Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiên của vòm tròng cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Ngoài ra, quy phạm Anh “BS-5400” 1979 và quy phạm Đức “DIN-18806”cũng có nội dung thiết kế cột tổ hợp bê tông thép.1.2 Nghiên cứu sơ lược về các loại cầu vòm: Có nhiều cách phân loại cầu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ TRỌNG DẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNGĐỘ NGHIÊNG CỦA VÒM TRONGCẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành: XÂY DỰNG CẦU - HẦM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH - 8/2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Chuyên ngành: Xây dựng cầu – hầm MSHV: 03808505

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ NGHIÊNG CỦA VÒMTRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

Chương I: Tổng quan về cầu vòm ống thép nhồi bêtông.Chương II: Tính năng cơ học và cấu tạo cầu vòm ống thép nhồi bêtông.Chương III: Công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồi bêtông

Chương IV: Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng của vòm trong cầu vòm ốngthép nhồi bêtông

Chương V: Kết luận – Kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 14 / 02 / 2011IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30 / 6 / 2012V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Để hoàn thành được luận văn này trước hết đó là nhờ có sự hướng dẫn tận tình

và quý giá, sự quan tâm thường xuyên trong quá trình thực hiện của Thầy giáo: TSPhùng Mạnh Tiến Bên cạnh đó là sự giúp đỡ rất nhiều từ các thầy, cô trong bộ

môn Cầu – Đường Khoa Kỹ thuật xây dựng – Trường Đại học Bách Khoa thànhphố Hồ Chí Minh, các bạn là học viên các khóa trước đã góp nhiều ý kiến làm choTôi sáng tỏ vấn đề và có sự thấu hiểu các vấn đề đang nghiên cứu

Cám ơn gia đình tạo mọi điều kiện hỗ trợ về thời gian và công việc nhằm thựchiện hoàn thành luận văn này

Cám ơn Quý cơ quan đã hỗ trợ trong suốt quá trình theo học chương trình thạcsĩ này

Chính vì vậy, tôi luôn tâm niệm ghi ơn tất cả mọi người đã giúp đỡ tôi hoànthành luận văn này Một lần nữa, tôi xin trân trọng cảm ơn tất cả mọi người./

TP HCM, ngày tháng năm 2012

Học viên

Lê Trọng Dật

Việt Nam trước thềm hội nhập và phát triển cùng các nước tiên tiến trong khu vựcvà trên thế giới, để thực hiện được điều đó nhiệm vụ ưu tiên hàng đầu là phát triển cơ sởhạ tầng mà trong đó xây dựng các công trình giao thông đóng vai trò rất quan trọng.

Ngày nay, các công trình cầu ngoài việc đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, tính kinhtế còn đòi hỏi cao về mặt kiến trúc mỹ thuật, tính đa dạng của kết cấu nhằm tạo ra cácđiểm nhấn về cảnh quan trong vùng, góp phần phát triển về du lịch Dạng cầu vòm ốngthép nhồi bê tông với đặc tính ưu việt về kiểu dáng cũng như tính thanh mảnh về kếtcấu đã được xây dựng nhiều nơi trên thế giới Tại Việt Nam một số cầu vòm dạngtương tự đã được xây dựng như cầu Ông Lớn, Xóm Củi trên đại lộ Nguyễn Văn Linh -quận 7 - thành phố Hồ Chí Minh

Tính thẩm mỹ của cầu vòm hiện nay được đánh giá cao, với vòm thẳng xuất hiệnkhá nhiều trên thế giới và ở Việt Nam, tuy nhiên nếu có ý tưởng thay đổi vòm chonghiêng vào trong phần xe chạy sẽ tăng tính thẩm mỹ cao hơn, nếu như vậy có nhiềuthay đổi về mặt nội lực trong các bộ phận, tính kinh tế và sự làm việc giữa các bộ phậncó sự liên quan mật thiết với nhau ra sao? thuận lợi, khó khăn như thế nào trong, chế tạovòm, thi công ? thế giới và Việt Nam đã áp dụng như thế nào? tính ưu việt ra sao? Đểgiải quyết những vấn đề trên chúng ta cần phải nghiên cứu cụ thể từng trường hợp để cóthể đưa ra những kết luận ưu việt đối với dạng cầu có vòm nghiêng này, từng bước ápdụng vào nước ta trong thời gian tới

Luận văn được trình bày theo trình tự nội dung sau:+ Nghiên cứu sơ lược về lịch sử phát triển từ thế kỷ 19, khi người ta nhồi bê tôngvào ống thép trong các cấu kiện của giàn khoan dầu mỏ, ở các nước Trung Đông và Mỹcho đến giai đoạn ứng dụng hiện nay, các loại cầu vòm hiện nay đang áp dụng trongthực tế trên thế giới và ở Việt Nam; liệt kê một số ưu điểm của loại cầu này (chương I)

+ Đi sâu phân tích một số tính năng cơ học của kết cấu ống thép nhồi bê tông; kếtcấu nhịp; kích thước các cấu kiện cầu vòm ống thép nhồi bê tông và đưa ra một số nhậnxét cấu tạo cầu vòm ống thép nhồi bê tông (chương II)

treo; thanh kéo và đưa ra một số nhận xét về công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồibê tông (chương III).

+ Các trường hợp nghiên cứu trong giới hạn luận văn được đưa ra tính toán vàphân tích, xuất kết quả nội lực, chuyển vị, lập các biểu đồ so sánh sự thay đổi và hìnhảnh biểu hiện sự thay đổi của các bộ phận cấu kiện được so sánh (chương IV)

+ Tổng hợp các vấn đề chính đã nghiên cứu; kết luận những vấn đề được rút ra vàkiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo trong thời gian tới (chương V)

************

Nhiệm vụ luận văn thạc sĩ Lời cảm ơn Tóm tắt nội dung luận văn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

1.1 Nghiên cứu sơ lược về lịch sử phát triển Trang 11.2 Nghiên cứu sơ lược về các loại cầu vòm Trang 71.3 Một số cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới Trang 101.4 Một số ưu điểm của cầu vòm ống thép nhồi bêtông Trang 12

CHƯƠNG II: TÍNH NĂNG CƠ HỌC VÀ CẤU TẠO CẦU VÒM ỐNGTHÉP NHỒI BÊTÔNG

2.1 Tính năng cơ học của kết cấu ống thép nhồi bê tông Trang 132.2 Các loại kết cấu nhịp cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trang 192.3 Kích thước các cấu kiện cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trang 312.4 Nhận xét về cấu tạo cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trang 49

CHƯƠNG III: CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒIBÊTÔNG

3.1 Công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trang 513.2 Thi công vòm ống thép nhồi bê tông Trang 513.3 Phương án thi công lắp dựng vòm ống thép nhồi bê tông Trang 523.4 Lắp hệ mặt cầu và dây treo Trang 583.5 Lắp đặt thanh kéo của vòm Trang 593.6 Nhận xét về công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trang 59

CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ NGHIÊNG CỦA VÒMTRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

4.1 Thông số kỹ thuật của cầu nghiên cứu Trang 614.2 Kết quả tính toán Trang 71

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ – HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾPTHEO

5.1 Kết luận Trang 935.2 Kiến nghị Trang 935.3 Hướng nghiên cứu tiếp theo Trang 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO LÝ LỊCH KHOA HỌC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG1.1 Nghiên cứu sơ lược về lịch sử phát triển:

Kết cấu ống thép bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19 Ban đầu, người ta nhồi bêtông vào ống thép trong các cấu kiện của giàn khoan dầu mỏ, ở các nước TrungĐông và Mỹ với mục đích hạn chế rỉ và ăn mòn cấu kiện chìm trong nước biển củagiàn khoan Trong quá trình sử dụng, người ta phát hiện ra rằng, ngoài khả năngchống ăn mòn kết cấu, kết cấu ống thép nhồi bê tông có khả năng chịu lực lớn hơncác cấu kiện bê tông cốt thép thông thường có cùng tiết diện

Trong công trình cầu, kết cấu ống thép nhồi bê tông chủ yếu được áp dụng trongkết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông Đối với kết cấu vòm trong cầu vòm bê tôngcốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực, trọng lượng bản thân vòm lớn nên vòmchịu mô men cục bộ lớn, đồng thời khả năng mất ổn định cao Vấn đề thi công lắpghép áp dụng vật liệu cường độ cao và khó khăn khi thi công không có giá vòm, đãhạn chế việc phát triển cầu vòm, cầu kiểu dàn áp dụng kết cấu dự ứng lực Trongtình hình đó, cầu vòm ống thép nhồi bê tông được nghiên cứu và áp dụng

