Phân tích một số đặc điểm ứng xử và xử lý thiết kế kết cấu dầm hệ dây nhiều nhịp,luận văn thạc sĩ xây dựng cầu hầm

Tuy nhiên, về làm việc thì hoàn toàn khác, cầu dây văng làm việc như một hệ lấy dây chịu kéo là chính, dầm chủ trên nguyên tắc chỉ cần chịu nén nên có thể làm rất mảnh, độ cứng chịu uốn

LuËn ¸n th¹c sü khoa häc kü thuËt

Hµ néi - 2011

TRƯỜNG ðẠI HỌC GIAO THễNG VẬN TẢI

Nguyễn văn đạt

Phân tích một số đặc điểm ứng xử và

xử lý thiết kế kết cấu dầm hệ dây nhiều nhịp

Luận VĂN thạc sĩ khoa học kỹ thuật

Chuyên nghành: xây dựng cầu hầm

M% số: 60.58.25

Hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Thạc Quang

HÀ NỘI - 2011

Nguyễn Văn Đạt - K15

Lời cảm ơn

Để hoàn thành luận văn này tôi xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo, bạn bè, đồng nghiệp, gia đình đ$ giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập,

nghiên cứu Đặc biệt là TS Nguyễn Thạc Quang đ$ tận tình hướng dẫn, giúp

đỡ chỉ dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để hoàn thành luận văn này

Do thời gian có hạn, luận văn không thể tránh khỏi những sai sót Tôi rất mong nhận được sự góp ý kiến chân thành của các quý Thầy cô, bạn bè đồng nghiệp để luận văn hoàn thiện hơn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Nguyễn Văn Đạt - K15

mục lục

Trang

Chương 1

Tổng quan về kết cấu cầu hệ dây

và hệ dây nhiều nhịp I-1

1.1 Giới thiệu chung về kết cấu cầu hệ dây I-1

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu dây văng I-2 1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển cầu dây võng (cầu treo) I-8

1.2 Kết cấu cầu hệ dây nhiều nhịp I-18

1.2.1 Các sơ đồ cầu dây văng và cầu dây văng nhiều nhịp I-18 1.2.2 Các sơ đồ cầu treo và cầu treo nhiều nhịp I-25

1.3 Mục đích và phạm vi nghiên cứu I-29

Chương 2

thiết kế kết cấu cầu dầm hệ dây nhiều nhịp

theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 II-1

2.1 Cấu tạo dầm chủ cầu hệ dây II-1

2.1.1 Khái quát II-1 2.1.2 Dầm chủ bê tông cốt thép II-2 2.1.3 Dầm thép thuần túy II-6 2.1.4 Dầm chủ thép bê tông liên hợp II-7 2.1.5 Dầm chủ hỗn hợp II-9

2.2 Liên kết dầm chủ với dây văng II-10 2.3 Các vấn đề thiết kế cầu dây văng II-15

2.3.1 Các tham số cơ bản của CDV II-15 2.3.2 Mô hình và phân tích kết cấu II-16

2.4 Phân tích thiết kế kết cấu dầm hệ dây nhiều nhịp

theo 22 TCN-272-05 hoặc AASHTO-LRFD II-18

Nguyễn Văn Đạt - K15

2.4.1 Khái quát II-18 2.4.2 Tải trọng và tác động II-19 2.4.3 Tổ hợp tải trọng II-25 2.5 Phân tích gió động – khí động học II-27 2.5.1 Tải trọng gió và các phưong pháp phân tích động (tròng trành)

2.5.2 Các kết quả từ các thí nghiệm hầm gió II-35 2.6 Thiết kế chống động đất II-40 2.6.1 Hệ số gia tốc và ảnh hưởng tại công trường II-40 2.6.2 Hệ số điều chỉnh phản ứng II-40 2.6.3 Hệ số giảm chấn II-41 2.6.4 Các phân tích II-41 2.6.5 Đánh giá các khả năng hoá lỏng II-41 2.7 Điểm đặc biệt cần lưu ý khi thiết kế cầu dây văng nhiều nhịp II-43

Chương 3

Phân tích một số đặc điểm ứng xử và xử lý thiết kế kết cấu dầm hệ dây nhiều nhịp – cầu nhật tân III-1

3.1 Phân tích một số đặc điểm ứng xử kết cấu dầm hệ dây nhiều nhịp III-1

3.1.1 Khái quát chung về cầu III-1 3.1.2 Thiết kế bê tông III-4 3.1.3 Thiết kế thép III-5

3.2 Một số xử lý thiết kế trong cầu dây văng nhiều nhịp – cầu Nhật Tân

- TP Hà Nội III-15

3.2.1 Xử lý thiết kế dầm biên III-15 3.2.1.1 Tính toán ứng suất các đoạn lắp ghép III-15 3.2.1.2 Kết quả thiết kế III-16

Nguyễn Văn Đạt - K15

3.2.2 Thiết kế hệ sàn (hệ dầm ngang) III-26 3.2.3 Sử dụng gối đàn hồi tại các trụ tháp III-29 3.2.4 Cáp néo để chống lại lực nhổ lên gối kê đầu dầm III-30 3.2.5 Cáp văng (cáp treo xiên) III-32 3.2.6 Xử lý thiết kế mặt cầu III-38 3.2.6.1 Thiết kế bản mặt cầu III-38 3.2.6.2 Bố trí các tấm bản mặt cầu III-39 3.2.6.3 Nối các tấm đúc sẵn III-39 3.2.6.4 ứng suất dọc III-40 3.2.6.5 Bản mặt tại đầu dầm III-42 3.2.6.6 Kết quả thiết kế III-42

Chương 4

kết luận và kiến nghị IV-1

4.1 Kết luận IV-1 4.2 Kiến nghị IV-3

Tài liệu tham khảo V-1

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-1

Chương 1 Tổng quan về kết cấu cầu hệ dây và hệ dây nhiều nhịp

1.1 giới thiệu chung về kết cấu cầu hệ dây:

Khái niệm kết cấu cầu hệ dây dùng để chỉ các dạng kết cấu cầu mà trong đó kết cấu chịu lực chính là các hệ dây, đó có thể là:

+ Kết cấu dây văng

+ Kết cấu cầu treo (cầu dây võng)

+ Kết cấu liên hợp, dây văng kết hợp với dây võng

+ Kết cấu cầu Extradosed

Tuy nhiên, cầu Extradosed có thể coi là cầu dầm bê tông dự ứng lực tăng cường bằng dây văng (Extradosed bridge), loại kết cấu này do J Mathivat đề nghị năm 1988 Cầu thuộc loại dầm liên tục có dây văng tăng cường, nằm ngoài tiết diện dầm, tựa trên cột tháp để nâng cao cánh tay đòn chịu lực Như vậy, về cơ bản cầu dầm tăng cường bằng dây văng giống cầu dây văng về dáng vẻ kết cấu Tuy nhiên, về làm việc thì hoàn toàn khác, cầu dây văng làm việc như một

hệ lấy dây chịu kéo là chính, dầm chủ trên nguyên tắc chỉ cần chịu nén nên có thể làm rất mảnh, độ cứng chịu uốn nhỏ, thậm chí bằng không nếu bố trí khớp tại các điểm neo dây, tiết diện chỉ cần đủ chịu nén và uốn cục bộ trong phạm vi khoang dầm Trong khi cầu dầm tăng cường bằng các dây văng, về cơ bản làm việc như một cầu dầm bê tông dự ứng lực có cốt thép căng ngoài Do đó trong phạm vi luận án này sẽ không đi sâu nghiên cứu dạng kết cấu này Trong luận

