Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài phần bố trí dây văng trong cầu treo Hybrid đến nội lực và biến dạng của cầu

Vì thế ý tưởng về một hệ thống cầu mới gọi là cầu hybrid kết hợp các đặc điểm kết cấu của cầu dây văng và dây võng thuần túy để hạn chế các nhược điểm của hai loại cầu trên đã được nghiê

Các đặ c đ i ể m c ơ b ả n c ủ a c ầ u dây v ă ng

Các s ơ đồ nh ị p c ầ u dây v ă ng

a Cầu dây văng một nhịp

Cầu dây văng có thể làm một nhịp, trong đó tháp cầu được xây dựng trên mố, dầm chủ một nhịp tựa trên hai gối cứng trên mố Các dây văng từ trên tháp tỏa xuống neo vào một số điểm của dầm cứng tạo thành các gối đàn hồi Phía sau mố, các dây văng được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường [2] Trong thực tế, cầu Ruck-a-Chucky ở California (Hoa Kỳ) (Hình 1.5) là cầu dây văng sơ đồ một nhịp

Hình 1.5 Cầu Ruck-a-Chucky ở california (Hoa Kỳ) b Cầu dây văng hai nhịp

Cầu dây văng hai nhịp được áp dụng nhiều vào những năm 1960~1970 cho các cầu vượt đường và sông không lớn lắm Các phương án cầu hai nhịp được chọn chủ yếu là do điều kiện địa chất, địa hình hoặc do yếu tố mỹ quan quyết định [2] Cầu dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi đó tháp cầu được bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu (Hình 1.6a); hoặc bố trí nhịp không bằng nhau, khi đó trụ tháp bố trí lệch hẳn về một phía, có hình dáng thẳng đứng hoặc xiên (Hình 1.6b)

Hình 1.6a Cầu Saint-Florent le Vieil (Pháp)

Hình 1.6b Cầu Erasmusbrug (Hà Lan)

Hình 1.7a Cầu Meiko- Chuo (Nhật Bản)

Hình 1.7b Cầu Ikuchi (Nhật Bản) d Cầu dây văng nhiều nhịp

Sơ đồ cầu dạng này áp dụng cho các cầu dài vượt biển, nối từ đảo này sang đảo khác, địa hình địa chất không thuận lợi cho các nhịp ngắn, hoặc khi cần tăng cường, nâng cấp cầu cũ thì có thể áp dụng sơ đồ cầu dây văng nhiều nhịp (Hình 1.8)

Các sơ đồ phân bố dây văng

Là sơ đồ có các dây văng quy tụ tại một nút cố định trên tháp cầu, từ đó các dây tỏa xuống neo vào dầm cứng tại một số điểm, tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục [2] (Hình 1.9)

Sơ đồ dây đồng quy thường được sử dụng cho các cầu nhịp ngắn, số lượng cáp ít và khoang thông thuyền lớn Lý do là vì cấu tạo các nút cáp trên đỉnh tháp tương đối đơn giản, phù hợp với các điều kiện trên Ngược lại, sơ đồ dây song song phù hợp cho các cấu trúc có nhịp lớn, nhiều dây cáp và nhiều khoang thông thuyền.

Cấu trúc tiên tiến này sử dụng những sợi dây văng song song được lắp đặt ở hai bên tháp cầu Những sợi dây được phân bổ đồng đều trên cả tháp cầu lẫn dầm chủ, tạo nên sự cân bằng và ổn định cho cây cầu Hệ thống này cho phép mỗi nút chỉ chịu lực từ tối đa hai sợi dây, giúp tiết kiệm vật liệu và đơn giản hóa cấu trúc của nút Ngoài ra, thiết kế dây song song còn tạo hiệu ứng thẩm mỹ ấn tượng, mang lại cho cây cầu vẻ đẹp thanh thoát và thông thoáng.

Sơ đồ trên có các nhược điểm là các dây có cùng góc nghiêng so với phương ngang và là góc nghiêng nhỏ nhất nên giảm độ cứng của các nút đeo dây, đồng thời khoảng cách các dây bố trí trên trụ tháp lớn làm cho trụ tháp vừa chịu nén dọc vừa chịu uốn lớn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và độ ổn định của trụ tháp c Sơ đồ rẽ quạt

Là sơ đồ trung gian giữa sơ đồ đồng quy và sơ đồ song song, trong đó các dây được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách đủ để có thể cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây trong quá trình thi công (Hình 1.11) Như vậy các dây bố trí không song song với nhau để tranh thủ các góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian và tránh tối đa tháp cầu bị uốn ngang [2]

Hình 1.11 Cầu Ben-Ahin (Bỉ)

Nhược điểm của sơ đồ này là do có nhiều dây, khoang nhỏ nên các khoang dầm gần mố chịu momen uốn lớn do tại vị trí này, độ cứng theo phương thẳng đứng của dây văng khá nhỏ (dây dài mà góc nghiêng nhỏ)

1.1.2.3 Số mặt phẳng dây của cầu dây văng

Số lượng mặt phẳng dây của cầu dây văng phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang Cầu có bề rộng dưới 7m thường có một mặt phẳng dây, từ 7-20m thường có hai mặt phẳng dây Với nhu cầu vận chuyển cao hiện nay, cầu dây văng thường có bề rộng lớn hơn 20m, có thể chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây Tuy nhiên, trong trường hợp cầu quá rộng, cần cân nhắc tách thành hai cầu với mỗi cầu có hai mặt phẳng dây để so sánh với kết cấu cầu nhiều mặt phẳng dây Cầu Zakim Bunker Hill là cầu dây văng ba mặt phẳng dây rộng nhất thế giới với chiều rộng lên tới 55,77m.

Cầu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu

D ầ m ch ủ đơ n n ă ng

Trong cầu có dầm chủ đơn năng, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc độc lập với nhau, dầm chủ chịu lực như một biên cứng của dàn chủ yếu chịu nén và chịu uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, khả năng chống xoắn chủ yếu do các dầm ngang và hệ dây đảm nhiệm, dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp của bản, dầm dọc và ngang Các dầm chủ đơn năng chỉ được dùng trong các cầu có nhiều mặt phẳng dây

Hình 1.13 Các tiết diện dầm thép đơn năng

Hình 1.14 Các tiết diện dầm BTCT đơn năng

D ầ m ch ủ đ a n ă ng

Dầm chủ có chiều cao lớn, có chức năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt rõ dầm chủ và hệ dầm mặt cầu Ví dụ bản mặt cầu vừa chịu lực cục bộ theo phương ngang vừa tham gia như biên trên của dầm chủ chịu uốn, vật liệu cấu thành tiết diện hộp kín được bố trí xa trọng tâm tạo khả năng chống uốn và chống xoắn cao, rất cần thiết trong các cầu có một mặt phẳng dây bố trí ở giữa Dầm chủ như vậy có khả năng chịu lực cục bộ và tổng thể, chịu uốn và chịu xoắn tốt Có thể thấy dầm chủ đa năng có ưu điểm vuợt trội so với dầm chủ đơn năng nên được ứng dụng rất rộng rãi trong việc xây dựng cầu dây văng

Hình 1.15 Các tiết diện dầm hộp thép kín đa năng

Hình 1.16 Tiết diện dầm hộp BTCT đa năng

1728 chịu uốn kém hoặc khi tháp cầu có liên kết khớp với trụ thì cũng được coi là mềm không phụ thuộc vào kích thước tiết diện Chuyển vị ngang của đỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu dựa vào độ cứng chịu kéo của dây neo Dây neo thường đựơc liên kết cố định, một đầu vào đỉnh tháp cầu, một đầu vào dầm cứng trên mố, trụ Như vậy theo phương dọc cầu, tháp mềm làm việc như một thanh có đầu trên liên kết khớp với dây neo, đầu dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ

Hình 1.17 Hình dạng các tháp cầu mềm [12]

Tháp cứng có kích thước tiết diện ngang lớn, độ cứng theo phương dọc cầu đủ lớn để hạn chế chuyển vị ngang đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng Do đó tháp cứng phải liên kết cứng với trụ và trên nguyên tắc có thể không cần dây neo

Tháp cứng chịu tải như một thanh có một đầu ngàm, một đầu tự do chịu nén uốn

Tháp cứng thích hợp áp dụng cho các cầu dây văng nhiều nhịp, ít dây Để đảm bảo độ cứng ngang, hạn chế đến mức tối thiểu chuyển vị ngang của đỉnh tháp và tiết kiệm vật liệu, tháp cầu cứng có thể tạo dạng A hoặc Y ngược

Hình 1.18 CầuMaracaibo (Venezuela)với kết cấu tháp cứng

Tháp cầu thường được cấu tạo bằng vật liệu thép hoặc BTCT, thông thường tháp cầu bằng thép dùng cho cầu có dầm chính bằng thép, còn tháp cầu bằng BTCT dùng cho tất cả các loại dầm thép và BTCT Đối với các cầu dây văng nhỏ hoặc vừa, cầu dành cho người đi bộ, cầu dẫn ống… thì để đảm bảo chế tạo trong nhà máy và vận chuyển cẩu lắp nhanh chóng thì hay dùng tháp cầu bằng thép Tuy nhiên tháp cầu thường chịu nén nên bêtông cốt thép được sử dụng nhiều để làm trụ tháp bởi các ưu điểm là thích hợp với tính chất chịu lực của vật liệu, dễ tạo dáng, dễ thay đổi kích thước tiết diện, thi công đơn giản bằng ván khuôn trượt hoặc ván khuôn lắp ghép, tuổi thọ cao và ít tốn công duy du bảo dưỡng

1.1.5 Cấu tạo dây văng và hệ neo

Dây văng đảm nhận trọng tải của cầu dây văng, gồm cả tĩnh tải và hoạt tải Các lực này sau đó được phân bố xuống trụ tháp, tạo nên lực dọc trong dầm chủ Đặc tính này khác biệt so với các loại cầu khác Dây văng có thể vượt nhịp lớn do được kéo căng giữa hai điểm cố định Tuy nhiên, trọng lượng riêng khiến dây văng bị võng, nhưng khi chịu hoạt tải, độ võng giảm và dây thẳng trở lại, dẫn đến biến dạng phụ Do đó, dây văng thường được chế tạo từ các sợi thép cường độ cao, bao gồm cả sợi thép đơn hoặc bó cáp.

