Ảnh hưởng của các sơ đồ bố trí dây treo đến

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM

Kết cấu dạng vòm, một trong những sáng tạo cổ xưa nhất của con người, đã được sử dụng để vượt qua các chướng ngại vật trên các tuyến đường Với ưu điểm chịu nén tốt, nhiều công trình vòm bằng đá đã được xây dựng bởi đế chế La Mã và vẫn tồn tại cho đến ngày nay Kết cấu vòm, đặc biệt là cầu vòm đá, không chỉ có khả năng chịu lực vượt trội mà còn mang tính thẩm mỹ cao Một số cầu vòm đá nổi tiếng bao gồm cầu Atalanca bắc qua sông Tagus ở Tây Ban Nha và cầu Đan Hà, Phổ Thành, Tây Sơn, Trung Quốc, được biết đến là cầu vòm đá nhịp lớn nhất thế giới với chiều dài 146m, hoàn thành vào năm 2001.

Nguồn gốc cầu vòm vẫn còn là một vấn đề chưa được làm rõ, với các học giả phương Đông cho rằng nó phát triển từ vòm gạch do người Sunnit cổ đại ở sông Euphrateo và sông Tigris Một số ý kiến cho rằng cầu vòm được phỏng theo vòm đá tự nhiên, trong khi đó, cũng có quan điểm cho rằng nó phát triển từ cầu dầm đá hẫng Thời cổ đại, do giao thông khó khăn, nhiều loại kết cấu cầu vòm đã độc lập phát triển mà không cần xác định nguồn gốc cụ thể Tuy nhiên, việc xây dựng cầu vòm đã đóng góp to lớn vào tiến trình chinh phục tự nhiên và phát triển văn minh So với cầu dầm đá, cầu vòm có ưu điểm vượt trội như không cần khối đá lớn, dễ dàng lựa chọn vật liệu (cả tự nhiên và nhân tạo như gạch) và khả năng vượt khẩu độ lớn Vì vậy, cầu vòm vẫn là một trong những dạng kết cấu phổ biến cho đến ngày nay.

Vào khoảng 200 đến 260 năm trước Công nguyên, người La Mã cổ đại đã xây dựng nhiều cầu vòm đá lớn, chủ yếu là các vòm nửa hình tròn Những cầu vòm này sử dụng các mố trụ nặng, giúp duy trì tính ổn định ngay cả khi một nhịp vòm bị hư hại Cầu Port Du Gard Aqueduct, được xây dựng vào năm 19 trước Công nguyên, là một trong những công trình nổi tiếng nhất với ba tầng vòm nửa hình tròn, bao gồm 6 vòm ở tầng dưới và 11 vòm ở tầng hai.

Hình 1-1 Pont du Gard Aqueduct (xây dựng năm 19 B.C)

Thế kỷ 18 chứng kiến sự bùng nổ của cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh, dẫn đến sản xuất thép đúc và thép rèn với sản lượng gang tăng nhanh chóng Gang thép trở thành vật liệu chủ yếu trong xây dựng cầu, trong đó cầu vòm gang thép nổi tiếng nhất là cầu trên sông Coallrook da le Sevem, với thiết kế 5 nửa vòng tròn gang và khẩu độ tĩnh 30m Năm 1977, cầu Pia Maria trên sông Douro, Bồ Đào Nha, được xây dựng với khẩu độ 160,13m, là cầu vòm hai chốt kiểu dàn hoa hai sườn.

Hình 1-2 Cầu kim loại ở Coalbrookdale, England (1777-1779)

Năm 1856, tạp chí H Bessemer đã giới thiệu phương pháp luyện thép, và đến năm 1861, W Siemens cùng E Martin đã thúc đẩy việc sử dụng lò Martin trong quá trình này, đánh dấu sự khởi đầu của kỷ nguyên cầu thép Cầu Eads, được xây dựng năm 1874 tại Missouri, là công trình đầu tiên sử dụng thép với ba nhịp vòm dàn thép thi công theo phương pháp lắp hẫng Sau đó, nhiều cầu vòm thép nổi bật đã được xây dựng, như cầu Hell Gate ở New York năm 1917 với khẩu độ 297m, cầu Bayoune năm 1931 với khẩu độ 504m, và cầu New River Gorge năm 1977 với khẩu độ 518.3m.

Cầu vòm thép Sydney ở Úc xây dựng năm 1932 với nhịp chính 503m là một trong những cây cầu nổi tiếng thế giới

Kỹ thuật cầu vòm thép có nhiều tiến bộ, về khẩu độ cầu mà nói, từ năm

Từ năm 1874, khẩu độ cầu Hell Gate đã tăng từ 158.6m lên 298m vào năm 1916, đạt mức tăng 90% trong vòng 42 năm Đến năm 1931, cầu Rainbow có khẩu độ 503.6m, và chỉ 15 năm sau, khẩu độ này tiếp tục tăng thêm 70% Đến năm 1976, cầu New River Gorge đạt khẩu độ 518.3m, và trong 45 năm tiếp theo, khẩu độ chỉ tăng thêm 3%.

Hình 1-3 Cầu Chongqing Chaotianmen, Trung Quốc

Cầu vòm bê tông là giải pháp hiệu quả trong việc truyền tải trọng xuống nền đất, đặc biệt là khi địa chất là đá Trong thế kỷ 20, nhiều cầu vòm bê tông cốt thép đã được xây dựng, bao gồm cả các công trình đổ tại chỗ và lắp ghép.

Hình 1-4 Cầu đường sắt Martin Gil

Ngành xây dựng cầu đã đạt được nhiều thành tựu nổi bật về kết cấu và công nghệ thi công Sự kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm đã tạo ra nhiều kiểu dáng kết cấu độc đáo Xu hướng sử dụng vật liệu cường độ cao và nhẹ giúp giảm trọng lượng công trình, trong khi các biện pháp điều chỉnh ứng suất được áp dụng để tiết kiệm vật liệu Mỗi cấu kiện cầu được lựa chọn vật liệu phù hợp nhằm tối ưu hóa khả năng làm việc.

Cùng với sự phát triển kinh tế và khoa học kỹ thuật, cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã trở thành xu hướng nổi bật, đặc biệt tại Trung Quốc Kết cấu ống thép nhồi bê tông là sự kết hợp hoàn hảo giữa ống thép và lõi bê tông, mang lại nhiều lợi ích Một số ưu điểm chính của kết cấu này bao gồm khả năng chịu lực tốt, độ bền cao và khả năng chống lại các tác động môi trường.

Bê tông nhồi trong ống thép không chỉ không bị co ngót mà còn có xu hướng nở thể tích, giúp bê tông và vỏ thép phối hợp hiệu quả dưới tác động của tải trọng khai thác.

Nhồi bê tông trong ống thép đã cải thiện khả năng chống rỉ, giảm độ mảnh của vòm và tăng cường độ ổn định cục bộ của vách ống Điều này cũng giúp tăng khả năng chống biến dạng, mang lại hiệu quả cao hơn cho cấu trúc.

Ống tròn với độ cứng chống xoắn vượt trội hơn so với các tiết diện hở khác, giúp tăng cường khả năng chịu lực Sử dụng ống tròn nhồi bê tông không chỉ mang lại hiệu quả về mặt kết cấu mà còn tiết kiệm khoảng 40% lượng thép so với kết cấu bê tông cốt thép thông thường.