án này tác giả sẽ phân tích về hai dạng kết cấu cầu hệ dây chính là cầu dây văng

và cầu treo

Tính ưu việt của cầu dây nói chung ngày càng được khẳng định không chỉ về mặt kiến trúc mỹ quan hay khả năng vượt nhịp lớn mà cả về mặt công nghệ thi công Tuy nhiên, ở Việt Nam hiện nay việc xây dựng cầu dây nhịp lớn, cầu dây nhiều nhịp đối với các công ty tư vấn trong nước vẫn còn khá mới mẻ, hầu hết các dự án đều do các h[ng tư vấn, các nhà thầu nước ngoài đảm nhận, việc chuyển giao công nghệ vẫn chỉ dừng lại ở những hiểu biết khá sơ sài Mà ta biết

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-2

rằng nước ta có rất nhiều Vịnh, các đảo gần bờ, các đầm phá, các sông có mặt cắt rất rộng, do vậy yêu cầu đặt ra là phải nghiên cứu sâu hơn nữa về công nghệ cầu dây để áp dụng vào việc xây dựng các công trình cầu nhịp lớn, cầu hệ dây nhiều nhịp nhằm kết nối các vùng miền, các khu vực, thực hiện mục tiêu phát triển hạ tầng, đưa đất nước từng bước phát triển

1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu dây văng:

Cầu dây văng đ[ có một lịch sử phát triển lâu dài, ý tưởng về áp dụng cầu dây văng đ[ hình thành từ những năm 1600 khi một kỹ sư người Venice có tên

là Verantius xây dựng một cây cầu với một số sợi dây xiên

Năm 1790 một công trình sư người Pháp là Poet đ[ đề nghị dùng hai tháp cầu cùng một hệ dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu 3 nhịp, ông 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 1-1) Ông là một trong những người

đầu tiên đề nghị sử dụng dây văng bố trí theo sơ đồ đồng quy ý tưởng về loại kết cấu cầu này đ[ cuốn hút những kỹ sư thiết kế và xây dựng nhiều thế kỷ qua 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

Hình 1-1: Đề xuất của Poet

Năm 1817 ý tưởng này được thực hiện ở Anh trong một cầu cho người đi có nhịp chính dài 33,5m Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng xuất phát từ

đỉnh tháp cầu, phía đối diện với các dây văng bố trí một dây neo Thành phần lực ngang của các văng và dây neo truyền vào tay vịn lan can cầu Đó là tiền đề cho hệ cầu trong đó thành phần lực ngang được truyền vào dầm cứng

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-3

Hình 1-2: Sơ đồ cầu người đi ở Anh năm 1817.

Năm 1868 ở Praha đ[ xây dựng một cầu dây văng qua sông Vltava có nhịp chính 146,6m Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng dây văng tại các điểm dọc theo nhịp, chia dầm thành các khoang dài 24.4m Các khoang dầm khá lớn nên đ[ bố trí dầm cứng là hệ giàn có chiều cao tới 2.1m cùng với hệ dầm ngang liên kết hai dàn Dầm cứng vừa tham gia chịu uốn cục bộ và tổng thể gần giống vai trò dầm cứng trong cầu dây văng hiện đại

Năm 1925, ở Pháp đ[ xây dựng một cầu dây văng qua sông Trie có nhịp chính 112m Các dây văng được neo và truyền lực vào thanh tăng cường của giằng gió biến thành hệ không có lực xô ngang, đây chính là hình ảnh của các cầu dây văng hiện đại (hình 1-3)

Hình 1-3: Cầu qua sông Trie ở Pháp (1925)

Năm 1938, giáo sư Dischinger người Đức đ[ đề nghị dùng cầu dây dầm cứng có các dây văng làm bằng thép sợi có cường độ cao, dưới tác dụng của tĩnh tải dây làm việc với lực căng lớn để giảm độ võng do trọng lượng bản thân

Đề nghị của ông được thực hiện năm 1955 vào cầu Stromsund (hình 1-4) Cầu

có dầm cứng ba nhịp làm bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường độ cao Bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-4

Hình 1-4: Cầu Stromsund ở Thụy Điển (1955)

Cùng thời (1955), ở Đức đ[ xây dựng một loạt cầu dây văng, trong đó có ba cầu dầm cứng bằng thép qua sông Rhin ở Dusseldorf, cả ba cầu đều có dây văng song song Chiều dài các nhịp chính được chọn từ 260 đến 320m với số dây văng ở mỗi nửa tháp từ 3 đến 4 dây, ứng với khoảng cách giữa các điểm neo dây (khoang dầm) thay đổi từ 37 đến 64m

Về mặt cơ học cầu dây văng có thể xem như một hệ dàn trong đó các dây văng chịu lực kéo, dầm cứng chủ yếu chịu nén do đó thích hợp với việc sử dụng

bê tông cốt thép (BTCT), lực nén trước trong dầm cứng là do thành phần lực ngang của dây văng truyền vào dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải, cho nên có thể nói dầm cứng trong cầu dây văng là hệ dầm tự ứng suất trước

Vào thời kỳ này người ta phát hiện thấy những bất lợi của các khoang lớn là gây mômen uốn lớn trong dầm cứng Việc giảm chiều dài khoang dầm vừa có tác dụng giảm mômen uốn, cấu tạo neo đơn giản và dây văng có thể làm bằng các tao cáp đơn Homberg là người đầu tiên thực hiện ý tưởng này năm 1964 vào cầu qua sông Rhin ở bắc Bonn (hình 1-5) Các dây văng bằng cáp kín có

đường kính không vượt quá 135mm, khoảng cách giữa các điểm neo trên dầm

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-5

chủ rất nhỏ 9.47m

Hình 1-5: Cầu qua sông Rhin ở bắc Bonn.

Một đặc điểm quan trọng trong quá trình phát triển cầu dây văng ở giai đoạn những năm 60-70 của thế kỷ 20 là việc lựa chọn số lượng và bố trí các mặt phẳng dây Khi ứng dụng hệ cầu có khoang nhỏ đ[ có khuynh hướng dùng một mặt phẳng dây bố trí ở giữa cầu, vừa làm giải phân cách, tạo dáng vẻ đẹp, đặc biệt là ở mọi tầm nhìn các dây văng không bị cắt nhau bằng những đường nét lộn xộn như trong hệ có nhiều mặt phẳng dây Điển hình là cầu Brotonne ở Pháp (hình 1-6)

Hình 1-6: Cầu Brotonne ở Pháp 1977.

