CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
1.1. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CẦU DÂY VĂNG
1.1.3. Cấu tạo dầm chủ cầu dây văng
Trong cầu dây văng, hiện tồn tại hai loại tiết diện ngang với nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau.
- Loại thứ nhất bao gồm các khối dầm chủ có tiết diện bất kỳ, đặt trong các mặt phẳng dây, chịu lực như biên chịu nén của dàn, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc độc lập với nhau, loại dầm chủ đó gọi là dầm chủ đơn năng. Các dầm chủ đơn năng chỉ được dùng trong các cầu có nhiều mặt phẳng dây.
- Loại thứ hai là các dầm chủ có dạng một khối, một bản đặc, hoặc một hộp rỗng bằng BTCT hay bằng thép. Dầm chủ có chức năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt dầm chủ và hệ dầm mặt cầu, gọi là dầm chủ đa năng.
1.1.3.1. Dầm chủ đơn năng a) Dầm chủ bằng thép
Tiết diện ngang của dầm chủ có thể có dạng I đơn trong cầu Stromsund. Dầm chủ có chiều cao 3,1m, đặt cách nhau 14,3m được liên kết bằng các dầm ngang, trên dầm ngang là hệ dầm dọc và bản mặt cầu bằng BTCT.
Do dầm chủ chịu nén, tiết diện I đơn có độ cứng ngang nhỏ cho nên để đảm bảo độ ổn định tổng thể và cục bộ theo phương ngang cầu, các dầm ngang cần bố trí tương đối dày cùng với hệ liên kết dọc khỏe. Để tăng cường độ cứng ngang của dầm chịu nén, có thể dùng các tiết diện I kép, tiết diện hộp hoặc tiết diện I có bản mặt cầu trực hướng nối liên tục với dầm chủ và dầm mặt cầu
Hình 1.10. Các loại tiết diện ngang dầm chủ đơn năng
a) Tiết diện I đơn b) Dầm chủ tiết diện I đơn có bản mặt cầu trực hướng c) Mặt cắt ngang cầu Sechnu
Ưu điểm cơ bản của hệ dầm chủ đơn năng là khối dầm có chiều rộng không lớn, lại bố trí ngay trong mặt phẳng dây nên dễ dàng tiếp nhận toàn bộ lực nén dọc
do dây văng truyền vào. Vì vậy thường được áp dụng cho cầu có nhiều mặt phẳng dây.
Đối với các cầu khổ rộng, nhịp lớn, lực nén dọc lớn, dầm chủ đơn năng được cấu tạo bằng các hộp thép có sườn để tăng cường khả năng chịu uốn và nén cục bộ.
Hình 1.11. Tiết diện ngang CDV bằng hộp thép có sườn a) Cầu Kiếp; b) Cầu qua sông Sava (Nam Tư) b) Dầm chủ dạng dàn thép
Khi cần tăng cường độ cứng của dầm chủ, có thể áp dụng kết cấu dàn. Dàn chủ trong cầu dây văng thường được áp dụng cho các cầu nhịp lớn, cầu có nhiều tầng xe chạy, chịu tải trọng lớn, nhằm tăng cường độ cứng theo phương đứng, phương ngang và tăng khả năng chống xoắn khi chịu tải trọng động và lực gió.
Nhược điểm của dầm chủ dạng dàn là gây tốn kém trong công tác chế tạo, lắp ráp và làm tăng chiều cao kiến trúc của cầu.
Hình 1.12. Tiết diện dàn chủ CDV ở Kobe (Nhật Bản) a ) Sơ đồ cầu; b) Tiết diện ngang
c) Dầm chủ bằng bê tông cốt thép
Trong cầu dây văng dầm cứng chủ yếu chịu nén, nên dùng BTCT là thích hợp. Ngoài ra dưới tác dụng của tĩnh tải, lực nén trước trong dầm cứng do các dây văng truyền vào luôn ổn định, không bị mất mát tức thời và lâu dài, cho nên cầu dây văng có thể xem là cầu bê tông tự ứng suất trước trong đó lực nén trước trong dầm cứng có thể triệt tiêu được ứng suất kéo do momen uốn gây ra.
Ý tưởng dùng BTCT trong cầu dây văng được thực hiện ngay từ thời kỳ đầu.
Khi đó, tiết diện dầm chủ đơn năng bằng BTCT được thực hiện dưới dạng các dầm lắp ghép hình U, U ngược hoặc hình hộp
Các tiết diện trên thường được dùng cho các cầu thi công theo phương pháp lắp ghép, trong đó hai dàn chủ gồm dầm cứng và dây được lắp đặt trước, sau đó mới lắp đặt hệ dầm mặt cầu. Hệ dầm mặt cầu thông thường là các dầm ngang tiết diện T hoặc I bằng bê tông ứng suất trước đặt cách nhau 1,5-2m nối liền hai dầm chủ. Để nâng cao tính toàn khối của công trình, đồng thời giảm nhẹ trọng lượng các khối
dầm trong thi công, có thể dùng kết cấu bán lắp ghép, trong đó dầm chủ ở giai đoạn lắp ghép có thể có dạng U, dầm mặt cầu là các dầm ngang tiết diện I bằng BTCT ứng suất trước được kê lên vai kê của dầm chủ. Sau khi lắp đặt xong hệ dầm chủ và dầm ngang mới đổ bê tông kín hộp rỗng dạng U của dầm chủ, tạo thành tiết diện đặc.
Hiện nay với các cầu dây văng có dây dày, khoang nhỏ thường áp dụng công nghệ thi công hẫng, với các dầm cứng bằng BTCT có thể áp dụng công nghệ đúc hẫng trên dàn giáo treo, khi đó về cơ bản các tiết diện ngang đơn năng vẫn gồm các khối dầm chủ phân bố trong phạm vi mặt phẳng dây, cùng với hệ mặt cầu gồm bản xe chạy và hệ dầm dọc, dầm ngang.
Hình 1.13. Tiết diện ngang dầm BTCT đổ toàn khối a) Cầu Nhị Kiều (Trung Quốc); b) Cầu Mỹ Thuận 1.1.3.2. Dầm chủ đa năng
a) Dầm chủ đa năng bằng thép
Trong cầu văng, dầm chủ đa năng bằng thép đầu tiên được áp dụng trong hệ cầu một mặt phẳng dây. Để có độ cứng chống xoắn lớn, tiết diện phải có dạng hộp
kín cấu tạo bằng các tấm thép có sườn và có chiều cao tương đối lớn. Mặt cầu có thể làm bằng bản thép trực hướng.Các tiết diện hộp thép có thể có dạng kín như kết cấu dầm chủ Fare ở Đan Mạch.
Hình 1.14. Tiết diện ngang dạng hộp kín dùng cho hệ một mặt phẳng dây a) Cầu Fare (Đan Mạch) ; b) Tiết diện ngang thân hẹp có bản hẫng Tiết diện ngang dạng hộp đa năng cũng được dùng cho các cầu có hai và nhiều mặt phẳng dây nhằm tận dụng khả năng làm việc của tất cả các loại vật liệu cấu thành tiết diện giảm chiều cao dầm, mang lại hiệu quả kinh tế tốt hơn. Để thoát gió, tăng cường độ ổn định khí động học, các tiết diện hộp có thể cấu tạo dạng bụng cá.
Các cầu dây văng hiện đại đều có khuynh hướng dùng hai mặt phẳng dây với khoang nhỏ, dây dày, tiết diện ngang hộp kín dạng thoát gió .
Tuy nhiên trong các tiết diện hộp kín, vật liệu được bố trí tập trung vào khu vực giữa tương đối xa mặt phẳng dây, đặc biệt ở các cầu rộng, do đó lực nén dọc có thể không truyền được lên toàn tiết diện, khi đó có thể dùng tiết diện hộp nửa hở, trong đó vật liệu chịu nén tập trung gần các mặt phẳng dây, tạo thành các hộp nhỏ để chịu lực nén truyền trực tiếp từ dây vào. Loại tiết diện này có nguyên tắc cấu tạo giống tiết diện đơn năng, trong đó vật liệu được tập trung vào hai hộp nhỏ bố trí ở hai biên và liên kết với nhau bằng kết cấu dàn ngang.
b) Dầm chủ đa năng bằng bê tông cốt thép
Các tiết diện đa năng bằng BTCT trong cầu dây văng thường có dạng một hộp rộng suốt chiều ngang cầu. Để tránh phải thực hiện các mối nối trong thi công, đảm bảo tính khối, tính đồng nhất, dầm chủ đa năng bằng BTCT thường được thực hiện theo phương pháp đúc hẫng tại hiện trường.
