Phân tích ảnh hưởng trụ phụ đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu dây văng

Một trong số các yếu tố đó là việc bố trí các trụ phụ trụ neo phụ ở nhịp biên của cầu dây văng, trụ neo phụ có tác dụng: - Giảm moment uốn trong các khoang gần trụ neo - Giảm moment uốn

BÙI TRƯƠNG NGUYÊN

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TRỤ PHỤ ĐẾN PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG

CẦU DÂY VĂNG

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU, HẦM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2009  

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

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Đặng Đăng Tùng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : BÙI TRƯƠNG NGUYÊN Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 07/05/1982 Nơi sinh :Quảng Nam Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm

1- TÊN ĐỀ TÀI: “Phân tích ảnh hưởng trụ phụ đến phân bố nội lực và biến

dạng trong cầu dây văng”

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Thông qua phân tích các sơ đồ cầu, tìm ra được sự ảnh hưởng của vị trí trụ phụ với nội lực và biến dạng trong cầu dây văng, đồng thời qua đó xác định được vị

trí hợp lý của trụ phụ sao cho nội lực và biến dạng trong cầu là nhỏ nhất

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

KHOA QL CHUYÊN NGÀNH

LỜI CẢM ƠN

Trong khoảng thời gian học tập và nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, tuy thời gian rất ngắn nhưng tôi đã được các thầy cô giảng dạy truyền đạt rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm bổ ích về chuyên môn cũng như các kiến thức xã hội, chính những điều này đã giúp ích rất lớn cho bản thân tôi trong công việc, học tập

Nay đã hết khóa học và bản thân tôi đang thực hiện luận văn tốt nghiệp Cao học, tôi xin chân thành cảm ơn tất cả quý thầy cô trong khoa Kỹ thuật Xây dựng, bộ môn Cầu Đường, đặc biệt là TS Đặng Đăng Tùng, giáo viên hướng dẫn thực hiện luận văn và TS Phùng Mạnh Tiến, đã tận tình hướng dẫn cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp

Qua đây tôi cũng xin cảm ơn gia đình, tất cả bạn bè, đồng nghiệp và cơ quan công tác đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Học viên thực hiện

Bùi Trương Nguyên

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của xã hội, ngành giao thông vận tải cũng phát triển mạnh mẽ Do đó, hiện nay hàng loạt các công trình cầu đường đã được xây dựng Để liên tục hóa các tuyến đường qua các thung lũng lớn, hay qua biển, sông hồ, … đòi hỏi phải xây dựng các cầu có khẩu độ lớn, nhịp cầu có thể dài đến hàng trăm mét, thậm chí vài kilomet Tuy nhiên, để xây dựng được các cầu có chiều dài nhịp lớn như vậy, hiện nay cầu treo là thích hợp nhất Với cầu treo dây võng, mặc dù có thể vượt được các nhịp rất lớn, nhưng khối lượng cầu rất đồ

sộ, đặc biệt tháp cầu và mố neo có cấu tạo phức tạp, giá thành công trình rất lớn Trong khi đó cầu treo dây văng cũng có thể vượt được các nhịp lớn (có thể

>1000m), nhưng khối lượng và giá thành thấp hơn cầu treo dây võng, do đó hiện nay trên thế giới cầu dây văng đã được phát triển rất mạnh mẽ

Vấn đề cần quan tâm đối với cầu dây văng là làm cách nào để tối ưu kích thước của các bộ phận cấu tạo cầu (dầm chính, trụ tháp, dây văng ) mà cầu vẫn đảm bảo khả năng chịu lực của cầu Hiện nay cũng đã có một số đề tài nghiên cứu các vấn đề trên như:

- Nghiên cứu ảnh hưởng trụ tháp và chiều dài khoang dầm đến nội lực cầu dây văng

- Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng dầm đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng 2 mặt phẳng dây

- Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng 3 nhịp 1 mặt phẳng dây

Ngoài ra, còn có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng Một trong số các yếu tố đó là việc bố trí các trụ phụ (trụ neo phụ) ở nhịp biên của cầu dây văng, trụ neo phụ có tác dụng:

- Giảm moment uốn trong các khoang gần trụ neo

- Giảm moment uốn và độ võng của cầu

- Giảm lực nén (dây bị chùng) trong dây

- Có khả năng chịu được phản lực âm ở nhịp biên

- Tăng thêm độ cứng của hệ

- Thi công cầu sẽ thuận lợi hơn

Việc bố trí trụ neo phụ có nhiều cách, có thể bố trí 1 hay nhiều trụ neo phụ cho nhịp biên cầu, tuy nhiên số lượng trụ sẽ ảnh hưởng đến bài toán kinh tế của cầu

Chính những vai trò quan trọng trên của trụ phụ, bản thân tôi đã chọn đề tài

cho luận văn là “phân tích ảnh hưởng của trụ phụ đến sự phân bố nội lực và

biến dạng trong cầu dây văng” Nội dung chính của luận văn bao gồm các vấn đề

- Cơ sở lý thuyết tính toán cầu dây văng: nêu lên các phương pháp phổ biến đã và đang được áp dụng để tính toán như phương pháp lực, phương pháp chuyển vị, phương pháp phần tử hữu hạn

- Phân tích ảnh hưởng của trụ phụ đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu dây văng: do hạn chế về thời gian thực hiện đề tài, do đó chỉ tập trung nghiên cứu các đối tượng sau:

• Cầu dây văng 2 mặt phẳng dây

• Sơ đồ dây hình rẽ quạt

• Dầm hộp bêtông cốt thép dự ứng lực

• Trụ tháp hình chữ H

• Các sơ đồ tiến hành phân tích: 174m + 400m + 174m, 196m + 450m + 196m, 217m + 500m + 217m

• Nhịp biên có 1 trụ phụ, di chuyển vị trí trụ phụ trong phạm vi (0

~ 1/2 nhịp biên) và xét ảnh hưởng vị trí của nó đối với sự phân

bố nội lực và biến dạng trong cầu

• Nội lực tiến hành phân tích trong nội dung đề tài chủ yếu là lực dọc Fx trong dầm chủ, moment uốn My dầm chủ, moment xoắn

Mx dầm chủ, moment xoắn Mx trụ tháp, moment uốn My, Mz trụ tháp, lực căng dây văng, chuyển vị Dz dầm chủ

- Kết luận và kiến nghị: từ kết quả phân tích các sơ đồ cầu rút ra được các nhận xét và kết luận, đồng thời kiến nghị một số vấn đề mà luận văn chưa thể hiện được và hướng nghiên cứu sắp tới

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG 10 

1.1.  LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI: 10 

1.2.  LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM: 19 

CHƯƠNG II: CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG 23 

2.1.  SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU DÂY VĂNG: 23 

2.1.1.  Cầu dây văng 1 nhịp: 23 

2.1.2.  Cầu dây văng 2 nhịp: 24 

2.2.3.  Cầu dây văng 3 nhịp: 25 

2.2.4.  Cầu dây văng nhiều nhịp: 25 

2.2.  SƠ ĐỒ VÀ SỰ PHÂN BỐ DÂY: 25 

2.2.1.  Sơ đồ dây đồng quy: 25 

2.2.2.  Sơ đồ dây song song: 26 

2.2.3.  Sơ đồ dây hình rẽ quạt: 27 

2.3.  SỐ MẶT PHẲNG DÂY: 28 

2.4.  SỐ LƯỢNG DÂY, CHIỀU DÀI KHOANG VÀ CHIỀU DÀI NHỊP: 28 

2.4.1.  Dây ít – khoang lớn: 29 

2.4.2.  Dây nhiều – khoang nhỏ: 29 

2.5.  HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU DÂY VĂNG: 29 

2.5.1.  Hệ tự neo: 29 

2.5.3.  Dầm chủ liên tục qua trụ neo: 30 

2.6.  CẤU TẠO CẦU DÂY VĂNG: 30 

2.6.1.  Dầm chủ: 30 

2.6.2.  Tháp cầu: 32 

2.6.3.  Dây văng: 35 

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG 36 

3.1.  PHƯƠNG PHÁP LỰC: 36 

3.2.  PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN VỊ: 37 

3.3.  PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN: 38 

CHƯƠNG IV: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TRỤ PHỤ ĐẾN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU DÂY VĂNG 42 