Vào năm 1931, một trong những kết cấu đầu tiên sử dụng công nghệ ống thépnhồi bê tông đó được xây dựng ở ngoại ô Paris, cầu vòm nhịp 9m với hai vòm đượckết cấu gồm 6 ống cho mỗi vòm Tổ hợp của 40 ống hộp f140x50mm đó cấu tạo nêncánh trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu dài 101m vượt sông NêVa ở thành phốXanh Pêterbua vào năm 1936 Trong năm 1940, cầu đường sắt bắc qua sông Ixet gầnthành phố Kamenskơ - Uranski với nhịp chính dài 140m dạng vòm cao 22m, giáthành giảm 20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bê tông, cánh vòm được thiết kếbằng ống thép CT3 820x13mm Vào những năm của thập niên 60, ống nhồi bê tôngbắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi trong xây dựng công trình ởTrung Quốc Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT được bắt đầuthiết kế vào năm 1990 Với cầu có nhịp không lớn hơn 80m, kết cấu vòm được thiếtkế với một ống đơn Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Zhejiang được thiết kế dạng vòm

với một ống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFT đó vượt đượcnhịp 80m.

Hình 1.1: Cầu dongguan shiudao (50+278+50 m) ở Trung Quốc

Khi cần vượt nhịp lớn hơn và yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm được thiết kếvới hai ống thép liên kết với nhau nhịp 100m của cầu Yilan Mudanjiang thuộc tỉnhHeilongjiang có kết cấu dạng vòm, tiết diện ngang hình tam giác, cấu tạo từ ba ống(đường kính 600, dày 12mm) được liên kết chặt chẽ với nhau theo suốt chiều dài.cầu vượt sông Huangbai và sông Xia lao thuộc tỉnh Hubei, thiết kế với 4 ống vượtnhịp 160m, mỗi vòm gồm hai ống1000, dày 12mm

Cầu San-An Yongjiang thuộc tỉnh Guangxi, hợp long vào năm 1999, nhịp chính270m dạng vòm với mặt cầu chạy giữa Vào thời điểm này, cầu San-An Yongjiangđạt kỷ lục của cầu dạng vòm Cầu Yongning Yongjiang ở tỉnh Guangxi có kết cấuvòm tương tự cầu Wanxian nhịp chính 312m dạng vòm có mặt cầu chạy giữa

Hình 1.2: Cầu Hang-zhou Qian-jiang ở Trung Quốc

Cầu Yajisha ở Guangzhou, nhịp hình 360m được khánh thành vào tháng 6 năm2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống, đạt kỷ lục thế giới.Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Nam tỉnh Guangzhou bắc quasông Zhujiang Phần cầu chính với sơ đồ phân nhịp 76+360+76m, dạng cầu vòm mởrộng Nhịp giữa dạng vòm bản mặt cầu chạy giữa, hai nhịp biến dạng nửa vòm vớibản mặt cầu chạy trên Nhịp giữa có kết cấu dạng vòm treo không chốt, chiều dàinhịp tính toán 344m, đường tên của vòm: f:76,45m mặt cắt ngang vòm được thiếtkế với 6 ống thép Ống giữa đường kính 750, dày 20mm, hai ống hai bên đườngkính 750, dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo phương ngang là 12mm; các bộphận của sườn vòm bao gồm các ống thẳng đứng có kích thước 450, dày 12mm vàcác ống nghiêng có kích thước 351, dày 10mm Tiết diện ngang của vòm có chiềurộng không thay đổi 4,35m Chiều cao thay đổi từ 4m tại đỉnh vòm đến 8,039m tạichân vòm Đoạn ống tại chân vòm, phần liên kết với kết cấu trụ có chiều dày 36mm.Theo phương ngang cầu, hai vòm cách nhau 35,95m được liên kết bằng 6 hệ liên kếtngang dạng chéo và 2 hệ liên kết ngang dạng chữ K 2 nhịp biên có kết cấu dạng nửavòm với chiều dài nhịp tính toán 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5mx rộng 3,45m Hệ nhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang dạngchéo và một hệ liên kết ngang dạng chữ K Hai nửa vòm biên được đặt trên gối chậudi động tại trụ biên.

Trong số những cầu vòm được hoàn tất ở Trung Quốc, đặc biệt cầu vòm kiểuCFT, loại cầu có mặt cầu chạy giữa chiếm số lượng nhiều nhất, kế đến là loại cầu cómặt cầu chạy trên và sau cùng là kiểu cầu có mặt cầu chạy dưới

Cầu Wuhan thứ 3 vượt sông Hanjiang thuộc loại cầu vòm có mặt cầu chạy dưới.vòm có mặt cắt không đổi được cấu tạo từ 4 ống theo công nghệ CFT Nhịp chínhdài 280m, được hoàn thành vào năm 2000, đạt kỷ lục thế giới về loại cầu vòm CFTcó mặt cầu chạy dưới

Cầu Fengjie Meixi ở tỉnh Sichuan, cầu vòm CFT dạng khung chốt với bản mặtcầu chạy trên, nhịp chính dài 288m đạt kỷ lục thế giới về loại cầu vòm CFT có 1 mặt

cầu chạy trên Cầu bắc qua sông Beipanjiang gần thành phố Luipanshui ở phía tâytỉnh Guizhou Trung Quốc đó được thi công xoay quanh gối chính và hoàn tất thành

công vào tháng giêng năm 2001 Nhịp chính dài 236m đạt kỷ lục thế giới đối với cầu

đường sắt đơn dạng vòm bằng hộp ống nhồi bê tông Cầu nặng nhất được xây dựngbằng phương pháp xoay ngang gối chính Vòm cầu gồm hai nhánh, tại chân vòmkhoảng cách giữa hai nhánh rộng 19,60m và giảm dần đến đỉnh vòm còn 16,16m Tỷlệ giữa chiều cao vòm và chiều dài nhịp đạt 1114m, trục vòm có dạng đường congdây xích Mỗi nhánh 1 vòm được cấu tạo với bốn ống thép có đường kính 1000mmdày 16mm Bốn ống thép được hàn liên kết với nhau nhờ những tấm thép hộp vànhững thanh giằng bằng thép hình tiết diện chữ H để tạo thành hình chữ nhật rỗngrộng 2,5m và cao 5,4m Hai nhánh vòm được liên kết nhờ 13 hệ tăng cường ngangnhằm đảm bảo tính ổn định về hình dáng của kết cấu

Những năm gần đây, các nước phát triển khác cũng đã áp dụng kết cấu ống thépnhồi bê tông vào xây dựng các công trình cầu giao thông Năm 2000 tại Ba Lan, cầuLuk Gdanski được xây dựng với chiều dài nhịp chính 56m; năm 2001 tại Tây BanNha, cầu Oliel River được xây dựng với chiều dài nhịp 75m; năm 2002 tại Bỉ cầuObservatoire được xây dựng với chiều dài nhịp chính 82m Ở nhiều nước phát triểnkhác, kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông cũng đã được áp dụng

Tại Việt Nam, cầu Ông Lớn, cầu Cần Giuộc, cầu Xóm Củi - nhịp trên 90m - ởthành phố Hồ Chí Minh là những công trình cầu đầu tiên áp dụng kết cấu vòm ốngthép nhồi bê tông liên hợp vào cuối năm 2003 Cầu Đông Trù thuộc Dự án đường 5kéo dài là công trình đặc biệt với tổng chiều dài tới 1.140m Cầu Đông Trù vượtsông Đuống, nằm trong tổng thể dự án QL5 kéo dài là công trình cầu lớn của Thủ đôHà Nội

Hình 1.3: Cầu Xóm Củi ở Thành phố Hồ Chí Minh

Hình 1.4: Cầu Đông Trù thuộc Dự án đường 5 – Thủ đô Hà Nội

Hình 1.5: Cầu Ông Lớn- đường Nguyễn Văn Linh - TP HCM

Những công trình nêu trên đã chứng minh khả năng vượt nhịp lớn của loại cầuvòm với công nghệ CFT ngày càng cao, chiều dài nhịp 550m (cầu Lu pu -Shanghai), thậm chí còn lớn hơn nữa Ngoài ra, kết cấu với kiểu dáng thanh mảnhmang đậm nét kiến trúc cũng góp phần tạo mỹ quan cho khu vực xây dựng

