Phân tích ảnh hưởng chiều cao trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng hai mặt phẳng dây

trong cầu treo dây văng hai mặt phẳng dây Tóm tắt Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng như: sơ đồ kết cấu nhịp, chiều dài nhịp, cấu tạo dầm chính

LÊ VĂN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CHIỀU CAO TRỤ THÁP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG

HAI MẶT PHẲNG DÂY

CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUY-NEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH KHÁC

TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2007

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Lê Thị Bích Thủy và TS Phùng Mạnh Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận văn thạc sỹ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SỸ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

xây dựng khác trên đường ôtô và đường sắt

I TÊN ĐỀ TÀI:

Phân tích ảnh hưởng chiều cao trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong

cầu treo dây văng hai mặt phẳng dây

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN ÁN:

1 Nhiệm vụ:

Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu Thông qua việc tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu sẽ thấy được, hiểu rõ hơn bản chất sự phân bố nội lực giữa các kết cấu chính khi thay đổi chiều cao trụ tháp trong cầu treo dây văng

2 Nội dụng luận văn :

Chương 1: Giới Thiệu Lịch Sử Phát Triển Của Cầu Dây Văng

Chương 2: Giới Thiệu Các Đặc Điểm Cơ Bản Của Cầu Treo Dây Văng

Chương 3: Giới Thiệu Các Lý Thuyết Tính Toán Cầu Dây Văng

Chương 4: Phân Tích Aûnh Hưởng Chiều Cao Trụ Tháp Đến Sự Phân Bố Nội Lực

Trong Cầu Treo Dây Văng

Chương 5: Kết Luận Và Kiến Nghị

Tài liệu tham khảo

Tóm tắc lý lịch khoa học

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

IV NGÀY HOÀN THÀNH :

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

TS PHÙNG MẠNH TIẾN

CN BỘ MÔNQL CHUYÊN NGHÀNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sỹ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua

Tp HCM, ngày tháng năm 2008

TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

Sau hai năm học tập và nghiên cứu, tôi đã được các Giảng Viên trong bộ môn Cầu Đường, Khoa Xây Dựng – Trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh truyền đạt cho rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm bổ ích, điều đó đã giúp ích cho tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn này

Qua đây, tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành tới các Giảng Viên trong bộ môn Cầu Đường, Khoa Xây Dựng, đặc biệt là cô giáo TS Lê Thị Bích Thủy và thầy giáo TS Phùng Mạnh Tiến đã tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp trong cơ quan và các bạn học viên lớp cao học Cầu Đường K15 đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi để có thời gian hoàn thành luận văn này

Xin chân thành cảm ơn

Lê Văn

trong cầu treo dây văng hai mặt phẳng dây

Tóm tắt

Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng như: sơ đồ kết cấu nhịp, chiều dài nhịp, cấu tạo dầm chính, số lượng mặt phẳng dây treo, chiều cao tháp cầu, vật liệu… Trong đó chiều cao tháp cầu trực tiếp ảnh hưởng đến góc nghiêng của các dây văng, kéo theo sự thay đổi nội lực của toàn hệ (dầm chính, dây treo, trụ tháp…) Chính vì vậy phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao tháp cầu đến sự phân bố nội lực trong cầu Thông qua việc tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu sẽ thấy được, hiểu rõ hơn bản chất sự phân bố nội lực giữa các kết cấu chính khi thay đổi chiều cao trụ tháp trong cầu treo dây văng

Chương 1: Giới Thiệu Lịch Sử Phát Triển Của Cầu Dây Văng

Chương 2: Giới Thiệu Các Đặc Điểm Cơ Bản Của Cầu Treo Dây Văng

Chương 3: Giới Thiệu Các Lý Thuyết Tính Toán Cầu Dây Văng

Chương 4: Phân Tích Aûnh Hưởng Chiều Cao Trụ Tháp Đến Sự Phân Bố Nội Lực

Trong Cầu Treo Dây Văng

Chương 5: Kết Luận Và Kiến Nghị

Tài liệu tham khảo

Tóm tắt lý lịch khoa học

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VĂNG

1.1.1 Lịch sử phát triển cầu dây văng trên thế giới

I.1.1 Hình thành ý tưởng kết cấu cầu dây văng 1

I.1.2 Giai đoạn phát triển hoàn thiện kết cấu CDV 5

1.1.2 Lịch sử phát triển cầu dây văng Việt Nam …… …….……… 14

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG 2.1 Các đặc điểm cơ bản của cầu dây văng 2.1.1 Sơ đồ hình thái cầu dây văng 18

2.1.2 Sơ đồ và sự phân bố dây 21

2.1.3 Số mặt phẳng dây 24

2.1.4 Cấu tạo dầm chủ 26

2.1.5 Tháp cầu 29

2.1.6 Chiều cao trụ tháp 32

2.2 Các thông số kỹ thuật của CDV được chọn để phân tích nghiên cứu 37 CHƯƠNG III GIỚI THIỆU CÁC LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG 3.1 Tổng quan về một số cơ sở lý thuyết để phân tích kết cấu 3.1.1 Phương pháp lực 40

