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

LÊ THỊ HẠNHNGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG DẦM ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU DÂY VĂNG HAI MẶT PHẲNG DÂY CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG KHÁC TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ

LÊ THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG DẦM ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU DÂY VĂNG

HAI MẶT PHẲNG DÂY

CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH XÂY DỰNG KHÁC

TRÊN ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT MÃ SỐ NGÀNH : 2 15 10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2007

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán Bộ Hướng Dẫn Khoa Học : TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Cán Bộ Chấm Nhận Xét 1 :

Cán Bộ Chấm Nhận Xét 2 :

Luận văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA , ngày 20 tháng 01 năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Ngày, tháng, năm sinh : 30/07/1977 Nơi sinh : Chuyên ngành : Cầu Tuynen và các công trình xây dưng khác trên đường ôtô và đường sắt

1- TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG DẦM ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU DÂY VĂNG HAI MẶT PHẲNG DÂY

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG DẦM ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU DÂY VĂNG HAI MẶT PHẲNG DÂY

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

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

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

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

Học viên thực hiện luận văn xin chân thành tỏ lòng biết ơn đối với:

- Khoa Đào Tạo Sau Đại Học – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

- Thầy Cô Bộ Môn Cầu Đường, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - Trường Đại Học

Bách Khoa Tp.HCM

- Thầy Cô giảng dạy trong chương trình cao học chuyên ngành Cầu, Tuynen Và

Các Công Trình Khác Trên Đường Ôtô Và Đường Sắt – Khoa Đào Tạo Sau Đại Học – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM

- Thầy TS Phùng Mạnh Tiến đã tận tình hướng dẫn tôi thực hiện luận văn

này

1 Sự cần thiết và tính thực tiễn của đề tài

Ta biết sự phân bố nội lực của cầu dây văng phụ thuộc vào độ cứng của các phần tử tham gia chịu lực trong hệ như độ cứng của dây văng, độ cứng của tháp cầu, độ cứng của dầm chủ …

Vậy giá trị độ cứng của các phần tử lựa chọn như thế nào cho phù hợp để vừa đảm bảo cho CDV làm việc bình thường, vừa tối ưu nguyên vật liệu và giá thành công trình Để đạt được điều đó chúng ta phải nắm bắt được mức độ và quy luật ảnh hưởng độ cứng của các phần tử nêu trên đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng

Do thời gian thực hiện đề tài có hạn nên ta chỉ chọn ảnh hưởng độ cứng dầm chủ đến sự phân bố nội lực trong CDV để nghiên cứu

2 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Do CDV có tính đa dạng cao thể hiện ở số lượng dây, chiều dài nhịp, số mặt phẳng dây và các sơ đồ dây …nên trong phạm vi nghiên cứu của đề tài ta chỉ chọn kết cấu CDV cụ thể, có tính ứng dụng cao, với các đặc điểm có tính ưu việt để nghiên cứu, đó là: cầu dây văng ba nhịp, hai mặt phẳng dây

Vì vậy mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài là: Nghiên Cứu Aûnh Hưởng

Độ Cứng Dầm Đến Sự Phân Bố Nội Lực Trong Cầu Dây Văng Hai Mặt Phẳng Dây

3 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu trên, luận văn tập trung tính toán với một số CDV cụ thể có các đặc điểm: CDV ba nhịp, hai mặt phẳng dây, sơ đồ dây hình rẽ quạt, trụ hình

4 Kết quả đạt được

Qua quá trình nghiên cứu, luận văn rút ra được quy luật ảnh hưởng của độ cứng dầm chủ đến sự phân bố nội lực trong CDV hai mặt phẳng dây, từ đó đưa ra được giá trị độ cứng dầm chủ hợp lý

5 Cấu trúc của luận văn

Luận văn gồm 5 chương và phần phụ lục kết qủa tính toán như sau:

Chương 1: Giới thiệu chung về cầu dây văng

Chương 2: Nội dung, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Chương 3: Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu

Chương 4: Giới thiệu các lý thuyết tính toán cầu dây văng

Chương 5: Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng dầm đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng hai mặt phẳng dây

