CT 2
Trạng thái ứng suất của vùng neo cáp
trong cầu bêtông cốt thép dự ứng lực và cầu dây văng PGS. TS. Nguyễn Viết Trung
KS. Trần Việt Hùng
Bộ môn Công trình Giao thông Thành phố
Khoa Công trình Trờng Đại học Giao thông Vận tải
Tóm tắt: Vùng neo cáp trong cầu bêtông cốt thép và cầu dây văng liên quan đến độ lớn
của lực kéo cáp tập trung, nó cho thấy rằng ứng suất phân bố có thể là nguyên nhân gây ra các
vết nứt cục bộ. Do đó, cần thiết để nghiên cứu kỹ các thông số tác động đến sự phân bố ứng
suất, nh độ nghiêng cáp, bố trí bản đệm neo, phơng pháp mô hình và hiệu ứng 3 chiều. Sự
phân bố ứng suất kéo trong vùng neo đợc so sánh với điều kiện thiết kế thực tế bằng thay đổi
độ cứng của các phần tử đàn hồi trong mô hình cục bộ và bố trí thích hợp cho bản đệm neo.
Summary: The cable anchorage zone in a prestressed concrete cable-stayed bridges is
subjected to a large amount of concentrated tendon force, which shows very complicated
stress distribution likely to cause serious local cracks. Accordingly, it is necessary to investigate
the parameters affecting the stress distribution, such as the cable inclination, the position of the
anchor plate, the modeling method, and three-dimensional effects. The tensile stress
distribution in the anchorage zone is compared to the actual design conditions by varing the
stiffness of spring elements in the local modeling, and an appropriate position for the anchor
plate.
1. Giới thiệu chung
Để tăng thêm mục đích sử dụng của các hệ thống dự ứng lực kéo sau trong kết cấu bê tông
cốt thép quy mô lớn, sự phát triển của một hệ thống neo thích hợp để chịu tải trọng tập trung lớn
là cần thiết. Cho đến nay các phơng pháp thiết kế thông thờng cho vùng neo của các cấu
kiện bêtông dự ứng lực kéo sau là rất phức tạp. Phá hoại cục bộ hoặc h hỏng là thờng xuyên
đợc phát hiện do cha hiểu biết đầy đủ về hiệu ứng lực phát sinh trong khu vực thiết kế vùng
neo và công nghệ xây dựng. Việc xây dựng các cầu bêtông dự ứng lực và nhất là các cầu dây

neo, ứng suất trên mặt cắt ngang có thể đợc xác định từ lý thuyết uốn thông thờng. Trong
phạm vi lý thuyết uốn khoảng cách này là không có giá trị, bởi vì thông thờng đã giả thiết sự
phân bố sức căng tuyến tính đã làm nhiễu loạn bằng việc đa vào lực neo đặt tập trung.
CT 2

Hình 1. a) Vùng cục bộ; b) Vùng chung
Vùng chịu các tác động bởi sự nhiễu loạn này là vùng neo, các mẫu thí nghiệm của vùng
này sẽ có sự phân bố ứng suất tuyến tính. Từ các kết quả phân tích và các thí nghiệm nghiên
cứu một vài thay đổi về hình dạng của phần bản và vùng neo, nhiều nghiên cứu đã cải tiến cơ
chế phá hoại của vùng neo cho phù hợp với thực tế. Cơ chế phá hoại này có thể đợc ứng dụng
để nghiên cứu cơ chế phá hoại các thiết bị neo hình nón và hình chuông.
Cơ chế phá hoại có thể đợc chia thành 4 bớc: bớc thứ nhất bắt đầu với sự phát triển của
ứng suất kéo. Bớc thứ hai bắt đầu với việc dàn trải vết nứt nghiêng tới mặt giới hạn và mặt bên
từ vành của bản đệm neo chữ nhật hoặc từ chu vi của bản đệm neo hình tròn. Bớc thứ ba xuất
hiện với sự vỡ nát của cạnh bên và thông thờng xuất hiện khi vết nứt nghiêng phát triển nhanh
trong lúc tác dụng lực. Bớc thứ t là sau phá hoại, khi bêtông vỡ vụn với hình chóp và xuất hiện
phá hoại cắt ở dới bản đệm neo. Trong bốn trờng hợp này, điều kiện hoặc ứng suất phá hoại
của cơ chế phá hoại do cắt có thể đợc xác định thông qua tính toán ứng suất kéo vỡ hoặc biến
Tạp chí Khoa h
ọ
c Giao thông v
ậ
n tải Số 12 - 11/2005

