Luận văn thạc sỹ nghiên cứu ứng xử của cầu treo dây võng trong giai đoạn khai thác đối với tải trọng động đất

Khoá Năm trúng tuyển : 2007 1- TÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CƯU ƯNG XỬ CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC ĐỐI VỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.. LỜI CẢM ƠNLuận văn “Nghiên cứu ứng xử của cầu t

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc

-oOo -Tp HCM, ngày tháng năm 2011

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐÀO TRỌNG PHÚ Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 10/09/1980 Nơi sinh : TP.HCMChuyên ngành : Xây Dựng Cầu hầm

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2007

1- TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CƯU ƯNG XỬ CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG TRONG GIAI ĐOẠN KHAI THÁC ĐỐI VỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

- Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tính toán cầu treo dây võng

- Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tính toán động đất

- Phân tích ảnh hưởng tải trọng động đất đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng

3- NGÀY GIAO NHIÊM VỤ : 14/02/2011

4- NGÀY HOÀN THÀNH : 31/07/2011

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS PHÙNG MẠNH TIẾN

QUẢN LÍ CHUYÊN NGÀNH

TS PHÙNG MẠNH TIẾN TS LÊ BÁ KHÁNH

Nôi dung va đề cương Luân văn thac si đa đươc Hôi đông Chuyên Nganh thông qua Ngày… tháng… năm…

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Cán bộ chấm nhận xét 1: …

Cán bộ chấm nhận xét 2: …

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày… tháng… năm 200…

LỜI CẢM ƠN

Luận văn “Nghiên cứu ứng xử của cầu treo dây võng trong giai đoạn khai thác đối với tải trọng động đất ” được thực hiện từ tháng 02/2011 đến 07/2011 với mục đích nghiên cứu sự phân bố nội lực và biến dạng của cầu treo dây võng trong giai đoạn khai thác

Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy TS Phùng Mạnh Tiến đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn định hướng và cung cấp các thông tin cần thiết để tôi hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ Môn Cầu Đường của trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp Cao học chuyên ngành Cầu Hầm, Đường ôtô, Đường thành phố và Cầu Hầm K2007 đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình

Xin cảm ơn tất cả mọi người trong gia đình tôi đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Vì kiến thức và thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong được sự đóng góp của quý thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

Tp Hồ Chí Minh 07 – 2011

ĐÀO TRỌNG PHÚ

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn bao gồm 06 chương chính:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG

Giới thiệu về sư phát triển của câu treo dây võng trên thế giới va ơ Việt Nam Nêu các đăc điểm cơ ban va cấu tao các bô phân chính của câu treo dây võng bao gôm: trụ tháp, dâm chính, cáp dung cho dây võng, bô phân neo cáp chủ Phân loai câu treo dây võng

Chương 2: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG ĐẤT :

Giới thiệu về các trận động đất lớn đã xảy ra trên thế giới và ở Việt Nam, thiệt hại do chúng gây ra, tìm hiểu các nguyên nhân gây động đất và tìm hiểu khả năng xảy

ra động đất, độ lớn của các trận động đất có thể xảy ra ở Việt Nam

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VÕNG

Cầu treo dây võng là một kết cấu rất phức tạp, độ cứng nhỏ, độ mảnh lớn, quá trình thi công có ảnh hưởng rất lớn đến nội lực cũng như biến dạng của kết cấu cầu treo dây võng Thuôc loai kết cấu siêu tinh bâc cao nên việc tính toán câu treo rất phức tap Nôi dung chương nay giới thiệu chung các phương pháp tính toán câu treo dây võng: tính toán câu treo theo sơ đô biến dang gôm l y thuyết tính câu treo theo phương pháp lưc, ly thuyết tính toán câu treo theo phương pháp chuyển vị, giới thiệu phương pháp phân tử hữu han va kha năng ứng dụng của phương pháp phân tử hữu han trong tính toán kết cấu

Giới thiệu môt sô phân mềm tính toán câu treo dây võng, nguyên ly tính toán câu treo dây võng trong phân mềm MIDAS/Civil – phân mềm đang đươc sử dụng rông rai trên thế giới

Chương 4: PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐỘNG ĐẤT

Động đất là một tải trọng đặc biệt có nhiều phương pháp tính khác nhau, trong nội dung chương này giới thiệu về các phương pháp : Phương pháp tĩnh tương đương, phương pháp phổ phản ứng, phương pháp lịch sử thời gian, trong chương này cũng giới thiệu tính toán động đất theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05

Chương 5: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG TRONG GIAI

ĐOẠN KHAI THÁC ĐỐI VỚI TẢI TRỌNG ĐỘNG ĐẤT.

