(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu ứng xử cầu treo thuận phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc

Các dạng kết cấu cầu treo dây võng Cầu treo đơn giản nhất là hệ trong đó bộ phận chịu lực chính được làm bằng dây cáp hoặc dây xích treo trên hai tháp cầu, hai đầu dây được neo vào mố n

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC

DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC

DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Chuyên ngành : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS NGUYỄN LAN

ĐÀ NẴNG, NĂM 2019

DUT.LRCC

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Quốc Hùng

DUT.LRCC

TÓM TẮT LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Học viên: Trần Quốc Hùng Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông

Mã số: 85.80.205 Khóa: K36.XGT Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN

Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn Phân tích và thiết kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ thống Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu Luận văn này nghiên cứu ứng xử cầu do tải trọng nhiệt độ tác động đối với cầu thông qua

dữ liệu thu thập từ hệ thống quan trắc Đồng thời cũng để kiểm chứng và so sánh giữa mô hình phần

tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc cũng như so sánh hiệu ứng tải trọng nhiệt độ theo các tiêu chuẩn 22TCN 18-79, AAHTO LRFD-07, TCVN 11823:2017, Eurocode EN 1991-1-5, China JTG D60-

2004 Kết quả nghiên cứu cho thấy tải trọng nhiệt độ đối với kết cấu cầu Thuận Phước gây ứng suất, biến dạng tương đối lớn so với hiệu ứng do hoạt tải khai thác và kết quả quan trắc ứng suất phù hợp với kết quả phân tích trên mô hình phần tử hữu hạn (CSi)

Từ khóa: phần tử hữu hạn (PTHH); nhiệt độ thay đổi (TU); Hiệu ứng lực; Quan trắc sức khỏe

kết cấu; Cảm biến nhiệt độ

RESEARCH TREATMENT APPROACHING PHUOC PHUOC BY TEMPERATURE ON THE PERFORMANCE PARAMETER MODEL AND

MONITORING DATA

Abstract: The suspension bridge structure is capable of long span but is sensitive to

environmental impacts Thuan Phuoc bridge, Da Nang city located in the Central Region has a relatively large temperature change amplitude, the main span structure is made of steel material so the greater the effect of temperature on the structural behavior Analysis and design of suspension bridge structure is often very complicated due to the geometrical nonlinearity of the system The long span length of the steel girder together with the super-static level of the system makes the effect of temperature on global behavior quite complicated and needs to be considered in the bridge evaluation This thesis studies the behavior of bridges due to the temperature load affecting the bridge through data collected from the structural heath monitoring system At the same time, it is also to verify and compare between finite element model and monitoring data as well as comparison between standards 22TCN 18-79, AAHTO LRFD-07, TCVN 11823: 2017, Eurocode EN 1991-1- 5, China JTG D60-2004 Research results show that the temperature load for Thuan Phuoc bridge structure causes stress due to temperature larger than actual live loads Deformation and stress monitoring results are similar to the results of analysis on the finite element model (CSi)

Keyword:The Finite element method (FEM); Temperature Uniform (TU); Force effects;

Structural heath monitoring; Tempereture sensor

DUT.LRCC

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN

TÓM TẮT LUẬN VĂN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu đề tài 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

4 Phương pháp nghiên cứu 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG 2

1.1 Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng 2

1.2 Các dạng kết cấu cầu treo dây võng 10

1.2.1 Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang 13

1.2.2 Cầu treo một nhịp 13

1.2.3 Cầu treo ba nhịp 13

1.2.4 Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang 14

1.2.5 Cầu treo nhiều nhịp 15

1.2.6 Cầu treo được tăng cường độ cứng 17

1.2.7 Cầu dàn dây 24

1.3 Kết cấu nhịp chính cầu treo dây võng Thuận Phước 27

1.3.1 Vị trí xây dựng 27

1.3.2 Quy mô công trình 28

1.3.3 Cầu dẫn 28

1.3.4 Cầu chính 30

1.4 Kết luận Chương 1 32

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ 34

2.1 Cơ sở phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu 34

2.2 Phân tích kết cấu cầu treo dây võng bằng phần mềm SAP2000 36

2.2.1 Mô hình phần tử thanh không gian 37

2.2.2 Mô hình phần tử cáp 38

2.2.3 Mô hình phần tử liên kết/gối đỡ (link/support elements) 39

DUT.LRCC

2.3 Mô phỏng tải trọng nhiệt độ khi thiết kế cầu 40

2.3.1 Theo 22TCN 18-79 40

2.3.2 Theo AASHTO LRFD-07 41

2.3.3 Theo TCVN 11823:2017 41

2.3.4 Theo Eurocode EN 1991-1-5 42

2.3.5 Theo tiêu chuẩn China JTG D60-2004 44

2.4 Kết luận Chương 2 44

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ QUAN TRẮC 45

3.1 Giới thiệu chung về cầu treo Cầu Thuận Phước 45

3.1.1 Sơ đồ cầu 45

3.1.2 Mô tả kết cấu 45

3.1.3 Quy mô và thông số kỹ thuật công trình 46

3.2 Tổng quan hệ thống quan trắc cầu Thuận Phước 46

3.3 Mô hình hóa kết cấu cầu treo thuận phước trong SAP2000 54

3.3.1 Thông số mô hình hóa kết cấu: 54

3.3.2 Một số kết quả phân tích nội lực: 57

3.4 Kết quả phân tích hiệu ứng tải trọng nhiệt độ cầu treo thuận phước 63

3.4.1 Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo TCVN 11823-2017 63

3.4.2 Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo 22TCN 18-79 : 64

3.4.3 Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo AASHTO LRFD-07 65

3.4.4 Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ Theo Eurocode EN 1991-1-5 66

3.4.5 Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo Tiêu chuẩn China JTG D60-2004 67

3.5 Kết quả quan trắc nhiệt độ và biến dạng cầu treo thuận phước 69

3.6 So sánh kết quả quan trắc - phân tích 73

3.7 Tổng hợp kết quả 74

3.7.1 Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất do nhiệt độ theo các tiêu chuẩn thiết kế ở bảng sau: 74

3.7.2 Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất theo quan trắc thực tế và phân tích trên mô hình FEM 75

3.8 Kết luận chương 75

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 77 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1-2: Các công trình cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong các thời kỳ khác

2-3: Nhiệt độ thay đổi đều theo TCVN 11823:2017 41

2-5: Chênh nhiệt đô tuyến tính các loại cầu theo Eurocode 43

DUT.LRCC

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1-2: Sự sụp đổ cầu Brighton Chain Pier sụp đổ năm 1836 31-3: Cầu Brooklyn (New-York,Mỹ)- 1883, nhịp 486m 5

1-7: Cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)- 1998, nhịp 1991m 7

1-10: a) Sơ đồ biến dạng của cầu treo khi hoạt tải đứng trên nửa nhịp;

b) Cầu có khớp trên dầm cứng; c,d) Sơ đồ cầu treo dầm cứng 111-11: Biến dạng của cầu treo khi chịu tải trọng không đối xứng 12

1-14: Các sơ đồ cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang 15

1-16: Các biện pháp tăng cường độ cứng của cầu treo 20

1-23: Các biện pháp đảm bảo duỗi thẳng của dây 26

1-28: Bố trí chung và mặt cắt ngang cầu Thuận Phước 29

DUT.LRCC

2-4: Hộp thoại định nghĩa trường hợp phân tích phi tuyến trong

2-5: Sơ đồ một số loại phần tử liên kết trong SAP2000 392-6: Hộp thoại định nghĩa tính chất phần tử liên kết trong SAP2000 402-7: Biểu đồ chênh nhiệt theo TCVN 118232:2017 42

2-8: Hiệu chỉnh nhiệt độ thay đổi cho các cấu kiện cầu theo nhiệt độ

2-9: Hộp thoại mô tả tải chênh nhiệt độ theo JTG D60 trong

3-3: Mô hình tổng thể dầm bằng các phần tử tấm (shell) 583-4: Biểu đồ lực căng trong cáp chủ do tĩnh tải 58