155

dạng và ứng suất cắt lớn nhất. Một cơ chế phá hoại hợp lý gây ra với neo dạng nón hoặc dạng
chuông có thể đợc phân biệt trong hình 2.

CT 2

156

iii. phân tích vùng neo cầu bêtông cốt thép dự ứng lực
Đối với bê tông gần vùng neo có các ứng suất theo hớng mũi tên chỉ nh trên hình 3. Nói
chung, lực kéo T
3
ở các góc chỉ do dự ứng lực có thể lấy bằng 10% lực dự ứng lực, khả năng
sinh ra vết nứt ở phần góc chỉ do dự ứng lực là rất ít. Tuy nhiên, khi có phần neo ở phía dới bản
cánh, dới tác dụng của tải trọng do ảnh hởng của lực cắt và mô men việc xuất hiện vết nứt
hớng có khả năng xảy ra (hình 4). Góc có sự chênh lệch tuỳ thuộc vào độ lớn của tải trọng,
lực dọc trục và lực dự ứng lực P nhng có thể lấy khoảng từ 10
o
~ 20
o
. Đối với những vết nứt này
cần thiết phải bố trí cốt thép F
2
nh hình 5.
Ngoài ra, do lực dự ứng lực P làm xuất hiện biến dạng nén lớn ở bê tông của ụ neo, do đó
sinh ra ứng suất kéo T
4
ở mặt trớc của ụ neo. Vì vậy, cần thiết phải bố trí cốt thép F
3
song song
với cáp dự ứng lực (hình 5).
CT 2
z
C
T
5

2
- lực kéo sinh ra theo phơng y mặt sau của neo (kgf);
T
3
- lực kéo sinh ra ở phần góc (kgf);
T
4
- lực kéo sinh ra ở mặt trớc của neo (kgf);
T
5
- lực kéo sinh ra do mô men uốn do dự ứng lực (M
o
= p.e);
T
6
- lực kéo sinh ra ở phần uốn cáp dự ứng lực (kgf), T
6
= P.sin = p. = P.e/C
Tạp chí Khoa h
ọ
c Giao thông v
ậ
n tải Số 12 - 11/2005

157

P

Tải trọng
Vết nứt

F
2
- cốt thép tăng cờng đối với T
2
và T
3
;
F
3
- cốt thép tăng cờng đối với T
4
và T
5
(không đợc dùng chung với cốt thép chủ của bản
cánh);
F
4
- cốt thép tăng cờng đối với T
6
.
iv. phân tích vùng neo cầu dây văng
Cùng với hiệu ứng cục bộ của vùng neo trong các cầu dự ứng lực thông thờng thì trạng
thái ứng lực ở vùng neo trong cầu dây văng cũng rất phức tạp. Trạng thái ứng lực ở vùng neo
của cầu dây văng bị chi phối bởi rất nhiều các yếu tố nh: độ nghiêng của cáp, vị trí neo cáp,
mặt cắt ngang dầm và vị trí bản đệm neo. Trên thế giới hiện nay, vấn đề tính toán các vùng cục
bộ cũng cha phải đã giải quyết đợc hoàn toàn, nhiều khi độ chính xác của các mô hình tính
toán phụ thuộc rất nhiều vào quan điểm của các nhà thiết kế. Ví dụ có một mặt cắt ngang cầu
dây văng gồm hai dây văng đợc neo vào giữa dầm nh hình 6.
Tạp chí Khoa h
ọ

