PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU NHỊP CẦU DÂY VĂNG CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG ĐỨT DÂY CÁP VĂNG

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU NHỊP CẦU DÂY VĂNG CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG ĐỨT DÂY CÁP VĂNG

1. Lý do chọn đề tài

Trong những năm gần đây với những thành tựu đạt được về kinh tế, chính trị, xã hội nước ta đã đạt được nhiều thành tựu đáng tự hào. Để đáp ứng nhu cầu phát triển đó Ngành giao thông vận tải đã và đang phát triển một cách nhanh chống các dự án xây dựng cầu dây văng được thực hiện nhằm tạo động lực phát triển trong đó các dự án xây dựng cầu đây văng được phát triển rộng khắp từ Bắc đến Nam.

Cầu dây văng luôn là kết cấu có nhiều đặc tính ưu việt mà ở đó, nó thể hiện khả năng vượt nhịp lớn và có hình dáng kiến trúc độc đáo và là giải pháp kết cấu được ưu tiên lựa chọn. Trên thế giới những cầu dây văng nổi tiếng đã được xây dựng như cầu Tatara (Nhật Bản), cầu Normandy (Pháp), …; Và ở Việt Nam các cầu dây văng như Mỹ Thuận (Vĩnh Long), Cần Thơ (Cần Thơ), Cầu Nhật Tân (Hà Nội), Trần Thị Lý (Đà Nẵng), Vàm Cống, Cao Lãnh (Đồng Tháp), …. Ngoài ra còn phải kể đến các công trình cầu dây văng đã và đang được triển khai như cầu Đại Ngãi (Sóc Trăng – Trà Vinh) …;

Trong cầu dây văng cáp văng là bộ phận quang trọng nhất do có độ mảnh lớn và nhạy cảm với các nguyên nhân gây ra giao động. Một trong những nội dung thiết kế cầu dây văng là xét đến sự làm việc của kết cấu nhịp khi dây cáp văng bị đứt, thay cáp …

Luận văn tập trung nghiên cứu sự làm việc của kết cấu nhịp có xét đến một số dây cáp văng bị đứt cho một công trình cầu dây văng giả định.

2. Mục đích nghiên cứu

Đề tài chủ yếu phân tích ứng xử của nhịp cầu dây văng khi không đứt cáp và trường hợp đứt 1 cáp văng.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Tổng quan về tình hình giao thông hiện nay và sự phổ biến của cầu dây văng.

Cở sở lý thuyết tính toán Phân tích ứng xử kết cấu nhịp cầu dây văng có xét đến hiện tượng đứt dây cáp văng.

Đánh giá khả năng làm việc của cầu dây văng trong trường hợp đứt dây cáp văng.

4. Phương pháp nghiên cứu

Chọn mô hình cầu để thực hiện công tác phân tích.

Sử dụng phần mềm Midas để xác định các giá trị nội lực trong cầu.

Từ mô hình cầu đã xây dựng trích xuất kết quả nội lực trong dầm trong trường hợp không đứt cáp và đứt 1 cáp.

Thực hiện so sánh, đánh giá đưa ra kết luận và theo nhận định của đề tài phân tích.

5. Kết quả dự kiến

Đưa ra kết quả ứng xử của nhịp cầu dây văng khi đứt cáp văn trong các trường hợp giã định.

6. Bố cục đề tài

Ngoài các phần mở đầu, mục lục, danh mục công trình khoa học đã công bố danh mục tài liệu tham khảo, nội dung của luận án bao gồm 03 chương, phần kết luận như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1. Tổng quan về cầu dây văng trên Thế Giới.

1.2. Tổng quan về cầu dây văng ở Việt Nam.

1.3. Các sơ đồ và hình thái cầu đây văng.

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU NHỊP CẦU DÂY VĂNG CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG ĐỨT DÂY CÁP VĂNG

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN KHI DÂY CÁP VĂNG BỊ ĐỨT

2.1. Các trạng thái nội lực trong kết cấu cầu.

2.2. Tính cầu dây văng chịu tải trọng tĩnh và lực điều chỉnh

2.3. Tính cầu dây văng chịu tĩnh tải và điều chỉnh nội lực

2.4. Cơ sở lý thuyết tính toán đứt dây cáp văng

Chương 3: ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN VÀO CẦU DÂY VĂNG CỤ THỂ.

3.1. Giới thiệu sơ đồ cầu.

3.2. Điều chỉnh nội lực kết cấu nhịp cầu dây văng theo công nghệ đúc hẫng cân bằng.

3.3. Tính toán lực căng trong dây cáp văng có xét đến trường hợp một số dây cáp văng bị đứt.

3.4. Ứng xử của dầm trong trường hợp đứt dây cáp.

Kết luận chương 3.

Kết luận

Tài liệu tham khảo.

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

1.1. TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI

Khái niệm cầu dầm được đỡ bằng các dây xiên bắt đầu xuất hiện vào thế kỷ 17 được Verantius (Italia, 1617) và Loscher (Đức, 1784) đề nghị áp dụng. Việc chưa hiểu biết một cách đầy đủ về sự làm việc của kết cấu trong các cầu dây văng và những hạn chế về công nghệ đã tạo ra cho chúng có hình dáng yếu, không an toàn và đã gây ra sụp đổ một số cầu. Chính vì thế cầu treo được ưa thích hơn vào thời điểm này.

Trong suốt nửa sau của thế kỷ 19, một số cầu treo được xây dựng. Các cầu này đã đưa vào các dây cáp xiên để tăng cường độ cứng và nâng cao ổn định chịu tác động của gió. Cầu nổi tiếng Broooklyn (Hình 1.1), do Roebling thiết kế và hoàn thành năm 1883, có tổng chiều dài 1059,9m và nhịp chính 486,5m, là một ví dụ điển hình của loại cầu treo có dạng lai và là một dấu mốc lịch sử của ngành xây dựng cầu.