3.1.2 Phương pháp chuyển vị 41

3.1.3 Phương pháp phần tử hữu hạn 42

3.2 Cơ sở lý thuyết phân tích, tính toán điều chỉnh nội lực trong cầu dây 3.2.1 Mục tiêu tính toán, điều chỉnh nội lực cầu dây văng 50

3.2.2 Nội dung tính toán, điều chỉnh nội lực cầu dây văng 51

3.3 Tổng quan về một số chương trình phân tích kết cấu đang được áp

dụng phổ biến hiện nay

3.3.1 SAP2000 58

3.3.2 STAAD.Pro 59

3.3.3 RM-SPACEFRAME 60

3.3.3 MIDAS/Civil 61

3.4 Cơ sở để phân tích kết cấu cầu treo dây văng trong Midas 3.4.1 Các phương pháp mô hình hóa và phân tích quá trình thi công cầu dây văng 62

3.4.2 Mô hình hóa thuận (Forward Modeling) 64

3.4.3 Mô hình hóa ngược (Backward Modeling) 65

3.4.4 Tính toán điều chỉnh theo các giai đoạn thi công 66

3.4.5 Giải bài toán điều chỉnh nội lực bằng Phương pháp hệ số tải trọng chưa biết (Unknown Load Factor Method) 68

3.5 Phạm vị áp dụng phương pháp điều chỉnh nội lực trong Midas để phân tích kết cấu cầu dây văng trong đề tài nghiên cứu 69

CHƯƠNG IV PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CHIỀU CAO TRỤ THÁP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG 4.1 Các trường hợp nghiên cứu 70

4.2 Các trường hợp tải trọng nghiên cứu 71

4.3 Các thành phần nội lực nghiên cứu phân tích, tính toán 73

4.4 Trường hợp cầu dây văng có sơ đồ nhịp L=100m+210m+100m 4.4.1 Aûnh hưởng đến phân bố nội lực trong dầm chủ 74

4.4.2 Aûnh hưởng đến phân bố nội lực trong trụ tháp 85

4.4.3 Aûnh hưởng đến lực căng cáp trong giai đoạn thi công 89

4.5.2 Aûnh hưởng đến phân bố nội lực trong trụ tháp 105

4.5.3 Aûnh hưởng đến lực căng cáp trong giai đoạn thi công .107

4.6 Trường hợp cầu dây văng có sơ đồ nhịp L=200m+410m+200m 4.6.1 Aûnh hưởng đến phân bố nội lực trong dầm chủ 111

4.6.2 Aûnh hưởng đến phân bố nội lực trong trụ tháp 125

4.6.3 Aûnh hưởng đến lực căng cáp trong giai đoạn thi công .128

4.7 Nhận xét tổng hợp cho 3 trường hợp tính toán 4.7.1 Đối với moment My trong dầm chủ 131

4.7.2 Đối với Lực dọc Fx trong dầm chủ 131

4.7.3 Đối với moment My trong trụ tháp 132

4.7.4 Đối với lực nén dọc trục Fx trong trụ tháp .132

4.7.5 Đối với lực căng cáp lúc thi công .133

CHƯƠNG V KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Các kết luận 5.1.1 Khi chiều dài kết cấu nhịp không đổi .134

5.1.2 Khi chiều dài kết cấu nhịp thay đổiû 134

5.2 Các kiến nghị .135

TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 137

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VĂNG 1.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI

Sự ra đời và phát triển của cầu treo dây văng (CDV) trên thế giới đã thu hút được lòng say mê, sáng tạo của các nhà khoa học nhờ đó đã làm cho kết cấu CDV ngày càng phát triển cả về quy mô kết cấu, hợp lý về mặt kinh tế và đặt biệt là tính mỹ thuật Rất nhiều CDV đã trở thành biểu tượng văn hóa của một địa phương, một đất nước và đặc biệt một vài trường hợp CDV đã trở thành di sản văn hóa của cả nhân loại

Để đạt được thành tựu như ngày hôm nay, CDV cũng trải qua những giai đoạn lịch sử phát triển khác nhau, giai đoạn sau có sự kế thừa và phát triển của giai đoạn trước phù hợp với trình độ phát triển của khoa học và công nghệ đương thời Cơ bản có thể phân ra thành hai giai đoạn như sau: giai đoạn hình thành ý tưởng kết cấu (giai đoạn từ cuối thế kỷ thứ 18 đến cuối thế kỷ thứ 19), giai đoạn 2 là giai đoạn phát triển hoàn thiện về mặt kết cấu CDV (từ đầu thế kỷ 20 đến nay)

1.1.1 Hình thành ý tưởng kết cấu cầu dây văng (đầu thế kỷ thứ 18 đến cuối thế kỷ thứ 19)

Thực ra ý tưởng về cầu treo dây văng có từ rất sớm, kết cấu này đặc biệt được các bộ tộc ở miền núi (nhiều ở Đông Nam Á) áp dụng để xây dựng các cầu treo qua các thung lũng, các vực sâu hay các khe suối có địa hình nguy hiểm Hình 1.1 là hình ảnh CDV được các bộ tộc vùng cao của người Lào xây dựng và hình 1.2 là hình ảnh CDV được xây dựng qua sông Serajoe ở Java –Inđônêxia Đặc điểm chung của hai cầu này được làm từ tre nứa một loại cây có rất nhiều ở địa phương (tre nứa)

