Một phương án chống xoắn trong thiết kế cầu cong bê tông cốt thép dự ứng lực

Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

MỘT PHƯƠNG ÁN CHỐNG XOẮN TRONG THIẾT KẾ
CẦU CONG BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC
Đặng Việt Đức
Trường Đại học Thủy lợi, email:

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Trong giao thông hiện đại các loại hình
cơng trình như nút giao khác mức nhiều tầng,
các tuyến đường trên cao uốn lượn theo
hướng tuyến, các tuyến tránh đường đèo men
theo các taluy âm, vượt các khe núi sâu, khu
vực nhạy cảm với với hiện tượng sụt trượt
được áp dụng ngày càng rộng rãi. Các dạng
cơng trình này có thể đảm bảo giữ ngun tốc
độ khai thác (cầu vượt cầu cao trong các
tuyến đường cao tốc), đảm bảo năng lực
thông hành của các nút giao cắt khác mức
nhiều nhánh trong điều kiện đô thị lớn.Cầu
cong giúp các phương tiện giao thơng lưu
thơng an tồn qua các khu vực có địa hình
hiểm trở, vực sâu và độ dốc và chiều cao của
taluy quá lớn, không bị gián đoạn giao thông
đặc biệt trong mùa mưa bão tại những địa
điểm nhạy cảm với hiện tượng sụt trượt. Cầu
cạn còn làm giảm thiểu tác động đến điều
kiện tự nhiên mà cơng trình đường đi qua,
tránh tình trạng chia cắt do nền đường đắp
cao gây ra (cầu cao trong khu vực bảo tồn

thiên nhiên). Với tất cả các dạng cơng trình
nêu trên, kết cấu nhịp cong là một bộ phận
cấu thành rất quan trọng, cần được quan tâm
kỹ trong công tác thiết kế kỹ thuật cũng như
thiết kế biện pháp tổ chức thi cơng.
Khó khăn trong thiết kế cầu cong là vấn đề
kiểm sốt xoắn phát sinh trong dầm.Mơ men
(MM) xoắn xuất hiện trong thanh cong dưới
tác dụng của tất cả các hình thức tải trọng tác
dụng, khơng chỉ với tải đặt lệch tâm mà còn
với cả những tải trọng nằm đúng tâm, như
tĩnh tải bản thân dầm, tĩnh tải do lớp phủ mặt
cầu, gờ chắn bánh, lan can, cột điện. Các
thành phần do hoạt tải đặt đúng tâm hay lệch
tâm và thậm chỉ tác dụng của hệ thống cáp dự

ứng lực (DƯL) cũng đều gây ra xoắn trong
dầm. Phương án bố trí gối trên trụ khơng
hoặc cho phép mặt cắt dầm biến dạng xoắn
cũng sẽ gây ra mức xoắn khác nhau phát sinh
trong dầm. Trụ bố trí 1 gối (gối đơn), cho
phép mặt cắt dầm biến dạng xoắn, thường có
quy mơ nhỏ hình dạng thanh mảnh tiết kiệm
chi phí cho gối cầu là bộ phận đắt tiền. Tuy
nhiên biến dạng xoắn cho phép MM xoắn
tích lũy về vị trí trụ có gối chống biến dạng
xoắn, tại vị trí gối chống chống xoắn này sẽ
có giá trị phân bố MM xoắn rất lớn. Ngược
lại, với giải pháp bố trí 2 gối chống mặt cắt
dầm xoay, xoắn sẽ bị hạn chế, phân bố đều

giữa các nhịp, tuy nhiên lượng gối và quy mô
kết cấu trụ cầu sẽ lớn hơn dẫn đến tăng giá
thành cơng trình. Giải pháp bố trí gối lệch tạo
nên một MM xoắn do phản lực gối đặt lệch
gây ra, cân bằng một phần MM xoắn phát
sinh trong dầm cong bằng (hình 1).

Tu
Ps

Ts = P s x e

e

Hình 1. Cơ sở chống xoắn
bằng bố trí lệch gối
Bài báo sẽ trình bày một giải pháp thiết kế
chống xoắn cho kết cấu cầu cong bằng, dầm
hộp đơn nhịp liên tục với 2 liên cầu mà trên
trụ bố trí gối đơn cho phép mặt cắt có thể biến
dạng xoắn. Bán kính cong kết cấu nhịp có giá
trị là 70m - xấp xỉ với giá trị nhỏ nhất trong

121


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

tiêu chuẩn thiết kế đường cấp 3 đồng bằng [4].
Khẩu độ nhịp chính 40 m là chiều dài thường

áp dụng trong trong các nút giao cắt khác mức
trên thế giới và Việt Nam hiện nay [1]. Với
thông số về khẩu độ nhịp và dạng mặt cắt (bao
gồm xác định và và bố trí đường đi của các bó
cáp) xuất phát từ một dầm thẳng tương ứng.
Mức độ an toàn khi khai thác của kết nhịp sẽ
được kiểm tra lại thông qua sức kháng uốn,
cắt và xoắn, ứng suất cắt - xoắn kết hợp đối
với nội lực của hệ nhịp dầm cong liên tục theo
tiêu chuẩn 22TCN272-05[5].

