u n g kích lớn x e qua cầu Đ â y cũ n g nhược đ iểm lớn cùa cầu dầm m út thừa, làm giảm khả ứ ng d ụ n g tuyến đ n g cấp cao đ n g ca o tốc 14 - V i cầ u c ó b iê n thav đ ổ i kết cấu phức tạp, khó định h ìn h hoá tiêu chuân hoá cầu đ n giản n ên chi phí sản xuất cao - H h ỏ n g cục dầm ảnh hưởng đến tồn c ầ u , Phạm vi áp dụng: - C ó thể áp d ụ n g ch o nhịp -2 0 m , phù hợp vớ i m ọi loại đ ịa chất, - Hạn c h ế sử d ụ n g tuyến đường cấp cao v đ n g ca o tốc 1.2.2 Cầu dàn b) Dàn VVarren có đứng a) Dàn VVarren \Ị c) Dàn Warren e) Dàn Pratt \ \ / \| t [ f) Dàn K Í7 l h) Dàn Hawe g) Dàn Parker i) Dàn Warren kép T d) Dàn Patt trèn i / Ịỵ \Ị j) Dàn Baltimore 'V k) Cầu dàn liên tục biên song song biên dong Hình 1.18 Cúc sơ đồ câu dàn thép 15 T h n g đư ợ c sử d ụ n g vư ợ t nhịp lớn so v i cầu dầm c ầ u dàn thép tiết kiệm vật liệu cầu dầm v ì chịu lực d ọc chủ yếu , biểu đồ ứng suất phân bố toàn tiết diện nên tận d ụ n g tối đa khả làm v iệ c cùa vật liệu Đ ặc biệt trục cá c dàn năm cá ch xa trục trung hoà hệ nên tăng khả chịu lực cùa c ả hệ thông lên gấp n h iều lần so vớ i cầu dầm có cù n g trọng lư ợ n g - C ũng cầu dầm , cầu dàn truyền áp lực đứng lên m ố trụ, nên kích thước m ố trụ tư ơn g đối nhò - D ễ tiêu chuẩn h ố định hình hố cho tồn kết cấu cũ n g ch o phùn tố kết cấu nên sản xuất hàng loạt nhà m áy m an g lấp ráp c n g trường giảm đư ợ c chi phí - Thi c n g thuận lợ i, d o phân tố kết cấu c ó kích thước trọng lư ợ n g không lớn nên cần thiết bị cẩu lắp nhỏ gọn so n g thời gia n kéo dài phải lắp ráp nhiều chi tiết h on cầu dầm - M ặt cầu bố trí (x em hình 1 c ,d ), (x e m hình 1 a ,b ,e ,f ) h oặc - C ũng cầu dầm , c ó làm cầu dàn đ on g iản , liên tục, m út thừa, đặc điểm cúa sơ đồ n ày tư n g tự trình bày phần cầu dầm có phạm vi áp dụn g lớn Phạm vi áp dụn g c ó hiệu (x em bảng 1.1) - C h iều dài nhịp áp d ụ n g p h ố biến -1 m , c ó đạt nhịp 550m - Điển hình cầu Forth (1 % ) Scottland l = 521 m , cầu Quebec (1917) cúa C anada / = m , cầu M in ato-O h ash i N hật / = 51 Om 1.2.3 Cầu vòm / Vòm chủ Thanh treo Đường xe chạy T r— Đường xe chạy // Đường xe chạy — Thanh chống Thanh treo Hình 1.19 Các sơ đồ câu vịm thép 16 T rước k ia th n g dùn g để vượt nhịp lớ n , ngày áp dụn g phổ biến v ò m ố n g thép n h ồi b ê tông Đ ặ c đ iểm cầu v ò m có lực đẩy n gan g m ố trụ thư ng có k ích thước lớn Ở n h ữ n g nơi địa hinh, địa chất thích hợp cầu v ị m kinh tế, th n g làm cầu bấc qua khe, q ua suối có địa chất hai hên tốt C ầu v ị m khó định hình hố tiêu chuẩn hố k ích thước T h n g làm cầu vò m 1, h o ặ c khớp M ặt cầu trên, dư i, giữ a (x e m hình 1.19) Á p dụng hiệu v i nhịp 0 -5 0 m C ác cầu v ò m thép dài nhịp cầu v ịn h S v d n ey (1 ) củ a A ustralia / = m C ầu B a y o n n e (1 ) M ỹ / = 504m c ầ u F a y e tte v ille (1 7 ) W est v ir g in ia M ỹ l = 518m 1.2.4 C ầu khung C ầu khu ng thư