Cáp có thể là tập hợp của một số sợi thép bố trí song song, xoắn ốc hoặc tập hợp của nhiều bó nhỏ

Hình 1.19 Các loại cáp thường dùng trong cầu dây văng [1] a)Thép thanh; b)Thép sợi; c)Tao cáp; d)Cáp kín; e)Bó cáp; g)Cáp có sợi song song Đầu neo có cấu tạo, hình dáng, kích thước phụ thuộc vào kích thước dây văng và phương pháp căng kéo Đầu neo cần được thiết kế, chế tạo đủ khả năng chịu lực kéo đứt của dây mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu đầu neo Tùy theo chức năng, có thể phân biệt hai loại đầu neo, đầu neo cố định và đầu neo di động Đầu neo cố định không có khả năng thay đổi chiều dài sau khi lắp đặt Đầu neo di động có khả năng thay đổi chiều dài dây, tạo điều kiện căng chỉnh trong quá trình thi công cũng như khai thác

1.2 Tổng quan về cầu dây võng 1.2.1 Lịch sử phát triển cầu dây võng

Cầu dây võng là một loại cầu có lịch sử phát triển lâu đời Cầu dây võng với cáp treo bằng xích sắt đã được xây dựng ở Trung Quốc cách nay khoảng 2200 năm, một cầu tương tự cũng được xây dựng tại Ấn Độ Tuy nguồn gốc ra đời của cầu dây võng ở Phương Đông nhưng lại xuất hiện ở Châu Âu vào thế kỷ 16 (cầu Winch- Anh nhịp 21m năm 1761) và nó thực sự bùng nổ khi nền công nghệ luyện thép phát triển mạnh vào thế kỷ 19 Cho đến nay đã có hơn 20 cầu có nhịp chính lớn nhất trên thế giới là cầu dây võng [11]

Cầu dây võng hiện đại phát triển từ thế kỷ 18 dựa trên cơ sở sự phát triển của các dạng kết cấu cầu và công nghệ sản xuất thép Cầu Jacobs Creek được xây dựng ở Hoa Kỳ năm 1801 theo thiết kế của Finley, có nhịp giữa 21.30m Cầu Clipfton ở Anh (Hình 1.20) với nhịp giữa 214m là cầu treo dây võng cổ nhất hiện còn dùng cho ô tô qua lại, được khởi công xây dựng năm 1831 và hoàn thành năm 1864, sử dụng loại xích sắt rèn [6]

Hình 1.20 Cầu treo dây võng Clipfton (Anh)

Cầu dây võng là loại cầu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây cáp chịu kéo, do đó kết cấu này tận dụng được tối đa sự làm việc của vật liệu Với ưu điểm này, cầu dây võng vượt được khẩu độ nhịp rất lớn mà các loại cầu khác không thể kể cả cầu dây văng Hiện nay, cầu dây võng được coi là loại cầu đẹp, nhẹ và chịu lực tốt, được áp dụng phổ biến trên thế giới cho các cầu nhịp lớn [12]

Sự tiến bộ vượt bậc trong công nghệ máy tính, kỹ thuật xây dựng, máy móc thiết bị thi công, vật liệu xây dựng cùng trình độ khoa học kỹ thuật cao đã tạo nên bước ngoặt trong thiết kế và thi công cầu dây văng hiện đại Những cây cầu vĩ đại như Golden Gate, Mackinac, Tsing Ma, Jang Yin không chỉ là biểu tượng của sức mạnh kỹ thuật mà còn là niềm tự hào của cả một quốc gia hay vùng lãnh thổ.

Hình 1.21 Cầu treo dây võng Golden Gate (Hoa Kỳ)

Hình 1.22 Cầu treo dây võng Tsing Ma (HongKong)

B ả ng 1.3 Tổng hợp 10 cây cầu dây võng có nhịp dài nhất thế giới [14]

Xếp hạng Tên cầu Quốc gia Chiều dài nhịp Lc (m)

3 Great Belt Bridge Đan Mạch 1624 1998

4 Yi Sun-sin bridge Hàn Quốc 1535 2012

7 Jiangyin Suspension Bridge Trung Quốc 1385 1999

8 Tsing Ma Bridge Hong Kong 1377 1997

9 Verrazano-Narrows Bridge Hoa Kỳ 1298 1964

10 Golden Gate Bridge Hoa Kỳ 1280 1937

Trong thời kỳ chiến tranh, do hệ thống cầu cống Việt Nam bị đánh phá nghiêm trọng, nhu cầu khôi phục cầu phục vụ tiền tuyến là rất cấp thiết Giải pháp xây dựng cầu cáp, cầu treo nhanh chóng trở nên phổ biến từ năm 1965 Những cây cầu treo đầu tiên có khẩu độ nhỏ (80~120m) thường không có cổng và chỉ có một hệ dây Đối với khẩu độ lớn hơn (120~200m), cầu cáp có cổng hai hệ dây được sử dụng rộng rãi Các công trình cầu dây võng tiêu biểu thời kỳ này bao gồm cầu qua Sông Lô, cầu cáp Việt Trì, cầu Hang Tôm và cầu Cửa Rào.

Cho đến nay, với trình độ kỹ thuật ngày càng được cải tiến cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, bên cạnh các loại cầu giản đơn, liên tục thuần túy thì một số giải pháp cho cầu treo dây võng đã được nghiên cứu từng bước đưa vào ứng dụng, cụ thể như cầu treo có quy mô tương đối lớn đã được triển khai xây dựng đó là cầu treo Thuận Phước (Hình 1.24) tại TP Đà Nẵng

Hình 1.23 Cầu Hang Tôm nối hai tỉnh Điện Biên và Lai Châu

Hình 1.24 Phối cảnh và sơ đồ nhịp chính cầu Thuận Phước (Đà Nẵng)

SƠ Đồ NHịP CHíNH cầu THUậN PHƯớC

B ả ng 1.4 Tổng hợp một số cầu dây võng ở Việt Nam

Xếp hạng Tên cầu Địa điểm Chiều dài nhịp Lc (m) Năm hoàn thành

1 Cầu Thuận Phước Đà Nẵng 405 2009

2 Cầu Việt Trì Phú Thọ 225 1967

3 Cầu Đò Quan Nam Định 190 1969

4 Cầu Bảo Nhai Lào Cai 140

5 Cầu Hang Tôm Lai Châu 140 1970

6 Cầu Cửa rào Nghệ An 130

7 Cầu Kỳ Cùng Hà Giang 104 1966

8 Cầu Đoan Hùng Vĩnh Phú 104 1966

1.2.2 Các đặc điểm cơ bản của cầu dây võng

Trong các dạng cầu hiện nay trên thế giới, cầu dây võng là một loại cầu có cấu tạo tương đối phức tạp Các bộ phận cấu tạo chính được thể hiện trong Hình 1.25 bao gồm : Trụ tháp, Dầm chủ, Khối neo, Cáp chủ, Cáp treo [11]

Hình 1.25 Cấu tạo các bộ phận chính của cầu dây võng

Theo phương dọc cầu, tr mềm và tháp chân khớp (Hình 1. cấu nhịp, người thiết kế ch

Tháp mềm: thường dùng Tháp cứng: thường dùng cho cầu

Tháp chân khớp thư a) Tháp cứng

Bề rộng của cột trụ tháp cao cột trụ Theo phương ngang c phối hợp giữa hai dạng trên (B u, trụ tháp trong cầu dây võng chia làm 3 loại: tháp c p (Hình 1.26) Tùy theo đặc điểm yêu cầu củ chọn loại trụ tháp thích hợp và sơ đồ tính chính xác nh ng dùng ở cầu dây võng nhịp lớn ng dùng ở cầu dây võng nhiều nhịp để cung c p thường dùng ở cầu dây võng nhịp ngắn b) Tháp mềm c) Tháp chân kh

