cở sở thiết kê cầu treo dây võng

CHƯƠNG CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU TREO DÂY VÕNG 1.1 GIỚI THIỆU 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu treo dây võng đại Cầu treo dây võng đại phát triển từ kỷ XIIX phát triển kết cấu cầu việc sản xuất thép bắt đầu trở nên phổ biến Cầu Jacobs Creek xây dựng Mỹ năm 1801 theo thiết kế Finley, có nhịp 21,3m Đặc điểm bật cầu có dầm chủ dạng dàn để tạo độ cứng cần thiết cầu tạo phân bố tải trọng qua tháp treo cáp hạn chế đáng kể biến dạng cáp Cầu Clipfton với nhịp 214 m, cầu treo dây võng cổ dùng cho ô tô qua lại, khởi công xây dựng năm 1831 hoàn thành năm 1864 nước Anh, sử dụng loại xích sắt rèn Sự phát triển chiều dài nhịp nửa đầu kỷ XX nước Mỹ Phương pháp lắp dây cáp kiểu “quay tơ” (AS method) sử dụng cho cáp kim loại dạng song song Roebling đề xuất, áp dụng lần xây dựng cầu Niagara, hoàn thành năm 1855 với nhịp dài 246m Cơng nghệ sau áp dụng cầu Brooklyn, hồn thành năm 1883 với nhịp dài 486m, dây thép lần sử dụng Cầu Brooklyn, coi cầu dây võng đại xây dựng suốt 14 năm để bắc ngang sông New York East Tiếp đến, năm 1903, cầu Manhattan với nhịp 448m sau lâu, năm 1909 cầu Williamsburg với nhịp dài 448m xây dựng đoạn thượng lưu dòng sơng Cầu George Washington bắc qua sông Hudson New York hoàn thành năm 1931 với nhịp dài 1067m; tháp cầu thép cao 180m; dây chủ dùng bó cáp, bó cáp có đường kính 90 cm; dầm cứng dạng dàn thép rộng 32,3m, cao 9,1m; dùng cho xe, đến năm 1962 cải tạo nâng cấp đủ dùng cho 14 xe Trong năm 1936 cầu qua vịnh San Francisco- Oakland, cầu dây võng kép với nhịp 704m năm 1937 cầu Golden Gate với nhịp 1280m; tháp thép cao 227m; dây chủ dùng cáp, cáp có đường kính 90 cm xây dựng khu vực vịnh San Francisco Năm 1940, cầu Tacoma-Narrows với nhịp 853m, lớn thứ ba giới lúc giờ, có dầm cứng kiểu dầm I đặc, xây dựng xong cầu xuất dao động uốn với biên độ lên tới 8,5m xảy sau dao dộng xoắn Nó đổ sập tốc độ gió 19m/s vào thời điểm tháng sau hoàn thành Sau tai nạn này, vấn đề thiết kế chịu gió trở nên vấn đề cốt yếu cầu treo dây võng Tuy cố cầu treo làm tăng thêm mức độ thận trọng thiết kế mà không hạn chế bước phát triển cầu treo Cầu Tacoma Narrows xây dựng lại năm 1950 với chiều dài nhịp tương tự với việc cải tiến sử dụng dầm cứng kiểu dàn Cầu Mackinac Straits với nhịp dài 1158m xây dựng cầu treo dây võng lớn tương đương với cầu Golden Gate năm 1956 cầu Verrazano Narrows với nhịp 1298m, giữ kỷ lục giới sau khoảng thời gian 17 năm, xây dựng năm 1964 Xu hướng kết cấu Châu Âu từ cuối chiến tranh giới lần tới năm 1960 Cầu treo dây võng xây dựng phổ biến châu Âu, nhịp chúng không yêu cầu dài Tại nước Anh cầu Forth Road, với nhịp 1006m xây dựng sử dụng dạng dàn dây, cầu Severn với nhịp 988m xây dựng với dầm hộp dây treo cáp chéo năm 1966 Thiết kế độc đáo cách mạng hố cơng nghệ cầu treo dây võng Cầu Humber với nhịp dài 1410m mà dài giới trước năm 1997 xây dựng công nghệ tương tự cầu Severn Tại Bồ-đào-Nha, cầu 25 de Abril thiết kế cho tải trọng xe lửa ô tơ hồn thành năm 1966 với nhịp 1013m Năm 1998 cầu Great Belt East với nhịp dài thứ hai giới 1624m hoàn thành Đan mạch sử dụng dầm