Nghiên cứu ảnh hưởng cách bố trí dây đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng ba nhịp hai mặt phẳng dây

CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG Tính đa dạng của cầu dây văng thể hiện ở các đặt điểm sau: sơ đồ nhịp, sơ đồ phân bố dây treo, số mặt phẳng dây, chiều dài nhịp và chiều dài khoang d

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÁCH BỐ TRÍ DÂY VĂNG

1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG

Cầu dây văng là một dạng công trình cầu có chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật, mỹ quan tốt Cầu dây văng đã và đang ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và Việt Nam Cầu dây văng có khả năng vượt nhịp lớn, kết cấu hiện đại, hình dáng kiến trúc đẹp, có quy mô xây dựng lớn với trình độ công nghệ cao Cầu dây văng được áp dụng và phát triển trên cơ sở hoàn thiện hệ dàn dây Gisclard theo hướng tạo một hệ bất biến hình gồm các dây xiên (dây văng) chịu kéo và dầm cứng chịu uốn

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

1955, đến nay cầu dây văng đã được ứng dụng rỗng rãi trên thế giới và đạt được nhiều thành tựu rực rỡ.Cuối thế kỷ 20 các kỷ lục về chiều dài nhịp cầu dây văng liên tục bị phá, nhiều cầu đã trở thành di sản văn hóa, biểu tượng kiến trúc, đánh dấu sự phát triển khoa học kỹ thuật của thời đại

1.1.1 Lịch sử phát triển cầu dây văng trên thế giới

Cùng với cầu treo, cầu dây văng có một lịch sử lâu đời Năm 1790 một công trình sư người Pháp tên là Poet đã đề nghị dùng hai tháp cầu cùng một hệ dây văng

đỡ hệ mặt cầu của một cầu ba nhịp (hình 1.1)

Hình 1.1 Cầu dây văng theo đề nghị của Poet

Năm 1817 ở Anh cũng đã tiến hành xây dựng một vài cầu dây văng dành cho người đi bộ, trong đó có cầu Dryburgh (hình 1.2), tuy nhiên cầu này đã bị sập sau 6 tháng hoàn thành bởi một trận bão lớn

Hình 1.2 Mô hình cầu dây văng dành cho người đi bộ ở Anh Năm 1851 một kỹ sư người Pháp tên là Gisclard đã thiết kế xây dựng cầu Dela Cassagne (hình 1.3), với kết cấu là cầu dây văng liên hợp với hệ dây treo được tăng cường nhằm làm giảm độ võng của các dây văng (do làm từ thép có cường độ không cao)

Hình 1.3 Cầu De la Cassagne do Gisclard thực hiện Năm 1925, ở Pháp đã xây dựng cầu Lazardrieux bắc qua sông Trieaux

Hình 1.4 Cầu Lazardrieux ở Pháp

Kể từ đó cầu dây văng đã được xây dựng nhiều như sau:

• Cầu Sidney Lanier

Hình 1.5 Cầu Sidney Lanier

• Cầu Normandie

Hình 1.6 Cầu Normandie

• Cầu Tatara

Hình 1.7 Cầu Tatara

• Cầu Bratislava

Hình 1.8 Cầu Bratislava 1.1.2 Lịch sử phát triển cầu dây văng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, cầu dây văng được xây dựng năm 1976 qua sông Đak’rông thuộc tỉnh Quảng Trị Cầu có chiều dài nhịp chính 192m, chiều rộng 7m+2x0.8m và

đã bị sập tháng 2 năm 1999 (hình 1.9)

Hình 1.9 Cầu Đak’rông ở Quảng Trị Trong những năm gần đây cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài , một số cầu dây văng đã được xây dựng : cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh Long, cầu Bính ở Hải Phòng, cầu Bãi Cháy ở Quảng Ninh, cầu Phú Mỹ ở TP.Hồ Chí Minh, cầu Rạch Miễu ở Bến Tre, cầu Cần Thơ ở Cần Thơ…Sau đây là một vài hình ảnh cầu dây văng đã được xây dựng ở Việt Nam:

• Cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh Long

Hình 1.10 Cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh Long

• Cầu Bính ở Hải Phòng

Hình 1.11 Cầu Bính ở Hải Phòng

• Cầu Cần Thơ ở Cần Thơ

Hình 1.12 Cầu Cần Thơ ở Cần Thơ

1.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG

Tính đa dạng của cầu dây văng thể hiện ở các đặt điểm sau: sơ đồ nhịp, sơ đồ phân bố dây treo, số mặt phẳng dây, chiều dài nhịp và chiều dài khoang dầm, các dạng trụ tháp, các dạng mặt cắt ngang của dầm chính… Nội dung tiếp theo sẽ giới thiệu các đặc điểm cơ bản trên của cầu dây văng

1.2.1 Bố trí sơ đồ nhịp

Cũng giống như các loại cầu khác, cầu dây văng có rất nhiều phương án lựa chọn số nhịp cầu Tùy thuộc vào địa hình tại vị trí xây cầu, khả năng về công nghệ thi công…người kỹ sư có thể lựa chọn số nhịp cần thiết hợp lý Đây là yếu tố có ý nghĩa hết sức qua trọng ảnh hưởng đến quá trình thiết kế, thi công, khai thác vận hành, kiến trúc và đặc biệt là giá thành xây dựng cầu Các dạng cầu dây văng thường gặp là cầu dây văng 1 nhịp, cầu dây văng 2 nhịp, cầu dây văng 3 nhịp và cầu dây văng nhiều nhịp