3-6: Biểu đồ lực căng trong cáp chủ do hoạt tải 59

3-9: Biểu đồ bao momen do hoạt tải tại vị trí L/2 613-10: Kết quả phân tích mode dao động: Mode1 f=0,162Hz 613-11: Kết quả phân tích mode dao động: Mode2 f=0,267Hz 623-12: Kết quả phân tích mode dao động: Mode3 f=0,278Hz 62

3-13: Mô hình cầu Thuận Phước, dầm được mô phỏng bằng phần tử

3-14: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (TCVN

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn Phân tích và thiết kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ thống Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu

Hiện tại cầu Thuận phước đã được lắp đặt xong hệ thống quan trắc bao gồm nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm biến nhiệt độ Việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ

từ dữ liệu quan trắc đến các ứng xử của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, …) làm cơ sở cho phân tích đánh giá sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết

2 Mục tiêu đề tài

- Đánh giá ứng xử kết cấu nhịp chính cầu treo thuận phước do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế

- Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn kết cấu nhịp chính phù hợp với ứng xử thực

tế làm cơ sở cho đánh giá cầu

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Ứng suất, chuyển vị do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế lên kết cấu nhịp chính cầu treo Thuận Phước

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

DUT.LRCC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG

1.1 Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng

Cầu treo là loại công trình xuất hiện sớm và nhanh chóng được áp dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm về các phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật Với việc sử dụng dây làm kết cấu chịu lực chính, từ thời xa xưa con người làm những chiếc cầu treo đầu tiên dùng cho người đi bộ Cấu tạo của những chiếc cầu treo cổ xưa rất đơn giản, chỉ gồm các tấm ván lát trực tiếp lên các dây được buộc cố định hai đầu Các cầu treo kiểu này không có khả năng chịu tải trọng lớn, bị lắc ngang rung động mạnh và khả năng chịu gió bão rất kém

Chiếc cầu treo đầu tiên mang dáng vẻ gần với cầu treo hiện đại là cầu qua sông Tess được xây dựng năm 1741 ở Anh, cầu có chiều dài nhịp 21m dùng cho công nhân

mỏ đi lại Sự tiến bộ của chiếc cầu này là ở chỗ cấu tạo phần mặt cầu riêng biệt và được treo lên dây chủ thông qua các dây treo đứng

Cho tới những năm đầu thế kỷ XIX cầu treo bắt đầu được quan tâm do những ưu điểm về khả năng vượt nhịp và tính kinh tế so với cầu đá, cầu gỗ là loại đang được áp dụng phổ biến Năm 1820 khi xây dựng cầu treo qua sông Tweed (Anh) có nhịp 137m, người ta đã so sánh và thấy rằng giá thành chỉ bằng một phần tư so với phương án cầu

đá Ngoài nước Anh, các nước Pháp, Mỹ và một số nước châu Âu khác các công trình cầu treo nối tiếp được xây dựng, tuy nhiên vẫn chưa vượt được nhịp lớn Chiếc cầu treo điển hình và có chiều dài nhịp lớn nhất ở giai đoạn này là cầu Menai, được xây dựng năm 1826 ở xứ Wales với chiều dài nhịp 177m (Hình 1.1), cầu phục vụ được trong thời gian gần một trăm năm Đặc điểm của các công trình cầu treo trong thời kỳ này là các dây chủ có cấu tạo dạng dây xích

Sự xuất hiện của cáp vào những năm 30 của thế kỷ XIX đánh dấu một bước tiến quan trọng trong quá trình phát triển của cầu treo, vì độ bền của cáp lớn hơn nhiều so với dây xích do đó cho phép nâng cao khả năng vượt nhịp của cầu treo Vào năm 1834, lần đầu tiên với việc sử dụng dây cáp khi xây dựng cầu treo ở Fribourg (Thụy Sĩ) với chiều dài nhịp đã được nâng lên đến 265m, tiếp đó là cầu Wheeling (Virginia-Mỹ), năm

1849 với nhịp 308m

DUT.LRCC

Hình 1-1: Cầu qua vịnh Menai (Anh), nhịp 177m

Trong nửa đầu thế kỷ XIX mặc dù cầu treo được áp dụng mạnh và đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, song do cơ sở lý luận chưa hoàn chỉnh nên nhiều công trình không đảm bảo yêu cầu về độ cứng đặc biệt là khả năng chịu tác động của các nguyên nhân gây ra dao động như gió, bão Những tồn tại trên đây đã dẫn đến hàng loạt các sự cố nghiêm trọng của cầu treo trong thời kỳ này Bảng 1-1 thống kê một số tai nạn cầu treo điển hình trong thế kỷ XIX do các nguyên nhân nói trên

Hình 1-2: Sự sụp đổ cầu Brighton Chain Pier sụp đổ năm 1836

DUT.LRCC

Bảng 1-1: Các tai nạn cầu treo

Cầu Địa điểm Chiều dài

nhịp (m)

Năm xảy

ra tai nạn Nguyên nhân

Schuykill Falls Hoa Kỳ 47/124 1811/1816

Do một đàn gia xúc qua cầu/ tích tụ băng tuyết trên cầu

qua cầu khi có gió

Các sự cố sụp đổ cầu treo đã ảnh hưởng lớn đến định hướng phát triển của cầu treo trong thời kỳ sau đó Thêm vào đó, do đòi hỏi của thực tiễn về sự gia tăng tải trọng của các phương tiện vận tải đã thúc đẩy các nhà xây dựng nghiên cứu sâu sắc hơn đặc điểm làm việc của cầu treo để tìm kiếm các giải pháp nhằm nâng cao độ cứng và cải thiện sự làm việc của công trình Từ nửa cuối thế kỷ XIX đã hình thành hai hướng phát triển của cầu treo như sau:

- Hướng thứ nhất: Tăng cường độ cứng của cầu bằng cách chuyển từ dầm mềm sang dầm cứng Mặc dù cho đến thời gian này lý thuyết tính toán hệ treo dầm cứng chưa hình thành nhưng bằng kinh nghiệm thực tế và qua các kết quả thí nghiệm người

ta thấy rõ vai trò của dầm cứng trong việc nâng cao độ cứng chung của hệ Những vấn

đề về lý thuyết đối với cầu treo dầm cứng dần được hoàn thiện trong những năm sau

đó

- Hướng thứ hai: Sử dụng hệ giàn dây thay cho dây võng nhằm giảm biến dạng hình học từ đó nâng cao độ cứng của cầu Loại cầu này được áp dụng nhiều ở Pháp với các sơ đồ do Gisclard đề xuất Tại các nước Cộng hoà thuộc Liên Xô cũ trong khoảng thời gian sau chiến tranh thế giới thứ nhất cho tới những năm giữa thế kỷ XX dạng cầu giàn dây vẫn còn tiếp tục được áp dụng với các sơ đồ được cải tiến từ hệ Gisclard Tuy nhiên do có cấu tạo phức tạp, trong những năm sau đó cầu dàn dây hầu như không được

DUT.LRCC

áp dụng mà người ta chuyển sang hệ thống cầu dây văng dầm cứng

Cuối thế kỷ XIX chiều dài nhịp của cầu treo đã tiến gần tới mức 500m Cầu Brooklyn (New York, Hoa Kỳ) xây dựng năm 1883 với biện pháp dùng các dây văng phụ tăng cường độ cứng đã vượt được nhịp 486m (Hình 1-3)

Hình 1-3: Cầu Brooklyn (New-York, Mỹ)- 1883, nhịp 486m

Sang thế kỷ XX, với nhịp độ phát triển nhanh của các ngành kho a học kỹ thuật cho phép hoàn thiện hơn những nghiên cứu lý thuyết cộng với những kinh nghiệm tích lũy được trong quá trình xây dựng đã tạo nên bước nhảy vọt về khả năng vượt nhịp của cầu treo vào những năm 30 của thế kỷ này Mở đầu là cầu G Washington (New York, Hoa Kỳ) nhịp 1067m (Hình 1-4) xây dựng năm 1931; tiếp sau đó là cầu Golden Gate (San Francisco, Hoa Kỳ) năm 1937 với nhịp 1280m (Hình 1-5)