hộp Sự phát triển châu Á từ thập kỷ 70 Tại Nhật Bản việc nghiên cứu đề xuất kết cấu cầu Honshu -Shikoku bắt đầu Hội kỹ sư cơng trình Nhật-Bản năm 1961 Công nghệ thiết kế cầu treo dây võng nhịp lớn áp dụng cầu Honshu - Shikoku, ảnh hưởng định tới cấu tạo cầu Kanmom, hoàn thành năm 1973 với nhịp dài 712m sau cầu Namhae hoàn thành năm 1973 Hàn Quốc với nhịp dài 400m cầu Hirado hồn thành năm 1977 với nhịp dài 465m Cầu Innoshima với nhịp 770m xây dựng năm 1983 cầu dây võng dự án cầu Honshu Shikoku, sau cầu Ohnaruto hoàn thành năm 1985 với nhịp dài 876m dùng cho tải trọng đường sắt có dự kiến phát triển tải trọng xe tương lai Dự án cầu Honshu - Shikoku cải tạo nâng cấp công nghệ năm 1988 để sử dụng phù hợp cho cầu đường tầu cao tốc Tuyến bao gồm hệ thống hàng loạt cầu treo dây võng nhịp lớn cầu Minami Bisan Seto với nhịp 1100m cầu Kita Bisan Seto với nhịp 990m cầu Shimotsui Sento với nhịp 910m Cầu Akashi Kaikyo hoàn thành năm 1998 với nhịp dài giới 1991m, thể tích luỹ kinh nghiệm cơng nghệ xây dựng cầu treo từ trước tới Tại Thổ Nhĩ Kỳ cầu Bosporus với nhịp dài 1074m xây dựng năm 1973 với kiểu dạng tương tự cầu Severn, thời gian cầu Bosporus thứ hai với nhịp dài 1090m khởi cơng xây dựng sau đổi tên cầu Fail Sulta Mehmet, hoàn thành năm 1988 sử dụng dây treo thẳng đứng thay cho dây treo chéo Tại Trung Quốc cầu Tsing Ma (Hồng Kông) cho xe lửa ô tô chung với nhịp 1377m hồn thành năm 1997 Xây dựng cầu treo nhịp lớn có độ khoảng 1000m vấn đề quan tâm Cầu qua sông Xi Li Yangtze với nhịp 900m cầu Jing Yin Yangtze với nhịp 1385m xây dựng [1] Cả hai cầu treo có dầm hộp cứng tháp bê tơng Một số dự án xây dựng cầu treo có chiều dài vượt nhịp lớn hình thành Sự phát triển cầu treo dây võng Việt Nam Trong năm chiến tranh, hệ thống cầu cống nước ta bị đánh phá nhiều Để phục vụ kịp thời cho tiền tuyến cần phải khôi phục lại cầu bị phá hoại việc xây dựng cầu cáp, cầu treo giải pháp hợp lý nhanh chóng Cho đến nay, cầu treo giữ vị trí quan trọng giao thơng khơng miền núi, phục vụ đắc lực cho công phát triển kinh tế xã hội vùng sâu, vùng xa nước ta Những vị trí đòi hỏi xây dựng cầu có độ, khổ thơng thuyền lớn (các cửa sơng lớn) việc sử dụng cầu treo làm xáo trộn chế độ dòng chảy tự nhiên sông, mang lại hiệu thiết thực kinh tế kỹ thuật Hơn nữa, cầu treo thường tạo dáng vẻ đẹp điểm nhấn kiến trúc khu vực đô thị lớn Ở Việt Nam bắt đầu xây dựng nhiều cầu treo từ năm 1965 Những cầu loại cầu cáp không cổng, có hệ dây (hình 1.1) với độ từ 80¸120m Loại cầu thiết kế thành định hình cầu cáp dã chiến khơng cổng, ứng dụng rộng rãi thời kỳ chiến tranh (1965-1975) a=15-20° Hình 1.1 Sơ đồ cầu treo không cổng Đối với loại cầu độ từ 120¸200m thường áp dụng loại cầu cáp có cổng (Hình1.2) a=15-20° a=15-20° Hình 1.2: Sơ đồ cầu treo có cổng Đây loại cầu hai hệ dây: hệ dây gồm hai cụm dây chủ hệ cáp mặt cầu: hệ dây gồm hai cụm cáp chủ vắt qua cổng trụ Hai hệ dây neo giữ hố riêng biệt Mặt cầu cầu cáp không cổng cầu cáp có cổng gồm dầm ngang thép, gỗ đặt h cỏp mt cu (Hỡnh 1.3) Dây đeo Mặt cầu gỗ d=8cm Cáp 2f56 Cáp 2f56 Cáp mặt cầu 8f32 2[ N°24 Hình 1.3 Mặt cắt ngang cầu treo loại có cổng khơng cổng