Hình 1.1 CDV xây dựng qua khe suối sâu ở Lào

Hình 1.2 CDV xây dựng qua sông Serajoe ở Java –Inđônêxia

Năm 1617 Faustus Varantius xây dựng một cầu bằng gỗ đầu tiên ở Italia mang dáng dấp của một CDV sơ khai (hình 1.3)

Hình 1.3 CDV được thiết kế bởi Faustus Varantius – Italia năm 1617

Năm 1874 một thợ mộc người Đức là Loscher đã có ý tưởng xây dựng 1 cầu

bằng gỗ cho người đi bộ có kết cấu giống như kết cấu CDV thời hiện đại (hình 1.4)

Hình 1.4 CDV được thiết kế bởi Loscher người Đức năm 1874

Từ ý tưởng ban đầu của Loscher mà các kỹ sư ở châu âu đã có ý tưởng để xây dựng các CDV bằng kết cấu kim loại mà chủ yếu làm tư thép

Năm 1790 một kỹ sư người Pháp tên là Poet đã đề nghị dùng tháp cầu cùng một hệ dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu 3 nhịp (hình 1.5) Thực chất đây không phải là kết cấu CDV hoàn chỉnh vì bản thân các dây văng có sự liên kết theo phương ngang bởi các sợi cáp ngang

Hình 1.5 Mô hình CDV đầu tiên theo đề nghị của Poet

Năm 1817 ở Anh cũng đã tiến hành xây dựng một vài CDV dành cho người đi bộ, trong đó có cầu Dryburgh (hình 1.6), tuy nhiên cầu này đã bị sập sau 6 tháng hoàn thành bởi một trận bão lớn

Hình 1.6 Mô hình CDV 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 1.6), với kết cấu là CDV 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 1.7 Cầu De la Cassagne do Gisclard thực hiện

Nhận xét chung trong giai đoạn này mới chỉ bắt đầu hình thành ý tưởng về CDV, do đó bản thân kết cấu cầu chưa thật hoàn chỉnh còn mang tính kết hợp giữa CDV và cầu treo dây võng, kết cấu cầu dây văng chưa thật rõ ràng

1.1.2 Giai đoạn phát triển hoàn thiện kết cấu CDV (đầu thế kỷ 20 đến nay)

Trong giai đoạn này các nghiên cứu đã thấy được các ưu điểm của CDV so với cầu treo dây võng và hàng loạt sự cố về cầu treo dây võng xảy ra vào cuối thế kỷ

19 nên CDV được quan tâm nghiên cứu phát triển và ứng dụng nhiều hơn Các đặc điểm cơ bản quan trọng nhất được quan tâm nghiên cứu đó là: vật liệu làm dầm chủ và dây văng, chiều dài của các khoang dầm, số mặt phẳng dây, tính kinh tế cũng như mỹ thuật của cầu dây văng

Đối với dây văng khi công nghệ vật liệu thép chưa phát triển thì dây văng chủ yếu làm từ các thanh thép cường độ thấp, do đó để hạn chế độ võng do tĩnh tải và hoạt tải của cầu thời kỳ này thường dùng thép bản để làm dầm chủ, điển hình là cầu Lazardrieux bắc qua sông Trieaux của Pháp năm 1925 (hình 1.8)

Hình 1.8 Cầu Lazardrieux ở Pháp

Khi công nghệ thép cường độ cao ra đời ngay lập tức các nhà nghiên cứu đã sử dụng các bó cường độ cao để làm các dây văng, điều này đã tăng đáng kể khả năng chịu tĩnh tải cũng như hoạt tải của các dây văng, khắc phục đáng kể độ võng cầu trong giai đoạn khai thác Đây là cơ sở để việc nghiên cứu ứng dụng rộng rãi cấu tạo các loại dầm chủ trong cầu dây văng như dầm bằng thép, dầm bằmg bê tông cốt thép, dầm bằng bê tông cốt thép liên hợp (thép chịu kéo và bê tông chịu nén) … Trong những năm 50 đến 70 của thế kỷ 20 hầu hết các cầu ở châu Aâu đều áp dụng kết cấu trên trong việc thiết kế và thi công CDV Cầu đầu tiên được xây dựng theo mô hình trên là cầu Stromsund ở Thụy Điển năm 1955 (hình 1.9) và sau

1969 (Hình 1.12) … Và trong những năm 80 của thế kỷ 20 đến nay hàng rất nhiều CDV hiện đại được xây dựng ở nhiều nước trên thế giới như cầu Ikuchi – Nhật Bản năm 1991 (hình 1.13), cầu Sidney Lanier – Australia năm 1995 (hình 1.14), cầu Normandie – Pháp năm1995 (hình 1.15) …