Hình 1-4: Cầu G Washington nhịp 1067m

DUT.LRCC

Hình 1-5: Cầu Golden Gate nhịp 1280m

Trong khi các công trình cầu treo nhịp lớn đang nối tiếp được xây dựng thì vào năm 1940 xảy ra vụ đổ cầu Tacoma Narrows (Hoa Kỳ) Tai nạn này đã thu hút sự quan tâm của nhiều người vì đây là công trình cầu treo nhịp lớn và đặc biệt là toàn bộ diễn biến của tai nạn đã quay được phim (Hình 1.6a) Cầu Tacoma có nhịp chính dài 853m, chiều rộng mặt cầu 11,9m, dầm chủ dạng dầm đặc cao 2,45m và dây chủ có đường kính 45,8cm được treo với mũi tên võng bằng 79,70m Xét về tương quan giữa chiều rộng mặt cầu và chiều cao dầm chủ so với chiều dài nhịp thì cả hai chỉ tiêu này đều đạt kỷ lục

về độ mảnh vào thời điểm bấy giờ Sau khi thông xe được 6 tháng cầu đã bị đổ khi gió thổi với vận tốc khoảng 70km/h

Hình 1-6: Cầu Tacoma Narrows

Sau vụ đổ cầu Tacoma Narrows người ta đã quan tâm đặc biệt tới nghiên cứu thực nghiệm về tác dụng của gió đối với cầu treo và tìm các biện pháp khắc phục Sự kiện Tacoma chỉ làm cho các nhà thiết kế thận trọng hơn chứ không làm hạn chế bước phát triển của cầu treo Đặc biệt, thời kỳ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai do nhu cầu cấp bách của việc khôi phục kinh tế, cầu treo được áp dụng rộng rãi hơn với kỹ thuật ngày càng tiến bộ

DUT.LRCC

Có thể nêu lên một số công trình cầu treo hiện đại được xây dựng vào nửa sau thế kỉ XX như cầu Tancarville bắc qua sông Seine (Pháp, năm 1959) áp dụng biện pháp neo dây chủ vào điểm giữa nhịp dầm cứng, cầu có nhịp chính dài 608m; cầu Verrazano Narrows (Mỹ, 1964) với nhịp 1298m; cầu Severn (Anh, 1966) với nhịp 988m là chiếc cầu treo nhịp lớn đầu tiên áp dụng giải pháp cấu tạo các dây treo xiên hình tam giác và dầm cứng có tiết diện hình hộp; cầu Humber (Anh-1981)- nhịp 1410m; cầu Great Belt (Đan mạch-1997) nhịp 1624m và năm 1998 Nhật Bản đã hoàn thành việc xây dựng cầu treo Akashi Kaikyo gồm 3 nhịp bố trí theo sơ đồ 960+1991+960m, đây là công trình cầu treo vượt nhịp lớn nhất hiện nay (Hình 1-7) Để thấy rõ hơn quá trình phát triển của cầu treo, bảng 1.2 thống kê các cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong từng giai đoạn từ trước đến nay và hình 1.8 giới thiệu một số công trình cầu treo nhịp lớn hiện đại được sắp xếp theo thứ tự chiều dài nhịp

Hình 1-7: Cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)- 1998, nhịp 1991m

Về quan điểm chống lại ảnh hưởng của lực gió tác động lên công trình, sau sự cố của cầu Tacoma đã hình thành hai trường phái khác nhau Các chuyên gia Mỹ và Nhật Bản theo hướng sử dụng các kết cấu đủ cứng để đảm bảo ổn định khí động và chống lại hiện tượng flutter của gió Do đó dầm cứng cần được tăng cường độ cứng theo cả phương dọc và phương ngang đủ khả năng chịu lực thẳng đứng và lực gió ngang, đồng thời tăng khả năng chống xoắn của tiết diện để chống lại các dao động uốn-xoắn đồng thời Dựa trên nguyên tắc đó hầu hết các cầu treo ở Mỹ và Nhật Bản đều sử dụng dàn cứng không gian thay cho hệ dầm cứng cổ điển Cầu Tacoma được xây dựng lại và hoàn thành năm

1950 với chiều dài nhịp giữ nguyên như cũ (835m) và dầm cứng được thay bằng giàn không gian cao 10,1m, rộng 18,3m (hình 1.6b) Năm 1957 khi xây dựng cầu qua vịnh Mackinac (Mỹ) nhịp chính dài 1158m, để tăng cường độ cứng ngang và độ cứng chống

DUT.LRCC

xoắn người ta đã sử dụng một dàn không gian rộng 20,7m trong khi chiều rộng hữu ích của phần xe chạy chỉ là 15m Các công trình tiếp theo như cầu Verrazano Narrows (Hoa

Kỳ, 1964) và Akashi Kaikyo (Nhật Bản, 1998) đều áp dụng hệ dàn cứng không gian

Bảng 1-2: Các công trình cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong các thời kỳ khác nhau

Cầu Địa điểm Năm xây

dựng

Chiều dài nhịp (m)

Cầu Schuylkill Falls Philadelphia, Mỹ 1816 124

DUT.LRCC

Hình -18: Một số sơ đồ cầu treo nhịp lớn hiện đại

Trong khi đó ở Châu Âu lại có xu hướng dùng kết có chiều cao thấp, hình dạng thoát gió để giảm ảnh hưởng của gió tác dụng lên công trình Năm 1966 lần đầu tiên người ta áp dụng dầm cứng tiết diện hình hộp dạng thoát gió vào công trình cầu Severn (Anh), cầu có nhịp chính dài 988m và tiết diện hình hộp thép cao 3,0m rộng 22,9m (Hình 1.9) Mặc dù sau ít năm sử dụng công trình xuất hiện một số hư hỏng (dây treo bị đứt, các mối hàn của dầm chủ bị nứt) nhưng quan điểm trên vẫn tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện và áp dụng cho nhiều công trình tiếp theo như cầu Bosporus (Thổ Nhĩ Kỳ, 1973) nhịp 1074m có dầm hộp thép cao 3,0m rộng 28,0m; Cầu Humber (Anh, 1981) nhịp 1410m và dầm hộp thép cao 4,5m rộng 22,0m; Cầu Hga Kusten (Thụy Điển, 1997) nhịp 1210m, dầm thép hình hộp cao 4m rộng 22m; Cầu Great Belt (Đan Mạch, 1997) nhịp 1624m, dầm hộp thép cao 4m rộng 31,0m

608 tanc arv ille (ph¸p) 195 9

1074 Bosporus (th æ nh Ü k×) 197 3

akashi-kaikyo (nh Ët b¶n) 199 8

1991

DUT.LRCC

Hình 1-9: Cầu Severn (Anh)

Ngoài những tiến bộ đạt được trong nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực nghiệm cũng như công nghệ thi công, một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng rất lớn tới quá trình phát triển của cầu treo là những thành tựu trong công nghệ luyện kim Nhìn lại khoảng thời gian trong một thế kỷ qua ta thấy những bước tiến trong xây dựng cầu treo gắn liền với việc sản xuất được vật liệu (cáp) có độ bền cao như cầu Brooklyn (1883)

sử dụng cáp có cường độ 1100MPa; cầu Manhattan (1909) - 1470MPa; cầu G Washington (1932) - 1520MPa và cho tới những công trình cuối thế kỷ XX như Great Belt (1997), Akashi-Kaikyo (1998) sử dụng cáp có cường độ tới 1800MPa