Vào năm 1965, 1966 xây dựng cầu qua Sông Lô, độ 104m; cầu Kỳ Cùng có độ 120m Năm 1967, xây dựng cầu cáp Việt Trì với độ 225m, cầu Đuống độ 190m Năm 1969 xây dựng cầu Đò quan (Nam Định) độ 190m, xây dựng lại cáp chủ bố trí theo dạng Saplin Sau thời kỳ hàng loạt cầu treo dầm cứng xây dựng cầu Bảo Nhai, độ 140m; cầu Hang Tôm độ 140m; cầu Cốc Pài, độ 100m; cầu treo Cửa Rào, độ 130m Năm 1980 thiết kế cầu treo Sông Hồng, chiều dài toàn cầu 1206m Năm 1983 xây dựng xong tồn kết cấu bên dưới, sau thay đổi cầu cứng dàn thép khơng mua cáp Trong năm gần số dự án cầu treo cầu Thanh Thạch (Quảng Bình), cầu H'ling (Đắc Lắc), cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) Đặc biệt dự án xây dựng cầu Nhật Tân (Hà Nội) có đề xuất phương án cầu treo dây võng với đặc điểm chọn sơ bộ: độ nhịp 500¸600m nhịp biên 145¸180m, chiều cao tháp tính từ mặt xe chạy »70m, khoảng cách treo dầm ngang từ 10¸12m Nghiên cứu lý thuyết tính tốn thiết kế cầu treo có nhiều quan thực chủ yếu trường Đại học, Viện nghiên cứu, thiết kế Trong cơng trình tác giả Bùi Khương, Lều Thọ Trình tính theo phương pháp lực Tác giả Phan Thanh Hà tính tốn cầu treo theo sơ đồ biến dạng phương pháp hỗn hợp Tác giả Nguyễn Đạo Tú tính tốn tăng cường độ cứng cầu treo Ngày có định hình thiết kế cầu treo với tải trọng khai thác nhỏ đoàn xe H8, H10 Chỉ riêng năm 1999 có 10 cầu treo cho giao thông miền núi thiết kế Trong điều kiện cụ thể nước ta, để cầu treo tiếp tục phát triển áp dụng rộng rãi, cần nghiên cứu cách toàn diện lĩnh vực: tính tốn kết cấu, thiết kế cơng nghệ thi công 1.1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật số cầu treo giới Sơ đồ kích thước số cầu treo dây võng nhịp lớn giới trình bày bảng 1-1 Bảng 1.1 Kích thước cầu treo dây võng nhịp lớn Stt Tên cầu Tên nước Năm hoàn thành Chiều dài nhịp Loại Akashi Kaikyo Nhật 1998 960+1991+960 nhịp chốt Great Belt East Đan mạch 1998 535+1624+535 Liên tục Humber Anh 1981 280+1410+530 3nhịp chốt Jing Yin Yangtze Trung Quốc 1999 336.5+1385+309.34 nhịp đơn Tsing Ma Trung quốc 1997 455+1377+300 Liên tục Verrazano Narrows Mỹ 1964 370.3+1298.5+370.3 nhịp chốt Golden Gate Mỹ 1937 342.9+1280.2+342.9 nhịp chốt Hoga Kusten Thuỵ Điển 1997 310+1210+280 nhịp chốt Mackinac Mỹ 1957 548.6+1158.2+548.6 nhịp chốt 10 Mianami Bisan-Seto Nhật Bản 1988 274+1100+274 Liên tục Ghi đường xe lửa đường xe lửa 11 Fatih Sultan Mehmet Thổ Nhĩ Kỳ 1988 210+1090+210 nhịp đơn 12 Bosphorus Thổ Nhĩ Kỳ 1973 231+1074+255 nhịp đơn 13 George Washington Mỹ 1931 185.9+1066.8+198.1 nhịp chốt 14 Kurushima Kaikyo Nhật Bản 1999 260+1030+280 nhịp đơn 15 Kurushima Kaikyo Nhật 1999 250+1020+245 nhịp chốt 16 25 de Abril Bồ Đào Nha 1966 483.4+1012.9+483.4 Liên tục 17 Forth Road Anh 1964 408.4+1005.8+408.4 nhịp chốt 18 Kita Bisan Seto Nhật Bản 1988 274+990+274 Liên tục 19 Severn Anh 1966 304.8+987.6+304.8 nhịp chốt 20 Shimotsui-Seto Nhật Bản 1988 230+940+230 nhịp đơn có mút thừa 21 Xi Ling Yangtze Trung Quốc 1997 225+900+255 nhịp đơn 22 Hu Men Zhu Jiang Trung Quốc 1997 302+888+348.5 nhịp đơn 23 Ohnaruto Nhật Bản 1985 93+330+876+330 nhịp chốt 24 Tacoma Narrows Mỹ 1950 335.3+853.4+335.3 nhịp chốt 