Sự phát triển cầu dây ở Vệt Nam

Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam Cầu dây văng là một loại cầu bao gồm một hoặc nhiều trụ (thường được gọi là tháp), với dây cáp neo chịu đỡ toàn bộ hệ mặt cầu và các dầm cầu. Có 3 loại cầu dây văng chủ yếu, được phân biệt theo các nối cáp vào trụ cầu.Ý tưởng đỡ một dầm bằng một hệ dây xiên tỏa xuống từ một cột buồm hay một tháp đã xuất hiện từ thời cổ xưa khi người Ai Cập áp dụng ý tưởng này cho các thuyền buồm của họ. Việc sử dụng cáp treo trong xây dựng cầu đã trở lại vào thế kỷ 17. Vào đầu năm 1617, Faustus Verantius, một kỹ sư ở Venice (Ý), đã phác họa một cây cầu với nhiều dây xiên. Những nét sơ khai của cầu dây văng ra đời từ đó.Trong thiết kết cầu hiện đại, cầu dây văng là loại cầu có các dây cáp nối từ tháp cầu xuống hệ mặt cầu. Một cầu dây văng điển hình có một hệ dầm liên tục liên kết với một hay nhiều tháp cầu được xây dựng phía trên trụ cầu ở giữa nhịp. Từ các tháp cầu này, các dây cáp liên kết với hệ dầm được neo trực tiếp vào tháp.Ta có thể tưởng tượng cầu dây văng như hình ảnh một người khổng lồ (trụ cầu), dùng 2 tay (dây cáp) để nâng bổng thanh xà (dầm cầu) ngang qua một đoạn sông. Về cơ cấu truyền lực, ta có thể tưởng tượng một cách đơn giản như sau: trọng lượng của các dầm cầu sẽ được chịu bởi các dây cáp xiên. Các dây cáp này được bố trí đối xứng để sao cho tổng hợp lực căng của các dây cáp sẽ chay dọc trục tháp cầu. Tháp cầu sẽ chỉ chịu nén mà không phải chịu lực uốn. Rất nhiều yếu tố cần phải được tính toán sao cho các đặc tính thiết kế của cầu phù hợp với các điều kiện cơ học cũng như điều kiện tự nhiên của địa hình xung quanh. Ngày nay, bên cạnh yếu tố về đảm bảo giao thông cho phương tiện đi lại trên cầu và tàu thuyền đi lại dưới cầu, yếu tố môi trường và yếu tố cảnh quan cũng được đặc biệt coi trọng. Ví dụ, các tháp cầu có ngăn cản dòng chảy hay không, màu sắc có phù hợp với cảnh quan môi trường xung quanh hay không. Cảnh quan đèn trang trí cũng cần được bố trí sao cho làm nổi bật nét thanh mảnh của dầm cầu, tính khỏe khoắn của các dây cáp xiên và của tháp cầu. " width="300" height="207"> Thiết kế cầu Nhật Tân Ngoài ra, một số yếu tố văn hóa khác cũng được tính đến trong thiết kế kiến trúc của cầu. Ví dụ như cầu Nhật Tân dự định được xây dựng sẽ bao gồm 5 tháp trụ tượng trưng cho tư duy của người Phương Đông: Sinh-Lão-Bệnh-Tử-Sinh. Yếu tố kết thúc là sự phát triển và kết thừa của yếu tố ban đầu, tạo nên yếu tố triết học phương Đông ẩn bên trong kiến trúc cầu. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam Sự khác nhau giữa các loại cầu Cầu dây võng Cầu dây văng, kiểu rẻ quạt Cầu dây văng, kiểu đàn hạc Tổng quan về cầu dây văng 1. Lịch sử phát triển của Cầu Dây Văng Cầu dây văng là loại cầu sử dụng các dây cáp được liên kết từ một hay nhiều cột tháp để treo hệ mặt cầu. Một cầu dây văng điển hình có một hệ dầm liên tục với một hay nhiều cột tháp được đặt trên trụ cầu ở trong khoảng giữa nhịp. Từ các cột tháp này, các dây văng được tỏa xuống và đỡ hệ dầm chủ (Hình 1 và 2). Hình 2. Cầu dây văng 2 nhịp Hình 1. Cầu dây văng 3 nhịp Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 1 Ý tưởng đỡ một dầm bằng một hệ dây xiên tỏa xuống từ một cột buồm hay một tháp đã xuất hiện từ thời cổ xưa khi người Ai Cập áp dụng ý tưởng này cho các thuyền buồm của họ. Việc sử dụng cáp treo trong xây dựng cầu đã trở lại vào thế kỷ 17. Vào đầu năm 1617, Faus-tus Verantius, một kỹ sư ở Venice (Ý), đã phác họa một cây cầu với nhiều dây xiên (Hình 3). Năm 1784, một thợ mộc Đức, Löscher, đã thiết kế một cây cầu gỗ có nhịp 32m bao gồm các thanh treo bằng gỗ gắn vào một cột tháp gỗ. Năm 1817, chiếc cầu dây văng bằng sắt đầu với một nhịp khoảng 33.6 m, sử dụng các dây cáp xiên neo vào một tháp cầu bằng sắt đúc sẵn. Hình 3. Phác họa của Verantius Hình 4. Đề xuất của Poyet Vào khoảng năm 1821, Poyet, một kiến trúc sư Pháp, đề nghị neo kết cấu cầu bằng cách sử dụng dây văng bố trí theo hình rẽ quạt, tất cả các dây văng đều được neo tại đỉnh tháp cầu (Hình 4). Ông là một trong những người đầu tiên đề nghị sử dụng dây văng bố trí theo sơ đồ đồng quy. Năm 1840, Harley, một người Anh, đề nghị một dạng khác cho bố trí dây văng với các dây song song, gọi là sơ đồ dây song song. Năm 1883, Roebling hoàn thành cây cầu nổi tiếng Brooklyn tại New York (Mỹ), với một sơ đồ bố trí dây