ng hệ siêu tĩnh nên k h ô n g đư ợc sử dụn g điều kiện đ ịa chất xấu K hi vượt nhịp lớn tiêu kinh tế v kỹ thuật k h ôn g c ó ưu v iệt so v i loại cầu khác nên loại cầu áp dụng T u y nhiên, cầu khung có độ c ứ n g lớn v i k ết cấu m ảnh, kiểu dáng kiến trúc đẹp so v i cầu dầm nên áp d ụ n g c h o m ột số cầu vưựt qua đ n g giao th ôn g cầu vư ợ t qua khe sâu c ó đ ịa hình d ố c , địa chất ổn định Đ ố i v i cầu tơ có áp dụng hệ liên h ọ p khung dầm có kết hợp đ iều ch ỉn h ứng suất đạt hiệu q uả kinh tế tốt có thề vượt nhịp tới 0 m C h iều dài nhịp áp dụng h iệu quà (x e m bảng ) khung có trụ xiên I I 12223 ^ E Z2 b) Cầu khung có trụ thẳng Hình 1.20 S đồ cầu khung thép 1.2.5 C ầu treo cầu dây văng T h ự c ch ất cũ n g m ột dạng liên hợp giữ a dầm dây, dầm n g n g o i đ iểm tựa g ố i cò n đư ợ c dây treo đỡ nên dầm trở nên m ảnh có trọng lư ợng bé C ầu treo có cá c tiêu kinh tế ca o nhất, chi phí vật liệ u thấp lo ại cầu 17 c ầ u treo dây võng: (xem hình 1.21) C ầu treo có dây cáp ch ủ hình parabon hay cò n g ọi cầu treo d ây v õ n g thường áp dụng vư ợ t nhịp lớn lớn tới hàng ngàn m ét N h ợ c đ iểm loại cầu n ày độ n g b é, chi phí xây d ự n g m ổ n eo thường lớn T u y nhiên nhữ n g nơi có đ ịa hình địa chất thích hợp loại cầu kinh tế Tháp cấu Hình 1.21 Sơ câu treo dây võng (Parabon) K et cấu chịu lực củ a cầu treo dây ch ịu k éo n ên th n g làm b ằn g thép c ó cư n g đ ộ ca o ( 0 -2 0 M P a), hiệu kinh tế lớn Cầu treo dây v õ n g vư ợ t đư ợc nhịp 0 m hơn, kinh tế v i nhịp -1 0 m M ột số cầu tiến g nửa kỷ v ề trước: G o ld en gate (1 S m ) năm 1937 M ỹ , nhữ n g thập kỹ gần đây: H um ber (1 ) A n h / = m , G reat B e lt East (1 9 ) Đ an M ạch / = 1624m , A k a sh i-K a ik y o (1 9 ) N h ật / = 1991m Cầu dây văng: (x em hình 2 ) Cầu dây v ăn g có đ ộ n g lớn cầu treo dâv v õ n g , có khả vư ợ t nhịp lớn tới hàng ngàn m ét m k h ôn g cần m ố n eo phí x â y dự ng rẻ, nhiêu trường hợp kinh tế cầu treo dây võn g Trong kết cấu chịu lực cầu dây văng bao gồm dây chịu k éo nên thường làm thép có cư ng độ cao ( 0 -2 0 M P a), hiệu kinh tế lớn, C ác d ây treo x iê n có tác dụn g g ối tựa đàn hồi đ ỡ dầm c ứ n g v ì v ậ y cầu dây v ă n g vư ợ t đư ợc nhịp lớn c ầ u dây vă n g vư ợ t đư ợc nhịp 0 m hơn, kinh tế v i nhịp -6 0 m 18 c ầ u dây vă n g xuất từ nửa sau thể kỷ 20 n gàv đ ợ c sử dụn g phổ biến D i đ â y m ột số cầu tiếng: T atara (1 9 ) N hật / = m N o r m a n d ie (1 9 ) Pháp / = m Q in g ữ io u M irýiang (1 9 ) Trung Q u ốc / = m n c ta có câu B ăc M ỹ Thuận đưa vào sừ dụn g vào năm 0 , / = m C ầu B ãi C háy 5m m ột m ặt phang dây C ầu C ần T h 500m 1.2.6 Cầu hệ liên hợp C ầu b ệ liên h ọp kết hợp hai hay n h iều hệ đơn giản hợ p lại v i nhau, c ầ u loại n y th n g hệ siêu tĩnh nên th n g đư ợc đ iều ch ỉn h tạo nội lực trước n gư ợ c dấu vớ i n ội lực tải trọng n gồi gây v ì tận dụng triệt để khả