uburst
(3)
Nh vậy, tăng ứng suất phá vỡ đợc tác động bằng tăng mô men, đợc phát triển bằng
việc mở rộng khoảng cách giữa điểm tác dụng lực kích cáp và điểm tác dụng tải trọng của bề
mặt đợc kiềm chế.
4.2. ảnh hởng của vị trí bản đệm neo
Bài báo này chủ yếu chú ý vào sự thay đổi các điều kiện ứng suất trong một vùng neo với
hai neo trong các hớng ngang bằng việc thay đổi các vị trí bản đệm neo. Mặt cắt ngang của
mô hình phân tích là mặt cắt đợc cắt tại neo theo hớng chiều dày khối neo (hình 7). Hình 8
cho thấy kết quả phân tích nội ứng suất khi khoảng cách s giữa đờng trung tâm của mặt cắt
ngang và đờng trung tâm của neo là 550 cm. Hình 11 cho thấy ứng suất phá vỡ phát triển
trong mặt cắt thông qua đờng trung tâm của bản đệm neo từ phân tích ở trên.
Tạp chí Khoa h
ọ
c Giao thông v
ậ
n tải Số 12 - 11/2005

159Hình 7. Mô hình hình học của khối neo

Hình 8. Đờng ứng suất chính lớn nhất (s = 5500 mm)
Thay đổi trong ứng suất cho thấy bằng việc thay đổi khoảng cách trục trung tâm của các
bản đệm neo. Chiều cao của mặt cắt là 1800 mm. Hình 11 cho thấy sự biến đổi trong ứng suất
phá vỡ trong phạm vi mặt cắt ngang bản đệm neo. Nó có thể đợc thấy nh giảm khoảng cách
s, giá trị của ứng suất phá vỡ lớn nhất đã giảm và độ dốc của sự thay đổi ứng suất thấp.
CT 2
4.3. Mô hình phân tích khối neo

Hình 15. ứng suất dọc tại khu vực neo
Tạp chí Khoa h
ọ
c Giao thông v
ậ
n tải Số 12 - 11/2005

161v. Kết luận
Từ các nghiên cứu trên có thể nhận xét về đặc tính ứng suất của vùng neo cáp trong cầu
dây văng và cầu bêtông dự ứng lực nh sau:
(1) Trong phân tích khu vực neo khi đã biết cụ thể các thông số của cầu dây văng, cho ta
thấy rằng độ cứng theo hớng thẳng đứng tăng nh ứng suất phá vỡ đợc giảm bớt. Khi độ
cứng đạt đợc một mức nào đó, mặt cắt ngang đã không thấy xuất hiện ứng suất kéo hoặc một
ít ứng suất nén.
(2) Nội ứng suất trong vùng khối thay đổi không đáng kể khi có sự thay đổi trong góc
nghiêng cáp, diện tích và vị trí đặt bản đệm.
(3) Giá trị ứng suất phá vỡ lớn nhất thay đổi theo độ cứng thẳng đứng.
(4) ứng suất tại khu vực neo biến đổi rất phức tạp, độ chính xác của tính toán phụ thuộc
vào mô hình tính.
(5) Sự bố trí các bản đệm sẽ làm giảm ứng suất kéo trong phạm vi neo, khoảng cách giữa
các bản đệm ảnh hởng đáng kể đến ứng suất khối neo.
CT 2
(6) Mô hình phân tích 3 chiều cho kết quả thấp hơn không đáng kể so với mô hình 2 chiều. Tài liệu tham khảo
[1] PGS. TS Nguyễn Viết Trung, TS Hoàng Hà. Công nghệ Đúc hẫng cầu bêtông cốt thép. NXB GTVT.