T ổ ng quan v ề c ầ u dây võng

L ị ch s ử phát tri ể n c ầ u dây võng

Cầu dây võng là một loại cầu có lịch sử phát triển lâu đời Cầu dây võng với cáp treo bằng xích sắt đã được xây dựng ở Trung Quốc cách nay khoảng 2200 năm, một cầu tương tự cũng được xây dựng tại Ấn Độ Tuy nguồn gốc ra đời của cầu dây võng ở Phương Đông nhưng lại xuất hiện ở Châu Âu vào thế kỷ 16 (cầu Winch- Anh nhịp 21m năm 1761) và nó thực sự bùng nổ khi nền công nghệ luyện thép phát triển mạnh vào thế kỷ 19 Cho đến nay đã có hơn 20 cầu có nhịp chính lớn nhất trên thế giới là cầu dây võng [11]

Cầu dây võng hiện đại phát triển từ thế kỷ 18 dựa trên cơ sở sự phát triển của các dạng kết cấu cầu và công nghệ sản xuất thép Cầu Jacobs Creek được xây dựng ở Hoa Kỳ năm 1801 theo thiết kế của Finley, có nhịp giữa 21.30m Cầu Clipfton ở Anh (Hình 1.20) với nhịp giữa 214m là cầu treo dây võng cổ nhất hiện còn dùng cho ô tô qua lại, được khởi công xây dựng năm 1831 và hoàn thành năm 1864, sử dụng loại xích sắt rèn [6]

Hình 1.20 Cầu treo dây võng Clipfton (Anh)

Cầu dây võng là loại cầu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây cáp chịu kéo, do đó kết cấu này tận dụng được tối đa sự làm việc của vật liệu Với ưu điểm này, cầu dây võng vượt được khẩu độ nhịp rất lớn mà các loại cầu khác không thể kể cả cầu dây văng Hiện nay, cầu dây võng được coi là loại cầu đẹp, nhẹ và chịu lực tốt, được áp dụng phổ biến trên thế giới cho các cầu nhịp lớn [12]

Sự phát triển của công nghệ máy tính đã nâng cấp mô hình tính toán, kỹ thuật thi công và máy móc hiện đại Cùng với sự tiến bộ của vật liệu xây dựng và trình độ khoa học kỹ thuật, điều này đã tạo nên bước đột phá trong thiết kế và thi công các cầu dây võng, kéo theo kỷ lục chiều dài vượt nhịp liên tục tăng Một số cây cầu dây võng còn trở thành biểu tượng quốc gia, chẳng hạn như cầu Golden Gate và Mackinac ở Hoa Kỳ, cầu Tsing Ma ở Hồng Kông hay cầu Jang Yin ở Trung Quốc.

Hình 1.21 Cầu treo dây võng Golden Gate (Hoa Kỳ)

Hình 1.22 Cầu treo dây võng Tsing Ma (HongKong)

B ả ng 1.3 Tổng hợp 10 cây cầu dây võng có nhịp dài nhất thế giới [14]

3 Great Belt Bridge Đan Mạch 1624 1998

4 Yi Sun-sin bridge Hàn Quốc 1535 2012

7 Jiangyin Suspension Bridge Trung Quốc 1385 1999

8 Tsing Ma Bridge Hong Kong 1377 1997

9 Verrazano-Narrows Bridge Hoa Kỳ 1298 1964

10 Golden Gate Bridge Hoa Kỳ 1280 1937

Tại Việt Nam, trong những năm chiến tranh, hệ thống cầu cống của nước ta bị đánh phá nhiều Để phục vụ kịp thời cho tiền tuyến cần phải khôi phục lại những cây cầu đã bị phá hoại Khi đó việc xây dựng cầu cáp, cầu treo là một trong những giải pháp hợp lý và nhanh chóng nhất Vì thế Việt Nam đã bắt đầu xây dựng nhiều cầu treo bán vĩnh cửu từ năm 1965 Những chiếc cầu treo đầu tiên là loại cầu cáp không cổng, chỉ có một hệ dây với khẩu độ từ 80~120m Loại cầu này đã được thiết kế thành định hình cầu cáp dã chiến không cổng, ứng dụng rộng rãi trong thời kỳ chiến tranh (1965-1975) Đối với các loại cầu khẩu độ từ 120~200m, thường áp dụng loại cầu cáp có cổng hai hệ dây Có thể kể đến những công trình cầu dây võng tiêu biểu ở Việt Nam thời kỳ đó như cầu qua Sông Lô nhịp 104m, cầu cáp Việt Trì nhịp 225m, cầu Hang Tôm nhịp 140m (Hình 1.23), cầu Cửa rào nhịp 130m,…[6]

Cho đến nay, với trình độ kỹ thuật ngày càng được cải tiến cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, bên cạnh các loại cầu giản đơn, liên tục thuần túy thì một số giải pháp cho cầu treo dây võng đã được nghiên cứu từng bước đưa vào ứng dụng, cụ thể như cầu treo có quy mô tương đối lớn đã được triển khai xây dựng đó là cầu treo Thuận Phước (Hình 1.24) tại TP Đà Nẵng

Hình 1.23 Cầu Hang Tôm nối hai tỉnh Điện Biên và Lai Châu

Hình 1.24 Phối cảnh và sơ đồ nhịp chính cầu Thuận Phước (Đà Nẵng)

SƠ Đồ NHịP CHíNH cầu THUậN PHƯớC

B ả ng 1.4 Tổng hợp một số cầu dây võng ở Việt Nam

1 Cầu Thuận Phước Đà Nẵng 405 2009

2 Cầu Việt Trì Phú Thọ 225 1967

3 Cầu Đò Quan Nam Định 190 1969

4 Cầu Bảo Nhai Lào Cai 140

5 Cầu Hang Tôm Lai Châu 140 1970

6 Cầu Cửa rào Nghệ An 130

7 Cầu Kỳ Cùng Hà Giang 104 1966

8 Cầu Đoan Hùng Vĩnh Phú 104 1966

Các đặ c đ i ể m c ơ b ả n c ủ a c ầ u dây võng

Trong các dạng cầu hiện nay trên thế giới, cầu dây võng là một loại cầu có cấu tạo tương đối phức tạp Các bộ phận cấu tạo chính được thể hiện trong Hình 1.25 bao gồm : Trụ tháp, Dầm chủ, Khối neo, Cáp chủ, Cáp treo [11]

Hình 1.25 Cấu tạo các bộ phận chính của cầu dây võng

Theo phương dọc cầu, tr mềm và tháp chân khớp (Hình 1. cấu nhịp, người thiết kế ch

Tháp mềm: thường dùng Tháp cứng: thường dùng cho cầu

Tháp chân khớp thư a) Tháp cứng

Bề rộng của cột trụ tháp cao cột trụ Theo phương ngang c phối hợp giữa hai dạng trên (B u, trụ tháp trong cầu dây võng chia làm 3 loại: tháp c p (Hình 1.26) Tùy theo đặc điểm yêu cầu củ chọn loại trụ tháp thích hợp và sơ đồ tính chính xác nh ng dùng ở cầu dây võng nhịp lớn ng dùng ở cầu dây võng nhiều nhịp để cung c p thường dùng ở cầu dây võng nhịp ngắn b) Tháp mềm c) Tháp chân kh

Các dạng kết cấu của trụ tháp cầu dây võng tháp theo phương dọc cầu thường chọn khoảng 1/20÷1/27 chi ương ngang cầu, trụ tháp thường có dạng dàn, d ng trên (Bảng 1.5) [6] i: tháp cứng, tháp ủa từng loại kết tính chính xác nhất cung cấp đủ độ cứng c) Tháp chân khớp õng ng 1/20÷1/27 chiều ng dàn, dạng cổng hoặc

B ả ng 1.5 Các loại khung tháp chính

Dàn Cổng Tổ hợp dàn và c

- Golden Gate -Second Tacoma Narrows

Cầu Forth Road Cầu Golden Gate

Cầu John A Roebling Cầu George Hình 1.27 Trụ tháp của một số cầu treo dây võng [12] p dàn và cổng

Golden Gate Second Tacoma Narrows u Golden Gate

George Washinton [12] a) Dầm cứng tĩnh định b) Dầm cứng liên tục Hình 1.28 Các loại dầm cứng

Nhược điểm chính của cầu dây võng là có độ cứng nhỏ, rất nhạy cảm với các nguyên nhân gây ra dao động như tải trọng gió và các nguyên nhân gây ra dao động có tính chất chu kỳ Để khắc phục hiện tượng trên, dầm cứng phải đảm bảo thoát gió tốt như dạng dàn không gian hoặc dầm có tiết diện hình hộp với chiều cao thấp nhằm tăng cường khả năng chống xoắn của cầu Do đó, dầm cứng thường dùng có thể là dầm dàn, dầm hộp (dùng cho cầu nhịp dài nhằm đảm bảo ổn định khí động học) hay dầm I (dùng cho cầu nhịp ngắn) (Hình 1.29) a) Dầm I (Cầu Bronx – Stonewhite) b) Dầm dàn (Cầu Mackinac Straits) c) Dầm hộp (Cầu Humber)

Hình 1.29 Các mặt cắt ngang dầm cứng điển hình

Tỷ số giữa chiều cao dầm h và chiều dài nhịp chính L phụ thuộc vào nhiều yếu tố và có ảnh hưởng đến độ cứng của toàn hệ, thường chọn h = (1/80 ÷ 1/120)L