25 AsKoy Na Uy 1992 173+850+173 nhịp đơn 26 Innoshima Nhật Bản 1983 250+770+250 nhịp chốt 27 Akinada Nhật Bản 2000 255+750+170 nhịp chốt 28 Hakucho Nhật Bản 1998 330+720+330 nhịp chốt 29 Angostura Vêlêzula 1967 280+712+280 nhịp chốt 30 Kanmon Nhật Bản 1973 178+712+178 nhịp chốt 31 San FranciscoOakland Bay Mỹ 1936 356.9+704.1+353.6 nhịp chốt đường xe lửa đường xe lửa đường xe lửa đường xe lửa 1.2 HỆ THỐNG KẾT CẤU 1.2.1 Các phận kết cấu cầu treo Hệ thống kết cấu cầu treo dây võng thể hình 1.4 Dầm/dàn cứng: Kết cấu dọc để chịu phân bố tải trọng hoạt tải, hoạt động dây cung đảm bảo ổn định khí động học cho kết cấu Cáp chính: Tổ hợp bó sợi cáp song song, phận chịu lực cầu, nâng đỡ dầm/dàn cứng hệ mặt cầu truyền tải trọng qua tháp cầu tới trụ móng Sự truyền tải từ dầm/dàn lên cáp thực thông qua dây cáp treo Tháp cầu: Kết cấu trung gian thẳng đứng, chịu lực từ cáp xuốngvà truyền tải trọng cầu tới móng Khối neo: khối bê tơng nặng để giữ neo cáp hoạt động phận chịu lực sau cầu 1.2.2 Phân loại cầu treo dây võng Cầu treo dây võng phân loại theo số nhịp, tính liên tục dầm cứng, loại dây võng phương thức neo cáp Hình 1.4 Cấu tạo phận cầu treo dây võng Phân loại theo số lượng nhịp Cầu thường có sơ đồ nhịp, hai nhịp, ba nhịp dây võng với hai tháp cầu nhiều nhịp dây võng với ba nhiều ba tháp (hình 1.5) Cầu treo dây võng ba nhịp sử dụng phổ biến Trong cầu dây võng nhiều nhịp, chuyển vị ngang đỉnh tháp tăng đáng kể tải trọng đặt nhịp cần quan tâm mức tới biện pháp cấu tạo để kiểm soát chuyển vị tháp cầuý Hình 1.5 Các loại cầu treo dây võng (một nhịp, hai nhịp nhiều nhịp) Phân loại theo cấu tạo dầm cứng Dầm cứng dùng sơ đồ dầm giản đơn tĩnh định hay dầm liên tục (hình 1.6) Dầm cứng có sơ đồ dầm giản đơn thường sử dụng cho cầu đường ô-tô Đối với cầu đường sắt cao tốc, dầm liên tục thường áp dụng để đảm bảo êm thuận chạy tàu Hình1.6 Các loại dầm cứng( dầm cứng tĩnh định, dầm cứng liên tục) Phân loại theo hình thức bố trí dây treo Dây treo đặt thẳng đứng đặt xiên (hình 1.7) Nói chung, dây treo cầu treo dây võng đa số đặt thẳng đứng Dây treo xiên sử dụng trường hợp cầu Severn để tăng giảm rung kết cấu dây võng Trường hợp phối hợp dây treo thẳng đứng với dây xiên nhằm mục đích cải thiện độ cứng hệ kết cấu nhịp Hình 1.7 Các loại hệ thống dây treo ( dây treo thẳng đứng, chéo dây treo kết hợp với dây văng) Phân loại theo hình thức neo cáp Cáp neo vào khối neo bên ngồi tự neo (hình 1.8) Phần lớn cầu treo dây võng bố trí neo bên ngồi Với kiểu tự neo, thay neo vào khối neo cáp cố định với đầu dầm cứng, lực dọc từ cáp truyền vào dầm cứng Hình 1.8 Các loại neo cáp ( neo bên ngồi, tự neo) 1.2.3 Tháp Theo hướng dọc cầu Tháp phân loại : cứng, mềm chân khớp (hình 1.9) Tháp mềm thường dùng cầu treo nhịp lớn, tháp cứng thường dùng cầu treo nhiều nhịp để cung cấp đủ độ cứng cho cầu, tháp chân khớp thường dùng cầu treo nhịp ngắn, bán vĩnh cửu Theo hướng ngang cầu Tháp phân dạng: dạng cổng, dạng có giằng chéo hay dạng có cấu tạo hỗn hợp (bảng 1.2) Ngồi ra, trục tháp trục thẳng đứng hay trục nghiêng Khi tháp bố trí nghiêng trục tháp phải trùng với đường tâm cáp đỉnh tháp Cấu tạo hình dạng