Hình 1.9 Cầu Stromsund – Thụy Điển

Hình 1.10 Cầu North Bridge – Đức

Hình 1.11 Cầu Rees Bridge – Đức

Hình 1.12 Cầu St Florent – Pháp

Hình 1.13 Ikuchi – Nhật Bản

Hình 1.14 Sidney Lanier – Australia

Những năm trước thập kỷ 70 của thế kỷ 20 công nghệ thi công hẫng hay lắp hẫng còn ở trình độ thấp cũng như căng chỉnh và điều chỉnh nội lực trong dây văng còn hạn chế nên khoang dầm rất lớn (để bố trí ít dây) điển hình là các cầu

lợi của các khoang lớn là gây moment uốn lớn trong dầm, hơn nữa thi công lao lắp trên sông thường rất phức tạp Với sự phát triển của công nghệ thi công hẫng, lắp hẫng cũng như ứng dụng máy tính để tính toán điều chỉnh nội lực thì việc thiết kế và thi công CDV thuận lợi và kinh tế hơn rất nhiều Do vậy CDV có khoang dầm nhỏ trở thành xu hướng chung cho các cầu dây văng hiện đại như cầu Skarnsunet – Nauy năm 1991, cầu Thượng Hải – Trung Quốc năm 1993, Normandie – Pháp năm

1995 (hình 1.15), cầu Tatara – Nhật năm 1999 (hình 1.16)…

Hình 1.15 Cầu Normandie – Pháp

Hình 1.16 Cầu Tatara – Nhật

Trong những năm 60 của thế kỷ 20 một đặc điểm quan trọng trong quá trình phát triển của cầu dây văng là việc lựa chọn số lượng và bố trí các mặt phẳng dây Đặc điểm rất quan trọng của cầu dây văng là số mặt phẳng dây Khi ứng dụng cầu dây văng có khoang dầm nhỏ đã có khuynh hướng dùng một mặt phẳng dây bố trí

ở giữa cầu vừa làm dải phân cách, vừa tạo vẻ đẹp và đặt biệt là góc nhìn ở mọi vị trí đều không bị cắt bởi các dây văng nếu dùng nhiều mặt phẳng dây như các cầu

1.18), Oberkasseler –Đức năm 1967 (hình 1.19)…

Hình 1.17 Leverkusen – Đức

Hình 1.18 Bonn Nord – Đức

Hình 1.19 Duisburg neuenkamp – Đức Tuy nhiên hệ một mặt phẳng dây đòi hỏi dầm phải có khả năng chống xoắn lớn, như thế dầm nên là tiết diện hộp, do đó dẫn đến kích thước dầm quá lớn không kinh tế đặc biệt với cầu có bề rộng lớn Những năm 80 đến cuối thế kỷ 20 thì CDV có hai mặt phẳng dây lấy lại vị thế vốn có của nó, điển hình là cầu Mỹ Thuận năm

2001 (hình 1.20) và cầu Bính năm 2005 (hình 1.21) ở Việt Nam và rất nhiều cầu khác được xây dựng khắp nơi trên thế giới

Hình 1.20 Cầu Mỹ Thuận – Việt Nam

Hình 1.21 Cầu Bính – Việt Nam Ngày nay các đặc tính kết cấu của CDV được nghiên cứu rất kỹ cùng với sự phát triển vuợt bật của công nghệ thi công, công nghệ phần mềm phân tích kết cấu đã làm cho việc thiết kế và thi công CDV trở nên dễ dàng hơn Vậy nên vấn đề của sự phát triển cầu CDV ngày nay cũng như trong tương lai không những là vuợt nhịp lớn mà còn mang tính chất hết sức quan trọng đối với nền văn minh hiện đại là nghiên cứu ứng dụng mỹ thuật học trong cầu dây văng Yếu tố này được hầu hết các nước trên thế quan tâm, ngoài nhiệm vụ thuần túy của một cây cầu nó còn phải góp phần làm nổi bật, tạo điểm nhấn như một bức tranh hoành tráng tại địa điểm

Sevile Tây Ban Nha (hình 1.23), cầu vượt cho người đi bộ trong các thành phố lớn như ở Nhật (hình 1.24), ở Mỹ (1.25)…

Hình 1.22 Cầu Blatislava - Slovak

Hình 1.23 Alamillo – Sevile Tây Ban Nha

Hình 1.24 Cầu đi bộ – Nhật

Hình 1.25 Cầu đi bộ – Mỹ

Ngoài các đặc tính quan trọng trên CDV còn rất nhiều đặt tính khác mà các nhà kỹ sư đã và đang nghiên cứu như hình dạng và chiều cao trụ tháp hợp lý, sơ đồ phân bố dây văng, căng chỉnh nội lực lúc thi công…Có thể nói rằng tính đa dạng của cầu dây văng từ kết cấu, kiến trúc đến tính mỹ thuật đã làm đắm say các nhà khoa học, các kỹ sư, kiến trúc… Họ đã dồn tâm trí, sức lực và tài năng của mình để nghiên cứu nhằm làm cho CDV ngày càng hoàn thiện hơn Và chắc chắn rằng CDV là loại kết cấu cầu của thế kỷ thứ 21, kỷ nguyên của công nghệ và kỷ lục

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG VIỆT NAM

Trước năm 1945 hệ thống cầu đường của chúng ta chủ yếu là do thực dân pháp xây dựng chủ yếu để phục vụ cho việc khai thác khoán sản chở về Pháp, do đó kết cấu cầu chủ yếu là cầu nhịp giản đơn hoặc cầu giàn thép (cả đường bộ lẫn đường sắt) do đó CDV không có cơ hội để hình thành và phát triển