Với nhịp càng lớn thì nên chọn tỷ số này nhỏ

Khi h > L/60 (độ cứng của hệ lớn) → tính theo sơ đồ không biến dạng

Khi h ≤ L/60 (độ cứng của hệ nhỏ), khả năng tham gia chịu lực của dầm nhỏ so với khả năng chịu lực của dây → tính như hệ dây mềm, dầm mềm Để đảm bảo ổn định với gió, bề rộng cầu thường chọn B ≥ 1/25L

1.2.2.3 Cáp dùng cho cầu dây võng a Cáp treo

Là bộ phận có tác dụng truyền lực từ dầm chính đến cáp chính, cáp treo thường được cấu tạo từ các tao cáp song song (Hình 1.30) Cáp treo thường được bố trí theo phương thẳng đứng Tuy nhiên, để tăng cứng theo phương dọc cũng có thể sử dụng cáp treo xiên.Cáp treo thường làm bằng thép thanh hoặc dây cáp Chiều dài tối thiểu của dây treo nên>1,5m (trọng tâm của xe di động trên cầu luôn ở phía dưới dây chủ để đảm bảo an toàn về ổn định ngang cầu) nhưng cũng có thể chọn bằng 0 (nối sát với dầm cứng) nhằm tăng độ cứng của cầu.Khoảng cách giữa các dây treo phụ thuộc khả năng chịu tải cục bộ của dầm cứng và điều kiện làm việc của cáp chủ a) Nối kiểu gối b) Nối kiểu bản chốt

Hình 1.30 Các kiểu liên kết giữa cáp chủ và dây treo b Cáp chủ

Cáp chủ, là bộ phận chịu lực cơ bản có tác dụng truyền lực từ dầm chính đến tháp và mố neo Cáp chủ trong các cầu hiện đại được cấu tạo ở dạng các bó cáp song song Các cầu phổ biến có hai mặt phẳng cáp chính song song với nhau Trongmặt phẳng của cáp chủ, cáp có dạng đường cong parabol hay đường dây xích Tuy nhiên, cũng có cầu có cáp chính là đường cong trong không gian 3 chiều.Hai đầu cáp chủ được liên kết với neo hoặc dầm cứng và được vắt qua đỉnh trụ Tùy theo kết cấu cổng trụ là loại trụ khớp hay trụ ngàm mà cáp chủ được bắt cố định liên kết chặt với đỉnh trụ hay nằm trên gối con lăn trên đỉnh trụ Ở trạng thái hệ chưa chịu tác dụng của tải trọng di động, cáp chủ thường có dạng đường cong parabol Tỷ lệ giữa đường tên võng f và chiều dài nhịp L phụ thuộc giá thành xây dựng cầu và đảm bảo điều kiện về ổn định khí động học Thông thường tỷ lệ này được lấy khoảng bằng 1/10

B ả ng 1.6 Các loại cáp chủ trong cầu dây võng [12]

Tên cáp Hình dạng mặt cắt Cấu trúc Tên cầu

Các dây kim loại được xếp song song trong hình lục giác

-Brooklyn -Humber -Great Belt East -Akashi Kaikyo

Sáu bó sợi (tao) xoắn xung quanh một bó sợi (tao) giữa

Các sợi kim loại được xoắn lại với nhau thành nhiều lớp chính

Dây kim loại được quấn thành cuộn tròn bao quanh các sợi cáp xoắn

-Kvalsun -Emmerich -Albsborg -New Koln - RodenKirchen a) Mặt cắt cáp chủ b) Cáp chủ cầu Great Belt East

Hình 1.31 Cấu tạo cáp chủ cầu Great Belt East b) Neo vào dầm cứng Hình 1.32 Các kiểu neo cáp chủ

Khối neo bao gồm móng, khối neo, đai giữ, cáp neo dầm và hộp bảo vệ Có hai hệ thống neo chính: neo trọng lực và neo hầm Neo trọng lực sử dụng trọng lượng của khối neo để chống lại lực kéo trong cáp chủ, trong khi neo hầm truyền lực kéo trực tiếp từ cáp chủ vào đất nền.

Neo vào dầm cứng : Biện pháp này có ưu điểm là đơn giản, giảm khối lượng xây dựng mố neo nhưng có nhược điểm là lực căng trong dây sẽ gây ra uốn dọc trong dầm cứng Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ cũng có ảnh hưởng khi sử dụng cách neo này a) Hệ thống neo trọng lực - Cầu Akashi Kaikyo b) Hệ thống hầm neo - Cầu George

Hình 1.34 Khối neo cầu Verrazano Narrow

Phân lo ạ i c ầ u dây võng

Cũng như các loại cầu khác đa dạng về số lượng nhịp, cầu dây võng cũng có sơ đồ một nhịp, ba nhịp hoặc nhiều nhịp

Cầu dây võng một nhịp : Hai tháp cầu được dựng trên hai mố; dầm chủ một nhịp tựa lên hai gối cứng trên mố và các gối đàn hồi là các điểm neo của các dây võng; từ đỉnh cáp dây neo được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường, ví dụ cầu Chavanon ở Pháp (Hình 1.35)

Cầu dây võng ba nhịp : Kết cấu dầm liên tục tựa trên các gối cứng là mố, trụ và các gối đàn hồi là các điểm neo của các dây võng; độ cứng của các gối đàn hồi phụ thuộc vào các yếu tố: diện tích và chiều dài dây, góc nghiêng α của dây so với phương ngang, độ cứng và liên kết của dây neo, ví dụ cầu Forth Road ở Anh (Hình 1.36)

Tỷ số giữa các nhịp trong hệ treo ba nhịp thường chọn như sau: L1 = (1/2 ÷ 1/4).L

L : chiều dài nhịp giữa; L1 : chiều dài nhịp biên

Cầu dây võng nhiều nhịp : Sơ đồ này hay dùng trong trường hợp cầu bắc qua biển nối từ đảo này qua đảo khác, địa hình, địa chất không phức tạp, để tránh xây dựng nhịp quá lớn Ví dụ cầu Kurushima Kaikyo ở Nhật Bản (Hình 1.37)

Hình 1.37 Cầu Kurushima Kaikyo cầu dây võng Ví d

Sơ đồ dây treo xiên nhau tại một điểm trên cáp ch gối đàn hồi của dầm liên tục u dây võng Ví dụ Cầu Verrazano-Narrows ở Mỹ (Hình 1.38

Hình 1.38 Cầu Verrazano-Narrows (Hoa Kỳ)

Sơ đồ dây treo xiên:Các dây treo được bố trí chéo góc với nhau và n m trên cáp chủ và một điểm trên kết cấu nhị gối đàn hồi của dầm liên tục Ví dụ Cầu Humber ở Anh (Hình 1.39

(Hình 1.38) i nhau và nối với ịp tạo thành các Anh (Hình 1.39)

Sơ đồ dây võng kết hợp với dây văng : Đây là sơ đồ kết hợp giữa kết cấu dây võng và dây văng tạo thành hệ dây treo hỗn hợp (Hình 1.40)

Hình 1.40 Sơ đồ dây treo kết hợp

1.2.3.3 Phân loại theo mặt phẳng dây

Tương tự như cầu dây văng, cầu dây võng cũng có thể bố trí theo sơ đồ một mặt phẳng dây, hai mặt phẳng dây hay nhiều mặt phẳng dây

Sơ đồ một mặt phẳng dây : Cầu Konohana (Nhật Bản) và Cầu Chavanon (Pháp) (Hình 1.41) a) Cầu Konohana (Nhật) b) Cầu Chavanon (Pháp)

Hình 1.41 Sơ đồ cầu treo một mặt phẳng dây

Sơ đồ hai mặt phẳng dây : Cầu Akashi Kaikyo (Nhật), đây là hình thái được sử dụng nhiều trong các cầu treo dây võng hiện nay (Hình 1.42)

Sơ đồ nhiều mặt phẳng dây: Ngoài ra, khi mặt cắt ngang cầu đòi hỏi lớn có thể bố trí trên mặt cắt ngang cầu 3 hoặc nhiều hơn số mặt phẳng dây cáp chủ.

K Ế T LU Ậ N CH ƯƠ NG 1

Cầu dây văng và cầu dây võng đều là dạng kết cấu cầu có khả năng vượt nhịp lớn và có những đặc điểm giống nhau như sau :

Sơ đồ nhịp có thể là 1 nhịp, 2 nhịp, 3 nhịp hoặc nhiều nhịp

Dầm chủ đa dạng về vật liệu bằng bê tông hoặc thép

Tiết diện dầm chủ có thể chữ I, hình hộp, dạng thoát gió, dạng dàn

Tháp cầu có thể ngàm ở chân hoặc khớp ở chân

Tiết diện tháp cầu có thể là chữ I, chữ H, dạng hộp hoặc dàn

Cả hai loại cầu đều nhạy cảm với tải trọng gió

Quá trình thi công không phụ thuộc vào điều kiện địa hình bên dưới

Tuy nhiên cầu dây văng và cầu dây võng vẫn có những đặc điểm khác biệt như sau :

Về cơ chế chịu lực : Cầu dây võng thì cáp chủ và các cáp treo luôn chịu kéo khi chịu tải, dầm chủ chủ yếu chịu uốn Trong khi đó đối với cầu dây văng nếu ta không điều chỉnh nội lực thì các dây văng có thể chịu kéo hoặc chịu nén, dầm chủ ngoài chịu uốn còn chịu nén

Về độ cứng : Cầu dây văng có độ cứng lớn hơn cầu dây võng vì cầu dây văng không có biến dạng hình học của dây và trong cầu dây văng độ cứng của dầm cũng không ảnh hưởng nhiều đến độ cứng của hệ như cầu dây võng

Cầu dây võng có khả năng vượt nhịp lớn hơn cầu dây văng Về cấu tạo, nếu cầu dây văng muốn vượt nhịp lớn thì trụ tháp phải cao, dẫn đến độ cứng của cầu giảm nhanh Hệ quả của việc giảm độ cứng là dao động tăng, đe dọa đến khả năng chịu tải và an toàn của công trình.