Hình 1.1: Cầu Brooklyn (Hoa Kỳ, 1883)

Từ nửa sau thế kỷ 19, sự phát triển của cầu dây văng hiện đại ngày càng mạnh mẽ kể từ khi ông Dischinger đã cho thấy rằng độ cứng và độ ổn định của cầu sẽ tăng lên khi áp dụng cáp có cường độ cao và ứng lực trước. Khi kết hợp các đặc tính này với các phương tiện tính toán như máy tính thì việc phân tích kết cấu có hệ thống trở nên khả dĩ hơn; từ đó dẫn đến một thiết kế hợp lý và kiểm soát thường xuyên được lực trong dây cáp. Bằng cách này, các kết cấu cầu dây văng sẽ được thiết kế một cách đầy đủ và hiệu quả.

Cầu Stromsund ở Thụy Điển khánh thành năm 1956 được xem là cầu dây văng đầu tiên trong thời kỳ hiện đại. Như xem ở hình 1.2, cầu này gồm ba nhịp và có tổng chiều dài 332m, nhịp chính 182,6m. Hệ dầm mặt cầu bê tông và thép được treo từ mỗi tháp bằng bốn cặp dây cáp văng.

$Description: D:\My Pictures\Stormsund bridge\download.jpg$

Hình 1.2: Cầu Stromsund (Thụy Điển , 1956)

Khi xét về tính kỹ thuật, kinh tế và mỹ học, cầu dây văng có vai trò ngày càng tăng và được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới với những giải pháp kỹ thuật ngày càng cải tiến. Ở Đức, cầu dây văng trở nên rất phổ biến trong quá trình xây dựng lại sau chiến tranh.

Một điểm chú ý cần quan tâm là việc thiết kế cầu dây văng đã trải qua nhiều tiến triển đáng kể trong một thời gian ngắn chưa đầy 50 năm. Mathivat đã tổng kết ba giải pháp đặc trưng cho sự phát triển của cầu dây văng. Ở giải pháp thứ nhất, các cầu sử dụng một số lượng giới hạn dây văng thường từ hai đến sáu cặp dây ở nhịp chính, giống như cầu Stromsund. Các cáp này được bố trí với khoảng cách lớn từ 30 đến 80m dẫn đến độ cứng uốn của dầm yêu cầu phải lớn (chiều cao thông thường từ 3 đến 7m). Ngoài ra, lực kéo cáp lớn làm cho một số dây cáp cần thiết tạo thành các dây néo. Điều này cũng đòi hỏi các neo cấu tạo phức tạp và ứng suất tập trung lớn. Một khó khăn nữa là cần thiết phải có các kết cấu phụ trợ để lắp dựng thi công các cầu này.

Giải pháp thứ hai là việc sử dụng hệ thống cáp treo từng phần, trong đó hệ dầm được gối cứng tại các trụ tháp và được treo bằng số lượng lớn các dây văng bố trí gần nhau. Việc sử dụng hệ thống nhiều dây văng này có hai ý nghĩa chính là sử dụng hệ dầm có độ cứng vừa phải và được gối đàn hồi bằng các cáp văng, và việc giảm lực tập trung trong hệ dầm làm cho cấu tạo neo đơn giản hơn và tránh việc tăng cường cho dầm gần vị trí neo. Khoảng cách nhỏ giữa các neo sẽ đem lại thuận lợi trong giai đoạn thi công. Khi đó, công nghệ thi công đơn giản hơn và áp dụng được công nghệ thi công hẫng. Cầu đầu tiên theo giải pháp thứ hai này là cầu Friedrich Ebert xây dựng năm 1967 tại Đức. Cầu Brotonne (Hình 1.3) được xây dựng năm 1977 tại Pháp với nhịp chính 320m là cầu dây văng bê tông đầu tiên áp dụng hệ thống nhiều cáp và hiện nay được xem là hình mẫu của các cầu theo giải pháp thứ hai này.

Hình 1.3: Cầu Brotonne (Pháp, 1977)

Các cầu thuộc giải pháp thứ hai đã có sự chuyển tiếp để hình thành các cầu thuộc giải pháp thứ ba và giải pháp này đã trở thành xu hướng hiện nay trong các cầu dây văng nhịp lớn. Giải pháp thứ ba được đặc trưng bởi việc sử dụng một số lượng lớn các dây văng có khoảng cách gần nhau từ 8 đến 15m để đỡ hệ dầm. Với dạng kết cấu treo này, dầm làm việc như thanh biên chịu nén của kết cấu dàn được treo vào tháp bằng các dây xiên. Thực tế cho thấy rằng vì mô men uốn rất nhỏ nên chiều cao dầm hầu như độc lập với chiều dài nhịp chính và độ cứng uốn dọc yêu cầu phụ thuộc chủ yếu vào sự an toàn chống lại sự mất ổn định và sự cần thiết hạn chế biến dạng cục bộ dưới tác dụng của hoạt tải tập trung. Cầu Pasco-Kennewick (Hình 1.4) được Arvid Grant hợp tác với công ty tư vấn Leonhardt, Andra & Partner thiết kế và được xây dựng ở Hoa Kỳ năm 1978 với nhịp chính 300m và tổng chiều dài 548m. Đây là cầu dây văng bê tông đầu tiên được xây dựng ở Hoa Kỳ và cũng là cầu đầu tiên áp dụng kết cấu dầm được treo toàn bộ. Dầm có dạng hộp có hai tam giác chiều cao 2,15m được liên kết bằng các dầm ngang.

