Cầu vòm dây treo xiên là loại kết cấu có tính thẩm mỹ cao, vượt được nhịp tương đối lớn. Loại cầu này cũng đã được xây dựng tại nhiều nước trên thế giới với kiểu dáng phong phú. Để có cơ sở lựa chọn kiểu sơ đồ cầu loại này cần phải có những đánh giá chi tiết về các kiểu sơ đồ cầu vòm có sơ đồ bố trí dây khác nữa như là dây treo thẳng đứng hoặc các sơ đồ dây hướng tâm không cắt nhau. Sơ đồ bố trí dây treo ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử kết cấu, quyết định đến nội lực và biến đổi nội lực bên trong các bộ phận kết cấu Hiện nay, ở Việt Nam một số công trình cầu vòm thép có thanh căng đang trong quá trình thi công như cầu Bình Lợi, cầu Mỹ Lợi. Tuy nhiên dạng kết cấu này hiện chưa được áp dụng rộng rãi, chưa có các chỉ dẫn kĩ thuật cũng như quy trình thiết kế, thi công chi tiết áp dụng cho điều kiện Việt nam…Nhu cầu xây dựng các công trình cầu nhịp trung bình, trọng lượng kết cấu nhẹ, thời gian thi công nhanh, kiến trúc thẩm mỹ đẹp trong thời gian sắp tới đặt ra yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện, trên các mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm đối với loại hình kết cấu này.
Trang 1MỤC LỤC
MỞ ĐẦU……… 3
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM VÀ CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG……… 5
1.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM 5
1.1.1 Lịch sử phát triển 5
1.1.2 Các dạng vòm cơ bản 5
1.2 CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 6
1.2.1 Hệ dầm mặt cầu 6
1.2.2 Vành vòm 7
1.2.3 Chân vòm 8
1.2.4 Hệ giằng trên 9
1.2.5 Dây treo 9
CHƯƠNG 2 : TÌNH HÌNH ÁP DỤNG KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 11
2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU THÉP 11
2.2 KẾT CẤU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG ÁP DỤNG TRÊN THẾ GIỚI 11
2.2.1 Cầu vòm dây treo kiểu cơ bản 11
2.2.2 Cầu vòm dây treo có thanh căng kiểu cơ bản 11
2.2.3 Cầu vòm dây treo có thanh căng là dầm cứng 12
2.2.4 Cầu vòm nielsen 12
2.2.5 Cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge) 12
2.2.6 Cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản (Japanese Style Network Arch) 12
2.3 KẾT CẤU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM 13
CHƯƠNG 3 :NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ DÂY TREO ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 14
3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 14
3.1.1 Số liệu dùng khảo sát 14
3.1.2 Các chỉ tiêu đánh giá 15
3.2 MÔ HÌNH HÓA TÍNH TOÁN KẾT CẤU 16
3.3 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH 16
3.3.1 Lực tới hạn trong dầm chủ 16
3.3.2 Ổn định tổng thể 16
3.4 CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 16
3.4.1 Thanh căng 16
3.4.2 Bảng tổng hợp kết quả 17
Trang 23.5 NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ 20
3.5.1 Nhận xét kết quả: 20
3.5.2 Đánh giá: 22
KẾT LUẬN……… 23
Trang 3MỞ ĐẦU
1 Lý do chọn đề tài
Cầu vòm dây treo xiên là loại kết cấu có tính thẩm mỹ cao, vượt đượcnhịp tương đối lớn Loại cầu này cũng đã được xây dựng tại nhiều nước trênthế giới với kiểu dáng phong phú Để có cơ sở lựa chọn kiểu sơ đồ cầu loạinày cần phải có những đánh giá chi tiết về các kiểu sơ đồ cầu vòm có sơ đồ
bố trí dây khác nữa như là dây treo thẳng đứng hoặc các sơ đồ dây hướng tâmkhông cắt nhau Sơ đồ bố trí dây treo ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử kết cấu,quyết định đến nội lực và biến đổi nội lực bên trong các bộ phận kết cấu
Hiện nay, ở Việt Nam một số công trình cầu vòm thép có thanh căngđang trong quá trình thi công như cầu Bình Lợi, cầu Mỹ Lợi Tuy nhiên dạngkết cấu này hiện chưa được áp dụng rộng rãi, chưa có các chỉ dẫn kĩ thuậtcũng như quy trình thiết kế, thi công chi tiết áp dụng cho điều kiện Việtnam…Nhu cầu xây dựng các công trình cầu nhịp trung bình, trọng lượng kếtcấu nhẹ, thời gian thi công nhanh, kiến trúc thẩm mỹ đẹp trong thời gian sắptới đặt ra yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện, trên các mặt lý thuyếtcũng như thực nghiệm đối với loại hình kết cấu này
2 Mục đích nghiên cứu
- Nghiên cứu ảnh hưởng của sơ đồ dây treo đến ứng xử của kết cấu cầu vòm thép có thanh căng
3 Mục tiêu nghiên cứu
- Phân tích các dạng cầu vòm thép có thanh căng đã được thiết kế và thi công trên thế giới
- Phân tích các dạng sơ đồ dây treo của kết cấu vòm thép có thanh căng
Trang 4- Sử dụng phần mềm Midas Civil để nghiên cứu ảnh hưởng của các sơ đồ dây treo đến ứng xử của kết cấu vòm thép có thanh căng.
