Nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi độ cứng của dây văng tới nội lực trong kết cầu nhịp cầu dây văng dầm cứng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYỄN SỸ THỌ

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ THAY ĐỔI ĐỘ CỨNG CỦA
DÂY VĂNG TỚI NỘI LỰC TRONG KẾT CẦU NHỊP CẦU DÂY
VĂNG DẦM CỨNG

CHUYÊN NGÀNH: XÂY DỰNG CẦU HẦM
MÃ SỐ: 60.58.25
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TSKH NGUYỄN NHƯ KHẢI

Thanh Hóa, 2012


2

LỜI CẢM ƠN
Trong quá trình thực hiện luận văn từ lúc ý tưởng cho đến ngày hoàn
thành đã gặp rất nhiều khó khăn từ nguồn tài liệu tham khảo, phương pháp tư
duy cho đến phương pháp tính tốn, xử lý số liệu. Đến nay, luận văn đã hoàn
thành đúng mục tiêu đề ra và thời hạn cho phép.
Lời đầu tiên, tác giả xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến
GS.TSKH. Nguyễn Như Khải, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo, quan
tâm giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình
thực hiện và hoàn thiện luận văn.
Tác giả chân thành cảm ơn Ban giám hiệu, khoa sau đại học, bộ môn
cầu hầm Trường Đại học xây dựng Hà Nội, Khoa đào tạo sau đại học trường

Đại học Hồng Đức đã tạo mọi điều kiện và giúp đỡ chúng tôi trong thời gian
học tập của khóa học.
Tác giả luận văn xin trân trọng cảm ơn Lãnh đạo Sở GTVT Thanh Hóa,
Ban QLDA GT 2 Thanh Hoá và các đồng nghiệp quan tâm tạo điều kiện giúp
đỡ trong quá trình ho ̣c tâ ̣p và làm luận văn.
Lời cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình tác
giả đã luôn bên cạnh động viên, hỗ trợ và chăm sóc chu đáo để tác giả hồn
thành khóa học.
Thanh Hóa, ngày tháng 12 năm 2012
Tác giả

Nguyễn Sỹ Thọ


3

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌ A ..................................................................................................... 1
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................2
MỤC LỤC ..................................................................................................................3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT.......................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG ........................................................................................6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ..................................................................7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................9
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ...............................................................................9
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN....................................................15
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU .....................................................................................15
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .........................................................................15

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ...................................................................................16
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG .............................16
1.2. MỘT SỐ NÉT VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM .........25
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN ..........................................................31
2.1. PHƯƠNG PHÁP MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TƯƠNG ĐƯƠNG ...............................31
2.2. MÔ ĐUN ĐÀN HỒI TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA DÂY CÁP CĂNG XIÊN ..........36

2.2.1. Chuyể n vi do
̣ dây thay đổ i đô ̣ cong................................................ 36
2.2.2. Biểu thức lý thuyết ......................................................................... 38
2.2.3. Biểu thức gần đúng ........................................................................ 39
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................41
CHƯƠNG 3

KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI NỘI LỰC, BIẾN DẠNG (ĐỘ

VÕNG) CỦA HỆ KHI ĐỘ CỨNG CỦA DÂY VĂNG THAY ĐỔI ...................42
3.1. CÁC SƠ ĐỜ VÀ SỐ LIỆU TÍNH TỐN ..........................................................42
3.2. CÁC KẾT QUẢ BẢNG TÍNH VÀ BIỂU ĐỜ NỢI LỰC TRONG KẾT CẤU
NHỊP CẦU DÂY VĂNG DẦM CỨNG ....................................................................45
3.3. SO SÁNH KẾT QUẢ TÍNH TỐN ...................................................................73


4

3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................77
1. KẾT LUẬN ...........................................................................................................77
2. KIẾN NGHỊ ...........................................................................................................77
TÀ I LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................78

PHỤ LỤC .................................................................................................................80


5

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

CHỮ VIẾT TẮT

Ý NGHĨA

CDV

CẦU DÂY VĂNG

GTVT

GIAO THÔNG VẬN TẢI

GS

GIÁO SƯ

QLDA GT

QUẢN LÝ DỤ ÁN GIAO THÔNG

TSKH

TIẾN SỸ KHOA HOC

6

DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 3.1. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ..................................... 46
(Sơ đồ 1, hoạt tải trên toàn cầu)
Bảng 3.2. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 47
(Sơ đồ 1, hoạt tải trên nhịp biên)
Bảng 3.3. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 48
(Sơ đồ 1, hoạt tải trên nhịp giữa)
Bảng 3.4. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 49
(Sơ đồ 2, hoạt tải trên toàn cầu)
Bảng 3.5. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ...................................... 50
(Sơ đồ 2, hoạt tải trên nhịp biên)
Bảng 3.6. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 51
(Sơ đồ 2, hoạt tải trên nhịp giữa)
Bảng 3.7. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 52
(Sơ đồ 3, hoạt tải trên toàn cầu)
Bảng 3.8. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 53
(Sơ đồ 3, hoạt tải trên nhịp biên)
Bảng 3.9. Nội lực và chuyển vị trong cầu dây văng ....................................... 54
(Sơ đồ 3, hoạt tải trên nhịp giữa)