được mô tả như một chuỗi phần tử thanh là
hợp lý và cho kết quả tin cậy để phục vụ cơng
tác tính tốn thiết kế. Với độ dốc dọc không
được vượt quá 4%, giả thiết cầu cong trên mặt
bằng vẫn được xem là phù hợp. Hệ DƯL được
mô tả bằng chức năng Internal Tendon, được
phần mềm Midas/Civil định nghĩa bằng hệ
ngoại lực tương đương tác dụng lên dầm [3].
Điều kiện biên ở trụ giữa và 2 mố được định
nghĩa để mô tả các vị trí gối chống xoay trên
mặt phẳng vng góc với đường tim dầm.
Điều kiện biên mơ tả gối trung gian cịn lại để
phần tử dầm có thể biến dạng xoắn được trên
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
vị trí gối trung gian đó, nằm trên trục dầm và
Kết cấu được khảo sát là một cầu dầm hộp lệch so với trục dầm một khoảng 0.5m (hình
BTCT DƯL 6 nhịp liên tục cong bằng với 3). Mơ hình cũng xét đến trình tự thi cơng đổ
bán kính 70m, khẩu độ nhịp 28+4@40+28 bê tơng tại chỗ tuần tự tịnh tiến với phân đoạn
(m). Sơ đồ kết cấu được thể hiện như hình 1 thi công đầu tiên gồm nhịp biên và 1 đoạn

với 2 liên cho phép mặt cắt dầm có thể biến hẫng 8 m, 4 phân đoạn tiếp theo có chiều dài
dạng xoắn trên các vị trí gối trung gian (gối thi cơng bằng chiều dài nhịp chính 40m, mối
đơn).Có 2 trường hợp được khảo sát: (a) các nối cách trụ 1 đoạn 8m, và phân đoạn cuối
gối đơn được bố trí đúng tâm dầm và (b) các cùng dài 20m, như vậy mối nối thi cơng sẽ
gối đơn được bố trí lệch 0.5m so với trục nằm ở các vị trí có giá trị nội lực nhỏ.
dầm (hình 2).
L =40 m
40m

40m

28m

40m

T3

40m

T2
2 8m

R=70m

R =70 m

T1

Gối chống x oa y

Gối cho phép
xoay

Mo

Liên dầm biế n dạng xoắ n
Liê n dầm biến
dạng xoắn

M6

T5

T4

0.5 m

L =40 m

0.5m

0.5m

0.5m

0.5m

0.5m

T3

0.5m

0.5m
T5

T4

M6

T2
Gối chống xoay

R =70 m

G ối cho phép
xoay

T1
Mo

Hình 2. Sơ đồ kết cấu có gối đơn
bố trí đúng tấm và lệch tâm
Kết cấu được mơ hình theo thuật tốn
Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn (PP PTHH):
rời rạc bởi chuỗi các phần tử khung dầm kê
liên tục trên các gối nối đất. Các phần tử thanh
thẳng có chiều dài đủ nhỏ để đảm bảo mô tả
yếu tố cong trên mặt bằng của dầm. Với mặt
cắt dạng hộp đơn có chiều rộng < 12m và

khẩu độ nhịp 40m đảm bảo giả thiết nhịp dầm

Hình 3. Mơ hình kết cấu cho
dầm cong khảo sát có gối đơn
bố trí đúng tâm và lệch tâm
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Trong nghiên cứu khảo sát này, số lượng
cáp DƯL và thơng số hình học của dầm cầu
cong như chiều cao dầm, chiều dày thành
hộp… được tính toán từ nội lực của dầm