Với các phương pháp phân tích kết cấu va phân mềm đa đươc lưa chon trong chương 3, luân văn thưc hiện phân tích tính toán môt sô trương hơp cụ thể để nghiên cứu anh hương của tai trong đông đất đến sư phân bô nôi lưc va biến dang trong câu treo dây võng Các trương hơp nghiên cứu với mô hình câu treo dây võng ba nhịp với chiều dai hai nhịp biên bằng nhau, đươc bô trí hai măt phăng dây với các dây treo thăng đứng song song, khổ ngang câu S = 11m Để nghiên cứu anh hương của tai trong đông đất đến sư phân bô nôi lưc va biến dang trong câu treo dây võng, tiến hanh lâp mô hình tính toán nôi lưc câu với sơ đô nhịp, thông sô kỹ thuât va tai trong chon trước kết hơp thay đổi chiều dài nhịp biên L1 lần lượt là 75m, 100m, 125m, 150m, 175m và 200m, chiều dài nhịp chính L0 là 400m, tải trọng động đất thay đổi về độ lớn 0.12g , 0.24g , 0.48g và thay đổi chu kỳ với cấp động đất đã chọn với tỷ lệ 0.75 ; 0,5

Trên cơ sơ mô hình các trương hơp nghiên cứu, dung phân mềm Midas phân tích xác định nôi lưc va biến dang tai môt sô vị trí điển hình Thông qua việc so sánh nôi lưc va biến dang giữa các trương hơp nghiên cứu, luân văn nêu đươc anh hương của tai trong đông đất đến sư phân bô nôi lưc va biến dang trong câu treo dây võng thể hiện qua các đô thị

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luân văn nêu môt sô kết luân tổng quan về anh hương của tai trong đông đất đến phân bô nôi lưc va biến dang trong câu treo dây võng thông qua các trương hơp nghiên cứu Qua đo, luân văn trình bay môt sô kiến nghị liên quan đến tai trong đông đất trong tính toán thiết kê câu treo dây võng Măt khác, môt sô hướng nghiên cứu tiếp theo cung đươc nêu trong luân văn nhằm gop phân hiểu rõ ban chất va ứng xử của câu treo dây võng

CHƯƠNG MỞ ĐẦU: TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN

CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Lịch sử phát triển của ngành xây dựng cầu trên thế giới đã trải qua nhiều giai đoạn, bắt đầu từ việc chặt những cành cây bắc qua các sông rạch nhỏ phục vụ nhu cầu

đi lại cho đến ngày nay đã có những chiếc cầu đi vào lịch sử với chiều dài nhịp lên đến

2 km với một kết cấu thanh mảnh

Kết cấu cầu hiện hữu ở Việt Nam rất đa dạng, từ kết cấu nhịp giản đơn, cầu liên tục, cầu dàn, cầu vòm cho đến các kết cấu hiện đại như cầu treo dây văng, cầu treo dây võng Vật liệu từ gỗ, đá, thép, bêtông cốt thép đến bêtông cường độ cao và thép cường độ cao Bên cạnh vấn đề về khả năng chịu lực của kết cấu, độ thanh mảnh của cầu cũng là một yếu tố quan trọng nếu xét về quan điểm kiến trúc