Về lý thuyết tính toán, rất nhiều học giả, nhà khoa học ở các nước trên thế giới đãnghiên cứu tính toán sức chịu tải của loại cấu kiện này Ở Liên Xô cũ, kết cấu ốngthép nhồi bê tông đã được nghiên cứu rất sâu Năm 1978, A.U.Stolutob xuất bảnsách chuyên đề “Kết cấu ống thép nhồi bê tông” Bên cạnh đó, Neofipk và một sốnhà khoa học Anh đã tiến hành nghiên cứu phương pháp tính toán sức chịu tải củaống thép nhồi bê tông xét đến bê tông nhồi trong ống thép, cường độ được tăng lêndo chịu lực 3 chiều và hiệu ứng bó chặt bê tông của ống thép, đây thực sự là một độtphá lớn về lý thuyết của ống thép nhồi bê tông Vào những năm 60 và 70 công tácnghiên cứu cột tổ hợp ống thép nhồi bê tông ở Mỹ đã thu được nhiều thành quả.Trong thời gian đó, tại Tây Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản, Liên Xô cũ … các nước côngnghiệp phát triển, kết cấu ống thép nhồi bê tông được dùng nhiều cho xây dựng nhàxưởng nhiều tầng và cao tầng, cầu vượt và kết cấu đặc biệt đạt hiệu quả tốt

Đối với quy phạm và tiêu chuẩn thiết kế, các công thức tính toán kết cấu ốngthép nhồi bê tông đã được thể hiện qua quy phạm và tiêu chuẩn của các nước như

Mỹ, Nhật, Trung Quốc, các nước cộng đồng Châu Âu Từ năm 1990 đến 1992, batiêu chuẩn kỹ thuật (CES28-90, DLGJ99-91 ĐLGJLGJ-SII-92) được ban hành ởTrung Quốc đó tạo nhiều điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ốngthép nhồi bê tông trong xây dựng công trình Trong tiêu chuẩn ACI-318-65, Mỹ đãđề cập và đưa ra công thức cụ thể về kết cấu ống thép nhồi bê tông chịu nén dọctrục Tiêu chuẩn ACI-318-71 lại coi kết cấu ống thép nhồi bê tông là cấu kiện tổ hợpđể phân tích độc lập về tính toán chịu uốn và chịu nén dọc trục Trong cuộc họphàng năm của hội kiến trúc Nhật Bản, năm 1967 đã duyệt “Quy phạm thiết kế cấukiện ống thép nhồi bê tông” và năm 1980 đã có sự hiệu chỉnh trong tiêu chuẩn“EURO – CODE NO 4” của tiêu chuẩn EURO - CODE, đã thể hiện cách tính toánống thép nhồi bê tông Quy phạm này được ban hành năm 1985, gần đây đang đượcsửa đổi Ngoài ra, quy phạm Anh “BS-5400” (1979) và quy phạm Đức “DIN-18806”cũng có nội dung thiết kế cột tổ hợp bê tông thép.

1.2 Nghiên cứu sơ lược về các loại cầu vòm:

Có nhiều cách phân loại cầu vòm tùy theo đặc điểm mỗi loại, như:Phân loại cầu vòm dựa vào liên kết vòm với mố: gồm sơ đồ vòm không chốt,vòm hai chốt, vòm ba chốt…

Phân loại vòm dựa vào sơ đồ tĩnh học: gồm cầu vòm có lực đẩy ngang, cầu vòmcó thanh kéo, cầu vòm mút thừa…

Phân loại cầu vòm dựa vào độ cứng vòm – dầm: gồm vòm cứng – dầm cứng,vòm mềm – dầm cứng, vòm cứng - dầm mềm

Phân loại theo vị trí xe chạy: gồm vòm xe chạy dưới, vòm xe chạy trên, vòmchạy giữa…

Trong khuôn khổ đề tài chỉ giới thiệu các dạng cầu vòm phân loại theo lịch sửphát triển công nghệ vật liệu với các dạng kết cấu đặc trưng được áp dụng vào thựctiễn phát triển xã hội

Cầu vòm đá: Đã xuất hiện từ rất sớm trong lịch sử phát triển xây dựng cầu.

Cầu vòm đá được xây tạo từ những khối đá lớn khai thác từ thiên nhiên Cầu vòm đákhông có khả năng vượt nhịp lớn, kết cấu nặng nề Do vậy ngày nay ta chỉ thấy cầu

vòm đá được thiết kế cho người đi bộ hoặc xe thô sơ, thường xây dựng trong nhữngkhu di tích văn hóa hoặc khu vui chơi giải trí Dựa vào đặc tính chịu nén của vòm,người ta xây dựng những khối vòm lớn bằng đá và tải trọng sẽ tác dụng trực tiếp trênvòm.

Hình 1.6: Cầu Broadfording (USA)

Cầu vòm bê tông cốt thép: Xuất hiện từ cuối thế kỷ XIX và phát triển rất

nhanh những năm sau đó Kết cấu cầu vòm bê tông cốt thép thường là có đường xechạy trên nên vòm bê tông cốt thép trong kết cấu cầu chịu lực nén từ các thanhchống bên trên truyền xuống rất phù hợp với đặc tính của bê tông cốt thép Về hìnhdáng thì cầu vòm bê tông cốt thép trông thanh mảnh hơn cầu dầm bêtông cốt thépthông thường Về khả năng thông thuyền thì kém thuận lợi hơn cầu dầm Do vậy cầuvòm bê tông cốt thép thường được xây dựng ở những địa hình đặc biệt hoặc khi cóyêu cầu về kiến trúc, mỹ thuật cho vùng xây dựng

Hình 1.7: Cầu Marsh Rainbow (Mỹ)

Cầu vòm thép: Rất ít gặp trên đường sắt cũng như đường bộ vì kết cấu nhịp

vòm không dễ tiêu chuẩn hóa như nhịp dầm và giàn Kết cấu vòm tuy có tiết kiệmvật liệu hơn cầu dầm và cầu giàn nhưng do có lực đẩy ngang nên đòi hỏi mố trụ phải

lớn và đắt tiền do vậy giá thành vẫn cao hơn cầu dầm và cầu giàn Tuy nhiên trongnhững trường hợp yêu cầu về hình dáng bên ngoài, kiến trúc mỹ thuật, chẳng hạnnhư đối với công trình cầu thành phố hay các vùng danh lam thắng cảnh thì phươngán cầu vòm thường được xét đến Ngoài ra cầu vòm thép có thể kinh tế khi địa hìnhvị trí xây dựng là khe núi hoặc thung lũng sâu.

Hình 1.8: Cầu Bayonne (Úc)

Cầu Vòm Mạng Lưới: Cũng là dạng kết cấu biến thể từ cầu vòm thông

thường và cầu treo, trong cầu Vòm Mạng Lưới các dây treo là một hệ thanh khôngchịu nén đan chéo nhau, vì nếu thanh treo chịu kéo cầu sẽ ứng xử như kết cấu giàn

Hình 1.9: Cầu Duaujvaros Danube (Na Uy)

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông: Là dạng kết cấu biến thể từ bê tông cốt thép

thông thường và cầu treo Trong kết cấu cầu vòm, thanh treo là những bó cáp liênkết hệ mặt cầu, dầm ngang với sườn vòm Hoạt tải trên mặt cầu truyền qua thanhtreo tác dụng lên sườn vòm gây ra lực xô ngang tại chân vòm Thanh kéo tại chân

vòm sẽ cân bằng lực xô ngang do tải trọng gây ra trong sườn vòm Toàn bộ hệ cầuvòm sẽ truyền tải trọng lên mố, trụ như dầm giản đơn.

