LUẬN ÁN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU CẦU DÂY VĂNG SƠ ĐỒ HAI NHỊP

Trên thực tế khi hệ đối xứng, các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải, để tránh dây chịu nén dưới tác dụng của hoạt tải trên một nhịp, các dây neo cần được điều chỉnh nội l

Trường đại học giao thông vận tải Khoa đào tạo và bồi dưỡng sau đại học

- ********* - Nguyễn Xuân Quang

Hà nội 2005

Trường đại học giao thông vận tải Khoa đào tạo và bồi dưỡng sau đại học

- ********* - Nguyễn Xuân Quang

Mục lục

Mục lục 1

Phần mở đầu 3

Chương 1: những vấn đề chung về cầu dây văng hai nhịp 6

1.1 Tổng quan về kết cấu cầu dây văng hai nhịp 6

1.1.1 Đặc điểm chịu lực : 6

1.1.2 Các sơ đồ dây văng hai nhịp : 7

a Sơ đồ hai nhịp đối xứng: 9

b Sơ đồ hai nhịp không đối xứng: 9

1.2 Cấu tạo các bộ phận cầu dây văng áp dụng cho cầu dây văng hai nhịp 10

1.2.1 Phân bố dây và mặt phẳng dây : 10

a Sơ đồ dây đồng quy : (Hình 8) 10

b Sơ đồ dây song song : (Hình 9) 11

c Sơ đồ dây hình rẽ quạt : (Hình 10) 11

d Các sơ đồ dây liên hợp : (Hình 11) 12

1.2.2 Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu : 13

a Dầm chủ đơn năng : 13

b Dầm chủ đa năng : 14

1.2.3 Cấu tạo tháp cầu 17

a Tháp cầu mềm : 18

b Tháp cầu cứng : 20

1.2.4 Cấu tạo cáp và hệ neo : 20

Cấu tạo dây văng và neo : 22

1.2.5 Cấu tạo hệ liên kết : 27

a Liên kết dây văng với dầm chủ : 27

b Liên kết dây văng với tháp cầu : 29

c Cấu tạo gối neo chịu phản lực âm : 31

Chương 2 : đặc điểm thiết kế cầu dây văng hai nhịp 32

2.1 tĩnh tải và điều chỉnh nội lực : 32

2.1.1 Tĩnh tải : 32

2.1.2 Mục đích của điều chỉnh nội lực: 33

2.2 Hoạt tảI : 33

2.3 phương pháp nghiên cứu : 33

2.3.1 Căn cứ chọn chiều dài khoang dầm và tiết diện dầm : 34

2.3.2 Căn cứ chọn chiều cao tháp : 35

2.3.3 Căn cứ chọn tiết diện dây văng : 36

Chương 3 : ảnh hưởng của một số tham số kết cấu đến trạng tháI ứng suất –

biến dạng cầu dây văng hai nhịp 39

3.1 ảnh hưởng của L3 ( Đoạn dầm từ điểm neo dây thoải nhất của nhịp chính đến đầu nhịp chính ) : 42

3.2 ảnh hưởng tỷ lệ nhịp : 52

3.3 ảnh hưởng của chiều dài khoang dầm : 62

3.4 ảnh hưởng của độ cứng dầm : 72

3.5 ảnh hưởng của độ cứng tháp cầu: 82

Chương 4: kết luận chung 92

4.1 nhận xét và kết luận : 92

4.2 những tồn tại của luận án và hướng nghiên cứu tiếp : 93

Tài liệu tham khảo 94

Phụ lục 95

Phần mở đầu

Cầu dây văng (CDV) là dạng công trình cầu có chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật,

mỹ quan tốt CDV đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và nước ta CDV có khả năng vượt nhịp lớn, kết cấu hiện đại, hình dáng kiến trúc đẹp, có qui mô xây dựng lớn với trình độ công nghệ cao CDV được phát triển, hoàn thiện trên cơ sở hệ dàn dây Gisclard theo hướng tạo một hệ bất biến hình gồm các dây văng chịu kéo và dầm cứng chịu uốn

Từ chiếc cầu đầu tiên, cầu Stromsund được xây dựng ở Thuỵ Điển năm

1955, cho đến nay đã thống kê được hơn 600 chiếc CDV lớn và nhỏ với đầy đủ các thể loại khác nhau được xây dựng trên thế giới Có thể nhận thấy rằng không có loại kết cấu nào được áp dụng rộng rãi, mạnh mẽ và đạt được nhiều thành tựu như CDV Những năm cuối thế kỷ 20, các kỷ lục về chiều dài nhịp CDV liên tục bị phá vỡ, nhiều cây cầu đã trở thành di sản văn hoá, biểu tượng kiến trúc, đánh dấu sự phát triển khoa học kỹ thuật của thời đại

ở Việt Nam cây CDV được xây dựng đầu tiên vào năm 1976 bắc qua sông Đak'rông ở Quảng Trị Trong một thời gian dài chúng ta chưa có điều kiện xây dựng thêm các công trình dạng này Vài năm gần đây cùng với sự chuyển giao công nghệ, kỹ thuật xây dựng cầu tiên tiến từ nước ngoài, ở nước

ta một số CDV nhịp lớn đã được xây dựng như cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Kiền (Hải Phòng), cầu Bính (Hải Phòng), hiện đang xây dựng cầu Rạch Miễu (Bến Tre), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh), cầu Cần Thơ (Cần Thơ) Nhưng phần lớn các công trình trên đều là CDV ba nhịp, CDV hai nhịp còn rất ít

Trên thực tế, một số trường hợp do điều kiện địa chất, địa hình hoặc do yếu tố mỹ quan việc áp dụng CDV hai nhịp là hợp lý CDV 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 Đối với các nút giao thông đô thị khác mức đòi hỏi yêu cầu mỹ quan thì việc áp dụng sơ đồ CDV hai nhịp đối xứng là hợp lý Với địa hình sông suối có dòng chảy không đối xứng trên mặt cắt ngang, hay tuyến đường ven sông sát sườn núi giải pháp hiệu quả hơn cả là xây dựng CDV hai nhịp

không đối xứng Một điểm nổi bật của các CDV có sơ đồ hai nhịp không đối xứng là tạo được hình dáng kiến trúc độc đáo ấn tượng như cầu Rotterdam (Hà Lan), cầu Bratislava (Tiệp), cầu Candle ( Phần Lan ) (Hình 1)

Hình 1 : Cầu Candle ( Phần Lan )

Nhiều năm nay, CDV là đối tượng nghiên cứu về lý thuyết và thực hành của các trường đại học Giao thông vận tải, Xây dựng và các viện nghiên cứu, các Tổng công ty xây dựng ở nước ta, nhằm tiếp cận với công nghệ xây dựng cầu mới trên thế giới, vì vậy nghiên cứu công nghệ, phân tích về lý thuyết

và khả năng ứng dụng của CDV hai nhịp là cần thiết

* Tên đề tài được chọn như sau : '' Phân tích sự làm việc của kết cấu CDV sơ đồ hai nhịp ''

* Mục tiêu nghiên cứu:

Trên cơ sở nghiên cứu và phân tích các sơ đồ CDV hai nhịp trong các trường hợp áp dụng khác nhau để có cơ sở so sánh ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản đến trạng thái ứng suất - biến dạng trong CDV, và khả năng áp dụng CDV hai nhịp ở nước ta

* Phương pháp nghiên cứu:

Khảo sát các bài toán về CDV hai nhịp trong giai đoạn khai thác với các thông số lần lượt thay đổi Trên cơ sở số liệu tính toán với các sơ đồ cầu khác nhau : phân tích, nhận xét và kết luận

* Nội dung luận án:

Luận án tiến hành nghiên cứu, phân tích về ảnh hưởng tỷ lệ chiều dài hai nhịp (không đối xứng) đến trạng thái ứng suất - biến dạng của dầm Tiếp theo, khảo sát ảnh hưởng của dây neo trong CDV hai nhịp (không đối xứng),