- Mặt ngoài ống thép dễ bảo vệ chống rỉ hơn các loại tiết diện có hình dạng phức tạp

Vào thập kỷ 90, kết cấu ống thép nhồi bê tông đã phát triển nhanh chóng trong các công trình cầu ở Trung Quốc, với hơn 70 cầu vòm trực tiếp sử dụng loại kết cấu này Cầu Tam An Úng Giang ở Quảng Tây có khẩu độ lớn nhất lên đến 270m Sự gia tăng khẩu độ cầu vòm gắn liền với những tiến bộ trong kỹ thuật thi công, từ việc thi công trên đà giáo dạng vòm đến thi công không cần đà giáo Các phương pháp thi công hiện đại như sử dụng cần trục dây treo, thi công lắp hẫng và đà giáo vòm cốt cứng đã góp phần nâng cao khẩu độ cầu vòm tại Trung Quốc.

Hình 1-5 Cầu Lupu, Trung Quốc

Trong những năm gần đây, nghiên cứu và ứng dụng kết cấu mới với ưu điểm về tính thẩm mỹ và khả năng chịu lực đã trở thành xu hướng toàn cầu Bên cạnh việc phát triển các cây cầu vòm cổ điển, cầu vòm sử dụng hệ dây treo cũng đang được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến Đặc biệt, cấu trúc cầu vòm dây treo dạng lưới đang phát triển mạnh mẽ ở Châu Âu và Nhật Bản, đạt được nhiều thành tựu đáng kể.

Cầu vòm thép là loại cầu ít phổ biến trên đường sắt và đường bộ so với cầu dầm và cầu giàn Nguyên nhân chính là do kết cấu nhịp vòm khó tiêu chuẩn hóa kích thước, đồng thời hệ thống vòm chịu lực đẩy ngang, dẫn đến việc mặc dù khối lượng vật liệu sử dụng ít hơn khoảng 15% so với cầu dầm và cầu giàn, nhưng lại cần trụ và mố lớn hơn, làm tăng tổng chi phí công trình.

CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG

1.2.1 Hệ dầm mặt cầu a) Thanh căng:

Việc lựa chọn tiết diện vòm và dầm chủ (thanh căng) là rất quan trọng, phụ thuộc vào sơ đồ và số lượng dây treo Tiết diện này cần đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định cho công trình.

Hình 1-16 Mặt cắt ngang Thanh căng tại vị trí có sườn tăng cường đứng

Hình 1-17 Hình ảnh hệ dầm ngang và dầm dọc bản mặt cầu b) Dầm ngang, dầm dọc

Hệ dầm ngang tiết diện chữ I được đặt lên các thanh căng, có nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ bản mặt cầu và truyền tải trọng từ bản mặt cầu cùng với hoạt tải vào các thanh căng.

Hình 1-18 Dầm ngang, dầm dọc c) Bản mặt cầu

Bản mặt cầu BTCT, liên hợp với hệ dầm mặt cầu (dầm ngang, dầm dọc) thông qua các đinh neo chống cắt

Bản mặt cầu là một cấu kiện thiết yếu, chịu trách nhiệm nâng đỡ tải trọng từ bánh xe Cấu trúc của bản mặt cầu không chỉ ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của công trình cầu mà còn quyết định độ êm thuận và an toàn trong giao thông trên cầu.

Thi công bản thép Đổ bê tông bản mặt cầu

Bề mặt của bản mặt cầu Mặt tấm thép phía dưới bản mặt cầu

Hình 1-19 Một số hình ảnh bản mặt cầu BTCT liên hợp

1.2.2 Vành vòm a) Tiết diện và vật liệu

Vành vòm thép có thể được thiết kế với tiết diện hình chữ nhật hoặc chữ H, tùy thuộc vào các yếu tố như khả năng chịu lực, tính thẩm mỹ, độ ổn định của vòm và yêu cầu bảo trì Việc lựa chọn tiết diện phù hợp sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ của công trình.

Vòm được chế tạo từ thép cường độ cao, giúp tăng khả năng chịu lực và giảm kích thước tiết diện, từ đó cải thiện độ thanh mảnh cho kết cấu.

Hình 1-20 Mặt cắt ngang Vành vòm

Mặt phẳng vòm có thể được thiết kế thẳng đứng hoặc nghiêng vào nhau để tăng độ ổn định cho kết cấu Tuy nhiên, việc tính toán và thi công mặt phẳng vòm nghiêng sẽ phức tạp hơn.

Hình 1-21 Mặt cắt ngang cầu vòm với vành vòm thẳng đứng

Hình 1-22 Mặt cắt ngang cầu vòm với vành vòm nghiêng b) Chiều cao đường tên vòm

Chiều cao đường tên (f) của cầu vòm dây treo dạng lưới thường được xác định theo tỷ lệ f/L = 1/5 đến 1/6, trong đó L là chiều dài nhịp Tuy nhiên, để đảm bảo tính thẩm mỹ, chiều cao này thường được điều chỉnh về khoảng 15% chiều dài nhịp Đối với các cầu vòm dây treo dạng lưới tại Nhật Bản, chiều cao đường tên thường nằm trong khoảng từ 15% đến 17% chiều dài nhịp.

Việc chọn phương trình đường tim vòm là rất quan trọng trong khai thác cầu vòm, đặc biệt là cầu vòm thép Thông thường, đường trục tim vòm được chọn là đường tròn, đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4, hoặc đường cong dạng dây xích Những đường cong này thường phù hợp với đường cong áp lực của vòm, đảm bảo tính ổn định và hiệu quả trong thiết kế.

Phương trình đường cong dây xích được thể hiện qua công thức sau:

 , k  ln( m  m 2  1 ) , L 1 = 1/2 chiều dài nhịp, Hệ số m có thể lấy từ 1.2 đến 1.8

Công thức đường cong parabol bậc 2 với phương trình tim vòm như sau:

Trong đó: f là đường tên vòm, L là chiều dài nhịp

Chân vòm là điểm giao giữa vành vòm và thanh căng, chịu lực lớn với các thành phần lực phức tạp Việc phân tích ứng suất cục bộ trong khu vực này là cần thiết để thiết kế hợp lý các bộ phận sườn tăng cường.

Hình 1-23 Cấu tạo chân vòm

Việc lựa chọn sơ đồ kết cấu và kích thước hệ giằng cho cầu vòm cần dựa trên tính toán khả năng chịu lực gió theo phương ngang và đảm bảo ổn định cho các mặt phẳng của vành vòm Cấu tạo giằng gió rất đa dạng và thường được xác định dựa trên khoảng cách giữa hai vành vòm.

Hệ giằng gió đơn giản nhất là các thanh ngang đặc liên kết hai vòm, thường áp dụng khi khoảng cách giữa hai vành vòm không lớn Khi khoảng cách này lớn, để tiết kiệm và tăng khả năng ổn định, ta sử dụng hệ giằng gió dạng khung chữ K hoặc dạng tam giác Một bộ phận quan trọng khác của giằng gió là liên kết ngang khu vực đầu cầu, được thiết kế để chịu lực ngang lớn, có cấu tạo phức tạp hơn và kích thước lớn hơn, với sơ đồ cấu tạo phụ thuộc vào tĩnh không của cầu.