ở khu vực châu á, cầu dây văng tuy bắt đầu được xây dựng tương đối muộn nhưng lại phát triển rất nhanh Cầu dây văng đầu tiên ở Trung Quốc xây dựng năm 1975 ở Tứ Xuyên, cầu có nhịp chính 75.84m, dầm cứng bằng BTCT Từ đó

đến nay Trung Quốc đ[ xây dựng được gần 40 chiếc cầu với đầy đủ tính đa dạng về chiều dài nhịp, cấu tạo dầm, dây, tháp cầu cũng như vật liệu sử dụng và công nghệ thi công Trong đó có cầu Thượng Hải xây dựng xong năm 1993 đ[

có một thời kỳ giữ kỷ lục về chiều dài nhịp CDV (602m) Tại Nhật Bản, cầu dây văng cũng được áp dụng phổ biến và phát triển rất mạnh mẽ, công trình tiêu biểu nhất là cầu Tatara (hoàn thành năm 1999) – nhịp 890m hiện đang giữ kỉ

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-6

lục về chiều dài nhịp CDV

Cần nói thêm rằng, vào trước những năm 80 của thế kỷ XX đ[ có nhiều ý kiến cho rằng CDV chỉ thích hợp cho những nhịp dưới 500m, với các nhịp lớn hơn, dây văng dài, bị võng dưới tác dụng của trong lượng bản thân và tự nhiên cầu trở lại dạng của cầu treo Parabol ý kiến trên trong một thời gian khá dài đ[ kìm h[m sự phát triển chiều dài nhịp của CDV

Tuy vậy, phải tới Hội thảo về CDV ở Bangkok năm 1987 (tại đay người ta đ[ trình bày phương án cầu Normandie, Pháp – nhịp 856m) quan điểm về chiều dài nhịp của CDV mới thực sự thay đổi Ngay sau đó hàng loạt CDV nhịp lớn được xây dựng tại nhiều nước trên thế giới, trong đó cầu Tatara (Nhật Bản) – nhịp 890m hiện vẫn đang giữ kỷ lục về chiều dài nhịp CDV

Sau đây ta điểm lại việc sử dụng vật liệu trong các CDV giữ kỷ lục thế giới trong những năm qua:

+ Cầu Saint-Nazaire, 1975, dầm thép tiết diện hình hộp bản trực hướng + Cầu Barrios de Luna, 1983, dầm cứng bằng BTCT ứng suất trước

+ Cầu Annacis ở Mỹ, 1986, dầm bê tông thép liên hợp

+ Cầu Ikuchi, 1991, nhịp chính bằng thép, nhịp biên bằng BTCT

+ Cầu Skarnsundet, 1991, dầm chủ bằng BTCT ứng suất trước

+ Cầu Thượng Hải, 1993, dầm thép bê tông liên hợp

+ Cầu Normandie, 1995, tiết diện hình hộp bằng thép ở nhịp giữa

Như vậy, cả ba loại tiết diện dầm cứng: bằng thép, thép bê tông liên hợp và

bê tông ứng suất trước, đều được sử dụng có hiệu quả và đạt được chiều dài nhịp tương đương

Cho đến nay đ[ thống kê được trên 300 CDV lớn nhỏ với đầy đủ thể loại trong đó có một đặc điểm quan trọng mà các loại cầu khác không có được là tính đa dạng Tính đa dạng của CDV được thể hiện ở chiều dài nhịp, có thể làm

được các nhịp dăm bảy chục tới hàng nghìn mét; ở số lượng nhịp khác nhau, có khả năng thay đổi hình dạng, sơ đồ phân bố và số lượng mặt phẳng dây mà vẫn đảm bảo được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật

ở Việt Nam trong những năm trở lại đây, cùng với sự phát triển kinh tế, sự

mở rộng qua hệ với các nước trên thế giới, tiếp cận các nguồn vốn vay ODA,

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-7

vốn vay thương mại, của các tổ chức như JIBIC (nay gọi là JICA), WB, ADB chúng ta đ[ có điều kiện xây dựng một số CDV hiện đại như cầu Mỹ Thuận, cầu Cần Thơ, cầu Bính, cầu B[i Cháy và đang tiến hành xây dựng cầu Nhật Tân – cây cầu dây văng hiện đại nhất Việt Nam

Hình 1-7: Sơ đồ các cầu dây văng giữ kỷ lục thế giới

Cầu dây văng do có ưu điểm vượt nhịp rất lớn, kết cấu thanh mảnh tính thẩm

mỹ cao nên đ[ được ứng dụng rộng r[i trên thế giới Đặc biệt, khi mà công nghệ vật liệu xây dựng, công tác nghiên cứu thí nghiệm mô phỏng và công nghệ tự

động hóa tính toán đ[ có những bước phát triển vững chắc, loại hình cầu dây

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-8

văng lại càng được ưa chuộng, phát triển đa dạng cả về vật liệu cấu thành, về khẩu độ nhịp, kiểu dáng kết cấu đồng thời thể hiện tính cạnh tranh khá cao so với loại hình cầu treo dây võng Chắc chắn rằng trong một vài năm tới loại cầu dây văng đạt khẩu độ trên 1000m sẽ không phải hiếm trên thế giới, nhất là tại

đất nước Trung Quốc rộng lớn nhiều tiềm năng

Thực tế có thể coi công cuộc nghiên cứu ứng dụng và xây dựng cầu dây văng đ[ đạt được nhiều thành công trên phương diện lý thuyết và thực tiễn, không những thế còn tạo ra một số các trường phái kỹ thuật khác nhau có ảnh hưởng nhất định tới tính định hướng phát triển cầu dây văng trên các châu lục Tuy nhiên, một vấn đề đặt ra trong công tác quản lí chất lượng thiết kế, xây dựng cầu dây văng là nếu tạo lập một chuẩn mực mang tính thống nhất về tiêu chuẩn vật liệu, tiêu chuẩn thiết kế, tiêu chuẩn thí nghiệm, tiêu chuẩn thi công, nghiệm thu như cách làm với cầu thông thường (mà chúng ta đ[ từng quen với Quy phạm 79 trước đây, hoặc Tiêu chuẩn thiết kế cầu TCN 272-05 như đang áp dụng hiện nay, ), thì nên theo trường phái nào? Câu hỏi này được đặt ra xuất phát từ những thông tin thu được từ các nước phát triển mạnh cầu dây văng cho thấy không phải hầu hết các nước trên thế giới đ[ có những tài liệu ban hành chính thức được hiểu với nghĩa đầy đủ như một tiêu chuẩn thiết kế và thi công cầu dây văng, mà thực chất chỉ được ban hành dưới dạng những khuyến nghị (Recommendations ) hoặc qui phạm tạm thời Hơn nữa còn tùy thuộc trường phái phát triển ngay trong các khuyến nghị đó lại đưa ra các qui định kỹ thuật chưa hẳn thống nhất về vấn đề công nghệ vật liệu cũng như dchưa cụ thể hóa toàn bộ các yêu cầu về thiết kế, xây dựng tất cả các hạng mục cấu kiện quan trọng điển hình của cầu dây văng như: tháp, dầm, dây văng, v.v