1.2.1.1 Sơ đồ cầu dây văng 1 nhịp

Sơ đồ tổng quát của trường hợp này là cầu dây văng có 1 nhịp chính được tựa lên các gối đàn hồi (liên kết giữa dây văng và dầm cứng), từ trên đỉnh tháp dây neo được neo vào các mố neo (hình 1.13)

Hình 1.13 Cầu dây văng 1 nhịp 1.2.1.2 Sơ đồ cầu dây văng 2 nhịp

Sơ đồ tổng quát của trường hợp này là cầu dây văng có hai nhịp chính được tựa lên các gối đàn hồi đối xứng nhau qua trụ tháp (hình 1.14)

Hình 1.14 Cầu dây văng 2 nhịp 1.2.1.3 Sơ đồ cầu dây văng 3 nhịp

Tránh mố neo và mố cầu cùng chịu lực ngang, có thể kéo dài dầm chủ, tạo thêm hai nhịp biên đồng thời liên kết dây neo vào dầm chủ tạo thành hệ không có lực đẩy ngang ta có sơ đồ cầu dây văng ba nhịp.Cầu dây văng ba nhịp là một dầm liên tục tựa trên các gối cứng là mố trụ là các điểm neo của các dây văng (hình 1.15)

Hình 1.15 Cầu dây văng 3 nhịp 1.2.1.4 Sơ đồ cầu dây văng nhiều nhịp

Cầu dây văng có thể đạt được nhịp rất lớn, 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 đối với những cầu dài qua biển, nối từ đảo này sang đảo khác, 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 các hệ dầm cầu cũ bằng cầu dây văng thì vẫn dùng hệ nhiều nhịp (hình 1.16)

Hình 1.16 Cầu dây văng nhiều nhịp

Qua phân tích sự làm việc của các cách bố trị nhịp, ta nhận thấy sơ đồ cầu dây văng ba nhịp là sơ đồ có nhiều ưu điểm, hợp lý về mặt chịu lực và hiện nay được sử dụng khá nhiều.Do đó ta chọn sơ đồ cầu dây văng ba nhịp để nghiên cứu 1.2.2 Bố trí cáp dây văng trên phương ngang

Bố trí cáp dây văng trên phương ngang phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang khổ cầu

1.2.2.1 Cầu dây văng 1 mặt phẳng dây

Khi bề rộng khổ cầu nhỏ hơn 7m ta chọn thường cách bố trí một mặt phẳng dây trên phương ngang (hình 1.17)

Hình 1.17 Cầu dây văng 1 mặt phẳng dây Cầu dây văng một mặt phẳng dây có độ cứng theo phương ngang rất nhỏ (thường trụ tháp có dạng cột đặt ở giữa dải phân cách), vì thế dầm chủ cầu thường

có tiết diện lớn để tăng cường độ cứng chống xoắn

1.2.2.2 Cầu dây văng 2 mặt phẳng dây

Khi bề rộng khổ cầu từ 7m đến 20m ta chọn thường cách bố trí hai mặt phẳng dây trên phương ngang (hình 1.18)

Hình 1.18 Cầu dây văng 2 mặt phẳng dây Cầu dây văng hai mặt phẳng dây với ưu điểm là độ cứng chống uốn theo phương ngang cao, ổn định hơn trong lúc thi công (thi công hẫng) và thường có tiết diện dầm nhỏ nên kinh tế hơn

1.2.2.3 Cầu dây văng nhiều mặt phẳng dây

Khi bề rộng khổ cầu lớn hơn 20m ta chọn thường cách bố trí ba hoặc bốn mặt phẳng dây trên phương ngang

1.2.3 Bố trí cáp dây văng trên phương dọc

Có thể nói rằng trong kết cấu cầu dây văng thì dây văng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc chịu lực của cả hệ Toàn bộ tải trọng tĩnh tải cũng như hoạt tải đều truyền vào các dây văng, sau đó lực căng của các dây văng một phần chuyển thành lực nén dọc trục trong dầm, một phần truyền vào trụ tháp và được chuyển xuống móng Giá trị lực nén dọc trục trong trụ tháp cũng như trong dầm phụ thuộc rất nhiều vào sơ đồ bố trí của các dây văng trên trụ tháp Do vậy cách bố dây văng trên phương dọc cũng ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kính tế và kỹ thuật của cầu

Trong cầu dây văng, thông thường có ba cách bố trí dây văng trên trụ tháp như sau: tuyến cáp dạng đồng qui, tuyến cáp dạng song song, tuyến cáp dạng rẽ quạt

1.2.3.1 Tuyến cáp dạng đồng qui (Radiating)

Các dây văng xuất phát từ đỉnh trụ tháp tỏa xuống và neo vào dầm chính với các góc nghiêng khác nhau của dây cáp (hình 1.19)

Hình 1.19 Cầu Dnepr-Kiep ở Ucraina sơ đồ dây đồng quy

1.2.3.2 Tuyến cáp dạng song song (Harp)

Cách bố trí này cĩ các dây song song với nhau cả hai bên của trụ tháp, các dây bố trí đều nhau trên trụ và trên dầm chủ (hình 1.20)

Hình 1.20 Cầu Sverdrup ở Mỹ sơ đồ dây song song 1.2.3.3 Tuyến cáp dạng rẽ quạt (Fan)

Cách bố trí tuyến cáp dạng rẽ quạt là cách bố trí trung gian giữa hai cách bố trí trên (hình 1.21)