Hình 1.4: Cầu Pasco-Kennewick (Hoa Kỳ, 1978)

Các cầu theo giải pháp thứ hai và thứ ba này có độ mảnh đáng kể so với các cầu dây văng trước đó. Điều này làm cho chiều dài nhịp tăng lên liên tục, như được thể hiện ở hình 1.5 thể hiện quan hệ giữa chiều dài nhịp và năm hoàn thành của các cầu dây văng tiêu biểu nhất trên thế giới.

Hình 1.5: Sự phát triển chiều dài nhịp theo các năm hoàn thành của cầu dây văng

Với sự hoàn thành cầu Normandy ở Pháp năm 1994 có chiều dài nhịp chính 859m và tổng chiều dài 2141m (Hình 1.6), nó đã chứng minh rằng các cầu dây văng, mà ban đầu xem có khả năng vượt nhịp lớn nhất từ 150-500m, được áp dụng một cách hoàn hảo, kinh tế và trở thành phương án ưu tiên cho những nhịp rất lớn. Cầu Tatara (Hình 1.7) hoàn thành năm 1999 tại Nhật Bản với chiều dài nhịp chính 890m là một minh chứng hơn nữa về vấn đề này.

Hình 1.6: Cầu Normandy (Pháp, 1994)

Hình 1.7: Cầu Tatara (Nhật Bản, 1999)

Theo Taylor, chưa thấy có một bộ phận nào trong cầu đạt tới một ngưỡng giới hạn nào đó, và vì tỷ số giữa giá thành và chiều dài nhịp không tăng đều khi tăng chiều dài nhịp nên ta có thể tăng chiều dài nhịp lên nữa. Các đề xuất trước đây đối với cầu dây văng với chiều dài nhịp chính lớn hơn 1000m quả thực đã có cách đây hơn 20 năm, và đã có các dự án cầu dây văng nhịp trên 1000m đã hoàn thành như cầu Stonecutters nhịp chính 1018m ở Hồng Kông, cầu Sutong nhịp chính 1088m ở Trung Quốc và cầu Rusky của Nga năm 2012 nhịp 1104m lớn nhất thế giới hiện nay (Hình 1.8).

$Description: C:\Documents and Settings\Administrator\My Documents\My Pictures\-Russian_bridge-_in_Vladivostok.jpg$

Hình 1.8: Cầu Russky (Nga, 2012)

Hạn chế đáng kể nhất để làm tăng chiều dài nhịp của cầu dây văng liên quan đến sự phát triển lực nén lớn trong dầm do các dây văng gây ra. Theo Mathivat, điều này giới hạn chiều dài nhịp chính chỉ đến 1500m. Ngoài phạm vi này, thông thường kết cấu cầu treo với cáp được neo vào nền đất là sự lựa chọn tốt nhất. Tuy nhiên, ngay cả với chiều dài nhịp này, cầu treo có dây cáp xiên có thể đóng vai trò quan trọng. Khi đó, việc bố trí thêm vào cầu treo trong khu vực gần tháp sẽ tạo ra độ cứng tổng thể cho cầu cao hơn dẫn đến chịu ổn định khí động và khống chế biến dạng tĩnh tốt hơn, đặc biệt quan trọng trong các cầu xe lửa. Kết cấu cầu lai này đã được Roebling sử dụng dưới dạng thực nghiệm và đã được áp dụng xây dựng các cầu trong thời gian gần đây. Dự án cầu Gibraltar (Hình 1.9) với nhịp chính 5000m sử dụng kết cấu cầu treo có tăng cường các dây văng ở gần trụ tháp.

Hình 1.9: Mô hình cầu Gibraltar (Tây Ban Nha – Ma Rốc)

Một sự lựa chọn trung gian khác nữa khi vượt qua sông rộng và vượt biển là kết cấu dây văng nhiều nhịp. Cầu Millau ở Pháp và cầu Rion Antrion ở Hy Lạp sử dụng hình thức kết cấu này đã hoàn thành năm 2004.

Hầu hết các nghiên cứu đã thực hiện đối với các nhịp rất lớn là sử dụng các vật liệu thích hợp như thép và bê tông với các tính chất được cải thiện đáng kể trong vài thập niên qua. Cũng vậy, trong suốt vài năm các nghiên cứu gần đây cho thấy ngày càng có nhiều đề nghị áp dụng vật liệu mới, cường độ cao và nhẹ. Một số cầu dầm nhịp nhỏ được xây dựng dùng vật liệu composit chất lượng cao (ACM – Advanced Composite Materials) dưới dạng sợi cacbon và vật liệu dẻo. Các vật liệu này, với tỷ số cường độ-tỷ trọng gấp khoảng 5-10 lần tỷ số này so với thép, có tiềm năng to lớn áp dụng trong các cầu dây văng nhịp lớn vì trọng lượng bản thân của hệ dầm thường chiếm tỷ lệ phần trăm lớn của phản lực gối trong cầu nhịp rất lớn.

Hình 1.10: Cầu dây văng Aberfeldy (Scotland, 1992)

Ứng dụng đầu tiên vật liệu mới này đối với kết cấu được đỡ bằng cáp là cầu đi bộ nhỏ Aberfeldy ở Scotland năm 1992 (Hình 1.10). Với tổng chiều dài 113m và một nhịp chính 63m, cầu do Maunsel Structural Plastics thiết kế và được các sinh viên xây dựng cầu năm cuối của trường Đại học Dundee thi công mà không dùng cần cẩu; cầu có các vách ngăn đặc biệt chế tạo bằng các sợi thủy tinh tăng cường (GRP – Grass Reinforced Polymes) và cáp bằng các sợi parafil. Gần hơn nữa, một cầu dây văng ở San Diego (Hoa Kỳ) có 2 nhịp đối xứng và một tháp, đã sử dụng ống cacbon/epoxy nhồi bê tông cho dầm biên và tháp, các dầm ngang rỗng bằng bê tông có tăng cường sợi polyprotylen (PP). Ngoài ra, một số cầu làm bằng vật liệu cacbon/epoxy,… Việc sử dụng vật liệu gia cường sợi như một lớp vỏ bên ngoài trong cầu thép-bê tông nhịp lớn có một ứng dụng nữa là có thể làm tăng độ cứng xoắn của hệ, cải thiện các tính chất khí động, và làm tăng độ bền.