năn g làm v iệ c n h iều lo i vật liệ u cù n g m ột hệ T rong cầu thép thư ng áp d ụ n g hệ dầm n g vò m d ẻ o , d ầ m n g c ó biên phụ đ ỡ d i (x e m hình 1.23) C ầu h ệ liên họp áp dụn g cho cầu xây m i h oặc g ia cố để tăng khả chịu lự c củ a cầu cũ L oại cầu đạt tới nhịp 15 -2 0 m h oặc N g y cầu hệ liên hợp dầm + v ò m ố n g thép nhồi bê tô n g + g đư ợc áp d ụ n g k h phổ biến Loại cầu có lợi thi c ô n g đơn giản nhanh ch ó n g lại c ó k iể u dáng kiến trúc đẹp nên đư ợc áp dụn g nhiều khu đ ô thị, khu du l ị c h C âu hệ liên hợp thư ờng hệ siêu tĩnh nên dễ phát sinh nội lực phụ d o thay đổi nhiệt đ ộ , lún lệch m o trụ cần phân tích kỹ y ếu tố ảnh h n g thứ cấp đến hệ q u trình khai thác Vịm + Thanh căng Hình 1.23 S đồ cầu hệ liên hợp 1.3 IA A C H O N PH Ư Ơ NG ÁN K Ế T C Â U V iệ c lựa ch ọn m ột hệ th ống kết cấu thích h ọ p v iệ c xác lập đặc đ iểm ch ủ yếu có tính định đến thành c ô n g dự án cầu V iệ c lựa ch ọ n p h n g án 19 th n g đư ợ c thực h iện n gay từ b c lập dự án khả thi hay g ia i đoạn thiết kế sơ m m ột số lư ợ n g lự a c h ọ n v ề hệ k ết cấu đư ợc n g h iê n cứu v tính tốn V ì vậy, thật cần thiết để đưa đầy đủ y ê u cầu giai đoạn đ ể lựa ch ọ n đư ợc hệ k ết cấu thích hợp 1.3.1 C ác tiêu chuẫn đánh giá C ác tiêu chuẩn đánh g iá c ó thể đư ợ c ch ia thành hai loại riên g biệt, cụ thê “tiêu chuẩn c ứ n g ” “tiêu chuẩn m ềm ” T iê u chuẩn n g k h ôn g th ể thỏa hiệp bất k ỳ tình h u ốn g đ ộ an toàn, sử dụn g, ch ứ c năng, tĩnh k h ô n g , ch iều cao cho phép kết cấu, ưu tiên đ ặc biệt, M ặt khác, tiêu chuẩn m ềm tiêu chuẩn m c ó thể thỏa h iệp g iá thành, m ỹ h ọ c , khả năn g thi cô n g , tuổi thọ, V ì tiêu chuẩn n g cần phải đạt tới nên v iệ c đánh g iá so sánh n ó i ch u n g đư ợc thực h iện dựa tiêu chuân m êm M ột số tiêu chí thường hay sử dụng để đánh giá hệ thống kết cấu khác là: + G iá thành + M ỹ học + T iế n đ ộ khả n ăn g thi côn g + T ác đ ộ n g m ô i trường + D u y tu, b ảo d ỡ n g ĩ 3.1.1 Giá thành T ô n g giá thành x â y d ự n g cùa m ột c ô n g trình càu bao gồ m g iá thành kết câu nhịp, kết cấu hạ b ộ m ó n g C ác y ế u tố c để xác định g iá thành c h iều dài nhịp, số lư ợ n g trụ cầu v loại m ón g Đ ịa h ìn h nơi xây dự ng, tĩnh k h ôn g th ông thuyền điều kiện đ ịa chất ảnh h n g n h iều đến v ị trí đặt trụ m ố; từ đó, x c định số lư ợn g trụ, loại m ó n g c h iều dài nhịp N h ữ n g y ế u tố khác ảnh h n g đến g iá thành phương pháp ch ế tạo xây lắp P h n g pháp c h ế tạo phụ th u ộc chủ y ếu v o ph n g tiện sẵn c ó nhà thầu N ế u có thiết bị h iện đại, dụn g cụ m áy m óc th ích hợp, có đủ kinh n g h iệm , nhà thầu đưa g iá thành hợ p lý nằm g iá thành tính tốn Vì v ậ y , để tạo cá c sản phẩm đạt y cầu chất lư ợ n g số lư ợ n g, cần thiết nhà thâu phải c ó c sở hạ tầng v ề co n n g i, m áy m ó c lực tài N e u k h ơn g dự án c ó thể bị trì hỗn v tăng giá