Với nhiệm vụ đáp ứng ngày càng cao nhu cầu giao thông vận tải, nhiều đề tài đã nghiên cứu các loại vật liệu mới và kết cấu mới nhằm xây dựng được những công trình không những đạt yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả kinh tế và tính mỹ thuật cao Cầu treo dây võng là một dạng kết cấu có nhiều ưu điểm trong đó khả năng khai thác triệt để tính năng của vật liệu trong các bộ phận chịu lực chính đã giúp cho cầu treo dây võng vượt được khẩu độ rất lớn mà các loại kết cấu khác không làm được kể

cả cầu dây văng Hiện nay, cầu treo dây võng được coi là loại cầu đẹp, nhẹ và chịu lực tốt, được áp dụng phổ biến trên thế giới cho các cầu nhịp lớn

Bên cạnh đó việc tính toán nội lực và biến dạng đối với cầu treo dây võng cũng rất phức tạp, các tải trọng thường được xét đến : tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng động đất, tải trọng gió, Trong đó tải trọng động đất là một tải trọng đặc biệt vì vậy nó cần được xem xét nhất là đối với những cầu nhịp lớn như cầu treo dây võng Chính vì vậy từ việc phân tích tải trọng động đất đối với cầu treo dây võng sẽ tìm được sơ đồ hợp lý cho cầu treo dây võng khi có động đất xảy ra

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Nội dung luận văn tập trung giải quyết hai mục tiêu chính sau:

- Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tính toán cầu treo dây võng

- Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tính toán động đất

- Phân tích ảnh hưởng tải trọng động đất đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng

3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nội dung nghiên cứu của luận văn được giải quyết thông qua các phương pháp nghiên cứu chính sau:

1 Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến cầu treo dây võng

2 Phân tích lý thuyết tính toán kết cấu cầu treo dây võng đặc biệt nghiên cứu sâu về phương pháp phần tử hữu hạn

3 Lựa chọn một số trường hợp nghiên cứu, tiến hành xây dựng mô hình kết cấu cho các trường hợp nghiên cứu, tính toán phân tích các mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn nhờ phần mềm Midas/Civil

4 Tổng hợp, phân tích, so sánh kết quả nội lực và biến dạng trong các trường hợp nghiên cứu dưới dạng đồ thị

4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

Nội dung luận văn chỉ tập trung phân tích các mô hình với các thông thông số kỹ thuật chọn trước và các trường hợp tải trọng động đất Luận văn không đi sâu nghiên cứu về đông lưc hoc công trình, ổn định tổng thể của kết cấu cung như kiểm toán ứng suất trong các tiết diện

CHƯƠNG 1: TÔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG1.1 GIỚI THIỆU VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG

1.1.1 Sự phát triển cầu treo dây võng trên thế giới

Trong lịch sử phát triển câu, câu treo dây võng la loai câu co môt lịch sử phát triển lâu đơi Câu treo dây võng với cáp treo bằng xích sắt đa đươc xây dưng ơ Trung Quốc cách nay từ 2000 năm trước và một chiếc tương tự cũng được xây dựng tại Ấn

Độ Nguồn gốc ra đời của cầu treo dây võng ở Phương Đông nhưng lại xuất hiện ở Châu Âu vào thế kỷ 16 và nó thực sự bùng nổ khi nền công nghiệp luyện thép phát triển mạnh vào thế kỷ 19 Cho đến nay, 20 chiếc cầu có nhịp chính dài nhất trên thế giới vẫn là cầu treo dây võng

Vào thế kỷ 18, với sự phát triển của kết cấu cầu và các sản phẩm ứng dụng công nghệ luyện thép, cầu Jacobs Creek được xây dựng vào năm 1801 với nhịp chính dài chỉ 21.3m bởi công trình sư Finley tại Mỹ Chiếc cầu dùng cho xe ô tô xưa nhất hiện nay là cầu Clifton ở Anh (Hình 1.1) được xây dựng vào năm 1831 và hoàn thành vào năm

1864, đây là chiếc cầu với cáp chủ có dạng xích sắt

Hình 1.1 Cầu Clifton và cấu tạo hệ cáp chủ

Theo thời gian cùng với sự phát triển của máy tính điện tử cũng như công nghệ thiết bị thi công, vật liệu xây dựng và trình độ khoa học kỹ thuật, cầu treo dây võng ngày càng vượt nhịp lớn Một số cầu treo dây võng có chiều dài nhịp chính lớn hơn 1000m trên thế giới được thống kê trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Một số cầu treo dây võng trên thế giới