122


Tuyển tập Hội nghị Khoa học thường niên năm 2018. ISBN: 978-604-82-2548-3

thẳng tương ứng [2]. Kết quả giá trị đường
bao MM xoắn trong kết cấu dầm cong có 2
liên gối đơn được biểu diễn ở hình 4. Có thể
thấy phân bố MM xoắn đều có giá trị lớn ở
các vị trí trên mố và trụ vì đây là nơi có giá
trị phân bố lực cắt và MM uốn lớn. MM xoắn
ở trên các vị trí mố, trụ có xu hướng tăng dần
về độ lớn đến vị trí trụ giữa tiếp giáp giữa 2
liên, chính là vị trí bố trí gối chống xoắn. Giá
trị bao MM xoắn ở vị trí trụ giữa này có giá
trị tuyệt đối lớn hơn đáng kể so với giá trị ở
các vị trí gối và trụ khác, xấp xỉ 14500kN.m
nhưng vẫn nhỏ hơn mức kháng xoắn mặt của

cắt 19348 kN.m được đề cập ở [2]. Tại các vị
trí gối cho phép dầm biến dạng xoắn, vẫn có
điểm nhảy trong đường bao MM xoắn vì ở vị
trí này có bước nhảy về lực cắt và bước nhảy
phân bố MM xoắn gây ra bởi lực theo
phương ngang hướng tâm của hệ thống ứng
suất trước. Đường bao MM xoắn của nhịp
dầm cong của 2 trường hợp kết cấu dầm cong
bố trí gối cho phép và khơng cho phép biến
dạng xoắn được so sánh với nhau ở biểu đồ
hình 4. Kết quả cho thấy giá trị bao MM xoắn
trường hợp dầm cong 2 liên bố trí gối cho
phép biến dạng xoắn cho giá trị tuyệt đối bao
MM xoắn lớn gần gấp 2 lần giá trị trường
hợp dầm cong bố trí tất cả gối chống xoắn.
(14500 so với xấp xỉ 7500 (kN.m))

Hình 4. Đường bao MM xoắn trường hợp
các gối bố trí chống biến dạng xoắn
và có 2 liên cho phép biến dạng xoắn
Với giải pháp bố trí lệch gối như đã trình
bày, đường bao MM xoắn đã phân bố đồng
đều hơn ở các vị trí gối trên mố và các trụ
trung gian, khơng giống như ở trường hợp bố
trí gối đơn tại vị trí trục dầm - phân bố giá trị
bao xoắn quá lớn ở khu vực gối chống xoắn
phân chia 2 liên xoắn. Giá trị lớn nhất ở cận
trên và cận dưới cũng không quá chênh lệch
nhau (-8763 và 6249 (kN.m)). Sự phân bố giá
trị bao MM xoắn trong kết cấu dầm cong bố

trí gối lệch có thể xem gần tương tự như
trường hợp bố trí gối chống dầm xoay.

Hình 5. Đường bao MM xoắn trường hợp
các gối đơn bố trí chính giữa và bố trị lệch
Sự so sánh giá trị đường bao xoắn của dầm
cong có gối đơn bố trí chính giữa và bố trí
lệch được thể hiện ở hình 5. Tại khu vực phân
bố giá trị bao MM xoắn lớn việc bố trí gối
lệch đã làm giảm đi đáng kể giá trị bất lợi, cụ
thể như như vị trí gối chống xoay giữa 2 cầu
vị trí phân chia 2 liên xoắn, giá trị tuyệt đối
bao MM xoắn của kết cấu có gối bố trí gối
lệch chỉ bằng 0.6 lần so với giá trị bất lợi nhất
của kết cấu nhịp cong có gối bố trí chính giữa.
4. KẾT LUẬN

Trong giải pháp bố trí liên dầm có thể biến
dạng, các gối trung gian trong liên dầm được
bố trí đơn chiếc cho phép mặt cắt trên gối có
thể biến dạng xoắn, làm phân bố xoắn truyền
tích lũy về 2 đầu của liên với giá trị bao MM
xoắn tăng đáng kể, đặc biệt ở vị trí gối chống
xoắn giữa 2 liên. Giải pháp bố trí gối đơn
lệch ra phía ngồi so với tim dầm có thể phân
bố đều lại giá trị bao MM xoắn, về dạng
giống như bố trí gối chống xoắn.
5. TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lê Đình Tâm - Giáo trình Cầu Bê tơng cốt

thép (Tập 1, 2).
[2] Lương Minh Chính, Đặng Việt Đức, Dương
Anh Tuấn, “Cầu Cong BTCT DƯL: Lực
chọn thơng số thiết kế và phương pháp tính
tốn”, Tuyển tập hội nghị Khoa học thường
niên năm 2017 Trường Đại học Thủy lợi
tr90-tr.92.
[3] Midas IT - Midas/Civil User Manual.
[4] TCVN 4054: 2005 Đường ô tô - yêu cầu
thiết kế.
[5] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 - 05.

123