Hình 1.21 Cầu Dames Point ở Mỹ sơ đồ dây rẽ quạt Qua trên ta thấy rằng với các cách bố trí cáp trên phương dọc khác nhau nên góc nghiêng của dây so với phương nằm ngang thay đổi.Điều này ảnh hưởng lớn đến nội lực trong dây văng và dầm cũng như đến các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ.Vì vậy luận văn chọn cách bố trí dây văng trên trụ tháp theo phương dọc làm đối tượng nghiên cứu

1.2.4 Các dạng tháp cầu

Trong cầu dây văng tháp cầu là bộ phận rất quan trọng có tính chất quyết định các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế, mỹ quan và độ an toàn công trình Tháp cầu chịu toàn bộ tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp, thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền.Hình dạng trụ tháp phụ thuộc vào một số yếu tố chính như:

+ Khẩu độ nhịp và chiều rộng mặt cắt ngang cầu

+ Số mặt phẳng dây, cách neo dây

+ Khả năng chịu lực và độ ổn định của hệ dầm, dây và tháp

+ Tính đơn giản cho thi công

1.2.4.1 Tháp cầu dạng chữ H

Là dạng tháp gồm hai cột thẳng đứng nằm sát mép ngoài dầm, mỗi cột tháp nằm trong một mặt phẳng dây, làm việc chịu nén uốn theo phương ngang như thanh

có một ngàm, một đầu tự do (hình 1.22)

Hình 1.22.Tháp cầu dạng chữ H 1.2.4.2 Tháp cầu dạng chữ A, chữ Y ngược

Tháp cầu loại này gồm hai cột xiên, được chập vào nhau trên đỉnh tháp.Dạng tháp này làm tăng độ cứng chống xoắn và độ ổn định của cầu Do dây văng xiên nên tạo được lực nén trước cho toàn hệ mặt cầu (hình 1.23)

Hình 1.23.Tháp cầu dạng chữ A, chữ Y ngược

1.2.4.3 Tháp cầu dạng hình thang

Đây là dạng kết hợp của dạng tháp chữ A và chữ H Dạng này khai thác ưu điểm của hai dạng trên như: thi công khó hơn, cấu tạo các điểm neo cáp trên đỉnh tháp đơng giản hơn, phù hợp với sơ đồ bố trí móng cọc, kết cấu có độ cứng lớn (hình 1.24)

Hình 1.24.Tháp cầu dạng hình thang Qua phân tích ưu nhược điểm của các dạng tháp cầu nêu trên, ta thấy tháp cầu dạng hình thang là hợp lý về chịu lực và thi công đơn giản nên trong phạm vi luận văn này ta chọn tháp hình thang để nghiên cứu

1.2.5 Cáp dùng cho dây văng

Để khắc phục hiện tượng dây duỗi thẳng gây thêm biến dạng phụ hầu hết dây văng được cấu tạo từ thép cường độ cao.Tùy theo kết cấu bó, phương pháp chế tạo

có các loại sau:

1.2.5.1 Thép thanh

Là các thép thanh có đường kính lớn, chiều dài hạn chế do điều kiện chế tạo

và vận chuyển (hình 1.25)

Hình 1.25.Thép thanh 1.2.5.2 Thép sợi

Là một sợi thép dài, đường kính nhỏ chỉ chịu được lực kéo, không có khả năng chịu nén uốn (hình 1.26)

Hình 1.26.Thép sợi 1.2.5.3 Tao cáp

Là một tổ hợp của nhiều sợi thép quấn thành một hoặc nhiều lớp quanh một sợi đơn làm lõi tạo ra một tiết diện hình trụ tròn (hình 1.27)

Hình 1.27.Tao cáp 1.2.5.4 Cáp kín

Cấu tạo giống như tao cáp nhưng các sợi thép ở các lớp ngoài có tiết diện hình thang và hình chũ Z ép sít vào nhau khi cuốn quanh lõi (hình 1.28)

Hình 1.28.Cáp kín

1.2.5.5 Bó cáp

Là loại tổ hợp của nhiều tao quấn xoắn ốc quanh một lõi là một tao hoặc một

bó cáp nhỏ (hình 1.29)

Hình 1.29.Bó cáp 1.2.5.6 Cáp có sợi song song

Là bó các sợi thép đặt song song xếp theo hình chữ nhật, hình lục giác hoặc hình tròn (hình 1.30)

Hình 1.30 Cáp có sợi song song 1.2.6 Dầm chủ

Trong cầu dây văng 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, đó là: dầm chủ đơn năng và dầm chủ đa năng

1.2.6.1 Dầm chủ đơn năng

Đặc điểm cơ bản của dầm chủ đơn năng là các bộ phận trong dầm làm việc độc lập nhau, dầm chủ chịu lực nén và uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, khả năng chống xoắn theo phương ngang chủ yếu do dầm ngang và hệ dây đảm trách, dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp bản dọc và ngang Các dầm chủ đơn năng chỉ được dùng cho các cầu có nhiều mặt phẳng dây (hình 1.31)

Hình 1.31 Dầm chủ đơn năng bằng thép 1.2.6.2 Dầm chủ đa năng

Đặc điểm cơ bản của dầm chủ đa năng là có khả năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt dầm chủ và hệ dầm mặt cầu 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 cho cầu dây văng bố trí dây ở giữa (hình 1.32)