1

Akashi-Kaikyo Nhật Bản

1998 960 – 1991 – 960

2

Xihoumen Bridge Trung Quốc

3

Great Belt Đan Mạch

1998 535 – 1624 – 535

4

Runyang Trung Quốc

5

Humber Anh

1981 280 – 1410 – 530

6

Jiangyin Trung Quốc

1999 336,5 – 1385 – 309,3

7

Tsing Ma Hồng Kông

1997 455 – 1377 – 300

8

Narrows

Mỹ (New York)

1964 370,3 – 1298,5 – 370,3

Golden Gate Mỹ(San Francisco) 1937 342,9 – 1280 – 342,9

10

Yangluo Bridge Trung Quốc

2007 250-1280-440

11

Högakustenbron Thụy Điển

1997 310 – 1210 – 280

12

Mackinac Bridge

Mỹ 1957 548,6 – 1158,2 – 548,6

13

Huangpu BridgeTrung Quốc

14

Minami Seto

Nhật Bản 1989 274 – 1100 – 274

15

Fatih Sultan Mehmet

( Bosporus II) Thổ Nhĩ Kỳ (Istanbul)

1988 210 – 1090 – 210

16

Balinghe BridgeTrung Quốc

Boğaziçi (Bosporus I) Thổ Nhĩ Kỳ (Istanbul)

1973 231 – 1074 – 255

18

George Washington

Mỹ (New York) 1931 185,9 – 1066,8 – 198,1

19

Kaikyo IIINhật Bản 1999 260 – 1030 – 280

Kurushima-20

Kaikyo II Nhật Bản 1999 250 – 1020 – 245

Kurushima-21

Ponte 25 de Abril (Tagus)

Bồ Đồ Nha (Lisbon)

1966 483,4 – 1012,9 – 483,4

22

Forth Road Anh

1964 408,4 – 1005,8 – 408,4

Về phương diện thẩm mỹ, một số cầu được xem là biểu tượng cho cả một vùng,

cả một quốc gia như: cầu Golden Gate (Hình1.2), cầu Mackinac của Mỹ, cầu Tsing Ma của Hồng Kông, cầu JangYin (Hình 1.3) của Trung Quốc…

Hình 1.2 Cầu Golden Gate Hình 1.3 Cầu Jang Yin

Hiện nay, cầu treo Akashi Kaikyo (Hình 1.4) là cây cầu được hoàn thành có nhịp chính dài nhất trên thế giới được khởi công vào tháng 5/1988, việc xây dựng kéo dài trong 10 năm, chiều dài nhịp 960+1991+960 (m) = 3911m, gồm 6 làn xe Cầu nằm giữa Bắc Maiko ( ở Shikoku ) và Nam Matsuho ( ở Awaji ), hai bên là cầu dẫn bằng bê tông.

Hình 1.4 Cầu Akashi Kaikyo

Kế đến là cầu Xihoumen (Hình 1.5) có nhịp chính dài 1650m được hoàn thành năm 2009 tại Trung Quốc

Sau khi hoàn thành cầu sẽ có chiều rộng 60m với 12 làn xe lưu thông và 2 đường tàu hỏa chạy giữa cầu phục vụ cho 140.000 xe, 200 chuyến tàu mỗi ngày

Hình 1.6 Phác họa so sánh kích thước, khẩu độ giữa cầu Messina Strait (Ý) và cầu

Golden Gate (Mỹ)

Hình 1.7 Phối cảnh cầu Messina Strait

• Băng qua eo biển Gibraltar giữa Tây Ban Nha và Marốc: với 2 phương án được kiến nghị: một cầu treo dây võng với 2 nhịp chính dài 5 km (Hình 1.8), hoặc một chiếc cầu treo dây văng có nhịp chính đầy ấn tượng 8,4 km

Hình 1.8 Phối cảnh cầu Gibraltar

• Băng qua eo biển Tsugaru, Nhật Bản : một cây cầu kết hợp vừa cầu treo dây võng vừa cầu treo dây văng với 2 nhịp chính liên tiếp nhau khoảng 4 km