1.2.5 Dây treo a) Loại dây treo:

Mạng lưới dây treo được thiết kế chéo nhau nhằm đảm bảo tải trọng tác dụng gây ra hiệu ứng tối thiểu và đồng đều trong kết cấu Dây treo có thể được làm từ thanh thép hoặc dây cáp cường độ cao.

Dây treo dạng thanh thép có mặt cắt ngang hình ống tròn, giúp chịu kéo cao và giảm khối lượng kết cấu Thiết kế này không chỉ tăng cường vẻ mỹ quan mà còn giảm cọ xát và cải thiện khả năng thoát gió Để đơn giản hóa quá trình thi công và nâng cao tính thẩm mỹ cho cầu, các dây treo nên có cùng mặt cắt.

 Dây treo dạng bó cáp cường độ cao: Tương tự như kết cấu dây của cầu dây văng có hai hệ thống dây có thể được sử dụng

+ Hệ thống thứ nhất đưa ra đầu tiên bởi công ty Freyssinet từ cuối những năm

Năm 1980, các dây văng được chế tạo từ các tao song song độc lập, bao gồm 7 sợi được mạ kẽm nhúng nóng và kéo trước, với lớp bọc ngoài bằng HDPE Các tao 15 mm được bao bọc bởi ống nhựa để cải thiện tính khí động học Giải pháp này được gọi là Hệ Thống Tao Song Song (Parallel Strand System - PSS) và có thể tồn tại cùng với một số cải tiến khác.

Hình 1-24.Hệ thống bó cáp tao song song

Hệ thống thứ hai, gọi là Hệ Thống Sợi Song Song (Parallel Wire System – PWS), sử dụng dây văng được cấu tạo từ các sợi mạ kẽm song song, có thể được xoắn nhẹ để đảm bảo độ ổn định Các sợi này được bảo vệ bởi một lớp HDPE dày bên ngoài, cung cấp độ bền và khả năng chống ăn mòn Giải pháp này được phát triển dựa trên hệ thống BBR Hi-Am, một phát minh đã có từ lâu.

Hình 1-25.Hệ thống bó cáp sợi song song b) Mối nối dây treo với vòm:

TÌNH HÌNH ÁP DỤNG KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

CĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.3.1 Đặc điểm của vật liệu thép

Thép là vật liệu quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày, đặc biệt trong xây dựng cầu Với đặc tính chịu lực cao, thép có khả năng ứng phó với nhiều loại ứng suất như kéo, nén, uốn và cắt, cho phép áp dụng vào các kết cấu cầu đa dạng như cầu dầm, giàn, vòm, treo và hệ liên hợp.

Thép có trọng lượng riêng lớn nhưng độ bền cao, giúp cấu trúc nhẹ và có khả năng tạo ra các nhịp lớn mà vật liệu khác không thể Với cường độ cao và mô đun đàn hồi lớn, thép đảm bảo độ cứng của cầu đáp ứng yêu cầu khai thác bình thường, ổn định trước tác động của gió và tải trọng chu kỳ Hơn nữa, sự phá hoại của thép thường diễn ra trong trạng thái dẻo, kèm theo biến dạng lớn, giúp phân bố lại nội lực và ứng suất, từ đó chịu tải trọng xung kích và ứng suất tập trung hiệu quả.

Thép có tính đồng nhất cao về mặt lý hóa, cho phép công trình hoạt động hiệu quả trong điều kiện môi trường biến đổi nhờ vào sự thay đổi cường độ và mô đun đàn hồi dưới ảnh hưởng của nhiệt độ.

Thép là vật liệu lý tưởng cho việc chế tạo cầu nhờ vào tính dễ thi công, dễ cắt, rèn dập, đúc và cán, cho phép sản xuất nhiều hình dạng phù hợp với các loại cầu khác nhau Điều này không chỉ hỗ trợ công nghiệp hóa và tự động hóa trong quá trình sản xuất mà còn giúp các bộ phận cầu được vận chuyển dễ dàng đến công trường Việc lắp ráp cầu thép có thể được cơ giới hóa hoàn toàn, từ đó rút ngắn đáng kể thời gian xây dựng công trình.

Thép có nhược điểm lớn là gỉ do tác động của môi trường ẩm, mặn và axít, gây ăn mòn kim loại, giảm tiết diện chịu lực và làm hỏng các liên kết, từ đó rút ngắn tuổi thọ công trình Mặc dù sơn mạ là biện pháp chống gỉ phổ biến, nhưng hiệu quả của nó chỉ kéo dài trong một thời gian nhất định Do đó, công trình cầu bằng thép cần được kiểm tra và bảo trì thường xuyên để đảm bảo độ bền và an toàn.

1.3.2 Kết cấu cầu vòm thép có thanh căng áp dụng trên thế giới a) Cầu vòm dây treo kiểu cơ bản

Kết cấu vòm chủ yếu chịu lực đẩy ngang, truyền trực tiếp xuống móng tại chân vòm, do đó hiệu ứng dãn dài của dầm đỡ mặt đường xe chạy có thể được bỏ qua Kết cấu vành vòm chịu mô men, lực cắt và lực dọc, trong khi hệ dây treo chịu lực kéo tập trung từ tải trọng bản thân và hoạt tải Ngoài ra, tác động của nhiệt độ sẽ làm tăng thêm mô men uốn trong dầm.

Hình 1-33 Cầu vòm kiểu cơ bản

Cầu vòm dây treo kiểu cơ bản, như cầu Nijmegen ở Hà Lan, có cấu trúc chính là vành vòm chịu lực, trong đó lực ngang tại chân vòm được truyền trực tiếp vào dầm mặt cầu, đóng vai trò như thanh căng Hệ dây treo chịu lực kéo tập trung từ tải trọng của cấu trúc và tải trọng hoạt động, trong khi tác động của nhiệt độ không làm tăng mô men uốn trong dầm, nhưng lực kéo từ thanh căng có thể gây ra độ dãn dài và ảnh hưởng đến mô men uốn trong vành vòm.

Cầu Hendrik-ido-ambacht tại Hà Lan là một ví dụ điển hình của cầu vòm dây treo có dầm cứng Trong loại kết cấu này, dầm cứng chịu mô men uốn và lực dọc từ vòm, trong khi vành vòm chủ yếu phải chịu lực nén Nhờ vào cấu trúc dầm cứng, hệ dây treo phân bổ lực một cách đồng đều hơn, tạo nên sự ổn định cho toàn bộ cầu.

Hình 1-37 Thanh căng là dầm cứng

Hình 1-38 Cầu Culemborg, Hà Lan d) Loại cầu Nielsen:

Nielsen là tên viết tắt của kỹ sư Octavius F Nielsen, người sáng chế kết cấu vòm với các thanh treo xiên Cầu Oster Daleelven tại Thụy Điển, với chiều dài nhịp 86m, là cầu vòm bê tông đầu tiên sử dụng dây treo xiên, được xây dựng bởi Christani và Nielsen vào những năm 1920.

Hình 1-39 Cầu Oster Daleelven, Thụy Điển

Dây treo với góc xiên không đổi giúp đơn giản hóa quá trình tính toán Trong cầu Nielsen, các dây treo không giao nhau, trong khi đó, cầu vòm dây treo mà Nielsen được cấp bằng sáng chế vào năm 1925 lại có các dây xiên cắt nhau.