ảnh hưởng của chiều dài khoang dầm đến phân bố nội lực trong CDV và ảnh hưởng của mômen quán tính dầm chủ đến nội lực CDV Đồng thời, nghiên cứu

ảnh hưởng của tháp cứng và tháp mềm đến nội lực và biến dạng trong CDV

Từ đó rút ra những kết luận và kiến nghị có tính thực tiễn

Luận án có cấu trúc như sau :

Phần mở đầu

Chương 1 : NHững vấn đề chung về cầu dây văng hai nhịp

1.1 Tổng quan về kết cấu cầu dây văng hai nhịp

1.2 Cấu tạo các bộ phận cầu dây văng áp dụng cho cầu dây văng hai nhịp Chương 2 : Đặc điểm thiết kế cầu dây văng hai nhịp

2.1 Tĩnh tải và điều chỉnh nội lực

Chương 1: những vấn đề chung về cầu dây văng hai

Dây chịu tải nén Dây chịu tải nén

Hình 2 : Hoạt tải trên một nhịp

Để khắc phục tình trạng trên ta có thể bỏ đi các dây neo vào trụ Khi đó thì các dây văng chủ yếu chỉ chịu tĩnh tải Nhưng giải pháp này kém hiệu quả bởi vì khi bỏ dây neo vào trụ sẽ làm giảm đi độ cứng chung của toàn hệ và gây nên biến dạng lớn ở đỉnh tháp Trên thực tế khi hệ đối xứng, các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải, để tránh dây chịu nén dưới tác dụng của hoạt tải trên một nhịp, các dây neo cần được điều chỉnh nội lực để tạo ra lực căng trước rất lớn trong dây neo đủ để khắc phục lực nén lớn nhất có thể xảy ra Biện pháp này gây phức tạp cho công tác điều chỉnh nội lực, rất khó khống chế những mất mát trong quá trình khai thác đồng thời cũng gây ra trạng thái nội lực rất khó kiểm soát trong hệ Mặt khác, có thể khắc phục

nhược điểm trên bằng cách dùng một tháp cầu cứng ở giữa để hạn chế chuyển

vị ngang của tháp (Hình 3)

H

Hình 3 : Cầu dây văng hai nhịp có tháp cứng

Giải pháp khác đơn giản hơn là sử dụng hệ CDV hai nhịp có các nhịp không bằng nhau, trong đó nhịp chính có số khoang lớn hơn Tại nhịp nhỏ có

bố trí dây neo vào mố Dưới tác dụng của tĩnh tải, trọng lượng bản thân của nhịp lớn gây lực căng trước dự trữ trong dây neo đủ để khắc phục lực nén do hoạt tải khai thác đứng trên nhịp nhỏ Tại nhịp chính chỉ bố trí dây văng ở những vị trí thích hợp để không xuất hiện lực "nén" trong dây Khi đó độ cứng của toàn hệ được đảm bảo nhờ việc khống chế chuyển vị ngang của đỉnh tháp cầu do sự cân bằng của lực căng trước trong dây neo và tải trọng bản thân của nhịp chính

có ít công trình xây dựng, để làm đối trọng cân bằng với các khối nhà cao tầng

ở trung tâm Hơn nữa tháp cầu lại bố trí nghiêng về phía bờ tạo cảm giác khoẻ mạnh của một người kéo lưới Trên tháp còn bố trí một quán ăn vừa gây ấn

tượng, vừa tạo được một phần đối trọng cho phần tĩnh tải ở nhịp chính

Hình 4 : Cầu Bratislava ( Tiệp ) Hình 5 : Cầu Anamillo ( TBN )

Cầu dây văng hai nhịp không chỉ là công trình giao thông đơn thuần mà còn là nơn thu hút, tập trung trí tuệ của các nhà khoa học, kiến trúc sư để tạo dựng được các công trình thể hiện bản sắc kiến trúc độc đáo cho tường khu vực Ví dụ cầu Alamino ( Tây Ban Nha ) (Hình 5) bố trí tháp nghiêng 320 tạo dáng mũi tên đã gây được ấn tượng sâu sắc về hình dáng độc đáo

ở nước ta cầu sông Hàn (Đà Nẵng) là CDV 2 nhịp có tháp cầu cứng quay được là một biểu tượng đặc trưng của Thành phố Đà Nẵng

Đặc điểm một số CDV hai nhịp ở Việt Nam và Thế giới

Rào II Việt Nam 120 190 0.632 Liên hợp BCNCKT

Candle Phần Lan 126 210 0.667 B.tông 1989

Van Eyck Pháp 63.5 83.5 0.315 B.tông 1980 Pertuiset Pháp 132 174 0.318 B.tông 1988 Victor Bodson Luxembourg 130 260 1.00 Thép 1993

CDV hai nhịp được xây dựng khá phổ biến trên thế giới, trên Bảng 1 giới

thiệu đặc điểm một số CDV hai nhịp đã xây dựng ở Việt Nam và Thế giới Do tính đa dạng về kiến trúc ta có thể tạm chia các dạng sơ đồ CDV hai nhịp như

a Sơ đồ hai nhịp đối xứng:

CDV hai nhịp đối xứng các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu Sơ đồ này thường được áp dụng cho các cầu vượt đường, các nút giao thông lập thể với khẩu độ không lớn lắm và yêu cầu kiến trúc đẹp Có thể dùng sơ đồ CDV hai nhịp đối xứng có dây neo, CDV hai nhịp đối xứng không có dây neo và CDV hai nhịp đối xứng tháp cứng như cầu Osaka (Nhật Bản) (Hình 6)

Hình 6: Cầu Osaka ( Nhật Bản )

b Sơ đồ hai nhịp không đối xứng:

Hình 7: Cầu Wandre ( Bỉ )

CDV hai nhịp không đối xứng thì nhịp lớn sẽ có số khoang lớn hơn hoặc bằng với số khoang nhịp nhỏ tuỳ theo cách bố trí dây và vị trí tháp cầu Tháp CDV hai nhịp không đối xứng có thể là tháp thẳng đứng hoặc tháp xiên như cầu Wande (Bỉ) (Hình 7)

1.2 Cấu tạo các bộ phận cầu dây văng áp dụng cho cầu dây

L H

Hình 8: Sơ đồ dây đồng quy

Trong sơ đồ dây đồng quy, các dây được liên két cố định tại nút trên

đỉnh tháp cầu nên ứng với mọi vị trí của tải trọng, nội lực của các dây thông qua nút và dây neo truyền vào mố trụ và dầm cứng, do đó hệ có độ cứng lớn Sơ đồ dây đồng quy được sử dụng phổ biến và hiệu quả cho các cầu dây ít, khoang lớn, khi đó cấu tạo nút dây trên đỉnh tháp cầu không phức tạp Ngoài

ra trong các cầu tháp cứng, hoặc bố trí dây không đối xứng cũng thường dùng sơ đồ đồng quy

b Sơ đồ dây song song : (Hình 9)

Trong sơ đồ dây song song, các dây văng ở mỗi bên tháp cầu song song với nhau, phân bố cách đều trên tháp cầu và neo vào các điểm neo trên dầm chủ Như vậy tại mỗi nút chỉ tập trung nhiều nhất hai dây nên cấu tạo đơn giản

Về mặt kiến trúc, do các dây song song nên tại mọi góc nhìn đều cảm nhận

được đường nét song song và cách đều trong khi ở các hệ khác các dây giao cắt nhau theo đường lộn xộn

Sơ đồ dây hình rẽ quạt là sơ đồ trung gian giữa sơ đồ đồng quy và sơ đồ song song, trong đó từng cặp dây trường được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách nhỏ nhất để có thể cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây trong quá trình thi công Như vậy các dây văng được bố trí không song song với nhau để tranh thủ các góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian và tránh tối đa tháp cầu bị uốn ngang Trong các sơ đồ hình rẻ quạt các dây được neo

cố định trên tháp cầu, do khoảng cách giữa các điểm neo dây trên tháp lấy nhỏ nhất có thể chấp nhận được, nên trị số mômen uốn trong tháp cầu dưới tác dụng của lực ngang do hoạt tải tương đối nhỏ và không làm tăng kích thước của tháp