Hình 1.10: Cầu Xóm Củi (TP Hồ Chí Minh)

1.3 Một số cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới:

Hình 1.11: Cầu QIANTANG Tỉnh HANGZHOU (Trung Quốc)

Đây là cầu gồm 11 nhịp, trong đó 2 nhịp chính dài 190m, các nhịp còn lại dài85m Tổng chiều dài là 1145m được bố trí theo sơ đồ (2x85+190+5x85+190+2x85)

Hình 1.12: Cầu SHANGHAI LUPU (Trung Quốc)

Đây là cầu với nhịp chính dài 550m ở Trung Quốc

Hình 1.13: Cầu cho xe lửa bắc qua sông BEIPAN (Nhật Bản)

Đây là cầu quay ngang dành cho xe lửa bắc qua sông BEIPAN (Nhật Bản), nhịp236m, nặng 10.400T

Hình 1.14: Cầu dongguan shiudao (50+278+50 m) ở Trung Quốc

Hình 1.15: Cầu Hang-zhou Qian-jiang ở Trung Quốc

1.4 Một số ưu điểm của cầu vòm ống thép nhồi bêtông

Một số ưu điểm chính của kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể kể đến như bêtông nhồi trong ống thép không những không bị co ngót mà trái lại còn nở thể tíchdo đó tạo điều kiện cho bê tông và vỏ thép cùng nhau làm việc dưới tác dụng của tảitrọng khai thác; việc nhồi bê tông đã tăng khả năng chống rỉ phía trong của ống thép,giảm độ mảnh của vòm, tăng độ ổn định cục bộ của vách ống thép, tăng khả năngchống biến dạng; ống tròn có độ cứng chống xoắn cao hơn các tiết diện hở khác;khi dùng ống tròn nhồi bê tông có thể tiết kiệm khoảng 40% lượng thép so với kếtcấu BTCT thông thường; mặt ngoài ống thép dễ bảo vệ chống rỉ hơn các loại tiếtdiện có hình dạng phức tạp… Chính vì vậy, kết cấu ống thép nhồi bê tông trở nênkhá phổ biến trên thế giới Đặc biệt đối với cầu dạng vòm Trung Quốc nghiên cứuống thép nhồi bê tông từ những năm 1970 Năm 1990 ~1992, Trung Quốc đã banhành tiêu chuẩn kỹ thuật CECS28-90, DLGJ99-01 và DLGJ-S11-92 liên quan đếnviệc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông trong xây dựng công trình [4]

CHƯƠNG II: TÍNH NĂNG CƠ HỌC VÀ CẤU TẠO CẦU VÒM ỐNG THÉPNHỒI BÊTÔNG

2.1 Tính năng cơ học của kết cấu ống thép nhồi bê tông2.1.1 Trạng thái cơ học của lõi bê tông

Đối bê tông chịu nén cần phân biệt ba trạng thái ứng suất có thể xảy ra, đó làtrạng thái ứng suất một trục, hai trục và ba trục được thể hiện trên hình 2.1

Trạng thái ứng suất một trục (hình 2.1a) đại diện cho thí nghiệm nén không kiềmchế với mẫu trụ tiêu chuẩn dùng để xác định cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông.Trạng thái ứng suất hai trục (hình 2.1b) xảy ra trong các sườn dầm bê tông cốtthép khi chịu cắt, uốn và lực dọc trục

Trạng thái ứng suất ba trục (hình 2.1c) xảy ra trong lõi của một cột chiụ lực dọctrục khi có bố trí cốt thép đai

Ứng xử của bê tông chịu nén một trục có thể mô tả bằng quan hệ giữa ứng suấtpháp và biến dạng

Hình 2.1: Các trạng thái ứng suất của bê tông chịu nén

Với bê tông có cường độ nhỏ hơn 40MPa quan hệ đó có dạng đường congparabol như sau:







2

'''2

ccccccf





2'c2'

c2max2

f



Trong đó: f2 là ứng suất nén chính tương ứng với 2 và f2 max là ứng suất lớnnhất đã giảm đi theo biểu thức sau:

'c1'cmax

1708.0

f



 (2.3)với1 là biến dạng kéo chính trung bình của bê tông bị nứt

Hình 2.3: So sánh giữa đường cong ứng suất-biến dạng một trục và hai

trục của bê tông không kiềm chế chịu nén

Khi bê tông dầm hay cột bị kiềm chế trong trạng thái ứng suất ba trục bởi cốt đaixoắn ốc hoặc các cốt thép bao bọc bề mặt, biến dạng ra ngoài mặt phẳng bị ngăn cảnlàm tăng giá trị của ứng suất và biến dạng cực hạn đỉnh so với trường hợp không bịkiềm chế Đối với bê tông kiềm chế chịu nén, biến dạng cực hạn tăng đột ngột sau0.003 (giá trị thường dùng cho bê tông không kiềm chế) và như vậy làm tăng tínhdẻo cho phần tử, tạo ra cơ cấu tiêu năng mà không gây hư hỏng Đặc điểm này đượcáp dụng hiệu quả đối với các bộ phận công trình nằm trong vùng động đất nhằm tiêuhao năng lượng, cho phép có các biến dạng cần thiết để giảm tải trọng động đất

Hình 2.4 thể hiện sự so sánh giữa đường cong ứng suất-biến dạng trong bê tôngkiềm chế và không kiềm chế chịu nén của một cột chịu lực dọc trục Bê tông không

kiềm chế là ở phần vỏ ngoài của cốt thép ngang, nó bị vỡ khi biến dạng nén tươngđối thấp Với phần bê tông kiềm chế cho thấy ứng suất lớn nhất f'cc và biến dạngtương ứngcc lớn hơn cường độ và biến dạng không kiềm chế f'co,co.

Kết quả nghiên cứu của Richart (1928) đã xác định được:

Trong đó: f'cc là ứng suất lớn nhất của bê tông kiềm chế, f'co là cường độ của bêtông không kiềm chế, fr là áp lực kiềm chế hông và k1 là hệ số phụ thuộc vào cấpphối bê tông và áp lực hông Từ thí nghiệm, Richart đã xác định được giá trị trungbình của k1 = 4 và Setunge (1936) đề nghị dùng trị số thấp hơn k1 = 3 cho bê tôngkiềm chế có cường độ nhỏ hơn 120MPa

c'f

38mm Trèng

Hình 2.4 Các đường cong ứng suất-biến dạng của bê tông kiềm chế

và không kiềm chế chịu nén

Richart (1928) cũng kiến nghị một quan hệ đơn giản giữa biến dạng cc tươngứng với f'cc như sau:







cor

ffkco

vớicc là biến dạng tương ứng với f'cc và k2 = 5k1 Giá trị của f’cc thường lấy bằng0.85f'c để xét đến cường độ thấp hơn của bê tông trong cột so với cường độ trongmẫu trụ kiểm tra

Tiếp theo, cần phải xác định áp lực kiềm chế hông fr trong các biểu thức 2.4 và2.5 Mander (1988) đã kiến nghị biểu thức của áp lực hông có hiệu f’r cho cả trườnghợp cốt đai tròn và đai chữ nhật, trong đó xem xét đến khoảng cách, diện tích vàcường độ chảy của cốt đai cũng như kích thước của lõi bê tông kiềm chế và sự phânbố của cốt thép dọc quanh lõi Để cho thuận tiện, có thể dùng f’cc trên diện tích lõibê tông Acc nằm trong chu vi của trọng tâm cốt đai Tuy nhiên không phải toàn bộdiện tích này bị kiềm chế, do đó phải hiệu chỉnh fr bằng hệ số kiềm chế có hiệu keđể có được áp lực hông kiềm chế có hiệu:

ke= Ae/Acc (2.7)Trong đó Ae là diện tích có hiệu của bê tông kiềm chế

Acc = Ac – Ast = Ac(1- cc) (2.8)với Ac là diện tích lõi giới hạn bởi chu vi theo đường tim cốt đai, Ast là tổngdiện tích cốt thép dọc

2.1.2 Tính năng chịu lực cơ bản của cấu kiện chịu nén dọc trục của hệ vòm

Mặt cắt ống thép nhồi bê tông liên hợp cốt thép bao ngoài gồm mặt cắt ốngthép rỗng được nhồi đặc bê tông thì ống thép bao ngoài lõi bê tông kiêm cả hainhiệm vụ như các cốt thép dọc và cốt thép đai Vì vậy, ứng suất tới hạn của lõi bêtông đã chịu ảnh hưởng của sự kiềm chế bị động do ống thép gây ra, do không có bêtông bảo vệ nên cũng giảm nguy cơ lõi bê tông bị nứt chẻ Schneider (1998) và ShanTong Zhong đã làm các thí nghiệm về cột ngắn chịu tải trọng đúng tâm, với cả hailoại mặt cắt tròn và mặt cắt chữ nhật, đã chứng tỏ rằng cột mặt cắt tròn chịu mức độkiềm chế lớn hơn so với cột mặt cắt chữ nhật Do bề mặt phẳng bên của cột mặt cắtchữ nhật không đủ cứng để chống lại áp lực thẳng góc với mặt phẳng của chúng chonên chỉ ở phần trung tâm và các phần góc của mặt cắt chữ nhật là có hiệu ứng kiềmchế bởi áp lực kiềm chế Trái lại mặt cắt tròn có đủ độ cứng chống lại áp lực thẳng

góc với thành ống, vì vậy ứng suất kéo có hiệu quả theo chu vi tròn có thể phát triểntrong ống thép để tạo ra áp lực bên phân bố đều trên bề mặt ống thép, do đó toàn bộmặt cắt bê tông sẽ bị kiềm chế có hiệu quả dọc theo chiều dài làm việc Vì vậy, trongluận văn chỉ xin phép trình bày về loại mặt cắt tiết diện tròn.