Từ năm 1945 đến 1975 đất nước chúng ta lại trải qua hai cuộc chiến tranh đó là cuộc chiến chống thực dân Pháp tái xâm lược và cuộc chiến vĩ đại của cả dân tộc chống lại đế quốc Mỹ nên hệ thống cầu đường lúc này cũng chủ yếu phục vụ cho chiến tranh Kết cấu cầu trong giai đoạn này chủ yếu là cầu giản đơn nhịp bằng bê tông hoặc bằng thép, ngoài ra còn các loại dàn thép phục vụ nhanh cho quân đội như dàn Beilay và dàn Eiffel Do vậy CDV lại càng không có cơ hội để nghiên cứu ứng dụng và phát triển

Từ năm 1975 đến nay đất nước hòa bình, trong công cuộc xây dựng lại đất nuớc nghành cầu đường mới bắt đầu quan tâm nghiên cứu phát triển CDV Đến năm 1976 Việt Nam đã xây dựng CDV đầu tiên đó là cầu Đakrông thuộc tỉnh Quảng Trị (hình 1.26) Tuy nhiên đó cũng là CDV duy nhất của Việt Nam đến những năm 80 của thế kỷ 20 Trong công cuộc đổi mới toàn diện đất nước, từ những năm 90 của thế kỷ 20 đến nay Việt Nam bắt đầu xây dựng nhiều CDV nhưng chủ yếu là nhờ sự trợ giúp của nước ngoài về thiết kế cũng như công nghệ

thi công như cầu Sông Hàn – Đà Nẵng, cầu Mỹ Thuận – Vĩnh Long, cầu Bính – Hải Phòng, cầu Bãi Cháy – Quảng Ninh (hình 1.27) Và hàng loạt cầu đang trong quá trính thiết kế thi công như cầu Cần Thơ (hình 1.28) cầu Phú Mỹ – TP.HCM (hình 1.29), cầu Nhật Tân (hình 1.30) Đặt biệt trong thời gian gần đây với sự chuyển giao công nghệ thi công cũng như các phần mềm thiết kế của nước ngoài chúng ta dần đã tự thiết kế thi công CDV mà điển hình nhất là cầu Rạch Miễu bắt qua sông Hàm Luông thuộc tỉnh Bến Tre (hình 1.31)

Hình 1.26 Cầu Đakrông - Quảng Trị

Hình 1.27 cầu Bãi Cháy – Quảng Ninh

Hình 1.28 cầu Cần Thơ – Cần Thơ

Hình 1.29 cầu Phú Mỹ – TP.HCM

Hình 1.30 cầu Nhật Tân – Hà Nội

Hình 1.31 cầu Rạch Miễu – Bến Tre

Cùng với xu hướng phát triển CDV của thế giới chắc chắn trong tương lai Việt Nam sẽ nghiên cứu và phát triển nhiều hơn nữa về CDV để tự mình có thể làm chủ công nghệ thiết kế cũng như thi công và quan trọng hơn nữa là bắt kịp trình độ phát triển về giao thông với các nước tiên tiến trên thế giới

CHƯƠNG II GIỚI THIỆU CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG 2.1 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG

Từ khi một thợ mộc người Đức là Loscher cho xây dựng 1 CDV bằng gỗ đầu tiên thì ý tưởng đó đã truyền nguồn cảm hứng cho các kỹ sư, kiến trúc sư và các nhà khoa học say mê nghiên cứu và ngày càng hoàn thiện nó Có thể nói rằng cho đến ngày hôm nay khi khoa học và công nghệ phát triển đến đỉnh cao nhưng CDV vẫn còn rất nhiều đặt tính cần được nghiên cứu sâu hơn nhằm mang hiệu quả kinh tế cao trong xây dựng và an toàn trong khai thác

Tính đa dạng của CDV 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 CDV

2.1.1 Sơ đồ hình thái cầu dây văng

Cũng giống như các loại cầu khác, CDV 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 đặt biệt là giá thành xây dựng cầu Các dạng cầu dây văng thường gặp là CDV 1 nhịp, 2 nhịp và 3 nhịp

2.1.1.1 Cầu dây văng 1 nhịp

Sơ đồ tổng quát của trường hợp này là CDV 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 2.1) Nhược điểm của sơ đồ này là tồn tại lực ngang rất

lớn tác dụng lên mố neo, chính vì vậy mà các mố neo thường rất lớn do đó rất tốn kinh phí xây dựng

Hình 2.1 Mô hình CDV 1 nhịp Để khắc phục nhược điểm trên, chúng ta có thể kéo dài dầm chính và các dây neo có thể neo vào dầm chủ tạo ra hệ liên kết không có các lực ngang (hình 2.2), khi đó dầm chủ vừa chịu moment vừa chịu lực nén dọc

Hình 2.2 CDV 1 nhịp điển hình (Cầu Knie ở Đức)

Sơ đồ này chỉ áp dụng trong điều kiện về địa hình khó khăn như đi qua các thung lũng, các khe suối sâu, hoặc vùng địa chất quá phức tạp không thể xây dựng trụ tháp ở giữa và bắt buộc phải xây dựng trụ tháp ở trên bờ