thành C ũ ng vậy, p h n g pháp x â y lắp ảnh h n g đến thiết kế v g iá thành V ì v ậ y , nhà thiết kế cần phải x e m xét khía cạnh q trình thiết kế v có g iá thành h ọp lý P h n g pháp cổ đ iển đ ể đánh giá tài ch ín h dự án cầu dựa vào chi phí ban đầu hệ kết cấu khác c ó quan tâm đến chi p hí b ảo dư ỡ n g tư n g lai T u y n h iên , v iệ c đánh g iá cần phải dựa m ột tảng h ọp lý Đ ó xem xét đ ến ảnh hưởng lâu dài lựa chọn khác Phương pháp “G iá thành theo tuổi th ọ ” (L ife C y c le C o stin g -L C C ) đáp ứ n g vấn đề T riết lý LC C k h ơn g chi phí ban đầu, m cị n tất chi phí b ảo d ỡ n g tư ơn g lai phải gánh ch ịu suốt 20 tu ổi thọ kết cầu nhịp, V ì v ậ y , m ôi trư ờng xâm thực, cầu thép có sử dụng thép c h ố n g rỉ c ó th ể ban đầu c ó g iá thành cao m ột ph n g án khác dùn g th ép thường, n h n g k h ơn g phải u câu sơn q trình sử dụ n g, vậ y , có thê ch ứ n g tỏ kinh tế tính th eo LC C C c chí p hí tư n g lai đư ợc tính v ề g iá trị h iệ n (present valu e - PV ) G iá trị h iện c ó thể đ ợ c tính từ c n g thức sau dạng đơn giản nhất: PV=— — (l + r )‘ (1 ) đó: c - ch i phí tư n g lai tính theo đơn giá h iện tại; r - tỷ suất q uy đ ổ i h iện tại; t - thời gian tính năm chi phí tư ơn g lai phải trả G iá trị h iệ n cá c chi phí bảo dư ỡ n g c ộ n g với ch i phí ban đầu đư ợc g iá trị h iệ n thực củ a m ột p h n g án cầu C ác p h n g án khác c ũ n g đư ợ c tính tư ơn g tự từ đó, phư ng án đượ c so sánh giá thành chúng L C C liê n quan đến b ố n tham số chi phí ban đầu, chi phí tư n g lai, tuổi thọ dự đ oán c n g trình, v tỷ suất quy đổi T rong chi phí ban đầu đư ợ c tính tốn m ột cách c h ín h x c c ó m ột số lo ngại v ề tính ch ín h xác v iệ c dự báo tham số khác M ặc dù khó khăn đư ợ c biết thay đổi theo m ứ c đ ộ khác nhau, n h n g có m ột đ iều ch ắc chắn ph n g pháp đư ợ c sử dụn g ỉà m ột n g cụ định tính hữu ích N g i thiết kế cần có liệ u tin cậ y liệu v ề chi phí b ảo d ỡ n g, tu ổi thọ củ a phương án c ũ n g tỷ suất quy đ ổi thích hợp 1.3.1.2 M ỹ học T h ô n g th n g c ô n g trình cầu, đư ợc x â y d ự n g v ù n g n g o i ô thành phố, ]à k ết cấu n ổ i bật c ó thể nhìn thấy thư ờng chi ph ổi cành quan x u n g quanh V ì vậy, đế lại dấu ấn m ột v ù n g đối v i nhiều n gư i lại hàng n gày đ n g ô tơ đ n g sắt V ì v ậ y , lựa ch ọ n kết cấu, v iệ c x e m xét v ề m ỹ h ọ c có vai trị quan trọng N g i Pháp g ọ i c ô n g trình cầu tác phẩm n g h ệ thuật M ỹ h ọc vấn đề v ề cảm g iá c khiếu thẫm m ỹ v liên quan nhiều đến su y n g h ĩ chủ quan (phán đ oán ) khách quan (lý luận) M ặt khác, n gư i kỹ sư thư ng khai thác ph n g pháp lý luận ưu th ế để thiết kế th n g c ó khuvnh h n g trở nên k hôn g nhạy cảm v i p h n g pháp phán đoán m cần thiết ch o v iệ c đánh g iá m ột cách có ý n gh ĩa v ề kh ía cạnh m ỹ h ọ c, T u y nhiên, điều k h n g thể nói tất k ỹ sư đ ều k hôn g nhạy cảm v i m ỹ h