Tiết diện đơn giản nhất theo quan điểm thi công là tiết diện bản đặc hình chữ nhật có dây văng neo ở hai dầm biên. Trong các cầu nhịp lớn, chiều rộng lớn, thì có thể tạo biên dưới cong dạng bụng cá để tăng độ cứng theo cả hai phương dọc và ngang đồng thời tạo tiết diện thoát gió, tăng cường độ ổn định khí động.
Hình 1.15. Tiết diện đa năng dạng bản đặc
Tiết diện bản mỏng như trên có thể gọi là mặt cầu mềm. Chiều dày của bản phụ thuộc chủ yếu vào khả năng chịu uốn theo phương ngang cầu và phụ thuộc ở một mức độ thấp hơn vào lực nén dọc do dây văng truyền vào. Tuy nhiên vấn đề ổn định của cầu dây văng cần được xét trong tổng thể kết cấu chứ không thể xét từng phần tử độc lập. Trong cầu dây văng tải trọng bản thân tạo lực căng trước trong dây, nén trước trong dầm tạo thành một kết cấu không biến hình và ổn định. Ngoài ra việc tăng cường độ cứng của kết cấu dầm mềm dạng bản không gặp khó khăn nếu áp dụng kết cấu hình máng bằng cách tạo hai dầm nổi ở hai biên tiết diện ngang.
Đối với các cầu rộng, chiều dày bản tăng nhanh theo momen uốn ngang. Để giữ chiều dày bản không quá lớn làm tăng khối lượng và tải trọng tĩnh có thể dùng hệ có ba hoặc nhiều mặt phẳng dây.
Tiết diện bản đặc tạo điều kiện đúc hẫng đơn giản nhất trên dàn giáo treo, tuy nhiên khi cần tăng chiều cao để tăng độ cứng thì khối lượng vật liệu và trọng lượng bản thân tăng rất nhanh.
Đối với cầu có hai mặt phẳng dây, ngoài các cấu tạo thông thường của tiết diện hộp tại hai mép biên, dọc theo tuyến neo dây, còn cần cấu tạo hai khối đặc để trực tiếp nhận lực nén dọc do dây văng truyền vào. Các khối đặc ở biên hộp chỉ có tác dụng chịu nén nên chiều cao và chiều rộng cần chọn đủ để bố trí neo và chịu nén dọc.
Với hệ có một mặt phẳng dây nằm giữa cầu thì lại cần tập trung vật liệu chịu nén vào giữa hộp bằng cách tăng chiều dày của các tường đứng. Các tường đứng ở giữa hộp trong cầu một mặt phẳng dây ngoài chịu nén dọc còn trực tiếp chịu phản lực thẳng đứng của tháp một cột truyền qua dầm chủ xuống trụ cầu.
Hình 1.16. Tiết diện ngang hộp kín cho cầu có một mặt phẳng dây a,b) Mặt cắt ngang cầu Hải Yến và cầu Shimen (Trung Quốc)
c) Mặt cắt ngang cầu Brotone (Pháp)
Trong các cầu một mặt phẳng dây, để tăng cường khả năng chống xoắn khi chịu tải trọng lệch tâm, trên mặt cắt ngang còn có thể bố trí các thanh chống xiên hoặc vách ngăn như cách giải quyết trong mặt cắt ngang cầu Brotone ở Pháp.Thanh
chống xiên bằng BTCT ứng suất trước kéo sau trong cầu Brotone được dùng cho tiết diện hộp lắp ghép. Còn trong các tiết diện đúc tại hiện trường thì thường dùng vách ngăn thay cho các thanh chống xiên.