Hình 1.32 Cầu Tatara ở Nhật với kết cấu dầm hộp đa năng Kết luận chương: Trong chương này luận văn đã giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển của cầu dây văng trên thế giới và ở Việt Nam Qua đó luận văn giới thiệu các đặc điểm cơ bản của cầu dây văng như: Bố trí sơ đồ nhịp, bố trí cáp văng trên phương ngang và phương dọc, cấu tạo của các bộ phận chính trong cầu dây văng như tháp cầu, dầm chủ và dây văng.Thông qua đó luận văn chọn cách bố trí dây văng trên phương dọc để làm đối tượng nghiên cứu trong các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỊNH TÍNH ĐẶC ĐIỂM CHỊU LỰC CỦA CẨU DÂY VĂNG

KHI THAY ĐỔI CÁCH BỐ TRÍ DÂY VĂNG

Có thể nói rằng trong kết cấu cầu dây văng thì dây văng đóng một vai trò hết sức quan trọng trong việc chịu lực của cả hệ Toàn bộ tải trọng tĩnh tải cũng như hoạt tải đều truyền vào các dây văng, sau đó lực căng của các dây văng một phần chuyển thành lực nén dọc trục trong dầm, một phần truyền vào trụ tháp và được chuyển xuống móng Giá trị lực nén dọc trục trong trụ tháp cũng như trong dầm phụ thuộc rất nhiều vào sơ đồ bố trí của các dây văng trên trụ tháp Do vậy cách bố dây văng trên phương dọc cũng ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kính tế và kỹ thuật của cầu

Trong cầu dây văng, thông thường có ba cách bố trí dây văng trên trụ tháp như sau: tuyến cáp dạng đồng qui, tuyến cáp dạng song song, tuyến cáp dạng rẽ quạt Sau đây luận văn sẽ phân tích định tính các trường hợp bố trí dây văng để thấy rõ đặc điểm chịu lực của cầu dây văng

2.1.NỘI LỰC TRONG DÂY VĂNG

2.1.1 Tuyến cáp dạng đồng qui (Radiating)

Các dây văng quy tụ tại một nút cố định trên tháp cầu, từ đó các dây tỏa xuống neo vào dầm cứng tại một số điểm, tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục (hình 2.1)

Hình 2.1 Cầu dây văng với sơ đồ dây đồng quy Trong cầu dây văng, 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.Lực dọc trong dây văng thoải nhất ở giữa nhịp dưới tác dụng của tĩnh và hoạt tải có thể xác định theo công thức sau [2]:

max

( )( ) 2sin

g g

g q d d S

Trong đó:

g, q- tải trọng tĩnh và hoạt tải phân bố đều trên toàn cầu;

g

Nội lực của các dây văng còn lại trong phạm vi nhịp xác định theo [2]:

max

sin sin

g i

tuyến cáp dạng rẽ quạt (Fan)

Ưu điểm: hệ kết cấu cầu có độ cứng rất lớn, ổn định khi chịu tải trọng gió và

ổn định khí động học

Nhược điểm: Nhược điểm của tuyến cáp dạng đồng quy là nếu sử dụng khoang dầm nhỏ (số lượng dây văng nhiều) thì rất khó khăn cho việc cấu tạo các neo cố định trên trụ tháp, với số lượng neo nhiều sẽ phát sinh ứng suất cục bộ lớn gây nức và hư hỏng tháp cầu, do đó không an toàn cho việc vận hành và khai thác 2.1.2 Tuyến cáp dạng song song (Harp)

Cách bố trí này có các dây song song với nhau cả hai bên của trụ tháp, các dây bố trí đều nhau trên trụ và trên dầm chủ (hình 2.3)

Hình 2.3 Cầu dây văng với sơ đồ dây song song (cầu Oresundbridge – Đan Mạch) Trong trường hợp này các dây có cùng góc nghiêng so với mặt ngang và góc

Ưu điểm: Tuyến cáp dạng song song có ưu điểm là tại một điểm trên trụ tháp chỉ có nhiều nhất là hai neo của dây văng do đó việc cấu tạo neo cáp tương đối đơn giản.Một ưu điểm nữa của tuyến cáp dạng song song là tính mỹ quan cao do các dây song song nên nên tại mọi góc nhìn đều cảm nhận các đường nét song song

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

Nhược điểm: Tuy nhiên về chịu lực, tuyến cáp dạng song song có các nhược điểm sau:

+ Các dây có cùng góc nghiêng so với mặt ngang, và là góc nghiêng nhỏ nhất nên làm giảm độ cứng của các nút neo dây và dầm

+ Chỉ có một dây trên cùng được nối với dây neo, còn các dây khác chỉ được liên kết với dầm và tháp tại các điểm có chuyển vị đàn hồi.Các chuyển vị này làm

giảm độ cứng của hệ và làm tăng mômen uốn của dầm khi chịu tải trọng không đối xứng

+ Về mặt cấu tạo, nếu tất cả các dây neo cố định vào tháp cầu thì tháp chịu uốn như dầm có một đầu ngàm (móng trụ tháp) một đầu tựa trên gối đàn hồi (dây neo trên cùng) chịu các lực tập trung (lực trong các dây văng) tác dụng vào thân tháp, gây bất lợi về ổn định cho một kết cấu chịu mômen uốn và lực dọc đều lớn

Cách bố trí tuyến cáp dạng rẽ quạt là cách bố trí trung gian giữa hai cách bố trí trên (hình 2.4)

Hình 2.4 Cầu dây văng với sơ đồ dây rẽ quạt (cầu Rion Antirrion – Đan Mạch)

i

Ưu điểm: 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

2.2.NỘI LỰC TRONG TRỤ THÁP

2.2.1 Tuyến cáp dạng đồng qui (Radiating)

Trong sơ đồ dây đồng quy, các dây được liên kết cố định trên đỉnh tháp cầu 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 nên:

+ Momen uốn trong tháp nhỏ + Momen xoắn trong tháp nhỏ + Lực nén trong tháp lớn

i

trong trụ tháp nhỏ

2.2.2 Tuyến cáp dạng song song (Harp)

nhất nên làm giảm độ cứng của các nút dây.Tháp cầu làm việc như một đầu ngàm một đầu tự do tựa trên các gối đàn hồi chịu tác dụng của lực tập trung (lực trong các dây văng) tác dụng vào thân tháp nên gây bất lợi cho kết cấu chịu momen uốn và lực dọc đều lớn, do vậy:

+ Momen uốn trong tháp lớn + Momen xoắn trong tháp lớn + Lực nén trong tháp nhỏ nhất

i

trong trụ tháp lớn

2.2.3 Tuyến cáp dạng rẽ quạt (Fan)

Là trường hợp trung gian của hai sơ đồ đồng quy và song song nên:

+ Momen uốn trong trụ tháp lớn hơn sơ đồ đồng quy nhưng nhỏ hơn

sơ đồ song song

+ Lực nén trong trụ tháp nhỏ hơn sơ đồ đồng quy nhưng lớn hơn sơ

đồ song song

2.3.NỘI LỰC TRONG DẦM CHỦ

2.3.1 Tuyến cáp dạng đồng qui (Radiating)

Trường hợp này góc nghiêng lớn nhất nên hệ có độ cứng của các nút dây và dầm lớn, do đó:

+ Độ cứng dầm lớn nên momen uốn lớn

+ Độ cứng dầm lớn do đó lực nén giảm

i

2.3.2 Tuyến cáp dạng song song (Harp)

Độ cứng nhỏ nhất nên dầm chủ chịu nén là chính và momen uốn nhỏ , do đó:

+ Momen uốn trong dầm chủ nhỏ nhất + Lực nén trong dầm chủ lớn nhất

Tuy nhiên, chỉ có một dây trên cùng được nối với dây neo, còn các dây khác chỉ được liên kết với dầm và tháp tại các điểm có chuyển vị đàn hồi.Các chuyển vị này làm giảm độ cứng của hệ và làm tăng momen uốn của dầm khi chịu tải trong không đối xứng.Do đó, khi chịu tác dụng của hoạt tải không đối xứng momen uốn trong dầm trường hợp tuyến cáp dạng song song có giá trị lớn nhất

2.3.2 Tuyến cáp dạng rẽ quạt (Fan)

Là trường hợp trung gian của hai sơ đồ đồng quy và song song nên trị số momen uốn và lực nén trong dầm là trung gian giũa hai trường hợp trên

Kết luận chương: Trong chương này luận văn phân tích sự thay đổi của các thành phần nội lực trong các bộ phận chính cầu dây văng như tháp cầu, dầm chủ và dây văng một cách định tính.Qua đó thấy được khi thay đổi cách bố trí dây thì nội lực trong cầu dây văng sẽ có sự thay đổi nhất định.Nhưng thay đổi như thế nào, theo qui luật nào thì sẽ được luận văn làm sáng tỏ trong chương 4

CHƯƠNG 3 GIỚI THIỆU CÁC LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG

3.1 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG

3.1.1 Chiều dài nhịp và khoang dầm

3.1.1.1 Sơ đồ và chiều dài nhịp

Theo các tài liệu thiết kế và các cầu đã xây dựng thì khả năng vượt nhịp của cầu dây văng nằm trong phạm vi rất rộng.Chiều dài nhịp chính thường được chọn từ 100m đến 600m.Cũng có một số cầu vượt nhịp 800-900m như cầu Normandie ở Pháp (856) và cầu Tatara (890m) ở Nhật

Nếu không có các ràng buột về địa hình, địa chất củng như yêu cầu về kiến trúc thì nên chọn cầu dây văng ba nhịp là sơ đồ cầu hợp lý của cầu dây văng

chiều dài nhịp chính như sau: Cầu Mỹ Thuận (350m), cầu Cần Thơ (550m), cầu Phú Mỹ (380m), cầu Bãi Cháy (435m)

Vì vậy trong luận văn này chọn cầu dây văng ba nhịp đối xứng, chiều dài nhịp chính từ 200m đến 550m để nghiên cứu

3.1.1.2 Chiều dài khoang

Chiều dài khoang dầm là khoảng cách giữa hai điểm neo dây trên dầm chủ, khi chọn sơ đồ cầu thường gắn liền với chiều dài khoang.Chiều dài khoang dầm ảnh hưởng tới:

+ Trị số mômen uốn cục bộ trong khoang dầm

+ Nội lực và độ lớn của dây văng

+ Công nghệ thi công dầm và dây

+ Độ an toàn của công trình khi dây có sự cố tạo thuận lợi khi sửa chữa, thay dây

Tùy theo dầm cứng bằng thép hay bê tông cốt thép chiều dài khoang được chọn như sau [2]:

+ Dầm cứng bằng bê tông cốt thép: d=5-10m

+ Dầm bằng thép, thép bê tông liên hợp: d=8-14m

3.1.2 Chọn tiết diện và chiều cao dầm cứng

Diện tích tối thiểu của dầm chủ tại tiết diện có lực dọc lớn nhất phải thỏa mãn [2]:

max

.

k S A R

Trong đó:

+ A- diện tích tiết diện dầm chủ

+ R- cường độ tính toán của vật liệu dầm chủ

+ k- hệ số xét tới ảnh hưởng của mômen uốn và ảnh hưởng uốn dọc

Trên cơ sở diện tích đã chọn, cần tổ chức tiết diện để đảm bảo khả năng chịu uốn, ổn định, chống xoắn, thoát gió và thi công đơn giản