2.1.1.2 Cầu dây văng 2 nhịp

Sơ đồ tổng quát của trường hợp này là CDV có hai nhịp chính được tựa lên các gối đàn hồi đối xứng nhau qua trụ tháp Ưu điểm của sơ đồ này là không có lực ngang, toàn bộ lực ngang do tĩnh tải và hoặc tải thông qua các dây văng truyền vào dầm chủ và tháp cầu CDV hai nhịp có thể có hai nhịp bằng nhau, trường hợp này

thường áp dụng cho các cầu vượt trên xa lộ (hình 2.3) hoặc có thể hai nhịp không bằng nhau, trường hợp này do điều kiện địa hình địa chất hoặc yếu tố mỹ quan quyết định hình (hình 2.4)

Hình 2.3 CDV hai nhịp trên xa lộ (cầu Ludwigshafen ở Đức)

Hình 2.4 CDV hai nhịp bắc qua địa hình khó khăn (cầu Batman ở Tasmania) Nhược điểm lớn nhất của CDV hai nhịp là khả năng vượt nhịp không lớn, hơn nữa các dây văng bố trí xa trụ tháp khi chịu hoạt tải một nhịp có khả năng chịu nén

Do đó khi căng chỉnh cầu dây văng trong lúc khai thác phải căng trước một lực dự trữ để tránh dây chịu nén xảy ra, như vậy gây khó khăn trong quá trình điều chỉnh lực căng cáp lúc thi công Hoặc để chống lại hoạt tải một nhịp chúng ta phải tăng moment uốn cho dầm chủ, điều này đồng nghĩa với việc tăng kích thước dầm chính, do đó gây lãng phí không có lợi về mặt kinh tế

Nói chung trừ các trường hợp được áp dụng nêu trên thì cầu dây văng hai nhịp không mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật cao

2.1.1.3 Cầu dây văng 3 nhịp

Cầu dây văng 3 nhịp có ưu điểm rất rõ về mặt cơ học là khắc phục được các nhược điểm trên của CDV một nhịp và hai nhịp, các dây văng xa trụ tháp chủ yếu là chịu kéo khi chịu hoặt tải do đó tiết diện dầm được thanh mảnh và tiết kiệm hơn

Đặc điểm quan trọng nữa là khả năng vượt nhịp của nó rất lớn thích hợp cho việc bắt qua các sông lớn Với ưu điểm vượt trội trên nên CDV ba nhịp được xây dựng chủ yếu trên thế giới (hình 2.5)

Hình 2.5 Cầu dây văng ba nhịp điển hình

Với các ưu điểm về cơ học cũng như kinh tế đã được phân tích như trên nên trong phạm vi đề tài học viên chọn CDV ba nhịp để nghiên cứu phân tích

2.1.2 Sơ đồ và sự phân bố dây

Có thể nói rằêng trong kết cấu của CDV 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 sơ đồ phân bố dây cũng ảnh hưởng rất nhiều đến các chỉ tiêu kính tế và kỹ thuật của cầu Trong CDV, thông thường có ba cách bố trí dây văng trên trụ tháp như sau: sơ đồ dây đồng quy, sơ đồ dây song song, sơ đồ dây hình rẽ quạt

2.1.2.1 Sơ đồ dây đồng quy

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 So với các sơ đồ khác, sơ đồ dây đồng quy

do có góc nghiêng của dây văng lớn nên thông qua dây văng tĩnh tải và hoạt tải truyền phần lớn lực nén vào trụ tháp Điều này làm cho hệ kết cấu cầu có độ cứng rất lớn, ổn định khi chịu tải trọng gió và ổn định khí động học Sơ đồ đồng quy được áp dụng rất nhiều cho các CDV trong những năm trước thập niên 70 của thế kỷ 20

khi mà xu hướng làm cầu dây văng với khoang dầm lớn, ít dây như các cầu

Kiep ở Ucraina năm 1963 (hình 2.6)…

Hình 2.6 Cầu Dnepr-Kiep ở Ucraina sơ đồ dây đồng quy Nhược điểm của sơ đồ dây 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 Nói chung hiện nay

sơ đồ dây đồng quy ít được ứng dụng trong cầu dây văng

2.1.2.2 Sơ đồ dây song song

Sơ đồ 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 2.7) Ưu điểm của sơ đồ dây này là tại 1 điểm trên trụ tháp chỉ có nhiều nhất là 2 neo của dây văng do đó việc cấu tạo neo cáp tương đối đơn giản Ưu điểm lớn nhất của sơ đồ dây này là tính mỹ quan cao,

do các dây song song nên góc nhìn tại mọi vị trí đều không bị che khuất giống như các sơ đồ dây khác Vì vậy, nước Đức đã ứng dụng phát triển rất sớm bằng việc

Rees Bridge năm 1967, cầu Knie năm 1969 (hình 2.2) các cầu này đều bắt qua sông Rhin, do đó mà quang cảnh thành phố hai bên bờ sông được thông thoáng hơn và đẹp hơn Sơ đồ dây này cũng được ứng dụng xây dựng khắp nơi ở Châu Aâu, Mỹ… Do góc dây nhỏ nên lực nén của tĩnh tải và hoạt tải truyền vào trụ tháp nhỏ hơn, làm cho độ cứng của hệ kết cấu giảm Hơn nữa các dây bố trí trên trụ với khoảng cách khá lớn làm cho trụ tháp vừa chịu nén dọc vừa chịu uốn làm giảm khả năng chịu lực cũng như độ ổn định của trụ tháp