7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Trang

Hình 1. Cầu Stromsund, Thụy Điển, xây dựng năm 1955 ................................ 9
Hình 2. Cầu dây văng Đrak’rơng ở Quảng Trị (2000).................................... 11
Hình 3. Cầu Normandie ở Pháp (1995) .......................................................... 12
Hình 4. Cầu Stonecutters tại Hơng Kơng (2010) ............................................ 13
Hình 5. Dây văng trong cầu Normandie ở Pháp ........................................... 14
Hình 1.1. Sơ đồ cầ u người đi ở Anh năm 1817 .............................................. 16
Hình 1.2. Cầ u qua sơng Trie ở Pháp (1925) ................................................... 17
Hình 1.3. Cầu Stromsund ở Thụy Điển, xây dựng năm 1955......................... 18
Hình 1.4. Cầu dây văng có dầ m cứng bằ ng BTCT qua sơng Ddniep ở Kie
(1963) .............................................................................................................. 19
Hình 1.5. Cầu qua sơng Rhin ở bắ c Bonn ....................................................... 20
Hình 1.6. Cầu Brotonne ở Pháp(1977)............................................................ 21
Hình 1.7. Cầu Skarnsundet ở Na uy xây dựng năm 1991 .............................. 23
Hình 1.8. Mă ̣t cắ t ngang cầu qua sơng Rhin ở Diepoldsau............................. 25
Hình 1.9. Cầu dây văng Đrak’rông ở Quảng Tri ̣(1976) ................................ 26
Hình 1.10. Cầu dây văng Mỹ Thuận .............................................................. 27
Hình 1.11. Cầu sơng Hàn (Đà Nẵng) .............................................................. 28
Hình 1.12. Cầu dây văng Bãi Cháy (Quảng Ninh) ......................................... 29
Hình 2.1. Ảnh hưởng của dây cong đến độ cứng của dây. ............................. 32
Hình 2.2. Sơ đồ làm việc của dây cong không dañ đàn hờ i. ........................... 34
Hình 2.3. Sơ đồ tính mơ đun đàn hồi của dây văng ........................................ 36
Hình 2.4. Sơ đồ tính mơ đun đàn hồi của dây văng ........................................ 37
Hình 2.5. Sơ đồ tính mơ đun đàn hồi tương đương của dây văng theo phương
pháp gần đúng ................................................................................................. 39
Hình 2.6. Sơ đồ tính mơ đun đàn hồi tương đương của dây văng theo phương
pháp gần đúng ................................................................................................. 40
Hình 3.1- Sơ đồ 1 ............................................................................................ 42
Hình 3.2- Sơ đồ 2 ............................................................................................ 43
Hình 3.3- Sơ đồ 3 ............................................................................................ 43
Hình 3.4. Tiết diện dầm................................................................................... 44

Hình 3.5. Nơ ̣i lực và chủ n vi trong
cầ u dây văng-Sơ đồ 1, hoạt tải ở trên
̣
toàn cầu. .......................................................................................................... 55
Hình 3.6. Sơ đồ 1(Hoa ̣t tải ở trên tồn cầu), Ảnh hưởng của sự thay đở i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 56
Hình 3.7. Nô ̣i lực và chuyể n vi trong
cầ u dây văng-Sơ đồ 1(hoa ̣t tải trên nhip̣
̣
biên). ................................................................................................................ 57


8

Hình 3.8 – Sơ đồ 1(Hoa ̣t tải trên nhip̣ biên), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 58
Hình 3.9. Nô ̣i lực và chuyể n vi trong
cầ u dây văng-Sơ đồ 1(hoa ̣t tải trên nhip̣
̣
giữa)................................................................................................................. 59
Hình 3.10 – Sơ đồ 1(Hoa ̣t tải trên nhip̣ giữa), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 60
Hình 3.11 - Nô ̣i lực và chuyể n vi trong
cầ u dây văng-Sơ đồ 2, hoạt tải ở trên
̣
toàn cầu. .......................................................................................................... 61
Hình 3.12 – Sơ đồ 2(Hoa ̣t tải ở trên tồn cầu), Ảnh hưởng của sự thay đở i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 62
Hình 3.13. Nô ̣i lực và chuyể n vi ̣trong cầ u dây văng-Sơ đồ 2(hoa ̣t tải trên nhip̣
biên). ................................................................................................................ 63