Cầu dây võng : Cầu 1 nhịp thường được sử dụng cho khẩu độ dưới 1000m

Cầu 2 nhịp ít sử dụng, chỉ sử dụng khi điều kiện địa chất đặc biệt Cầu 3 nhịp có lực đẩy ngang hay được sử dụng để vượt các nhịp lớn

Cầu dây văng : Cầu 1 và 2 nhịp ít được sử dụng, chỉ được sử dụng trong trường hợp đặc biệt về địa chất hoặc do yêu cầu kiến trúc hoặc dùng làm cầu vượt Cầu 3 nhịp hay được sử dụng hiện nay nhưng chiều dài nhịp cũng không vượt quá 1200m cầu [12]

Kết hợp về mặt kết cấu có các dạng cầu như kết hợp cầu dây văng và cầu dầm hộp liên tục (gọi là cầu Extradose) Loại cầu này phù hợp trong đô thị vì có chiều cao dầm vừa phải và đặc điểm dễ nhận thấy là trụ tháp rất thấp, chiều dài cáp ngắn, độ võng bản thân cáp nhỏ nên thường không phải quan tâm lắm tới hiện tượng dao động cáp như trong cầu dây văng

Kết hợp về mặt vật liệu thường thấy rõ đối với dầm cứng của cầu Đối với cầu nhịp lớn người ta thường làm dầm cứng bằng bêtông dự ứng lực ở các mặt cắt có mômen âm lớn nhằm triệt tiêu mômen âm này và ở những vị trí có mặt cắt chịu mômen dương lớn người ta thường làm dầm cứng bằng các vật liệu thép cường độ cao nhằm tăng độ cứng dầm chủ [12]

Phạm vi nghiên cứu của đề tài giới hạn ở cầu Hybrid là cầu kết hợp dây võng và dây văng

2.2 Ý tưởng hình thành cầu Hybrid

Như đã biết, đối với các cầu cần vượt nhịp lớn thì cầu dây văng và cầu dây võng là phương án gần như duy nhất Tuy nhiên mỗi loại cầu đều bộc lộ những nhược điểm riêng Vì thế ý tưởng kết hợp cầu dây văng và cầu dây võng (cầu Hybrid) để tận dụng các ưu điểm của hai loại cầu này đã được hình thành và được nghiên cứu áp dụng trên thế giới

2.3 Giới thiệu sự phát triển cầu Hybrid

Trên thế giới, những hệ thống cầu kết hợp hệ thống dây võng và dây văng đã sớm có từ thế kỷ thứ 19, có thể kể đến các công trình như cầu Niagara Falls (1855) có nhịp chính dài 250m nối Hoa Kỳ với Canada (là cầu dây treo dành cho tàu hỏa đầu tiên trên thế giới) Cầu này được kỹ sư nhập cư người Đức John Augustus Roebling và các cộng sự thiết kế Nó được gọi là cầu dây võng nhưng thực chất đây là cầu dây võng kết hợp với dây văng (Hình 2.1)

Trích dẫn (http://en.wikipedia.org/wiki/Niagara Falls Suspension Bridge)

Hình 2.1 Cầu Niagara Falls (Hoa Kỳ - Canada)

Tiếp nối thành công của cầu Niagara Falls, vào năm 1883, John Augustus Roebling đã thiết kế cầu Brooklyn tại New York với chiều dài nhịp chính ấn tượng là 486,3m, sở hữu thiết kế độc đáo kết hợp giữa dây võng và dây văng Cầu Brooklyn vẫn được sử dụng cho đến ngày nay và là một điểm thu hút khách du lịch nổi tiếng ở thành phố New York nhờ kiến trúc đẹp mắt và lạ thường của nó.

Trích dẫn (http://en.wikipedia.org/wiki/BrooklynBridge)

Hình 2.2 Cầu Brooklyn ở Hoa Kỳ

Một công trình cầu Hybrid khác cũng do John Augustus Roebling thiết kế cần phải kể đến là cầu Covington-Cincinnati (1867) tại Ohio với chiều dài nhịp chính 322m, được xếp là cầu có chiều dài nhịp lớn nhất trong số các cầu qua sông miền Đông (Hình 2.3)

Trích dẫn (http://en.wikipedia.org/wiki/John A Roebling SuspensionBridge)

Hình 2.3 Các hình ảnh cầu Covington-Cincinnati [12]

Ta nhận thấy rằng trong các cầu thiết kế của John Augustus Roebling ít có cầu nào là cầu dây võng thuần túy mà thường có thêm kết hợp của các dây văng bởi vì ông có quan điểm rằng việc kết hợp hệ thống cầu dây võng với các dây văng sẽ tăng khả năng chống mất ổn định của kết cấu Quan điểm này của ông càng được cũng cố trong sự việc gia cường cầu Bronx-Whitestone sau khi cầu có kết cấu tương tự là Tacoma Narrows Bridge bị sụp đổ do gió vào năm 1940 Trong số các công việc tăng cường cho cầu Bronx-Whitestone có việc tăng cường các dây văng nối ở đỉnh tháp với dầm chủ gần tháp nhằm tăng cường độ cứng cho cầu (Hình 2.4) a) Trước khi tăng cư

Thế nhưng một kỹ sư ngư dây văng trong hệ thống c tham gia làm việc của các dây v Elbe gần Hamburg, F Dischinger được đỡ bởi hệ thống dây treo trong khi các ph nối với đỉnh tháp Rõ ràng mô hình này nhiều hơn và F Dischinger được giảm đi đáng kể khi k

Mặc dù mô hình trên (Hình 2.5) thực tế) do những hạn ch ng cường b) Sau khi được tăng c

Hình 2.4 Cầu Bronx-Whitestone ở New York ư người Đức khác là F Dischinger lại có quan đ ng cầu của John Augustus Roebling không hi a các dây văng quá ít Khi thiết kế một cầu dây võng v

Dischingerđã đề xuất một phương án cầu mà ng dây treo trong khi các phần ngoài được đỡ bở Rõ ràng mô hình này có sự tham gia làm việc củ F Dischinger xác định rằng độ võng của cầu dưới tải tr khi kết hợp cáp dây văng vào hệ thống cầu dây võng

Hình 2.5 Mô hình cầu đề xuất của F Dischinger

GIỚI THIỆU CẦU KẾT HỢP DÂY VĂNG – DÂY VÕNG (CẦU HYBRID)

Ý t ưở ng hình thành c ầ u Hybrid

Như đã biết, đối với các cầu cần vượt nhịp lớn thì cầu dây văng và cầu dây võng là phương án gần như duy nhất Tuy nhiên mỗi loại cầu đều bộc lộ những nhược điểm riêng Vì thế ý tưởng kết hợp cầu dây văng và cầu dây võng (cầu Hybrid) để tận dụng các ưu điểm của hai loại cầu này đã được hình thành và được nghiên cứu áp dụng trên thế giới.