1.2. TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM

Từ những năm 90 của thế kỹ 20 các dự án cầu dây văng đã được chú ý và thực hiện ở nước ta điển đình như cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) khánh thành vào năm 2000, Cầu Sông Hàn (Đà Nẵng) khánh thành vào năm 2000, cầu Bảy Cháy (Quảng Ninh) khánh thành vào năm 2006, cầu Rạch Miểu (Mỹ Tho) khánh thành năm 2009, cầu Phú Mỹ (Tp.HCM) khánh thành vào năm 2009, cầu Trần Thị Lý (Đà Nẵng) khánh thành vào năm 2009, cầu Cần Thơ (Cần Thơ) khánh thành vào năm 2010, cầu Nhật Tân khánh thành vào năm 2015, cầu Vàm Cống (Đồng Tháp) khánh thành vào năm 2019 … Ngoài ra còn phải kể đến các công trình cầu dây văng đã và đang được triển khai như cầu Đại Ngãi (Sóc Trăng – Trà Vinh) ….

Cầu dây văng Nhật Tân (Hình 1.11), nằm trên đường vành đai 2 của thành phố Hà Nội, vượt qua sông Hồng nối phía Tây Hồ và Đông Anh, cầu dầm liên hợp BTCT với sơ đồ nhịp 150+4×300+150, cầu có bề rộng 35.6m, hoàn thành vào năm 2015.

Hình 1.11: Cầu dây văng Nhật Tân

Cầu Mỹ Thuận (Hình 1.12) là cây cầu dây văng bắc qua sông Tiền, nối liền hai tỉnh Tiền Giang và Vĩnh Long, Việt Nam. Cầu nằm cách Thành phố Hồ Chí Minh 125 km về hướng Tây Nam, trên Quốc lộ 1A, là trục giao thông chính của vùng đồng bằng sông Cửu Long.

Hình 1.12: Cầu Mỹ Thuận

Cầu Rạch Miễu (Hình 1.13) nằm trên quốc lộ 60 bắc qua sông Tiền, cách bến phà cũ khoảng 1 km về phía thượng lưu. Đây là chiếc cầu dây văng lớn thứ ba được xây dựng ở đồng bằng sông Cửu Long (cầu Mỹ Thuận do Úc thiết kế và thi công, cầu Cần Thơ do Nhật thiết kế và thi công) và Rạch Miễu là cây cầu đầu tiên do chính các kỹ sư Việt Nam thiết kế và thi công theo công nghệ mới.

Hình 1.13: Cầu Rạch Miễu

Cầu Bãi Cháy (Hình 1.15) nằm trên quốc lộ 18, nối hai phần của thành phố Hạ Long là Hòn Gai và Bãi Cháy qua vịnh Cửa Lục nơi đổ ra vịnh Hạ Long, thuộc địa phận tỉnh Quảng Ninh. Do điều kiện thủy văn, địa chất cùng yếu tố kỹ thuật phức tạp, kinh phí lớn, sau 20 năm lên kế hoạch cầu mới được hoàn thành. Cầu được xác định là công trình trọng điểm quốc gia, có vị trí chiến lược về giao thông, kinh tế và quốc phòng được Công an Tỉnh Quảng Ninh bảo vệ.

Hình 1.14: Cầu Bãi Cháy

Cầu Cần Thơ (Hình 1.15) là cây cầu bắc qua sông Hậu, nối liền quận Cái Răng, thành phố Cần Thơ và thị xã Bình Minh, tỉnh Vĩnh Long.

Hình 1.15: Cầu Cần Thơ

Cầu Phú Mỹ (Hình 1.16) là cây cầu dây văng lớn nhất Thành phố Hồ Chí Minh bắc qua sông Sài Gòn nối Quận 2 và Quận 7, thuộc đường vành đai ngoài của Thành phố Hồ Chí Minh. Tổng mức đầu tư 2076 tỷ đồng. Cầu được khởi công ngày 9 tháng 9 năm 2005 và dự kiến hoàn thành cuối năm 2009, tuy nhiên theo tiến độ mới nhất thì công trình đã vượt tiến độ đến 4 tháng và đã khánh thành vào ngày 2 tháng 9 năm 2009. Đây là cây cầu dây văng có 6 làn xe, kết nối Khu đô thị mới Thủ Thiêm và Khu đô thị Phú Mỹ Hưng, nối Quận 7 với Quận 2 và Quận 9. Cầu cũng giúp việc lưu thông trên Quốc lộ 1A đoạn từ miền Bắc và miền Trung đi Đồng bằng sông Cửu Long đi qua địa phận Thành phố Hồ Chí Minh được rút ngắn, sau khi cầu Phú Mỹ và các đường vành đai nối đến cầu hoàn thành sẽ góp phần làm giảm sự quá tải cho hệ thống giao thông đường bộ ở Thành phố Hồ Chí Minh, khi ấy các xe tải loại lớn và xe container sẽ không chạy trong nội thành nữa, góp phần vào việc giảm ô nhiễm cho nội thành. Cầu Phú Mỹ không chỉ là một công trình trọng điểm của Việt Nam, mà còn là công trình cầu dây văng hiện đại nhất thế giới.