Hiện nay sơ đồ hình rẽ quạt là phương án được ưa dùng nhất cho các nhịp cầu lớn, khoang nhỏ, nhiều dây

Hình 11: Sơ đồ dây liên hợp

1.2.2 Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu :

Trong CDV, hiện tồn tại hai loại tiết diện ngang dầm chủ với nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau

a Dầm chủ đơn năng :

Dầm chủ đơn năng 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 gọi là dầm chủ

đơn năng

Trong cầu có dầm chủ đơn năng, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc

độc lập với nhau, dầm chủ chịu lực như một biên cứng của dàn chủ yếu chịu nén và chịu uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, khả năng chống xoắn chủ yếu

do các dầm ngang và hệ dây đảm nhiệm, dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp của bản, dầm dọc và ngang Các dầm chủ đơn năng chỉ được dùng trong các cầu có nhiều mặt phẳng dây

Tiết diện ngang của dầm chủ có thể có dạng I đơn, được liên kết bằng các dầm ngang, trên dầm ngang là hệ dầm dọc và trên dầm dọc là bản mặt cầu bằng bản thép hoặc bằng BTCT Với sơ đồ và cấu tạo như trên, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc hoàn toàn độc lập, bản mặt cầu chịu lực cục bộ theo nhịp bản (khoảng cách giữa các dầm dọc), dầm dọc làm việc cục bộ theo nhịp là khoảng cách giữa các dầm ngang, dầm chủ làm việc như một biên cứng của dàn chịu nén uốn 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 khoẻ (Hình 12)

Hình 12: Mặt cắt ngang dầm chủ đơn năng bằng thép

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

Khi cần tăng cường độ cứng của dầm chủ, có thể áp dụng kết cấu dàn Dàn chủ trong CDV thường được áp dụng cho các cầu nhịp lớn, cầu có nhiều tầng xe chạy, chịu tải trọng lớn, đặc biệt với tải trọng trên đường sắt, nhằm tăng cường độ cứng theo phương thẳng đứng, phương ngang và tăng khả năng chống xoắn khi chịu tải trọng động và lực gió Để tăng cường độ cứng và giảm khối lượng vật liệu thì dàn chủ tỏ ra có ưu điểm đặc biệt, tuy nhiên lại gây tốn kém trong công tác chế tạo, lắp ráp và làm tăng chiều cao kiến trúc của cầu

Về mặt cấu tạo, dầm chủ cần được thiết kế để tạo thuận tiện và thi công

đơn giản nhất, tránh tối đa cấu tạo các khớp, các khe nối trên cầu

Do dầm cứng chủ yếu chịu nén nên dùng BTCT thích hợp, đặc biệt trong công nghệ thi công hẫng thì CDV có thể được coi như cầu dầm liên tục, thi công hẫng, cốt thép dưl ngoài Cốt thép dưl ngoài trong CDV có cánh tay đòn tính từ trọng tâm dầm cứng đến các dây lớn hơn nhiều so với cầu dầm liên tục,

do đó dầm cứng và dây có tiết diện và khối lượng nhỏ hơn, CDV vượt nhịp dài hơn, có các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật tốt hơn

Ngoài ra dưới tác động 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 CDV có thể xem là cầu bê tông tự ứng suất do lực nén trước, trong đó lực nén trước trong dầm cứng có thể triệt tiêu được ứng suất kéo do mômen uốn gây ra

b Dầm chủ đa năng :

Dầm chủ đa năng là dầm chủ có dạng một khối, một bản đặc, hoặc một hộp rỗng bằng BTCT hay bằng các tấm thép được gia cường bằng các sườn

tổng thể, không phân biệt rõ dầm chủ và hệ dầm mặt cầu Ví dụ bản mặt cầu vừa chịu lực cục bộ theo phương ngang vừa tham gia như biên trên của dầm chủ chịu uốn, vật liệu cấu thành tiết diện hộp kín được bố trí xa trọng tâm tạo khả năng chống uốn và chống xoắn cao, rất cần thiết trong các cầu có một mặt phẳng dây bố trí ở giữa Dầm chủ như vậy có khả năng chịu lực cục bộ và tổng thể, chịu uốn và chịu xoắn tốt, gọi là dầm chủ đa năng

Trong CDV, dầm chủ đa năng bằng thép đầu tiên được áp dụng trong

hệ cầu một mặt phẳng dây Với các cầu một mặt phẳng dây thì khả năng chống xoắn của cầu chịu tải trọng lệch tâm hoàn toàn do dầm chủ mặt cầu

đảm nhiệm 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

Hình 13: Mặt cắt ngang dầm chủ đa năng bằng thép

Các CDV hiện đại đều có khuynh hướng dùng hai mặt phẳng dây với khoang nhỏ, dây dày tiết diện ngang hộp kín dạng thoát gió (Hình 13)

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

• Dầm chủ đa năng bằng bê tông cốt thép :

Các tiết diện dầm chủ đa năng bằng BTCT trong CDV thường có dạng một hộp rộng suốt chiều ngang cầu Để tránh phải thực hiện các mối nối trong thi công, đảm bảo tính toàn khối, tính đồng nhất, dầm chủ đa năng bằng BTCT thường được thực hiện theo phương pháp đúc hẫng tại hiện trường (Hình 14.)

Hình 14: Mặt cắt ngang dầm chủ đa năng bằng bêtông

Về nguyên tắc chịu lực, dầm chủ đa năng bằng BTCT có hình khối giống như dầm thép, tuy nhiên để đảm bảo thuận lợi cho công nghệ đổ bê tông hẫng, khi thiết kế cấu tạo và định chiều dày các tường, bản, cần lưu ý để dễ đổ bêtông, dễ đầm nén, bảo dưỡng, dễ tháo lắp ván khuôn và tránh đổ bêtông nhiều đợt cho mỗi khoang

Hình 15: Mặt cắt ngang dầm cầu Kiền ( Hải Phòng )

4850 2250

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 dủ

có cấu tạo và thi công đơn giản nhất

1.2.3 Cấu tạo tháp cầu

Trong CDV, tuỳ theo độ cứng chịu uốn của tháp theo phương dọc, có thể phân biệt hai loại tháp : tháp mềm và tháp cứng

Tháp mềm có kích thước theo chiều dọc cầu tương đối nhỏ, độ cứng bé, khả năng chịu uốn kém hoặc khi tháp cầu có liên kết khớp với trụ thì cũng

được coi là mềm không phụ thuộc vào kích thước tiết diện Chuyển vị ngang của đỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu dựa vào độ cứng chịu kéo của dây neo Dây neo thường đựơc liên kết cố định, một đầu vào đỉnh tháp cầu, một

đầu vào dầm cứng trên mố, trụ Như vậy theo phương dọc cầu, tháp mềm làm việc như một thanh có đầu trên liên kết khớp với dây neo, đầu dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ

Tháp cứng có kích thước tiết diện ngang lớn, độ cứng theo phương dọc cầu đủ lớn để hạn chế chuyển vị ngang đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng Do đó tháp cứng phải liên kết cứng với trụ và trên nguyên tắc có thể không cần dây neo Tháp cứng chịu tải như một thanh có một đầu ngàm, một

đầu tự do chịu nén uốn Để đảm bảo độ cứng ngang, hạn chế đến mức tối

thiểu chuyển vị ngang của đỉnh tháp và tiết kiệm vật liệu, tháp cầu cứng có thể tạo dạng A hoặc Y ngược

a Tháp cầu mềm :

Tháp cầu mềm có thể làm bằng thép hoặc BTCT, thông thường tháp cầu bằng thép được dùng cho các cầu có dầm cứng bằng thép, còn tháp cầu BTCT có thể dùng cho các cầu có dầm cứng bằng thép hoặc BTCT