Kết luận và kiến nghị

-X—W -

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU DÂY VĂNG 1

I.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG 1

I.1.1 Lịch sử phát triển cầu dây văng trên thế giới 1

I.1.2 Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam 7

I.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG 10

I.2.1 Sơ đồ hình thái cầu dây văng .10

I.2.1.1 Cầu dây văng 1 nhịp 11

I.2.1.2 Cầu dây văng 2 nhịp 11

I.2.1.3 Cầu dây văng 3 nhịp 12

I.2.2 Sơ đồ và sự phân bố dây 13

I.2.2.1 Sơ đồ dây đồng quy 13

I.2.2.2 Sơ đồ dây song song 14

I.2.2.3 Sơ đồ dây hình rẽ quạt 15

I.2.3 Số mặt phẳng dây 15

I.2.3.1 Cầu dây văng 1 mặt phẳng dây 15

I.2.3.2 Cầu dây văng 2 mặt phẳng dây 16

I.2.3.3 Cầu dây văng nhiều mặt phẳng dây .17

I.2.4 Các dạng tháp cầu 17

I.2.4.1 Tháp cầu dạng chữ H 18

I.2.4.2 Tháp cầu dạng chữ A, Y 19

I.2.4.2 Tháp cầu dạng hình thang 19

I.2.5 Cáp dùng cho dây văng .20

I.2.5.1 Thép thanh 20

I.2.5.2 Thép sợi 21

I.2.5.3 Tao cáp 21

I.2.5.4 Cáp kín 21

I.2.5.5 Bó cáp 22

I.2.5.6 Cáp sợi song song 22

I.2.6 Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu 22

I.3.1 Căn cứ chọn sơ đồ kết cấu nhịp 24

I.3.2 Căn cứ chọn chiều dài khoang dầm .25

I.3.3 Căn cứ chọn tháp cầu .26

I.3.3.1 Căn cứ chọn chiều cao tháp 26

I.3.3.2 Liên kết tháp cầu 27

I.3.3.3 Căn cứ chọn tiết diện tháp 27

I.3.4 Căn cứ chọn tiết diện dây văng 29

I.3.5 Căn cứ chọn tiết diện và chiều cao dầm cứng 30

CHƯƠNG 2: NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 31

II.1 GIỚI THIỆU MỘT SỐ ĐỀ TÀI ĐÃ NGHIÊN CỨU 31

II.1.1 Nội dung đề tài “Phân tích điều chỉnh nội lực cầu dây văng” 32

II.1.2 Nội dung đề tài “Phân tích tĩnh và động trong cầu dây văng” 32

II.1.3 Nội dung đề tài “Một số cầu dây văng cho giao thông nông thôn” 32

II.2 NỘI DUNG, PHẠM VI VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 33

II.2.1 Nội dung nghiên cứu 33

II.2.2 Phạm vi nghiên cứu 34

II.2.3 Mục tiêu nghiên cứu 34

CHƯƠNG 3: CẤU TẠO DẦM CHỦ VÀ HỆ MẶT CẦU .35

III.1 PHÂN LOẠI 35

III.1.1 Dầm chủ đơn năng 35

III.1.1.1 Dầm chủ bằng thép 35

III.1.1.2 Dầm chủ dạng dàn thép 37

III.1.1.3 Dầm chủ bằng BTCT 39

III.1.2 Dầm chủ đa năng 40

III.1.2.1 Dầm chủ đa năng bằng thép 40

III.1.2.2 Dầm chủ đa năng bằng BTCT 40

III.2 CHỌN TIẾT DIỆN VÀ CHIỀU CAO DẦM CỨNG 41

III.2.1 Chọn tiết diện dầm 42

III.2.2 Chọn chiều cao dầm 43

IV.1.2 Phương pháp chuyển vị 46

IV.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 48

IV.3 PHẦN MỀM SỬ DỤNG 49

IV.3.1 Tổng quan về phần mềm Midas/Civil 49

IV.3.1.1 Khái quát 50

IV.3.1.2 Các kiểu phần tử 51

IV.3.1.3 Điều kiện biên 53

IV.3.2 Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu dây văng bằng Midas/Civil 55

IV.3.2.1 Mô hình hóa và phân tích nghịch 56

IV.3.2.2 Mô hình hóa và phân tích thuận 56

IV.3.2.3 Xây dựng mô hình kết cấu 56

IV.3.3 Một số công trình cầu đã được thiết kế, tính toán với Midas/Civil 57

IV.3.3.1 Cầu SooTong 57

IV.3.3.2 Cầu Stonecuter 58

IV.3.3.3 Cầu Incheon2 59

CHƯƠNG 5 : NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ CỨNG DẦM ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU DÂY VĂNG HAI MẶT PHẲNG DÂY 60

V.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU 60

V.1.1 Đối tượng nghiên cứu chung 60

V.1.2 Các sơ đồ cầu với độ cứng dầm chủ khác nhau 61

V.1.2.1 Phương án kết cấu 61

V.1.2.2 Thông số vật liệu và đặc trưng hình học của các bộ phận kết cấu 65

V.1.2.3 Tải trọng thiết kế 67

V.2 TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN 68

V.2.1 Nhập số liệu đầu vào 68

V.2.2 Điều khiển phần mềm chạy 68

V.2.3 Xuất kết quả 68

V.3 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TÍNH TOÁN VÀ NHẬN XÉT 69 V.3.1 Lực căng trước trong dây văng F 69 x