Hình 1.16: Cầu Phú Mỹ

Cầu Vàm Cống là cây cầu dây văng bắc qua sông Hậu, nối liền thành phố Cần Thơ và tỉnh Đồng Tháp của Việt Nam. Cầu Vàm Cống cách bến phà Vàm Cống khoảng 3 km về phía hạ lưu sông Hậu, và thay thế cụm phà này khi cầu đi vào hoạt động. Cầu đã được thông xe vào 19/5/2019.

Hình 1.17: Cầu Vàm Cống

Các dự án cầu dây văng đang thực hiện như: Cầu Đại Ngãi (Trà Vinh – Sóc Trăng)… Từ đó cho thấy Cầu dây văng đã và đang đóng vai trò quan trọng trong hệ thống hạ tầng kỹ thuật của nước ta.

1.3. CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU DÂY VĂNG

Đặc điểm cơ bản có sức hấp dẫn của cầu dây văng là tính đa dạng. Tính đa dạng này thể hiện ở số lượng và chiều dài nhịp, số mặt phẳng và các sơ đồ phân bố dây,… Cầu dây văng với ưu thế về khả năng chịu lực, hợp lý về công nghệ thi công và tính đa dạng về sơ đồ kết cấu đang trở thành các công trình có kết cấu độc đáo về kiến trúc và đặc trưng hiện này.

1.3.1. Bố trí sơ đồ nhịp

1.3.1.1. Cầu dây văng một nhịp

Cầu dây văng một nhịp (Hình 1.18) có hai tháp cầu dựng trên hai mố, dầm chủ 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 hoặc đặt sâu trong nền đường.

Hình 1.18: Cầu dây văng một nhịp

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

– Tồn tại hai mố neo chịu lực ngang giống như trong cầu treo dây võng. Mố neo là các công trình đồ sộ, tốn kém cần tránh trong cầu dây văng;

– Trên các mố đỡ dầm cần bố trí một gối cố định và một gối di động. Gối cố định chịu lực ngang khi có tải trọng không đối xứng (hoạt tải), đồng thời lực ngang lại thay đổi chiều tùy theo vị trí của hoạt tải, đặc biệt nguy hiểm khi lực ngang hướng ra sông, cùng chiều với ấp lực đất nền đường;

– Dầm cứng ngoài chịu uốn ra còn phải chịu lực dọc trục thay đổi dấu, gây bất lợi cho việc áp dụng dầm cứng bằng BTCT.

Do các nhược điểm cơ bản như trên, cầu dây văng một nhịp chỉ được áp dụng vào thực tế trong những điều kiện địa hình đặc biệt như cầu vượt qua kênh hoặc thung lũng sâu (Hình 1.19 và 1.20).

Hình 1.19: Cầu Seville ở Tây Ban Nha

Hình 1.20: Cầu Ruck-A-Chucky ở California, Mỹ

1.3.1.2. Cầu dây văng hai nhịp

Cầu dây văng hai nhịp được áp dụng cho các cầu vượt qua đường, qua sông không lớn lắm. Các phương án cầu hai nhịp đươc chọn chủ yếu là do điều kiện địa chất, địa hình hoặc do yếu tố mỹ quan quyết định, ví dụ cầu Bratislava (Hình 1.21).

Hình 1.21: Cầu hai nhịp ở Bratislava, Slovakia

Cầu dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi đó tháp cầu bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu. Nếu không có dây neo vào mố thì các dây văng chủ yếu chịu tĩnh tải. Để tăng cường khả năng chịu hoạt tải, có thể bố trí hai dây neo vào mố. Tuy nhiên do hệ đối xứng, các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải nên để tránh dây chịu nén dưới tác dụng của hoạt tải trên một nhịp, các dây neo cần được căng trước với nội lực đủ để khắc phục lực nén lớn nhất có thể xảy ra. Biện pháp này gây phức tạp cho công tác điều chỉnh nội lực và rất khó khống chế ứng suất mất mát trong quá trình khai thác.

Hình 1.22: Dùng tháp cứng cho cầu Sông Hàn

Để khắc phục nhược điểm trên, thường dùng hai biện pháp: Dùng tháp cầu cứng ở giữa để hạn chế chuyển vị ngang của tháp, ví dụ cầu Sông Hàn – Đà Nẵng (Hình 1.22); Dùng hai nhịp có các nhịp không bằng nhau, trong đó nhịp lớn có số khoang lớn hơn, tại nhịp nhỏ có bố trí dây neo vào mố (Hình 1.23).

Hình 1.23: Cầu dây văng hai nhịp không bằng nhau

1.3.1.3. Cầu dây văng ba nhịp

Những nhược điểm của hệ một nhịp là lý do tất yếu dẫn tới hệ ba nhịp. Hệ ba nhịp là một trong những dạng cơ bản của cầu dây văng.

Sơ đồ ba nhịp có nhịp biên ngắn, không đỡ bằng các dây văng có đặc điểm như sau:

– Hệ có độ cứng của các gối đàn hồi lớn do dây neo có chiều dài ngắn và có gọc nghiêng nằm trong vùng hợp lí nhất (45^o);

– Nhược điểm cơ bản của hệ trên là có chiều dài nhịp biên quá khác biệt so với chiều dài của nhịp chính. Nhịp biên trong cầu dây văng làm việc như một dầm liên tục, chịu uốn, ngoài ra còn chịu lực nén từ các dây văng truyền vào. Để đảm bảo góc nghiêng của dây neo trong khoảng 45^o thì chiều dài nhịp biên được lấy bằng 1/4-1/5 chiều dài nhịp chính. Với các cầu nhịp 200-300m thì chiều dài nhịp biên khá lớn, trong khi khoang dầm ở nhịp chính có thể thay đổi trong phạm vi rất rộng. Nhịp biên lớn sẽ gây mô men uốn lớn so với nhịp giữa, gây khó khăn trong việc đảm bảo tính đồng nhất của tiết diện dầm chủ và nội lực trong suốt chiều dài cầu. Ngoài ra, lực nhổ tại mố neo sẽ rất lớn làm phức tạp cấu tạo gối chịu phản lực âm trên mố.