Hình 2.6 Cầu Sverdrup ở Mỹ sơ đồ dây song song

2.1.2.3 Sơ đồ dây hình rẽ quạt

Sơ đồ dây hình rẽ quạt là trung gian của sơ đồ dây đồng quy và sơ đồ dây song song, nó khắc phục các nhược điểm cơ bản của cả hai sơ đồ dây trên Đặc điểm cơ bản của sơ đồ này là các dây văng bố trí trên trụ tháp với khoảng cách hợp lý và chiều dài khoang dầm được chọn tuỳ thuộc vào người thiết kế Nói chung sơ đồ này thích hợp cho CDV nhịp lớn, khoang dầm nhỏ phù hợp với công nghệ thi công hẫng hiện nay, bằng chứng là hàng loạt CDV trên thế giới được xây dựng gần đây đều áp dụng sơ đồ dây hình rẽ quạt như cầu cầu Thượng Hải – Trung Quốc, Normandie – Pháp, cầu Tatara – Nhật năm 1999, cầu Mỹ Thuận – Việt Nam, cầu Dames Point – Mỹ (hình 2.7)… Khoảng cách giữa các điểm neo dây văng trên trụ tháp nhỏ làm giảm đáng kể moment uốn trong trụ tháp

Hình 2.7 Cầu Dames Point ở Mỹ sơ đồ dây rẽ quạt

Sơ đồ này có nhiều dây khoang nhỏ nên có nhược điểm cơ bản là các khoang dầm gần mố của nhịp biên chịu moment uốn rất lớn do tại vị trí này độ

cứng theo phương thẳng đứng của dây văng khá nhỏ (dây dài mà góc nghiêng nhỏ), để khắc phục nhược điểm này đối với các cầu có nhịp chính dài cần xây dựng themâ các trụ neo phụ (có thể bố trí tại các nút dây) nhằm tạo được sự hài hoà moment trong dầm chính, điều này đã được ứng ựng trong các cầu như cầu Thượng Hải, cầu Normandie, cầu Tatara…

Với những ưu điểm đã phân tích như trên, do đó trong phạm vi đề tài học viên chọn sơ đồ phân bố dây hình rẽ quạt để áp dụng nghiên cứu và phân tích

2.1.3 Số mặt phẳng dây

Số lượng mặt phẳng dây phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang khổ cầu

Thông thường cầu có bề rộng khổ cầu nhỏ hơn 7m (cầu dành cho người đi bộ) chọn một mặt phẳng dây, khổ cầu từ 7m đến 20m thường chọn hai mặt phẳng dây Ngày nay do năng lực vận chuyển lớn nên CDV thường có bề rộng 20m trở lên, lúc này có thể chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây Tuy nhiên nếu khổ cầu lớn quá nếu bố trí nhiều mặt phẳng dây thường không kinh tế (k cấu rất đồ sộ), trong trường hợp này có thể làm hai cầu riêng biệt mỗi cầu hai mặt phẳng dây

2.1.3.1 Cầu dây văng một 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 Do vậy các CDV một mặt phẳng dây không kinh tế, thường được chọn khi yếu tố mỹ quan công trình được đề cao CDV một mặt phẳng dây được xây dựng nhiều vào những năm 60 của thế kỷ

River ở Anh (hình 2.8), cầu papinneau ở Canada (hình 2.9)…

Hình 2.8 Cầu Wye River ở Anh với sơ đồ một mặt phẳng dây

Hình 2.9 Cầu Papinneau ở Canada với sơ đồ một mặt phẳng dây

2.1.3.2 Cầu dây văng hai mặt phẳng dây

CDV 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 Cầu dây văng hai mặt phẳng dây được xây dựng nhiều từ thập niên 80 của thế kỷ 20 đến nay như cầu Normandie, cầu Tatara, cầu Mỹ Thuận , cầu Bính … và rất nhiều cầu khác được xây dựng trên khắp thế giới

Với các ưu điểm trên trong phạm vi đề tài học viên chọn CDV với kết cấu hai mặt phẳng dây để phân tích và nghiên cứu

2.1.4 Cấu tạo dầm chủ

Trong cầu dây văng tồn tại hai loại tiết diện dầm chủ với nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau Loại thứ nhất là các dầm chủ có tiết diện bất kỳ, đặt tại các mặt phẳng dây, chịu lực nén như biên chịu nén của dàn, gọi là dầm chủ đơn năng Loại thứ hai là các dầm chủ có tiết diện dạng khối, một bản đặc, hoặc có cấu tạo dạng hộp bằng bê tông cốt thép hoặc bắng các tấm thép được gia cường bằng các sườn dọc, ngang Các dầm này được gọi là dầm chủ đa năng

2.1.4.1 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

Ưu điểm cơ bản của dầm chủ đơn năng là dầm chủ dễ dàng tiếp nhận toàn bộ lực nén do dây văng truyền vào Nếu dầm chủ cấu tạo bằng thép (tiết diện chữ I) thì để tăng cường khả năng chịu nén của dầm cũng như giảm tiết diện dầm có thể

Thượng Hải… Dầm chủ đơn năng còn có tiết diện bằng dàn thép (kết hợp giữa ô tô chạy trên và tàu lửa chạy dưới) như cầu Kobe ở nhật (hình 2.11), cầu Sverdrup ở Mỹ ( hình 2.12)…