4 Đối tượng nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu áp dụng : Cầu vòm thép có thanh căng
5 Phương pháp nghiên cứu
* Phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với tài liệu :
- Thu thập và phân tích các tài liệu về thiết kế, thi công cầu vòm thép có thanh căng trên thế giới và ở Việt Nam
6 Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài
* Cơ sở khoa học :
- Dựa vào lý thuyết tính toán, thi công cầu vòm thép có thanh căng
- Dựa vào các quy trình – quy phạm về kết cấu cầu vòm thép có thanh căng trên thế giới
* Cơ sở thực tiễn :
- Các công trình cầu vòm thép có thanh căng đã được thiết kế và thi công tại Việt Nam
Trang 5CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM VÀ CẦU VÒM THÉP
CÓ THANH CĂNG
1.1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM
Lịch sử phát triển
Cầu vòm thép là loại cầu rất ít gặp trên đường sắt cũng như đường bộ
so với cầu dầm và cầu giàn Sở dĩ cầu vòm ít được sử dụng là vì kết cấu nhịpvòm không dễ dàng tiêu chuẩn hóa kích thước như kết cấu nhịp cầu gầm vàcầu giàn, mặt khác do đặc điểm của hệ thống vòm là có lực đẩy ngang nên tuykhối lượng sử dụng vào kết cấu nhịp tương đói ít hơn so với kết cấu nhịp cầudầm và cầu giàn (khoảng 15%) nhưng lại thường đòi hỏi trụ, mố to hơn vànhư vậy giá thành tổng cộng công trình vẫn cao
Vì những nguyên nhân trên mà vầu vòm thép thông thường là nhữngcông trình mang tính chất riêng biệt chứ không thể xây dựng định hình Tuynhiên trong những trường hợp yêu cầu về hình dáng bên ngoài, kiến trúc mỹthuật khống chế, chẳng hạn như những công trình cầu thành phố hay tại cácvùng danh lam thắng cảnh thì phương án cầu vòm lại được xét đến Ngoài racầu vòm thép cũng có thể trở nên kinh tế khi địa hình xây dựng là những khenúi hoặc thung lũng sâu, những nơi mà tình hình địa chất thích hợp
Các dạng vòm cơ bản
Căn cứ vào vị trí cao độ của mặt xe chạy so với cao độ đỉnh vòm cóthể phân loại ra: cầu vòm chạy trên, cầu vòm chạy giữa, cầu vòm chạy dưới,(hình 3.1a, d, e) Các vòm (sườn vòm, cuốn vòm) của một nhịp cầu vòm đượcnối với nhau bằng hệ liên kết ngang kiểu thanh để chịu các tải trọng nằmngang như gió ngang v.v Ngoài ra các liên kết ngang còn đảm bảo độ cứngngang chung của kết cấu nhịp và độ ổn định của vòm khi xét uốn dọc ngoàimặt phẳng nằm ngang
Trang 6Cầu vòm có thanh căng thường làm kiểu vòm hai khớp, lực xô ngang
sẽ do toàn bộ thanh căng tiếp nhận toàn bộ hoặc một phần Trường hợp thanhcăng tiếp nhận toàn bộ lực xô ngang, tại gối kết cấu nhịp chỉ truyền có áp lựcthẳng đứng như cầu giàn nên có thể sử dụng khi mố trụ cao hoặc khi đất yếu
Vòm giàn có cấu tạo phức tạp hơn vòm đặc nhiều, nhưng khi chiềudài nhịp lớn và hoạt tải nặng thì vòm giàn rất tiết kiệm thép Ngoài ra vòmgiàn có độ cứng lớn hơn
1.2. CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG
Hệ dầm mặt cầu
a) Thanh căng:
Lựa chọn tiết diện vòm, dầm chủ (thanh căng) là hết sức quan trọng,phụ thuộc vào sơ đồ và số lượng bố trí dây treo Tiết diện vòm và dầm chủphải đảm bảo khả năng chịu lực cũng như ổn định