Do đó, cầu dây văng ba nhịp mà nhịp biên không được đỡ bằng các dây văng chỉ dùng có lợi trong các trường hợp như các cầu sử dụng khoang dầm lớn; nhịp chính nhỏ (<150m), khi đó chiều dài nhịp biên không quá lớn; và với các sông miền núi khi điều kiện địa hình, địa chất khống chế, buộc phải tránh xây dụng các trụ ở khu vực giữa sông, nước sâu, địa chất, thủy văn phức tạp.

Để sử dụng khoang dầm ngắn, đồng nhất tiết diện dầm chủ của cả ba nhịp (chiều cao, dạng tiết diện…) và đồng nhất chiều dài khoang dầm, tạo điều kiện dầm chủ làm việc tương đối đồng đều trong phạm vi từng khoang, có thể áp dụng sơ đồ cầu dây văng ba nhịp có dây bố trí đối xứng qua tháp cầu. Về mặt cơ học, đây là một dầm liên tục tựa trên các gối cứng (mố, trụ) và các gối đàn hồi là các nút treo dây văng. Độ cứng gối đàn hồi phụ thuộc vào các yếu tố:

– Diện tích và chiều dài dây: Độ cứng của các gối đàn hồi tỉ lệ nghịch với chiều dài và tỉ lệ thuận với diện tích của dây văng. Chiều dài dây được quyết định bởi sơ đồ cầu và chiều dài nhịp. Diện tích được chọn trên cơ sở tận dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu đồng thời đảm bảo độ bền, độ mỏi và độ cứng chung của hệ;

– Góc nghiêng α của dây so với phương nằm ngang: Góc nghiêng của dây so với phương nằm ngang ảnh hưởng lớn đến nội lực trong dây và dầm cũng như đến các chỉ tiêu kinh tế, kĩ thuật của hệ. Góc nghiêng α quá nhỏ hoặc quá lớn so với 45o đều làm tăng độ võng và do đó làm tăng mô men uốn trong dầm cứng;

– Độ cứng và liên kết của dây neo: Dây neo là dây ở nhịp biên có đầu trên liên kết với đỉnh tháp cầu, đầu dưới liên kết cố định vào dầm cứng tại vị trí gần gối tựa để truyền lực ngang vào dầm, gối tựa lại được neo chặt vào mố hoặc trụ cầu để chịu lực nhổ, tạo thành liên kết cố định ở một đầu dây neo. Trong cầu dây văng, dây neo giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo độ cứng của tòn hệ. Nếu dây được neo vào các điểm cố định là mố hoặc trụ cầu thì độ cứng của các gối đàn hồi chỉ phụ thuộc vào chiều dài, diện tích và độ nghiêng của các dây. Nếu dây không neo vào các điểm cố định thì độ cứng của hệ còn phụ thuộc vào độ đàn hồi của điểm neo.

So với hệ ba nhịp không có dây văng ở nhịp biên, với cùng chiều dài cầu, cùng góc nghiêng của dây, ngoài tính đồng nhất về tiết diện dầm chủ, chiều dài khoang và sơ đồ dây, hệ đối xứng qua tháp cầu có chiều cao tháp nhỏ hơn.

Trong thực tế cũng tồn tại hệ cầu dây văng không có dây neo vào các điểm cố định như mố, trụ cầu. Các sơ đồ này chịu tải trọng đối xứng qua tháp cầu, như vậy hệ chịu tải trọng tĩnh tốt. Dưới tác dụng của tải trọng bất kì, ví dụ như khi hoạt tải đứng trên nhịp giữa, các điểm neo dây ở dầm biên sẽ vồng ngược do ảnh hưởng của dầm liên tục và do phản lực âm của các dây neo nhịp biên. Độ vồng ngược của nhịp biên làm giảm độ cứng chung của hệ và làm tăng mô men uốn trong dầm cứng.

Cầu dây văng không có dây neo có thể áp dụng để cải tạo, tăng cường khả năng chịu tải của cầu cũ nhiều nhịp, nhằm nâng cấp tải trọng bằng cách truyền bớt tĩnh tải cho dây chịu. Còn khi thiết kế cầu mới thì nên áp dụng các tháp cầu cứng để giảm chuyển vị của các nút neo dây dưới tác dụng của tải trọng bất kì. Tuy nhiên biện pháp đơn giản và kinh tế nhất vẫn là bố trí các dây neo vào mố và trụ cầu.

Trong nhiều trường hợp, do điều kiện địa chất, địa hình hoặc thủy văn khống chế, việc xây dựng trụ, tháp cầu theo sơ đồ dây đối xứng không thích hợp thì có thể bố trí tháp cầu lui về phía bờ (Hình 1.24).

Hình 1.24: Cầu dây văng hai nhịp không bằng nhau

1.3.1.4. Cầu dây văng nhiều nhịp

Cầu dây văng có thể đạt được các nhịp rất lớn (100-1000m) nên thông thường chỉ dùng đến hệ ba nhịp để vượt các nhịp chính, phần còn lại dùng các nhịp cầu dẫn là đủ. Tuy nhiên đối với những cầu dài qua biển, nối từ đảo này sang đảo khác, địa hình, địa chất không phức tạp, để tránh xây dựng các nhịp quá lớn, hoặc khi cần tăng cường khả năng chịu tải, nâng cấp hệ dầm cầu cũ bằng cầu dây văng thì vẫn dùng hệ nhiều nhịp (Hình 1.25).