Nhược điểm cơ bản là tiết diện dầm thường rất lớn (do các bộ phận trong hệ dầm làm việc độc lập nhau) không kinh tế, hơn nữa cấu tạo dầm chủ đơn năng thi công rất khó khăn và tốn rất nhiều thời gian, điều này không thích hợp với xu

hướng phát triển của xã hội Do vậy cấu tạo dầm chủ đơn năng hiện nay ít được áp dụng để xây dựng CDV

Hình 2.10 Cầu Thượng Hải với kết cấu đơn năng thép bê tông liên hợp

Hình 2.11 Cầu Kobe ở Nhật với kết cấu đơn năng dàn thép

Hình 2.11 Sverdrup ở Mỹ với kết cấu đơn năng dàn thép

2.1.4.2 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

Ưu điểm của dầm chủ đa năng là có khả năng chịu lực cục bộ và tổng thể, chịu uốn và chịu xoắn tốt, tiết diện dầm nhỏ hơn và thi công thuận lợi hơn (áp dụng công nghệ thi công hẫng) Có thể thấy dầm chủ đa năng có ưu điểm vuợt trội so với dầm chủ đơn năng nên được ứng dụng rất rộng rãi trong việc xây dựng cầu dây văng như cầu Kiền, cầu Bãi Cháy, cầu Cần Thơ, cầu Tatara (hình 2.12), cầu Ikuchi (hình 2.13)…

Hình 2.12 Cầu Tatara ở Nhật với kết cấu dầm hộp đa năng

Hình 2.13 Cầu Ikuchi ở Nhật với kết cấu dầm hộp đa năng

Với các ưu điểm như trên trong phạm vi đề tài, học viên chọn dầm chủ có dạng hộp đa năng bằng bê tông cốt thép để phân tích và nghiên cứu

2.1.5 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 Tùy theo kích thước, tính chất liên kết của tháp với trụ hoặc móng cầu theo chiều dọc, có thể phân biệt thành hai loại tháp mềm và tháp cứng

Tháp mềm là tháp có độ cứng theo phương dọc cầu nhỏ, độ cứng nhỏ do đó khả năng chịu uốn kém hoặc khi tháp cầu có liên kết khớp với trụ hoặc móng thì cũng được coi là tháp mềm không phụ thuộc vào tiết diện 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 Thường thì các trụ tháp liên kết dạng khớp với trụ (thông qua các gối dưới dầm) được áp dụng nhiều trong cầu dây văng một mặt phẳng dây như các cầu leverkusen cầu Papinneau, cầu Julicher street ở Đức (hình 2.14)…, các tháp liên kết ngàm với trụ thường được áp dụng ở các cầu có hai mặt phẳng dây như các cầu Normandie, cầu Tatara, cầu Mỹ Thuận, cầu Bính…

Hình 2.14 Cầu Julicher street ở Đức với tháp liên kết khớp với trụ

Tháp cứng là tháp có độ cứng theo phương dọc cầu lớn để hạn chế chuyển vị ngang của đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng Do đó tháp phải liên kết cứng với trụ hoặc hệ móng Tháp cứng chịu tải như một thanh có một đầu ngàm, một đầu tự do chịu nén uốn Tháp cứng có tác dụng tăng độ cứng theo phương dọc và giảm moment uốn trong dầm nên thường áp dụng trong CDV ít dây nhiều nhịp, dây văng bằng bê tông cốt thép dự ứng lực, điển hình như các cầu Maracaibo ở Venezuela (hình 2.15), cầu Polcevera Creek ở Italya (hình 2.16)

Hình 2.15 Cầu Maracaibo ở Venezuela với kết cấu tháp cứng ï

Hình 2.16 Cầu Polcevera Creek ở Italya với kết cấu tháp cứng

2.1.5.1 Hình dạng của tháp cầu

Đối với tháp mềm thường có dạng đơn giản là hai cột thẳng đứng tạo thành một khung hở ngàm vào thân trụ hoặc 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 cầu làm việc như thanh có một đầu ngàm, một đầu tựa lên gối đàn hồi (hình 2.17a, 2.17b) Để tăng cường độ cứng của tháp theo phương dọc cầu thường cấu tạo thêm một hoặc hai thanh giằng ngang tạo thành một khung cứng ổn định hơn (hình 2.17c, 2.17d)

Hình 2.17 Hình dạng tháp cầu (tháp mềm)

Để tăng cường tính mỹ quan cho công trình, người ta thường cấu tạo các dây văng nằm trong một mặt phẳng thẳng đứng thì trên mặt cắt ngang tháp cầu có thể có mặt cắt dạng hình thang, hoặc có dạng chữ nhật ở phía trên (vị trí dây neo) phía dưới mở rộng chân tháp tạo thành hình thang đủ rộng để dầm chạy trong lòng tháp (hình 2.18a, 2.18b) Để tăng cường khả năng chịu lực ngang của dây văng (gió lắc ngang), trên mặt cắt ngang tháp có thể có dạng chữ A hoặc chữ Y ngược (hình 2.18c, 2.18d)

Hình 2.18 Tháp cầu dạng hình thang và dạng chữ A, Y ngược (tháp mềm)