treo pha trộn giữa cầu dây văng và cầu dây võng.Tuy nhiên, phải chờ đến thế kỷ 20 thì loại kết cấu này mới được phát triển vì những kiến thức tính toán và vật liệu trước đó chưa phù hợp với loại cầu này. Vào năm 1926, một kỹ sư người Tây Ban Nha là Torroja đã xây dựng một cầu máng dẫn nước bằng bê tông cốt thép, các dây văng được bọc trong bê tông để chống ăn mòn (Hình 5). Sau năm 1945, cầu dây văng đã có được sự hồi sinh tại Đức, nơi phải xây dựng lại vô số cây cầu bị phá hủy bởi chiến tranh thế giới thứ 2 với việc sử dụng hiệu quả vật liệu. Một điều kiện tiên quyết cho bước cải thiện này là sự phát triển của thép cường độ cao dùng cho dây văng. Hình 5. Cầu dẫn nước do Torroja thiết kế Trong những năm 1950, việc phát triển vật liệu cáp cường độ cao cộng với những lợi ích về giá cả đã làm hồi phục sự quan tâm đối với cầu dây văng. Các dây văng mới, được làm từ những tao thép cường độ cao, thép thanh hay sợi thép cường độ cao, có khả năng chịu tải lớn và dễ dàng lắp đặt. Cầu dây văng hiện đại trở lên kinh tế hơn cho các cầu có khẩu độ nhịp nằm trong khoảng 180 đến 610m. Sự trở lại của cầu dây văng bắt đầu với F. Ông khám phá ra ảnh hưởng của dây cáp lên độ võng của cầu trong khi thiết kế một cầu treo cho đường sắt có nhịp 753m qua sông Elbe, gần Hamburg, Đức. Ông sử dụng dây cáp cường độ cao, chấp nhận ứng suất lớn để hạn chế độ võng của dây cáp (có thể xuất hiện do chùng cáp). Từ công trình nghiên cứu này và từ việc xây dựng lại các cầu bị phá hủy trong chiến tranh thế giới thứ hai, đã minh chứng rằng cầu dây văng đã trở thành một loại cầu có khẩu độ nhịp nằm giữa cầu dầm cứng và cầu treo. Năm 1955, cầu Strömsund (Thụy Điển) do ông thiết kế trở thành cây cầu dây văng hiện đại đầu tiên trên thế giới (Hình 6). Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 2 Hình 6. Cầu Strömsund, Thụy Điển, xây dựng năm 1955, do Dischinger thiết kế Vào năm 1962, Morandi xây dựng một cây cầu bê tông dự ứng lực bắc qua hồ Maracaibo ở Venezuela. Nhiều cây cầu khác với nhiều cách phân bố dây văng cũng được xây dựng sau đó. Việc sử dụng cầu dây văng nhiều dây cũng là một sự tiến bộ quan trọng vì điều này làm việc xây dựng hệ mặt cầu theo phương pháp hẫng trở thành khả thi. Sau khi chiếc cầu dây văng hiện đại đầu tiên thể hiện độ cứng rất lớn dưới tác dụng của tải trọng xe cộ, tính thẩm mỹ cao, tính kinh tế và đơn giản trong thi công, cầu dây văng hiện đại đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu và nhiều thành công mới. Và cầu dây văng đã nhanh chóng trở nên phổ biến trong giới kỹ sư Đức và nhiều nước khác trong khoảng mười năm sau đó. Ngày nay, cầu dây văng hiện đại đã được các nhà thiết kế áp dụng trên phạm vi toàn thế giới. Tuy nhiên, cũng không dễ nói rằng khẩu độ cầu dây văng bao nhiêu là kinh tế do nó phụ thuộc vào các điều kiện biên. Trong vài trường hợp cụ thể, giải pháp cầu dây văng cũng được áp dụng với các cầu nhịp nhỏ và vừa, đặc biệt là đối với cầu bộ hành. Cầu dây văng phục vụ cho đường bộ và đường sắt có thể chứng tỏ tính kinh tế cho nhịp trên 100m, nhưng thông thường đối với cầu với khẩu độ nhịp trên 200m. Một dây Hai dây Ba dây Nhiều dây Kết hợp Đồng quy Song song Rẻ quạt Hình sao Hình 7. Các sơ đồ bố trí dây văng Theo cách phân bố dây văng, sơ đồ bố trí dây văng thể chia ra thành 4 loại cơ bản: đồng quy, song song, rẽ quạt và hình sao (Hình 7). Sơ đồ dây đồng quy và sơ đồ dây rẽ quạt có hiệu quả nhất cho hệ kết cấu vì nó hoàn toàn được sắp xếp giống các tam giác. Ngược lại, sơ đồ dây song song chủ yếu chứa các hình tứ giác, do đó phải tăng độ cứng của dầm chủ hay cột tháp để chịu được lực không đều. Trong sơ đồ dây đồng quy, các sợi cáp được liên kết từ hệ mặt cầu đến cùng một điểm trên đỉnh cột tháp. Kết quả là lực uốn trong tháp sẽ nhỏ, nhưng lại phải chịu đựng được lực chống gập. Điều này dẫn đến việc cột tháp sẽ phải có độ cứng lớn. Tuy nhiên, trong những cầu lớn với nhiều dây văng, việc bố trí tất cả các neo tại đỉnh tháp sẽ gặp nhiều khó khăn. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 3 Trong sơ đồ song song, các dây văng được lắp song song với nhau làm cho cầu có tính thẩm mỹ hơn. Mặt khác, lực căng cáp sẽ được phân bố theo chiều cao cột tháp làm giảm mô men uốn trong cột tháp. Sơ đồ bố trí dây văng này có thể là giải pháp có lợi nhất cho các cầu có nhịp chính đến gần 200m, đặc biệt ở những nơi tính thẩm mỹ đóng vai trò quan trọng. Hiệu quả của sơ đồ song song còn có thể được tăng lên bằng cách thêm các trụ trung gian ở các nhịp biên. Trong sơ đồ rẽ quạt, khoảng cách giữa các điểm neo cáp ở phần trên của cột tháp được phân bố đồng đều. Điều này làm cho việc lắp đặt các neo trở nên dễ dàng hơn so với sơ đồ đồng quy. So với sơ đồ song song, tiết diện ngang cần thiết của cột tháp sẽ nhỏ hơn. Trong các cầu dây văng hiện đại, hệ thống dây văng có thể bao gồm nhiều loại dây văng khác nhau, mỗi dây văng bao gồm một loại cáp được chế tạo cho đủ chiều dài và tiết diện dây văng. Để đạt được sự bố trí dây văng này, điều cần thiết phải bố trí các dây văng gần nhau. Do đó, khoảng cách giữa các điểm neo dây văng trên dầm chủ thường nằm trong khoảng từ 8 đến 15m. 2. Số Mặt phẳng Dây và hệ Dầm chủ Trong mặt cắt ngang, hệ thống dây văng thường được bố trí trong một mặt phẳng thẳng đứng tại đường tim cầu, hai mặt phẳng thẳng đứng hoặc hai mặt nghiêng (Hình 8). Hình 8. Mặt phẳng cáp a) Một mặt phẳng b) Hai mặt phẳng đứng c) Hai mặt phẳng nghiêng Trong cầu một mặt phẳng dây, các dây văng thường được neo tại đường tim của hệ mặt cầu. Cầu chủ yếu chịu tải trọng theo phương đứng còn khả năng chịu xoắn rất kém. Do đó, hệ dầm phải chịu xoắn tốt để có thể chịu lực lệch tâm, chẳng hạn như xe chạy trên một bên cầu. Để đạt được yêu cầu độ cứng chống xoắn cao, dầm sẽ phải chế tạo theo dạng hình hộp (Hình 8a). Trong cầu hai mặt phẳng dây (đứng hoặc xiên), các dây văng được neo dọc theo hai bên của hệ mặt cầu. Trong trường hợp này, hệ dây văng sẽ chịu cả tải trọng đứng và xoắn. Do đó, người thiết kế không cần thiết phải bố trí hệ dầm có độ cứng chống xoắn tốt. Vì thế, hệ dầm có thể là dầm I đơn, I kép liên kết trực tiếp với hệ dây văng (Hình 8b). Trong các cầu dây văng nhịp rất lớn, nơi dễ bị ảnh hưởng bởi ổn định khí động học, một dầm hộp với hai mặt phẳng dây sẽ đem lại nhiều ưu điểm hơn và cũng làm cho hình dạng dầm có tính khí động học tốt hơn (Hình 8c). Tuy nhiên, cũng nên nhấn mạnh rằng, hình dạng như hình 8c chỉ dùng cho các cầu có nhịp rất lớn (trên 500m) hoặc cho các cầu có tỷ lệ chiều cao trên chiều dài nhịp nhỏ (dưới 1/25). 4. Tháp Cầu Hình dáng tháp cầu thể hiện một thanh cơ bản về khái niệm tổng thể của kết cấu. Hình dáng của tháp cầu ảnh hưởng đến cả tính thẩm mỹ và tính kinh tế của dự án cũng như các đặc trưng ứng xử tĩnh và động của nó. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 4 Ba dạng cơ bản của cột tháp là: dạng chữ A, chữ H và chữ Y ngược (Hình 9). Có nhiều cải tiến từ 3 dạng này, mỗi dạng có những ưu nhược điểm và tính mỹ thuật riêng. Hình dạng của cột tháp có liên quan mật thiết đến cách bố trí dây văng vì chức năng chính của cột tháp là để đỡ hệ dây văng. Hình 9. Ba dạng cơ bản của tháp cầu Trong cầu một mặt phẳng dây, tháp cầu có thể được thiết kế như là một thanh thẳng đứng hoặc dạng chữ Y ngược. Tháp thanh thẳng đứng tại giữa hệ mặt cầu có thể dùng cho cả sơ đồ dây song song và sơ đồ dây rẽ quạt, trong khi tháp chữ Y ngược lại đòi hỏi một sơ đồ rẽ quạt cải tiến. Tháp thanh thẳng đứng phải có một điểm neo cứng với cả hệ dầm chủ lẫn trụ cầu để đạt được sự ổn định với tải trọng lệch tâm. Trong cầu hai mặt phẳng dây theo phương thẳng đứng, tháp cầu có thể bao gồm hai cột thẳng đứng hoặc có dạng cột tháp chữ H. Theo điều kiện gối đỡ ở đầu dầm và dạng bố trí dây văng, cột tháp dạng chữ H cũng gần phù hợp với cột tháp chủ Y ngược. Với cầu có hai mặt phẳng dây xiên, đa số các người thiết kế sẽ chọn tháp chữ A kết hợp với sơ đồ bố trí dây rẽ quạt. Ngoài ra, nhiều tổ hợp khác về mặt lý thuyết cũng có thể được áp dụng cho cầu dây văng. Do cột tháp chịu tác động của lực căng của dây văng và các thành phần lực nén và uốn khác, tháp cầu nên được chế tạo từ bê tông, thép hoặc tổ hợp giữa bê tông và thép. Trong kết cấu tổ hợp, kết cấu bên trong bằng thép sẽ được bao phủ bởi lớp bên ngoài bằng bê tông với mục đích thẩm mỹ hay để mục đích cho các neo dây văng liên kết với vỏ bọc bê tông. Hầu hết các tháp cầu đều rỗng để bố trí thang lên xuống, cần trục và hệ thống cung cấp điện cần thiết cho việc duy tu bảo dưỡng. Mặt cắt ngang của cột tháp thường có dạng một hộp đơn. Do chủ yếu là chịu lực nén, độ cứng của cột tháp cần thiết phải được gia cường bằng các thanh gia cường, phương dọc cầu thường phải lớn hơn phương ngang cầu (Hình 