Hình 1.25: Cầu Seto Ohashi ở Nhật Bản

1.3.2. Sơ đồ phân bố dây văng

Cầu dây văng là một hệ liên hợp giữa dầm cứng và các dây văng mà sơ đồ và sự phân bố dây trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu. Nói chung có bốn sơ đồ là đồng quy, song song, rẻ quạt và liên hợp.

1.3.2.1 Sơ đồ dây đồng quy

Sơ đồ dây đồng quy là sơ đồ các dây văng quy tụ tại một nút cố định trên tháp cáp cầu, từ đó các dây tỏa xuống neo vào dầm cứng tại một số điểm tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục.

Trong sơ đồ dây đồng quy, các dây được liên kết cố định tại nút trên đỉnh tháp nên với mọi vị trí tải trọng, nội lực các dây thông qua nút và dây neo vào mố trụ và dầm cứng do đó hệ có độ cứng lớn. Cầu dây văng đầu tiên Stormsund có bốn dây tập trung trên đỉnh tháp, cầu Saint-Nazaire có 16 dây (Hình 1.26). Sơ đồ dây đồng quy được dùng phổ biến và hiệu quả cho các cầu ít dây, khoang lớn, khi đó cấu tạo nút trên đỉnh tháp không phức tạp. Ngoài ra, trong cầu có tháp cứng, hoặc bố trí dây không đối xứng thường dùng sơ đồ này.

Hình 1.26: Cầu Saint-Nazaire, Pháp

Nội lực trong tháp lớn hơn so với phương án sơ đồ dây song song hoặc rẻ quạt. Trọng lượng toàn bộ dây văng thấp hơn so với trường hợp bố trí dây văng song song. Nhược điểm chủ yếu của sơ đồ đồng quy là thẩm mỹ hạn chế, tạo cảm giác chật chội ở phía đỉnh tháp khi dùng nhịp không lớn lắm. Hơn nữa, neo cáp tại đỉnh tháp khá phức tạp, chỉ có thể thi công dầm sau khi thi công tháp, điều này nhiều khi lại là vấn đề rất quan trọng liên quan đến yêu cầu rút ngắn thời gian thi công các công trình cầu.

1.3.2.2. Sơ đồ dây song song

Trong sơ đồ dây song song, các dây văng ở mỗi bên tháp cầu song song nhau, phân bố đều trên đỉnh tháp và neo vào các điểm neo trên dầm chủ. Như vậy, mỗi nút chỉ tập trung nhiều nhất 2 dây nên cấu tạo đơn giản. Về mặt kiến trúc, do các dây song song nên mọi góc nhìn đều cảm nhận các đường nét song song và cách đều trong khi ở các hệ khác các dây giao cắt nhau lộn xộn (Hình 1.27).

Hình 1.27: Cầu Dusseldorf

Về mặt chịu lực, sơ đồ dây song song có các nhược điểm:

– Các dây có cùng góc nghiêng và là góc nghiêng nhỏ nhất nên làm giảm độ cứng của các nút neo dây và dầm;

– Chỉ có một dây trên cùng được nối với dây neo còn các dây khác chỉ được liên kết với dầm và tháp tại các điểm có chuyển vị đàn hồi. Các chuyển vị này làm giảm độ cứng của hệ và làm tăng mô men uốn của dầm khi chịu tải trọng không đối xứng.

– Về cấu tạo, nếu tất cả các dây neo cố định vào tháp cầu thì tháp chịu uốn như dầm có một đầu ngàm (móng trụ tháp) một đầu tựa trên gối đàn hồi (dây neo trên cùng) chịu các lực tập trung (lực trong các dây văng) tác dụng vào thân tháp gây bất lợi về ổn định cho một kết cấu chịu mô men uốn và lực dọc đều lớn. Nếu các dây bố trí di động trên tháp thì các điểm neo dây trung gian (không liên kết với dây neo) có độ cứng nhỏ khi chịu tải trọng bất kỳ. Muốn đảm bảo độ bền và độ cứng của hệ buộc phải tăng cường độ lớn của dầm cứng, khi đó sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế.

Để khắc phục nhược điểm trên thường bố trí trụ neo ở nhịp biên, biến nhịp biên thành hệ cầu dẫn. Biện pháp dùng trụ neo ở nhịp biên được kiến nghị đầu tiên ở các phương án cầu qua sông Rhin (Hình 1.28).

Hình 1.28: Cầu qua sông Rhin (Đức) có trụ neo tăng cường

Sơ đồ dây song không cho phép khẩu độ tăng lên nhiều; tuy nhiên cũng cần ghi nhận giải pháp này có ưu điểm cơ bản là do khoảng cách giữa các neo khá xa nên việc thi công có thể sẽ thuận lợi hơn, khả năng chịu động đất trên hướng dọc tốt hơn.

1.3.2.3. Sơ đồ dây rẽ quạt

Đây là sơ đồ trung gian giữa sơ đồ đồng quy và song song, trong đó từng dây thường được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách nhỏ nhất để có thể cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây trong quá trình thi công. Như vậy các dây văng được bố trí không song song để tranh thủ góc nghiêng lớn hơn và tránh tối đa tháp cầu vị uốn ngang. Trong sơ đồ rẽ quạt, các dây được neo cố định trên tháp cầu do đó khoảng cách giữa các dây neo trên tháp lấy nhỏ nhất có thể chấp nhận được nên trị số mô men uốn trong tháp cầu dưới tác dụng lực ngang do hoạt tải tương đối nhỏ và không làm tăng kích thước tháp (Hình 1.29).