tháp có ảnh hưởng lớn tới trạng thái làm việc tồn cầu kiến trúc tổng thể cơng trình Hình 1.9 Các loại kết cấu tháp (loại cứng, mềm chân khớp) Bảng 1.2 Các loại khung tháp 1.2.4 Cáp chủ Đối với cầu treo dây võng cổ điển, cáp dây treo cấu tạo dạng xích, xích có tai treo vật liệu khác Cáp kim loại sử dụng lần cho cầu treo dây võng nửa đầu kỷ XIX, cáp sợi song song chấp nhận lần cầu Niagara Falls năm 1854 ; thép kéo nguội thép sợi mạ kẽm chấp nhận lần cầu Brooklyn năm 1883 Lọai sử dụng hầu hết loại cầu treo dây võng nhịp lớn Bảng 1.3 thể số loại cáp tổ hợp từ bó sợi song song hay bó tao cáp Nhìn chung bó cáp tao cáp sợi cáp xếp bố trí thành hình vòng tròn hay hình đa giác Dây treo sợi thép, thép, bó sợi tao, tao sợi song song loại khác Bó sợi tao sử dụng phổ biến làm cáp chủ cầu treo dây võng đại Trong cầu Nakashi Kaikyo Kurushima Kaikyo, tao sợi song song bọc Polyetylen theo suốt chiều dài nhằm bảo vệ tao thép không bị tác động ăn mòn mơi trường Bảng 1.3 Các loại cáp cầu treo dây võng Tên Tao sợi song song Dạng hình học Cấu trúc Các sợi bó song song thành hình lục giác Cầu Brooklyn Humber Great Belt East Akashi Kaikyo Cáp bó tao Sáu tao bên ngồi bọc tao bên St.Johns 10 Mặt cắt ngang cầu Messina Straits Hình 1.18 Các dạng mặt cắt ngang cầu Bắt đầu Thiết kế tĩnh tải Kiểm chứng thành phần lực Xác định hệ số lực dòng khí ( Thí nghiệm hầm gió) Lực Kéo Lực nâng, hạ Mô men Kiểm chứng ổn định tĩnh Phân chia 23 Kiểm chứng ổn định động (Thí nghiệm hầm gió) Hiệu ứng Gust Fluter Vận tốc gió tới hạn Kết thúc Sơ đồ 1.19 Trình tự phân tích tác động gió Đối với cầu Akashi Kaikyo mơ hình tổng thể 1/100 có chiều dài tổng cộng khoảng 40m, thực nghiệm kiểm chứng hầm gió nhằm phân tích ổn định khí động học cơng trình tác dụng luồng gió mạnh xác định số đặc trưng Flutter Biện pháp giảm dao động cho cầu treo Biện pháp giảm dao động phân loại bảng 1.4 Sử dụng thiết bị giảm chấn: Thiết bị giảm chấn, biến pháp đối phó cấu trúc khí có nhằm giảm bớt biên độ dao động ví dụ biên độ dao động lớn đỉnh tháp Bộ giảm chấn chế tạo theo nguyên ýtắcý điều chỉnh khối lượng (TMD) dùng nguyên lý thuỷ lực (TLD) sử dụng rộng rãi năm gần Bộ giảm chấn kiểu khối lượng chủ động (AMD) hạn chế biên độ dao động dải tần số rộng, áp dụng nhiều cầu treo Bảng 1.4 Biện pháp giảm dao động Đối tượng Với kết cấu Với tác động gió Mục tiêu điều chỉnh Biện pháp Tăng giảm rung TMD, TLD, AMD Tăng độ cứng Tăng khối lượng Tăng diện tích mặt cắt dầm cứng Diện tích mặt cắt Dầm hộp dáng khí động Kết cấu bên Mặt mở Tăng độ cứng: Một cách để tăng độ cứng tăng chiều cao dầm Đây phương thức có hiệu để giảm tương Flutter Các giải pháp dựa lý thuyết khí động học: Dựa vào lý thuyết khí động học đề giải pháp tăng cường ổn định khí động học, ví dụ phải mở rộng mặt cầu thiết kế chi tiết gió 24 1.3.5 Thiết kế chịu động đất Tổng quan Trong năm gần đây, không xảy trường hợp cầu treo dây võng đổ sụp chí gây thiệt hại nghiêm trọng có động đất Trong suốt thời gian xây dựng cầu Akashi Kaikyo vị trí tương đối bốn móng thay đổi nhỏ không đáng kể di chuyển vỏ trái đất trận động đất Hyogo ken Nanbu năm 1995 Tác dụng động đất không gây thiệt