Rõ ràng, cầu treo là loại công trình chiếm một vị trí quan trọng trong lịch sử phát triển của ngành xây dựng cầu Nhờ những ưu điểm về các phương diện kinh tế - kỹ thuật, cầu treo đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, từ những công trình có chiều dài nhịp vài chục mét đến hàng nghìn mét Nhiều công trình cầu treo đã trở thành các biểu tượng đánh dấu sự phát triển của khoa học - công nghệ

1.2 Các dạng kết cấu cầu treo dây võng

Cầu treo đơn giản nhất là hệ trong đó bộ phận chịu lực chính được làm bằng dây cáp hoặc dây xích treo trên hai tháp cầu, hai đầu dây được neo vào mố neo, được gọi là dây chủ có dạng võng theo hình gần với đường cong parabol bậc hai Hệ mặt cầu có độ cứng nhỏ và được treo lên dây chủ qua các dây treo đứng Loại này được gọi là cầu treo dầm mềm Do độ cứng của hệ dầm mặt cầu rất nhỏ nên khi hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp thì dây cáp bị biến hình tương ứng với vị trí của hoạt tải Độ võng của dây chủ càng lớn khi tỷ số giữa hoạt tải và tĩnh tải càng lớn Nói một cách khác, độ võng của hệ phụ thuộc vào tỷ số giữa lực căng trong dây cáp do tĩnh tải và hoạt tải gây nên Nguy hiểm

4,50 11,43

DUT.LRCC

nhất là trường hợp hoạt tải đứng trên nửa nhịp, khi đó biểu đồ độ võng của hệ có dạng hình chữ S (Hình 1-10a)

Hình 1-10: a) Sơ đồ biến dạng của cầu treo khi hoạt tải đứng trên nửa nhịp; b) Cầu có

khớp trên dầm cứng; c,d) Sơ đồ cầu treo dầm cứng Các cầu treo dầm mềm có độ cứng nhỏ nên dưới tác dụng của hoạt tải và tải trọng gió có thể xuất hiện các dao động uốn và xoắn, đôi khi biên độ dao động rất lớn làm ảnh hưởng tới sự khai thác bình thường và gây hư hỏng hoặc phá hoại công trình Trong lịch

sử cầu treo đã có rất nhiều tai nạn của cầu treo dầm mềm Vì vậy phạm vi ứng dụng của cầu treo dầm mềm ngày nay rất hạn chế, nó chỉ còn được dùng khi tĩnh tải lớn hơn rất nhiều so với hoạt tải hoặc chỉ chịu tác động của tĩnh tải như kết cấu đường ống dẫn nước, dẫn dầu hoặc khí đốt

Việc tăng cường độ cứng của cầu treo dây cáp hoặc dây xích có thể đạt được bằng nhiều biện pháp khác nhau nhưng phổ biến hơn cả là bố trí một dầm cứng với một

số khớp dọc theo chiều dài nhịp (Hình 1-10b) để khống chế mômen uốn trong kết cấu nhịp Dầm cứng có tác dụng phân phối đều tải trọng lên dây và giảm độ võng của hệ Trường hợp bố trí dầm cứng đủ lớn để chịu mômen uốn thì không cần cấu tạo khớp (Hình 1-10c), với nhịp lớn người ta có thể bố trí dàn cứng ở phần đường xe chạy (Hình 1-10d) Khi đó cầu treo dầm mềm trở thành cầu treo dầm cứng

Trong cầu treo dầm mềm, khi tải trọng thẳng đứng phân bố đều trên suốt chiều dài nhịp thì độ võng của dây chỉ do biến dạng đàn hồi Như vậy để giảm ảnh hưởng của biến dạng hình học cần phải có biện pháp phân bố tải trọng tương đối đều trên chiều dài nhịp Đó là một trong các tác dụng cơ bản của dầm cứng, ngoài ra bản thân dầm cứng tham gia chịu lực cũng làm giảm biến dạng chung của hệ dưới tác dụng của tải trọng tập

d) c) b) a)

DUT.LRCC

trung Mức độ giảm biến dạng hình học của dây dưới tác dụng của tải trọng tập trung phụ thuộc chủ yếu vào độ cứng của dầm (Hình 1-11)

Hình 1-11: Biến dạng của cầu treo khi chịu tải trọng không đối xứng

1- Vị trí ban đầu của dây và mặt cầu; 2- Vị trí của dây và mặt cầu khi không có

dầm cứng; 3- Vị trí của dây và mặt cầu khi có dầm cứng

Để giảm mômen uốn trong dầm cứng thường không cho dầm chịu tĩnh tải bằng cách điều chỉnh nội lực hoặc tạo các khớp tạm trên dầm cứng trong giai đoạn thi công

Ví dụ, khi lắp ráp dầm người ta cấu tạo các khớp tạm tại các điểm treo dây và chỉ nối cứng sau khi đã hoàn toàn lắp xong các đốt dầm và hệ mặt cầu Khi đó trong dầm sẽ xuất hiện mômen uốn cục bộ trong phạm vi khoang, chiều dài các khoang dầm thường rất nhỏ so với nhịp nên trị số mô men uốn cục bộ không đáng kể so với mômen tổng thể

do hoạt tải Vì vậy thực tế có thể xem như dầm không chịu tĩnh tải

Chiều cao dầm cứng thường lấy bằng 1/50-1/70 chiều dài nhịp Trong các cầu nhịp lớn hơn 500- 600m tỷ số này có thể nhỏ hơn (1/80 chiều dài nhịp), còn khi nhịp trên 1000m tới 1/120 hoặc thậm trí nhỏ hơn Ví dụ cầu Golden Gate có nhịp chính dài 1281m, chiều cao dầm cứng 7,62m, tỷ số giữa chiều cao dầm cứng và chiều dài nhịp là 1/168

Theo cách neo dây, cầu treo dầm cứng có thể phân thành các loại như sau: (1) Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang là kết cấu trong đó dây được neo vào

mố neo Do chịu lực ngang nên mố neo thường được làm bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép với kích thước và trọng lượng đủ lớn để có khả năng chống lật, chống nhổ và chống trượt Mố neo trong cầu treo bao giờ cũng là một công trình đồ sộ, tốn kém và thường hạn chế áp dụng khi nằm trong vùng địa chất xấu

(2) Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang là kết cấu trong đó dây được neo vào đầu dầm cứng Như vậy không cần phải cấu tạo mố neo chịu lực ngang, tuy nhiên trong trường hợp này dầm cứng ngoài chịu uốn còn chịu lực nén dọc do vậy kích thước dầm phải lớn hơn

DUT.LRCC

1.2.1 Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang

Tuỳ theo đặc điểm địa hình, địa chất, thuỷ văn khu vực cũng như tuỳ thuộc vào chiều dài cầu, sự phân bố nhịp và mố trụ, cầu treo có thể làm một nhịp, ba nhịp hoặc nhiều nhịp Mỗi sơ đồ có đặc điểm riêng về cấu tạo, khả năng chịu lực, độ cứng và công nghệ thi công Dưới đây sẽ phân tích các tính năng cơ bản, trên cở sở đó có thể chỉ ra phạm vi áp dụng của từng sơ đồ

1.2.2 Cầu treo một nhịp

Cầu treo một nhịp bao gồm hai trụ bờ đỡ tháp cầu và làm gối tựa cho dầm cứng Dây cáp chủ có dạng đường cong parabol được vắt qua đỉnh tháp và hai đầu được neo vào các mố neo (Hình 1-12) Cầu treo một nhịp có các dây neo nối từ tháp cầu xuống

mố neo được coi như một thanh thẳng nên khi chịu lực dây chỉ làm việc đàn hồi tuyến tính tránh được biến dạng hình học phi tuyến của dây chủ nhịp biên khi tải trọng đứng trên nhịp giữa trong sơ đồ ba nhịp

Hình 1-12: Sơ đồ cầu treo một nhịp

1- Dây cáp chủ; 2- Tháp cầu; 3- Trụ (mố); 4- Dầm cứng; 5- Mố neo; 6- Dây treo đứng

