-1-
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Như chúng ta đã biết cầu treo dây võng là một dạng kết cấu có nhiều ưu điểm:
như yếu tố thẩm mỹ, khai thác triệt để tính năng của vật liệu cấu tạo nên các bộ phận
của cầu, khả năng vượt khẩu độ rất lớn mà các loại kết cấu khác không làm được kể
cả cầu dây văng. Chính vì vậy mà cầu treo dây võng ngày càng được xây dựng nhiều
hơn trên thế giới cũng như ở Việt Nam, cụ thể như ở Đà Nẵng có Cầu Thuận Phước
đã trở thành một trong những biểu tượng của thành phố miền trung này.
Về mặt kỹ thuật cầu treo dây võng là một hệ siêu tĩnh bậc cao. Nên có rất nhiều
yếu tố ảnh hưởng đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây võng như: chiều dài
nhịp, cấu tạo dầm chính, số lượng mặt phẳng dây treo, khoảng cách dây treo, chiều
cao tháp cầu, vật liệu… . vì vậy mà việc nghiên cứu sự phân bố nội lực cũng như
chuyển vị trong các bộ phận của cầu là quan trọng, để có thể tận dụng tối đa khả
năng chịu lực cũng như tiết kiệm vật liệu nhất.
Về mặt nhu cầu thực tế của xã hội thì hiện nay bộ Giao Thông Vận Tải đang có
chương trình xây dựng 186 cầu treo dân sinh để đảm bảo giao thông cho các tỉnh
miền núi phía bắc, miền trung và tây nguyên.
Chính vì vậy mà các nghiên cứu về cầu treo dây võng là cần thiết và thực tế.
Trong đó đề tài “nghiên cứu ảnh hưởng của khoảng cách dây treo đến sự phân bố
nội lực và chuyển vị trong cầu treo dây võng 3 nhịp” là một trong số đó.
2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Nội dung của luận văn tập trung giải quyết hai vấn đề chính sau:
- Nghiên cứu và vận dụng các lý thuyết tính toán cầu treo dây võng.
- Phân tích ảnh hưởng của khoảng cách dây treo đến sự phân bộ nội lực và biến
dạng trong kết cấu cầu treo dây võng với các sơ đồ đã chọn sẵn.
3. Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu được thực hiện theo trình tự sau:
- Tìm kiếm và tổng hợp các tài liệu liên quan.
Cùng với sự phát triển của máy tính điện tử cũng như công nghệ thiết bị thi
công, vật liệu xây dựng và trình độ khoa học kỹ thuật, cầu treo dây võng ngày càng
vượt nhịp lớn. Một số cầu treo dây võng có chiều dài nhịp chính lớn hơn 1000m trên
thế giới được thống kê trong (bảng 1.1).
Với yếu tố thẩm mỹ nồi bật nhiều cầu treo dây võng trở thành biểu tượng cho
cả một vùng, cả một quốc gia như: cầu Golden Gate (Hình1.2), cầu Mackinac của
Mỹ, cầu Tsing Ma của Hồng Kông, cầu JangYin (Hình 1.3) của Trung Quốc…
Hiện nay, cầu treo Akashi Kaikyo (Hình 1.4) là cây cầu treo dây võng dài nhất
trên thế giới được hoàn thành năm 1998, sau 10 năm thi công, sơ đồ nhịp
960+1991+960 (m) = 3911m, có 6 làn xe. Cầu nối liền Bắc Maiko ( ở Shikoku ) và
Nam Matsuho ( ở Awaji ), hai bên là cầu dẫn bằng bê tông.
1.2. Lịch sử phát triển cầu treo dây võng ở Việt Nam
Ở nước ta đã bắt đầu xây dựng nhiều cầu treo bán vĩnh cửu từ năm 1965.
Nhưng chiếc cầu treo đầu tiên là loại cầu cáp không cổng, chỉ có một hệ dây, với
-4khẩu độ từ 80-120m. Loại cầu này được thiết kế định hình và được ứng dụng rộng
rãi trong thời kỳ chiến tranh (1965-1975). [10]
Với sự phát triển mạnh của khoa học công nghệ cả về khía cạnh lý thuyết tính
toán, phần mềm ứng dụng, cộng nghệ thi công, cũng như vật liệu thì hiện nay nước
ta cũng đã xây dựng được nhiều cầu treo dây võng vượt nhịp lớn. Cụ thể một cầu
treo dây võng có quy mô tương đối lớn đã được xây dựng và khai thác đó là cầu
Thuận Phước (Hình 1.5) tại thành phố Đà Nẵng.