Cột ống thép nhồi bê tông chịu nén đúng tâm thì đường cong tải trọng – biếndạng thay đổi theo hàm lượng thép r có thể chia thành ba trường hợp:

Khi hàm lượng thép rất nhỏ (r <4%) ống thép có lực đẩy ngang vào lõi bê tôngrất nhỏ, tác dụng của lực bó chặt có thể bỏ qua, về cơ bản ống thép và bê tông đều làchịu nén một hướng, đường cong n-e do một đoạn hướng lên và một đoạn hướngxuống tạo thành như đường cong 1 của hình 2.5

Khi hàm lượng thép tương đối thấp (5%<r <6%), đường cong do 3 đoạn nốithành, như đường cong 2 của hình 2.5

Khi hàm lượng thép cao (6%<r <7%), đường cong cũng do 3 đoạn nối thành,như đường cong 3 của hình 2.5, đường cong 2 và đường cong 3 khác nhau chủ yếuchỉ ở đoạn cuối về độ cong của đường biểu diễn thực tế hàm lượng thép thườngdùng từ 5%~8%, do đó biểu đồ quan hệ ứng suất chủ yếu là loại 3



N

0a

ba1

Theo cao độ tương đối của làn xe, cầu vòm được chia làm 3 loại là cầu có đườngxe chạy trên, đường xe chạy giữa và đường xe chạy dưới

Hình 2.7.1 Cầu vòm chạy dướiHình 2.7.2 Cầu vòm chạy trên

Hình 2.7.3 Cầu vòm đường sắt du moulin

Hình 2.7: Một số hình ảnh cầu vòm

Cầu vòm có làn xe chạy trên (hình 2.7.2) tiết kiệm vật liệu nhất và khoảng cách

giữa các sườn vòm có thể lấy nhỏ hơn so với bề rộng mặt cầu Cầu vòm chạy trên cóchiều cao kiến trúc lớn, yêu cầu về nền móng cao thích hợp với cầu ở các khe núi.Cấu tạo của vòm chạy trên, liên kết hướng ngang dễ, hệ mặt cầu kê trên cột đứng,tính toàn khối, tính ổn định ngang và tính chống rung đều rất tốt Ngoài ra, kíchthước mố trụ cũng nhỏ hơn, sườn vòm có thể cấu tạo đơn giản hơn Cầu vòm chạytrên áp dụng hiệu quả đối với kết cấu vòm bê tông cốt thép Kết cấu vòm chịu lựcchính trong cầu vòm thường có các dạng bản sườn vòm hoặc các cuốn vòm bản Mỗisườn vòm được liên kết ngang với nhau, bề rộng mỗi sườn đủ rộng để có thể đảmbảo được ổn định ngang của hệ kết cấu Khi kết cấu vòm là ống thép nhồi bê tông,các kiểu vòm thường dùng là vòm có sườn vòm đặc, vòm dàn hoa, vòm hộp, cầuvòm khung và vòm khung dàn hoa Sườn vòm đặc chạy trên thường dùng hình thứcnhiều sườn vòm (nhiều hơn 2 sườn) để tiết kiệm vật liệu, thi công dễ dàng Thôngthường, cầu vòm có làn xe chạy trên vượt được nhịp từ 100 đến 150 m vì nếu vượtnhịp dài hơn, lực đẩy ngang của chân vòm rất lớn, nền đất khó có thể đáp ứng đượcvà công nghệ thi công cầu vòm có làn xe chạy trên khá phức tạp

Cầu vòm chạy giữa (hình 2.7.4) là trung gian cầu vòm chạy trên và cầu vòm

chạy dưới Về kiến trúc tạo hình rất đẹp, đặc biệt là cầu trong thành phố, cầu đô thị.Tuy nhiên, nếu dùng vật liệu là bê tông cốt thép thì kích thước các bộ phận rất lớn,kiến trúc thô Khi dùng vật liệu chế tạo vòm chính là ống thép nhồi bê tông, hìnhdáng cầu sẽ thanh mảnh, gọn nhẹ, tạo mỹ quan chung Cầu vòm ống thép nhồi bêtông chạy giữa thường ở nhịp chính dùng khẩu độ lớn, các nhịp biên phối hợp vớivòm chạy trên dùng khẩu độ nhỏ Thường thông qua nhịp biên khẩu độ nhỏ dùng tỷlệ đường tên nhỏ và tỷ lệ tâp trung tĩnh tải lớn Cầu có đường xe chạy giữa dùng đểgiải quyết vấn đề khẩu độ không cân bằng Có trường hợp do hạn chế bởi chiều caokiến trúc hay các nguyên nhân khác, nhịp biên cũng dùng vòm chạy giữa cầu có lànxe chạy giữa có thể áp dụng để vượt các lòng sông rộng như sông Hồng, sông Mãnhưng không hiệu quả đối với cầu cạn do chiếm dụng nhiều diện tích

Kết cấu cầu vòm có làn xe chạy dưới (hình 2.7.1) hợp lý nếu chiều cao kiến

trúc thấp và cần làm thanh căng để tạo vẻ đẹp kiến trúc Cầu vòm chạy dưới nóichung đều có thanh kéo (cầu vòm dầm mềm) là kết cấu không có lực đẩy hay lựcđẩy rất nhỏ Nó chủ yếu dùng khi chiều cao kiến trúc bị hạn chế, yêu cầu thôngthuyền cao và khi tình hình nền móng yếu Ở vùng đồng bằng và cầu vượt dùngnhiều Mặt cắt cầu vòm chạy dưới chỉ có thể là sườn vòm, nếu khẩu độ vòm nhỏ, cóthể dùng một ống thép Khi vượt nhịp khoảng 100m thì dùng mặt cắt hình số 8, khẩuđộ lớn hơn nữa thì dùng sườn dàn hay sườn hộp Đối với cầu vòm chạy giữa và chạydưới, trước đây thường áp dụng đối với kết cấu vòm thép, ít áp dụng đối với hệ vòmbê tông cốt thép do bị hạn chế bởi năng lực thanh treo Khi áp dụng kết cấu vòm ốngthép nhồi bê tông, trọng lượng hệ treo giảm nhẹ rất nhiều, cho nên hình thức chạygiữa, chạy dưới sử dụng tương đối nhiều Cầu vòm chạy dưới thường dùng là cầumột nhịp Khi phải làm nhiều nhịp, các nhịp biên nói chung là dùng cầu kiểu dàn,kết cấu cầu vòm nhiều nhịp xử lý cấu tạo và thanh kéo có nhiều khó khăn Cầu vòmống thép nhồi bê tông chạy dưới thường dùng thanh kéo mềm và thanh treo mềm,chủ yếu là dùng thanh chống ngang để liên kết hai sườn thành toàn khối cho nên cóthanh chống ngang nhiều, độ cứng lớn, thậm chí còn dùng một loạt thanh chống kiểuchữ K Nếu muốn bỏ thanh chống gió thì phải đổi dùng dầm cứng hay tăng độ cứngcủa sườn vòm

Theo phương thức quan hệ kết cấu, phần trên và dưới, cầu vòm có thanh kéo còncó thể phân thành hai loại Một loại là bộ phận trên và dưới liên kết cứng, thanh kéokhông cùng với hệ mặt cầu tham gia chịu lực, chỉ đơn thuần chịu kéo, gọi là cầuvòm khung dầm mềm Một loại khác là kết cấu phân trên kê giản đơn trên mố trụcầu, thông thường thanh kéo là dầm dọc, là kết cấu kéo uốn, đó là hệ dầm vòm tổhợp Ở trường hợp thứ nhất, do vòm và trụ cầu ngàm cứng, giống như là vòm khôngchốt cố định, dùng phương pháp thi công không có giá vòm, tính ổn định ngang rấttốt, nhưng là kết cấu siêu tĩnh bậc cao, nội lực do hoạt tải và nội lực thứ cấp có ảnhhưởng lớn đến kết cấu phần dưới Kiểu thứ hai kết cấu chịu lực rõ ràng, là kết cấunội siêu tĩnh ngoại tĩnh định, kết cấu phần dưới giống như cầu dầm, nhưng xử lý tiết