hại tới hạn với kết cấu Mặc dù lực cắt kết cấu bên sinh từ tải trọng động đất quan hệ gần với tần số dao động tự kết cấu bên Cần xác định chuyển vị lớn dầm cứng lực ngang lớn móng ảnh hưởng tác dụng động đất Phương pháp thiết kế Kết cấu bên cầu treo dây võng cần phân tích để chịu tác dụng động đất có tính chu kỳ Ví dụ kết cấu bên cầu treo Akashi Kaikyo thiết kế với trường hợp có biến động lớn có tính chu kỳ khu vực xây dựng cầu Phổ gia tốc thiết kế tiêu chuẩn hoá thể hình 1.20 Phương pháp áp dụng phân tích phổ động đất dựa biểu đồ gia tốc thu thập theo thời kỳ (phương pháp time-history) thực mơ hình khơng gian ba chiều bao với kết cấu bên gối đàn hồi Hình 1.20 Phổ gia tốc thiết kế 25 1.3.6 Tháp cầu treo Tổng quan Loại tháp mềm áp dụng phổ biến dùng làm tháp cầu treo dây võng nhịp lớn xây dựng gần Tháp mềm có chuyển vị rõ rệt trình chịu tải trọng truyền tới từ cáp Vật liệu xây dựng tháp thép hay bê tông cốt thép Các cầu treo nhịp lớn tiếng giới cầu Golden Gate, cầu Verrazano Narrows Mỹ hay cầu Akashi Kaikyo Nhật Bản có tháp thép Trong cầu treo nhịp lớn khác cầu Humber Great Belt East Châu Âu cầu Tsing-Ma Trung Quốc tháp cầu lại sử dụng vật liệu bê tông cốt thép Do tải trọng truyền tới tháp chủ yếu theo phương thẳng đứng nên tháp phân tích hệ thống kết cấu độc lập Thiết kế tháp cầu treo Phương pháp thiết kế cho tháp thép tháp bê tông khơng q khác biệt Theo phương ngang, tháp phân tích theo lý thuyết biến dạng nhỏ Điều chấp nhận hiệu ứng kiềm chế cáp không đáng kể độ cứng uốn tháp cao Cho hướng dọc phương pháp phân tích Birdsall, tham khảo mục 1.3.2 sử dụng phổ biến Tuy nhiên phương pháp xác phương pháp phân tích chuyển vị hữu hạn với mơ hình ba chiều sử dụng, cho phép phân tích hai hướng dọc ngang (như làm cầu Akashi Kaikyo) Một ví dụ trình tự thiết kế cho tháp thể hình 1.21 26 Hình 1.21 Trình tự thiết kế tháp Kết cấu tháp Mặt cắt ngang thân tháp dạng chữ T, chữ nhật dạng ngăn hình 1.22 Trong phạm vi mặt cắt chia làm nhiều hộp nhỏ, nhiên sử dụng dạng mặt cắt ngăn Cấu tạo chi tiết tháp phải đảm bảo khả chịu lực dọc, lực cắt mô men uốn truyền lực xuống kết cấu bên móng Tháp liên kết chân bu-lông Để chịu lực nén lớn dọc theo thân tháp phận thân tháp phải liên kết chắn phối hợp chịu lực nhờ bu lơng Ngồi việc tăng cường khả chịu lực, bu-lơng có tác dụng giữ ổn định hình dạng thân tháp Trong trường hợp cần thiết sử dụng loại bu-lơng cường độ cao cầu Forth Road, cầu Severn cầu Bosporus cầu Kurushima Kaikyo hình 1.24 27 Hình1.22 Mặt cắt thân tháp (a) cầu New Port (b) cầu 25de Abril (c) cầu Bosporus (d) cầu Akashi Kaikyo 28 Hình 1.23 Móng tháp (a) Kết cấu lưới cầu Akashi Kaikyo (b) móng bao cầu Bosporus 1.3.7 Thiết kế cáp chủ Tổng quát Cáp sợi song song sử dụng dành riêng cho cáp cầu treo dây võng nhịp lớn Sợi song song đem lại cường độ cao mô đuyn đàn hồi cao so với dây cáp sợi tao Trình tự thiết kế Hình dạng sơ vị trí liên kết cáp chủ thể hình 1.25 Tỷ số độ chùng nhịp nên xác định theo thứ tự cho giá thành xây dựng cầu giảm Thông thường tỷ số khoảng 1:10 Tuy nhiên theo yêu cầu ổn định khí động tỷ lệ độ võng cáp chủ thay đổi chút Diện tích mặt cắt cáp xác định