4.1.  CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU: 42 

4.1.1.  Phạm vi nghiên cứu: 42 

4.1.2.  Thông số hình học của cầu: 43

4.1.3 Thông số vật liệu, mô hình hóa và tải trọng phân tích: 53

4.2.  CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN: 52 

4.2.1.  SƠ ĐỒ CẦU 174m + 400m + 174m: 52 

4.2.1.1.  Lực dọc dầm Fx: 52 

4.2.1.2.  Moment xoắn dầm chủ Mx: 60 

4.2.1.3.  Moment uốn dầm chủ My : 63 

4.2.1.4.  Moment xoắn trụ tháp: 77 

4.2.1.5.  Moment uốn trụ tháp My: 80 

4.2.1.6.  Moment uốn trụ tháp Mz: 82 

4.2.1.7.  Lực căng dây văng: 85 

4.2.1.8.  Chuyển vị dầm: 89 

Ö  Kết luận sơ đồ cầu 174m + 400m + 174m: 94 

4.2.2.  SƠ ĐỒ CẦU 196m + 450m + 196m: 98 

4.2.2.1.  Moment uốn dầm chủ My : 98 

4.2.2.2.  Moment uốn trụ tháp Mz: 110 

4.2.2.3.  Lực căng dây văng: 112 

4.2.2.4.  Chuyển vị dầm: 115 

Ö  Kết luận sơ đồ cầu 196m + 450m + 196m: 120 

4.2.3.  SƠ ĐỒ CẦU 217m + 500m + 217m: 124 

4.2.3.1.  Moment uốn dầm chủ My : 124 

4.2.3.2.  Moment uốn trụ tháp Mz: 135 

4.2.3.3.  Lực căng dây văng: 138 

4.2.3.4.  Chuyển vị dầm: 141 

Ö  Kết luận sơ đồ cầu 217m + 500m + 217m: 146 

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 149 

5.1.  KẾT LUẬN: 149 

5.2.  KIẾN NGHỊ: 151 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 153 

TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC 154 

ác vực sâu

Cầu dây v

CHƯƠ UAN VỀ C

ụng và phábiến hình g

văng xây d

ƠNG I:

CẦU DÂ

át triển trêngồm các d

cứng lớn Hhính vì vậyượt được nh

ầu dây văng

G TRÊN TH

ết cấu này dụng để xâđịa hình ng

khe suối sâu

G

oàn thiện hhịu kéo và

Hệ làm việ

y mô menthịp rất lớn

g được sử

HẾ GIỚI:

đặc biệt đư

ây dựng cáguy hiểm

u ở Lào

hệ dàn dâydầm cứng

thiết kế bở

gười Đức lcấu giống n

ua sông Se

dựng một hai

ởi Faustus

à Loscher như kết cấu

nêxia

ên ở Italia

ăm 1617

dựng 1 cầuhiện đại

a

u

sư người P

t cầu của m

h cầu dây v

tiến hành xDryburgh, t

ầu dây văn

ế bởi Losch

các kỹ sư ởoại mà chủ Pháp tên là một cầu 3 nh

văng theo đ

xây dựng mtuy nhiên c

ng dành cho

her người

ở châu Âu đyếu làm tưPoet đã đềhịp

đề nghị của

một vài cầucầu này đã

Năm 1851 một kỹ sư người Pháp tên là Gisclard đã thiết kế xây dựng cầu Dela Cassagne, cầu bao gồm các dây văng liên hợp với hệ dàn dây của Gisclard Các dây neo được neo vào nền đá, dưới trọng lượng bản thân dây văng bị võng do đó phải dùng một dây phụ dạng parabol để treo các dây văng, tạo cho dây giữ được độ thẳng

Hình 1.7 Cầu De la Cassagne do Gisclard thực hiện

Cùng với sự phát triển về công nghệ vật liệu, công nghệ thi công, cầu dây văng

đã phát triển rất rộng rãi trên thế giới 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 Đến khi công nghệ thép cường độ cao ra đời, ngưới ta 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 Sau đây là một số cầu đầu tiên sử dụng công nghệ này:

Hình 1.8 Cầu Stromsund – Thụy Điển

Hình 1.9 Cầu North – Đức

Hình 1.10 Cầu Rees – Đức

Cùng với sự phát triển của công nghệ thi công đúc hẫng, lắp hẫng cũng như ứng dụng máy tính để tính toán điều chỉnh nội lực thì việc thiết kế và thi công thuận lợi và kinh tế hơn rất nhiều Sau đây là một số hình ảnh cầu dây văng ứng dụng các công nghệ trên:

Hình 1.11 Cầu Ramaix – Thái Lan

Hình 1.12 Cầu Arthur Ravene – Mỹ

Hình 1.13 Cầu Millau – Pháp

Hình 1.14 Cầu Yokohama Bay – Nhật Bản

Hình 1.15 Cầu Rama VIII - Thái Lan

Hình 1.16 Cầu Sutong – Trung Quốc

Hình 1.17 Cầu Mubarak Peace – Ai Cập

Hình 1.18 Cầu Normandie – Pháp

1.2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM:

Cầu dây văng đầu tiên được xây dựng ở Việt Nam là cầu Đakrông thuộc tỉnh Quảng Trị 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 cầu dây văng như cầu Sông Hàn –

Đà Nẵng, cầu Mỹ Thuận – Vĩnh Long, cầu Bính – Hải Phòng, cầu Bãi Cháy – Quảng Ninh, cầu Cần Thơ, cầu Phú Mỹ – TP.HCM, cầu Rạch Miễu – Bến Tre Sau đây là một số hình ảnh về cầu dây văng ở nước ta:

Hình 1.19 Cầu Đakrông - Quảng Trị

Hình 1.20 Cầu Bãi Cháy – Quảng Ninh

Hình 1.21 Cầu Cần Thơ – Cần Thơ

Hình 1.22 Phối cảnh cầu Phú Mỹ – TP.HCM

Hình 1.23 Phối cảnh cầu Nhật Tân – Hà Nội

Hình 1.24 Cầu Rạch Miễu – Bến Tre

Cùng với sự phát triển của xã hội, các công nghệ xây dựng tiên tiến, cầu dây văng nước ta sẽ ngày càng phát triển, hiện nay cũng đang có một số dự án lớn về cầu dây văng: cầu Vàm Cống – Đồng Tháp, cầu Trần Thị Lý – Đà Nẵng

2.1.1 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 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 Sơ đồ cầu dây văng 1 nhịp

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

Để khắc phục nhược điểm trên, có thể kéo dài dầm chính tạo thêm 2 nhịp biên, đồng thời liên kết dây neo và dầm chủ, tạo thành hệ không có lực đẩy ngang Khi đó từ hệ 1 nhịp biến thành hệ 3 nhịp, gồm 1 nhịp chính và 2 nhịp biên ngắn, dầm chủ bố trí liên tục, vừa chịu uốn vừa chịu lực dọc

2.1.2 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 Ưu điểm của sơ đồ này là không

có lực ngang, toàn bộ lực ngang do tĩnh tải và hoạt tải thông qua các dây văng truyền vào dầm chủ và tháp cầu

Cầu dây văng hai nhịp có thể có hai nhịp bằng nhau, hoặc có thể hai nhịp không bằng nhau, trường hợp này do điều kiện địa hình địa chất hoặc do yếu tố mỹ quan

Hình 2.2 Cầu Ludwigshafen ở Đức

Hình 2.3 Cầu Batman ở Tasmania

Nhược điểm lớn nhất của cầu dây văng 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

2.2.3 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 cầu dây văng một nhịp và hai nhịp, các dây văng xa trụ tháp chủ yếu là chịu kéo khi chịu hoạt tải, do đó tiết diện dầm thanh mảnh và tiết kiệm hơn Đặc điểm quan trọng nữa là khả năng vượt nhịp của nó rất lớn thích hợp cho việc bắc qua các sông lớn Với ưu điểm vượt trội trên nên cầu dây văng ba nhịp được xây dựng rất nhiều trên thế giới

Hình 2.4 Cầu dây văng ba nhịp điển hình

2.2.4 Cầu dây văng nhiều nhịp:

Cầu dây văng có thể đạt được các nhịp rất lớn (100-1000m), nhưng thông thường chỉ dùng đến hệ 3 nhịp để vượt các nhịp chính, phần còn lại có thể dùng các nhịp dẫn Tuy nhiên cũng có thể dùng cầu nhiều nhịp dây văng đối với các cầu bắc qua biển, nối từ đảo này sang đảo khác