10). Hình 10. Mặt cắt ngang điển hình của tháp cầu Tại các vùng neo dây văng, việc gia cường thêm các vách ngăn cứng theo phương dọc và ngang là điều cần thiết để giảm ứng suất cục bộ theo các phương khác nhau. 5. Kết cấu nhịp Cầu dây văng làm việc tốt với một phạm vi vật liệu kết cấu. Mặt cầu có nhiệm vụ chịu tải trọng do xe cộ và người qua lại. Kết cấu nhịp có thể bằng thép, bê tông hoặc bê tông-thép liên hợp, chẳng hạn như một khung dầm bằng thép bản mặt cầu bằng bê tông, hoặc hai dầm biên bằng bê tông với bản mặt cầu bằng thép. Dầm biên có thể xiên hay thẳng đứng, tùy thuộc vào hình dạng của tháp cầu, số mặt phẳng dây và phương pháp thi công (đổ tại chỗ hay sử dụng cấu kiện đúc sẵn). Khẩu độ nhịp lớn nhất có tính kinh tế có thể đạt được phụ thuộc vào các vật liệu được sử dụng. Hệ mặt cầu cũng ảnh hưởng đến tính kinh tế của công trình cầu. Với các cầu có nhịp khoảng 450m, mặt cầu Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 5 bằng bê tông cốt thép sẽ là giải pháp kinh tế nhất. Nó truyền lực nén tốt hơn mặt cầu bằng thép. Hơn nữa, chi phí bảo dưỡng cầu bê tông sẽ nhỏ hơn so với cầu thép. Với những nhịp lớn hơn, hệ mặt cầu bằng thép sẽ đem lại nhiều ưu điểm hơn vì lúc này yếu tố hạn chế tĩnh tải của kết cấu nhịp được đặt lên hàng đầu so với các yếu tố khác. Trong một phạm vi chuyển tiếp, hệ mặt cầu thép-bê tông liên hợp cũng có thể mang lại kinh tế, với ưu điểm là nhẹ hơn so với cầu bê tông, đơn giản trong chế tạo các cấu kiện bằng thép và bản mặt cầu bê tông, có khả năng chịu được lực ngang và thi công rất đơn giản. Cầu dây văng hiện đại đầu tiên có ít dâyvăng với khoảng cách các điểm neo dây tương đối lớn, do vậy hệ mặt cầu có độ cứng tương đối lớn. Ngược lại, trong những cầu dây văng ngày nay với nhiều dây văng, độ cứng của hệ mặt cầu lại có thể được giảm xuống thấp nhất có thể, nhưng vẫn bảo đảm độ ổn định của công trình. Đối với một dầm có tiết diện hở và bản mặt cầu bằng bê tông, một hệ thống kết cấu hiệu quả có thể đạt được bằng cách sử dụng các dầm bản, đặt trực tiếp tại vị trí liên kết dây văng, và liên kết các dầm bản này bằng các dầm ngang, cách nhau 3 - 5m (Hình 11). Với hệ thống này, các dầm ngang phải chịu một mô men dương suốt chiều dài dầm, do đó các dầm ngang này hoàn toàn có lợi từ việc tác dụng liên hợp với bản mặt cầu bê tông. Tương tự, tác dụng liên hợp cũng rất có lợi cho các dầm dọc, chịu tác dụng của lực nén từ thành phần nằm ngang trong lực căng của dây văng. Do do, cả hai dầm dọc và dầm ngang đều được bố trí các vấu chịu cắt ở trên bản cánh của chúng. Hình 11. Dầm bản điển hình 6. Dây Văng Trong cầu dây văng, dây văng đóng một vai trò hết sức quan trọng, cả về mặt kỹ thuật lẫn mặt kinh tế. Dây văng có thể chiếm tới 30% giá thành cầu. Ưu điểm chính của việc sử dụng cáp cường độ cao trong cầu dây văng chính là nhờ khả năng chịu lực của cáp cường độ cao tốt hơn nhiều so với thép sử dụng trong kết cấu thép thông thường. Cường độ tới hạn của các sợi cáp kéo nguội đường kính 5-7mm có thể dễ dàng đạt được tới 1600 MPa, trong khi thép thông thường chỉ đạt được cường độ tới hạn khoảng 350-500 MPa. Nói một cách khác, cáp cường độ cao có cường độ lớn hơn thép thường từ 3 đến 4 lần. Sự khác nhau này đưa đến kết quả là tiết diện (và trọng lượng) cáp cường độ cao cần thiết có thể chỉ bằng 25-33% so với thép thường khi phải chịu cùng một lực kéo thuần túy. Các loại cáp có thể dùng cho dây văng là: thanh thép song song, sợi song song, tao song song, tao xoắn và lõi cáp. (Hình 12). Thanh song song - Sợi song song - Tao song song -Tao xoắn - Dây cáp Hình 12. Các loại cáp Trong các loại trên, mô đun đàn hồi giảm từ khoảng 200,000 MPa đối với 3 loại đầu xuống 150,000 MPa đối với dây cáp. Các tao cáp thường được lựa chọn hơn các dây cáp vì các lý do sau: Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 6 Cùng kích thước, tao cáp có cường độ kéo đứt lớn hơn dây cáp. Mô đun đàn hồi của tao cáp cao hơn dây cáp.Tao cáp có ít khả năng uốn cong hơn dây cáp. Cáp bằng thép cường độ cao có cường độ rất lớn, nhưng lại rất mềm dẻo. Cáp sẽ đem lại tính kinh tế cho công trình vì cho phép kết cấu thanh mảnh và nhẹ hơn, điều rất cần cho các cầu nhịp lớn. Mặc dù chỉ cần một số lượng ít dây văng là đủ để chịu toàn bộ các lực của cầu, tính mềm dẻo của dây văng lại làm cho chúng rất yếu dưới tác dụng của tải trọng gió. Mặc dù sẽ gặp bất lợi khi gió lớn, một cầu với khối lượng nhẹ là một ưu điểm khi xảy ra động đất. Tuy nhiên, có thể xảy ra lún móng không đều trong quá trình động đất hoặc sau một thời gian sử dụng, cầu dây văng có thể bị phá hủy, do vậy phải cận thận chú ý đến vấn đề này khi thiết kế móng. Đặc tính độc đáo của dây văng và của cả kết cấu tổng thể làm cho việc thiết kế cầu dây văng trở thành một nhiệm vụ phức tạp. Đối với những nhịp lớn, nơi mà gió và nhiệt độ phải được quan tâm, việc tính toán trở nên cực kỳ phức tạp và sẽ trở thành nhiệm vụ bất khả thi nếu không có sự giúp đỡ của máy vi tính. Việc chế tạo dây văng cũng tương đối khó khăn. Việc lắp đặt dây văng và liên kết với dầm chủ và cột tháp khá phức tạp và đòi hỏi chế tạo chính xác cao. Một sơ đồ bố trí với nhiều dây văng, hiện đang được dùng phổ biến ngày nay, có những ưu điểm sau: • Hệ mặt cầu có thể thanh mảnh hơn. • Việc thi công kết cấu nhịp cầu trở nên đơn giản từ khi áp dụng phương pháp thi công hẫng mà không cần dây treo tạm thời. • Sự truyền lực đơn giản hơn. • Thay thế dây văng dễ dàng hơn • Ổ định khí động học, đặc biệt với hệ mặt cầu bê tông cốt thép, nơi tĩnh tải có hiệu quả giảm chấn. • Mô men uốn do tĩnh tải nhỏ. • Độ võng do hoạt tải nhỏ, do đó cầu dây văng cũng phù hợp cho cầu đường sắt. 7. Đặc điểm xây dựng Hình 13. Phương pháp xây dựng Thành công của cầu dây văng liên quan rất lớn đến quá trình thi công hiệu quả, mà là đặc trưng của loại cầu này. Do vậy, một cầu dây văng có thể được thi công bằng phương pháp hẫng từ tháp cầu, đối xứng qua tháp cầu (Hình 13a) hoặc chỉ thi công hẫng nhịp chính (Hình 13b). Trong trường hợp sau, nhịp biên được thi công trước giống như một cầu dầm thông thường. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 7 Trong phương pháp thi công hẫng cân bằng (đúc hẫng hoặc lắp hẫng, Hình 13a), cần lưu ý rằng ổn định tổng thể ở trạng thái tạm thời phụ thuộc vào độ cứng chống uốn và sự cố định của cột tháp. Trong nhiều trường hợp, độ cứng này sẽ chi phối quá trình thiết kế tháp cầu. Trong phương pháp chỉ thi công hẫng nhịp chính (Hình 13b), dây văng thường được lắp đặt thành từng cặp sao cho các dây văng của nhịp biên được thi công cùng lúc với các dây văng ở nhịp chính. Trình tự thi công điển hình của một cầu dây văng bao gồm các bước sau: 1. Thi công hẫng một đoạn dầm từ một điểm neo đã có đến điểm tiếp theo. Trong hầu hết các trường hợp, đoạn dầm được nâng lên bởi một hệ cần trục đặt trên hệ mặt cầu. 2. Lắp đặt dây văng, thường thực hiện bằng cách tháo các cuộn dây cáp đặt trên hệ mặt cầu. 3. Điều chỉnh lực căng trong dây văng bằng cách kích tại các neo chủ động. 4. Chuyển hệ cần trục đến đầu dầm để thi công đoạn tiếp theo Trong nhiều trường hợp, dây văng phải chịu lực căng lớn nhất sau khi đoạn dầm hẫng tiếp theo được thi công. Sau đó, lực căng sẽ giảm bớt khi dây văng tiếp theo được căng kéo. Một điều vô cùng quan trọng cần hiểu rõ là sự phân bố mô men do tĩnh tải tĩnh trong dầm hoàn toàn bị chi phối bởi lực căng trong dây văng trong suốt quá trình thi công. Do đó, một sự phân bố mô men do tĩnh tải tối ưu có thể đạt được bằng cách chọn lực căng trong dây văng ban đầu sao cho phù hợp. Sự phân tích cần thiết của các giai đoạn thi công có thể được thực hiện ngược lại một cách thuận lợi, bằng cách chọn trước một phân bố mô men do tĩnh tải theo mong muốn, sau đó tiến hành kiểm tra lại khả năng chịu lực của kết cấu theo trình tự thi công. 8. Kết luận Trong những năm gần đây, cầu dây văng đã được sử dụng phổ biến nhờ vào những ưu điểm sau: Sử dụng vật liệu hiệu quả. Kết cấu không phức tạp, dễ chế tạo và thi công. Thi công nhanh. Tính mỹ thuật cao. Vượt được nhịp lớn. Độ võng nhỏ hơn cầu dây võng. Có tính kinh tế cao đối với các cầu nhịp lớn. Cầu dây văng đã giúp các người thiết kế có nhiều phương án lựa chọn hơn để đạt đến một dự án cạnh tranh và ưu việt hơn cho các cầu nhịp lớn. (Tập san chuyên ngành số 1 2/1006 - CLB Giao lưu kỹ thuật Nhật Việt - jveef.nhatviet.net) (Nguồn: Tài liệu Hội thảo Khoa học kết cấu thép trong Xây dựng) Về sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 kết cấu cầu dây văng hiện đại nhịp lớn được phát triển do ưu điểm nổi bật về tính kinh tế của nó so với cầu dây võng vì không phải xây dựng các mố neo lớn, các tường neo cấp, cũng như do tiện lợi trong quá trình thi công dầm và lắp đặt cáp từ tháp mà tiến ra