$Description: D:\My Pictures\Tatara Bridge\471074544_44206f5e7b.jpg$

Hình 1.29: Cầu Tatara (Nhật Bản) có sơ đồ dây rẽ quạt

Hiện nay sơ đồ hình rẽ quạt là phương án được ưa dùng nhất cho các cầu nhịp lớn, khoang nhỏ và nhiều dây. Tuy nhiên, trong hệ nhiều dây và khoang nhỏ, các dây văng nhịp biên tại vị trí gần mố làm việc rất kém do dây có độ cứng theo phương thẳng đứng nhỏ (chiều dài lớn và góc nghiêng nhỏ) và lại neo vào vị trí dầm có độ cứng lớn (gần mố cầu), kết quả là mô men uốn trong dầm cứng tại khu vực này thường lớn hơn nhiều. Để khắc phục mô men này và để tăng độ cứng của các gối đàn hồi thì có thể bố trí thêm một số trụ neo phụ. Các trụ neo có thể bố trí tại các nút dây (trường hợp khoang lớn) hoặc có thể bố trí cách một vài khoang (Hình 1.30). Trụ phụ tại nhịp biên còn có tác dụng làm giảm lực nén trong dây neo khi hoạt tải đứng trên nhịp biên.

Hình 1.30: Cầu Normandy (Pháp) có một số trụ ở nhịp biên

Khi cấu tạo thêm các trụ neo phụ hoặc biến nhịp biên thành hệ cầu dẫn, cần tiến hành so sánh tổng giá thành toàn công trình gồm kết cấu nhịp và mố trụ. Việc bố trí trụ neo tạo nhịp biên thành cầu dẫn như cầu qua sông Rhin ở Duisbourg (Hình 1.31) và cầu Normandy là ví dụ điển hình.

Hình 1.31: Cầu Duisbourg (Đức)

Kết luận Chương 1

Với những ưu điểm vượt trội về các chỉ tiêu kinh tế-kỹ thuật, cầu dây văng đã được áp dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam.

Sự làm việc kết cấu cầu dây văng sẽ được trình bày trong Chương 2.

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG VÀ NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN KHI DÂY CÁP VĂNG BỊ ĐỨT

2.1. CÁC TRẠNG THÁI NỘI LỰC TRONG KẾT CẤU CẦU

Trong một kết cấu bất kỳ thường tồn tại ba trạng thái nội lực:

Nội lực do tỉnh tải.
Nội lực do hoạt tải.
Nội lực dự trữ trong tiết diện.

Nội lực do tĩnh tải phát sinh do trọng lượng kết cấu nhịp. Kết cấu nhịp cẩn đủ lớn để chịu hoạt tải và tỉnh tải, trong đó:

+ Hoạt tải là mục tiêu cần đạt, nên thường nghiên cứu để sao cho kết cấu có khả năng tiếp nhận hoạt tải ở mức độ cực đại.

+ Ngược lại, tỉnh tải là yếu tố bị động, không phải là mục tiêu thiết kể nhưng lại quyết định khối lượng và giá thành công trình, nên cần nghiên cứu để đạt giá trị cực tiểu.

Các hiện pháp giảm nội lực theo truyền thống là dùng vật liệu có cường độ cao, Vật liệu nhẹ, giảm chiều dày các phủ mặt cầu.

Tổng số nội lực do tỉnh và hoạt tải phải nhỏ hơn khả năng chịu lực của tiết diện. Biểu thức kiểm tra bền có dạng:

(2.1)

trong đó:

– Khả năng chịu tải của tiết diện;

là nội lực do hoạt tải;

là nội tĩnh tải;

Do đó, muốn tăng nội lực do hoạt tải phải tìm biện pháp giảm nội lực do tỉnh tải .

Ngoài ra còn tồn tại một dạng nội lực do con người chủ động can thiệp vào kết cấu, đó là nội lực do điều chính. Nội lực điều chỉnh được tạo ra trong quá trình thi công, chế tạo, có dấu ngược với nội lực do tỉnh và hoạt tải, khi đó công thức kiểm tra bên có dạng:

(2.2)

Việc điều chỉnh nội lực hiện nay được ứng dụng trong rất nhiều loại kết cầu như kết cấu bêtông ứng suất trước, kết cấu bêtông thép liên hợp… Điều chỉnh nội lực chỉ thực hiện được trong các kết cấu siêu tĩnh (nội hoặc ngoại).

Cầu dày văng là hệ siêu tĩnh bậc cao nên việc điều chính nội lực nhằm cực tiểu hóa mômen uốn tổng thể trong đầm cứng là việc không thể bỏ qua và có hiệu quả rất cao. Trong nhiều trường hợp, điều chỉnh nội lực có thể triệt tiêu được nội lực gây ra do tỉnh tải và một phần do, đó là khái niệm “tĩnh tải cho không” trong kết cấu BTƯST khi trong công thức (2.1) và khi đó chỉ cần thiết kế tiết diện theo nội lực do hoạt tải.

2.2. TÍNH CẦU DÂY VĂNG CHỊU TẢI TRỌNG TĨNH VÀ LỰC ĐIỀU CHỈNH

2.2.1. Mục đích của điều chỉnh nội lực trong cấu dây văng, trạng thái hoàn thiện

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\NGUYEN HUU TINH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ KẾT CẤU NHỊP CẦU DÂY VĂNG CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG ĐỨT DÂY CÁP VĂNG

About admin

Trả lời Hủy

Related Posts

About admin

Trả lời Hủy