sở lực kéo cáp lớn 29 Thiết kế mặt cắt cáp Cường độ chịu kéo sợi cáp đại vào khoảng 1570N/mm2 Hệ số an toàn vật liệu cáp chủ 2.5 sử dụng cho cầu Verrzano Narrows 2,2 cho cầu Humber Đối với cầu Akashi Kaikyo hệ số an tồn chọn 2.2 tính theo phương pháp ứng suất cho phép với tải trọng tĩnh chiếm tỷ trọng lớn Cáp sử dụng thép cường độ cao với cường độ chịu kéo 1770 N/mm2 ứng suất cho phép 804 N/mm2 Sự phát triển cường độ cáp/năm thể hình 1.23 Cầu Great Belt East sử dụng phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn, hệ số an toàn 2.0 Thống kê cáp số cầu treo dây võng thể bảng 1.5 Các phụ kiện Hình 1.27 thể phụ kiện cáp Tao cáp neo vào neo cáp dầm gắn vào bê tông neo Dây treo cố định cáp với cáp phụ Gối cáp hình yên ngựa chỗ tiếp xúc cáp tháp khuynh hướng mở rộng neo 1.3.8 Kết cấu dầm cứng cầu dây võng Tổng quan Kết cấu dầm cứng cầu treo dây võng chọn dạng dầm dàn cứng, dầm hộp cứng giới thiệu mục 1.3.4 Cơ sở xác định lựa chọn loại dầm cứng thể bảng 1.6 Chiều dài vượt nhịp điều kiện tự nhiên vị trí xây dựng cầu cần ý xem xét Hình 1.24 Liên kết bulong cầu Akashi Kaikyo 30 Hình 1.25 Dạng hình học cầu treo dây võng f: Độ võng cáp nhịp (đường tên) qc: Góc nghiêng cáp (nhịp chính) f1: Độ võng cáp nhịp biên qs: Góc nghiêng (nhịp biên) w: Tải trọng tĩnh phân bố nhịp lS: Chiều dài nhịp W1: Tải trọng tĩnh phân bố nhịp biên lSl: Chiều dài nhịp biên Thiết kế dầm cứng Lựa chọn kích thước hình học dầm cứng Chiều rộng dầm cứng xác định vào khổ cầu Chiều cao dầm cứng phụ thuộc vào độ cứng chống uốn chống xoắn dầm, sở đảm bảo ổn định khí động học Sau thiết kế kích thước hình học, cấu tạo dạng mặt cắt ngang dầm cứng ảnh hưởng lớn đến khả đảm bảo ổn định khí động kết cấu cần xác định nhờ thí nghiệm hầm thổi gió Nội dung tính tốn ổn định khí động học cơng tác thiết kế cầu treo, tượng Flutter đặc biệt quan tâm Điều kiện cần thiết để loại trừ khả phát sinh tượng flutter phải lựa chọn cấu tạo kết cấu nhịp cho tỷ số tần số dao động riêng uốn tần số dao động riêng xoắn lớn lần Tuy nhiên khả đảm bảo ổn định khí động dầm cứng tăng cường mức điều kiện trở nên không thiết Bảng 1.6 Cơ sở xác định lựa chọn loại kết cấu dầm cứng Loại Chiều cao dầm Ổn định khí động học Sự bảo dưỡng Xây dựng Dầm dạng dàn Dầm hộp Cao Thấp Fluter kiểm tra Vân tốc xốy dẫn đến xảy Fluter Diện tích bao bọc lớn Diện tích bao bọc nhỏ Cả hai mặt cắt phương án mặt cắt xây dựng Chỉ mặt cắt phương pháp lắp ghép cho phép 31 sử dụng Hình 1.26 Sự phát triển cường độ sợi cáp Bảng 1.5 Cáp cầu treo dây võng nhịp lớn Năm hoàn thành Chiều dài nhịp Phương pháp xây dựng Cấu tạo cáp Stt Tên cầu Tên nước Akashi Kaikyo Nhật 1998 960+1991+9 60 PS 127x290 Great Belt East Đan mạch 1998 535+1624+5 35 AS 504x37 Humber Anh 1981 280+1410+5 30 AS 404x37 Jing Yin Yangtze Trung Quốc 1999 336.5+1385 +309.34 PS 127x169(c/s),177(s/s ) Tsing Ma Trung quốc 1997 455+1377+3 00 AS 368x80+360x11 368x80+360x11+ 32 +304x6 Verrazano Narrows Mỹ 1964 370.3+1298 5+370.3 AS 428x61x2 Golden Gate Mỹ 1937 342.9+1280 2+342.9 AS 452x61 Hoga Kusten Thuỵ Điển 1997 310+1210+2 80 AS 304x37 304x37+120x4 Mackinac Mỹ 1957 548.6+1158 2+548.6 AS 340x37 10 