giữa nhịp. 1. Sư phát triển xây dựng cầu dây văng trên thế giới. Trong khoảng 50 năm qua kỹ thuật xây dựng cầu dây văng phát triển rất nhanh chóng. Do phát triển sau và địa hình có nhiều sông lớn cho nên châu Á trở thành nơi có nhiều cầu dây văng nhịp lớn nhất. Trên bảng 1 trình bày 10 cây cầu dây có nhịp lớn nhất thế giới. Thứ tự Tên cầu Địa điểm Feet Hoàn tất năm 1. Akashi Kaikyo Hyogo, Japan 6,529 1998 2. Izmit Bay Marmara Sea, Turkey 5,472 UC 3. Storebaelt Denmark 5,328 1998 4. Humber Humberside, England 4,626 1981 Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 8 5. Jiangyin Yangtze River, China 4,543 1999 6. Tsing Ma Hong Kong 4,518 1997 7. Verrazano- Narrows Lower New York Bay 4,260 1964 8. Golden Gate San Francisco Bay 4,200 1937 9. Hoga Kusten Stockholm, Sweden 3,969 1997 10. Mackinac Mackinac Straits, Mich. 3,800 1957 UC—Under Construction. Source: Federal Highway Administration. Các nhà thiết kế cầu luôn cố gắng vươn tới các cầu nhịp lớn, trước kia giáo sư Leonhardt đã đưa ra một phương án thiết kế cầu vượt qua eo biển Messina với nhịp chính 1750m, nhưng chưa thi công. Hiện nay tại Hồng Kông đã thiết kế xong Cầu dây văng Stonecutte cho 6 làn xe co nhịp chính 1818m. Chiều cao tĩnh không cho tàu thuỷ 73,5m. Dự án này do 4 Công ty tư vấn thực hiện thiết kế kết cấu và thiết kế cảnh quan kiến trúc, đó là các công ty Halcrow, Flint & Nrill Partnership, Viện thiết kế công trình đô thị Thượng Hải và Công ty thiết kế kiến trúc Đan Mạch (Danish architects Dissing + Weiling). Công trình dự kiến hoàn thành vào năm 2007. Người Trung Quốc muốn biểu dương sức mạnh trí tuệ và kinh tế trong một dự án cầu dây avưng khác, đó là cầu dây văng vượt qua cửa sông Trường Giang ở thành phố Nantong tỉnh Jiángu với nhịp chính có chiều dài lớn nhất thế giới 1088m. Công trình này sẽ không có sự tham gia của các công ty nước ngoài. Hiện nay dự án này đang được các Công ty Tư vấn là Viện Thiết kế và quy hoạch đường giao thông Trung Quốc và Viện thiết kế đường hầm Thượng Hải là các đơn vị tư vấn hàng đầu của Trung Quốc trong các lĩnh vực cầu dây văng và hầm thực hiện nghiên cứu khả thi. Việc so sánh giữa phương án hầm qua sông và phương án cầu dây văng cho thấy phương án cầu dây văng có ưu điểm nổi trội, tổng mức đầu tư khoảng 725triệu USD. Dự án dự kiến hoàn thành vào năm 2008. Công trình này là đỉnh điểm của sự phát triển cầu dây văng ở Trung Quốc trong khoảng thời gian 30 năm vừa qua. Bắt đầu từ năm 1975 hai công trình mở đường cho kết cấu cầu dây văng ở Trung Quốc được thực hiện có chiều dài nhịp 76m và 54m, sau 7 năm người Trung Quốc vượt nhịp 200m và 7 năm tiếp sau họ vượt nhịp trên 400m. Trong vòng 15 năm kể từ khi hai công trình mở đường, người Trung Quốc đã hoàn thành 20 cây cầu dây văng có nhịp lớn hơn 400m, trong số đó có 4 nhịp 600m và nhịp lớn nhất là 628m (xem bảng 1). Trong khoảng 25 năm của thế kỷ trước ở Trung Quốc đã xây dựng hơn 100 cầu dây văng. 2. Những bài học về kết cấu: Với 50 năm tích luỹ kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu thiết kế và xây dựng cầu dây văng, nhiều vấn đề lý luận không ngừng được cập nhật cho việc thiết kế kết cấu. 2.1. Bố trí dạng dây văng Dạng dây hình "Hình Đàn hạc" (các dây song song) là loại bố trí dây tạo được cảm giác mảnh, thanh thoát và đẹp cho công trình nhất là cầu nhịp nhỏ hơn 200m cho nên ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại người ta thường sử dụng hình thức này. Nhưng loại hình bố trí cáp này không tối uưu về mặt chịu lực vì gây ra mômen uốn lớn trong tháp nên ngày nay ít được dùng. Tuy nhiên đối với cầu nhịp nhỏ như cầu Kiền (Quốc lộ 10) vẫn có thể áp dụng để giải quyết về mặt thẩm mỹ cầu. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 9 Dạng dây xoè (hình nan quạt) có nhiều ưu điểm về mặt chịu lực cho tháp (giảm mômen uốn). Tuy nhiên dạng này bắt buộc phải tập trung liên kết dây cáp ở đầu tháp, nên rất khó cấu tạo cũng như tạo ra không gian cho việc đặt kích căng dây. Giáo sư Schlaich cùng công ty của ông đã có cánh giải quyết làm dạng "lọ hoa" trên đỉnh thép ở cầu Hoogly ở Calcutta. Loại cầu này có thể giải quyết với tháp bằng kết cấu thép. Bố trí dây văng "lai hình đàn hạc" là dạng dùng phổ biến của các cầu dây văng hiện đại. Toàn bộ đầu cáp neo vào tháp được bố trí ở phía trên thân tháp. Cách bố trí này khắc phục được các nhược điểm phân phối lực của dạng "đàn hạc" và dễ thi công căng cáp. Cả hai cầu có nhịp lớn nhất thế giới hiện nay là cầu Normandi (Pháp) và Tatara (Nhật Bản) đều bố trí dạng cáp này. 2.2. Dầm cầu. Một trong các đặc tính ưu việt của cầu dây văng là dầm cầu có chiều cao kiến trúc thấp vượt nhịp lớn. Ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại, khi bố trí cự ly dây vào dầm lớn, người ta thường sử dụng dầm thép bản ortroptop. Ngày nay các cầu hiện đại đều bố trí cự ly neo dây ngắn thì không nhất thiết phải sử dụng loại dầm này. Theo Giáo sư Rene Walther, trong nhiều cuộc đấu thầu gần đây cho thấy rằng với các cầu dây văng có nhịp 500m trở lại thì giá thành kết cấu phần trên của cầu với các loại dầm thép bản ortrotop, dầm bê tông liên hợp, bê tông cốt thép là như nhau. Điều đó dựa trên một thực tế là riêng giá thành dầm thép bản ortrotop đắt hơn dầm bê tông 4 lần nhưng nó được bù lại vì giảm trọng lượng cáp văng mà giá thành của nó cũng gần 4 lần đắt hơn ở dầm bê tông vì trọng lượng lớn hơn. Việc lựa chọn loại dầm nào còn tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể nơi xây dựng cầu, nếu điều kiện đất yếu thì dùng dầm loại nhẹ để giảm khối lượng thi công kết cấu phần dưới. Khi thiết kế so sánh phương án cho cầu Sunshine cho kết quả giá thành phương án dùng dầm bê tông và dầm thép lỉên hợp là như nhau. Đối với cầu sông Fraser ở Vancouver (Canada) thì phương án dầm liên hợp rẻ hơn vì địa chất yếu móng cọc sâu 70m. Nhưng có một điểm cần lưu ý hiện nay rất khó thi công lớp phủ măt cầu có độ bền cao trên bản mặt cầu ortrotop, do đó cần cân nhắc kỹ khi sử dụng. Ngày nay khi đã tích luỹ được nhiều số liệu về thí nghiệm khí động học và khuynh hướng bố trí dây với cự ly ngắn từ 7m đến 9m, các dầm cầu không nhất thiết phải thiết kế theo dạng hộp có dạng thoát gió. Các nhà thiết kế cố gắng dùng các loại dầm bản mỏng. Thío dụ cầu Evipros ở Euboea (Hy Lạp) được xây dựng 1992 có nhịp chính 215m giáo sư Schliech với các công sự thiết kế cầu với bản dầm chiều dày 45cm. 2.3. Tháp cầu Tháp cầu là kết cấu gây nhiều ấn tượng nhất về vẻ đẹp của cầu và đóng vai trò quan trọng cho việc ổn định khí động học cuqả kết cấu cầu. Trước kia tháp có các dạng cơ bản hình H, chữ A, chữ Y ngược hoặc Diamon. Những tháp có được dạng đẹp là các cầu Normandi, Tatara, Tháp cầu Cần Thơ đã được lựa chọn là một phương án kiến trúc tốt. Phần lớn các cầu lớn mặt cắt ngang của cột tháp đều có dạng hình hộp. Ở Trung Quốc người ta chú ý nhiều đến việc mặt cắt cột tháp có đủ chỗ để bố trí kích căng cáp tại tháp thuận tiện cho thi công cho nên hình dạng tháp chưa thanh thoát tương xứng với kết cấu cầu. Hiện nay có nhiều khuynh hướng tìm tòi các giải pháp kiến trúc cho tháp vừa đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ nhưng có lợi về mặt kinh tế, nhất là vùng chịu gió bão lớn, có mặt cầu rộng, đó là loại tháp một cột. Điển hình cho loại này là cầu Ting Kau ở Hồng Kông: tháp chỉ có một ống để đảm bảo ổn định ngang của cột người ta dùng cáp neo 2 bên của phần dưới thân trụ. Hiện nay, cầu Stonecutter cũng dùng loại tháp một cột. Tính kinh tế của tháp ở chỗ thi công một cột bao giờ cũng rẻ hơn thi công hai cột. 2.4. Số lượng mặt phẳng dây Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đều ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn mặt phẳng dây. Việc dùng 3 mặt phẳng dây cho các cầu nhịp nhỏ, do nhược điểm về mặt phân phối chịu lực, ngày nay không dùng nữa. Đối với cầu 1 mặt phẳng dây có ưu điểm về mặt mỹ thuật cầu thông thoáng và kích thước móng không cần lớn. Tuy nhiên đối với loại kết cấu này người ta còn đang xem xét về giới hạn trên của chiều dài nhịp. Qua quá trình khai thác cầu Chao Phraya (Bang Kok, Thái Lan) có nhịp chính 450m, do vấn đề dao động nên thường xuyên phải sửa chữa và gia cường lớp phủ mặt Asphal mặt cầu. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 10 [...]... đối với du khách! Sự phát triển cầu treo dây văng ở Trung Quốc Hiện nay nhiều cầu treo đã và đang được xây dựng tại Trung Quốc Măc dù việc áp dụng cầu treo tại Trung Quốc tương đối muộn, nhưng hiện Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 24 nay Trung Quốc được xếp vào những quốc gia phát triển nhất về cầu treo dây văng Theo thống kê, ở Trung Quốc có hơn 100 cầu treo, trong đó 11 cầu treo dây văng có nhịp... 400m Cầu treo dây văng đầu tiên được xây dựng vào năm 1975 là cầu Yunyang nhịp 76m ở Tứ Xuyên Từ thập niên 80, Trung Quốc đã chứng kiến sự phát triển nhanh chóng việc xây dựng cầu dây văng thế hệ thứ 2 với việc hoàn thành cầu Maogang ở Thượng Hải và cầu Jinan Yellow River ở Sơn Đông vào năm 1982 Thập niên 90 Trung Quốc phát triển cầu treo dây văng thế hệ thứ 3 với các cầu treo cỡ nhẹ Hàng loạt cây cầu. .. 