CHƯƠNG II XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP
CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG CẦU TREO VÀ CẦU DÂY VĂNG
3.3. Thi công kết cấu nhịp cầu dây văng
3.3.1. Giới thiệu, đặc điểm và cấu tạo
Cầu dây văng, tiếng anh goi là Cable Stayed Bridge, là kết cấu cầu có bộ phận chịu lực chính là các dây xiên neo kết cấu nhịp dầm vào trụ tháp, gọi là dây xiên dầm cứng. Phần từ xà mũ xuống được gọi là trụ tháp và phần phía trên gọi là tháp cầu.
Cầu dây văng bắt đầu phát triển từ thế kỷ thứ 19, tuy nhiên do một số sự cố sụp đổ nhanh sau khi đưa vào khai thác như cầu Dryburgh Abbley ở Scotlen năm 1817 đưa vào khai thác đã sụp đổ 1 năm sau đó do tác động của tải trọng gió, hay cầu Saale ở Đức năm 1825 cũng bị sụp đổ sau khi đưa vào khai thác do tải trọng người tập trung trên cầu, v.v... Điều này đã làm cho loại hình kết cấu cầu dây văng bị chững lại một thời gian chủ yếu là để nghiên cứu các giải pháp tính toán, phân tích, hoàn thiện lý thuyết tính toán thiết kế cầu dây văng. Cho đến đầu thế kỷ thứ 20, nhất là sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, cùng với những tiến bộ công nghệ cầu dây văng đã phát triển rầm rộ, điển hình như cầu Stromsund ở Thụy Sỹ năm 1955, cầu Theodor Huess, cầu Severin, cầu Duisburg-Neuenkamp ở Đức những năm 1950 đến 1960, v.v... Cho đến ngày này, cầu dây văng đã phát triển mạnh mẽ cùng với công nghệ khoa học vật liệu và tối ưu hóa về hình dạng nên đã cho ra đời nhiều hình thức cấu tạo cầu dây văng, cấu tạo trụ tháp, cấu tạo mặt phẳng dây, cấu tạo tiết diện dầm cứng ngày càng tối ưu hơn.
3.3.1.1. Cấu tạo dây văng:
Các dây văng được căng trước với một lực để dây luôn luôn làm việc chịu kéo trong mọi tổ hợp tải trọng, mặt phẳng dây làm việc như mặt phẳng giàn trong đó các dây coi như là các thanh xiên liên kết chốt tại tháp cầu và dầm cứng.
Dây văng là bó sợi cáp song song hoặc bó tao cáp song song tạo thành dây cáp có chiều dài và diện tích tiết diện theo thiết kế, theo công nghệ chế tạo chia thành hai nhóm là dây cáp chế tạo sẵn và dây cáp bó tại chỗ.
- Dây cáp chế tạo sẵn trong nhà máy có 3 loại:
Dây cáp bó sợi song song PWC (parallel wires cable) gồm các sợi cáp cường độ cao 7mm chưa có lớp bảo vệ bó song song lại với nhau và được bọc trong ống nhựa HDPE, tại công trường được bơm vữa bảo vệ tròng lòng ống.
Dây cáp bó sợ bán song song SPWC (Semi-parallel wires cable), giống loại PWC song các sợi cáp đã được bảo vệ và bó sát với thành ống, chỉ cần bơm một ít chất bảo vệ và đầu cáp được tòe ra để chia về các lỗ neo.
Dây cáp tao song song PSC (parallel strands cable), sử dụng loại tao cáp đường kính 12,7mm hoặc 15,2mm bó song song và đặt trong ống nhựa bảo vệ được bơm chất bảo vệ chống rỉ và lão hóa cho các tao cáp.
- Dây cáp chế tạo tại chỗ: Thường sử dụng loại cáp tao xoắn 7 sợi 15,2mm và 12,7mm, các tao cáp lần lượt được luồn vào ống chứa cáp và bó lại thành dây cáp thông qua hệ thống tời múp cáp và neo bị động.
Cáp chế tạo sẵn được lắp sẵn các neo bị động và chủ động vào hai đầu dây cáp, cáp bó tại chỗ được neo ngay tại công trường từng tao cáp và căng kéo bằng kích đơn.
3.3.1.2. Cấu tạo neo:
Tùy thuộc vào loại cáp dây văng sử dụng mà có hệ thống neo tương ứng, về nguyên tắc neo dùng cho cáp dây văng phải đảm bảo độ bền và khả năng chịu mỏi đồng thời phải thỏa mãn các chức năng sau:
Truyền toàn bộ lực từ cáp dây văng xuống dầm.
Khắc phục hoặc triệt tiêu toàn bộ góc lệch cáp khi đi ra khỏi neo.
Có thể điều chỉnh lực căng, hướng cáp trong thời gian thi công.
Có khả năng chống gỉ tốt.
Có khả năng thay thế khi cần thiết.
Theo chức năng làm việc của neo, người ta chia thành hai loại là Neo chủ động và Neo bị động, trong đó neo chủ động cho phép lắp kích để điều chỉnh lực căng trong dây cáp, neo bị động được sử dụng để cố định một đầu dây cáp.
Theo cách kẹp giữ cáp của neo người ta chia thành 4 loại chính là:
Loại C: Kiểu nêm neo hình côn, dùng cho cáp văng dạng tao bọc được neo từng tao bằng nêm kẹp hình côn hay còn gọi là neo điểm, thích hợp với cáp chế tạo tại công trường (Hình 3.18).
Loại S: Kiểu ống nối dập, dùng cho cáp văng dạng tao bọc với bó cáp nhiều tao (Hình 3.19).