Tóm lại, cầu dây văng có thể dùng 1, 2, 3, hay nhiều nhịp hơn, trong đó hệ 3 nhịp là được dùng nhiều nhất và có được nhiều ưu điểm nhất

2.2 SƠ ĐỒ VÀ SỰ PHÂN BỐ DÂY:

Sơ đồ dây là yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu dây văng 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

2.2.1 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 dây đồng quy được dùng phổ biến và hiệu quả cho các cầu có dây ít, khoang lớn

Hình 2.5 Cầu dây văng có sơ đồ dây đồng quy

2.2.2 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 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, đồng thời sơ đồ dây này có 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

Tuy nhiên sơ đồ này có nhược điểm như sau: do góc dây là giống nhau, và là góc nghiêng nhỏ, nên làm giảm độ cứng của các nút neo dây và dầm 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 dây văng có sơ đồ dây song song

2.2.3 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 thiết kế Nói chung sơ đồ này thích hợp cho cầu dây văng nhịp lớn, khoang dầm nhỏ phù hợp với công nghệ thi công hẫng hiện nay

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, góc nghiêng nhỏ), để khắc phục nhược điểm này đối với các cầu có nhịp chính dài cần xây dựng thêm các trụ neo phụ (có thể bố trí tại các nút dây) nhằm tạo được sự hài hoà moment trong dầm chính

Hình 2.7 Cầu dây văng có sơ đồ dây rẽ quạt

2.3 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 chọn một mặt phẳng dây, khổ cầu từ 7m -20m thường chọn hai mặt phẳng dây Đối với các cầu có bề rộng lớn có thể chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây

2.4 SỐ LƯỢNG DÂY, CHIỀU DÀI KHOANG VÀ CHIỀU DÀI NHỊP:

Một trong những đặc điểm về tính đa dạng của cầu dây văng là số lượng dây

và chiều dài các khoang dầm Các dây văng neo vào dầm chủ chia dầm thành nhiều khoang, khi số lượng dây tăng thì chiều dài khoang giảm và mô men uốn cục bộ trong khoang cũng giảm Khoang dầm nhỏ, số lượng dây nhiều thì cấu tạo neo sẽ đơn giản, công nghệ lắp đặt dầm chủ đơn giản, tuy nhiên việc điều chỉnh nội lực trong dây văng trở nên phức tạp hơn Hiện nay đang tồn tại hai dạng: dây ít – khoang lớn và dây nhiều – khoang nhỏ

2.4.1 Dây ít – khoang lớn:

Dây được coi là ít nếu số dây 1 bên trụ tháp khoảng 1 đến 4 dây và chiều dài khoang dầm khoảng 15m đến 80m, khi đó chiều dài nhịp chính khoảng 100m đến 350m Hệ này có đặc điểm như sau:

- Moment uốn cục bộ trong khoang dầm lớn, dầm làm việc như dầm kê lên các gối đàn hồi và gối cứng

- Công nghệ thi công dầm phức tạp do các đốt dầm quá lớn

- Việc điều chỉnh nội lực trong dây văng đơn giản hơn

2.4.2 Dây nhiều – khoang nhỏ:

Với sơ đồ cầu dây nhiều – khoang nhỏ thì moment uốn cục bộ trong khoang dầm nhỏ, chiều dài khoang phù hợp với công nghệ thi công và cấu tạo neo dây cũng đơn giản hơn Ngoài ra với sơ đồ này thì độ an toàn của công trình cũng được nâng cao, đặc biệt là khi sửa chữa thay thế dây văng Tuy nhiên vì số lượng dây nhiều nên quá trình điều chỉnh nội lực trong dây văng trở nên phức tạp

Các khoang dầm thông thường được chọn phụ thuộc vào các công nghệ thi công, chiều dài khoang dầm trong cầu dây văng hiện đại:

tự ứng suất trước

2.5.2 Trụ neo phụ:

Trong các cầu dây văng nhịp lớn, dây dày, khoang nhỏ, moment uốn và độ võng của dầm chủ phụ thuộc vào độ cứng của dầm và dây Để tăng độ cứng của dầm ta có thể bố trí thêm một số trụ neo phụ ở nhịp biên Tác dụng của trụ neo phụ như sau:

- Giảm moment uốn trong các khoang gần trụ neo

- Giảm moment uốn và độ võng của cầu

- Giảm lực nén (dây bị chùng) trong dây

- Có khả năng chịu được phản lực âm ở nhịp biên

- Tăng thêm độ cứng của hệ

- Thi công cầu sẽ thuận lợi hơn

Việc bố trí trụ neo phụ có nhiều cách, có thể bố trí 1 hay nhiều trụ neo phụ cho nhịp biên cầu, tuy nhiên số lượng trụ sẽ ảnh hưởng đến bài toán kinh tế của cầu

2.5.3 Dầm chủ liên tục qua trụ neo:

Trong cầu dây văng, thông thường dầm chủ nhịp biên kết thúc tại mố cầu, khi đó mố chịu lực nhổ do tĩnh tải và hoạt tải trên nhịp chính, để chịu lực nhổ, gối neo trên mố phải có cấu tạo đặc biệt chịu được cả phản lực âm và dương Triệt tiêu

do tĩnh tải có thể thực hiện bằng cách kéo dài nhịp biên thành nhịp phụ sau mố Nếu nhịp phụ kê tự do trên mố cầu thì chỉ có tác dụng giảm phản lực âm, nếu dầm liên tục qua mố thì có tác dụng làm giảm moment uốn dương trong dầm chủ tại khu vực gần mố cầu (nơi trị số moment do hoạt tải thường lớn hơn so với các khu vực khác) Cũng có thể giảm phản lực âm trên gối bằng cách chất đối trọng trong phạm vi khoang dầm chủ gần mố cầu

2.6 CẤU TẠO CẦU DÂY VĂNG:

2.6.1 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

Với dầm chủ đơn năng, 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 Phần lớn các dầm chủ đơn năng được dùng cho các cầu có nhiều mặt phẳng dây, tuy nhiên ưu điểm của hệ dầm này là khối dầm

có chiều rộng không lớn, lại bố trí ngay trong mặt phẳng dây nên dễ dàng tiếp nhận toàn bộ lực nén dọc do dây văng truyền vào

Dầm chủ đa năng 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 đồng thời việc 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

Hình 2.8 Cầu Thượng Hải với kết cấu dầm đơn năng thép bê tông liên hợp

i loại tháp háp có độ c

ém hoặc kh

p mềm khô

m việc nhưiên kết khớ

hi tháp cầuông phụ th

phương dọ

u có liên khuộc vào ti

nh có đầu t

u dầm hộp

chất quyết háp cầu chị

ền tải trọng

ặc móng cầ

ọc cầu nhỏkết khớp vớiết diện Ntrên liên kế

ết khớp vớ

chỉ tiêu kỹtĩnh tải và

ất nền Tùyiều dọc, có

Hình 2.10 Cầu Julicher street ở Đức với tháp liên kết khớp với trụ

Hình 2.11 Hình dạng tháp cầu mềm

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 cầu có hình dạng chữ A, chữ Y, chữ Y ngược, chữ H…

Hình 2.12 Cầu Polcevera Creek ở Italya với kết cấu tháp cứng

Hình 2.19 Tháp cầu dạng hình thang và dạng chữ A, Y ngược

Hình 2.19a Tháp cầu dạng chữ Y ngược (Cầu Rion-Antirion)

Vật liệu làm tháp có thể là thép hoặc bê tông cốt thép Tháp cầu thường chịu nén nên bê tông cốt thép được sử dụng nhiều để làm trụ tháp bởi các ưu điểm là thích hợp với tính chất chịu lực của vật liệu, dễ tạo dáng, dễ thay đổi kích thước tiết diện, thi công đơn giản bằng ván khuôn trượt hoặc ván khuôn lắp ghép, tuổi thọ cao