1.1.2 Sơ lược lịch sử phát triển cầu dây võng (cầu treo):

Cầu treo là loại công trình xuất hiện sớm và nhanh chóng được áp dụng rỗng r[i nhờ có nhiều ưu điểm về các phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật

Với việc sử dụng dây làm kết cấu chịu lực chính, cấu tạo của những chiếc cầu treo cổ xưa rất đơn giản, chỉ gồm các tấm ván lát trực tiếp lên các dây được buộc cố định ở hai đầu Các cầu treo kiểu này không có khả năng chịu tải trọng

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-9

lớn, bị lắc ngang, rung động mạnh và khả năng chịu gió b[o rất kém

Cho tới những năm đầu thế kỷ XIX cầu treo bắt đầu được quan tâm do những ưu điểm về khả năng vượt nhịp và tính kinh tế so với cầu đá, cầu gỗ là loại đang được áp dụng phổ biến Chiếc cầu treo điển hình và có chiều dài nhịp lớn nhất ở giai đoạn này là cầu Menai, được xây dựng năm 1826 ở xứ Wales với chiều dài nhịp 177m (hình 1-8 Đặc điểm của các công trình cầu treo trong thời

kỳ này là các dây chủ có cấu tạo dạng dây xích

Hình 1-8: Cầu Menai (xứ Wales, Anh) - 1826, nhịp 177m.

Sự xuất hiện của dây cáp vào những năm 30 của thế kỷ XIX đánh dấu một bước tiến quan trọng trong quá trình phát triển của cầu treo, vì độ bền của dây cáp lớn hơn nhiều so với dây xích, do đó cho phép nâng cao khả năng vượt nhịp của cầu treo Năm 1834, lần đầu tiên với việc sử dụng dây cáp khi xây dựng cầu treo ở Fribourg (Thụy Sĩ) chiều dài nhịp cầu treo đ[ được nâng lên đến 265m, tiếp đó là cầu Wheeling (Virginia-Mỹ), năm 1849 – nhịp 308m

Trong nửa đầu thế kỷ XIX, mặc dù cầu treo được áp dụng mạnh và đ[ đạt

được nhiều tiến bộ đáng kể, song do cơ sở lý luận chưa hoàn chỉnh nên nhiều công trình không đảm bảo yêu cầu về độ cứng đặc biệt là khả năng chịu tác

động của các nguyên nhân gây ra dao động như gió, b[o Những tồn tại trên

đây đ[ dẫn đến hàng loạt các sự cố nghiêm trọng của cầu treo trong thời kỳ này Các sự cố đổ cầu đ[ ảnh hưởng lớn đến định hướng phát triển của cầu treo trong thời kỳ sau đó Thêm vào đó, do đòi hỏi của thực tiễn về sự gia tăng tải

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-10

trọng của các phương tiện vận tải đ[ thúc đẩy các nhà xây dựng nghiên cứu sâu sắc hơn đặc điểm làm việc của cầu treo để tìm kiếm các giải pháp nhằm nâng cao độ cứng, cải thiện sự làm việc của công trình Từ nửa cuối thế kỷ XIX đ[ hình thành 2 hướng phát triển của cầu treo như sau:

mềm sang dầm cứng Mậc dù cho đến thời gian này lý thuyết tính toán hệ treo dầm cứng chưa hình thành nhưng bằng kinh nghiệm thực tế và qua các kết quả thí nghiệm người ta thấy rõ vai trò của dầm cứng trong việc nâng cao độ cứng chung của hệ Những vấn đề về lý thuyết đối với cầu treo dầm cứng dần được hoàn thiện trong những năm sau đó

dạng hình học từ đó nâng cao độ cứng của cầu Loại cầu này được áp dụng nhiều ở Pháp với các sơ đồ do Gisclard đề xuất Tại các nước cộng hòa thuộc Liên Xô cũ trong khoảng thời gian sau chiến tranh thế giới thứ nhất cho tới những năm giữa thế kỷ XX dạng cầu giàn dây vẫn còn tiếp tục được áp dụng với các sơ đồ được cải tiến từ hệ Gisclard Tuy nhiên, do có cấu tạo phức tạp, trong những năm sau đó cầu giàn dây hầu như không được áp dụng mà người ta chuyển sang hệ thống cầu dây văng dầm cứng

Hình 1-9: Cầu Brooklyn (New York, Mỹ) - 1883, nhịp 486m.

Cuối thế kỷ XIX chiều dài nhịp của cầu treo đ[ tiến gần tới mức 500m, cầu Brooklyn (New York) xây dựng năm 1883 với biện pháp dùng dây văng phụ tăng cường độ cứng đ[ vượt được nhịp 486 m (hình 1-9)

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-11

Sang thế kỷ XX, với nhịp độ phát triển nhanh của các nghành khoa học kỹ thuật cho phép hoàn thiện hơn những nghiên cứu lý thuyết cộng với những kinh nghiệm tích lũy được trong quá trình xây dựng đ[ tạo nên bước nhảy vọt về khả năng vượt nhịp của cầu treo vào những năm 30 của thế kỷ này Mở đầu là cầu

G Washington qua vịnh Hudson (New York), nhịp 1067m (hình 1-10), xây dựng năm 1931 Tiếp sau đó là cầu Golden-Gate ở San Francisco (1937), nhịp 1280m (hình 1-11)

Hình 1-10: Cầu G. Washington (New York, Mỹ) - 1931, nhịp 1067m

Hình 1-11: Cầu Golden-Gate ở San Francisco (1937), nhịp 1280m.

Trong khi các công trình cầu treo nhịp lớn đang nối tiếp được xây dựng thì vào năm 1940 xảy ra vụ đổ cầu Tacoma Narrows (Mỹ) Tai nạn này đ[ thu hút

sự quan tâm của nhiều người vì đây là công trình cầu treo nhịp lớn và đặc biệt là toàn bộ diễn biến của tai nạn đ[ quay được phim giúp cho chúng ta có thể phân tích quá trình lắc, dao động cho đến khi cầu sập đổ hoàn toàn

Hình 1-13: Cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản) - 1998, nhịp 1991m.

Một số cầu treo hiện đại đ−ợc xây dựng vào nửa sau thế kỉ XX nh− cầu

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-13

Tancarville bắc qua sông Seine (Pháp-1959) áp dụng biện pháp neo dây chủ vào

điểm giữa nhịp dầm cứng, cầu có nhịp chính dài 608m; cầu Verrazano-Narrows (Mỹ - 1964) nhịp 1298m; cầu Severn (Anh-1966) nhịp 988m là chiếc cầu treo nhịp lớn đầu tiên áp dụng giải pháp cấu tạo các dây treo xiên hình tam giác và dầm cứng có tiết diện hình hộp; cầu Humber (Anh - 1981) nhịp 1410m; cầu Great Belt (Đan Mạch - 1977) nhịp 1624m và năm 1998 Nhật Bản đ[ hoàn thành việc xây dựng cầu treo Akashi-Kaikyo, cầu gồm 3 nhịp bố trí theo sơ đồ 960+1991+960m, đây là công trình cầu treo vượt nhịp lớn nhất của thế kỷ XX (hình 1-13)

Để thấy rõ hơn quá trình phát triển của cầu treo, trên bảng 1-1 thống kê các

cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong từng giai đoạn từ trước đến nay

Bảng 1-1: Các công trình cầu treo giữ kỉ lục nhịp trong các thời kỳ khác

nhau (sắp xếp theo thứ tự chiều dài nhịp)

(m)

Cầu Schuylkill Falls Philadelphia, Mỹ 1816 124

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-14

(m)

Hình 1-14: Một số sơ đồ cầu treo nhịp lớn hiện đại.