Sư ra đơi va phát triển câu treo dây võng trên thế giới không còn đơn thuân la đáp ứng nhu cầu giao thông mà nó còn là mục tiêu và thách thức đối với các nhà khoa học để có một chiếc cầu mang lại nét đặc trưng riêng độc đáo về kết cấu, kiến trúc hơn nữa là kỷ lục về chiều dài nhịp

1.1.2 Sư phat triên câu treo dây võng ơ Viêt Nam

Với một đất nước có bề dày lịch sử trải qua nhiều thăng trầm nên công nghệ thiết kế va thi công câu ơ Việt Nam còn rất ít kinh nghiệm va non trẻ

Lịch sử phát triển xây dựng cầu treo ở Việt Nam gắn liền với quá trình lịch sử của đất nước Từ giữa năm 1965, nhằm phục vụ công tác đảm bảo giao thông trong cuộc chiến tranh chống Mỹ cứu nước đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu các biện pháp vượt sông bằng hệ cáp treo Từ đó, các sản phẩm cầu treo được ra đời như cầu cáp Vĩnh Tuy (Hà Giang), Đoan Vỹ (Nam Hà) năm 1965-1968, cầu cáp Đoan Hùng (Vĩnh Phú) có khẩu độ 104m năm 1966,…[3]

Cho đến nay, với trình độ kỹ thuật ngày càng được cải tiến không ngừng cùng với việc chuyển giao công nghệ tư nước ngoai, bên canh các loai câu gian đơn, liên tục thuần túy thì một số giải pháp cầu treo dây võng đã được nghiên cứu và từng bước đưa vào ứng dụng, cụ thể một cầu treo dây võng có quy mô tương đối lớn đã được triển khai xây dựng đó là cầu Thuận Phước (Hình 1.9) tại thành phố Đà Nẵng

Cầu treo dây võng Thuận Phước bắc qua sông Hàn do Cục Cầu Lớn Vũ Hán (Trung Quốc) thiết kế ,cầu có 2 trụ tháp cao 92m, cách nhau 405m, tĩnh thông thuyền 27m, kết cấu dầm hộp thép hợp kim suốt toàn bộ nhịp treo, chế tạo bằng công nghệ dầm tăng cứng theo tiêu chuẩn quốc tế Cầu có tổng chiều dài 1.856m (dài hơn cầu Mỹ

Thuận 300m), rộng 18m cho 4 làn xe lưu thơng, tải trọng 13 tấn với tổng kinh phí xây dựng hơn 650 tỷ đồng Đây là cây cầu hiện đại, mang tính nghệ thuật cao đồng thời là cầu treo cĩ khẩu độ lớn nhất nước ta hiện nay.

Hình 1.9 Phối cảnh và sơ đồ cầu Thuận Phước

1.1.3 Một số thơng tin về cầu Akashi và trận động đất Kobe lịch sử : [12]

Cầu Akashi được thiết kế với tải trọng gió đạt vận tốc 80m/s và tải trọng động đất với 8,5 độ Richter Vào ngày 17/01/1995, trận động đất đạt 7,2 độ richter đã xảy

ra trong khu vực Kobe và 6000 người đã thiệt mạng Tâm của trận động đất nằm gần đầu phía nam của cầu Akashi, khoảng vài km tính từ trung tâm thành phố Kobe Cầu Akashi đã trải qua ảnh hưởng của trận động đất với cường độ đạt gần 8 độ

richter Khi trụ tháp và cáp chính thi công gần hoàn chỉnh, công việc xây dựng bản mặt cầu bắt đầu triển khai thì trận động đất xảy ra Trong phạm vi 50 km tính từ cầu Akashi, nhiều nhà và cầu đã bị sụp đổ.