36m ở phía trên, được xếp thứ nhất trong số các cầu treo dạng này trên thế giới Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 27 Cầu treo dây văng dầm thép được xây dựng sớm nhất (năm 1987) ở Trung Quốc là cầu Dongying Yellow River ở Sơn Đông với nhịp giữa dài 288m gồm 2 hộp thép đơn Cầu lớn nhất loại này từng được xây dựng ở Trung Quốc là cầu South Channel (hình 5) với nhịp chính 628m thuộc dự án đang triển. .. dạng này có triển vọng rất lớn Hình 7 Cầu Baishazhou Yangtze River Thập kỷ qua đã chứng kiến sự phát triển ấn tượng của cầu treo dây văng ở Trung Quốc với hàng chục cầu lớn có nhịp trên 400m, thậm chí 600m đã được xây dựng Bên cạnh đó, Trung Quốc ưu tiên phát triển cầu treo dây văng dầm ứng suất trước và dầm liên hợp Cầu dây văng ống thép nhồi bê tông hoàn thành đã chứng minh triển vọng phát triển của... rộng 1.7m Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 25 Cầu Jinma ở Quảng Đông có sơ đồ nhịp 60+283+283+60m trở thành cầu treo dây văng 1 trụ tháp với dầm ứng suất trước không chỉ lớn nhất ở Trung Quốc mà còn đạt kỷ lục thế giới Do điều kiện địa hình khống chế nên cầu Hanjiang River ở Yunyang (hình 2) có nhịp chính 414m và 2 nhịp bên 43m được thiết kế với 42m dài neo trong đất cho mỗi nhịp bên Cầu treo dạng... án cầu Rạch Miễu - QL60 bao gồm các hạng mục chính sau: Cầu số 1: Dài 1878,4m, bao gồm cầu chính dài 504m dạng cầu dây văng (nhịp lớn nhất dài 270m) và cầu dẫn hai bên dài 1374,4m dạng dầm giản đơn super T lớn Cầu số 2: Dài 990,2m, bao gồm cầu chính dài 381,8m dạng cầu BTCTDƯL đúc hẫng cân bằng (nhịp nhất dài 90m) và cầu dẫn hai bên dài 608,4m dạng dầm giản đơn super T Sự phát triển cầu dây văng ở Việt... đèn trang trí ở cáp văng, trụ tháp, dầm và điểm nghỉ chân ở các mố cầu Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 22 Việc xây dựng cầu Bãi Cháy có ý nghĩa đặc biệt quan trọng về giao thông bởi eo Cửa Lục nằm ở trung tâm quốc lộ 18 (nối thủ đô Hà Nội với vùng Đông Bắc) nên giao thông luôn bị gián đoạn, chủ phương tiện phải chuyển sang dùng phà Khi đưa vào sử dụng, cầu Bãi Cháy sẽ góp phần phát triển kinh tế... dặm) của cầu chính, 11,5 km (7,1 dặm) cầu cạn, và 4,8 km (3,0 dặm) đường nối dài • Cầu Rio-Antirio: với tổng chiều dài 2880 m và 4 tháp, là cầu có sàn được treo bằng cáp dài thứ hai (dài 2258 m) thế giới, bắc qua Vịnh Corinth gần Patra, Hy Lạp Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 32 Cầu Tatara: là cầu dây văng có nhịp lớn nhất 890 m (2.920 foot), một phần của một loạt cầu nối Honshū và Shikoku ở Nhật... vọng của kết cấu cầu dây văng ở Việt Nam Đến khoảng năm 2007 chúng ta sẽ có 6 cây cầu dây văng đi vào khai thác Sau giai đoạn này, đội ngũ kỹ sư thi công và thiết kế sẽ tích luỹ được nhiều kinh nghiệm và việc xây dựng cầu dây văng ở Việt Nam sẽ phát triển nhanh hơn, nhất là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long nơi có nhiều sông rộng, nước sâu, yêu cầu thông thuyền cao Đối với vùng đồng bằng Nam Bộ nên mạnh... cây cầu dây võng hiện đại, dài nhất Việt Nam Thủ tướng cũng biểu dương các nhà thầu, đơn vị tư vấn đã tập trung nhân lực thi công cầu đảm bảo an toàn, chất lượng Mô hình cầu Rồng.Cũng trong sáng 19.7, Thủ tướng Nguyễn Tấn Dũng dự lễ khởi công xây dựng cầu mới thứ sáu trên sông Hàn - cầu Rồng (Xem mô hình ở bên) Cầu Rồng dài 670 Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 23 mét, rộng 37 mét, vốn đầu tư gần . song song, tao xoắn và lõi cáp. (Hình 12). Thanh song song - Sợi song song - Tao song song -Tao xoắn - Dây cáp Hình 12. Các loại cáp Trong các loại trên, mô đun đàn hồi giảm từ khoảng 200,000. c o hệ chống gỉ cho cáp gồm nhiều lớp. Ví dụ, PTI yêu cầu: - Hai lớp b o vệ hoàn toàn lồng v o nhau; - Lớp b o vệ bên trong phải hoàn toàn bọc phần cáp chịu lực k o trên toàn chiều dài tự do. cao cần thiết có thể chỉ bằng 25-33% so với thép thường khi phải chịu cùng một lực k o thuần túy. Các loại cáp có thể dùng cho dây văng là: thanh thép song song, sợi song song, tao song song,