Như vậy hệ một nhịp là hệ có độ cứng lớn nhất so với các hệ ba nhịp và nhiều nhịp Trong các trường hợp để vượt các sông không lớn lắm hoặc qua các thung lũng

mà điều kiện địa chất, địa hình không thuận lợi cho việc xây dựng trụ thì việc áp dụng

hệ một nhịp tỏ ra hợp lý

1.2.3 Cầu treo ba nhịp

Trong những trường hợp cần vượt qua các sông lớn, bãi sông rộng, chiều cao tĩnh không thông thuyền lớn, hệ cầu dẫn rất dài thì cần nghiên cứu áp dụng hệ ba nhịp để vừa cho phép kéo dài cầu vừa tận dụng khả năng làm việc của hệ dây cáp neo Để cân bằng lực căng trong dây, các điểm tựa của dây trên đỉnh tháp trong sơ đồ cầu ba nhịp được đảm bảo chuyển vị tự do theo phương dọc cầu

Dầm cứng có thể là loại dầm có sườn đặc hoặc có dạng dàn Về mặt tĩnh học có thể có sơ đồ dầm đơn giản (Hình 1-13a) hoặc là dầm liên tục (Hình 1-13b) Chiều dài của nhịp biên có thể lấy tới 1/2 chiều dài nhịp chính, tuy nhiên có thể nhỏ hơn tuỳ thuộc vào tình hình phân bố nhịp cụ thể trên sông Khi chiều dài nhịp biên nhỏ hơn một phần

tư chiều dài nhịp chính và dầm cứng nhịp biên đủ khả năng chịu lực độc lập thì có thể

không cần bố trí các dây treo đứng và khi đó trở thành sơ đồ hệ một nhịp có các nhịp biên với tư cách là hệ dầm dẫn (Hình 1-13c,d)

Hình 1-13: Các sơ đồ cầu treo ba nhịp

Sơ đồ ba nhịp có dầm cứng liên tục cho phép nâng cao độ cứng của hệ, tạo cho đường đàn hồi có dạng trơn tru tránh phải cấu tạo khe biến dạng có chuyển vị lớn, nơi thường xảy ra các hư hỏng và không đảm bảo độ êm thuận khi xe qua cầu

Trong cầu treo dầm cứng liên tục ba nhịp có dây treo đứng ở nhịp biên khi hoạt tải đứng trên nhịp chính tạo độ vồng ngược ở nhịp biên làm tăng thêm biến dạng hình học phi tuyến của dây nhịp biên và kết quả làm giảm độ cứng chung toàn cầu Vì vậy, trong thực tế với cầu nhịp lớn phổ biến sử dụng dầm cứng là dầm đơn giản Ví dụ, cầu Golden Gate có 3 nhịp theo sơ đồ 344 + 1281 + 344m, nhịp biên có dây treo đứng, dầm cứng là những nhịp đơn giản dạng dàn Ngược lại trong cầu treo ba nhịp với chiều dài nhịp không lớn lắm thì biện pháp chủ yếu là dầm cứng liên tục

1.2.4 Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang

Như trên đã phân tích, nhược điểm lớn của cầu treo là phải cấu tạo mố neo đồ sộ, tốn kém và rất phức tạp khi công trình nằm trong khu vực địa chất xấu Nếu trong các

sơ đồ cầu treo ba nhịp liên kết các đầu dây chủ vào đầu dầm thì dầm cứng sẽ chịu toàn

bộ lực ngang thay cho mố neo Khi đó hệ trở thành cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang và mở ra triển vọng áp dụng dầm cứng bằng bê tông cốt thép trong cầu treo Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang phổ biến ứng dụng với sơ đồ ba nhịp với nhịp biên có dây treo đứng hoặc không (Hình 1-14a,b), tuy nhiên cũng có thể áp dụng cho sơ

đồ nhiều nhịp

d) c) b) a)

DUT.LRCC

Dầm cứng thông thường là dầm liên tục, nhưng cũng có thể là dầm mút thừa hoặc dầm đơn giản được liên kết với nhau bằng các khớp để truyền lực dọc tác dụng vào dầm

Hệ không có lực đẩy ngang có các ưu điểm chính sau :

(1) Không cần xây dựng các mố để neo dây Đặc biệt trong trường hợp điều kiện địa chất khu vực xây dựng cầu không thuận lợi cho việc xây dựng mố thì giải pháp neo dây vào đầu dầm càng tỏ rõ tính ưu việt của mình

(2) Giảm đáng kể ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ đến sự làm việc của hệ

Hình 1-14: Các sơ đồ cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang

(3) Có lợi thế khi sử dụng dầm cứng bê tông cốt thép vì lợi dụng lực nén dọc do dây cáp truyền vào dầm Lực nén này có thể điều chỉnh được bằng cách thay đổi mũi tên võng của dây cáp Theo ý kiến của một số chuyên gia thì cầu treo dầm cứng bằng bê tông cốt thép ứng suất trước có lợi khi sử dụng cho nhịp có chiều dài tới 500m

Tuy nhiên hệ này cũng có một số nhược điểm so với hệ có lực đẩy ngang, đó là: (1) Vì dầm cứng phải được lắp ráp trước để neo dây nên khi thi công cần có giàn giáo hoặc trụ tạm hoặc dây treo tạm

(2) Do phải chịu thêm lực dọc nên dầm cứng phải khá lớn, làm tăng lượng vật liệu sử dụng cho dầm, đôi khi dẫn đến kém hiệu quả kinh tế cho cả phương án cầu (3) Khi hoạt tải tác dụng trên kết cấu nhịp độ võng của dầm cứng và của dây sẽ tăng thêm do tác động của lực nén truyền vào dầm

Do các nhược điểm này mà cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang ít được ứng dụng trong thực tế

1.2.5 Cầu treo nhiều nhịp

Mặc dù cầu treo có khả năng vượt được các nhịp rất lớn nhưng trong một số các trường hợp tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể cần phải xem xét, lựa chọn giữa phương án cầu treo một nhịp hoặc ba nhịp với phương án nhiều nhịp Một ví dụ điển hình cho việc

áp dụng sơ đồ nhiều nhịp là cầu treo San Marcos, xây dựng năm 1952, qua sông Lempa

b)

V

a)

H V

H V

V

DUT.LRCC

ở Elsalvado, cầu gồm 5 nhịp 76+159+204+159+76m với các dây treo hình quả trám Đáng tiếc là chiếc cầu này đã bị phá hỏng trong nội chiến

Trong cầu treo nhiều nhịp dây cáp được bố trí liên tục qua tất cả các nhịp hoặc qua một số nhịp và neo vào mố ở hai đầu (Hình 1-15) Với sơ đồ trên Hình 1-15a nếu chiều dài nhịp biên nhỏ thì có thể không cần dây treo đứng hoặc thay nhịp biên bằng nền đất đắp

Các nhịp chính trong sơ đồ cầu nhiều nhịp có thể bố trí như nhau để đảm bảo mỹ quan và sự chịu lực đồng đều của hệ dây, tuy nhiên để tăng cường độ cứng có thể bố trí các nhịp khác nhau Dầm cứng nên sử dụng dầm đơn giản với các lý do như đã phân tích ở phần trên

Nhược điểm của cầu treo nhiều nhịp là khi chất tải lên một trong các nhịp thì độ võng của nhịp đó rất lớn Sở dĩ như vậy là do ảnh hưởng của biến dạng trong tất cả các nhịp khác Để nâng cao độ cứng của cầu treo nhiều nhịp có thể có một số biện pháp như sau:

(1) Xây dựng một số tháp cứng theo phương dọc cầu và trên đỉnh tháp dây cáp được neo cố định (Hình 1-15b) Tháp cứng là biện pháp tốt nhất để tăng cường độ cứng chung và khả năng làm việc của hệ Tuy nhiên cấu tạo của tháp cứng phức tạp, giá thành cao hơn nhiều so với mố neo