Tháp cầu đơn giản nhất có dạng hai cột thẳng đứng tạo thành một khung hở, ngàm vào thân trụ hoặc vào dầm chủ, mỗi cột tháp nằm trong một mặt phẳng dây, làm việc chịu nén uốn theo phương ngang như thanh có một

đầu ngàm, một đầu tự do Theo phương dọc do có các dây neo nên tháp làm việc như thanh có một đầu ngàm, một đầu tựa trên gối đàn hồi Với các cầu nhịp lớn, tháp cao sẽ làm việc bất lợi về mặt ổn định Để tăng cường khả năng chịu nén dọc và tạo điều kiện có thể bố trí liên kết khớp tại chân tháp cầu, các cột thường được liên kết với nhau theo phương ngang cầu tạo thành một khung kín thông qua một hệ thanh giằng Các thanh giằng có thể bố trí dày hoặc thưa với hình dạng tuỳ ý theo mỹ quan, đủ đảm bảo chịu lực và thi công đơn giản Theo phương dọc, tháp có thể ngàm hoặc liên kết khớp với trụ Dây neo có một đầu neo cố định trên đỉnh tháp, một đầu neo vào đầu dầm cứng Gối cầu trên mố tại vị trí dây neo cần có cấu tạo để chịu được phản lực âm chống lại lực nhổ khi hoạt tải đứng trên nhịp giữa

Tháp cầu dạng khung kín tạo điều kiện giảm chiều dài tự do chịu nén dọc nên có thể giảm chiều dày tiết diện cột tháp mà vẫn đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định Do đó trừ các trường hợp đặc biệt, theo phương ngang cầu, tháp cầu mềm thường chọn dạng khung kín

Chiều rộng của tháp thường chọn lớn hơn chiều rộng hệ mặt cầu để

đảm bảo tính liên tục của dầm chủ qua trụ, khi đó hai mặt phẳng dây sẽ phải nằm hơi nghiêng hình máng Hai mặt phẳng dây nghiêng hình máng, với độ nghiêng nhỏ, hầu như không ảnh hưởng đến khả năng làm việc của hệ, nhưng

có thể không đảm bảo mỹ quan Để dây nằm trong các mặt thẳng đứng thì trên mặt cắt ngang, tháp cầu có thể có dạng hình thang, hoặc có dạng hình

chữ nhật ở phía trên (tại vị trí cần neo dây) phía dưới mở rộng chân tạo thành hình thang đủ rộng để dầm chủ chạy liên tục trong lòng tháp

Đối với các cầu có một mặt phẳng dây thì tháp thường có dạng một cột thẳng đứng nằm giữa cầu Để có thể bố trí dầm chủ tiết diện hộp liên tục qua trụ, chân tháp thường không trực tiếp liên kết với trụ và ngàm vào dầm chủ, phản lực thẳng đứng từ tháp truyền qua gối của dầm hộp xuống trụ Theo phương ngang cầu thép chịu nén uốn như thanh một đầu ngàm một đầu tự do nên kích thước tiết diện tương đối lớn

Tháp cầu chủ yếu chịu nén nên thường được làm bằng BTCT Để tránh phải cấu tạo và thi công khớp, tháp cầu BTCT thường liên kết ngàm với móng hoặc trụ Tháp cầu bằng BTCT đơn giản nhất thường là tháp dạng cột, tiết diện ngang chữ nhật đặc hoặc rỗng, tiết diện H hoặc tiết diện ống có hình dạng bất

kỳ

Hình 16: Các dạng tháp cầu theo phương ngang

Với các cầu nhịp nhỏ và trung, tiết diện cột tháp nhỏ thì có thể cấu tạo tiết diện chữ nhật có dây xuyên qua tháp neo và mặt sau tiết diện, để che chắn các mấu neo có thể bố trí các tường che tạo cho cột tháp có dạng hình chữ H Dạng chữ H của cột tháp có thể chỉ cấu tạo ở khu vực neo như ở tháp cầu Elbeuf qua sông Seine ở Pháp

Tháp cầu là kết cấu chủ yếu chịu nén nên thông thường được làm bằng BTCT Tuy nhiên đối với các cầu nhỏ và trung, các cầu người đi, cầu máng, cầu ống dẫn, để đảm bảo chế tạo, vận chuyển và lắp đặt đơn giản, nhanh chóng cũng vẫn dùng tháp cầu bằng thép Ngoài ra ngay trong các tháp cầu bằng BTCT vẫn cần các bộ phận bằng thép để tạo ra các ổ neo liên kết với

các dây văng Các cột tháp cầu bằng thép thường được chế tạo trước trong nhà máy dưới dạng các cột hoàn chỉnh, hoặc các đốt, các thanh và được lắp dựng tại hiện trường Tiết diện ngang thường có dạng thép hình chữ I, chữ H để nguyên hoặc ghép thành hộp Tiết diện hộp ghép từ các tấm thép đơn, bản thép có sườn hoặc tiết diện hộp nhiều vách ngăn

Tiết diện hộp thép ghép từ 2 thanh I-610 với các bản thép dày 20mm

được áp dụng vào cầu Đak'rông ở Quảng Trị năm 1976

b Tháp cầu cứng :

Một trong các biện pháp tăng cường độ cứng cho CDV là dùng tháp cứng tháp cứng là tháp có độ cứng theo phương dọc đủ lớn để hạn chế chuyển vị ngang của đỉnh tháp khi chịu hoạt tải nhằm giảm độ võng của hệ mômen uốn trong dầm chủ Vì vậy trên nguyên tắc, khi dùng tháp cầu cứng thì

có thể không cần dây neo Để tăng độ cứng của tháp thì phải tăng diện tích tiết diện và kích thước mặt cắt ngang của tháp cầu

Theo chiều dọc, tháp cứng có dạng chữ nhật kích thước lớn, hoặc tiết diện hộp Với cầu nhịp lớn, tháp cao thì tháp cứng hợp lý nhất có dạng chữ A Tháp cầu dạng chữ A vừa tạo độ cứng lớn, tiết kiệm vật liệu nên được dùng nhiều trong các cầu cần tăng cường độ cứng khi không có khả năng bố trí các dây neo Cách giải quyết trụ và tháp của cầu Maracaibô ở Vênêduêla là ví dụ

điển hình về việc áp dụng tháp cầu cứng cho CDV nhiều nhịp không có dây neo

Tháp cầu cứng có kích thước và độ cứng lớn theo phương dọc cầu nhằm giảm chuyển vị của đỉnh tháp và chịu mômen uốn

1.2.4 Cấu tạo cáp và hệ neo :

CDV là loại cầu có thể vượt các nhịp dài và rất dài, do đó dây văng thường có chiều dài lớn, được căng và neo vào hai đầu cố định, dưới tác dụng của tải trọng bản thân dây hay bị võng, khi chịu hoạt tải, độ võng giảm, dây duỗi thẳng gây thêm biến dạng phụ Để hạn chế ảnh hưởng trên (giảm trọng

lượng bản thân dây), dây thường được chế tạo từ các sợi thép có cường độ cao như các sợi thép đơn đặt song song hoặc các bó dây cáp

Có nhiều loại cáp dùng làm dây văng nhưng hầu hết thường được cấu tạo từ thép cường độ cao

*/ Cáp gồm các thanh song song :

Cáp được cấu tạo từ các thanh thép đặt song song nhau trong một ống thép và được định vị trong một vách ngăn bằng chất dẻo PE Trong quá trình lắp đặt, các thanh thép có thể tự do trượt dọc theo tuyến dây, nên việc căng kéo có thể thực hiện một cách đơn giản cho từng thanh Sau khi căng kéo song có thể bơm vữa xi măng trong lòng ống, đảm bảo ống thép cùng tham gia chịu hoạt tải Việc vận chuyển dưới dạng các cuộn chỉ thực hiện được với các thanh có đường kính nhỏ hơn 16mm Các thanh có đường kính lớn hơn thường được chế tạo và vận chuyển dưới dạng thanh có chiều dài 15-20m Việc nối liên tục thường thực hiện qua ống nối ren răng Mối nối ren răng làm giảm tiết diện dây, gây ứng suất tập trung và giảm khả năng chịu mỏi của thép