Cầu Thuận Phước bắc qua sông Hàn được thiết kế với các thông số cơ bản sau:
cầu có 2 trụ tháp cao 92m, cách nhau 405m, tĩnh thông thuyền 27m, kết cấu dầm
hộp thép hợp kim suốt toàn bộ nhịp treo, chế tạo bằng công nghệ dầm tăng cứng
theo tiêu chuẩn quốc tế. Cầu có tổng chiều dài 1.856m (dài hơn cầu Mỹ Thuận
300m), rộng 18m cho 4 làn xe lưu thông, tải trọng 13 tấn với tổng kinh phí xây dựng
hơn 650 tỷ đồng. Đây là cầu treo dây võng có khẩu độ lớn nhất nước ta hiện nay.
Phần nhịp chính:
STT
Ảnh Cầu
Tên Cầu
Năm
Hoàn
Thành
Sơ Đồ Nhịp (m)
1998
960 – 1991 – 960
Akashi-Kaikyo
Nhật Bản
1
-7Runyang
Trung Quốc
2
2005
1490
4
Francisco)
Högakustenbron
5
Thụy Điển
Minami Bisan-Seto
6
Nhật Bản
Boğaziçi
Thổ Nhĩ Kỳ
7
(Istanbul)
George Washington
Mỹ (New York)
8
-8-
CHƯƠNG 2
CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG
Trong chương này đề tài sẽ giới thiệu các đặc điểm cơ bản, phân loại, các thông số
Vì cầu treo dây võng có độ cứng nhỏ, rất nhạy cảm với các nguyên nhân gây ra dao
động như tải trọng gió và các nguyên nhân gây ra dao động có tính chất nhịp nhàng.
Nên dầm cứng phải đảm bảo ổn định khí động học.
Do đó, dầm cứng thường dùng là dầm dàn, dầm hộp có chiều cao thấp cho cầu
nhịp lớn hoặc cũng có thể dùng dầm I (cho cầu nhịp ngắn). (Hình 2.5)
Tỷ số giữa chiều cao dầm (h)và chiều dài nhịp chính (L) phụ thuộc vào nhiều
yếu tố và có ảnh hưởng đến độ cứng của toàn hệ, thường chọn h = (1/80 ÷ 1/120).L
Với nhịp càng lớn thì nên chọn tỷ số này nhỏ. [10]
• Khi h > L/60 (độ cứng của hệ lớn), có thể tính theo sơ đồ không biến dạng.
• Khi h ≤ L/60 (độ cứng của hệ nhỏ), khả năng tham gia chịu lực của dầm nhỏ
so với khả năng chịu lực của dây, có thể tính như hệ dây mềm, dầm mềm. [10]
Để đảm bảo ổn định với gió, bề rộng cầu thường chọn B ≥ 1/25L.
2.4. Cáp
2.4.1. Cáp treo
Là bộ phận kết nối giữa dầm cứng và cáp chủ. Tác dụng của cáp treo là truyền
lực từ dầm chính đến cáp chủ, cáp treo thường chỉ chịu kéo nên được làm bằng thép
thanh hoặc các tao cáp song song (Hình 2.6). Cáp treo thường được bố trí theo
-10phương thẳng đứng. Ngoài ra để tăng độ cứng theo phương dọc người ta có thể bố trí
cáp treo xiên, hoặc bố trí kết hợp.
Chiều dài tối thiểu của dây treo không nhỏ hơn 1,5m (trọng tâm của xe di động
trên cầu luôn ở phía dưới dây chủ để đảm bảo an toàn về ổn định ngang cầu) nhưng
cũng có trường hợp chọn bằng không (nối sát với dầm cứng) nhằm mục đích nâng
cao độ cứng của cầu.[10]
2.4.2. Cáp chủ
Cáp chủ là bộ phận chịu lực cơ bản trong cầu treo dây võng, có tác dụng tiếp
nhận lực từ cáp treo và truyền đến trụ tháp và mố neo. Trong quá khứ cáp chủ được
làm bằng dây xích, sau đó được thay thế bằng các sợi cáp đơn song song rồi đến các
bó thép sợi cường độ cao lần đầu tiên được áp dụng cho cầu Brooklyn năm 1883.
các gối đàn hồi là các điểm neo của các dây võng, cáp chủ được liên kết vào mố neo
đặt sâu trong nền đường (Hình 2.12).
- Cầu treo dây võng 3 nhịp:
Sơ đồ này được dùng nhiều nhất trong cầu treo dây võng. Cầu gồm hai trụ tháp,
dầm cứng ba nhịp (có thể là dầm liên tục hay dầm hai khớp) tựa trên các gối cứng là
mố, trụ tháp và các gối đàn hồi là các điểm neo của dây võng. (Hình 2.13).