(2) Chia hệ nhiều nhịp ra thành các hệ ba nhịp riêng biệt bằng cách cấu tạo các trụ neo trung gian (Hình 1-15c)

(3) Liên kết tất cả các đỉnh tháp bằng một dây neo phụ (Hình 1-15d) Dây cáp chủ và dây neo phụ được liên kết cố định trên các đỉnh tháp Khi hoạt tải đứng trên một nhịp bất kỳ thì dây neo phụ truyền một phần đáng kể lực ngang vào các mố neo hai bên

bờ Phần lực ngang còn lại sẽ được dây cáp chủ truyền vào mố neo Dây neo phụ được căng trước sao cho dạng của nó có thể xem như thẳng, khi chịu lực trong dây chỉ xuất hiện biến dạng đàn hồi Dây neo phụ làm giảm chuyển vị ngang đỉnh tháp và tăng độ cứng chung toàn cầu

DUT.LRCC

Hình 1-15: Các sơ đồ cầu treo nhiều nhịp

a) Cầu treo nhiều nhịp và sơ đồ biến dạng; b) Cầu treo nhiều nhịp có tháp cứng; c) Cầu treo nhiều nhịp trụ neo trung gian; d) Cầu treo nhiều nhịp có dây neo phụ

Vì sự phức tạp và tính kinh tế không cao nên trong thực tế sơ đồ cầu treo nhiều nhịp ít được sử dụng

1.2.6 Cầu treo được tăng cường độ cứng

Cơ sở lý thuyết của các biện pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo dựa trên những phân tích về biến dạng của cầu treo dầm mềm Dưới tác dụng của tải trọng độ võng của hệ phát sinh từ hai nguyên nhân sau:

- Dãn dài của dây cáp;

- Chuyển vị do sự thay đổi dạng hình học ban đầu của dây khi hoạt tải di động trên kết cấu nhịp Nguy hiểm nhất là trường hợp tải trọng tác dụng không đối xứng trên một phần kết cấu nhịp, khi đó biểu đồ độ võng có dạng hình chữ S

Nói chung, dưới tác dụng của tải trọng độ võng trong hệ phát sinh do cả hai nguyên nhân trên, tương quan giữa chúng tuỳ thuộc vào các thông số hình học của hệ

và đặc điểm tác dụng của tải trọng (vị trí hoạt tải, tương quan độ lớn giữa hoạt tải với tĩnh tải) Các biện pháp nâng cao độ cứng cho cầu treo có thể phân thành hai nhóm như sau:

Nhóm thứ nhất: Giảm biến dạng dãn dài của các phân tố chịu lực

Biến dạng dãn dài của cáp, phân tố chịu lực chính trong cầu treo có thể được hạn chế bằng các cách như sau:

(1) Sử dụng bó cáp có các sợi song song thay cho loại cáp bện xoắn Với các bó

cáp bện khi chịu kéo biến dạng dãn dài không chỉ phát sinh do dãn đàn hồi mà còn do khuynh hướng duỗi thẳng của các sợi cáp Do đó môđun đàn hồi thực tế giảm và làm tăng biến dạng Việc sử dụng cáp có các sợi song song sẽ khắc phục được hiện tượng biến dạng không đàn hồi nói trên của cáp

(2) Tăng độ lớn mũi tên võng của dây chủ Việc tăng đường tên của dây chủ (tới 1/7-1/8 chiều dài nhịp) sẽ làm giảm lực căng dẫn đến giảm biến dạng dãn đàn hồi của dây Tuy nhiên khi tăng mũi tên võng ban đầu sẽ làm tăng khả năng thay đổi dạng hình học của dây khi tải trọng tác dụng trên một phần kết cấu nhịp Vì vậy giải pháp này thường chỉ được áp dụng trong các sơ đồ đã có các biện pháp hạn chế biến dạng hình học

Nhóm thứ hai: Hạn chế chuyển vị do biến dạng hình học của dây khi tải trọng tác dụng trên một phần kết cấu nhịp

Chuyển vị phát sinh bởi sự thay đổi dạng hình học của dây là nguyên nhân chủ yếu gây ra độ võng lớn trong cầu treo Để hạn chế chuyển vị do biến dạng hình học có các giải pháp như sau:

1- Tăng cường độ cứng cho bộ phận công trình làm việc chịu uốn Đối với kết cấu dây mềm, khi tải trọng phân bố tương đối đều trên dây thì sẽ hạn chế được sự thay đổi dạng hình học ban đầu của dây Để đạt được điều đó người ta đã sớm nhận ra rằng cần phải nâng cao độ cứng của bộ phận công trình làm việc chịu uốn (dầm) Do đó, ngay từ nửa cuối thế kỷ XIX dầm cứng đã được áp dụng thay cho dầm mềm trong kết cấu nhịp cầu treo Thực tế cho thấy dầm cứng có ý nghĩa rất quan trọng trong việc nâng cao độ cứng và cải thiện điều kiện làm việc của hệ Nhờ có dầm cứng tải trọng được phân bố đều lên dây do đó hạn chế tính biến dạng hình học của dây Ngoài ra dầm cứng còn tham gia chịu lực, cùng với dây tạo thành một kết cấu liên hợp, mức độ tham gia chịu lực của dầm cứng tùy thuộc quan hệ giữa độ cứng chống uốn của dầm và độ cứng chịu kéo của dây Tuy nhiên biện pháp này vẫn tồn tại nhược điểm là khi hoạt tải đứng trên nửa nhịp giá trị

độ võng và mô men uốn ở 1/4 nhịp khá lớn do dây bị biến hình Để đảm bảo độ võng của cầu theo các tiêu chuẩn thiết kế, dầm cứng đôi khi phải có tiết diện rất lớn, điều đó ảnh hưởng đến hiệu quả kinh tế của phương án

2- Hạn chế sự thay đổi dạng hình học ban đầu của dây Với kết cấu dây mềm, dạng hình học của dây thay đổi theo vị trí của hoạt tải, tương quan độ lớn giữa hoạt tải với tĩnh tải Ngoài ra, khả năng dịch chuyển tự do trên phương nằm ngang cũng là một yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến tính biến dạng hình học của dây Từ những nhận xét trên người ta đã áp dụng nhiều biện pháp khác nhau nhằm hạn chế sự thay đổi dạng hình học của dây với những nguyên tắc cơ bản như sau:

- Hạn chế khả năng dịch chuyển trên phương nằm ngang của dây

DUT.LRCC

- Cấu tạo dạng hình học ban đầu của dây phù hợp với các vị trí tải trọng tác dụng trên kết cấu nhịp

- Tạo trạng thái ứng suất trước trong hệ, tác động của hoạt tải sẽ được bù trừ bởi lực căng trước do đó nâng cao tính ổn định hình học của dây

Trong thực tế, chuyển vị do sự thay đổi dạng hình học của dây chiếm phần chủ yếu trong tổng giá trị độ võng của cầu treo Vì vậy hạn chế biến dạng hình học của dây

là một giải pháp hiệu quả nhằm nâng cao độ cứng chung toàn hệ Các biện pháp tăng cường độ cứng của cầu treo chủ yếu dựa trên nguyên tắc này Trong phần dưới đây sẽ giới thiệu một số biện pháp cơ bản để tăng cường độ cứng cho cầu treo

1.2.6.1 Hệ có dây chủ neo vào dầm cứng tại điểm giữa nhịp

Sự thay đổi dạng hình học ban đầu của dây phụ thuộc vào mức độ dịch chuyển theo phương nằm ngang của các điểm trên dây Quan sát sơ đồ biến dạng của cầu treo khi tải trọng đứng trên một phần kết cấu nhịp (Hình 1-16a) ta thấy điểm giữa nhịp của dây B dịch chuyển tới vị trí mới B’ Như vậy, nếu hạn chế được chuyển vị nằm ngang của điểm B thì sẽ hạn chế được mức độ biến hình của dây Từ những phân tích trên người ta thực hiện việc neo dây vào điểm giữa nhịp của dầm cứng (Hình 1-16b)