Gi ớ i thi ệ u s ự phát tri ể n c ầ u Hybrid

Trên thế giới, những hệ thống cầu kết hợp hệ thống dây võng và dây văng đã sớm có từ thế kỷ thứ 19, có thể kể đến các công trình như cầu Niagara Falls (1855) có nhịp chính dài 250m nối Hoa Kỳ với Canada (là cầu dây treo dành cho tàu hỏa đầu tiên trên thế giới) Cầu này được kỹ sư nhập cư người Đức John Augustus Roebling và các cộng sự thiết kế Nó được gọi là cầu dây võng nhưng thực chất đây là cầu dây võng kết hợp với dây văng (Hình 2.1)

Trích dẫn (http://en.wikipedia.org/wiki/Niagara Falls Suspension Bridge)

Hình 2.1 Cầu Niagara Falls (Hoa Kỳ - Canada)

Tiếp theo thành công của cầu Niagara Falls, John Augustus Roebling tiếp tục thiết kế cầu Blooklyn tại New york (1883) có chiều dài nhịp chính 486.3m và cũng là dạng cầu kết hợp dây võng với dây văng Bây giờ cầu vẫn còn được sử dụng và được xem như là một điểm thu hút khách du lịch của thành phố New york bởi kiến trúc lạ và đẹp mắt của nó (Hình 2.2)

Trích dẫn (http://en.wikipedia.org/wiki/BrooklynBridge)

Hình 2.2 Cầu Brooklyn ở Hoa Kỳ

Một công trình cầu Hybrid khác cũng do John Augustus Roebling thiết kế cần phải kể đến là cầu Covington-Cincinnati (1867) tại Ohio với chiều dài nhịp chính 322m, được xếp là cầu có chiều dài nhịp lớn nhất trong số các cầu qua sông miền Đông (Hình 2.3)

Trích dẫn (http://en.wikipedia.org/wiki/John A Roebling SuspensionBridge)

Hình 2.3 Các hình ảnh cầu Covington-Cincinnati [12]

Ta nhận thấy rằng trong các cầu thiết kế của John Augustus Roebling ít có cầu nào là cầu dây võng thuần túy mà thường có thêm kết hợp của các dây văng bởi vì ông có quan điểm rằng việc kết hợp hệ thống cầu dây võng với các dây văng sẽ tăng khả năng chống mất ổn định của kết cấu Quan điểm này của ông càng được cũng cố trong sự việc gia cường cầu Bronx-Whitestone sau khi cầu có kết cấu tương tự là Tacoma Narrows Bridge bị sụp đổ do gió vào năm 1940 Trong số các công việc tăng cường cho cầu Bronx-Whitestone có việc tăng cường các dây văng nối ở đỉnh tháp với dầm chủ gần tháp nhằm tăng cường độ cứng cho cầu (Hình 2.4) a) Trước khi tăng cư

Thế nhưng một kỹ sư ngư dây văng trong hệ thống c tham gia làm việc của các dây v Elbe gần Hamburg, F Dischinger được đỡ bởi hệ thống dây treo trong khi các ph nối với đỉnh tháp Rõ ràng mô hình này nhiều hơn và F Dischinger được giảm đi đáng kể khi k

Mặc dù mô hình trên (Hình 2.5) thực tế) do những hạn ch ng cường b) Sau khi được tăng c

Hình 2.4 Cầu Bronx-Whitestone ở New York ư người Đức khác là F Dischinger lại có quan đ ng cầu của John Augustus Roebling không hi a các dây văng quá ít Khi thiết kế một cầu dây võng v

Dischingerđã đề xuất một phương án cầu mà ng dây treo trong khi các phần ngoài được đỡ bở Rõ ràng mô hình này có sự tham gia làm việc củ F Dischinger xác định rằng độ võng của cầu dưới tải tr khi kết hợp cáp dây văng vào hệ thống cầu dây võng

Hình 2.5 Mô hình cầu đề xuất của F Dischinger

(Hình 2.5) chưa được chấp thuận (không được xây d n chế hiểu biết về cơ chế làm việc của cầu Hybrid nh c tăng cường i có quan điểm rằng các không hiệu quả vì sự u dây võng vượt sông u mà ở giữa nhịp ởi các dây văng ủa các dây văng i trọng xe lửa sẽ u dây võng [16] c xây dựng trong u Hybrid nhưng cũng là tiền đề để F Dischinger phát triển thành mô hình cầu dây văng thuần túy hiện đại đầu tiờn trờn thế giới (cầu Strửmsund ở Thụy Điển)

Tại Châu Âu, mô hình cầu Hybrid cũng đã được sớm ứng dụng như cầu Albert (1873) ở Anh với chiều dài nhịp chính là 117.27m (Hình 2.6) và có trong phương án thiết kế sơ bộ của cầu Great Belt ở Đan Mạch với chiều dài nhịp chính lên đến 1500m (Hình 2.7)

Hình 2.7 Phương án cầu được Great Belt đề nghị ở Đan Mạch năm 1977

Mặc dù hệ thống cầu Hybrid được ứng dụng sớm nhưng lại không được phát triển tiếp trong thời gian dài sau đó Các dây văng được kết hợp vào hệ thống cầu chỉ nhằm mục đích gia cố cho những cây cầu cũ như cầu Tancarville tại Pháp và cầu Salazar tại Bồ Đào Nha.

Hình 2.8 (a) Mô hình cầu Salazar hiện hữu

(b) Mô hình cầu Salazar sau khi gia cường

Trong những năm gần đây, mô hình cầu Hybrid đã lại được chú ý nghiên cứu và ứng dụng trở lại Năm 1997, hệ thống cầu Hybrid hiện đại đầu tiên trên thế giới đã được xây dựng ở Trung Quốc với chiều dài nhịp chính là 288m (Meng et al., 1999)

Tại Nhật có thể kể đến là cầu dành cho người đi bộ Nagisa (2002) (Hình 2.9) Đây là hệ thống cầu Hybrid với nhịp chính 110.15m gồm 2 trụ tháp ở hai đầu cầu, phần nhịp cầu gần các trụ tháp có dầm chủ được làm bằng kết cấu bêtông dự ứng lực và được đỡ bởi các dây văng, phần giữa nhịp có dầm chủ được làm bằng dầm hộp thép và được đỡ bởi các dây treo, cáp chủ của cầu được neo vào mố cầu Cầu Nagisa là cầu Hybrid đầu tiên kết hợp dầm bê tông dự ứng lực và dầm thép [17] a) Hình ảnh cầu Nagisa b) Sơ đồ cầu Nagisa

Hình 2.9 Cầu Nagisa ở Nhật Bản a) Mặt cắt ngang dầm bêtông dự ứng lực b) Mặt cắt ngang dầm thép

Hình 2.10 Các dạng mặt cắt ngang cầu Nagisa

Hình 2.11 Cấu tạo đốt dầm chuyển tiếp giữa dầm bêtông và dầm thép cầu Nagisa

Một công trình khác cũng cần phải kể đến là cầu Zhuanghe Jianshe (2008) ở Đại liên (Trung Quốc), là cầu Hybrid tự neo vào dầm bê tông dự ứng lực Đây là cầu được hiệu chỉnh theo mô hình cầu đề xuất của F Dischinger Cầu có sơ đồ nhịp 46+110+46m Trong đó 2/3 nhịp chính được nâng đỡ bởi các dây văng, 1/3 còn lại ở giữa nhịp được nâng đỡ bởi cáp chủ thông qua các dây treo [18]

Hình 2.12 Cầu Zhuanghe Jianshe (Trung Quốc)

Một mô hình cầu Hybrid có nhịp chính lên tới 5000m đang được thiết kế (dự kiến hoàn thành thiết kế năm 2016) là cầu vượt qua eo biển Gibraltar (Tây Ban Nha – Ma rốc) do giáo sư T.Y Lin chủ trì Nếu được xây dựng thì đây sẽ là cầu có nhịp lớn nhất thế giới

Hình 2.13 Mô hình cầu vượt qua eo biển Gibraltar (Tây Ban Nha – Ma rốc)

Tại Việt Nam chưa có công trình thực tế nào áp dụng mô hình cầu Hybrid, mô hình cầu này còn đang ở dạng nghiên cứu.

Các đặ c đ i ể m c ơ b ả n c ủ a c ầ u Hybrid

Hình 2.14 Mô hình cầu Hybrid nghiên cứu

Cầu Hybrid là cầu kết hợp cầu dây văng và cầu dây võng vì thế cầu có những đặc điểm kết hợp của cả hai loại cầu trên như :

- Về số lượng nhịp : 1 nhịp, 2 nhịp, 3 nhịp hoặc nhiều nhịp

Cáp dây văng Cáp chủ daây treo

- Về số lượng mặt phẳng dây : 1 mặt phẳng, 2 mặt phẳng hoặc nhiều mặt phẳng

- Dầm chủ : Dầm chủ bằng thép, bê tông cốt thép hoặc kết hợp cả hai

- Tháp cầu : Tháp bằng thép, bằng bê tông cốt thép với nhiều hình dạng khác nhau

- Cáp : Kết hợp cả hệ thống cáp cầu dây võng (cáp chủ + cáp treo) và cáp dây văng

- Về mặt kết cấu: cầu Hybrid là một hệ thống cầu bao gồm các dây văng bố trí qua hai bên trụ tháp và hệ dây treo ở phạm vi giữa nhịp

Về mặt chịu lực, cầu Hybrid kết hợp cả dây văng và dây võng, thừa hưởng ưu điểm của cả hai loại hình cầu này, cụ thể:

+ Độ võng ở giữa nhịp được giảm nhờ sự nâng đỡ dầm chủ ở phạm vi giữa nhịp bởi cáp chủ

+ Vì hệ dây văng được bố trí đối xứng qua trụ tháp nên lực căng dây văng trong cầu được phân bố tốt hơn Giá trị lực căng trong cầu Hybrid nhỏ hơn cầu dây văng

+ Lực căng trong cáp chủ sẽ nhỏ hơn cầu dây võng vì một phần dầm chủ đã được đỡ bởi hệ dây văng

+ Phản lực mố neo giảm bớt bởi một phần dầm chủ được đỡ bởi hệ dây văng

- Về kiến trúc : việc kết hợp dây võng và dây văng sẽ tạo ra sự đa dạng kết cấu và kết cấu có tính mỹ quan cao Với cầu Hybrid sẽ giảm được chiều cao của tháp và giảm được kích thước của các mố neo [12].