ở Việt Nam, trong nhiều năm trở lại đây việc áp dụng công nghệ để xây dựng các cầu treo nhịp lớn hiện đại rất hạn chế, số lượng cầu được thiết kế mới gần như không có Một cây cầu treo hiếm hoi được làm gần đây ở Việt Nam là cây cầu Thuận Phước, cầu hoàn thành năm 2009 do tư vấn Trung Quốc thiết kế Một số nét về dự án cầu Thuận Phước:

- Chủ đầu tư : Sở Giao thông công chính TP Đà Nẵng

- Thiết kế kỹ thuật : Tecco 533 và CCSHI (Trung Quốc)

- TK bản vẽ thi công : Tecco 533

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-15

- Thẩm định TKKT

+ Tổng thể : Cục giám định và QLCL Bộ GTVT

+ Phần cầu treo : Công ty Leonhardt,Andrae and Partnet, CHLB Đức

- Thi công: 1 Công ty CPCK&XDCT 623 và các thầu phụ SFECO, CSCEC (China)

2 Công ty TNHH XDC Quốc tế Viễn Đông Thượng Hải (China)

* Quy mô và tiêu chuẩn thiết kế cầu:

Quy mô: Vĩnh cửu – Hiện đại – Mỹ quan

Tải trọng: H10 – X60 – Người 300kg/m2 (Tiêu chuẩn Việt Nam)

Và ô tô 20 – Xe kéo moóc 100T (Tiêu chuẩn Trung Quốc)

Khổ cầu: B = 2m + 14m + 2m = 18m

Độ dốc dọc cầu : imax = 4%

Độ dốc ngang cầu: 1,5%

Tải trọng gió: 59m/s (Cấp gió 12)

Cấp động đất: Cấp 7

Tiêu chuẩn thiết kế: 22 TCN 272-01 (Việt Nam)

Cầu chính: JTJ 021-89 (Trung Quốc)

Tham khảo: AASHTO, PCI, ASTM…

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-17

1.2 kết cấu cầu hệ dây nhiều nhịp:

1.2.1 Các sơ đồ cầu dây văng và cầu dây văng nhiều nhịp:

- Trên các mố bố trí một gối cố định, một gối di động Gối cố định chịu lực ngang khi có tải trọng không đối xứng (hoạt tải), đồng thời lực ngang lại thay

đổi chiều tùy theo vị trí của hoạt tải Nh− vậy, trong cầu dây văng một nhịp cả

mố neo và mố cầu đều chịu lực ngang, hơn nữa chiều của lực ngang trên mố lại

Hình 1-18: Sơ đồ cầu dây văng ba nhịp có nhịp biên ngắn.

Để đảm bảo góc nghiêng của dây neo trong khoảng 45o thì chiều dài nhịp biên được lấy bằng (1/4-1/5)l; trong đó l là chiều dài nhịp Với các nhịp trên 200-300m thì chiều dài nhịp biên khá lớn Nhịp biên lớn sẽ gây mômen uốn lớn

so với nhịp giữa, gây khó khăn trong việc đảm bảo tính đồng nhất của tiết diện dầm chủ và nội lực trên suốt chiều dài cầu Ngoài ra lực nhổ tại mố neo sẽ rất lớn làm phức tạp cấu tạo gối chịu phản lực âm trên mố

Để sử dụng khoang dầm ngắn, đồng nhất tiết diện dầm chủ của cả 3 nhịp (chiều cao, dạng tiết diện ) và đồng nhất chiều dài khoang dầm, tạo điều kiện dầm chủ làm việc tương đối đồng đều trong phạm vi từng khoang, có thể áp dụng sơ đồ CDV ba nhịp có dây bố trí đối xứng qua tháp cầu (hình 1-19)

So với hệ ba nhịp không có dây văng ở nhịp biên, với cùng chiều dài cầu, cùng góc nghiêng của dây, ngoài tính đồng nhất về tiết diện dầm chủ, chiều dài

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-19

khoang và sơ đồ dây, hệ có dây đối xứng qua tháp cầu co chiều tháp nhỏ hơn

Hình 1-19: Cầu dây văng ba nhịp có dây văng đối xứng qua tháp cầu.

Trong thực tế cũng tồn tại hệ CDV hai, ba hoặc nhiều nhịp không có dây neo vào các điểm cố định như mố, trụ cầu (hình 1-20) Các sơ đồ này chịu tải trọng

đối xứng qua tháp cầu cũng giống như hệ trên hình 1-19., như vậy hệ chịu tĩnh tải tốt Dưới tác dụngcủa tải trọng bất kì, ví dụ khi hoạt tải đứng trên nhịp giữa, các điểm neo dây ở dầm biên sẽ vồng ngược do ảnh hưởng của dầm liên tục và

do phản lực âm của các dây neo nhịp biên Độ vồng ngược của nhịp biên làm giảm độ cứng chung của hệ và làm tăng mômen uốn trong dầm cứng

Hình 1-20: Cầu dây văng ba nhịp không có dây neo.

Cầu dây văng không có dây neo có thể được áp dụng để cải tạo, tăng cường khả năng chịu tải của cầu cũ nhiều nhịp, nhằm nâng cấp tải trọng bằng cách truyền bớt tĩnh tải cho dây chịu Còn khi thiết kế mới thì nên áp dụng các tháp cầu cứng để giảm chuyển vị của các nút dây dưới tác dụng của hoạt tải Tuy nhiên, biện pháp đơn giản và kinh tế nhất vẫn là bố trí các dây neo vào mố, trụ cầu

c) Cầu dây văng hai nhịp:

Cầu dây văng hai nhịp được áp dụng nhiều trong những năm 1960-1970 cho các cầu vượt qua đường, qua sông không lớn lắm

Các phương án cầu hai nhịp được chọn chủ yếu là do điều kiện địa hình, địa chất hoặc do yếu tố mỹ quan quyết định Các cầu qua sông Rhin ở Dussedorft

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-20

hoặc cầu hai nhịp ở Bratislava (hình 1-21) là những ví dụ điển hình

Hình 1-21: Cầu hai nhịp Brastilava (Tiệp Khắc).