DUT.LRCC

Hình 1-16: Các biện pháp tăng cường độ cứng của cầu treo

a Biến dạng của cầu treo; b Neo dây tại giữa dầm; c Hệ hai dây; d,e Hệ có dây văng tăng cường; f Hệ có các dây treo xiên hình tam giác; g Hệ có dây căng ngược

Neo dây vào dầm cứng có tác dụng hạn chế chuyển vị trên phương nằm ngang của dây và chia dây chủ ra làm hai phần làm việc tương đối độc lập với nhau Khi tải trọng tác dụng trên nửa nhịp nào thì nửa dây ở bên đó chịu, phần lớn lực căng sẽ truyền vào dầm chủ qua điểm neo mà ít gây ra nội lực cho nửa dây bên kia Biện pháp này đã được áp dụng cho cầu Tancarville qua sông Sein ở Pháp (Hình 1-17) và cầu Salazar qua sông Tagus ở Lisbon -Bồ Đào Nha

Hình 1-17: Cầu Tancarville

Kết quả nghiên cứu cầu treo một nhịp có dây chủ được neo vào giữa dầm cho thấy độ võng do hoạt tải ở 1/4 nhịp giảm từ 1,5 đến 3 lần và mômen uốn trong dầm cứng giảm 2 lần so với cầu treo thông thường Tuy nhiên biện pháp này không ảnh hưởng đến mômen uốn và độ võng tại tiết diện giữa nhịp Vì vậy trong hệ này độ võng lớn nhất không xuất hiện ở 1/4 nhịp mà là ở giữa nhịp

Nhược điểm chính của hệ này là khi hoạt tải di động trên kết cấu nhịp gây ra lực căng khác nhau trong hai nửa dây vì vậy trên nửa nhịp dầm cứng phải chịu một lực dọc khá lớn và thay đổi dấu theo vị trí hoạt tải Ngoài ra phải tăng cường kết cấu mố trụ để tiếp nhận lực ngang do lực dọc trong dầm truyền qua gối cố định

1.2.6.2 Hệ có các dây văng tăng cường

Để giảm độ võng ở khu vực 1/4 nhịp, người ta sử dụng các dây văng liên kết với dầm cứng tại một số điểm và treo lên đỉnh tháp (Hình 1.18c) Các dây văng tăng cường

có vai trò như những gối đàn hồi bổ sung cho dầm cứng tại khu vực có độ võng lớn Biện pháp này rất có hiệu quả trong việc tăng độ cứng, cải thiện điều kiện làm việc của

hệ Ngoài ra có thể áp dụng thuận tiện để nâng cấp tải trọng hoặc sửa chữa cầu cũ Biện pháp tăng cường độ cứng bằng các dây văng có thể giảm độ võng của cầu tại 1/4 nhịp

từ 2 đến 3,5 lần và độ vồng bên nửa nhịp không đặt tải giảm từ 4 đến 5 lần so với cầu treo thông thường Những kết quả nghiên cứu được công bố gần đây cho thấy hiệu quả của biện pháp này còn cao hơn nữa

Giải pháp dùng các dây văng phụ để tăng cường độ cứng cho cầu treo được John

A Roebling áp dụng lần đầu tiên vào năm 1851 khi xây dựng cầu Lewiston trên tuyến đường sắt qua sông Niagara (Hoa Kỳ), vượt nhịp 318m, cầu phục vụ được trên 50 năm Đến năm 1883 con trai của ông đã áp dụng kết cấu tương tự như cầu Lewiston để xây dựng cầu treo Brooklyn (New York) nhịp 486m Cho tới thời gian sau này, biện pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo bằng các dây văng phụ vẫn còn được áp dụng như trường hợp cầu Salazar (Lisbon, Bồ đào nha) năm 1966 Điều đáng lưu ý trong công

DUT.LRCC

trình này là quá trình xây dựng được chia làm hai giai đoạn: giai đoạn thứ nhất cầu chỉ

có 4 làn xe ôtô đi ở tầng trên, khi đó chưa cấu tạo các dây văng tăng cường Giai đoạn thứ hai người ta căng các dây văng tăng cường để đáp ứng với tải trọng gồm 6 làn ôtô tầng trên và 2 làn xe lửa tầng dưới

Một hình thức khác của biện pháp dùng các dây văng tăng cường là các dây văng một đầu liên kết với dây chủ ở khu vực 1/4 nhịp và một đầu neo cố định vào trụ (Hình 1-16d) Các dây văng này có tác dụng ngăn cản không cho dây chủ ở bên nửa nhịp không

có hoạt tải chuyển vị lên trên do đó hạn chế được biến dạng hình học của cáp chủ, giảm biến dạng hình chữ S Biện pháp này đã được áp dụng trong thiết kế ban đầu của cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản) và thiết kế cầu qua vịnh Messine (Italia) Kết quả nghiên cứu cho thấy biện pháp này có thể giảm độ võng trong hệ từ 1,5 đến 2 lần so với sơ đồ cầu treo thông thường

1.2.6.3 Hệ có hai cáp chủ

Hệ gồm 2 cáp chủ riêng biệt (Hình 1-16e) có dạng hình học ban đầu phù hợp với dạng của cáp khi tải trọng tác dụng trên ½ nhịp Tại giao điểm chung của cáp chủ có thể không cần liên kết thành một nút chung Chuyển vị của hệ chủ yếu chỉ do biến dạng đàn hồi dẫn tới giảm độ võng, giảm mô men uốn trong dầm cứng và cầu không bị biến dạng chữ S

Hình 1-18: Cầu Mamberamo có 2 dây cáp chủ

Khi liên kết 2 cáp chủ tại điểm ½ nhịp, nút chung có tác dụng như 1 gối đàn hồi chia hệ thành 2 hệ 1 nhịp có chiều dài bằng ½ nhịp chính

Với hệ 2 dây cáp chủ, độ võng giảm 50-60%, độ vồng bên ½ nhịp không có tải trọng giảm từ 3-4 lần Ngoài ra, do giảm đáng kể biến dạng chữ S nên mômen âm trong dầm cứng rất nhỏ nên tạo thuận lợi khi dùng dầm cứng là dầm thép bêtông liên hợp

DUT.LRCC

Nhược điểm của hệ này là cấu tạo các nút dây phức tạp, tăng chiều cao tháp và chưa loại trừ được biến dạng hình học của cáp dưới tác dụng của các sơ đồ tải trọng khác

Trong sơ đồ hệ 2 cáp chủ, các nhánh dây trên chủ yếu để truyền lực lên tháp nên sau này để đơn giản về cấu tạo có thể không liên kết các dây treo đứng với các nhánh trên và tạo dáng vẻ thanh thoát hơn

1.2.6.4 Hệ có dây treo xiên hình tam giác

Bằng cách bố trí các dây treo xiên liên kết với dầm cứng tạo thành hình tam giác (Hình 1-16f), đồng thời đảm bảo các dây luôn chịu kéo đã tạo nên một dàn bất biến hình

do đó giảm biến dạng hình học, nâng cao độ cứng chung của hệ Biện pháp này cải thiện đáng kể điều kiện làm việc của dầm cứng, trị số mô men có thể giảm 8-10 lần So sánh lượng tiêu hao vật liệu của các công trình đã xây dựng cho thấy hệ này đạt được chỉ tiêu kinh tế rất tốt

Hình 1-19: Cầu Severn (Anh)

Nhược điểm của hệ dây treo xiên là công nghệ chế tạo và thi công khá phức tạp

vì cần phải tạo lực căng trước trong các dây treo xiên để đảm bảo không phát sinh lực nén trong dây dưới tác dụng hoạt tải

1.2.6.5 Hệ có dây căng dưới

Hệ này gồm có 2 dây trong đó dây cong ngược phía dưới cầu được căng trước (Hình 1-16g) Lực căng trước của dây cong ngược làm gia tăng tải trọng ban đầu lên cáp chủ, tức là giảm tỷ số độ lớn giữa hoạt tải và tĩnh tải Khi chịu hoạt tải, nội lực trong dây căng dưới giảm và làm giảm độ võng của cáp chủ