*/ Cáp gồm các sợi song song :

Cáp gồm các sợi song song là các bó dây làm bằng các sợi thép cường

độ cao bố trí song song đặt trong ống thép hoặc ống nhựa Polyethylene Sau khi lắp đặt song, thường bơm vữa xi măng trong lòng ống Các sợi thép có thể

đặt riêng rẽ, sắp xếp theo hình lục giác trên nguyên tắc đảm bảo các thanh ép sít nhau thuận tiện cho việc bó cáp và tạo lớp vỏ chống gỉ

Bó dây có sợi song song chịu lực tốt hơn, có cường độ bằng cường độ thép sợi đơn, có môđun đàn hồi cao hơn các bó dây xoắn ốc Tuy nhiên các bó lớn có độ cứng lớn, khó cuộn vào các rulô, khó vận chuyển lắp đặt

Hãng BBRV ( Thuỵ Sỹ ) chế tạo các bó gồm các sợi thép đường kính 7mm số sợi thay đổi từ 50-350 Bó được chế tạo để có thể cuộn vào rulô vận chuyển đến công trường Các bó dây sắp xếp theo dạng tròn và đặt trong ống polyyethylene

*/ Cáp kín :

Cáp kín là tổ hợp của các sợi thép tròn, hình thang và hình chữ Z Thông thường lõi là một tao cáp gồm các sợi tròn, quanh lõi là vài lớp dây tiết diện hình thang và ngoài cùng là các lớp dây tiết diện Z Khi chịu kéo các dây hình nêm và Z ép sít vào nhau bảo vệ cho nước và khí ẩm không lọt được vào các lớp trong làm gỉ thép Ngoài ra cáp kín còn có môđun đàn hồi lớn hơn và chống

gỉ tốt hơn các loại cáp khác

*/ Bó cáp :

Bó cáp là tổ hợp của nhiều tao quấn quanh một lõi, có thể là một tao hay một bó cáp

Cấu tạo dây văng và neo :

Trong CDV, dây làm việc chịu kéo như các gối tựa đàn hồi chịu toàn bộ phản lực thẳng đứng do tĩnh và hoạt tải tác dụng lên công trình, đồng thời dây lại luôn chịu tác dụng của hiệu ứng Karman nên dễ bị mỏi, do đó nếu dây có

sự cố sẽ nguy hại cho toàn cầu, đặc biệt đối với các cầu dây ít, khoang lớn Dây cáp thường được chế tạo trong nhà máy với công nghệ cao nên có chất lượng và độ tin cậy tốt, trong khi hệ neo có thể phải chế tạo tại hiện trường nên

độ chính xác và tin cậy kém hơn, do đó neo cũng cần được đặc biệt quan tâm

đến chất lượng, độ tin cậy, biện pháp chống ăn mòn và chống rung

Hình 19 : Neo VSL cho bó gồm các tao đơn đặt song song

*/ Yêu cầu cơ bản của kết cấu neo như sau :

+ Có khả năng chịu lực và chịu mỏi tương đương với dây và có thể truyền toàn bộ lực trong dây và dầm

+ Có khả năng thay thế khi cần thiết

+ Có khả năng căng chỉnh, thay đổi chiều dài trong thi công và có thể vi chỉnh hoặc thả chùng khi cần thiết trong quá trình khai thác

+ Bố trí đủ không gian để thi công đơn giản, dễ kiểm tra, sửa chữa trong khai thác

+ Chống gỉ tốt

+ Chịu được các sự cố bất ngờ (chẳng hạn một dây bị đứt bất ngờ do tụt neo hoặc do phá hoại)

*/ Kết cấu neo thường gồm hai bộ phận :

+ Bộ phận thứ nhất nhằm liên kết bó dây với khối neo, gọi là neo Bộ phận này có tầm quan trọng đặc biệt vì việc liên két một bó dây cường độ cao với khối neo nảy sinh nhiều vấn đề phức tạp về khả năng chịu lực cũng như công nghệ chế tạo

+ Bộ phận thứ hai nhằm liên kết khối neo với công trình như dầm hoặc tháp cầu để chịu lực và có thể thay đổi chiều dài dây và nội lực trong hệ, gọi là đầu neo Bộ phận này có kết cấu đơn giản hơn vì là bộ phận liên kết giữa các khối vật liệu có kích thước và hình dáng tuỳ chọn, tuy nhiên cần có cấu tạo thích hợp để có khả năng thay đổi chiều dài trong quá trình điều chỉnh nội lực

Đầu neo có cấu tạo, hình dáng, kích thước phụ thuộc vào kích thước dây văng và phương pháp căng kéo Đầu neo cần được thiết kế, chế tạo đủ khả năng chịu lực kéo đứt của dây mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu

đầu neo Tuỳ theo chức năng, có thể phân biệt hai loại đầu neo, đầu neo cố

định và đầu neo di động Đầu neo cố định không có khả năng thay đổi chiều dài sau khi lắp đặt Đầu neo di động có khả năng thay đổi chiều dài dây, tạo

điều kiện căng chỉnh trong quá trình thi công cũng như khai thác

Đầu neo cố định có thể trực tiếp tựa lên dầm chủ hoặc tháp cầu qua các

lỗ rỗng hoặc qua mấu neo dạng vành khuyên Đầu neo di động thường được thiết kế trên nguyên tắc các thanh ren răng dạng bu lông hoặc tăng đơ, tạo

điều kiện thay đổi chiều dài dây Cũng có trường hợp neo được kích điều chỉnh chiều dài và chêm chèn bằng các bản thép để cố định chiều dài dây

Đầu neo có thể liên kết cứng hoặc liên kết khớp với dầm chủ và tháp cầu Đầu neo liên kết cứng thì mặt đệm neo phải lắp đặt rất chính xác để giảm

độ nghiêng lệch mặt neo Trong quá trình chịu hoạt tải, chịu lực gió, dây và neo luôn bị bẻ làm cho dây và neo dễ bị mỏi Đầu neo liên kết khớp với kết cấu

có thể làm đơn giản việc thi công, tránh được hiện tượng bẻ dây và neo khi chịu hoạt tải và lực gió

Đối với các bó dây nhỏ như các tao cáp xoắn ốc, đặc biệt là các tao đơn thì có thể dung neo ép Neo có dạng một ống thép hình trụ, đường kính trong bằng đường kính tao cáp, sau đó neo được đưa vào máy ép thuỷ lực ép nong

để thân neo ép chặt và cắn vào rãnh xoắn của dây nhưng không làm dây bị thương tổn

Do chỉ có mặt ngoài của dây tiếp xúc với hộp neo nên neo ép chỉ dùng cho các tao cáp xoắn cỡ nhỏ như các tao đơn Thân neo được ren răng để bắt

bu lông liên kết với các bộ phận khác của công trình

Neo đúc hợp kim nóng có cấu tạo gồm một neo lòng rỗng có dạng hình côn hoặc elip, bó dây lồng vào hộp, các sợi thép được tách riêng rẽ, có thể uốn móc câu tạo mũ ở đầu sợi hoặc nhúng vào dung dịch rửa sạch, đảm bảo dính kết tốt với kẽm

Công việc tách dây phải đảm bảo tất cả các sợi đều được tắm trong hợp kim nóng chảy Hợp kim đúc neo có thành phần là kẽm (Zn), 9 - 11% nhôm (Al) và 1 - 2% đồng (Cu) được nung nóng ở nhiệt độ 400 - 480o ở nhiệt độ này thép bị nung nóng làm thay đổi tính chất cơ lý, đặc biệt giảm khả năng chịu mỏi của bó dây