Hình 1-40 Dạng kết cấu cầu vòm Nielsen được cấp bằng sáng chế

Cầu Castlemoron, được xây dựng tại Pháp vào năm 1933, là cầu Nielsen dài nhất với chiều dài nhịp 145m Sau đó, trong khoảng thời gian giữa hai thế chiến, 60 cầu Nielsen đã được xây dựng tại Thụy Điển, sử dụng các thanh thép làm thanh treo.

Hình 1-41 Cầu Castelmoron, Pháp e) Loại cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge)

Cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge - NAB) được phát minh bởi kỹ sư Na Uy Per Tveit vào cuối những năm 1950 Ông đã định nghĩa NAB là một loại cầu vòm có các dây treo xiên cắt nhau ít nhất hai lần, tạo nên cấu trúc độc đáo và bền vững.

Giải pháp tối ưu cho cầu vòm dây treo dạng lưới với khoảng cách các vành vòm không quá lớn là sử dụng thanh căng bằng bản bê tông dự ứng lực dọc một phần Bản mặt cầu thường chịu uốn ngang lớn hơn uốn dọc, do đó, việc áp dụng dự ứng lực một phần sẽ giúp hạn chế các vết nứt trong thanh căng bê tông của bản mặt cầu.

Hình 1-42 Mặt cắt ngang bản mặt cầu BTCT

Bố trí dây treo là yếu tố cốt lõi của cầu vòm dây treo dạng lưới, phân biệt nó với cầu vòm thanh căng có dây treo thẳng đứng Số lượng, góc xiên và khoảng cách giữa các dây treo có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của kết cấu Một sơ đồ dây treo hiệu quả được phát triển bởi Benjamin Brunn và Frank Schanack vào năm 2003, trong đó các dây treo có điểm giao cắt hướng tâm Với cách bố trí này, khoảng cách giữa điểm trên của các dây treo và góc giữa dây treo và vành vòm được giữ cố định.

Hình 1-43 Cầu Fehmarn Sound, Đức, 1964

Hệ dây treo dạng lưới giúp cầu vòm trở nên thanh mảnh hơn, hoạt động như một hệ dàn với mômen uốn nhỏ tại thanh căng và vành vòm So với cầu vòm thông thường, cầu vòm dây treo dạng lưới với thanh căng bằng bản mặt cầu bê tông tiết kiệm được đến một nửa khối lượng thép Tuy nhiên, chi phí trên mỗi tấn thép lại cao Cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản (Japanese Style Network Arch) là một trong những thiết kế nổi bật trong loại cầu này.

MỤC TIÊU NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU

Cầu vòm thép có thanh căng tại Việt Nam vẫn còn hiếm, với chỉ cầu Bình Lợi đang thi công và cầu Mỹ Lợi trong giai đoạn thiết kế Tuy nhiên, loại kết cấu này có tiềm năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai nhờ vào tính kinh tế và sự độc đáo so với các loại cầu truyền thống.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ DÂY TREO ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG

ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

2.1.1 Số liệu dùng khảo sát Để khảo sát ảnh hưởng của sơ đồ bố trí dây treo đến ứng xử cầu vòm thép có thanh căng, trong chương này tiến hành khảo sát dự trên các số liệu sau: a) Số liệu chung

 Chiều cao đường tên vòm 30m;

 Khoảng cách giữa các điểm neo dây trên thanh căng 8m b) Mặt cắt ngang các cấu kiện

Hình 2-1 Mặt cắt ngang các cấu kiện vòm c) Các sơ đồ bố trí dây treo

Hình 2-2 Sơ đồ dây treo thẳng đứng

Hình 2-3 Sơ đồ dây treo xiên hướng tâm

Hình 2-4 Sơ đồ dây treo dạng lưới cắt chéo nhau

2.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá Đánh giá đối với thanh căng, vành vòm và dây treo

 MaxM: Giá trị mô men uốn lớn nhất (Tĩnh tải, hoạt tải);

 MinM: Giá trị mô men uốn nhỏ nhất (Tĩnh tải, hoạt tải);

 RatioM: Tỷ lệ Mô men uốn Tĩnh tải/Hoạt tải max;

 AveM: Trung bình giá trị mô men uốn;

 RatioAveM: Tỷ lệ mô men uốn trung bình Tĩnh Tải/Hoạt tải

 ΔM: Biến thiên mô men uốn max-min

 AveΔM: Trung bình biến thiên mô men uốn.

MÔ HÌNH HÓA TÍNH TOÁN KẾT CẤU

Midas - Civil là phần mềm chuyên dụng cho phân tích và tính toán kết cấu theo từng bước thi công Phần mềm này hỗ trợ các kết cấu phi công phân đoạn như dầm thi công đúc từng nhịp, dầm đúc hẫng cân bằng, dầm đúc đẩy, cầu treo dây văng, dây võng, cầu vòm và nhiều loại kết cấu khác.

Phần mềm Midas - Civil là công cụ chuyên dụng cho việc phân tích kết cấu cầu, giúp tính toán nội lực dưới tác động của tải trọng tĩnh và động, cũng như đánh giá ổn định tổng thể của các cấu kiện vòm Các cấu kiện vòm được mô hình hóa thành các phần tử thanh có khả năng chịu mô men và lực dọc, trong khi các cấu kiện dây treo chỉ chịu lực dọc trục.

Hình 2-5: Bố trí gối cầu

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH

2.3.1 Lực tới hạn trong dầm chủ

GD: Gối cố định DXT: Gối di động theo phương ngang DXL: Gối di động theo phương dọc SX: Gối di động đa hướng

Lực đẩy ngang tới hạn :

E: Mô đun đàn hồi thép, E 0000 Mpa= 2x108 KN/m2

I: Mô men quán tính theo trục ngang thanh căng (m4)

L: Chiều dài nhịp vòm f: Chiều cao đường tên vòm

Mục tiêu của phân tích ổn định là xác định các lực tới hạn và các biến dạng của kết cấu khi bị mất ổn định

Hiện tượng mất ổn định trong kết cấu chịu tải do lực màng xảy ra khi lực dọc trục trên các cấu kiện dạng thanh chuyển đổi năng lượng biến dạng màng thành năng lượng biến dạng uốn Khi xảy ra mất ổn định, kết cấu trải qua biến dạng lớn, dẫn đến việc năng lượng biến dạng màng được chuyển hóa, trong khi ngoại lực vẫn giữ nguyên Đối với các kết cấu tương đối mảnh, độ cứng màng thường lớn hơn nhiều so với độ cứng chống uốn, ví dụ như trong trường hợp cấu kiện dạng thanh có độ mảnh lớn, với độ cứng màng EA/L vượt trội so với độ cứng chống uốn EI/L³ Do đó, một biến dạng màng nhỏ có thể dự trữ năng lượng lớn, yêu cầu kết cấu phải có chuyển vị uốn hoặc góc xoay lớn để triệt tiêu năng lượng này, giải thích cho sự biến dạng lớn của kết cấu khi mất ổn định.

Hiệu ứng của lực màng được phân tích bằng cách kết hợp ma trận độ cứng hình học KG với ma trận độ cứng thông thường của kết cấu KG được xác định từ tổng hợp ma trận kG của từng phần tử, với công thức KG = ΣkG Ma trận kG chịu ảnh hưởng bởi cấu trúc hình học, trạng thái ứng suất và biến dạng, nhưng không bị tác động bởi đặc trưng đàn hồi của phần tử.