Riêng cầu Akashi chỉ bị hư hại không đáng kể Cùng với sự di chuyển của nền đất, Trụ tháp phía nam di chuyển khoảng 80 cm về phía nam, đỉnh của trụ tháp nghiêng 10 cm về phía nam Nhịp chính phải tăng thêm 80 cm và có tổng chiều dài đạt gần 1991m Nhịp bờ phía nam cũng tăng thêm 30cm Cuối cùng, tổng chiều dài cầu treo dây võng tăng thêm khoảng 110cm Kết quả làm cho độ võng của dây treo giảm khoảng 130cm Nhiều đánh giá cho rằng, nếu cáp chủ chưa được thi công xong thì hư hỏng do động đất không thể nhỏ nhứ thế Mặc dù động đất xảy ra nhưng cầu Akashi vẫn hoàn thành vào mùa xuân năm 1998 theo đúng tiến độ dự định ban đầu

1.1.4 Một số thơng tin về sự cố phá huỷ cầu Tacoma Narrows :

Cầu Tacoma Narrows thuộc bang Washington ( Mỹ ), thời điểm xây dựng cầu năm 1940, cầu gồm 3 nhịp đối xứng, nhịp giữa dài 853 m, nhịp biên 335 m, chiều rộng mặt cầu 11.9m, kết cấu dầm sử dụng 2 dầm I, chiều cao 2.42m

Quan điểm thiết kế đưa ra thay dạng dàn cứng như các thiết kế trước đĩ bằng dạng dầm mảnh để giảm lục giĩ tác động, nghĩa là chú trọng tới việc giảm nguyên nhân gây lục giĩ hơn là chống lại tác động của giĩ

Về mặt tính tốn kết cấu cho thấy cầu an tồn trước tác động của giĩ và động đất Khía cạnh động lực của giĩ và động đất chưa được đề cập do sự hạn chế của kỹ thuật phân tích lúc đĩ

Tại ngày xảy ra sự cố , cầu Tacoma Narrows đã xuất hiện dao động uốn với biên

độ lên đến 8,5 m/s cùng với dao động xoắn và bị sụp đổ dưới tác dụng của tải trọng giĩ

19 m/s vào thời điểm 4 tháng sau khi hồn thành Sau đay là một số hình ảnh về sự cố phá huỷ cầu Tacoma Narrows :

Hình 1.10 : Hình ảnh dao động mạnh của cầu Tacoma Narrows trước khi bị phá huỷ

Hình 1.11 : Hình ảnh dao động mạnh của cầu Tacoma Narrows trước khi bị phá huỷ.

Hình 1.12 : Hình ảnh dao động mạnh của cầu Tacoma Narrows khi bị phá huỷ

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG

1.2.1 Cấu tạo các bộ phận chính của cầu treo dây võng

Các bộ phận chính của cầu treo dây võng được thể hiện trên hình 1.13

Hình 1.13 Cấu tạo chung của cầu treo dây võng

Theo phương dọc cầu, trụ tháp trong cầu treo dây võng chia làm 3 loại: tháp cứng,

tháp mềm và tháp chân khớp (Hình 1.14) Tùy theo đặc điểm yêu cầu của từng loại kết

cấu nhịp, tư vấn thiết kế chọn loại trụ tháp thích hợp và sơ đồ tính chính xác nhất

• Tháp mềm: thường dùng ở cầu treo nhịp lớn

• Tháp cứng: thường dùng ở cầu treo nhiều nhịp để cung cấp đủ độ cứng cho cầu

• Tháp chân khớp thường dùng ở cầu treo nhịp ngắn

Tháp cứng Tháp mềm Tháp chân khớp

Hình 1.14 Các dạng kết cấu của trụ tháp

Theo phương ngang cầu, trụ tháp thường có dạng dàn, dạng cổng hoặc phối hợp giữa hai dạng trên (Bảng 1.2)

Bề rộng của cột trụ tháp theo phương dọc cầu thường chọn khoảng 1/20÷1/27 chiều cao cột trụ

Hình ảnh trụ tháp của một số cầu trên thế giới (Hình 1.13)

Bảng 1.2 Các dạng hình học của trụ tháp

Trụ tháp cầu Akashi Kaikyo Trụ tháp cầu Brooklyn Bridge Trụ tháp cầu Golden Gate

Trụ tháp cầu Great Belt Trụ tháp cầu John A Roebling Trụ tháp cầu George Washinton