điểm và điều chỉnh kộo căng thanh kộo cú khú khăn Cấu tạo gối cầu phức tạp, thicụng phải dựng một số dàn giỏo hay chở nổi cả cầu.

b)

c)Cao độ xe chạya)

Cao độ xe chạyCao độ xe chạy

Cao độ xe chạyCao độ xe chạy

h)g)e)d)

lực đẩy ngang, vì vậy có thể cấu tạo vòm thoải nên chiều cao kiến trúc nhỏ Trongcầu thuộc hệ dầm vòm tổ hợp đã lợi dụng dầm dọc của hệ mặt cầu làm thanh chịukéo, dầm và vòm liên kết cứng tại chân vòm, kê vào gối cầu ở đỉnh mố trụ cầu Mộtmặt làm cho dầm vòm cùng tham gia chịu lực, mặt khác đối với mố trụ cầu và nềnmóng có yêu cầu thấp hơn.

Hình 2.9: Kết cấu hệ dầm vòm tổ hợp

Hệ cầu dầm vòm tổ hợp ngoài dạng một nhịp chạy dưới, còn có cầu dầm vòm tổhợp chạy giữa, chạy dưới nhiều nhịp liên tục Cầu dầm vòm tổ hợp nhiều nhịp liêntục chủ yếu có các dạng kết cấu (hình 2.10) Nhưng cầu vòm ống thép nhồi bê tôngliên tục nhiều nhịp hệ dầm vòm tổ hợp dùng rất ít Phần nhiều là một nhịp kê giảnđơn như trên

Cầu khung vòm dầm là cầu vòm ống thép nhồi bê tông được áp dụng nhiều ởTrung Quốc Khác với cầu dầm vòm tổ hợp đã giới thiệu ở trên, cầu khung dầm vòmcó sườn vòm và trụ cầu không đặt gối cầu, dùng bó cáp dự ứng lực để cân bằng lựcđẩy của vòm Thanh kéo độc lập với hệ mặt cầu, không tham gia chịu lực với hệ mặtcầu, còn hệ mặt cầu là cấu kiện chịu lực cục bộ Loại kết cấu này do tiết điểm liênkết giữa sườn vòm và trụ cầu là liên kết cứng, nó thuộc về kết cấu khung, nó lại cóthanh kéo, nên gọi là cầu khung dầm vòm tổ hợp

Cầu khung dầm vòm tổ hợp là kết cấu siêu tĩnh kết cấu phần trên, kết cấu phầndưới, kết cấu móng và cả nền đất liền thành một khối Kết cấu có nhiều bậc siêutĩnh, chịu lực phức tạp So với độ cứng của dầm chịu kéo (thanh kéo) của hệ thốngtổ hợp dầm vòm thì độ cứng tương đối của thanh kéo nhỏ rất nhiều, đặc biệt là đốivới cầu có khẩu độ lớn Tác dụng của thanh kéo là tạo dự ứng lực vào vòm để triệttiêu được phần lớn lực đẩy ngang (chủ yếu là lực đẩy ngang do tải trọng bản thân)

a)

Coi thanh kéo là nhân tố dự ứng lực ngoài, sau khi trừ đi phần lực đẩy nằm ngang dothanh kéo chịu thì lực đẩy nằm ngang còn lại không lớn, có thể thông qua kéo dư thìcũng có thể giảm được nhiều Vì vậy vẫn có thể coi cầu khung dầm vòm tổ hợp làcầu vòm không có lực đẩy ngang Cầu khung dầm vòm tổ hợp do có thanh kéo tồntại nên giảm nhỏ yêu cầu đối với kết cấu phần dưới và nền móng, để phát huy tácdụng của thanh kéo nên hạ thấp một cách thích đáng độ cứng của trụ cầu và nềnmóng.

Cầu khung dầm vòm tổ hợp, dưới tác dụng của thanh kéo dự ứng lực tại tiết điểmngàm vòm với trụ sẽ gây ra ứng lực kéo chủ vuông góc với hướng của thanh kéo, tạithân trụ ở phía lưng, nhịp chính cũng có khả năng sinh ra ứng suất kéo rất lớn Khiđó, thường phải bố trí bó thép dự ứng lực thẳng đứng, đầu dưới tự neo vào bệ cọchay bệ móng, đầu trên neo vào mũ trụ đường cong bó thép nên tận lượng theohướng ứng suất kéo chủ

c)

Hình 2.10: a) Cầu khung dầm vòm chạy dưới một nhịp

b) Cầu khung dầm vòm chạy dưới nhịp nhịp c) Cầu khung dầm vòm chạy giữacó đoạn hẫng

Cầu khung dầm vòm tổ hợp có thể thi công giống như cầu vòm cố định thi côngkhông cần giá vòm nên khả năng vượt của cầu cũng rất lớn Cũng có khả năng pháthuy tính ưu việt của cầu vòm ống thép nhồi bê tông về thi công thuận tiện cho nênlại kết cấu này sau khi xuất hiện được áp dụng rộng rãi

Cũng giống như cầu dầm vòm tổ hợp, cầu khung dầm vòm tổ hợp cũng có mộtnhịp và nhiều hơn hai nhịp liên tục (hình 2.11) chạy dưới, chạy giữa hai đầu có nhịphẫng.

2.2.3 Theo ứng xử của kết cấu2.2.3.1 Hệ kết cấu vòm mềm, dầm cứng

Khi

dd

vv

FE

JE >1/80 cho rằng khả năng chống uốn của vòm nhỏ hơn khả năng chốnguốn của dầm nhiều lần, không tham gia chịu uốn mà chịu nén đúng tâm, được gọi làvòm mềm dầm cứng

Hình 2.11: Cầu vòm mềm dầm cứng

a Kết cấu vòm:

Đối với hệ dầm cứng vòm mềm, hệ vòm chỉ chịu lực nén mà không chịu mômen Liên kết giữa các phần tử (đoạn vòm) là liên kết khớp Thông thường, trên mỗiđoạn vòm, người ta liên kết một dây treo Kết cấu vòm mềm tận dụng được hiệu quảkhả năng chịu nén của loại kết cấu ống thép nhồi bê tông

Khi các đoạn vòm có chiều dài nhỏ, mô men cục bộ do tải trọng bản thân gâyra không đáng kể so với lực dọc tác dụng trên các đoạn vòm Tuy nhiên, chiều dàiđoạn vòm nhỏ chỉ thích hợp với trường hợp chiều dài nhịp không lớn lắm, vì nếuchiều dài nhịp lớn, số lượng các đoạn vòm sẽ trở nên lớn, số lượng dây lớn Điềunày làm cho quá trình thi công mất nhiều thời gian và độ ổn định cũng không cao

Để có thể vượt được nhip lớn hơn, người ta có thể phân đoạn vòm có kíchthước lớn hơn Khi chiều dài các phân đoạn vòm lớn, mô men uốn cục bộ do trọnglượng bản thân vòm là đáng kể, điều này ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng chịu lựccũng như tính ổn định của hệ các đoạn vòm Như vậy, đối với hệ kết cấu cầu vòm

ống thép nhồi bê tông trong trường hợp toàn bộ lực ngang của hệ vòm truyền xuốnghệ thống dầm chủ, gây ra lực đẩy ngang và gây ra lực kéo lệch tâm trong dầm cứng.đối với kết cấu vòm mềm, nhịp của vòm thường không thể quá lớn được.