Nhìn chung cấu tạo của các tiết diện hộp kín có tường đứng, vách ngăn hoặc các thanh chống xiên có ưu điểm về chịu lực, tiết kiệm vật liệu, nhưng cấu tạo và thi công khó khăn, đặc biệt khi thi công theo công nghệ đúc hẫng trên dàn giáo treo. Vì vậy khi thiết kế, cần đặc biệt quan tâm đến các tiết diện có cấu tạo và thi công đơn giản nhất.
Tiết diện hộp kín có độ cứng chống xoắn lớn nên thích hợp với cầu có một mặt phẳng dây, đối với cầu có hai và nhiều mặt phẳng dây, độ cứng chống xoắn chủ yếu do các dàn dây đảm nhiệm nên có thể giảm bớt các vật liệu. Ví dụ có thể bỏ bản đáy của hộp ở khu vực giữa, khi đó tiết diện ngang chuyển từ tiết diện kín sang tiết diện hộp nửa hở, bao gồm các hộp nhỏ bố trí ở hai biên, được liên kết với nhau bằng các dầm ngang tiết diện T, gọi là tiết diện hộp hở. Tiết diện có chiều cao nhỏ, thoát gió tốt, được sử dụng rộng rãi trong các cầu dây văng hiện đại có hai mặt phẳng dây.Trường hợp chiều cao hộp quá nhỏ không đủ tĩnh không thi công thì có thể sử dụng tiết diện hộp có ván khuôn cố định.
Hình 1.17. Các loại dầm chủ dạng hộp mở
a) Tiết diện cầu Pasco Kennewick (Mỹ); b,c) Tiết diện cầu dây văng ở Trung Quốc
Sự phát triển cầu dây văng thể hiện rõ ưu điểm của hệ hai và nhiều mặt phẳng dây với các tiết diện ngang có khối lượng tập trung gần các khu vực chịu nén, cũng thể hiện rõ ưu thế của bản bê tông mặt cầu trong các tiết diện liên hợp trong đó bản bê tông tham gia chịu lực nén do dây văng truyền vào, do đó mặt cầu bê tông thép liên hợp dần dần thay thế cho bản thép có sườn.
Một trong các kết cấu mặt cầu đơn giản là mặt cầu thép bê tông liên hợp, dầm chủ bao gồm hai dầm thép tiết diện I đơn liên kết với nhau bằng một hệ dầm ngang đặt cách nhau 2-4m. Bản bê tông dày khoảng 20cm liên hợp với các dầm ngang và dầm chủ hệ mặt cầu. Dây văng được neo vào biên trên của dầm chủ để truyền lực nén vào bản mặt cầu BTCT. Bản mặt cầu cùng hệ dầm mặt cầu đảm bảo độ cứng và chịu toàn bộ lực gió nên có thể bỏ qua kết cấu liên kết dọc chịu gió như trong các dàn đơn năng thông thường.
Đối với các dầm chủ thuần túy bằng BTCT hoặc BTCT ứng suất trước, để đảm bảo thi công đơn giản trên dàn giáo treo thì có thể nghiên cứu áp dụng tiết diện bản mỏng, hoặc tiết diện hình máng với hai hoặc nhiều mặt phẳng dây .
Cần lưu ý rằng tiết diện ngang nhiều mặt phẳng dây không làm tăng khối lượng dây nhưng lại rất có ý nghĩa trong việc giảm kích thước và trọng lượng hệ mặt cầu.
Về cơ bản tiết diện ngang hình máng gồm một bản đặc dạng chữ nhật hoặc bụng cá, tại vị trí mặt phẳng dây, dầm chủ được tăng chiều cao để tăng cường độ cứng chịu uốn và chịu nén dọc, có thể thay đổi độ cứng chống uốn bằng cách tăng giảm chiều cao của dầm chủ biên. Nếu khoảng cách giữa các dàn dây từ 10-15m thì chiều dày bản có thể khống chế trong khoảng 40-50cm.
Với cầu có tiết diện máng thì tháp cầu có thể nằm ngoài mặt cầu hoặc kê trực tiếp lên dầm chủ.