Trạng thái cân bằng của kết cấu được biểu diễn thông qua phương trình

K = Ma trận độ cứng thông thường của kết cấu

Ma trận KG tỷ lệ thuận với ngoại lực tác dụng lên kết cấu

KG0 = Ma trận độ cứng hình học ứng với cấp lực tham chiếu

F0 = Ma trận ngoại lực tham chiếu

Một cách tổng quát ta có phương trình

Phương trình (K + KG). = F mô tả trạng thái mất ổn định theo phương pháp phân tích ổn định cổ điển Khi ngoại lực đạt tới ngưỡng tới hạn, chuyển vị sẽ tăng lên trong khi ngoại lực được giữ không đổi.

Khi d khác 0, để phương trình (K + KG)d = 0 không có nghiệm tầm thường, điều kiện cần thiết là det(K + KG) = 0 Phương trình này tương đương với việc tìm trị riêng, trong đó cr là các trị riêng, tức là các hệ số lực tới hạn.

Bài toán phân tích ổn định được giải thông qua việc tìm trị riêng, từ đó xác định các giá trị hệ số lực tới hạn cr Sau khi có các hệ số này, việc xác định lực tới hạn của ngoại lực ban đầu và dạng mất ổn định tương ứng trở nên dễ dàng Thông thường, một kết cấu có n bậc tự do sẽ dẫn đến n lực tới hạn Trong số đó, lực tới hạn nhỏ nhất tương ứng với dạng cân bằng ổn định, trong khi các lực tới hạn khác liên quan đến dạng cân bằng không ổn định Lực tới hạn đầu tiên, với hệ số lực tới hạn nhỏ nhất, là yếu tố quan trọng nhất trong thực tế, trong khi các lực tới hạn thứ hai, thứ ba chỉ có giá trị lý luận và không liên quan đến các biến dạng ổn định.

CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Các tải trọng được khảo sát trong các bài toán là:

DC: Tĩnh tải bản thân kết cấu

LL: Tải trọng Hoạt tải (Lớn nhất: Max, Nhỏ nhất: Min)

Các kết quả được trình bày dưới dạng biểu đồ cho từng cấu kiện vòm, bao gồm thanh căng, vành vòm và dây treo, với các thông số chính là mô men uốn My và lực dọc.

Nx với các tiêu chí đánh giá:

 MaxM: Giá trị mô men uốn lớn nhất (Tĩnh tải, hoạt tải);

 MinM: Giá trị mô men uốn nhỏ nhất (Tĩnh tải, hoạt tải);

 RatioM: Tỷ lệ Mô men uốn Tĩnh tải/Hoạt tải max;

 AveM: Trung bình giá trị mô men uốn;

 RatioAveM: Tỷ lệ mô men uốn trung bình Tĩnh Tải/Hoạt tải

 ΔM: Biến thiên mô men uốn max-min

 AveΔM: Trung bình biến thiên mô men uốn

2.4.1 Thanh căng a) Mô men uốn My trong thanh căng

My-DC My-LLmax My-LLMin

Hình 2-6 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Dây treo thẳng đứng (KNm)

Hình 2-7 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Dây treo xiên (KNm)

Hình 2-8 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Dây treo dạng lưới (KNm)

My-DC-day thang My-Dc-day xien My-DC-day luoi

Hình 2-9 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Do tĩnh tải (KNm)

My-LLmax-day thang My-LLmax-day xien My-LLmax-day luoi My-LLmin-day thang My-LLmin-day xien My-LLmin-day luoi

Hình 2-10 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Do hoạt tải (KNm) b) Lực dọc Nx trong thanh căng

Nx-DC Nx-LLmax Nx-LLMin

Hình 2-11 Biểu lực dọc trong thanh căng – Dây treo thẳng đứng (KN)

Hình 2-12 Biểu lực dọc trong thanh căng –Dây treo xiên (KN)

Hình 2-13 Biểu lực dọc trong thanh căng –Dây treo dạng lưới (KN)

Nx-DC-day thang Nx-Dc-day xien Nx-DC-day luoi

Hình 2-14 Biểu lực dọc trong thanh căng –Do tĩnh tải (KN)

Nx-LLmax-day thang Nx-LLmax-day xien Nx-LLmax-day luoi Nx-LLmin-day thang Nx-LLmin-day xien Nx-LLmin-day luoi

Hình 2-15 Biểu lực dọc trong thanh căng –Do hoạt tải (KN)

2.4.2 Vành vòm a) Mô men uốn My trong vành vòm

Hình 2-16 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Dây treo thẳng đứng (KNm)

Hình 2-17 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Dây treo xiên (KNm)

Hình 2-18 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Dây treo dạng lưới (KNm)

My-DC-day thang My-Dc-day xien My-DC-day luoi

Hình 2-19 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Do tĩnh tải (KNm)

My-LLmax-day thang My-LLmax-day xien My-LLmax-day luoi My-LLmin-day thang My-LLmin-day xien My-LLmin-day luoi

Hình 2-20 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Do hoạt tải (KNm) b) Lực dọc Nx trong vành vòm

Hình 2-21 Biểu đồ lực dọc trong thanh căng – Dây treo thẳng đứng (KN)

Hình 2-22 Biểu đồ lực dọc trong thanh căng –Dây treo xiên (KN)

Hình 2-23 Biểu đồ lực dọc trong thanh căng –Dây treo dạng lưới (KN)

Nx-DC-day thang Nx-Dc-day xien Nx-DC-day luoi

Hình 2-24 Biểu đồ lực dọc trong thanh căng –Do tĩnh tải (KN)

Nx-LLmax-day thang Nx-LLmax-day xien Nx-LLmax-day luoi Nx-LLmin-day thang Nx-LLmin-day xien Nx-LLmin-day luoi

Hình 2-25 Biểu đồ lực dọc trong thanh căng –Do hoạt tải (KN)

Nx-DC Nx-LLmax Nx-LLmin

Hình 2-26 Biểu lực dọc trong dây treo –Sơ đồ dây thẳng đứng (KN)

Hình 2-27 Biểu lực dọc trong dây treo –Sơ đồ dây xiên hướng tâm (KN)

Hình 2-28 Biểu lực dọc trong dây treo –Sơ đồ dây xiên dạng lưới (KN)

2.4.4 Bảng tổng hợp kết quả

Bảng 2-1 Lực dọc Nx trong dây treo (KN)

Dây treo xiên hướng tâm

Dây treo xiên dạng lưới

Lực dọc Nx trong dây treo do Tĩnh tải các phương án (KN)

Lực dọc Nx trong dây treo do Hoạt tải các phương án (KN)

Bảng 2-2 Mô men uốn My trong Thanh căng và vành vòm

Mô men uốn My trong Thanh căng do

Tĩnh tải các phương án (KNm)

Mô men uốn My trong Thanh căng do Hoạt tải các phương án (KNm)

Mô men uốn My trong Vành vòm do Tĩnh tải các phương án (KNm)

Mô men uốn My trong Vành vòm do Hoạt tải các phương án (KNm)