Hình 3.14 – Sơ đồ 2(Hoa ̣t tải trên nhip̣ biên), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 64
Hình 3.15. Nô ̣i lực và chuyể n vi ̣trong cầ u dây văng-Sơ đồ 2(hoa ̣t tải trên nhip̣
giữa)................................................................................................................. 65
Hình 3.16 – Sơ đồ 2(Hoa ̣t tải trên nhip̣ giữa), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 66
Hình 3.17. Nô ̣i lực và chuyể n vi ̣trong cầ u dây văng-Sơ đồ 3(hoa ̣t tải ở trên
tồn cầu). ......................................................................................................... 67
Hình 3.18 – Sơ đờ 3(Hoa ̣t tải ở trên toàn cầu), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 68
Hình 3.19. Nô ̣i lực và chuyể n vi ̣trong cầ u dây văng-Sơ đồ 3(hoa ̣t tải trên nhip̣
biên). ................................................................................................................ 69
Hình 3.20. Sơ đồ 3(Hoa ̣t tải trên nhip̣ biên), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 70
Hình 3.21. Nô ̣i lực và chuyể n vi ̣trong cầ u dây văng-Sơ đồ 3 (hoa ̣t tải trên
nhip̣ giữa). ....................................................................................................... 71
Hình 3.22 – Sơ đồ 3(Hoa ̣t tải trên nhip̣ giữa), Ảnh hưởng của sự thay đổ i đô ̣
cứng dây đế n lực do ̣c trong dây văng. ............................................................ 72


9

MỞ ĐẦU
1. SỰ CẦN THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Cầu dây văng (CDV) được phát triển, hoàn thiện trên cơ sở hệ dàn dây
của Gisclard theo hướng tạo một hệ bất biến hình gồm các dây văng chịu kéo
và dầm cứng chịu nén uốn. Từ chiếc cầu đầu tiên - cầu Stromsund được xây
dựng ở Thụy Điển năm 1955 (hiǹ h 1) – cho đến nay, trên thế giới đã xây dựng
được hơn 600 chiếc CDV lớn, nhỏ với các thể loại khác nhau [6]. Có thể nhận

thấy rằng, trong lĩnh vực xây dựng cầu, khơng có loại kết cấu nào được áp
dụng một cách nhanh chóng, rộng rãi và đạt được nhiều thành tựu như CDV.
Những năm cuối thế kỷ XX, các kỷ lục về chiều dài CDV liên tục bị phá vỡ,
nhiều cây cầu đã trở thành di sản văn hoá, biểu tượng kiến trúc, đánh dấu sự
phát triển khoa học kỹ thuật của thời đại.

Hình 1. Cầu Stromsund, Thụy Điển, xây dựng năm 1955


10

Trong CDV, dầm cứng làm việc như một dầm liên tục tựa trên các gối
đàn hồi là các dây văng. Tăng số lượng gồi đàn hồi sẽ làm giảm đáng kể
mômen uốn trong dầm cứng, nhưng không làm tăng khối lượng dây và lực
nén trong dầm chủ.
Trong khi đó, dây văng làm việc chịu kéo thuần tuý nên có thể sử dụng
hết cường độ của thép sợi cường độ cao. Với các đặc điểm trên, CDV có thể
vượt được nhịp rất lớn mà lượng vật liệu tăng khơng đáng kể.
Tính đa dạng là một đặc điểm của CDV mà hệ thống cầu khác khơng thể
có được. Tính đa dạng của CDV thể hiện ở chiều dài nhịp (có thể từ vài chục
mét đến hàng nghìn mét), số lượng nhịp, vật liệu (thép, bê tông cốt thép) cũng
như khả năng áp dụng các dạng sơ đồ phân bố dây và số lượng mặt phẳng
dây…
Ở nước ta, CDV đầu tiên được xây dựng vào năm 1976 tại Đrak’rông
(Quảng Trị). Trong giai đoạn vừa qua, cùng với sự phát triển và hội nhập của
nhiều ngành kinh tế, ngành cầu đường nước ta cũng có những bước phát triển
đáng khích lệ, trong đó CDV được đặc biệt quan tâm như là một giải pháp
hợp lý không những với các cầu nhịp lớn mà ngay cả trong các dự án phát
triển giao thông nông thôn, vùng núi, đồng bằng Sông Cửu Long [1], [2].
Trong năm 2000, chúng ta đã hoàn thành việc xây dựng ba chiếc CDV

với các nét đặc thù riêng, đó là cầu sông Hàn (Đà Nẵng) – 3/2000; cầu Mỹ
Thuận (Vĩnh Long) – 4/2000 và cầu Đrak’rông mới – 5/2000 (hình 2).