DUT.LRCC

Hình 1-20: Cầu có dây cong ngược căng trước

Hệ có dây căng ngược không những có độ cứng lớn mà còn cho phép điều chỉnh nội lực, điều chỉnh độ cứng bằng cách thay đổi lực căng dây dưới để tránh hiện tượng cộng hưởng với các tải trọng có tính chu kỳ

Hệ có dây cong ngược căng trước có độ cứng lớn nên làm giảm kích thước dầm cứng Nhược điểm của hệ này là tốn vật liệu xây dựng mố neo của dây cong ngược Dây căng dưới có thể liên kết với dầm cứng tại ½ nhịp thì độ võng và mô men uốn trong hệ giảm 15-20% so với trường hợp không có nút liên kết Tuy nhiên, khi đó dầm cứng phải tiếp nhận lực dọc do lực căng truyền vào

1.2.7 Cầu dàn dây

Dàn dây được cấu tạo từ những đoạn dây cáp thẳng liên kết với nhau tại các nút tạo thành một hệ dàn bất biến hình Sơ đồ hình học của dàn phải được chọn sao cho với mọi tổ hợp tải trọng dây chỉ chịu kéo

Các dây trong dàn làm bằng cáp cường độ cao nên trọng lượng của dàn rất nhỏ

và cầu dàn dây có độ cứng lớn hơn vì biến dạng của dàn chỉ do biến dạng đàn hồi Về mặt lý thuyết, cầu dàn dây không cần dầm cứng nhưng thực tế vẫn đưa dầm cứng vào

để phân bố đều tải trọng lên dây Các sơ đồ cầu dàn dây rất đa dạng và được trình bày dưới đây

1.2.7.1 Sơ đồ dàn dây đơn giản

Đây là dạng đơn giản nhất được cấu tạo từ những cặp dây, tại nút bố trí dây treo đứng để liên kết với hệ mặt cầu Mỗi cặp dây chịu lực riêng biệt và dây luôn chịu kéo

DUT.LRCC

Hình 1-21: Cầu có sơ đồ dàn dây đơn giản

Nhược điểm là chiều dài dây lớn trong khi đó mỗi cặp dây chỉ chịu lực cục bộ trong phạm vi 2 khoang dầm nên số lượng dây phải nhiều, cấu tạo nút dây trên tháp phức tạp do tập trung nhiều dây

1.2.7.2 Dàn dây kiểu Gisclard

Khắc phục nhược điểm trên, Gisclard đề xuất kiểu dàn dây hình 1.22a Trong hệ này, mỗi cặp dây chỉ có 1 dây chịu lực cục bộ còn dây kia (OB) luôn chịu lực với tải trọng đứng ở nửa bên kia cầu, và ngược lại khi tải trọng đứng bên phải cầu thì do dây

OA chịu

Hình 1-22: Cầu có sơ đồ dàn dây kiểu Gisclard

Trong hệ Gisclard, các dây luôn chịu kéo Do dây treo đứng ở nút giữa dài nên đòi hỏi tháp cao Để khắc phục, ta bố trí đoạn dây OM thoải hơn so với đoạn OB (Hình

DUT.LRCC

1-22b) Nhưng như vậy các đoạn dây A2 và A3 chịu nén khi tải trọng đứng ở M; tuy nhiên khi chịu tĩnh tải các dây đều chịu kéo nên triệt tiêu được lực nén do hoạt tải Nhược điểm chính của hệ này là cấu tạo nút trên đỉnh tháp phức tạp do tập trung một số lượng dây lớn Hơn nữa, khi chiều dài nhịp lớn các dây có chiều dài lớn và bị võng với trọng lượng bản thân Khi chịu tải trọng, ngoài biến dạng đàn hồi còn thêm biến dạng hình học do dây duỗi thẳng Khắc phục hiện tượng dây bị võng, ta bố trí thêm dây treo phụ (Hình 1-23a) hoặc các thanh cứng đỡ dây (Hình 1-23b)

Hình 1-23: Các biện pháp đảm bảo duỗi thẳng của dây

1.3.5.3 Dàn dây kiểu Rabinovich

Dàn dây kiểu Rabinovich (Hình 1-24) nhằm tránh hiện tượng dây quá dài Trong

hệ này, các dây treo không những chỉ tập trung ở đỉnh tháp mà còn quy tụ tại một nút trung gian giữa nhịp Thực chất hệ này là sự ghép hai hệ Gisclard bằng một nút treo đàn hồi chung tại giữa nhịp

Hình 1-24: Dàn dây kiểu Rabinovich

1.3.5.4 Dàn dây có thanh cứng chịu nén

Trong một số trường hợp hoạt tải quá lớn, tĩnh tải nhỏ nên không tạo ra được lực kéo trước để triệt tiêu lực nén trong một số thanh khi chịu hoạt tải Khi đó có thể bố trí một số thanh chịu nén (Hình 1-25) Tuy nhiên đây chỉ là biện pháp bắt buộc vì nó vi phạm cơ sở lý luận của dàn dây là các thanh trong dàn chỉ chịu kéo, thêm nữa việc bố trí các thanh chịu nén làm giảm mỹ quan của hệ

DUT.LRCC

Hình 1-25: Dàn dây có thanh cứng chịu nén

1.3.5.5 Dàn dây tam giác

Một phương pháp khắc phục bảo đảm các thanh chỉ làm việc chịu kéo là ứng dụng hệ dàn dây tam giác ứng suất trước (Hình 1-26) Trong hệ này, cáp treo trên giống như cầu treo thông thường, cáp dưới được bố trí cong ngược và hai đầu neo vào bờ, giữa hai cáp treo này là các dây treo hình tam giác Hệ mặt cầu được treo vào nút dàn

Hình 1-26: Dàn dây tam giác

Dưới tác dụng của tĩnh tải, các dây treo xiên hình tam giác và dây treo trên phát sinh lực kéo, ngoài ra dây dưới còn được căng trước để dự trữ lực kéo trong các dây của

hệ Tổng lực kéo trong dây do tĩnh tải và lực kéo trước phải lớn hơn lực nén do hoạt tải, nhờ đó hệ làm việc như một dàn cứng Biện pháp này được áp dụng cho cầu qua sông Volga nhịp 874m

Cầu dàn dây nói chung có cấu tạo và thi công khá phức tạp đặc biệt là cấu tạo liên kết các nút dây Ngoài ra, trong quá trình thiết kế phải chú ý để phòng khả năng xuất hiện lực nén trong dây Hiện nay, các cầu treo dàn dây ít được sử dụng

1.3 Kết cấu nhịp chính cầu treo dây võng Thuận Phước

1.3.1 Vị trí xây dựng

Cầu Thuận Phước (Hình 1-27) nằm trên cửa sông Hàn và nối liền hai quận Hải Châu và Sơn Trà, quận Thanh Khê, thành phố Đà Nẵng

DUT.LRCC

Hình 1-27: Cầu Thuận Phước

1.3.2 Quy mô công trình

Cầu Thuận Phước dài 1855m được thiết kế với qui mô vĩnh cửu, bề rộng cầu 18m cho 4 làn xe cơ giới và 2 lề người đi bộ Tải trọng xe thiết kế tương ứng H10, X60 và tải trọng người 300 kg/m2 Cầu cũng được thiết kế để đảm bảo chịu được tác động của gió cấp 12 và động đất cấp 7 Cầu được đặt ở cao độ đảm bảo cho tàu 3000 tấn có thể qua lại với chiều cao tĩnh không thông thuyền 27m Tiêu chuẩn thiết kế chủ đạo là tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 272-01, tham chiếu các tiêu chuẩn của Mỹ và Trung Quốc

Hình 1-28: Bố trí chung và mặt cắt ngang cầu Thuận Phước

DUT.LRCC