Loại B hoặc B+R: Kiểu neo đầu tù có thể kết hợp nhồi nhựa chuyên dụng, dùng trong cáp văng dạng sợi song song PWC, khi căng cáp thực hiện một lần cho cả bó (Hình 3.20).
Loại F+R: Kiểu kẹp dữ đầu cáp bằng vật liệu dính bám chuyên dụng và chuyển hướng sợi cáp, dùng cho cáp văng dạng sợi chữ chữ Z bao ngoài.
Hình 3.18. Cấu tạo neo chữ C
1- Nắp bảo vệ, 2- Tao cáp 7 sợi có vỏ bọc ngoài, 3- Nêm neo. 4- Khối neo, 5- Chạc xiên, 6- Ống định cữ, 7- Vùng chuyển hướng tao cáp, 8- Hệ đai xiết, 9- Cấu kiện chuyển tiếp, 10- Cữ
chuyển hướng, 11- Mối nối ống bọc cáp dây văng, 12- Ống bọc cáp dây văng.
Hình 3.19. Cấu tạo neo chữ S
1- Tấm giữ, 2- Tao cáp 7 sợi, 3- Ống kẹp chuyên dụng gia công nguội, 4- Khối neo, 5- Vùng chuyển hướng cáp, 6- Ống neo, 7- Chạc xiên, 8- Nút chuyển hướng, 9- Mối nối chuyển tiếp
ống bọc cáp, 10- Ống bọc cáp, 11- Chất nhồi chống gỉ, 12- Măng xông nối
Hình 3.20. Cấu tạo neo loại B hoặc B+R
1- Nắp bảo vệ, 2- Sợi cáp tù đầu, 3- Khối neo, 4- Tấm tì, 5- Đai ốc điều chỉnh, 6- Ống điều chỉnh, 7- Ống bảo vệ, 8- Chuyển hướng, 9- Ống bọc cáp văng, 10- Chất
nhồi, 11- Mối nối ống bọc 3.3.1.3. Cấu tạo liên kết dây văng với cột tháp:
Để truyền lực từ dây văng đến kết cấu dầm và tháp cầu cần thông qua các thiết bị cơ học gọi là đầu neo. Đầu neo liên kết với cột tháp theo một trong ba hình thức cơ bản sau:
- Neo chìm vào bên trong cột tháp: Neo được chôn chìm trong bê tông thân tháp cầu, trong lòng tháp để trống phục vụ thi công lắp cáp và lắp đầu neo, mặt neo vuông góc với dây cáp, theo phương ngang bố trí tối thiểu khoảng cách 1,4m một đầu neo để có thể thực hiện các thao tác lắp cáp. Loại này được dùng phổ biến nhất như cầu Mỹ Thuận, Normandie, ...
- Neo hai đầu dây văng chéo qua thân tháp: Dây cáp đi xuyên qua thân tháp và được neo giữ ở mặt bên kia thân tháp, do việc bắt chéo đầu neo nên lực trong dây bị lệch tâm gây là mô men xoắn trong các đoạn thân tháp, để khắc phục điều này người ta bố trí các khung tăng cường.
- Neo yên ngựa: Dây văng nối liên tục giữa hai nhịp và vắt qua điểm tựa trên tháp cầu thông qua kết cấu gối yên ngựa, hai đầu neo liên kết vào dầm cứng mỗi phía, khi căng cáp phải căng đều ở mỗi bên nhánh dây. Loại này ít sử dụng, chỉ dùng cho cầu dây văng có chiều cao tháp thấp .
3.3.1.4. Cấu tạo dầm cứng và liên kết dây văng với dầm cứng:
Dầm cứng treo trên các dây vằng làm việc như dầm liên tục tựa trên gối tựa đàn hồi với khẩu độ tính toán là chiều dài khoang dầm. Dầm chịu ứng suất nén do tác dụng lực căng trong dây văng, dầm có thể làm bằng thép hoặc BTCT có ƯST hoặc không (chỉ có ƯST ngang), chiều cao nhỏ so với chiều dài nhịp.
Dầm cứng là dầm thép sẽ được chế tạo sẵn các liên kết ống dẫn hướng vỏ neo vào dầm chủ, có thể bố trí điểm neo trùng với tim dầm thông qua tai neo, hoặc bố trí bên cạnh sườn dầm thông qua ụ neo lắp trên dầm chủ. Đối với dầm hộp trực hướng có thể đặt ống neo trong lòng hộp hoặc neo dưới đáy hộp nếu lòng hộp không đủ rộng.
Hình 3.21. Cấu tạo liên kết dây văng với dầm cứng
a- Liên kết thông qua tai neo, b- Liên kết bằng ống neo, c- Liên kết bằng ụ neo , 1- tai neo, 2- bê tông mặt cầu và ụ bảo vệ, 3- ống dẫn hướng, 4- đầu neo, 5- sườn tăng
cường, 6- ụ neo, 7- ống neo, 8- vách ngăn.
Dầm cứng là dầm BTCT và bê tông ƯST đúc tại chỗ hoặc lắp ghép, ống dẫn hướng của vỏ neo được định vị với khung cốt thép trước khi đổ bê tông, dầm đúc sẵn trong nhà máy hay tại hiện trường cũng phải chôn sẵn ống dẫn hướng. Tại vị trí neo cáp văng cần bố trí các ụ neo để chịu lực cục bộ. Đối với dầm đúc sẵn rất dễ bị sai lệch vị trí neo dây trên dầm và trên tháp.