V.3.2 Kết quả lực dọc trong dây văng F .76 x

V.3.3.3 Kết quả lực dọc trong dầm chủ Fx 88

V.3.4 Kết quả nội lực trong trụ tháp 91

V.3.4.1 Kết quả môment uốn trong trụ tháp My 91

V.3.4.2 Kết quả lực dọc trong trụ tháp Fx 94

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 97

A KẾT LUẬN 97

B KIẾN NGHỊ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA ĐỀ TÀI 98

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU

DÂY VĂNG

I.1 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG

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

Kể từ năm 1955 khi cầu Stromsund được xây dựng ở Thụy Điển cho đến nay đã thống kê được hơn 600 chiếc CDV lớn và nhỏ với đầy đủ các thể loại khác nhau được xây dựng trên thế giới Có thể nhận thấy rằng không có loại kết cấu nào được áp dụng rộng rãi, mạnh mẽ và đạt được thành tựu như CDV Những năm cuối thế kỷ 20, các kỷ lục về chiều dài nhịp CDV liên tục bị phá vỡ, nhiều cây cầu đã trở thành di sản văn hóa, biểu tượng kiến trúc, đánh dấu sự phát triển khoa học kỹ thuật của thời đại

I.1.1 Lịch sử phát triển cầu dây văng trên thế giới

Cầu dây văng có một lịch sử lâu đời Năm 1790, một công trình sư người Pháp là Poet đưa ra ý tưởng 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, ý tưởng của Poet đã được thực hiện ở Anh trong một cầu cho người đi có nhịp chính dài 33,5m Hệ dầm mặt cầu đã được đỡ bằng các các dây văng xuất phát từ đỉnh tháp cầu, phía đối diện với dây văng bố trí một dây neo Thành phần lực ngang của các dây văng và dây neo truyền vào tay vịn lan can cầu Đó là tiền đề cho hệ cầu trong đó thành phần lực ngang được truyền vào dầm cứng (hình 1.2)

Hình 1.2 Sơ đồ cầu người đi ở Anh năm 1817

Năm 1868, ở Praha đã xây dựng một CDV qua sông Vltava, có nhịp chính dài 146,6m Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng tại các điểm đặt dọc theo nhịp chia dầm thành các khoang dài 24,4m Các khoang dầm khá lớn nên bố trí dầm cứng là hệ dàn có chiều cao tới 2,1m cùng với hệ dầm ngang liên kết

hai dàn Dầm cứng vừa tham gia chịu uốn cục bộ và tổng thể gần giống với vai trò dầm cứng trong CDV hiện đại (hình 1.3)

Hình 1.3 Cầu qua sông Vltava ở Praha (1868)

Năm 1925, ở Pháp đã xây dựng một CDV qua sông Trie, có nhịp chính dài 112m Các dây văng được neo và truyền lực vào thanh tăng cường của giằng gió biến thành hệ không có lực ngang, đây là hình ảnh của CDV hiện đại (hình 1.4)

Hình 1.4 Cầu qua sông Trie ở Pháp (1925)

Kể từ đó nhiều CDV đã được xây dựng như: cầu Broklyn ở Mỹ, cầu Stromsund ở Thụy Điển, cầu qua sông Rhin ở Dusseldorf, cầu qua sông Đniep ở Kiep, cầu qua sông Columbia ở Mỹ…

Trong suốt thời kỳ sơ khai, các CDV không thể tránh khỏi những sai sót, hạn chế, bộc lộ rõ những nhược điểm của mình, nhược điểm này một phần do đây là một loại cầu mới lại khá phức tạp, một phần do trình độ thiết kế, công nghệ vật liệu, công nghệ thi công thời ấy còn nhiều hạn chế Và sau này cùng với nhịp độ phát triển của khoa học kỹ thuật, khoa học công nghệ… Cầu dây

văng ngày càng được cải tiến để phù hợp với sự làm việc thực tế của kết cấu cũng như tận dụng được tối đa khả năng làm việc của vật liệu Cụ thể:

Thời kỳ đầu do vật liệu có cường độ không cao nên dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, dây bị võng tạo biến dạng phụ khi chịu hoạt tải Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, vật liệu cường độ cao xuất hiện đã khắc phục được hiện tượng trên như người ta xây dựng CDV với dây văng làm bằng thép cường độ cao…

Dầm chủ cũng là một trong những yếu tố đánh dấu sự phát triển và hoàn thiện của CDV Ban đầu người ta thường sử dụng vật liệu bằng thép, mà ta biết dầm chủ chủ yếu là chịu nén, thép lại là loại vật liệu chủ yếu chịu kéo Vì vậy ø không tận dụng được được tối đa sự làm việc của vật liệu thép Trong khi đó bêtông là loại vật liệu chủ yếu chịu nén, nên hiện nay CDV chủ yếu sử dụng dầm chủ là dầm BTCT hoặc thép bêtông liên hợp để phù hợp với sự làm việc của dầm chủ cũng như tận dụng được khả năng làm việc của vật liệu

Năm 1963, người ta phát hiện thấy những bất lợi của các khoang lớn, đó là gây mômen uốn lớn trong dầm cứng Và người ta nhận thấy việc giảm chiều dài khoang dầm vừa có tác dụng giảm mômen uốn, cấu tạo neo đơn giản và dây văng có thể làm bằng các dây cáp đơn