Hình 1-1 Mặt cắt ngang Thanh căng tại vị trí có sườn tăng cường
đứng
b) Dầm ngang, dầm dọc
Hệ dầm ngang tiết diện chữ I, kê lên các thanh căng làm nhiệm vụnâng đỡ toàn bộ bản mặt cầu, truyền tải trọng do bản mặt cầu, hoạt tải vào cácthanh căng
Trang 7Hình 1-2 Dầm ngang, dầm dọc
c) Bản mặt cầu
Bản mặt cầu BTCT, liên hợp với hệ dầm mặt cầu (dầm ngang, dầmdọc) thông qua các đinh neo chống cắt
Bản mặt cầu là cấu kiện quan trọng trực tiếp nâng đỡ tải trọng bánh
xe, kết cấu bản mặt cầu ảnh hưởng lớn tới khả năng chịu tải của công trìnhcầu và độ êm thuận, an toàn của giao thông trên cầu
Vành vòm
a) Tiết diện và vật liệu
Vành vòm thép có thể sử dụng tiết diện dạng chữ nhật hoặc chữ H.Việc lựa chọn loại tiết diện phụ thuộc vào nhiều quan điểm khác nhau về khảnăng chịu lực, tính thẩm mỹ, sự ổn định của vòm, vấn đề duy tu bảo dưỡng
Vật liệu chế tạo vòm là thép cường độ cao, nhằm tăng khả năng chịulực và làm giảm kích thước tiết diện, tăng độ thanh mảnh cho kết cấu
Hình 1-3 Mặt cắt ngang Vành vòm
Trang 8Mặt phẳng vòm có thể cấu tạo thẳng đứng, hoặc khi cần thiết phảităng độ ổn định của kết cấu, có thể cấu tạo mặt phẳng vòm dốc nghiêng vàonhau, tuy nhiên việc tính toán và thi công sẽ phức tạp hơn.
b) Chiều cao đường tên vòm
Cũng giống như đối với cầu vòm có thanh căng, chiều cao đường tên(f) của vòm dây treo dạng lưới thường được lựa chọn như sau: f/L = 1/5 1/6, trong đó L là chiều dài nhịp Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ nên chiều caođường tên của vòm dây treo dạng lưới được lấy bằng 15% chiều dài nhịp Đốivới hầu hết các cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản, chiều cao đường tênvòm thường lấy bằng 15% 17% chiều dài nhịp
c) Phương trình đường tim vòm
Việc lựa chọn phương trình đường tim vòm có ý nghĩa rất lớn trongkhai thác Thông thường cầu vòm nói chung và cầu vòm thép nói riêngthường chọn đường trục tim vòm là đường tròn, đường cong parabol bậc 2hoặc bậc 4, đường cong dạng dây xích Các đường cong này khá trùng vớiđường cong áp lực của vòm
Phương trình đường cong dây xích được thể hiện qua công thức sau:
) 1 (cosh
Trang 9Dây treo
a) Loại dây treo:
Bao gồm một mạng lưới dây treo được bố trí chéo nhau đảm bảo tảitrọng tác dụng gây ra hiệu ứng nhỏ nhất và đồng đều trong kết cấu Dây treo
có thể làm bằng thanh thép hoặc dây cáp cường độ cao
Dây treo dạng thanh thép: mặt cắt ngang thường là hình ống tròn, vớimục đích có khả năng chịu kéo cao, giảm khối lượng kết cấu, tiết diện tròntăng vẻ mỹ quan, giảm được cọ xát, thoát gió tốt Các dây treo nên có cùngmặt cắt tránh phức tạp cho thi công, trong tính toán và nâng cao tính thẩm mỹcho cầu
Dây treo dạng bó cáp cường độ cao: Tương tự như kết cấu dây của
Trang 10cầu dây văng có hai hệ thống dây có thể được sử dụng
b) Mối nối dây treo với vòm:
Thường sử dụng bản nối để liên kết Phụ thuộc vào dạng mặt cắt vòm