Ngoài chịu mỏi kém, khi hợp kim nguội còn phát sinh co ngót gây hiện tượng trượt neo khi chịu lực Kết quả thí nghiệm cho thấy biến dạng trượt có thể tới 5 - 10mm Hiện tượng trượt còn tiếp tục xảy ra trong khai thác khi chịu hoạt tải và tải trọng động Do đó hiện nay ở Mỹ đã kiến nghị không sử dụng neo đúc hợp kim cho CDV

Hệ neo cáp bó dây gồm các thanh thép đặt song song được Dywidag thực hiện vào cầu Hoechst qua sông Rhim ở Đức Bó dây gồm các thanh thép

d = 16mm đặt song song trong một ống thép Đầu các thanh thép được tạo mũ

và neo sau một bản neo, sau khi lắp đặt và căng kéo xong, trong lòng ống

được bơm vữa xi măng Nhược điểm cơ bản của hệ neo Dywidag là không có khả năng thay thế vi chỉnh chiều dài trong quá trình khai thác

Bó dây có các sợi song song được dùng nhiều trong kết cấu BT ứng suất trước và cũng được áp dụng cho CDV Ưu điểm cở bản của bó các sợi song song là khả năng chịu lực và môđun đàn hồi chịu kéo lớn hơn nên nhiều

nước, nhiều chuyên gia nghiên cứu chế tạo các loại neo thích hợp nhằm áp dụng tốt nhất loại bó dây này

Kết cấu neo cho bó cáp kín cũng được thực hiện theo nguyên tắc đúc bằng hợp kim nóng toàn khối Hộp neo có lỗ rỗng dạng hình côn hoặc elip để tạo không gian tách rời các sợi thép, hộp neo sau đó đổ hợp kim nóng trên nền kẽm Hợp kim cần được đun chảy lỏng (400 - 450o) và rót vào hốc neo Khoảng cách giữa các sợi thép cần đủ để đảm bảo để kim loại có thể bao bọc kín quanh sợi thép Phương pháp chế tạo này làm giảm cường độ chịu mỏi của thép (120 - 150 MPa) tức là khoảng 50% cường độ của cáp Bó dây và neo

đều có kích thước nhỏ hơn các loại bó dây khác

Bộ phận quan trọng có ý nghĩa quyết định chất lượng của CDV chính là các dây và hệ neo cáp Sự phát triển của cầu gắn liền với sự phát triển của dây và neo Vào thời kỳ đầu hầu hết các cầu đều dùng khoang lớn, dẫn tới kích thước dây văng và hệ neo lớn Bó lớn dây dài, neo lớn làm cho công tác chế tạo neo đúc phức tạp, việc lắp đặt dây khó khăn neo đúc, neo Hi Am

đều cố định chiều dài hai đầu dây nên việc thay đổi chiều dài dây để điều chỉnh rất hạn chế Ngoài ra các bó dây và neo được chế tạo trước nên có kích thước cồng kềnh, trọng lượng và chiều dài đều lớn, việc vận chuyển, chuyên chở lắp đặt và căng chỉnh rất khó khăn

Để việc lắp đặt dây văng được đơn giản, không cần giàn dáo thì có thể lắp đặt từng tao đơn, mỗi tao gồm 7 sợi d = 4 -7mm Số lượng tao trong bó không hạn chế, các tao được lắp đặt Căng từng sợi một và được ghép thành

bó lớn ngay tại vị trí dây trên hiện trường Hệ neo cáp dựa trên nguyên lý neo kẹp 3 mảnh giống như hệ neo đã dùng trong cầu BTCT ứng suất trước Neo gồm một khối thép hình trụ có khoan các lỗ hình côn để luồn các tao thép và

được kẹp cố định bằng ba mảnh nêm thép hình côn, số lỗ trong cột neo đúng bằng số tao trong bó Bên ngoài hộp neo được ren răng để bắt êcu neo theo nguyên tắc xiết bu lông

• Dây văng làm bằng các thanh BTCT ứng suất trước :

Với các cầu có số giây ít, khoang lớn, thép cứng như kiểu cầu Maracaibô thì các dây văng có thể làm bằng thanh cứng BTCT ứng suất trước Dây văng bằng thanh BTCT ứng suất trước làm tăng độ cứng tới 4 lần so với dây không bọc do đó làm giảm mômen uốn trong dầm cứng, bảo vệ dây chống gỉ, việc tạo ứng suất trước trong bê tông được thực hiện bằng cách chất tải lên cầu sau

đó mới bơm vữa vào bọc dây

Đối với các cầu nhịp nhỏ, hoạt tải không quá lớn việc dùng dây văng bằng các thanh thép có cường độ từ 600 - 1030 MPa với các neo ren răng ở hai đầu dây, và các đầu nối (khi đường kính lớn hơn 16mm) bằng ống thép hoàn toàn thoả mãn các nguyên tắc cơ bản về cấu trúc, chịu lực, lắp đặt, điều chỉnh, thay dây và chống gỉ do đó đối với các nhịp cầu nhỏ (dưới 100m), các cầu vùng núi và nông thôn, để đảm bảo thi công đơn giản, không cần các thiết

bị chuyên dụng, việc dùng thép thanh trong CDV mang lại hiệu quả tốt

1.2.5 Cấu tạo hệ liên kết :

Cùng với tháp cầu và dầm chủ, dây văng là bộ phận quan trọng nhất quyết định độ an toàn và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu, vì vậy việc liên kết giữa chúng cần thoả mãn các điều kiện sau :

- Điều kiện chịu lực tức thời và lâu dài;

- Không gây các nội lực thứ cấp trong khai thác;

- Dễ thi công, dễ thay đổi chiều dài dây để có thể điều chỉnh nội lực trong quá trình thi công cũng như trong khai thác;

- Dễ kiểm tra, dễ sửa chữa và thay thế trong trường hợp cần thiết

a Liên kết dây văng với dầm chủ :

Liên kết dây văng vào dầm chủ được thực hiện thông qua các neo cố

định hoặc neo động Neo cố định là neo không có khả năng điều chỉnh chiều

dài dây sau khi lắp đặt Neo động là neo có khả năng thay đổi chiều dài dây

để điều chỉnh nội lực và biến dạng trong quá trình thi công cũng như trong khai thác, đồng thời tạo điều kiện có thể thay dây và căng lại trong trường hợp cần thiết

Các neo bố trí tại mặt trên dầm chủ thường là neo cố định, cũng có thể

bố trí neo di động trên mặt cầu nhưng cấu tạo hệ căng kéo sẽ cồng kềnh và phức tạp hơn Nếu dầm chủ bằng thép có bản bê tông liên hợp, việc bố trí neo

cố định ở mặt trên dầm tạo khả năng truyền lực nén trực tiếp vào bản BTCT, như vậy bản vừa chịu lực nén, vừa đảm bảo độ cứng ngang, khi đó tiết diện ngang dầm chủ có thể chỉ là các I đơn Liên kết dây vào dầm chủ dạng khớp làm cho việc chế tạo đơn giản, tránh được hiện tượng bẻ dây và neo

Trong các cầu có dầm chủ dạng đơn năng, tiết diện II (I kép), dây văng

có thể bố trí qua một dầm ngang hay một chốt kê trực tiếp lên các vách đứng của dầm chủ như cách giải quyết trong cầu Đak rông ở Quảng Trị

Liên kết khớp theo kiểu cầu Đak rông có thể khắc phục được hiện tượng bẻ dây, không đòi hỏi cao về gia công và lắp đặt chính xác Gần đây, liên kết khớp giữa dây và dầm chủ cũng được đề xuất áp dụng cho kết cấu CDV định hình ở Nga

Liên kết dây văng với dầm chủ bằng BTCT chủ yếu phụ thuộc vào đặc

điểm cấu tạo và hình dạng của dầm Nếu dầm chủ thuộc dạng đơn năng gồm hai khối tách biệt nằm trong hai mặt phẳng dây thì neo thường được bố trí tại tim các dầm chủ, thông qua các dầm ngang (nếu dầm chủ dạng U hoặc hộp rỗng), khi đó lực từ dây neo truyền vào vách đứng của dầm chủ thông qua dầm ngang chịu cắt, dây văng neo vào dầm ngang thông qua các cửa sổ hoặc qua các ống thép tròn chôn sẵn trong dầm chủ