Mianami Bisan-Seto Nhật Bản 1988 274+1100+2 74 PS 127x271 11 Fatih Sultan Mehmet Thổ Nhĩ Kỳ 1988 210+1090+2 10 AS 504x32 12 Bosphorus Thổ Nhĩ Kỳ 1973 231+1074+2 55 AS 550x19 13 George Washington Mỹ 1931 185.9+1066 8+198.1 AS 434x61x2 14 Kurushima Kaikyo Nhật Bản 1999 260+1030+2 80 PS 127x102 15 Kurushima Kaikyo Nhật 1999 250+1020+2 45 PS 127x102 16 25 de Abril Bồ Đào Nha 1966 483.4+1012 9+483.4 PS 304x37 17 Forth Road Anh 1964 408.4+1005 8+408.4 AS 304~328x37 18 Kita Bisan Seto Nhật Bản 1988 274+990+274 PS 127x234 19 Severn Anh 1966 304.8+987.6+ 304.8 AS 438x19 33 20 Shimotsui-Seto Nhật Bản 1988 230+940+230 AS 552x44 Hình 1.27 Các thành phần bổ sung cáp (a) Neo cáp vào dầm (b) Cáp treo (c) Gối cáp 34 Dầm dàn cứng Cấu tạo tham số dầm cứng phụ thuộc vào hoạt tải tải trọng gió Lý thuyết biến dạng hữu hạn tuyến tính thơng thường áp dụng để tính tốn khả chịu tải trọng động theo phương dọc, nguyên lý đường ảnh hưởng sử dụng Lý thuyết biến dạng hữu hạn tuyến tính sử dụng để tính tốn kết khơng gian phản ứng lại tải trọng gió lực kéo cáp thay đổi khơng đáng kể Dầm hộp Tham số hình học dầm hộp cho cầu treo dây võng tương đối nhỏ chủ yếu phụ thuộc yêu cầu chế tạo, lắp ráp bảo dưỡng Dầm cứng dạng hộp coi phù hợp với yêu cầu đảm bảo ổn định khí động Chiều cao dầm cứng xác định thoả mãn độ cứng yêu cầu Đối với cầu Kurushima Kaikyo thứ thứ chiều cao dầm cứng yêu cầu 4.3m sở thí nghiệm hầm gió Độ bền mỏi kết cấu dầm cứng dạng hộp cần ý kiểm toán vị trí liên kết với cáp treo vách ngăn thường nơi truyền lực từ mặt cầu tới cáp Các phụ kiện dầm cứng Hình 1.28 thể phụ kiện dầm cứng Cáp treo liên kết cáp dầm cứng để hạn chế chuyển vị dọc dầm cứng thay đổi tải trọng gió, động đất nhiệt độ Chi tiết liên kết dầm cứng tháp Liên kết ngăn cản chuyển vị theo phương ngang cầu dầm cứng gió động đất Chi tiết neo hai khớp chống chuyển vị dọc dầm cứng 35 Hình 1.28 Các phụ kiện dầm cứng: (a) Vị trí neo cáp, (b) liên kết tháp, (c) chống gió 36 1.1 giới thiệu 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu treo dây võng đại 1.1.2 Chỉ tiêu kỹ thuật số cầu treo giới 1.2 hệ thống kết cấu 1.2.1 Các phận kết cấu cầu treo 1.2.2 Phân loại cầu treo dây võng 1.2.3 Tháp 1.2.4 Cáp chủ 10 1.2.5 Kết cấu dầm cứng cầu treo 11 1.2.6 Kết cấu khối neo giữ 12 1.3 sở Thiết kế 13 1.3.1 Tổng quát 13 1.3.2 Phương pháp phân tích kết cấu 14 1.3.3 Tiêu chuẩn thiết kế 17 1.3.4 Thiết kế với tác động gió 20 1.3.5 Thiết kế chịu động đất 25 1.3.6 Tháp cầu treo 26 1.3.7 Thiết kế cáp chủ 29 1.3.8 Kết cấu dầm cứng cầu dây võng 30 37 ... trí dây treo Dây treo đặt thẳng đứng đặt xiên (hình 1.7) Nói chung, dây treo cầu treo dây võng đa số đặt thẳng đứng Dây treo xiên sử dụng trường hợp cầu Severn để tăng giảm rung kết cấu dây võng. .. loại dây võng phương thức neo cáp Hình 1.4 Cấu tạo phận cầu treo dây võng Phân loại theo số lượng nhịp Cầu thường có sơ đồ nhịp, hai nhịp, ba nhịp dây võng với hai tháp cầu nhiều nhịp dây võng. .. tự thiết kế kết cấu cầu treo dây võng Tải trọng thiết kế Khi thiết kế cho cầu treo dây võng phải xét đến điều kiện tự nhiên khu vực xây dựng tải trọng khai thác (xe cộ đường sắt) đặc biệt cầu