Bảng 2-3 Lực dọc Nx trong Thanh căng và vành vòm

MaxN 8629.47 8498.65 7922.01 -10202.79 -10567.93 -10387.61 MinN 8038.54 6239.44 7418.96 -12788.54 -11024.87 -12034.68 AveN 8099.14 7739.18 7619.62 -11018.46 -10719.98 -11125.18 Hoạt tải

Lực dọc Nx trong Thanh căng do Tĩnh tải các phương án (KNm)

Lực dọc Nx trong Thanh căng do Hoạt tải các phương án (KNm)

Lực dọc Nx trong Vành vòm do Tĩnh tải các phương án (KNm)

Lực dọc Nx trong Vành vòm do Hoạt tải các phương án (KNm)

Bảng 2-4 Bảng hệ số lực tới hạn các phương án

Dây treo thẳng đứng Dây treo xiên hướng tâm

NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ

Qua các biểu đồ và thống kê nội lực ở trên, rút ra một số nhận xét sau: a) Thanh căng:

Biểu đồ mô men uốn cho thấy rằng phương án dây treo thẳng đứng có giá trị nhỏ nhất, tiếp theo là phương án dây treo dạng lưới, trong khi phương án dây treo xiên hướng tâm có sự thay đổi lớn.

Sơ đồ bố trí dây dạng lưới có giá trị mô men do hoạt tải nhỏ nhất, chỉ đạt 30% so với sơ đồ dây treo thẳng đứng và 26% so với sơ đồ dây xiên hướng tâm, đồng thời phân bố đồng đều nhất trong tất cả các sơ đồ dây.

 Có thể thấy tỷ lệ phân bố tĩnh tải /hoạt tải hợp lý nhất trong sơ đồ dây treo dạng lưới

Lực dọc trong thanh căng không thay đổi nhiều giữa các sơ đồ dây treo, với sự phân bố đồng đều nhất ở sơ đồ dây treo dạng lưới.

Biểu đồ mô men uốn cho phương án dây treo thẳng đứng có giá trị nhỏ nhất, tiếp theo là phương án dây treo dạng lưới, trong khi phương án dây treo xiên hướng tâm cho thấy sự thay đổi lớn Đặc biệt, trong phương án dây treo dạng lưới, giá trị mô men uốn lớn chỉ xuất hiện cục bộ trong phạm vi 1/4 nhịp vòm.

Sơ đồ bố trí dây dạng lưới có giá trị mô men do hoạt tải nhỏ nhất, chỉ đạt 14% so với sơ đồ dây treo thẳng đứng và 16% so với sơ đồ dây xiên hướng tâm Đồng thời, sơ đồ này cũng cho thấy sự phân bố đồng đều nhất trong các loại sơ đồ dây.

 Có thể thấy tỷ lệ phân bố tĩnh tải /hoạt tải hợp lý nhất trong sơ đồ dây treo dạng lưới

Lực dọc trong vành vòm không thay đổi nhiều giữa các sơ đồ dây treo, với sự phân bố đồng đều nhất xuất hiện ở sơ đồ dây treo dạng lưới.

Nội lực trong dây treo đạt giá trị tối ưu khi chịu tải trọng tĩnh phân bố đồng đều, đặc biệt là trong sơ đồ dây treo thẳng đứng Trong khi đó, sơ đồ dây dạng lưới có giá trị lực dọc nhỏ nhất do số lượng dây tăng lên tại vị trí neo dây trên thanh căng.

 Biến thiên lực dọc do hoạt tải trong sơ đồ bố trí dây xiên hướng tâm là lớn nhất

 Sơ đồ dây treo thẳng đứng phát huy hiệu quả khi chịu tải trọng phân bố đều

Sơ đồ dây thường được áp dụng cho các cầu có tĩnh tải lớn, đặc biệt là cầu vòm với kết cấu bê tông cốt thép hoặc ống thép nhồi bê tông Các loại tải trọng đoàn tàu cũng được xem xét trong thiết kế này.

Sơ đồ dây treo xiên hướng tâm thể hiện một số bất hợp lý về khả năng chịu lực, đặc biệt là với tải trọng tĩnh bản thân Tuy nhiên, nếu chú trọng đến yếu tố thẩm mỹ, điểm nhấn cảnh quan và độ thông thoáng, sơ đồ này lại mang đến nhiều ưu điểm đáng kể Điển hình, thiết kế này đã được áp dụng thành công tại cầu Apollo ở Bratislava, Slovakia.

Sơ đồ bố trí dây treo xiên dạng lưới cắt chéo nhau mang lại khả năng chịu lực tốt hơn so với dây treo thẳng đứng và dây treo xiên hướng tâm Mô men trong thanh căng và vành vòm có giá trị đồng đều, trong khi mô men uốn giảm đáng kể, chỉ cao nhất ở chân vòm và khoảng 1/4 chiều dài nhịp Do đó, chỉ cần điều chỉnh bề dày tiết diện vòm mà không làm thay đổi hình dạng các kết cấu vòm Phương pháp này thường được áp dụng cho kết cấu vòm thép nhẹ nhưng chịu tải trọng lớn.

Phương án dây treo xiên hướng tâm có khả năng mất ổn định tổng thể cao nhất, vượt trội hơn so với phương án dây thẳng đứng và đạt hiệu quả tốt nhất khi áp dụng phương án dây treo xiên dạng lưới.

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ HÌNH HỌC ĐẾN NỘI LỰC VÀ ỔN ĐỊNH CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG VỚI SƠ ĐỒ DÂY TREO DẠNG LƯỚI

ĐẶT VẤN ĐỀ

Sơ đồ dây treo xiên dạng lưới cắt chéo nhau được đánh giá là hợp lý nhất về khả năng chịu lực so với dây treo thẳng đứng và dây treo xiên hướng tâm Tuy nhiên, do chiều dài dây xiên dài hơn dây thẳng đứng, nó ảnh hưởng đến độ cứng của kết cấu tổng thể và độ chùng của dây treo Vì vậy, cần thực hiện phân tích chi tiết để lựa chọn hình dạng vành vòm, góc nghiêng dây treo, và số lượng dây treo hợp lý nhằm đáp ứng cả yêu cầu về khả năng chịu lực và tính thẩm mỹ của công trình.

Luận văn này sẽ phân tích chi tiết về hoạt động của cầu vòm thép có thanh căng, dựa trên sơ đồ dây treo dạng lưới và các tham số liên quan.