ọc Đ ã có n h iều c n g trình cầu th iết kế bật kỹ sư xuất sắc, n gư i đ ã “trang trí c h o bề m ặt trái đất” M ột vài th ô n g số đ ối v i m ỹ h ọ c kết cấu đ ợ c trình bày d i 1,3.1.2.1 Hài hịa với mơi trường M ột c n g trình cầu cần phải hài hịa v i m i trường củ a n ó nâng cao g iá trị làm tổn th n g n ó m ột người xâm phạm Đ iề u đ ó c ó thể đạt đến m ột cách 21 tốt đối v i m ột kết cấu cầu đư ng nét cua kết cấu cầu h ợ p với cánh quan x u n g quanh h oặc p h o n g cảnh thị 1.3.1.2.2 Tính cân xứng C ầu đ ợ c nhin từ n h iều g ó c độ khác nhau, từ khống cách khác thời đ iểm khác n g y hay đêm B i không gian ba c h iều , tỷ lệ v àn g cân đ ố i m an g đ ến m giá c cân bàng đ ón g vai trị quan trọng tạo tao nhã cùa kết cấu C ác tỷ lệ v n g c ũ n g cần thiết cho kích thước tương đối phận khác cầu V ì v ậ y , cầu liên tục, chiều dài toàn kết cấu nhịp phải có tỷ lệ vàn g giữ a ch iều cao trụ cầu khoảng cách chúng Cũng phải có tỷ lệ vàng ch iều ca o dầm ch iều dài nhịp, mũi tên võn g chiều dài nhịp cầu treo, ch iều ca o ch iều dài nhịp cầu vịm D o đó, cơng trình cầu khơng thích hợp v ề ch ứ c năng, độ an tồn v ề kết cấu tính cạnh tranh kinh tế mà cần phải hợp lý tỷ lệ 1.3.1.2.3 Tính gọn gàng S ự rối rắm k h ô n g th ể dẫn đến đẹp V ì vậy, tính gọn gàng cần phải áp dụn g cho k ết cấu cầu T ính đối x ứ n g m ột tiêu chí m inh chứng lâu đời đ ợ c áp dụng c h o nh ữ n g nơi c ó thể V iệ c lựa ch ọn m ột hệ đ ồn g nhat cho toàn cầu m ột v í dụ tơt v ề tính g ọ n gàn g S ự pha trộn hệ thống khác nhau, dạng v ò m cầu treo, gây rối rắm T n g tự, có nhiều ch iều ch iều dài nhịp gây lộn x ộn H ơn nữa, cá c phận khác kết cấu cần đư ợc liên kết bằn g hình thức phang cần n ên tránh v iệ c nhiều hộ phận chìa m ép cạnh T u y n h iên , v iệ c g ọ n g n g m ứ c c ó thể m an g đến buồn tẻ k h ôn g rõ ràng Thỉnh th oản g xâm hại đến tính gọn gàn g bàng cách đua tiêu chí thiết k ế khác m ột số trường hợp c ó thể đạt đến tính m ỹ h ọc n g trình 1.3.1.2.4 Màu sắc V iệ c lựa ch ọn m àu sắ c ch o cầu quan trọng mỹ học M ột vài m àu sắc m àu x m -x a n h cây, m àu đ ồn g-xan h cây, m àu xanh da trời làm ch o kết cấu pha trộn v i m ôi trường M ặt k h ác, m ột số m àu làm nhấn mạnh cho kết cấu , ch ẳn g hạn m àu đ ỏ cầu G o ld e n G ate San Francisco T rong m ọi trường hợp, m àu sắc phải lôi v làm h ấp dẫn n gư i x e m 1.3.1.2.5 Hình dáng mạnh m ẽ V i tiến k ỹ thuật tính tốn kết cấu khuyến khích v iệ c đưa két cấu m ảnh tron g thiết kế cầu Tuy nhiên, kết cấu m ảnh tạo hình dán g yếu ớt đối v i n gư i quan sát K et cấu đúnu phải truyền đạt cảm g iá c tin cậ y ch o n gư i quan sát Ở ta phải h iểu m ột cầu đư ợ c xây d ự n g ch ủ yếu c h o n g i sử dụn g n gư i sử dụng cảm thấy an toàn Vì vậy, kết cấu k h n g cần đủ c n g đ ộ ổn định m cịn đem đến hình dáng mạnh mẽ V tiêu c h í th ơn g th n g trở thành m ột y cầu v ề m ỹ học 22