Một đặc điểm quan trọng trong qua trình phát triển dây văng đó là việc lựa chọn số lượng và bố trí các mặt phẳng dây, đặc biệt đối với các cầu khổ rộng sau này Việc lựa chọn một mặt phẳng dây không phù hợp lắm vì khi đó dầm cứng đòi hỏi phải có kích thước lớn đủ để chống xoắn, để chịu tải trọng lệch tâm và ổn định khí động Vì vậy hầu hết các CDV xây dựng sau này đều có từ hai mặt phẳng dây trở lên

Sau đây là một vài hình ảnh các CDV hai mặt phẳng dây đã được xây dựng trên thế giới:

• Cầu Sidney Lanier

Hình 1.5 Cầu Sidney Lanier

• Cầu Dames Point

Hình 1.6 Cầu Dames Point

Ngoài ra, cầu dây văng còn đạt được yêu cầu cao về mặt mỹ thuật điển hình như một số cầu dưới đây:

• Cầu Alamillo ở Seville Tây Ban Nha : được xây dựng để phục vụ cho

triển lãm quốc tế năm 1983 Tháp cầu được bố trí nghiêng 32o tạo dáng mũi tên đã thu hút được sự chú ý của khách tham quan và gây ấn tượng sâu sắc trước dáng vẽ độc đáo và hoành tráng của công trình

Hình 1.7 Cầu Alamillo ở Tây Ban Nha

• Tương tự như cầu Alamillo là Cầu Rotterdam ở Hà Lan

Hình 1.8 Cầu Rotterdam ở Hà Lan

• Cầu ở Bratislava, Cộng hòa Slovakia, được xây dựng trên một con

sông bên lề thành phố, trên tháp cầu có bố trí một quán ăn vừa gây ấn tượng, vừa tạo được một phần đối trọng cho phần tĩnh tải nhịp

Hình 1.9 Cầu ở Bratislava ở Cộng hòa Slovakia Mặt khác, trong phạm vi chiều dài nhịp nhất định thì cầu dây văng có thể vượt được nhịp lớn, do đó ít tốn kém cho kết cấu trụ, từ đó đảm bảo về mặt kỹ thuật và bảo đảm sự thông thoáng dưới cầu Vài năm gần đây, các kỷ lục về khả năng vượt nhịp của CDV luôn bị phá vỡ, đánh dấu sự phát triển của thời đại

I.1.2 Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam

Ở Việt Nam, CDV được xây dựng năm 1976 qua sông Đak’rông thuộc tỉnh Quảng Trị Cầu có chiều dài nhịp chính 129m, chiều rộng 7m+2x0.8m và đã bị sập tháng 2 năm 1999 (hình 1.10)

Hình 1.10 Cầu Đăk’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 Tiền Giang – Bến Tre, cầu Cần Thơ ở Cần Thơ Sau đây là một vài hình ảnh CDV đã được xây dựng ở Việt Nam:

• Cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh Long

Hình 1.11 Cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh Long

• Cầu Bính ở Hải Phòng

Hình 1.12 Cầu Bính ở Hải Phòng

• Cầu Cần Thơ ở Cần Thơ

Hình 1.13 Cầu Cần Thơ ở Cần Thơ

Qua trình bày sơ lược lich sử phát triển CDV ở trên, có thể kết luận rằng: CDV đã được xây dựng nhiều trên thế giới, có tính đa dạng cao, tính mỹ thuật lớn, nhiều công trình cầu đã trở thành biểu tượng của thành phố và của đất nước Mặt khác CDV bắt đầu được triển khai xây dựng khá nhiều tại Việt Nam, chính

vì vậy việc nghiên cứu về CDV là cần thiết

I.2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG

Trong lịch sử phát triển chưa có loại cầu nào lại có sức hấp dẫn, tập trung trí tuệ và gây được nhiều niềm say mê và cảm xúc sáng tạo cho các nhà khoa học, các kiến trúc sư như CDV Kể từ ngày xây dựng chiếc cầu Stromsund ở Thụy Điển cho đến nay CDV đã được xây dựng nhiều trên thế giới

Đặc điểm cơ bản có sức hấp dẫn của CDV là tính đa dạng thể hiện ở số lượng và chiều dài nhịp, số mặt phẳng dây, sơ đồ phân bố dây…

I.2.1 Sơ đồ hình thái cầu dây văng

Cầu dây văng cũng như các loại cầu khác rất đa dạng về sơ đồ kết cấu nhịp, trong đó có các sơ đồ hay được sử dụng như : cầu dây văng 1 nhịp, cầu dây văng

2 nhịp, cầu dây văng 3 nhịp

I.2.1.1 Cầu dây văng 1 nhịp

Cầu dây văng một nhịp là CDV trong đó hai tháp cầu được dựng trên hai mố, dầm chủ một nhịp tựa lên hai gối cứng trên mố và các gối đàn hồi là các điểm neo các dây văng Từ đỉnh tháp, dây neo được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường (hình 1.14)

Hình 1.14 Cầu dây văng 1 nhịp

Về sơ đồ kết cấu, hệ làm việc như một dầm liên tục tựa trên các gối đàn hồi trung gian là các điểûm neo dây và các gối cứng trên mố, do đó hệ có đặc diểm chịu lực như các CDV ba nhịp Tuy nhiên về mặt công trình hệ có các nhược điểm sau:

+ Tồn tại hai mố neo chịu lực ngang, vì vậy mố neo là các công trình đồ sộ, tốn kém

+ Trong CDV một nhịp cả mố neo và trụ đều chịu lực ngang, hơn nữa chiều của lực lại thay đổi theo vị trí của hoạt tải, vì vậy rất nguy hiểm khi lực ngang hướng ra sông cùng chiều với áp lực đất nền đường

+ Dầm cứng ngoài chịu uốn còn chịu lực dọc thay đổi dấu (khi kéo khi nén) gây bất lợi cho việïc áp dụng dầm cứng bằng BTCT

+ Khả năng vượt nhịp lớn kém hơn các CDV nhiều nhịp

Vì vậy CDV một nhịp chỉ áp dụng cho những nơi có điều kiện địa hình, địa chất đặc biệt

I.2.1.2 Cầu dây văng 2 nhịp

Cầu dây văng hai nhịp, được áp dụng cho những cầu qua sông không lớn lắm, CDV hai nhịp chủ yếu được chọn là do điều kiện địa hình, địa chất hoặc yếu tố mỹ quan quyết định (hình 1.15)

Hình 1.15 Cầu dây văng 2 nhịp

Cùng với chiều cao trụ, cùng số lượng dây văng và góc nghiêng thì hệ hai nhịp chỉ đạt được chiều dài nhịp bằng nửa hệ ba nhịp Trong hệï hai nhịp còn tồn tại nhược điểm cơ bản về phân bố dây, trong đó dây văng dài nhất, góc nghiêng nhỏ nhất (ứng với độ cứng dây nhỏ nhất), lại bố trí vào điểm có độ võng nhỏ của dầm, tức là điểm dây văng gần như không chịu lực, kết quả là trong quá trình chịu tải không thể sử dụng hết khả năng làm việc của dây, bù vào đó phải tăng tiết diện dầm cứng, điều muốn tránh vì không mang lại hiệu quả kinh tế

Vì vậy trong trường hợp đặc biệt thì mới áp dụng CDV hai nhịp để giải quyết, còn trong trường hợp chung thì hệ CDV hai nhịp không mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

I.2.1.3 Cầu dây văng 3 nhịp

Để khắc phục được nhược điểm của CDV một 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 Khi đó từ hệ một nhịp biến thành hệ ba nhịp, gồm một nhịp chính và hai nhịp biên ngắn, dầm chủ bố trí liên tục vừa chịu uốn vừa chịu lực dọc Vậy CDV ba nhịp là một dầm liên tục tựa trên các gối cứng là mố và trụ và các gối đàn hồi là các điểm neo của các dây văng (hình 1.16)

Hình 1.16 Caău dađy vaíng 3 nhòp

Qua phađn tích söï laøm vieôc cụa caùc sô ñoă hình thaùi caău neđu tređn, ta nhaôn thaây sô ñoă CDV ba nhòp laø sô ñoă coù nhieău öu ñieơm, hôïp lyù nhaât veă maịt chòu löïc vaø hieôn nay ñang ñöôïc söû dúng khaù nhieău Do ñoù ta chón sô ñoă CDV ba nhòp ñeơ nghieđn cöùu

I.2.2 Sô ñoă vaø söï phađn boâ dađy

Caău dađy vaíng laø moôt heô lieđn hôïp giöõa daăm cöùng vaø caùc dađy vaíng, maø sô ñoă vaø söï phađn boâ dađy tröïc tieâp ạnh höôûng ñeân khạ naíng chòu löïc vaø caùc chư tieđu kinh teẫ, kyõ thuaôt cụa caău

Trong CDV, thođng thöôøng coù caùc sô ñoă boâ trí dađy nhö sau: sô ñoă dađy ñoăng quy, sô ñoă dađy song song, sô ñoă dađy hình reõ quát

I.2.2.1 Sô ñoă dađy ñoăng quy

Caùc dađy vaíng quy tú tái 1 nuùt coâ ñònh tređn thaùp caău, töø ñoù dađy toạ xuoâng neo vaøo daăm cöùng tái 1 soâ ñieơm, táo thaønh caùc goâi ñaøn hoăi cụa daăm lieđn túc (hình 1.17)

Sô ñoă naøy ñöôïc duøng phoơ bieân vaø hieôïu quạ cho caùc caău ít dađy, khoang lôùn, khi ñoù caâu táo caùc nuùt dađy tređn ñưnh thaùp khođng quaù phöùc táp Tuy nhieđn vôùi caùc

cầu hiện đại nhiều dây, khoang nhỏ, thì cấu tạo đỉnh tháp rất phức tạp, lực cục bộ rất lớn, đặc biệt khi mỗi dây có một neo riêng liên kết với tháp

Hình 1.17 Sơ đồ dây đồng quy

I.2.2.2 Sơ đồ dây song song

Các dây văng mỗi bên tháp cầu song song với nhau, phân bố cách đều trên tháp cầu và neo vào các điểm trên dầm chính (hình 1.18) Theo sơ đồ này mỗi nút chỉ tập trung hai dây nên cấu tạo neo đơn giản Tuy nhiên về mặt chịu lực, sơ đồ này có một số nhược điểm:

+ Các dây có cùng góc nghiêng (góc nhỏ nhất) nên giảm độ cứng tại các điểm neo giữa dây và dầm

+ Chỉ có một dây trên cùng được nối với dây neo, các dây khác liên kết với dầm và tháp tại các điểm có chuyển vị đàn hồi nên độ cứng của cả hệ giảm, làm tăng mômen uốn của dầm khi chịu tải trọng không đối xứng

Hình 1.18 Sơ đồ dây song song

I.2.2.3 Sơ đồ dây hình rẽ quạt

Là sơ đồ dây trung gian giữa hai sơ đồ đồng quy và song song (hình 1.19) Trong đó từng cặp dây thường được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách nhỏ nhất để cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây Cách này vừa tranh thủ được góc nghiêng lớn hơn cho các dây trung gian và tránh tối đa tháp cầu bị uốn ngang

Hình 1.19 Sơ đồ dây hình rẽ quạt

Qua phân tích ưu nhược điểm các sơ đồ dây nêu trên, ta thấy sơ đồ dây hình rẽ quạt là sơ đồ có nhiều ưu điểm, mặt khác hiện nay sơ đồ dây hình rẽ quạt được sử dụng nhiều nhất cho các cầu nhịp lớn, khoang nhỏ và nhiều dây Do đó

ta chọn sơ đồ dây hình rẽ quạt để nghiên cứu

I.2.3 Số mặt phẳng dây

Trong CDV, số lượng mặt phẳng dây và cấu trúc tiết diện ngang hệ mặt cầu thường có quan hệ chặt chẽ với nhau Thông thường có CDV một mặt phẳng dây, CDV hai mặt phẳng dây và CDV nhiều mặt phẳng

I.2.3.1 Cầu dây văng 1 mặt phẳng dây

Loại này có ưu điểm là thông thoáng tầm nhìn cho người tham gia giao thông, tạo dáng vẻ thoáng đãng, kết cấu giản dị Tuy nhiên nó lại có nhược điểm

là khả năng chống xoắn thấp, lực tập trung của dây tại vị trí neo vào dầm lại lớn, đòi hỏi dầm có kích thước đồ sộ, không mang lại hiệu quả kinh tế đặc biệt với các cầu rộng (hình 1.20)

Hình 1.20 Cầu dây văng 1 mặt phẳng dây

I.2.3.2 Cầu dây văng 2 mặt phẳng dây

Loại này có ưu điểm khả năng chống xoắn kết cấu dầm chính tốt, tuy nhiên nó lại có nhược điểm là tạo cho người tham gia giao thông cảm giác khoảng không bị thu hẹp (hình 1.21)

Hình 1.21 Cầu dây văng 2 mặt phẳng dây

I.2.3.3 Cầu dây văng nhiều mặt phẳng dây

Khi chiều rộng cầu lớn, nếu dùng hai mặt phẳng dây thì hệ mặt cầu sẽ rất đồ sộ nặng nề, tốn vật liệu, khi đó có thể bố trí nhiều mặt phẳng dây (hình 1.22)

Hình 1.22 Cầu dây văng nhiều mặt phẳng dây

Qua phân tích ưu nhược điểm CDV với các mặt phẳng dây nêu trên, ta thấy CDV hai mặt phẳng dây có tính ưu việt nổi trội và hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi Vì vậy ta chọn CDV hai mặt phẳng dây để nghiên cứu

I.2.4 Các dạng tháp cầu

Tháp cầu là bộ phận quan trọng có tính quyết định các chỉ tiêu kinh tế kỹ

thuật và độ an toàn của công trình Tháp cầu chịu toàn bộ tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp 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 (một hay hai mặt phẳng dây), cách neo dây

+ Khả năng chịu lực và độ ổn định động của hệ dầm, dây và tháp + Tính đơn giản cho thi công

Trong cầu dây văng 2 mặt phẳng dây thường có các dạng tháp cầu như sau: dạng tháp chữ H, dạng tháp chữ A, dạng tháp kiểu hình thang, dạng tháp kiểu chữ Y ngược

I.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 đầu ngàm, một đầu tự do Theo phương dọc do có các dây neo nên tháp làm việc như thanh có một đầu ngàm, một đầu tựa trên gối đàn hồi với các cầu nhịp lớn tháp cao sẽ làm việc bất lợi về mặt ổn định nên phía trên đỉnh tháp có thể bố trí thêm một dầm ngang để tăng độ ổn định Do tháp thẳng đứng nên việc thi công khá đơn giản (hình 1.23)