+ Hình dạng vành vòm (Chiều cao đường tên, hình dạng đường tim vòm)

+ Góc nghiêng dây treo, số lượng dây treo

 Các thông số chiều dài nhịp L0m, các kích thước mặt cắt ngang thanh căng, vành vòm như trong chương 2

HÌNH DẠNG VÀNH VÒM

 Xét hai trường hợp hình dạng vành vòm:

+ Phương trình đường cong vành vòm dạng hình Parabol bậc hai:

L x y 4 f 2  , trong đó: f là chiều cao đường tên lấy bằng 30m, chiều dài nhịp L0m

+ Phương trình đường cong vành vòm có dạn hình còn tròn bán kính R106m

Hình 3-1 Vòm Parabol bậc hai

Hình 3-2 Vòm đường cong tròn, R6m

My-Dc-Cong tron My-DC-Cong Parabol

Hình 3-3 Biểu đồ mô men My trong Thanh căng – Do tĩnh tải (KNm)

My-LLmax-Cong tron My-LLmax-Cong Parabol My-LLmin-Cong tron My-LLmin-Cong Parabol

Hình 3-4 Biểu đồ mô men My trong Thanh căng – Do hoạt tải (KNm)

My-Dc-Cong tron My-DC-Cong Parabol

Hình 3-5 Biểu đồ mô men My trong Vành vòm – Do tĩnh tải (KNm)

My-LLmax-day xien My-LLmax-day luoi My-LLmin-day xien My-LLmin-day luoi

Hình 3-6 Biểu đồ mô men My trong Vành vòm – Do hoạt tải (KNm)

Bảng 3-1 Bảng hệ số lực tới hạn hai phương án

Vòm cong tròn Vòm dạng parabol bậc hai

Qua các biểu đồ nội lực có thể thấy đối với thanh căng và vành vòm:

 Hoạt tải: Mô men có giá trị tương tự nhau ở hai dạng đường cong vành vòm;

Tĩnh tải của cấu trúc vòm liên quan đến phương trình đường cong tròn, cho thấy giá trị mô men trung bình thấp hơn so với đường cong parabol Tuy nhiên, tại khối đầu vòm, giá trị mô men lại tăng đột biến, gây bất lợi cho khu vực chân vòm Khu vực này chịu lực dọc và mô men lớn, dẫn đến ứng suất cục bộ, làm cho cấu trúc trở nên phức tạp hơn.

 Khả năng mất ổn định tổng thể của phương án vành vòm cong parabol bậc hai lớn hơn phương án vòm cong tròn

 Hai dạng đường cong vành vòm không có sự khác biệt đáng kể

 Kiến nghị sử dụng dạng đường cong vòm dạng Parabol để tránh cho khu vực chân vòm chịu lực cục bộ lớn và có tính thẩm mỹ cao hơn

CHIỀU CAO ĐƯỜNG TÊN VÒM

Để nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi chiều cao đường tên vòm, bài viết sẽ tính toán kết cấu vòm với chiều dài nhịp L0m và dây treo góc xiên không đổi 62º Chiều cao đường tên sẽ được thay đổi từ 15% đến 22% chiều dài nhịp, lưu ý rằng chiều cao vòm lớn hơn nữa sẽ không hợp lý về mặt mỹ quan.

Trong bài toán này, chúng ta chỉ khảo sát kết quả với một loại tải trọng duy nhất, đó là tĩnh tải của bản thân kết cấu vòm Điều này là do tác động của hoạt tải với sơ đồ dây treo dạng lưới là tương tự nhau.

Hình 3-7 Vòm với chiều cao đường tên f% chiều dài nhịp

Hình 3-8 Vòm với chiều cao đường tên f"% chiều dài nhịp

Các kết quả tính toán tình bày dưới dạng biểu đồ sau: a) Thanh căng:

My-DC-f=0.15L My-DC-f=0.16L My-DC-f=0.17L My-DC-f=0.19L My-DC-f=0.20L My-DC-f=0.22L

Hình 3-9 Biểu đồ mô men uốn My trong Thanh căng -do Tĩnh tải (KNm)

Nx-DC-f=0.15L Nx-DC-f=0.16L Nx-DC-f=0.17L Nx-DC-f=0.19L Nx-DC-f=0.20L Nx-DC-f=0.22L

Hình 3-10 Biểu đồ lực dọc Nx trong Thanh căng -do Tĩnh tải (KNm)

Bảng 3-2 Bảng tổng hợp mô men uốn trong Thanh căng

Bảng 3-3 Bảng tổng hợp lực dọc trong Thanh căng

Mô men uốn My trong Thanh căng (KNm)

Lực dọc Nx trong Thanh căng (KN)

Max N Min N Ave N b) Vành vòm:

My-DC-f=0.15L My-DC-f=0.16L My-DC-f=0.17L My-DC-f=0.19L My-DC-f=0.20L My-DC-f=0.22L

Hình 3-11 Biểu đồ mô men uốn My trong Vành vòm -do Tĩnh tải (KNm)

Nx-DC-f=0.15L Nx-DC-f=0.16L Nx-DC-f=0.17L Nx-DC-f=0.19L Nx-DC-f=0.20L Nx-DC-f=0.22L

Hình 3-12 Biểu đồ lực dọc Nx trong Vành vòm-do Tĩnh tải (KNm)

Bảng 3-4 Bảng tổng hợp mô men uốn trong Vành vòm

Bảng 3-5 Bảng tổng hợp lực dọc trong Vành vòm

Mô men uốn My trong Vành vòm (KNm)

Lực dọc Nx trong Vành vòm (KN)

Bảng 3-6 Bảng hệ số lực tới hạn

Vành vòm và thanh căng trong kết cấu cầu vòm dây treo xiên dạng lưới hoạt động như một cây cung kê trên các gối giản đơn, với thanh căng chịu lực kéo và vành vòm chịu lực nén Độ lớn lực dọc trong vành vòm và thanh căng tỷ lệ nghịch với độ tăng đường tên vòm; điều này có nghĩa là nếu tỷ lệ đường tên vòm và chiều dài nhịp lớn, lực dọc trong thanh căng và vành vòm sẽ giảm.

 Điều này cũng đúng với mô men tuy nhiên có thể thấy độ giảm giá trị mô men có phần nhỏ hơn hơn nếu so với lực dọc

Khi tỷ lệ đường tên vòm tăng, giá trị mô men tại đầu vòm, bao gồm thanh căng và vành vòm, cũng gia tăng Tuy nhiên, chân vòm lại là khu vực tập trung ứng suất cục bộ, do đó giá trị mô men lớn ở đây không mang lại lợi ích về khả năng chịu lực.

 Tỷ lệ đường tên vòm tăng, khả năng mất ổn định tổng thể giảm đi

Tỷ lệ chiều cao của vòm so với chiều dài nhịp lớn có ảnh hưởng tích cực đến khả năng chịu lực của kết cấu vòm Tuy nhiên, cần cân nhắc yếu tố mỹ thuật, với chiều cao vòm hợp lý nằm trong khoảng từ 0.17 đến 0.2 chiều dài nhịp.

GÓC NGHIÊNG DÂY TREO

Trong phần này, luận văn phân tích ba sơ đồ dây treo cho cầu vòm thép với thanh căng dây treo dạng lưới, tập trung vào chiều dài nhịp L0m và đường tên vòm f0m.

 Phương án 1: Dây treo có góc xiên không đổi so với thanh căng  = 62º, số lượng dây treo n= 34 dây;

Hình 3-13 PA1 – Dây treo góc xiên không đổi, 34 dây

Phương án 2 sử dụng dây treo với các điểm giao cắt hướng tâm, trong đó góc giữa dây treo và bán kính đi qua các điểm giao cắt được xác định là  = 45º Số lượng dây treo được áp dụng trong phương án này là n4 dây.

Hình 3-14 PA2 – Dây treo điểm giao cắt hướng tâm, 34 dây

Phương án 3 đề xuất sử dụng dây treo với các điểm giao cắt hướng tâm, trong đó góc giữa dây treo và bán kính tại các điểm giao cắt được xác định là  = 40º Số lượng dây treo được sử dụng trong phương án này là nR dây.