Hình 1.15 Một số trụ tháp cầu treo dây võng

1.2.3 Dầm cứng

Hệ dầm cứng của cầu treo dây võng chia làm 2 loại: (Hình 1.16)

• Dầm cứng 2 khớp: thường dùng cho cầu ôtô

• Dầm liên tục: thường dùng cho cầu ôtô kết hợp với đường tàu hỏa

Nhược điểm chính của cầu treo dây võng là có độ cứng nhỏ, rất nhạy cảm với các nguyên nhân gây ra dao động như tải trọng gió và các nguyên nhân gây ra dao động có tính chất nhịp nhàng Để khắc phục hiện tượng trên, dầm cứng phải đảm bảo thoát gió tốt như dàn không gian hoặc dầm có tiết diện hình hộp với chiều cao thấp nhằm tăng cường khả năng chống xoắn của cầu

Do đó, dầm cứng thường dùng có thể là dầm dàn, dầm hộp (dùng cho cầu nhịp dài nhằm đảm bảo ổn định khí động học) hay dầm I (dùng cho cầu nhịp ngắn) (Hình 1.17)

Tỷ số giữa chiều cao dầm h và chiều dài nhịp chính L phụ thuộc vào nhiều yếu tố

và có ảnh hưởng đến độ cứng của toàn hệ, thường chọn h = (1/80 ÷ 1/120).L

Với nhịp càng lớn thì nên chọn tỷ số này nhỏ

• Khi h > L/60 (độ cứng của hệ lớn), có thể tính theo sơ đồ không biến dạng

• Khi h ≤ L/60 (độ cứng của hệ nhỏ), khả năng tham gia chịu lực của dầm nhỏ

so với khả năng chịu lực của dây, có thể tính như hệ dây mềm, dầm mềm

Để đảm bảo ổn định với gió, bề rộng cầu thường chọn B ≥ 1/25L

Dầm hộp( Cầu Humber)Hình 1.17 Các loại dầm cứng

1.2.4 Cáp

1.2.4.1 Cáp treo

Là bộ phận có tác dụng truyền lực từ dầm chính đến cáp chủ, các cáp treo thường chỉ chịu kéo nên được làm bằng thép thanh hoặc các tao cáp song song (Hình 1.18) Cáp treo thường được bố trí theo phương thẳng đứng Tuy nhiên, để tăng độ cứng theo phương dọc người ta có thể bố trí cáp treo xiên

Theo quy trình về cầu treo, chiều dài tối thiểu của dây đeo không nhỏ hơn 1,5m (trọng tâm của xe di động trên cầu luôn ở phía dưới dây chủ để đảm bảo an toàn về ổn định ngang cầu) nhưng cũng có trường hợp chọn bằng không (nối sát với dầm cứng) nhằm mục đích nâng cao độ cứng của cầu

Hình 1.18 Các kiểu liên kết giữa cáp chủ và dây treo

1.2.4.2 Cáp chủ

Cáp chủ là bộ phận chịu lực cơ bản có tác dụng tiếp nhận lực từ cáp treo và truyền đến trụ tháp và mố neo Ban đầu cáp chủ được làm bằng dây xích, sau đó được thay thế bằng các sợi cáp đơn song song rồi đến các bó thép sợi cường độ cao lần đầu tiên được

áp dụng cho cầu Brooklyn năm 1883 Ngày nay nó cũng đã được dùng cho nhiều cầu treo dây võng nhịp dài trên thế giới Các loại bó sợi song song và bó sợi xoắn được thể hiện như trong bảng 1.3 Thông thường cáp chủ gồm nhiều tao cáp bó lại nhau trong một vòng tròn (Hình 1.19 và 1.20)

Ở trạng thái hệ chưa chịu tác dụng của tải trọng di động, dây chủ thường có dạng đường cong parabol Tỷ lệ giữa đường tên võng f và chiều dài nhịp L phụ thuộc giá thành xây dựng cầu và đảm bảo điều kiện về ổn định khí động học Thông thường tỷ lệ này được lấy khoảng bằng 1/10

Chân ren

Cáp chủ Bulong đai Đai cáp

Dây treo Chân ren Kẹp cáp