Ư u và nh ượ c đ i ể m c ủ a h ệ th ố ng c ầ u Hybrid

So sánh với cầu dây văng : Với cùng chiều dài nhịp, phần bố trí cáp dây văng ngắn hơn rất nhiều dẫn tới chiều cao của trụ tháp sẽ được giảm xuống đáng kể, lực nén dọc trong dầm sẽ được giảm, phần dầm hẫng ra hai bên trụ sẽ được rút ngắn vì thế trạng thái ổn định gió sẽ được cải thiện trong quá trình thi công

So sánh với cầu dây võng : Với cùng chiều dài nhịp, phần dầm mà cáp chủ phải nâng đỡ sẽ giảm nên lực kéo trong cáp chủ sẽ được giảm đi, điều này

K Ế T LU Ậ N CH ƯƠ NG 2

Hệ thống cầu Hybrid kết hợp cả nguyên lý dây văng và dây võng đã được ứng dụng từ lâu Trước đây, sự kết hợp này chủ yếu nhằm gia cố cầu dây võng Tuy nhiên, gần đây cầu Hybrid đã được cải tiến và trở thành một lựa chọn cạnh tranh với cầu dây văng và dây võng truyền thống.

CHƯƠNG 3 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY TREO

Tổng quan về các phương pháp tính toán cầu dây

Cũng giống như các kết cấu khác, việc phân tích kết cấu cầu dây có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau phụ thuộc vào độ phức tạp và mức độ chính xác yêu cầu Hiện nay các phương pháp cổ điển của cơ học kết cấu như phương pháp lực, phương pháp chuyển vị, phương pháp hỗn hợp vẫn được áp dụng có hiệu quả đối với các bài toán tương đối đơn giản Khi ẩn số trong mô hình tăng lên đòi hỏi đến sự hỗ trợ của máy tính Với môi trường này thì các phương pháp số như phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp dải hữu hạn, phương pháp phần tử biên trở nên chiếm ưu thế Nội dung trong chương này sẽ trình bày phương pháp lực, phương pháp chuyển vị và phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu cầu dây.

Ph ươ ng pháp l ự c

Bản chất của phương pháp lực là thay đổi tác dụng của một số hay tất cả liên kết

“thừa” bằng các phản lực liên kết của chúng Kết cấu sau khi cắt đi một số hay các liên kết “thừa” đựơc gọi là kết cấu cơ bản Như vậy, kết cấu cơ bản là kết cấu tĩnh định hay có bậc siêu tĩnh thấp hơn kết cấu ban đầu Sự làm việc của kết cấu cơ bản dưới tác dụng của các phản lực liên kết và tác động bên ngoài và sự làm việc của kết cấu ban đầu là tương đương

Trong cầu treo dây văng, việc chọn hệ cơ bản có thể tiến hành bằng cách biến tất cả các nút liên kết dầm với dây và gối thành các khớp Như vậy ẩn số sẽ là nội lực trong các dây hoặc là momen tại dầm cứng Phương pháp chọn hệ cơ bản bằng cách biến các nút neo dây thành khớp và thêm vào các ẩn số là momen gối sẽ làm cho biến dạng và nội lực trong hệ cơ bản gần giống biến dạng và nội lực trong hệ thật, do đó việc tính toán chuyển vị thuận tiện hơn và phạm phải sai số nhỏ hơn trong quá trình tính, đặc biệt thuận lợi cho việc tính toán bằng máy Nếu tính toán theo sơ đồ không biến dạng ta sẽ xây dựng được các đường ảnh hưởng của nội lực và biến dạng, từ đó tìm vị trí bất lợi của tải trọng

Trong đó: δ ij là chuyển vị tại liên kết cắt thứ i do lực đơn vị tại liên kết j gây ra trên kết cấu cơ bản, δ ij = δ ji

∆ ip là chuyển vị tại liên kết bị cắt thứ i do tác động bên ngoài sinh ra trên kết cấu cơ bản và

Xi, được gọi là ẩn số cơ bản i, là phản lực tại liên kết bị cắt thứ i

Các thành phần đáp ứng như nội lực, chuyển vị…trên kết cấu siêu tĩnh được xác định theo quan hệ sau: i i op

S là thành phần đáp ứng trên kết cấu siêu tĩnh cần tính,

Thành phần đáp ứng S gồm Si do tải trọng đơn vị Xi gây ra trên kết cấu cơ bản và S0p do tác động ngoại lực gây ra trên kết cấu cơ bản.

Phương pháp phần tử hữu hạn

Phần mở đầu Chương 1 : Tổng quan về cầu dây văng, cầu dây võng

Chương 2 : Giới thiệu cầu kết hợp dây văng - dây võng (cầu Hybrid)

Chương 3 : Cơ sở lý thuyết tính toán cầu dây treo

Chương 4 : Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài phần bố trí dây văng trong cầu treo Hybrid đến nội lực và biến dạng của cầu

Chương 5 : Kết luận – Kiến nghị

Tài liệu tham khảo dây thừng được bện bằng các dây leo và cột vào các cây to hai bên bờ Từ những ý tưởng ban đầu đó, vào đầu năm 1617 một kỹ sư người Ý là Faus-tus Verantius ở Venice đã phác họa một cây cầu với nhiều dây xiên (Hình 1.1) Năm 1784, một thợ mộc Đức, Lửscher, đó thiết kế một cõy cầu gỗ cú nhịp 32m bao gồm cỏc thanh treo bằng gỗ gắn vào một cột tháp gỗ

Hình 1.1 Phác họa mô hình cầu của Faus-tus Verantius

Kết cấu cầu dây văng đã từng nở rộ ở thế kỷ 18 nhưng do sự không phù hợp về phương pháp tính toán, cường độ vật liệu và giải pháp cấu tạo mà nhiều cầu dây văng đã có tuổi thọ không cao, ví dụ như cầu Dryburgh Abbey ở Scotland bị sập chỉ sau 1 năm khai thác do gió, cầu Saale ở Đức bị sập sau 1 năm khai thác vì trọng lượng đông người tụ tập trên cầu [1] Mặc dù vậy nhưng cầu dây văng vẫn tiếp tục phát triển và xây dựng tại nhiều quốc gia trên thế giới Một trong những cầu dây văng hiện đại đầu tiờn trờn thế giới là cầu Strửmsund ở Thụy Điển năm 1955 do nhà thầu người Đức xây dựng (Hình 1.2)

Hỡnh 1.2 Cầu dõy văng Strửmsund (Thụy Điển)

Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vật liệu, công nghệ xây dựng, thiết bị thí nghiệm và các công cụ tính toán mạnh mẽ, kết cấu cầu dây văng hiện đại đã không ngừng phát triển và hoàn thiện với các công trình đồ sộ và kiến trúc đẹp tiêu biểu như cầu Millau (Pháp) (Hình 1.3a), cầu King Tau (Hong Kong) (Hình 1.3b)… Đặc biệt là các cầu có khẩu độ nhịp rất lớn trên 1000m như cầu Sutong và Stonecutters (Trung Quốc)

Hình 1.3a Cầu dây văng Millau (pháp)

Hình 1.3b Cầu dây văng King Tau (HongKong-China)

B ả ng 1.1 Tổng hợp 10 cây cầu dây văng có nhịp lớn nhất thế giới [13]

1 Bridge to Russky Island Nga 1104 2012

10 Shanghai Yangtze River Bridge Trung Quốc 730 2009

Tại Việt Nam, cùng với quá trình hội nhập và phát triển đã được chuyển giao các công nghệ thiết kế xây dựng cầu dây văng hiện đại của nước ngoài và chúng ta đã xây dựng được những công trình cầu dây văng tiêu biểu như cầu Bãi Cháy (Quãng Ninh) (Hình 1.4a), cầu Rạch Miễu (Bến Tre), cầu Cần Thơ (Cần Thơ) (Hình 1.4b), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Phú Mỹ (Tp Hồ Chí Minh), cầu Kiền (Hải Phòng) và các dự án đang triển khai như cầu Nhật Tân (Hà Nội), cầu Vàm Cống (Cần Thơ)

B ả ng 1.2 Tổng hợp 10 cây cầu dây văng có nhịp lớn nhất Việt Nam

1 Cầu Cần Thơ Cần Thơ 550 2010

2 Cầu Vàm Cống Cần Thơ 450 2015 (dự kiến)

3 Cầu Bãi Cháy Quãng Ninh 435 2006

4 Cầu Phú Mỹ Tp HCM 380 2009

5 Cầu Mỹ Thuận Vĩnh Long 350 2000

6 Cầu Cao Lãnh Đồng Tháp 350 2015 (dự kiến)

7 Cầu Nhật Tân Hà Nội 300 2014 (dự kiến)

8 Cầu Rạch Miễu Bến Tre 270 2009

1.1.2 Các đặc điểm cơ bản của cầu dây văng 1.1.2.1 Các sơ đồ nhịp cầu dây văng a Cầu dây văng một nhịp

1.1.2.2 Các sơ đồ phân bố dây văng a Sơ đồ đồng quy

Cầu dây văng là loại cầu có kết cấu bao gồm các dây văng quy tụ tại một nút cố định trên tháp cầu Các dây văng này tỏa xuống và neo vào dầm cứng tại một số điểm, tạo thành các gối đàn hồi giúp dầm liên tục chịu lực.