- Cầu treo dây võng nhiều nhịp
Vì độ cứng của kết cấu rất nhỏ nên cầu treo dây võng nhiều nhịp thường chỉ
được thiết kế với khổ cầu hẹp phần lớn dành cho người đi bộ, như cầu Dhodhara
Chandani ở Nepal. Cầu rộng 1,6m với tổng chiều dài 1452,96 m gồm 8 trụ tháp có
chiều cao 32,72 m, khẩu độ nhịp giữa hai trụ tháp kế nhau là 225,4 m (Hình 2.14).
2.6.2. Phân loại theo sự bố trí dây treo
Trong cầu dây võng có các sơ đồ bố trí dây treo cơ bản sau:
- Sơ đồ dây treo thẳng đứng
Các dây treo được bố trí theo phương thẳng đứng song song với nhau liên kết
với cáp chủ tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục. Đây là sơ đồ dây treo được
áp dụng phổ biến cho các cầu dây võng (Hình 2.15).
- Sơ đồ dây treo chéo nhau:
Các dây treo được bố trí chéo góc với nhau và nối với nhau tại một điểm trên
cáp chủ và một điểm trên kết cấu nhịp tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục
(Hình1.26).
- Sơ đồ dây võng kết hợp với dây văng:
-12Là sơ đồ kết hợp giữa kết cấu dây võng và dây văng tạo thành hệ dây treo hỗn
hợp (Hình 2.17).
2.6.3. Phân loại theo số mặt phẳng dây
Trong cầu dây võng có các sơ đồ mặt phẳng dây như sau:
- Sơ đồ một mặt phẳng dây
(Hình 2.18).
Có rất nhiều phương pháp ghép nối các đoạn dầm cứng với nhau.
2.7.2.1. Phương pháp liên kết
Các phân đoạn dầm chủ trong cầu treo dây võng được liên kết theo một trong
hai cách sau đây :
• Liên kết khớp: phương pháp này đơn giản, nội lực trong kết cấu nhịp ít bị
thay đổi trong suốt quá trình thi công nhưng độ ổn định về khí động lực kém. [10]
• Liên kết cứng: các đoạn dầm được nối cứng tuyệt đối với nhau tạo nên độ
cứng liên tục cho toàn kết cấu nhịp, tăng cường ổn định khí động lực với độ chính
xác cao. Tuy nhiên cần liên kết tạm giữa đoạn dầm cứng và dây treo để giảm ứng
suất tăng cao cho kết cấu nhịp trong quá trình thi công . [10]
2.7.2.2. Phương pháp lắp dầm cứng
Thông thường có hai phương pháp lắp dầm cứng là:
• Lắp từng khối dầm từ giữa nhịp (Hình 2.20) Các đoạn dầm đúc sẵn được xà
lan chở đến vị trí lắp dựng, sau đó được cẩu hoặc tời kéo đặt trên cáp chủ lắp vào
dây treo từ giữa nhịp ra hai bên, liên kết giữa các đoạn dầm theo kiểu khớp nối.
Phương pháp này chịu ảnh hưởng nhiều của chế độ triều cường và cản trở giao
thông dưới cầu. [10]
• Lắp hẫng từ trụ tháp hoặc khối neo (Hình 2.21) thường dùng cho dầm chính
kiểu dàn, các ô dàn lần lượt được hai cần cẩu nhỏ lắp dần ra hai bên trụ tháp hoặc
khối neo. Phương pháp này có ưu điểm tạo độ cứng liên tục cho kết cấu nhịp và
không cản trở giao thông tàu bè trong quá trình thi công. [10]
2.7.3. Thống kê về tỷ lệ chiều dài nhịp của một số cầu treo dây võng
Để có cơ sở lựa chọn thông số tỷ lệ giữa chiều dài nhịp biên và chiều dài nhịp
chính, ta tiến hành thống kê một số cầu treo dây võng đã được xây dựng trên thế giới
-14(Bảng 2.1). Từ đó tìm ra thông số tỷ lệ thường được chọn trong thực tế giữa chiều
dài nhịp biên và nhịp chính.