Cầu dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi đó tháp cầu bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu (hình 1-22), nếu cầu không có các dây neo vào mố (hình 1-22.a) thì các dây văng chủ yếu chỉ chịu tĩnh tải, còn

để tăng cường khả năng chịu hoạt tải thì có thể bố trí hai dây neo vào mố (hình 1-22.b) Tuy nhiên do hệ đối xứng, các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải nên để tránh dây chịu nến dưới tác dụng của hoạt tải trên một nhịp, các dây neo cần được căng trước với một lực căng đủ lớn để khắc phục lục nén lớn nhất có thể xảy ra Biện pháp này gây phức tạp cho công tác điều chỉnh nội lực và rất khó khống chế ứng suất mất mát trong quá trình khai thác

Hình 1-22: Sơ đồ cầu dây văng hai nhịp có các nhịp bằng nhau.

a) Sơ đồ không có dây neo; b)Sơ đồ có hai dây neo vào mố cầu

d) Cầu dây văng nhiều nhịp:

Để phù hợp với cách phát triển vấn đề, trong tài liệu này qui ước gọi những

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-21

cầu dây văng có số nhịp lớn hơn 3 là cầu nhiều nhịp

Ta biết rằng cầu dây văng có thể đạt được các nhịp rất lớn (100m-1000m), nên thông thường chỉ dùng đến hệ ba nhịp để vượt các nhịp chính, phần còn lại dùng các nhịp cầu dẫn là đủ Tuy nhiên, trong một số trường hợp như xây dựng các cầu dài qua biển, nối từ đảo này sang đảo khác, nối từ đất liền ra đảo, trong

điều kiện địa hình, địa chất không phức tạp, để tránh xây dựng các nhịp quá lớn, hoặc khi cần tăng cường khả năng chịu tải, nâng cấp hệ dầm cầu cũ bằng cầu dây văng thì vẫn dùng hệ nhiều nhịp Đối với cầu dây văng nhiều nhịp, đa

số trường hợp các nhịp chính đều bằng nhau, cáp bố trí đối xứng về hai phía tháp Tuy nhiên trong một số trường hợp vẫn bố trí sơ đồ nhịp thay đổi Các sơ

đồ chính của cầu dây văng nhiều nhịp thể hiện trên hình 1-23

Hình 1-23: Các sơ đồ cầu dây văng nhiều nhịp.

c) chia hệ nhiều nhịp thành nhiều hệ ba nhịp; d) neo dây vào trụ trung gian

Trên hình 1-23a trình bày hệ cầu dây văng nhiều nhịp được xây dựng qua thung lũng Mezcala ở Mêhicô Cầu gồm 6 nhịp dài 882m theo sơ đồ 80+311+299+84+68+40m, cầu rộng 20m, tháp giữa cao 117m Để tăng độ

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-22

cứng của hệ, tạo khả năng chịu tĩnh và hoạt tải đều tốt có thể dùng tháp cầu cứng như trên hình 1-23b: cầu Ganga tại ấn Độ 12 tháp, 11 nhịp khẩu độ 159m Biện pháp này mang hiệu quả kỹ thuật tốt, nhưng làm tăng khối lượng công trình móng trụ và tháp cầu

Một biện pháp dễ được chấp nhận hơn là biến hệ nhiều nhịp thành hệ ba nhịp nối với nhau bằng một trụ neo chung (hình 1-23c) Phương án này có tính chất và hiệu quả kinh tế kỹ thuật giống hệ ba nhịp Tuy nhiên chiều dài các nhịp phân bố không đều nhau, không đảm bảo tính hài hòa, mỹ quan của hệ nhiều nhịp Cũng có kiến nghị dùng các dây neo vào trụ trung gian của nhịp đối diện (hình 1-23d)

Một trong số những cầu nhiều nhịp điển hình là cầu Maracaibo ở Venezuela với 6 tháp, 5 nhịp chính khẩu độ 235m; cầu Milau tại Pháp có 6 nhịp khẩu độ 342m, cầu Nhật Tân tại Việt Nam co 5 tháp, 4 nhịp chính khẩu độ 300m, v.v

Hình 1-24: Cầu Milau – Pháp.

3 Tr−êng Giang Trung Quèc 80+90+190+432+190+90+80

4 Tr−êng Giang 2 Trung Quèc 53+169+444+169+53

5 H¶i Loan 2 Trung Quèc 2x47+100+518+100+2x47

6 Ting Kau Hång C«ng - Trung Quèc 127+448+475+127

7 B¹ch Sa Ch©n Trung Quèc 50+180+618+180+50

9 Tr−êng Giang Trung Quèc 48+204+460+204+48

10 Tr−êng Giang Trung Quèc 3x50+198+450+198+3x50

12 Tr−êng Giang Trung Quèc 3x40+348+348+3x40

13 §µo Yªn M«n Trung Quèc 2x48+50+580+50+2x48

14 Tr−êng Giang Trung Quèc 55+200+480+200+55

Tóm lại cầu dây văng có thể có nhiều dạng sơ đồ, trong đó hệ ba nhịp là hệ

đặc trưng và có nhiều ưu điểm Khi thiết kế nên ưu tiên trước hết đến hệ ba nhịp, trong các trường hợp đặc biệt khi cần xem xét đến các hệ khác thì nên nghiên cứu kỹ các đặc thù của phương án

1.2.2 Các sơ đồ cầu treo và cầu treo nhiều nhịp:

1- Dây cáp chủ; 2-Tháp cầu; 3-Trụ bờ; 4-Dầm cứng; 5-Mố neo; 6-Dây treo đứng

Cầu treo một nhịp có các dây neo nối từ tháp cầu xuống mố neo được coi như một thanh thẳng nên khi chịu lực dây chỉ làm việc đàn hồi tuyến tính tránh

được biến dạng hình học phi tuyến của dây chủ nhịp biên khi tải trọng đứng trên nhịp giữa trong sơ đồ ba nhịp

Hình 1-27: Các sơ đồ cầu treo ba nhịp.

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-27

Chiều dài của nhịp biên có thể lấy tới 1/2 chiều dài nhịp chính, tuy nhiên có thể nhỏ hơn tùy thuộc vào tình hình phân bố nhịp cụ thể trên sông Khi chiều dài nhịp biên nhỏ hơn một phần tư chiều dài nhịp chính và dầm cứng nhịp biên

đủ khả năng chịu lực độc lập thì có thể không cần bố trí các dây treo đứng và khi đó trở thành sơ đồ hệ một nhịp có các nhịp biên với tư cách là hệ dầm dẫn (hình 1-27c, d)

Sơ đồ ba nhịp có dầm cứng liên tục cho phép nâng cao độ cứng của hệ, tạo cho đường đàn hồi có dạng trơn tru tránh phải cấu tạo khe biến dạng có chuyển

vị lớn, nơi thường xảy ra các hư hỏng và không đảm bảo độ êm thuận khi xe qua cầu

Trong cầu treo dầm cứng liên tục ba nhịp có dây treo đứng ở nhịp biên khi hoạt tải đứng trên nhịp chính tạo độ vồng ngược ở nhịp biên làm tăng thêm biến dạng hình học phi tuyến của dây nhịp biên và kết quả làm giảm độ cứng chung của toàn cầu Vì vậy, trong thực tế với cầu nhịp lớn phổ biến sử dụng dầm cứng

là dầm đơn giản Ví dụ điển hình là cầu Golden-Gate có 3 nhịp theo sơ đồ 344+1281+344m, nhịp biên có dây treo đứng, dầm cứng là những nhịp đơn giản dạng giàn Ngược lại trong cầu treo ba nhịp với chiều dài nhịp không lớn lắm thì biện pháp chủ yếu là dầm cứng liên tục

c) Cầu treo nhiều nhịp:

Mặc dù cầu treo có khả năng vượt được các nhịp rất lớn nhưng trong một số các trường hợp tùy thuộc vào điều kiện cụ thể cần phải xem xét lựa chọn giữa phương án cầu treo một nhịp hoặc ba nhịp với phương án nhiều nhịp

Trong cầu treo nhiều nhịp dây cáp được bố trí liên tục qua tất cả các nhịp hoặc qua một số nhịp và neo vào mố ở hai đầu (hình 1-28) Với sơ đồ trên hình 1.xa nếu chiều dài nhịp biên nhỏ thì có thể không cần dây treo đứng hoặc thay nhịp biên bằng nền đất đắp

Các nhịp chính trong sơ đồ cầu nhiều nhịp có thể bố trí như nhau để đảm bảo mỹ quan và sự chịu lực đồng đều của hệ dây, tuy nhiên để tăng cường độ cứng có thể bố trí các nhịp khác nhau Dầm cứng nên sử dụng dầm đơn giản với các lý do như đ[ phân tích ở phần trên

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-28

Hình 1-28: Các sơ đồ cầu treo nhiều nhịp.

a) Cầu treo nhiều nhịp và sơ đồ biễn dạng; b) PA cầu nhiều nhịp có tháp cứng

c) cầu treo nhiều nhịp trụ neo trung gian; d) PA có dây neo phụ

Nhược điểm của cầu treo nhiều nhịp là khi chất tải lên một trong các nhịp thì

độ võng của nhịp đó rất lớn Sở dĩ như vậy là do ảnh hưởng của biến dạng trong tất cả các nhịp khác

Để nâng cao độ cứng của cầu treo nhiều nhịp có thể có một số biện pháp sau:

1- Xây dựng một số tháp cứng theo phương dọc cầu và trên đỉnh tháp dây

cáp được neo cố định (hình 1-28b) Tháp cứng là biện pháp tốt nhất để tăng cường độ cứng chung và khả năng làm việc của hệ Tuy nhiên cấu tạo của tháp cứng phức tạp, giá thành cao hơn nhiều so với mố neo

2- Chia hệ nhiều nhịp ra thành các hệ ba nhịp riêng biệt bằng cách cấu

tạo các trụ neo trung gian (hình 1-28c)

3- Liên kết tất cả các đỉnh tháp bằng một dây neo phụ (hình 1-28d) Dây

cáp chủ và dây neo phụ được liên kết cố định trên các đỉnh tháp Khi hoạt tải đứng trên một nhịp bất kỳ thì dây neo phụ truyền một phần

đáng kể lực ngang vào các mố neo hai bên bờ Phần lực ngang còn lại

sẽ được dây cáp chủ truyền vào mố neo Dây neo phụ được căng trước sao cho dạng của nó có thể xem như thẳng, khi chịu lực trong dây chỉ

Nguyễn Văn Đạt - K15 I-29

xuất hiện biến dạng đàn hồi Dây neo phụ làm giảm chuyển vị ngang

đỉnh tháp và tăng độ cứng chung cho toàn cầu

Vì sự phức tạp và tính kinh tế không cao nên trong thực tế sơ đồ cầu treo nhiều nhịp ít được sử dụng

1.3 mục đích và phạm vi nghiên cứu:

Qua những công trình cầu đ[ được áp dụng kết cấu cầu hệ dây nhiều nhịp cả trên thế giới và ở Việt Nam, thông qua những số liệu, phân tích, so sánh, luận án đưa ra một số đặc điểm làm việc của kết cấu dầm của cầu hệ dây nhiều nhịp, đồng thời đưa ra khuyến nghị làm cơ sở để lựa chọn giữa phương án kết cấu cầu hệ dây nhiều nhịp với các loại hình kết cấu khác khi xây dựng công trình cầu

Luận án mang tên: “Phân tích một số đặc điểm ứng xử và xử lý thiết kế

kết cấu dầm hệ dây nhiều nhịp”

Nội dung nghiên cứu của luận án:

Nghiên cứu về kết cấu cầu hệ dây nhiều nhịp đ[ được áp dụng trên thế giới

Nghiên cứu về dầm của kết cấu cầu hệ dây nhiều nhịp đ[ được áp dụng tại các công trình cầu ở Việt Nam: Tiêu chuẩn thiết kế, giải pháp cấu tạo, sơ đồ tính toán, trình tự công nghệ thi công, ảnh hưởng của gió, động đất, co ngót, từ biến, nhiệt độ …

- Phân tích một số sơ đồ làm việc, dựa vào các sơ đồ lực, biến dạng của dầm trong hệ dây nhiều nhịp với các sơ đồ kết cấu khác nhau, phân tích tĩnh học cũng như động lực học để thấy được ứng xử của cả hệ nói chung cũng như của kết cấu dầm nói riêng, từ đó có các giải pháp thiết kế cho từng phương án

và lựa chọn phương án tối ưu

- Phân tích, so sánh thông qua những số liệu thực tế : phạm vi áp dụng, cấu tạo dầm chủ, dầm ngang, vật liệu dầm…, biện pháp thi công: trình tự thi công, thiết bị, thời gian…

- Kiến nghị để so sánh với những phương án kết cấu khác khi lựa chọn phương

án

Nguyễn Văn Đạt - K15 II-1

Chương 2 thiết kế kết cấu cầu dầm hệ dây nhiều nhịp theo

Trong cầu dây văng dầm là một trong ba bộ phận chủ yếu, bao gồm: trụ (mố) tháp, dây văng, dầm Dầm chủ nhịp thông thường có tỉ lệ giữa chiều cao với khẩu độ từ 1/100 đến 1/150 Chức năng chủ yếu về mặt cơ học của dầm là tiếp nhận, phân bố tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió, động đất và cùng với dây văng truyền những tải trọng đó đến tháp cầu Thông qua kết cấu phần dưới để truyền xuống nền đất Xem xét điều kiện khống chế thiết kế dầm cầu dây văng sơ bộ

có thể thấy như sau: khi cự ly neo các dây văng lớn, dầm chủ thường bị khống chế bởi mômen uốn trên phương dọc; khi cầu dây văng có một mặt phẳng dây yêu cầu chống xoắn trên phương ngang đóng vai trò rất quan trọng Ngoài ra cũng phải xét đến tình huống có thể xảy ra sự cố bất thường đứt (mất) dây văng

và công việc thay dây khi cần thiết

Dầm cầu nếu được thi công theo phương pháp đúc hẫng hoặc lắp hẫng khi phân đốt bắt buộc phải xem xét đến khả năng cẩu lắp, qui mô lắp dựng và trọng lượng của thiết bị hoặc không bố trí quá hai cặp neo dây văng trên một đốt dầm, hoặc khi dùng dầm dây văng dạng hỗn hợp (không phải kết cầu liên hợp) cũng phải xem xét cân nhắc vị trí và qui mô mối nối để thuận tiện cho việc thi công