Với các cầu có tiết diện đặc đúc tại chỗ trên đà giáo thì neo có thể bố trí trực tiếp dưới đáy dầm đặc qua các ống thép chôn sẵn trong dầm chủ

Trong các tiết diện hộp, dầm ngang tại vị trí neo dây thường được bố trí cốt thép ứng suất trước uốn xiên hai đầu, một mặt để chịu mômen uốn trong

dầm ngang, mặt khác các cốt thép uốn xiên đủ cân bằng với lực thẳng đứng trong dây thay cho kết cấu dầm ngang đồ sộ Để giảm lực tập trung cục bộ tác dụng lên bê tông đầu neo, đã chôn sẵn một ống thép có hàn cốt thép neo trong mép bán Như vậy chỉ có một phần lực nén cục bộ tác dụng lên mặt bê tông dưới neo còn phần lớn lực trong dây văng qua lực dính bám truyền vào bê tông chịu nén

Kết cấu neo dây tương tự cũng được áp dụng vào nhịp biên bằng BTCT cầu Normandie ở Pháp Mặt neo tì trực tiếp vào mép hộp thông qua các ụ neo Khi lắp ráp neo được lồng qua lỗ rồi cố định bằng bản đệm và bu lông hãm Các neo bố trí dưới đáy dầm thường là cố định, trường hợp cần thiết có thể biến thành neo động

Trong các cầu có một mặt phẳng dây, dầm chủ tiết diện hộp, dây văng

có thể liên kết với dầm chủ theo dạng kết cấu dàn trong đó hai thanh chống xiên bằng bê tông ứng suất trước cân bằng với thành phần lực đứng trong dây Lực dọc truyền trực tiếp vào khối bê tông dọc và bản mặt cầu Kết cấu như vậy đã cho phép thay dầm ngang đồ sộ bằng một kết cấu dàn mảnh và nhẹ rất lợi cho kết cấu lắp ghép

b Liên kết dây văng với tháp cầu :

Hình 20 : Khung thép định vị ống dẫn hướng cáp dây văng liên kết vào cột tháp

Hình 21 : Liên kết dây văng vào tháp cầu

Cấu tạo của mối liên kết dây văng với tháp cầu ngoài đảm bảo các yêu cầu về chịu lực của dây, tháp, độ cứng của hệ còn phải thoả mãn điều kiện riêng về lắp đặt kiểm tra sửa chữa, chống gỉ, thay thế và khả năng chịu lực cục

bộ của các bộ phận chi tiết Trên nguyên tắc dây văng có thể neo trực tiếp riêng từng bó trên đỉnh tháp cầu hoặc vắt liên tục qua tháp trên một bộ phận gối dây gọi là yên ngựa

• Dây văng vắt liên tục qua yên ngựa trên tháp cầu :

Yên ngựa là một tấm thép đúc có cấu tạo các rãnh, các dây văng vắt qua yên ngựa trong các rãnh và được liên kết cố định bằng bu lông cường độ cao Tuỳ theo yêu cầu thiết kế, yên ngựa có thể cố định hoặc di động trên tháp cầu

Với các sơ đồ đồng quy và ít dây thì các dây văng có thể vắt liên tục qua tháp cầu Để đảm bảo tính cố định của nút, ứng với mọi tổ hợp tải trọng các dây có thể truyền lực qua dây neo vào mố cầu, nút dây trên tháp thường được liên kết cố định với nhau qua hệ bản kẹp của yên ngựa bằng các bu lông cường độ cao

Đối với các sơ đồ dây song song, do góc uốn của dây thoải, đồng thời trên tháp phải bố trí các gối dây cố định và di động, khi đó để đơn giản cấu tạo, các gối di động thường chọn giải pháp vắt dây liên tục qua tháp

• Dây văng neo trực tiếp trên tháp cầu :

Để đảm bảo tính độc lập của các dây, tạo điều kiện dễ điều chỉnh, dễ kiểm tra, bảo quản, thay thế và và tránh hiện tượng gỉ ma sát, mỗi dây thường

có cấu tạo riêng biệt, hai đầu có hai neo liên kết độc lập trên tháp và dưới dầm chủ Các đầu neo của bó dây có thể được liên kết với khối neo bằng thép bố trí trên đỉnh tháp cầu qua các chốt như cách giải quyết trong cầu Stromsund

Trong các tháp cầu bằng BTCT thì khối neo liên kết với dây trên tháp có thể bằng thép hoặc bằng BTCT Với các khối neo bằng BTCT thì các dây văng thường bố trí xuyên qua tháp, neo vào mặt sau của khối Với cấu tạo như vậy, khối neo BTCT hoàn toàn chịu nén đồng thời cũng thuận tiện cho việc căng kéo các bó cốt thép trên đỉnh tháp

Trong các sơ đồ phân bố dây dạng rẽ quạt, để giảm mômen uốn trong tháp, khoảng cách giữa các điểm neo dây trên tháp cần được chọn nhỏ nhất

để có thể dễ thi công, dễ kiểm tra, sửa chữa thì có thể dùng tháp tiết diện hộp, các neo không bố trí ở mặt đối diện mà bố trí tại mép biên trong hộp rỗng của tháp Tuy nhiên tháp cầu BTCT sẽ chịu lực kéo, xé ngang Do đó phải nghiên cứu trạng thái ứng suất đặc biệt trong khu vực này và có các giải pháp thích

đáng

c Cấu tạo gối neo chịu phản lực âm :

CDV là hệ cầu có gối chịu phản lực dương và âm (lực nhổ) tại trụ hoặc

mố dây neo liên kết vào dầm Dưới tác dụng của tải trọng tĩnh hoặc hoạt tải trên toàn cầu thì phản lực gối tựa có thể là dương, gối cầu và mố trụ chịu nén Khi hoạt tải đứng trên nhịp chính, trong gối và trụ neo xuất hiện phản lực âm, gối cầu và trụ neo chịu kéo, do đó gối cầu tại mố trụ neo phải có cấu tạo đặc biệt để tiếp nhận lực nhổ và đảm bảo sơ đồ tĩnh học của cầu

Trên nguyên tắc, gối di động chịu lực nhổ được cấu tạo như một gối lắc hai khớp Để chịu lực nhổ, các bản đỡ trên được liên kết chặt với dầm chủ, bản

đỡ dưới phải được liên kết bằng các bu lông chôn sâu trong mố trụ

Chương 2 : đặc điểm thiết kế cầu dây văng hai nhịp

2.1 tĩnh tải và điều chỉnh nội lực :

Trong một kết cấu bất kỳ thường tồn tại ba trạng thái nội lực :

Hoạt tải là mục tiêu cần đạt, nên thường nghiên cứu để sao cho kết cấu

có khả năng tiếp nhận hoạt tải ở mức độ cực đại

Ngược lại, tĩnh tải là yếu tố bị động, không phải là mục tiêu thiết kế nhưng lại quyết định khối lượng và giá thành công trình, nên cần nghiên cứu để

đạt giá trị cực tiểu Các biện pháp giảm nội lực theo truyền thống là dùng vật liệu có cường độ cao, vật liệu nhẹ, giảm chiều dày các phủ mặt cầu Tổng số nội lực do tĩnh và hoạt phải nhỏ hơn khả năng chịu lực của tiết diện Biểu thức kiểm tra bền có dạng :

St + Sh≤ [S]

Trong đó [S] là khả năng chịu tải của tiết diện Do đó muốn tăng nội lực

do hoạt tải Sh phải tìm biện pháp giảm nội lực do tĩnh tải St Ngoài ra còn một dạng nội lực do con người chủ động can thiệp vào kết cấu, đó là nội lực do

điều chỉnh Nội lực điều chỉnh được tạo ra trong quá trình thi công, chế tạo, có dấu ngược với nội lực do tĩnh và hoạt tải, khi đó công thức kiểm tra bền có dạng :