Bảng 2.1. Thống kê tỷ lệ chiều dài nhịp một số cầu treo dây võng.[11]
STT
1936
Mỹ
704,1
353,6
0,502
3
Akashi Kaikyo
1988-1998
Nhật Bản
1991
960
0,482
4
25 de Abril
1966
1006.5
408
0,405
7
Kwang Ahn Great
2002
Hàn Quốc
500
200
0,400
8
Angostura
1967
Venezuela
712
0,329
11
Bronx - Whitestone
1937-1939
Mỹ
701
224
0,320
12
Severn
1961-1966
Anh
987,6
304,8
0,309
Pierre Laporte
1966-1970
Canada
667,5
186,5
0,279
16
HaiCang
1999
Trung Hoa
648
180
0,278
17
Kita Bisan-Seto
Mỹ
322,4
85,67
0,264
20
Minami Bisan-Seto
1988
Nhật Bản
1100
274
0,249
21
Shimotsui-Seto
1988
Nhật Bản
114
0,200
-1524
Matadi
1979-1983
Congo
520
91
0,175
25
George Washinton
1931
Mỹ
1066,8
186
H/L1
Vật liệu
trụ tháp
1
Massina Straits
3300
382.6
810
0.116
0.472
Thép
2
Akashi Kaikyo
1991
282.8
207
307.3
0.159
0.673
Thép
5
Golden Gate
1280
227.4
343
0.178
0.663
Thép
6
Hega Kusten
George Washington
1067
183
186
0.171
0.984
Thép
9
Ponte 25 de Abril
1013
190.5
483.4
0.188
0.394
Thép
Thép
12
Severn
987.5
136
304.8
0.1377
0.446
Thép
13
Ohnaruto
876
128.3
330
0.146
0.156
0.474
BTCT
16
Humber
1410
155.5
280
0.110
0.555
BTCT
17
Tsing Ma
1377
206
98
120
0.242
0.816
BTCT
Từ thực tế những cây cầu đã được xây dựng, qua thống kê giữa tỷ lệ chiều cao
trụ tháp H và nhịp chính L 0 ta thấy H/L0=0.110 ~ 0.333. Mặt khác ta lại có
H/L1=0.3~1.0. Từ đây ta chọn H/L 1=0.6~0.8 để xem xét nghiên cứu. (Với H i=hi + h:
Trong đó h=40m=const là chiều cao từ đỉnh bệ đến dầm, h i là chiều cao từ dầm đến
đỉnh trụ tháp. Vậy ta chọn hi/Li=0.3~0.4).
2.9. Các nghiên cứu đã có
• Luận văn thạc sĩ :Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ chiều dài nhịp đến sự phân bố
nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng. Tác giả Đỗ Tiến Đạt, học viên
khóa 2006 - Trường Đại học Bách Khoa Tp.Hồ Chí Minh, luận văn kiến nghị
một số vấn đề khi thiết kế sơ bộ cầu treo dây võng ba nhịp 2 mặt phẳng dây
với sơ đồ dây treo thẳng đứng về tỷ lệ giữa chiều dài nhịp biên và chiều dài
nhịp chính.
• Ngô Đăng Quang, Nguyễn Đức Thanh – Mô hình hóa và phân tích cầu treo
dây võng bằng phần mềm MIDAS/Civil.
• Nguyễn Lan - Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng. Bài báo: Phân
tích kết cấu cầu treo dây võng theo sơ đồ biến dạng tương tác cùng đất nền.
-17-
xung quanh một bó sợi
(tao) giữa.
Sợi xoắn
Các sợi kim loại được
Little Belt
xoắn lại với nhau thành
Tancaville
nhiều lớp chính.
Wakato
Dây kim loại được quấn
Cáp cuộn
Kvalsun
thành cuộn tròn bao quanh
Emmerich
các sợi cáp xoắn.
Albsborg
Dầm cứng hai khớp
Dầm cứng liên tục
Hình 2.4. Các hệ dầm cứng. [10]
Dầm I
(Cầu Bronx – Stonewhite)
Dầm dàn
( Cầu Mackinac Straits)
Dầm hộp
( Cầu Humber)
Hình 2.5. Các loại mặt cắt ngang dầm cứng. [10]
Cáp chủ
Đai cáp
Cáp chủ
Bulong đai
Tấm kẹp
Đai cáp
Kẹp
Hình 2.9. Các kiểu neo cáp chủ. [10]
-21-
Hình 2.10. Khối neo cầu treo dây võng [11]
Hình 2.11. Hệ thống neo. [10]
-22-
Cầu Chavanon ( Pháp - 2000 ). [11]
Cầu Humen ( Trung Quốc - 1997 ). [11]
Hình 2.12. Cầu treo dây võng một nhịp. [10]
Cầu Forth Road (Anh - 1964 ). [11]
Cầu Mackinac Straits (Mỹ - 1957). [11]
Hình 2.13. Cầu treo dây võng 3 nhịp. [10]
-23-
Cầu Dhodhara Chandani (Nepal - 2005). [11]
Hình 2.14. Cầu treo dây võng nhiều nhịp. [10]
Hình 2.18. Cầu dây võng một mặt phẳng dây
Hình 2.19. Cầu Akashi Kaikyo (Nhật - 1998). [11]
Hình 2.20. Phương pháp lắp từng khối dầm (cầu Kurushima Kaikyo - Nhật Bản)[10]
Copyright: Tài liệu đại học ©