Sơ đồ dây đồng quy chỉ thích hợp cho các cầu nhịp không lớn, ít dây, khoang lớn, vì cấu tạo nút dây trên tháp không quá phức tạp b Sơ đồ song song

Là sơ đồ có các dây văng ở mỗi bên tháp cầu song song với nhau, phân bố cách đều trên tháp và trên dầm chủ (Hình 1.10) Như vậy mỗi nút chỉ tập trung nhiều nhất hai dây nên cấu tạo nút đơn giản Về mặt mỹ quan, các dây song song tạo dáng đẹp, thông thoáng và thanh thoát [2]

Số lượng mặt phẳng dây của cầu dây văng phụ thuộc vào bề rộng khổ cầu Cầu có bề rộng nhỏ hơn 7m thường chỉ sử dụng một mặt phẳng dây, từ 7m đến 20m sử dụng hai mặt phẳng dây Với những cầu rộng hơn 20m, người ta có thể lựa chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây Tuy nhiên, trong trường hợp cầu quá rộng, nên cân nhắc phương án tách thành hai cầu, mỗi cầu hai mặt phẳng dây để so sánh với kết cấu cầu nhiều mặt phẳng dây Cầu Zakim Bunker Hill là cầu dây văng ba mặt phẳng dây rộng nhất thế giới với chiều rộng lên tới 55,77m.

Hình 1.12 Cầu Zakim Bunker Hill (Hoa Kỳ)

1.1.3 Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu

Trong cầu dây văng, dầm chủ được phân thành hai loại với nguyên lý làm việc và phân bố vật liệu khác biệt Loại thứ nhất là dầm chủ đơn năng với tiết diện bất kỳ, chịu lực nén như biên chịu nén của dàn Loại thứ hai là dầm chủ đa năng với tiết diện dạng khối, bản đặc hoặc hộp, được gia cường bằng sườn dọc, ngang.

KẾT LUẬN CHƯƠNG 3

Tại Việt Nam, cùng với quá trình hội nhập và phát triển đã được chuyển giao các công nghệ thiết kế xây dựng cầu dây văng hiện đại của nước ngoài và chúng ta đã xây dựng được những công trình cầu dây văng tiêu biểu như cầu Bãi Cháy (Quãng Ninh) (Hình 1.4a), cầu Rạch Miễu (Bến Tre), cầu Cần Thơ (Cần Thơ) (Hình 1.4b), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Phú Mỹ (Tp Hồ Chí Minh), cầu Kiền (Hải Phòng) và các dự án đang triển khai như cầu Nhật Tân (Hà Nội), cầu Vàm Cống (Cần Thơ)

Số lượng mặt phẳng dây phụ thuộc vào bề rộng mặt cắt ngang của cầu Cầu có bề rộng dưới 7m thường dùng một mặt phẳng dây, từ 7 đến 20m dùng hai mặt phẳng dây Cầu dây văng ngày nay rộng hơn 20m do nhu cầu giao thông cao, nên có thể dùng ba hoặc bốn mặt phẳng dây Tuy nhiên, với cầu rộng, có thể cân nhắc chia thành hai cầu, mỗi cầu hai mặt phẳng dây để so sánh với kết cấu cầu nhiều mặt phẳng dây Cầu Zakim Bunker Hill là cầu dây văng ba mặt phẳng dây rộng nhất thế giới, lên đến 55,77m.

Trong cầu dây văng tồn tại hai loại tiết diện dầm chủ với nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau Loại thứ nhất là các dầm chủ có tiết diện bất kỳ, đặt tại các mặt phẳng dây, chịu lực nén như biên chịu nén của dàn, gọi là dầm chủ đơn năng Loại thứ hai là các dầm chủ có tiết diện dạng khối, một bản đặc, hoặc có cấu tạo dạng hộp bằng bêtông cốt thép hoặc bắng các tấm thép được gia cường bằng các sườn dọc, ngang Các dầm này được gọi là dầm chủ đa năng [12]

Các thông s ố v ậ t li ệ u và m ặ t c ắ t ngang

Các thông số vật liệu của trụ tháp, dầm chủ, cáp chủ, dây văng, dây treo được chọn theo các số liệu trong bảng 4.1 dưới đây :

B ả ng 4.1 Các thông số vật liệu nghiên cứu

STT Hạng mục vật liệu Mô đun đàn hồi (kN/m 2 )

Hệ số Poisson Khối lượng riêng

4.2.2 Thông số tiết diện a) Tiết diện dây văng: Để giảm khối lượng tính toán tác giả đề xuất chọn toàn bộ dây văng có cùng tiết diện và các đặc trưng hình học được thể hiện ở bảng 4.2

B ả ng 4.2 Các đặc trưng hình học dây văng

Hình dạng Thông số Đơn vị Giá trị Đường kính thực m 0.12

Diện tích mặt cắt ngang m 2 1.131x10 -2 Mômen quán tính Ixx m 4 2.035x10 -5 Mômen quán tính Iyy m 4 1.017x10 -5 Mômen quán tính Izz m 4 1.017x10 -5 b) Tiết diện cáp chủ: Lựa chọn theo bảng 4.3

B ả ng 4.3 Các đặc trưng hình học cáp chủ

Diện tích mặt cắt ngang m 2 0.502 Mômen quán tính Ixx m 4 4.021x10 -2 Mômen quán tính Iyy m 4 2.011x10 -2 Mômen quán tính Izz m 4 2.011x10 -2 c) Tiết diện cáp treo: Lựa chọn theo bảng 4.4

B ả ng 4.4 Các đặc trưng hình học cáp treo

Diện tích mặt cắt ngang m 2 1.767x10 -2 Mômen quán tính Ixx m 4 4.97x10 -5 Mômen quán tính Iyy m 4 2.485x10 -5 Mômen quán tính Izz m 4 2.485x10 -5 d Tiết diện dầm chủ : Dầm chủ được chọn là dầm thép có tiết diện hộp hình dáng phù hợp khí động học với mặt cắt ngang như sau :

Hình 4.5 Mặt cắt ngang dầm chủ

Mômen quán tính Izz m 7.579x10 d Tiết diện trụ tháp và giằng tháp :

Hình 4.6 Mặt cắt ngang trụ tháp và giằng tháp

Các đặc trưng hình học thân tháp và giằng ngang tháp được thể hiện ở bảng 4.6

B ả ng 4.6 Các đặc trưng hình học thân tháp và giằng tháp

Thông số Đơn vị Giá trị

Diện tích mặt cắt ngang m 2 58.40 16.00

T ả i tr ọ ng nghiên c ứ u

Đối với các loại cầu dây có chiều dài các nhịp lớn thì ảnh hưởng của hoạt tải đến nội lực cầu là không đáng kể so với trọng lượng bản thân dầm chủ, do vậy trong phạm vi luận văn chỉ xét ảnh hưởng của tải trọng bản thân dầm chủ.

Ki ế n ngh ị

Với quá trình hội nhập và phát triển, Việt Nam đã tiếp nhận công nghệ thiết kế cầu dây văng hiện đại của nước ngoài Nhờ đó, nhiều công trình cầu dây văng tiêu biểu đã được xây dựng, điển hình như cầu Bãi Cháy, cầu Rạch Miễu, cầu Cần Thơ, cầu Mỹ Thuận, cầu Phú Mỹ, cầu Kiền và cả những dự án đang triển khai như cầu Nhật Tân hay cầu Vàm Cống.

Số lượng mặt phẳng dây phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang khổ cầu Thông thường cầu có bề rộng khổ cầu nhỏ hơn 7m nên chọn một mặt phẳng dây, khổ cầu từ 7 đến 20m thường chọn hai mặt phẳng dây Ngày nay do nhu cầu vận chuyển cao nên cầu dây văng thường có bề rộng lớn hơn 20m, lúc này có thể chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây Tuy nhiên trong trường hợp cầu rộng có thể nghiên cứu phương án tách làm hai cầu, mỗi cầu hai mặt phẳng dây để so sánh với kết cấu cầu nhiều mặt phẳng dây Cầu Zakim Bunker Hill (Hình 1.12) là cầu dây văng ba mặt phẳng dây rộng nhất thế giới với chiều rộng là 55.77m

Trong các cầu dây văng, xuất hiện hai loại tiết diện dầm chủ với cách thức hoạt động và sự phân bổ vật liệu khác nhau Một loại là dầm chủ có tiết diện bất kỳ, được đặt tại các mặt phẳng, chịu lực nén tương tự như biên chịu nén của dàn, được gọi là dầm chủ đơn năng Loại còn lại là dầm chủ có tiết diện khối, dạng tấm đặc, hoặc hộp kết cấu bằng bêtông cốt thép hoặc thép tấm gia cường sườn ngang, dọc Những loại này được gọi bằng cái tên dầm chủ đa năng.

Tiêu đề	Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài phần bố trí dây văng trong cầu treo Hybrid đến nội lực và biến dạng của cầu
Tác giả	Đỗ Từ Khôi
Người hướng dẫn	TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
Trường học	Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ Thuật Xây Dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2013
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	127
Dung lượng	4,11 MB