và ít tốn công duy du bảo dưỡng

2.6.3 Dây văng:

Dây văng là một trong những bộ phận rất quan trọng của hệ kết cấu, dây văng tiếp nhận tải trọng tĩnh tải và hoạt tải từ dầm chủ sau đó phân bố lại lực xuống trụ tháp, tạo nên lực dọc trong dầm chủ, chính tính chất làm việc của các dây văng làm cho hệ kết cấu cầu dây văng làm việc rất khác biệt so với các dạng kết cấu của các cầu còn lại Hơn nữa cầu dây văng có thể vượt nhịp rất lớn do đó dây văng rất dài, được căng và neo vào hai điểm cố định, dưới trọng lượng bản thân dây văng thường bị võng, khi chịu hoạt tải độ võng của dây giảm, dây duỗi thẳng gây thêm biến dạng phụ Để hạn chế ảnh hưởng trên, dây văng thường được chế tạo từ các sợi thép cường độ cao như các sợi thép đơn đặt song song hay là các bó cáp

Cáp có thể là tập hợp của một số sợi thép bố trí song song, xoắn ốc hoặc tập hợp của nhiều bó nhỏ

Hình 2.20 Các loại cáp thường dùng trong cầu dây văng a) thép thanh; b) thép sợi; c) tao cáp; d) cáp kín; e) bó cáp; g) cáp có sợi song song

CHƯƠNG III:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG

Việc phân tích kết cấu trong cầu dây văng được thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau, trong đó có các phương pháp của cơ học kết cấu cổ điển như phương pháp lực, phương pháp chuyển vị Ngày nay với sự hỗ trợ của máy tính, còn có thêm phương pháp phần tử hữu hạn Sau đây là nội dung các phương pháp trên

3.1 PHƯƠNG PHÁP LỰC:

Bản chất của phương pháp lực là thay đổi tác dụng của một số hay tất cả liên kết thừa – 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

Δ là chuyển vị tại liên kết bị cắt thứ i do tác động bên ngoài sinh ra trên kết cấu cơ bản và

Xi, được gọi là ẩn cơ bản i, là phản lực tại liên kết bị cắt thứ i

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

S = ∑ S i Χi +S op

(3.2) với:

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

i

S là thành phần đáp ứng do Xi = 1 gây ra trên kết cấu cơ bản và

Sop là thành phần đáp ứng do tác động bên ngoài gây ra trên kết cấu cơ bản

3.2 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 quay 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 quay vào vị trí của các ẩn chuyển vị quay 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 chình chính tắc mô tả điều kiện cân bằng để xác định các ẩn cơ bản của phương pháp chuyển vị là:

r

MLO

rij là phản lực tại liên kết đặt thêm tương ứng với ẩn cơ bản i do ẩn cơ bản Rj

= 1 gây ra trên kết cấu cơ bản

Rij là phản lực tại liên kết đặt thêm tương ứng với ẩn cơ bản i do tác động bên ngoài sinh ra

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

S = ∑ S i R i +S op

(3.4) Với:

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

i

S là thành phần đáp ứng do Ri = 1 gây ra trên kết cấu cơ bản và

Sop là thành phần đáp ứng do tác động bên ngoài gây ra trên kết cấu cơ bản

3.3 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 Phương pháp này chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ), các

phần tử liên kết với nhau tại các điểm 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:

[ ]Κ [ ]q =[ ]P (3.5) Trong đó:

[ ]Κ là ma trận độ cứng của kết cấu, được xây dựng từ ma trận độ cứng của các phần tử;

[ ]q là ma trận chuyển vị nút cần tìm và

[ ]P là ma trận ngoại lực nút

Sau khi xác định được ma trận chuyển vị nút, chuyển vị tại một điểm bất kỳ trong phần tử được xác định dựa trên các hàm dạng mô tả quan hệ chuyển vị của một điểm bất kỳ với các chuyển vị nút

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:

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

Do độ cứng của trụ tháp và dầm chủ khá lớn, chiều dài dây văng tương đối nhỏ, nên có thể tính toán cầu dây văng theo lý thuyết biến dạng nhỏ Dầm chủ được xem là dầm liên tục trên các gối đàn hồi là các dây văng, trụ tháp được xem là dầm chịu lực nén, uốn, dây văng được xem là phần tử thanh chỉ chịu kéo Trong thực tế, dây văng có độ võng do đặt nghiên và có trọng lượng bản thân, độ võng này thay đổ theo trạng thái nội lực của dây Để xét ảnh hưởng của độ võng dây văng, độ cứng