Hình 3-15 PA3 – Dây treo điểm giao cắt hướng tâm, 52 dây

Hình 3-16 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –PA1(KNm)

Hình 3-17 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –PA2 (KNm)

Hình 3-18 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –PA3 (KNm)

My-DC-PA1-34day My-Dc-PA2-34 day My-DC-PA3-52 day

Hình 3-19 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Do tĩnh tải (KNm)

My-LLmax-PA1 My-LLmax-PA2 My-LLmax-PA3

My-LLmin-PA1 My-LLmin-PA2 My-LLmin-PA3

Hình 3-20 Biểu đồ mô men uốn trong thanh căng –Do hoạt tải (KNm) b) Vành vòm

Hình 3-21 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –PA1 (KNm)

My-DC-PA1 My-DC-PA2 My-DC-PA3

Hình 3-24 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Do tĩnh tải (KNm)

My-LLmax-PA1 My-LLmax-PA2 My-LLmax-PA3

My-LLmin-PA1 My-LLmin-PA2 My-LLmin-PA3

Hình 3-25 Biểu đồ mô men uốn trong vành vòm –Do hoạt tải (KNm)

Bảng 3-7 Bảng tổng hợp mô men uốn trong Thanh căng, Vành vòm

Mô men uốn My trong Thanh căng do Tĩnh tải

Mô men uốn My trong Thanh căng do Hoạt tải

Mô men uốn My trong Vành vòm do Tĩnh tải

Mô men uốn My trong Vành vòm do Hoạt tải

Bảng 3-8 Bảng hệ số lực tới hạn

Trong ba phương án bố trí dây, phương án 3 với dây treo có điểm giao cắt hướng tâm, góc xiên 40º và số lượng 52 dây cho thấy nội lực trong thanh căng và vành vòm nhỏ nhất, tuy nhiên sự khác biệt không lớn so với phương án 1, nơi dây có góc xiên 62º và số lượng 34 dây Trong khi đó, phương án 2 gặp bất lợi khi cả thanh căng và vành vòm đều chịu lực không thuận lợi, đặc biệt là thanh căng khi phải chịu tĩnh tải bản thân.

 Nội lực do hoạt tải phân bố đều hơn trên suốt chiều dài thanh căng và vành vòm ở phương án 3;

Phương án 1 với sơ đồ bố trí dây thông thoáng có số điểm giao cắt ít, giúp dễ dàng trong việc cấu tạo các điểm neo và thi công hơn so với phương án 3.

 Hệ số lực tới hạn trong 3 phương án là tương tự nhau, khả năng chống mất ổn định tổng thể không cải thiện nhiều

Khi thiết kế, phương án 1 với bố trí dây có góc xiên không đổi so với thanh căng là lựa chọn hợp lý, đặc biệt khi chiều dài nhịp tăng lên do dây có tiết diện và chiều dài lớn.

KẾT LUẬN CHUNG CHƯƠNG 3

Thông qua các nội dung nghiên cứu ở trên có thể thấy đối với sơ đồ dây treo dạng lưới:

Hình dạng đường cong của vành vòm, bao gồm vòm parabol và vòm cong tròn, không gây ảnh hưởng đáng kể đến nội lực của thanh căng và vành vòm Tuy nhiên, vòm cong tròn có mô men chân vòm lớn hơn và ứng suất cục bộ tại chân vòm cũng cao hơn, dẫn đến việc cấu tạo chân vòm trở nên phức tạp hơn.

Chiều cao của đường tên vòm ảnh hưởng đáng kể đến nội lực của kết cấu vòm; chiều cao càng lớn thì nội lực càng giảm Tuy nhiên, cần lưu ý rằng yếu tố thẩm mỹ có thể không cao Chiều cao vòm lý tưởng nên nằm trong khoảng từ 0,18 đến 0,2 chiều dài nhịp để đảm bảo sự cân bằng giữa hiệu suất và thẩm mỹ.

Số lượng dây treo ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực của cầu; càng nhiều dây treo, nội lực càng giảm Tuy nhiên, việc tăng số lượng dây treo cũng có thể làm giảm độ thông thoáng và ảnh hưởng đến mỹ quan của cầu.

Sơ đồ dây treo lưới với góc xiên cố định so với thanh căng là sự lựa chọn tối ưu cho kết cấu cầu vòm thép có sử dụng thanh căng.

Luận văn nghiên cứu và phân tích ảnh hưởng của sơ đồ bố trí dây treo cùng với các tham số hình học đến hiệu suất của kết cấu cầu vòm thép có thanh căng Nội dung nghiên cứu bao gồm các yếu tố chính tác động đến sự làm việc của cầu vòm thép, từ đó cung cấp cái nhìn sâu sắc về thiết kế và tối ưu hóa kết cấu.

 Nghiên cứu tổng quan về cầu vòm nói chung và cầu vòm thép có thanh căng nói riêng trên thế giới và Việt Nam;

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các sơ đồ bố trí dây treo đến ứng xử kết cấu của cầ vòm thép có thanh căng;

 Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số hình học đến nội lực và ổn định cầu vòm thép có thanh căng với sơ đồ dây treo dạng lưới

Căn cứ vào nội dung nghiên cứu lý thuyết và các tính toán cụ thể đã thực hiện trong luận văn, các kết luận sau đây được rút ra:

1) Sơ đồ bố trí dây treo có ảnh hưởng lớn đến trạng thái nội lực và ổn định của kết cấu vòm thép có thanh căng;

2) Sơ đồ dây treo thẳng đứng có ưu thế khi chịu tải trọng phân bố đều lớn so với hoạt tải như tĩnh tải bản thân, hoặc các loại tải trọng đoàn tàu

3) Sơ đồ dây treo xiên hướng tâm tuy không hợp lý về mặt chịu lực nhưng lại có ưu thế về thẩm mỹ, nếu muốn làm một điểm nhấn cho cảnh quan khu vực xây dựng công trình cầu

4) Đối với cầu vòm thép có thanh căng sơ đồ bố trí dây dạng lưới, góc xiên không đổi có nhiều ưu điểm:

+ Về kết cấu: Các cấu kiện thanh căng, vành vòm, dây treo chịu lực khá đồng đều

Việc sử dụng vật liệu thép trong chế tạo và thi công giúp giảm trọng lượng kết cấu, cho phép thi công tại công xưởng và dễ dàng vận chuyển, lắp đặt tại vị trí xây dựng Điều này không chỉ đảm bảo chất lượng công trình mà còn tối ưu hóa quy trình thi công.

Các bộ phận kết cấu được thiết kế thanh mảnh và hài hòa với cảnh quan xung quanh, tạo nên sự cân đối và thu hút Điều này không chỉ làm tăng tính thẩm mỹ cho khu vực xây dựng mà còn có thể trở thành điểm nhấn nổi bật trong cảnh quan địa phương.

Kinh tế là yếu tố quan trọng tương đương với cấu trúc hợp lý trong xây dựng Việc đánh giá tính kinh tế phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm đặc trưng của từng công trình Cần xem xét tổng thể các yếu tố như vật liệu, chế tạo, thi công và duy tu bảo dưỡng Trọng lượng kết cấu nhẹ giúp giảm chi phí xây dựng cho phần dưới, tạo ra một ưu thế lớn cho dự án.

Định dạng
Số trang	84
Dung lượng	4,32 MB