Nguyễn Văn Đạt - K15 II-2

và kiểm soát chất luợng v.v Trong trường hợp cầu dây văng dầm bê tông ứng suất trước đổ tại chỗ, chiều dài các đoạn đúc hẫng thường vào khoảng 6m đến 9m, chiều dài đoạn hợp long khoảng 1.5m đến 3.0m Chiều dài đốt dầm đúc hẫng được hoạch định vì một số lí do kỹ thuật công nghệ và duy tu chủ yếu như: khả năng đỡ khối bê tông đổ tại chỗ của xe đúc; khả năng vận hành của xe

đúc khi có qui mô quá lớn; yêu cầu dầm phải có độ cứng nhất định; quan hệ giữa chiều dài đốt dầm với cự li neo cáp phải đảm bảo sự thuận lợi cho việc thi công từng đốt dầm ngay cả khi thay cáp bị đứt hoặc mất cáp mà không dẫn đến

sự sập đổ công trình

ở vị trí nối giữa hai cấu kiện có kích thước khác nhau nhiều dễ xảy ra hiện tượng nứt bê tông do tác dụng của chênh lệch nhiệt độ, co ngót và từ biến, do vậy về mặt hình dạng cấu tạo cũng cần có xử lí tạo nên sự chuyển tiếp vuốt nối hài hòa giữa chúng

Trong quá trình nghiên cứu, tài liệu [5] đf qui ước chia cấu tạo dầm chủ thành hai loại, bao gồm: dầm chủ đơn năng và dầm chủ đa năng để từ đó giới thiệu việc ứng dụng vật liệu bê tông, thép đặc, dàn thép trong kết cấu dầm cầu dây văng Tuy nhiên, trên thực tế sự làm việc của kết cấu dầm không phải lúc nào cũng hoàn toàn mạch lạc như vậy, do đó ở đây sẽ không theo cách phân chia như trên mà sẽ từ phân tích vật liệu cấu thành, kết hợp xem xét lựa chọn các yếu tố khống chế có liên quan, kể cả việc phân tích vấn đề ổn định khí động của một số công trình điển hình để tạo nên một cách tiếp cận nữa về cấu tạo dầm

2.1.2 Dầm chủ bê tông cốt thép:

2.1.2.1 Bản bê tông cốt thép có hai phiến dầm dọc

Dạng mặt cắt với hai phiến dầm dọc có một số ưu điểm như: cấu tạo khá đơn giản, tương đối thuận lợi trong thi công Trường hợp bố trí neo cáp dây văng vào hai dầm dọc biên còn có tác dụng hạn chế ảnh hưởng của lực cục bộ dễ gây nứt bê tông tại vị trí neo nên dạng mặt cắt gồm hai phiến dầm dọc hay được sử dụng khi cầu dây văng có hai mặt phẳng dây Về phương diện khí động mặt cắt này cũng chứng tỏ mức độ hợp lí và hiệu quả

Nguyễn Văn Đạt - K15 II-3

ở Trung Quốc có một số cầu dây văng điển hình sử dụng mặt cắt dạng bản

bê tông cốt thép với hai phiến dầm dọc biên, đó là cầu Đồng Lăng vượt qua sông Trường Giang ở An Huy khẩu độ nhịp chính bằng 432m, hoặc cầu Đại Phật Tử, Trùng Khánh khẩu độ nhịp chính bằng 450m, cầu Kinh Châu Trường Giang khẩu độ nhịp chính bằng 500m

Hình 2-1: Mặt cắt ngang cầu Đồng Lăng tại An Huy – Trung Quốc

Hình 2-2: Mặt cắt ngang cầu Nhị Kiều tại Trùng Khánh – Trung Quốc

Cầu Mỹ Thuận và cầu Rạch Miễu tại Việt Nam cũng sử dụng dạng mặt cắt ngang có hai phiến dầm dọc tuy khác nhau một chút về hình dạng, kích thước chi tiết và vị trí tương đối của hai phiến dầm

Hình 2-3: Mặt cắt ngang cầu Mỹ Thuận tại Vĩnh Long – Việt Nam

Nguyễn Văn Đạt - K15 II-4

2.1.2.2 Dầm chủ bê tông cốt thép dạng hộp

Dạng tiết diện hình hộp thường dùng trong cầu dây văng hiện đại do độ cứng chống uốn và chồng xoắn lớn, phù hợp với các dạng bố trí dây thưa, dây dày một hoặc hai mặt phẳng dây Tiết diện dầm có thể một hoặc nhiều hộp tùy rộng

bề rộng mặt cầu và ý định của người thiết kế

a) Dạng một hộp kết hợp thanh chống xiên, một mặt phẳng dây

Cầu dây văng một mặt phẳng dây, mặt cắt ngang một hộp đầu tiên trên thế giới phải kể đến là cầu Brotonne tại Pháp, khẩu độ nhịp chính 320m, cự ly tim neo dây văng là 6m Tại Việt Nam năm 2005 khánh thành cầu Bfi Cháy một mặt phẳng dây bắc qua Cửa Lục, Quảng Ninh, khẩu độ 435m, cự ly giữa các dây văng 6.5m do liên danh tư vấn JBSI, TEDI, CPI, HYDER thực hiện

Hình 2-5: Mặt cắt ngang cầu Brotonne – Pháp

Hình 2-6: Mặt cắt ngang cầu B?i Cháy – Việt Nam

Nguyễn Văn Đạt - K15 II-5

b) Dạng có hai hoặc nhiều hộp

ứng dụng điển hình đối với kiểu mặt cắt ngang dầm gồm hai hộp hình thang ngược, không chung vách ngăn, liên kết với nhau qua vách ngăn, liên kết với nhau thông quabản mặt cầu và các dầm ngang phân bố đều theo phương dọc cầu, gọi là tiết diện hộp mở Tiết diện có chiều cao nhỏ, thoát gió tốt, được sử dụng rộng rfi trong các cầu dây văng hiện đại có hai mặt phẳng dây (hình 2-7) Hình 2-7a là mặt cắt ngang cầu Pasco Kennewick (Mỹ) có nhịp chính 300m

ở Trung Quốc, những năm gần đây cũng áp dụng phổ biến tiết diện hộp mở cho CDV như cầu Yonghe xây dựng năm 1987 tại tỉnh Tiạnin, cầu có nhịp chính 260m, mặt cắt ngang là một hộp mở rộng 14.5m, cao 2m (hình 2-7b) và cầu Jinan ở Shandong, có ba nhịp 94+220+94m, tiết diện ngang dạng hộp mở, rộng 17.2m, cao 2.75m (hình 2-7c)

Hình 2-7: a) Tiết diện ngang cầu Pasco Kennewick (Mỹ);

b, c) các tiết diện ngang hộp mở của CDV ở Trung Quốc

Các kỹ sư Pháp cũng đf nghiên cứu áp dụng kết cấu giàn không gian cho dầm mặt cầu để giảm trong lượng bản thân cho các cầu khổ rộng và đf được áp