Mặt khác, khi chiều dài nhịp lớn, dầm là bộ phận chịu lực chính nên kíchthước dầm lớn, nội lực do tải trọng bản thân lớn Do đó, kiểu kết cấu này không thểvượt nhịp lớn được

b Hệ dây treo, dầm mặt cầu:

Dầm cứng thường có tiết diện I hoặc hộp với chiều cao (0,04 đến 0,05)l Dầm

mặt cầu gồm dầm dọc, dầm ngang, trong đó vì dầm cứng có kích thước lớn nên dầmngang có thể đặt ở bất cứ vị trí nào trên dầm chủ bản mặt câù có thể chỉ kê lên trựctiếp lên các dầm ngang hoặc hệ dầm mặt cầu Đặc điểm chính của cầu vòm có dầmcứng vòm mềm là hệ vòm – dầm mặt cầu trong loại kết cấu này là tĩnh định ngoại.Trụ và mố không chịu lực đẩy ngang do vòm truyền xuống Dưới tác dụng của tĩnhtải và hoạt tải thẳng đứng, hệ dầm cứng chịu thêm mô men uốn dương Do đó, cầnphải tạo ra một độ lệch tâm của điểm đặt lực đẩy ngang từ vòm sao cho nó gây ramô men âm trong dầm cứng nhằm triệt tiêu một phần mô men dương do tĩnh tải vàhoạt tải gây ra

Ngoài ra, ưu điểm của cầu dầm cứng vòm mềm là có thể thi công dầm cứngtrước, sau đó dựa trên dầm để lắp các thành vòm và thanh treo Như vậy, kết cấu sẽtiết kiệm đuợc vật liệu và cải thiện được trạng thái làm việc của dầm cứng

Tuy nhiên, lực kéo lệch vòm tác động lên dầm cứng không thể có độ lệch tâmquá lớn được Trong trường hợp độ lệch tâm của lực kéo do vòm gây ra lớn sẽ gây ramô men lệch tâm trong dầm cứng lớn, khi không cố hoạt tải thẳng đứng, mô mennày sẽ gây ra nội lực bất lợi đối với hệ dầm cứng

Hệ kết cấu vòm mềm, dầm cứng, hệ dầm coi như là dầm liên tục tựa trên gốiđàn hồi là các điểm liên kết giữa dây treo và hệ dầm Phản lực tại các gối đàn hồi làkhác nhau, do đó tiết diện của dây treo là không đều nhau

Trong trường hợp cần vượt nhịp lớn, lực đẩy ngang do vòm lớn Do đó hệdầm mặt cầu phải đủ lớn để có thể khống chế lực xô ngang này Tuy nhiên, khi hệchính cầu lớn, tĩnh tải lớn, do đó nội lực lớn Như vậy, để đảm bảo khả năng chịulực, tiết diện hệ dầm chính sẽ rất lớn Điều này là không đảm bảo về chỉ tiêu kinh tếkỹ thuật trong lập dự án đầu tư.

Hệ cầu vòm dầm cứng, vòm mềm thích hợp với các loại cầu nhịp không lớnlắm

2.2.3.2 Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông dạng dầm cứng, vòm cứng.

Khi

dd

vv

FE

JE ở trong khoảng 1/80 đến 80 thì dầm và vòm đều có độ cứng nhấtđịnh, chúng cùng tham gia chịu tải, dầm là cấu kiện kéo uốn còn vòm là cấu kiệnnén uốn, loại kết cấu này gọi là dầm cứng vòm cứng (hình 2.12)

Hình 2.12: Cầu vòm cứng dầm cứng

Để có thể vượt được nhịp lớn hơn so với chiều dài nhịp cầu vòm ống thépnhồi bê tông dạng dầm cứng, vòm mềm, người ta đã cứng hoá hệ vòm, hay còn gọilà hệ kết cấu dầm cứng, vòm cứng Về công nghệ thi công, dầm cứng được thi côngtrước bằng cách đổ tại chỗ hoặc lắp ghép Sau khi thi công xong hệ dầm cứng, vòmcứng được thi công lắp hẫng vòm trước, sau đó nhồi bê tông vào ống thép, hoặc lắpcác đoạn ống thép nhồi bê tông sau đó mới cứng hoá hệ vòm

Hệ vòm: Hệ vòm trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông dạng vòm

cứng, dầm cứng vừa chịu lực nén vừa chịu mô men Đối với loại kết cấu này, việcứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông vào hệ vòm rất hiệu quả, vừa phát huy đượckhả năng chịu nén của kết cấu cũng như chịu mô men của kết cấu Tuy nhiên, vìcông nghệ thi công của kết cấu này là dầm chế tạo trước, vòm có tác dụng gia cường

khả năng chịu lực của hệ dầm Vì vậy, trong kết cấu này, kích thước của dầm cũngrất lớn khi muốn vượt nhịp lớn.

Hệ dầm, hệ dây: ứng xử của hệ dầm trong loại kết cấu này giống như hệ dầmtrong kết cấu cầu vòm dầm cứng, vòm mềm

2.2.2.3 Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông dạng vòm cứng, dầm mềm

Khi

dd

vv

FE

JE >80 cho rằng khả năng chống uốn của dầm nhỏ hơn khả năng chốnguốn của vòm, dầm rất mềm, hầu như không chịu uốn, chỉ đơn thuần chịu lực đẩynằm ngang, được gọi là dầm mềm vòm cứng (hình 2.13)

Hình 2.13: Cầu vòm cứng dầm mềm

Hệ vòm:

Hệ vòm trong kết cấu là bộ phận chịu lực chính Hệ vòm liên kết cứng với mốtrụ cầu Do liên kết cứng với mố trụ cầu nên trong quá trình làm việc, chân vòm cóphát sinh lực đẩy ngang vào mố trụ Vì vậy, để triệt tiêu lực đẩy ngang này, ta dùnghệ thép cường độ cao hoặc cáp dự ứng lực nối 2 chân vòm Nội lực hệ vòm đượctích luỹ theo quá trình thi công Vòm trong trường hợp này chịu các tác động hoàntoàn giống trụ tháp của cầu dây văng Tuy nhiên, trong quá trình sử dụng, trụ thápcầu dây văng chịu mô men lệch tâm lớn, còn hệ vòm thì chỉ chịu nén Hệ vòm pháthuy tốt hơn khả năng chịu lực của Bê tông Như vậy, loại cầu vòm này có thể vượtđược nhịp khá lớn

Hệ dây treo:

Đối với công nghệ thi công như trên dây treo trong cầu vòm chỉ chịu tác dụngcủa lực dọc, không phải chịu tác dụng mô men uốn do tải trọng bản thân như dâytreo trong cầu dây văng theo phương nghiêng Do đó, dây treo trong cầu vòm pháthuy khả năng chịu lực tốt hơn so với cầu dây văng Theo tiêu chuẩn thiết kế, cườngđộ tính toán của dây cáp treo trong cầu dây văng được tính bằng 0,4fc, cường độ tínhtoán của cáp treo trong cầu vòm có thể tính bằng 100%fc Theo phương pháp thicông, sau khi lắp dựng cấc dầm ngang xong mới lắp dựng hệ dầm dọc, khi chiều dàicác đoạn dầm dọc bằng nhau, có thể lấy tiết diện của dầm ngang và dây treo nhưnhau Dây treo liên kết với vòm ống thép nhồi bê tông và dầm ngang bằng neo hoặcbu lông Dây treo thường là các bó cáp dự ứng lực

Hệ dầm:

Hệ dầm dọc trong cầu trên có ưu điểm là chỉ chịu lực cục bộ, do đó kích thướccủa dầm dọc nhỏ Hoàn toàn tương tự, hệ dầm ngang chỉ chịu lực trong phạm vi giữacác dầm lân cận, kích thước dầm ngang cũng nhỏ Khi kích thước các tiết diện củakết cấu nhỏ, nội lực tĩnh tải sẽ nhỏ Do có các ưu điểm như trên, cầu vòm ống thépnhồi bê tông thi công theo công nghệ như trên có tính năng chịu lực tốt hơn so vớicầu treo dây văng Do đó có thể vượt được nhịp lớn hơn Mặt khác, vì công nghệ thicông vòm khi chiều cao vòm khá lớn là phức tạp nên theo công nghệ trên, nhịp kếtcấu sẽ chỉ vượt được một giới hạn nhất định