mà sử dụng hai phương pháp liên kết khác nhau, nếu mặt cắt vòm là hình hộpthì mối nối nên sử dụng liên kết hàn, còn vòm tiết diện chữ H thì mối nốidùng liên kết bu lông
Hình 1-5 Chi tiết mối nối giữa vòm tiết diện chữ H và dây treo
c) Mối nối giữa dây treo với thanh căng
Neo có cấu tạo dạng chốt kết hợp tăng đơ để điều chỉnh lực căng trongdây treo Đây là loại neo có cấu tạo khá đơn giản, dễ căng kéo và kiểm tra,tuy nhiên tính thẩm mỹ kiến trúc không cao Nhược điểm của loại neo này làkhi thi công phải chế tạo sẵn cả bó cáp và lắp đặt tương đối phức tạp do trọnglượng cáp lớn
d) Chi tiết liên kết hai dây treo giao cắt nhau :
Vị trí tiếp xúc của hai dây treo được bọc bởi một ống nhựa với chứcnăng bảo vệ khỏi va đập và cọ xát cho dây treo, ngoài ra còn dùng một tấmbản để liên kết hai dây treo với mục đích tăng độ ổn định cho dây treo
CHƯƠNG 2 : TÌNH HÌNH ÁP DỤNG KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP
CÓ THANH CĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM
Trang 112.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU THÉP
Đặc điểm nổi bật của thép là tính chịu lực cao ứng với mỗi loại ứngsuất (kéo, nén, uốn, cắt…) do đó có thể dùng vào các loại kết cấu cấu cầukhác nhau như cầu dầm, giàn, vòm, treo và hệ liên hợp
Thép có trọng lượng riêng khá lớn nhưng độ bền cao nên trọng lượngbản thân kết cấu rất nhẹ, Về mặt lý hóa, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnhhưởng của nhiệt độ cường độ và mô đun đàn hồi thay đổi nên công trình làmviệc tốt trong điều kiện môi trường biến đổi
Về mặt chế tạo thép dễ thi công, dễ cắt, rèn dập, đúc, cán nên có thểchế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp với đặc điểm của các loại cầukhác nhau, đồng thời dễ tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạotrong công xưởng Thêm nữa, các bộ phận của cầu thép được vận chuyển đếncông trường và công việc lắp ráp có thể cơ giới hóa triệt để, tạo điều kiện rútngắn thời gian xây dựng công trình
2.2. KẾT CẤU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG ÁP DỤNG TRÊN THẾ GIỚI
Cầu vòm dây treo kiểu cơ bản
Kết cấu vòm chịu lực chủ yếu, lực đẩy ngang phát sinh được truyềntrực tiếp xuống kết cấu móng tại chân vòm, vì vậy hiệu ứng dãn dài kết cấudầm đỡ mặt đường xe chạy được bỏ qua Kết cấu vành vòm chịu mô men, lựccắt và lực dọc Hệ dây treo chịu lực kéo tập trung do tải trọng bản thân kếtcấu và hoạt tải Tác động của nhiệt độ sẽ làm tăng thêm mô men uốn trongdầm
Cầu vòm dây treo có thanh căng kiểu cơ bản
Đối với loại này, kết cấu vành vòm vẫn là kết cấu chịu lực chủ yếu,nhưng lực ngang phát sinh tại chân vòm được truyền trực tiếp vào dầm mặt
Trang 12cầu đóng vai trò như thanh căng thanh căng liền với vành vòm Hệ dây treochịu lực kéo tập trung do tải trọng bản thân kết cấu và hoạt tải Tác động củanhiệt độ sẽ không làm tăng thêm mô men uốn trong dầm Tuy nhiên lực kéotrong thanh căng sẽ gây ra độ dãn dài và ảnh hưởng đến mô men uốn trongvành vòm.