St + Sh - Sdc≤ [S]

2.1.1 Tĩnh tải :

Tĩnh tải trong CDV được phân thành hai loại :

+ Tĩnh tải phần 1 : G1 gồm trọng tải bản thân kết cấu nhịp tác dụng lên cầu trong quá trình thi công, trước khi hình thành sơ đồ hoàn chỉnh của cầu

+ Tĩnh tải phần 2 : G2 bao gồm tất cả các bộ phận đặt trên cầu sau khi

đã hình thành sơ đồ cuối cùng : lớp phủ át phan và các lớp phủ trên mặt cầu, dải phân cách xe chạy, lan can

2.1.2 Mục đích của điều chỉnh nội lực:

CDV làm việc như một dầm liên tục tựa trên các gối đàn hồi và gối cứng, khi chịu tĩnh tải, dây biến dạng, dầm chủ bị võng Độ võng do tỉnh tải làm sai lệch trắc dọc và độc dốc thiết kế, ảnh hưởng xấu đến hình dạng kiến trúc, các chỉ tiêu khai thác và gây mômen uốn lớn dầm cứng

Bản chất của việc điều chỉnh là tạo một trạng thái biến dạng và nội lực ngược chiều với trạng thái do tải trọng gây ra, tổng tác động do tải trọng và

điều chỉnh sẽ được một trạng thái tốt nhất gọi là trạng thái hoàn chỉnh

2.2 Hoạt tảI :

Hoạt tải để tính toán cầu thường tuân theo các quy trình thiết kế, hoặc theo yêu cầu của các tải trọng đặc biệt, phục vụ các mục đích riêng (cầu giao thông nông thôn, cầu dẫn nước, dẫn dầu hoặc cầu để vận chuyển các hàng siêu trường, siêu trọng trên một tuyến đặc biệt )

Hiện nay ở nước ta, đã ban hành Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05

để phù hợp với vật liệu và công nghệ xây dựng hiện đại Để thống nhất và thuận tiện trong quá trình nghiên cứu luận văn dùng hoạt tải là:

+ Hoạt tải HL-93 gồm : Xe tải thiết kế (hoặc xe hai trục thiết kế) và Tải trọng làn thiết kế

+ Hoạt tải bộ hành : 3 kN/m2

2.3 phương pháp nghiên cứu :

CDV hai nhịp là một kết cấu không gian phức tạp, siêu tĩnh bậc cao, không biến hình Trên nguyên tắc, tính CDV được thực hiện theo bài toán ngược :

- Giả thiết kích thước và tính chất cơ lý các phần tử kết cấu

- Mô hình hoá kết cấu

- Xác định nội lực, biến dạng trong hệ

- Kiểm tra các tiết diện

Tính toán kết cấu sử dụng chương trình SAP2000 Version 7.40

2.3.1 Căn cứ chọn chiều dài khoang dầm và tiết diện dầm :

a Chiều dài khoang dầm :

Chiều dài khoang dầm là khoảng cách giữa hai điểm neo dây trên dầm chủ, khi chọn sơ đồ cầu thường gắn liền với việc định chiều dài khoang dầm của nhịp biên và nhịp chính Chiều dài khoang dầm ảnh hưởng tới :

*/ Trị số mômen uốn cục bộ của dầm chủ trong phạm vi khoang

*/ Nội lực, độ lớn của dây văng và hệ neo cố

chinh

bien

L

dầm cứng bằng thép hoặc BTCT khi chọn chiều dài khoang dầm có thể lựa chọn các trị số sau :

*/ Đủ khả năng chịu lực dọc, mômen uốn và ổn định

*/ Giá thành công trình thấp nhất

*/ Thoả mãn điều kiện biến dạng tổng thể và cục bộ của công trình

*/ Thoả mãn điều kiện chế tạo và công nghệ thi công

A : diện tích tiết diện dầm chủ

S max : lực dọc tính toán lớn nhất trong dầm chủ do tĩnh và hoạt tải

R : cường độ tính toán của vật liệu làm dầm chủ

Hệ số k phụ thuộc vào nhiều yếu tố Trên nguyên tắc, k tỷ lệ thuận với

mômen uốn, tỷ lệ nghịch với chiều cao và độ xa của vật liệu đối với trọng tâm tiết diện

Các yếu tố ảnh hưởng đến chiều cao tương đối của dầm chủ

l

h gồm : sơ

đồ cầu và các liên kết (tháp cứng hay mềm, có hoặc không có dây neo, chiều dài khoang (d) và loại kết cầu dầm chủ {bản, dầm, hộp hoặc dàn} ) Chiều cao dầm chủ (h) có thể lấy so với chiều dài nhịp (l) :

100

1 50

20o~25o, từ đó xác định chiều cao của tháp cầu

Tháp cầu là kết cấu chủ yếu chịu nén lệch tâm Mức độ lệch tâm phụ thuộc vào sơ đồ liên kết giữa tháp với dây văng và trụ cầu Diện tích tối thiểu của tháp cầu có thể sơ bộ xác định theo công thức :

( ) ( )( ) ( )( )

α

2 2

sin 5 ,

2 2 1 1

2 1 2 1

2 2

t t

l l t

R l

l l p g l

R

l l p g

Trong đó :

A t : diện tích cột tháp g,p : tĩnh tải và hoạt tải tính toán phân bố đều tác dụng lên một dàn

L 1 , L 2 : chiều dài nhịp biên và chiều dài nhịp chính

R t : cường độ vật liệu làm tháp

0,5 : hệ số xét tới ảnh hưởng của uốn dọc và mômen uốn trong tháp

2.3.3 Căn cứ chọn tiết diện dây văng :

Trong CDV hai nhịp, dây làm việc như gối đàn hồi chịu kéo Nội lực trong dây đạt trị số lớn nhất khi hoạt tải đứng trên toàn cầu, vậy lực dọc trong dây văng thoải nhất dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải có thể xác định theo công thức sau :

g g

d d q g S

α

sin 2

max

+ +

=

Trong đó :

g, q : tải trọng tĩnh và hoạt tính toán phân bố đều trên toàn cầu

d, d g : chiều dài hai khoang dầm nằm kề nút dây thoải nhất

g

α : góc nghiêng của dây văng thoải nhất ở khu vực giữa nhịp

Nội lực của các dây văng còn lại trong phạm vi nhịp xác định theo công thức :

i

g

i S S

j i

t

S S S

=

∑ +

=

Tiết diện các dây văng được xác định theo công thức :

S i : Nội lực do tĩnh tải và hoạt tải trong dây văng

f : cường độ tính toán của vật liệu làm dây

Khi chọn tiết diện dây văng , cường độ tính toán f của dây được lấy như sau:

f : cường độ giới hạn đảm bảo của vật liệu làm dây

Để thuận tiện cho quá trình nghiên cứu, các số liệu cơ bản lấy tham khảo theo hồ sơ thiết kế cầu Rào II ( Hải Phòng ) (Hình 22)

+ Cầu có bề rộng mặt cầu là 25.5m, ( 4 làn xe và lề người đi ) + Dây cáp (có môđun đàn hồi E=1,9.108 KN/m2 , cường độ giới hạn fs=1862 MPa Góc nghiêng của dây văng thoải nhất α=210

+ Mặt cắt dầm bằng Thép bêtông liên hợp, chiều cao dầm không

đổi gồm hai dầm I cao 1.67m bằng thép ( có môđun đàn hồi của dầm thép E=1,9.108KN/m2 , giới hạn chảy fy=360 MPa ) liên kết bằng hệ dầm ngang bằng thép và bản mặt cầu bằng BTCT(có môđun đàn hồi của bêtông E=1,86.107KN/m2,cường độ f'

c=35 MPa), chiều dài khoang dầm d=12.3m

+ Tháp cầu bằng BTCT (có môđun đàn hồi E=1,86.107 KN/m2 , cường độ f'

c=45 MPa ), chiều cao tháp H=35.0m