Chiều cao dầm chủ của cầu dây văng hai mặt phẳng dây, hệ ba nhịp có thể lấy như sau [2]:

Thông thường chiều cao tháp cầu được chọn như sau [2]:

Tùy theo hình dạng kiến trúc, dự kiến kết cấu, công nghệ thi công và chiều cao, tháp cầu có thể liên kết với nền móng, trụ cầu hoặc dầm chủ theo các dạng sau: + Tháp ngàm trực tiếp vào móng hoặc trụ cầu

+ Tháp liên kết khớp với móng hoặc trụ cầu

+ Tháp liên kết cứng với dầm chủ, dầm chủ liên kết khớp với trụ cầu

+ Tháp liên kết khớp với dầm chủ

3.1.3.3 Tiết diện 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 cầu với dây văng và trụ cầu

3.1.4 Tiết diện các dây văng

Tiết diện các dây văng được xuất phát từ điều kiện sử dụng hết khả năng làm việc của dây, được xác định theo công thức sau [2]:

i i

S A f

Trong đó:

tương ứng với quy phạm hiện hành

+ f- cường độ tính toán của vật liệu làm dây

3.2 ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN

Cầu dây văng là một kết cấu không gian phức tạp, siêu tĩnh bậc cao, không biến hình.Để xác định sự phân bố nội lực lên các phần tử dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và các tác động khác có thể vận dụng các phương trình và giả thiết cơ bản trong cơ học công trình như giả thiết biến dạng nhỏ, nội lực và biến dạng tỷ lệ tuyến tính,…trên cơ sở thiết lập các đường ảnh hưởng, mặt ảnh hưởng nội lực và chuyển

vị, từ đó xếp tải, xác định giá trị nội lực max hoặc min để kiểm tra tiết diện

Thông thường cầu dây văng cầu dây văng được tính theo bài toán ngược với trình tự như sau:

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

+ Mô hình hóa kết cấu

+ Xác định nội lực và biến dạng trong hệ

+ Kiểm tra các tiết diện

Bài toán biến dạng theo thời gian, biến dạng đàn hồi phi tuyến, tính toán động sẽ xét riêng và bổ sung thêm

3.3 ĐẶC ĐIỂM TÍNH TOÁN CHỊU TĨNH TẢI VÀ ĐIỀU CHỈNH NỘI LỰC Trong một kết cấu luôn tồn tại ba trạng thái nội lực:

+ Nội lực do tĩnh tải

+ Nội lực do hoạt tải

+ Nội lực dự trữ trong tiết diện

Nội lực do tĩnh tải phát sinh do trọng lượng kết cấu nhịp.Kết cấu nhịp cần

đủ lớn để chịu được hoạt tải và tĩnh tải, trong đó:

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 cực đại.Nghĩa là, 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 được nghiên cứu kỹ 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 lớp phủ mặt cầu

Tổng số nội lực do tĩnh tải và hoạt tải phải nhỏ hơn khả năng chịu lực của tiết diện [2] Biểu thức kiểm tra bền có dạng theo công thức 3.5:

Trong đó:

Ngoài ra còn tồn tại 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 thông thường được tạo ra

trong quá trình thi công, chế tạo, có dấu ngược với nội lực do tĩnh tải và hoạt tải, theo [2] công thức kiểm tra bền có dạng theo công thức (3.6):

Việc điều chỉnh nội lực hiện nay được ứng dụng cho rất nhiều loại kết cấu như kết cấu bê tông ứng suất trước, kết cấu bê tông thép liên hợp… điều chỉnh nội lực chỉ thực hiện được trong kết cấu siêu tĩnh

Cầu dây văng và cầu treo là hệ siêu tĩnh bậc cao nên việc điều chỉnh nội lực nhằm cực tiểu hóa mômen uốn tổng thể dầm cứng là việc không thể bỏ qua và có hiệu quả rất cao.Trong nhiều trường hợp, điều chỉnh nội lực có thể triệt tiêu được nội lực gây ra do tĩnh tải và một phần do hoạt tải

Bản chất của việc điều chỉnh nội lực là tạo một trạng thái biến dạng và nội lực ngược chiều với trạng thái do tải trọng gây ra, tổng tác động của tải trọng và điều chỉnh sẽ tạo ra một trạng thái tốt nhất đó là trạng thái hoàn chỉnh.Mục tiêu của trạng thái hoàn chỉnh có thể là: cao độ các nút dây văng ở vị trí hợp lý nhất dưới tác dụng của tĩnh tải, biểu đồ mômen uốn trong dầm chủ có lợi nhất dưới tác dụng của tĩnh tải, hoạt tải và các ảnh hưởng thứ cấp(từ biến của bê tông, biến dạng theo thời gian của dây cáp văng) Mục đích của việc điều chỉnh nội lực trong cầu dây văng là đạt được biểu đồ mômen uốn và độ võng cho trước theo ý đồ người thiết kế

3.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG 3.4.1 Phương pháp cơ học kết cấu