Dầm ngang đúc tại chỗBản BTCT lắp ghép

Loại 1

Bản BTCT lắp ghépLoại 2Dầm ngang đúc tại chỗ

Dầm ngang đúcsẵn loại 2 Dầm ngang đúcsẵn loại 1Tim gối nhịp vòm

1/2 Mặt bằng hệ dầm bản1/2 Mặt bằng vòm

Loại 2Loại 1Loại 1Loại 1Loại 1Loại 1Loại 1Loại 1Loại 1

Giằng ngang loại 1Giằng ngang loại 2

Đúc tại chỗ trên đà giáoDầm ngang đúc sẵn lắp ghép

Hỡnh 2.14: Bố trớ chung cầu vũm ống thộp nhồi bờ tụng vũm cứng, dầm mềm

Mố trụ cầu

Mố trụ cầu của cầu vũm ống thộp nhồi bờ tụng dạng vũm cứng, dầm cứng hoỏsau liờn kết cứng với vũm Do đú, trong quỏ trỡnh thi cụng mố trụ, phải để chõn vũmchờ sẵn, đồng thời phải đỳc sẵn dầm ngang chõn vũm để bố trớ cỏp căng ngang giằngchõn vũm Mặt khỏc, tại chõn vũm cú dầm ngang để neo thộp căng ngang giữ chõnvũm, mố trụ trong trường hợp này cấu tạo tương đối phức tạp Vừa cú chõn vũm sẵnđể liờn kết hệ vũm, vừa cú dầm ngang tại chõn vũm để neo thộp căng ngang

Dõy căng nối chõn vũm

Dõy căng nối chõn vũm bằng thộp hoặc thộp cường độ cao Đối với kết cấunhịp lớn, cũng giống như cỏc tiết diện bờ tụng cốt thộp, người ta khụng thể dựngđược thộp thường Trong trường hợp đú phải dựng thộp cường độ cao Dõy cú thể làmột bú thộp hoặc một số bú để hạn chế lực cục bộ tỏc dụng lờn dầm ngang tại chõnvũm

Loại kết cấu này có nhiều ưu điểm và phát huy được tối đa khả năng làm việccủa vật liệu, đồng thời có thể vượt được nhịp lớn hơn kết cấu cầu vòm ống thép nhồibê tông thông thường.

2.3 Kích thước các cấu kiện cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông có các bộ phận chính sau: vòm, hệ giằng vòm,mố trụ cần, dây treo, dầm mặt cầu, các bộ phận liên kết giữa vòm và mố trụ cầu, liênkết giữa dây treo và dầm, vòm, chúng ta sẽ tìm hiểu các loại cấu kiện trên

2.3.1 Kết cấu vòm

Kết cấu vòm trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông là bộ phận chịu lực chính.Số lượng ống vòm, hình dạng vòm, kích thước vòm phụ thuộc vào chiều dài nhịp,công nghệ thi công cầu

xx

y

z

yz

X

Ngoài ra, khi yêu cầu về mỹ học cao, người ta có thể sử dụng dạng hai mặt phẳngvòm xiên tựa vào nhau tại đỉnh vòm hoặc không tựa vào nhau (sườn vòm chữ X),dạng ba mặt phẳng vòm thẳng đứng, song song và giằng ngang trên hoặc chỉ dùngmột mặt phẳng vòm nghiêng Với hệ sườn vòm chữ X, do hai hệ vòm liên kết vớinhau tại điểm giữa nên khả năng ổn định ngang ưu việt hơn sườn vòm song song, dođó hệ sườn vòm chữ X ứng dụng hiệu quả trong cầu vòm khẩu độ lớn, đặc biệt làcầu có bề rộng hẹp, và chiều dài cầu vòm lớn rệt Đối với sườn vòm chữ X dùng chocầu chạy dưới và chạy giữa, nói chung theo hình dáng gọi là cầu vòm quai sách(vòm sườn nghiêng)

Hình 2.16: Dạng mặt phẳng vòm chữ

Vòm sườn nghiêng (vòm dạng X) có cự ly vòm thay đổi, cự ly sườn chân vòmmở rộng, cự ly sườn đỉnh vòm thu nhỏ Đối với cầu vòm chạy giữa làm cho tỷ lệ bềrộng bình quân với khẩu độ tăng lớn, đối với cầu vòm chạy dưới làm cho chiều dàiliên kết ngang rút ngắn độ cứng tăng lớn, tăng ổn định ngang Tải trọng tĩnh của hệmặt cầu và hoạt tải truyền lên sườn vòm không theo đường thẳng đứng, mà có gócnghiêng sinh ra phản lực nằm ngang Với cầu vòm chạy trên có tác dụng tăng cườngmặt nghiêng Còn đối với cầu chạy giữa, chạy dưới, thanh treo gây ra phản lực nằmngang làm tăng độ ổn định ngang Độ nghiêng của vòm dạng X cũng gây khó khăncho thi công, nên chọn độ mở thích hợp Phân tích tính năng chịu lực hướng ngangcủa sườn vòm dạng X cho thấy dùng sườn vòm dạng X tính ổn định hướng ngang sovới sườn vòm song song tăng lên 1.2 đến 2.0 lần, đồng thời cũng làm giảm sức chịu

tải giới hạn trong mặt phẳng của sườn vòm Từ đó cho thấy, góc nghiêng vào trongcủa sườn vòm dạng X không phải càng lớn càng tốt nói chung nên khống chế từ 30đến 150 Tốt nhất trong phạm vi 100 Nếu quá nhỏ, thí dụ 30 thì tác dụng nghiêngvào trong rất ít, cũng không cần nghiêng vào trong.

2.3.1.2 Tiết diện sườn vòm ống thép nhồi bê tông

Vòm chủ trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông chủ yếu có hình thức làsườn đặc và giàn hoa Sườn đặc có thể chia ra một ống, hai ống hình số 8 Kiểu giànhoa có thể phân ra giàn hoa hình số 8 nằm ngang hoặc giàn hoa nhiều nhánh, giànhoa hỗn hợp và bó ống tập trung

Loại sườn vòm có tiết diện một ống thép nhồi bê tông (sườn vòm đặc)Sườn vòm đặc trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông dùng khi khẩu độcầu không quá lớn, sườn vòm có thể dùng một ống thép Mặt cắt một ống thép cóhình tròn hoặc hình số elip

công ống thép tròn đơn giản, tính chống xoắn tốt, do có tác dụng của lực bó chặt nênphát huy hiệu quả khả năng chịu nén của cấu kiện, tuy nhiên khả năng chịu uốn kém,chủ yếu dùng cho nhịp cầu vòm có khẩu độ không lớn (80m trở xuống) Tuy nhiên,một số trường hợp vượt nhịp lớn vẫn sử dụng loại tiết diện này Ở Pháp đã dùng loạiống thép nhồi bê tông tiết diện tròn vượt nhịp lên đến 220m Loại kết cấu vòm mộtống có bề dầy của ống thép cao, hàm lượng thép thường lớn hơn 8%.

Mặt cắt kết cấu cần tăng cường độ cứng chống uốn theo phương của tiết diện, thicông đơn giản, đồng thời còn tạo hình sườn vòm thêm thay đổi, nhưng lực bó lõi bêtông của ống thép so với ống thép nhồi bê tông nhỏ đi rất nhiều Chỉ dùng cho cầuthành phố khẩu độ nhỏ

Sườn vòm 2 ống thép nhồi bê tông

Đối với loại tiết diện này,người ta chế tạo bằng cách sử dụng 2 ống thép đượcliên kết với nhau bằng bản thép Sau khi nhồi bê tông vào hai ống thép tròn, người tatiếp tục nhồi bê tông vào khoảng giữa hai ống thép để tăng tính ổn định của hệ giàn

Sườn cầu 2 vòm ống thép nhồi bê tông thích hợp chocác cầu có nhịp từ 80 đến 120m Đường kính ống thép từ(1/110 ~ 1/150)L, chiều cao vòm từ (1/45~1/60)L Sườnvòm 2 ống thép nhồi bê tông mặt cắt có đường kính ốngthép thường từ 45cm đến 150cm, chủ yếu từ 75cm đến150cm Chiều cao h từ 120cm đến 270cm, chủ yếu từ180cm đến 200cm bề dày bản thép từ 8mm đến 16mm,dùng nhiều nhất là 10mm (16mm dùng cho mặt cắt thayđổi ở chân vòm)

Mặt cắt 2 ống thép nhồi bê tông so với mặt cắt hìnhtròn có độ cứng chống uốn lớn, giống như mặt cắt hình chữ I, nhưng do tỷ số đườngkính của hai ống tròn với chiều cao H ở vào khoảng 1/2.5 nên không thể coi là ốngthép nhồi bê tông có mặt cắt kiểu khung Bê tông ở bản bụng chịu tác dụng ép ngang

hD1000

t

Hình 2.19:Mặt cắt hình số 8