Hình 1.23 Tháp cầu dạng chữ H

I.2.4.2 Tháp cầu dạng chữ A, chữ Y

Tháp 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 bộ hệ mặt cầu Nhược điểm của loại này là thi công khá phức tạp Do cột xiên nên chiều rộng móng lớn, trường hợp dây và cột xiên quá sẽ phạm vào khổ xe chạy ( nếu không phải tăng chiều rộng phần neo dây văng ) Để giảm bớt chiều rộng móng, có thể chỉ bố trí cột xiên từ mặt cầu lên đỉnh tháp còn phần phía dưới bố trí thẳng đứng hoặc thu hẹp lại (hình 1.24)

Hình 1.24 Tháp cầu dạng chữ A, chữ Y ngược

I.2.4.3 Tháp cầu dạng hình thang

Đây là dạng kết hợp của dạng tháp chữ A và H dạng này khai thác các ưu điểm của hai dạng trên như: thi công không khó, cấu tạo các điểm neo cáp trên đỉnh tháp đơn giản, phù hợp với sơ đồ bố trí móng cọc, kết cấu có độ cứng lớn (hình 1.25)

Hình 1.25 Tháp cầu dạng hình thang

Qua phân tích ưu nhược điểm của các dạng tháp nêu trên, ta thấy tháp cầu dạng hình thang là dạng tháp hợp lý nhất về mặt chịu lực Nhưng trong thực tế khi chọn cấu tạo hình dạng tháp thì yếu tố mỹ thuật cũng đóng vai trò rất lớn, như cầu Mỹ Thuận có dạng tháp hình thang, cầu cầu Rạch Miễu có dạng tháp hình chữ A, cầu Cần thơ có dạng Tháp hình chữ Y ngược…Và trong phạm vi đề tài này ta chọn tháp dạng hình thang để nghiên cứu

I.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 ta có các loại sau:

I.2.5.1 Thép thanh

Là các thanh thép có đường kính lớn, chiều dài hạn chế do điều kiện chế tạo và vận chuyển (hình 1.26)

Hình 1.26 Thép thanh

I.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 1.27)

Hình 1.27 Thép sợi

I.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 1.28)

I.2.5.5 Bó cáp

Là tổ hợp của nhiều tao quấn xoắn ốc quanh một lõi là một tao hoặc một bó cáp nho (hình 1.30)û

Hình 1.30 Bó cáp

I.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 1.31)

Hình 1.31 Cáp có sợi song song

Việc chọn các loại cáp cho CDV cần dựa vào lực kéo đứt, khả năng chịu mỏi cũng như các yêu cầu về chế tạo, lắp đặt thi công và cuối cùng là yêu cầu kinh tế cũng như ưu tiên sử dụng các vật liệu sẵn có Trong thực tế hiện nay người ta thường dùng các bó cáp với các tao cáp có đường kính danh định

12.7mm, 15.2mm, 15.7mm, 17.8mm…

I.2.6 Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu

Trong CDV 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

I.2.6.1 Dầm chủ đơn năng

Dầm chủ đơn năng bao gồm các khối dầm chủ có tiết diện bất kỳ, đặt trong các mặt phẳng dây, chịu lực như biên chịu nén của dàn (hình 1.32)

Hình 1.32 Dầm chủ đơn năng bằng thép

I.2.6.2 Dầm chủ đa năng

Dầm chủ đa năng bao gồm các khối dầm chủ có dạng một khối, một bản đặc hoặc một hộp rỗng bằng BTCT hay bằng các tấm thép được gia cường bằng các sườn dọc, ngang Dầm chủ có chiều cao lớn, có chức năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt rõ dầm chủ và hệ dầm mặt cầu (hình 1.33)

Hình 1.33 Dầm chủ đa năng bằng thép

Vì đây là vấn đề mà đề tài nghiên cứu nên ta sẽ tập trung phân tích, nghiên cứu sâu ở phần sau

I.3 CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA CDV

I.3.1 Căn cứ chọn sơ đồ kết cấu nhịp

Theo các tài liệu thiết kế và các cầu đã xây dựng thì khả năng vượt nhịp của CDV nằm trong phạm vi rất rộng Chiều dài nhịp chính thường được chọn từ

100 đến 600m cũng có các cầu vượt nhịp 800-900m như cầu Normandie ở Pháp (856m) và cầu Tatara (890m) ở Nhật

Hiện nay các nhà xây dựng cầu trên thế giới đang phấn đấu vượt nhịp 1624m, là nhịp thông thuyền trên biển

Tùy theo yêu cầu của nhịp thông thuyền, đặc điểm địa hình, địa chất và

thủy văn khu vực cầu, chiều dài nhịp chính CDV có thể chọn từ (70-80)m đến (400-500)m trường hợp đặc biệt có thể lên tới 1000m hoặc hơn nữa Với công

nghệ thi công hẫng hiện nay có thể không gặp khó khăn đặc biệt nào không thể vượt qua

Nếu không có các ràng buộc về địa hình, địa chất cũng như yêu cầu kiến trúc thì nên chọn cầu ba nhịp là sơ đồ chịu lực hợp lý nhất của cầu dây văng Tùy vào số lượng dây bố trí trên nhịp biên và nhịp chính ta có hệ ba nhịp có dây văng đối xứng qua tháp cầu và hệ ba nhịp có dây văng không đối xứng qua tháp cầu (hình 1.34) Trong đó sơ đồ hệ ba nhịp có dây văng đối xứng qua tháp cầu có nhiều ưu điểm nổi trội như sự phân bố lực, dễ dàng trong quá trình thi công nhất là với công nghệ thi công hẫng như hiện nay