3.4.1.1 Phương pháp lực

Phương pháp lực, cùng với phương pháp chuyển vị, là một trong hai phương pháp cơ bản của cơ học kết cấu để phân tích các kết cấu siêu tĩnh Bản chất của phương pháp lực là thay đổi tác dụng của một số hay tất cả liên kết “thừa” – là các liên kết làm cho kết cấu trở thành siêu tĩnh – bằng các phản lực liên kết của chúng Kết cấu sau khi cắt đi một số hay các liên kết “thừa” đựơc gọi là kết cấu cơ bản Như vậy, kết cấu cơ bản là kết cấu tĩnh định hay có bậc siêu tĩnh thấp hơn kết cấu ban đầu Sự làm việc của kết cấu cơ bản dưới tác dụng của các phản lực liên kết

và tác động bên ngoài và sự làm việc của kết cấu ban đầu là tương đương Giá trị

của các phản lực liên kết được xác định dựa trên các điều kiện liên tục (tương thích)

về chuyển vị tại các liên kết bị cắt Một cách tổng quát, phương trình chính tắc của phương pháp lực mô tả điều kiện liên tục về chuyển vị tại các liên kết bị cắt có dạng [7]:

11

δ δ1n X1

p 1

∆

1 n

Các thành phần đáp ứng như nội lực, chuyển vị, v.v…, trên kết cấu siêu tĩnh được xác định theo quan hệ sau:

với:

S- là thành phần đáp ứng trên kết cấu siêu tĩnh cần tính,

i

3.4.1.2 Phương pháp chuyển vị

Một phương pháp cơ bản khác để tính toán kết cấu là phương pháp chuyển

vị Ý tưởng chính của phương pháp này là dùng một số tối thiểu các ẩn chuyển vị trong kết cấu để mô tả trạng thái chuyển vị của nó và, qua đó xác định các giá trị đáp ứng khác của kết cấu Các ẩn chuyển vị được phân biệt thành ẩn chuyển vị góc

và ẩn chuyển vị thẳng

Cơ sở để tìm ra số tối thiểu các ẩn chuyển vị góc là nguyên tắc tương thích về biến dạng tại các nút cứng của kết cấu: tại một nút cứng, các phần tử có góc xoay như nhau Ẩn chuyển vị thẳng được xác định trên sơ đồ khớp, là sơ đồ mà ở đó, các liên kết cứng được thay bằng các khớp Ẩn chuyển vị thẳng tương ứng với liên kết cần đặt thêm để sơ đồ khớp không biến dạng hình học

Kết cấu cơ bản của phương pháp chuyển vị là kết cấu có được sau khi đặt thêm các liên kết chống xoay vào vị trí của các ẩn chuyển vị xoay và liên kết chống chuyển vị thẳng vào nơi có chuyển vị thẳng Như vậy, kết cấu cơ bản của phương pháp chuyển vị có bậc siêu tĩnh cao hơn kết cấu ban đầu và được tạo thành từ các

bộ phận độc lập, có trạng thái ứng suất, biến dạng tương đối đơn giản và dễ xác định, ví dụ như, các đoạn thanh thẳng

Các ẩn cơ bản của phương pháp chuyển vị được xác định từ điều kiện cân bằng tại các liên kết đặt thêm tức là tại điểm đặt của các ẩn này Một cách khái quát, phương trình chính tắc mô tả điều kiện cân bằng để xác định các ẩn cơ bản của phương pháp chuyển vị là [7]:

= 1 gây ra trên kết cấu cơ bản

bên ngoài sinh ra

Các thành phần đáp ứng như nội lực, chuyển vị, v.v…, trên kết cấu siêu tĩnh được xác định theo quan hệ sau:

với:

S -là thành phần đáp ứng trên kết cấu siêu tĩnh cần tính

i

Phương pháp lực và phương pháp chuyển vị là các phương pháp giải chính xác các mô hình toán học, các mô hình kết cấu cho trước Tuy nhiên, quá trình giải theo các phương pháp này, nhất là phương pháp lực thường gặp nhiều khó khăn

3.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của mô hình toán học Về mặt vật lý, phương pháp phần tử hữu hạn chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học và cơ học đơn giản hơn kết cấu toàn thể Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút Tương tự, phương pháp chuyển vị, trong phương pháp phần tử hữu hạn, điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết câu chỉ được thỏa mãn tại các nút Thông thường, ẩn cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là các chuyển vị của các nút Các ẩn này được xác định dựa trên điều kiện cân bằng của toàn kết cấu theo phương trình có dạng [7]:

Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho việc phân tích tính toán: Sap2000, Staad.Pro, RM-Spaceframe, Midas/Civil… Trong nội dung luận văn này, học viên chọn chương trình tính Midas/Civil để phục phụ cho quá trình phân tích Sau đây là tổng quan về tính toán cầu treo dây văng úng dụng chương trình Midas/Civil

3.5 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN VỚI MIDAS/CIVIL 3.5.1 Khái quát về nội dung và phương pháp tính toán

Việc tính toán cầu treo dây văng bao gồm tính toán nội lực và biến dạng của các bộ phận kết cấu trong quá trình xây dựng cũng như khai thác, nội dung tính toán cũng chia thành các giai đoạn sau [8]:

Sự làm việc của kết cấu trong giai đoạn thi công:

Ứng với mỗi bước thi công sẽ có một sơ đồ chịu lực riêng, các thông số về nội lực, biến dạng sẽ được tích lũy và thay đổi trong quá trình thi công

Sự làm việc của kết cấu trong giai đoạn khai thác

Sơ đồ tính toán là sơ đồ hoàn thiện, chịu tác động của các loại tải trọng: tĩnh tải, hoạt tải, tĩnh tải bổ sung…

3.5.2 Các phương pháp điều chỉnh nội lực cầu dây văng

Với sự hỗ trợ của chương trình tính toán Midas/Civil, việc điều chỉnh nội lực được dựa theo 2 phương pháp: mô hình hóa thuận và mô hình hóa ngược