Cầu vòm dây treo có thanh căng là dầm cứng
Đối với loại kết cầu này, dầm cứng sẽ chịu mô men uốn và lực dọc gây
ra trong vòm Vành vòm tự bản thân chủ yếu chịu lực nén Do kết cấu dầmcứng, hệ dây treo sẽ chịu lực đồng đều hơn
Cầu vòm nielsen
Nielsen là chữ viết tắt tên kỹ sư Octavius F Nielsen, người đã sángchế ra kết cấu vòm với các thanh treo xiên Cầu Oster Daleelven, Thụy Điểnvới chiều dài nhịp 86m là cầu vòm bê tông đầu tiên với dây treo xiên đượcChristani và Nielsen xây dựng vào những năm của thập niên 1920
Cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge)
Kết cấu cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge - NAB)được được kỹ sư người Na Uy, Per Tveit phát minh vào cuối những năm
1950 Ông định nghĩa NAB là cầu vòm với các dây treo xiên cắt nhau ít nhấthai lần
Giải pháp kết cấu tối ưu cho cầu vòm dây treo dạng lưới với khoảngcách các vành vòm không quá lớn là sử dụng thanh căng bằng bản bê tông dựứng lực dọc một phần Thông thường bản mặt cầu bị uốn ngang lớn hơn sovới uốn dọc Dự ứng lực một phần sẽ hạn chế các vết nứt trong trong thanhcăng bê tông (bản mặt cầu)
Cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản (Japanese Style Network Arch)
Sau khi xem xét nhiều mô hình thí nghiệm cho cầu Fehmarn Sound tạiHannover vào năm 1960, Giáo sư người Nhật Bản Masao Naruok đã có ýtưởng phát triển loại kết cấu cầu vòm dây treo dạng lưới ở Nhật Bản Hơn 50cầu loại này đã được xây dựng và hầu hết đều sử dụng dây treo có góc xiên
Trang 13không đổi Khoảng một nửa các cầu vòm dây treo dạng lưới của Nhật Bản cócác vành vòm song song, còn lại là vành vòm nghiêng để tăng cường ổn định.Người Nhật Bản gọi cầu vòm dây treo dạng lưới là cầu Nielsen-Lohse, mặc
dù cách gọi này chưa hoàn toàn chính xác Cầu Shinhamadera là cầu vòm dâytreo dạng lưới dài nhất của Nhật Bản, với chiều dài nhịp 254m
2.3. KẾT CẤU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM
Cầu Mỹ Lợi nằm trên Quốc lộ 50 vượt qua sông Vàm Cỏ tại vị trí bếnphà Mỹ Lợi hiện nay (từ Km33+650 đến Km36+538 – Quốc lộ 50), thuộc địaphận huyện Cần Đước, tỉnh Long An (phía Bắc) và huyện Gò Công Đông,tỉnh Tiền Giang (phía Nam) Dự án đầu tư xây dựng cầu Mỹ Lợi đã được BộGiao thông Vận tải phê duyệt tại quyết định số 389/QĐ-BGTVT ngày23/02/2009
Hình 2-16 Cầu vòm Mỹ Lợi vượt sông Vàm Cỏ, tỉnh Long An và Tiền
Giang
CHƯƠNG 3 :NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ DÂY TREO ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG.
Trang 143.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Số liệu dùng khảo sát
Để khảo sát ảnh hưởng của sơ đồ bố trí dây treo đến ứng xử cầu vòmthép có thanh căng, trong chương này tiến hành khảo sát dự trên các số liệusau:
a) Số liệu chung
Chiều dài nhịp L=150m;
Chiều cao đường tên vòm 30m;
Khoảng cách giữa các điểm neo dây trên thanh căng 8m
b) Mặt cắt ngang các cấu kiện
Hình 3-6 Mặt cắt ngang các cấu kiện vòm
c) Các sơ đồ bố trí dây treo
Hình 3-7 Sơ đồ dây treo thẳng đứng
Trang 15Hình 3-8 Sơ đồ dây treo xiên hướng tâm
Hình 3-9 Sơ đồ dây treo dạng lưới cắt chéo nhau
Các chỉ tiêu đánh giá
Đánh giá đối với thanh căng, vành vòm và dây treo
MaxM: Giá trị mô men uốn lớn nhất (Tĩnh tải, hoạt tải);
MinM: Giá trị mô men uốn nhỏ nhất (Tĩnh tải, hoạt tải);
RatioM: Tỷ lệ Mô men uốn Tĩnh tải/Hoạt tải max;
AveM: Trung bình giá trị mô men uốn;
RatioAveM: Tỷ lệ mô men uốn trung bình Tĩnh Tải/Hoạt tải
ΔM: Biến thiên mô men uốn max-min
AveΔM: Trung bình biến thiên mô men uốn
3.2. MÔ HÌNH HÓA TÍNH TOÁN KẾT CẤU
Phần mềm Midas - Civil được sử dụng để phân tính kết cấu cầu, tínhtoán nội lực dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải, tính toán ổn định tổng thể