Hình 1.34 Sơ đồ cầu dây văng 3 nhịp

a hệ 3 nhịp đối xứng; b hệ 3 nhịp không đối xứng

Với cầu dây văng 3 nhịp, để lựa chọn chiều dài nhịp biên và nhịp chính, ta dựa vào mối quan hệ phụ thuộc giữa nhịp biên L2 và nhịp chính L1:

L 2 = 0,45L 1 (1.1)

Hình 1.35 Tỷ lệ chiều dài nhịp biên - nhịp chính

I.3.2 Căn cứ chọn chiều dài khoang dầm

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

+ Trị số mômen uốn cục bộ

+ Nội lực và độ lớn của dây văng và neo cố

+ Công nghệ thi công dầm và dây

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

Tùy theo dầm cứng bằng thép, hoặc BTCT chiều dài khoang được chọn như sau:

+ Dầm cứng bằng BTCT: d = 5 -:- 10m

+ Dầm cứng bằng thép, thép bêtông liên hợp: d = 8-:- 14m

I.3.3 Căn cứ chọn tháp cầu

I.3.3.1 Căn cứ chọn chiều cao tháp

Chiều cao tháp cầu trực tiếp ảnh hưởng đến góc nghiêng của các dây văng, góc nghiêng của dây lại quyết định đến độ cứng và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu Chiều cao tốt nhất của tháp cầu cần được xác định xuất phát từ điều kiện tổng giá thành của tháp, dầm và dây là nhỏ nhất, đồng thời đảm bảo độ bền và độ cứng của hệ

Qua thu thập các số liệu của các công trình đã xây dựng để thỏa mãn được vần đề trên, với CDV ba nhịp thì chiều cao tháp được chọn:

6

1 4

I.3.3.2 Liên kết tháp cầu

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 (hình 1.36a, b) + Tháp liên kết khớp với móng hoặc trụ cầu (hình 1.36c)

+ Tháp liên kết cứng với dầm chủ, dầm chủ liên kết khớp với trụ hình 1.36d)

+ Tháp cầu liên kết khớp với dầm chủ (hình 1.36e)

Hình 1.36 Các dạng liên kết tháp với nền móng

I.3.3.3 Căn cứ chọn tiết diện tháp

Tháp cầu là kết cấu chủ yếu chịu nén lệch tâm Mức độ lệch tâm phụ thuộc vào sơ đồ liên kết giữa tháp với dây văng và trụ cầu Diện tích tối thiểu của tháp cầu có thể sơ bộ xác định theo công thức sau:

22

1

2 2 1 1

2 1

2 1

t t

t

R L

L L p g L

R

L L

L L p g

Trong đó:

+ At: diện tích cột tháp (2 cột)

+ g, p: tĩnh tải và hoạt tải phân bố đều tác dụng lên một dàn

+ L1, L2: chiều dài nhịp chính và chiều dài nhịp biên

+ Rt: cường độ vật liệu làm tháp

+ α: góc nghiêng của chân tháp so với mặt ngang

+ 0,5: hệ số xét tới ảnh hưởng của uốn dọc và mômen uốn trong tháp Trên cơ sở diện tích tối thiểu chịu nén, tiến hành tổ chức tiết diện để đạt hiệu quả tốt nhất về chịu uốn, chịu nén dọc và thi công đơn giản

Nếu các cột tháp bằng BTCT đứng độc lập thì nên chọn tiết diện vuông hoặc hộp vuông, để tăng cường khả năng chịu uốn và ổn định có thể chọn tháp dưới to trên nhỏ

Trường hợp hai cột tháp liên kết với nhau tạo thành khung thì nên chọn cột tháp dạng chữ nhật cạnh lớn nằm dọc cầu để vừa phù hợp với điều kiện chịu lực vừa ít chiếm không gian trên cầu

Với các cầu nhịp nhỏ tháp bằng BTCT thường chọn tiết diện đặc dạng chữ nhật hoặc chữ I, với các cầu nhịp lớn tiết diện tháp nên chọn dạng hộp có kích thước đủ lớn để thi công và làm đường lên xuống trong lòng hộp

I.3.4 Căn cứ chọn tiết diện dây văng

Trong CDV, 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, vậy lực dọc trong dây văng thoải nhất ở giữa nhịp dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải có thể xác định theo công thức sau:

g g d d q g S

α

sin 2

max

+ +

Trong đó:

+ g, q: tải trọng tĩnh và hoạt tính toán phân bố trên toàn cầu

+ d, dg: chiều dài hai khoang dầm nằm kề nút dây thoải nhất

+ αg: góc nghiêng của dây văng thoải nhất ở khu giữa nhịp

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

i

g

i S S

α

αsin

sinmax

j i

t S S

S

α

αcos

cos0