3.5.2.1.Mô hình hóa thuận

Với mô hình này sẽ giúp ta mô hình hóa và phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công theo đúng trình tự thi công thực tế, có xét đến các ảnh hưởng của các yếu

tố thời gian Theo phương pháp mô hình hóa thuận, nội lực và biến dạng của các bộ phận kết cấu được chương trình tính toán và tích lũy dần theo quá trình thi công Lực căng ban đầu trong cáp được xác định như là tổng của 2 thành phần: lực điều chỉnh được xác định ở trạng thái hoàn thành cầu và lực điều chỉnh ở từng giai đoạn thi công Tuy nhiên, quá trình phân tích này rất phức tạp, trong một số trường hợp quá trình phân tích có thể cho các kết quả khác nhau, có khi không thực hiện được

3.5.2.2.Mô hình hóa ngược

Đây là mô hình hóa và phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công ngược với các giai đoạn thi công thực tế Nội lực trong các giai đoạn thi công được xác định từ giai đoạn hoàn thành cầu mà không cần phải tính toán thử dần như theo mô hình hóa thuận Tuy nhiên theo mô hình này thì không cho phép xem xét được ảnh hưởng của thời gian đến các thuộc tính của kết cấu

3.5.3 Nội dung trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng

Một vấn đề quan trọng nữa là điều chỉnh nội lực trong quá trình thi công Trong quá trình thi công, nội lực và hình dạng của dây văng sẽ sai khác so với thiết

kế, sẽ làm ảnh hưởng đến sự làm việc của công trình Điều chỉnh bằng 2 cách: điều chỉnh dây văng và điều chỉnh hình học của dầm chủ Việc điều chỉnh hình học của dầm chủ chỉ có thể thay đổi hình dạng, trong khi đó việc điều chỉnh nội lực dây văng có thể vừa thay đổi hình dạng và nội lực của kết cấu, cách này hiện nay đang được sử dụng nhiều hơn Nội dung của việc điều chỉnh như sau:

1) Xác định trạng thái điều chỉnh (sơ đồ kết cấu, điều kiện biên, tải trọng tại giai đoạn thi công)

2) Xác định mục tiêu điều chỉnh (các đại lượng mục tiêu và điều kiện) 3) Xác định các ẩn điều chỉnh, các dữ liệu đã biết ảnh hưởng đến các đại lượng mục tiêu (trong trường hợp các ẩn điều chỉnh là tải trọng, sẽ có tổ hợp tải trọng điều chỉnh bao gồm các ẩn tải trọng và các tải trọng đã biết với những hệ số tương ứng)

4) Xác định các yếu tố trong hàm điều chỉnh và lập hàm điều chỉnh

5) Thiết lập các phương trình điều chỉnh

6) Giải hệ các phương trình tìm ra các ẩn Trong nhiều trường hợp, nghiệm tìm ra không phải là duy nhất, khi đó nên xác định thêm những điều kiện cụ thể để

có thể lấy ra được nghiệm hợp lý nhất

Kết luận chương: Trong chương này luận văn đã đưa ra các tham số cơ bản nhất khi tính toán cầu dây văng.Để thấy được nội lực trong cầu dây văng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó cách bố trí dây văng có ảnh hưởng nhất định đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng.Qua đó tìm hiểu được đặc điểm tính toán cầu dây văng cũng như điều chỉnh nội lực.Từ đó luận văn giới thiệu các phương pháp phân tích tính toán cầu dây văng và chọn phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁCH BỐ TRÍ DÂY ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU DÂY VĂNG BA NHỊP HAI MẶT PHẲNG DÂY

4.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của cách bố trí dây đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng, luận văn thực hiện tính toán và nghiên cứu các trường hợp sau: + Sơ đồ cầu dây văng ba nhịp đối xứng, 2 mặt phẳng dây

+ Trong mỗi sơ đồ cầu có 5 trường hợp nghiên cứu ứng với các cách bố trí dây văng khác nhau trên trụ tháp theo phương dọc cầu

+ Dạng trụ tháp hình thang, với mỗi trường hợp sơ đồ cầu thì chiều cao, diện tích, độ cứng trụ tháp là không đổi

+ Hình dạng mặt cắt ngang dầm chủ dạng chữ II bằng thép được liên kết với nhau bằng các dầm ngang và bản mặt cầu.Diện tích dầm chủ không thay đổi trong một sơ đồ cầu

+ Trong một sơ đồ cầu thì số lượng các dây văng và diện tích mặt cắt ngang dây văng là không đổi

Các sơ đồ cầu với ba chiều dài nhịp khác nhau được đưa vào tính toán như sau:

+ Hai tháp bằng bê tông cốt thép dạng hình thang, chiều cao trụ tháp H=92m, trong đó phần tháp nằm trên dầm có chiều cao 68m, phần trụ dưới dầm có chiều cao 24m

+ Mặt chính cầu có 5 trường hợp nghiên cứu

 Tham số:

Nhằm đạt được mục tiêu nghiên cứu tác giả thay đổi cách bố trí dây trên phương dọc cầu thông qua tham số d.Trong đó:

d: là khoảng cách các dây văng trên trụ tháp

Trong mỗi trường hợp nghiên cứu khoảng cách các dây văng trên trụ tháp đều được bố trí bằng nhau.Điều này được thể hiện rõ trong bố trí chung cầu

MẶT CHÍNH CẦU + Trường hợp 1 (đồng quy):

+ Trường hợp 2 (rẽ quạt):

+ Trường hợp 3 (rẽ quạt):

+ Trường hợp 4 (rẽ quạt):

+ Trường hợp 5 (song song):