11

Hình 2. Cầu dây văng Đrak’rơng ở Quảng Trị (2000)
Hiện nay chúng ta đã xây dựng xong nhiề u cầ u dây văng mới như CDV
Kiền, Bính, Bãi Cháy, Cần Thơ, Rạch Miễu… và hàng loạt CDV cho nông
thôn, miền núi.
Trong những năm gần đây, với những thành tựu đạt được trong công
nghệ vật liệu và công nghệ xây dựng quan điểm cổ điển về giới hạn nhịp của
CDV đã thay đổi. Nhịp CDV ngày nay có thể đạt đến hàng ngàn mét mà vẫn
đảm bảo tốt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Có thể đơn cử các trường hợp của
cầu Normandie (1995) (hình 3) – nhịp 856m; Tatara (1999) – nhịp 890m và
các dự án CDV qua vịnh Great Belt – nhịp 1600m, CDV qua eo biển
Bibaraltar – nhịp 5000m là những minh chứng [6].


12

Hình 3. Cầu Normandie ở Pháp (1995)
Cầu Stonecutters tại Hơng Kơng (Trung Quốc năm 2010) có tổng chiều
dài với 3 làn xe cơ giới, nhịp chính của cầu dài 1018m (hình 4); Cây cầu
Sutong ở tỉnh Giang Tơ, phía Đơng Trung Quốc bắc qua sông Dương Tử, nối
Nam Thông với Tô Châu trước khi diễn ra Thế vận hội Bắc Kinh 2008. Cầu
Sutong dài 32,4km đã lập kỷ lục thế giới mới về cây cầu dây văng có nhịp
chính dài nhất với 1.088m (Năm 2011); Cây cầu nối Vladivostok với Đảo
Russky, dài 1.104m (Năm 2012).

13

Hình 4. Cầu Stonecutters tại Hơng Kơng (2010)
Để đáp ứng kịp với nhịp độ xây dựng trong thực tiễn cũng như những
bước nhảy vọt về khả năng vượt nhịp của CDV, một số các quan niệm về lý
luận cũng cần phải thay đổi, một trong các vấn đề đó là đặc điểm làm việc của
dây văng.
Trong cầu dây văng, các dây chủ thường được làm bằng các bó dây gồm
các sợi thép cường độ cao đặt song song hoặc xoắn ốc. Bó dây thường nhỏ và
dài, nên mềm, chịu kéo tốt nhưng khơng có khả năng chịu uốn, nén. Các dây
văng thường được neo vào dầm chủ và tháp cầu với các góc nghiêng khác
nhau theo phương ngang, dưới tác dụng của trọng lượng bản thân, dây bị
võng theo đường cong dây xích mà trong lý thuyết tính dây mềm vẫn được
giả thiết là đường cong parabol. Khi chịu hoạt tải, lực căng trong dây thay
đổi, ngoài biến dạng đàn hồi tuyến tính, dây cịn thay đổi độ võng gây biến
dạng đàn hồi phi tuyến làm thay đổi biến dạng và nội lực trong toàn hệ.


14

Trong tính tốn cầu dây văng, khi nhịp nhỏ, người ta chấp nhận dây văng
thẳng tuyệt đối, hệ được xem như khơng biến dạng hình học và được tính theo
các phương pháp thông thường của cơ học kết cấu [10]. Điều này có thể chấp
nhận được với các các cầu nhịp nhỏ, dây ngắn vì khi đó độ võng của dây nhỏ.
Hiện nay, trên thế giới đã có nhiề u nhịp CDV lớn, chiều dài dây văng có thể
lên tới hàng trăm mét, vì vậy quan niệm dây thẳng tuyệt đối sẽ khơng cịn phù
hợp nữa.

Hình 5. Dây văng trong cầu Normandie ở Pháp

Thực tế, khi một dây cáp căng xiên, dưới tác dụng của trọng lượng bản
thân và tĩnh tải kết cấu nhịp dây bị võng (hình 5), khi chịu thêm hoạt tải,
chuyển vị của dầm tại các nút dây không chỉ phát sinh do biến dạng đàn hồi
mà cịn có thêm thành phần biến dạng phụ do dây thay đổi độ cong. Biến
dạng này sẽ làm thay đổi độ cứng thực tế của các dây, đặc biệt với các dây bị
nén do hoạt tải, độ cong của dây tăng lên và do đó độ cong của dây giảm rất
nhanh dẫn đến sự phân bố lại nội lực và biến dạng trong toàn hệ.


15

Vấn đề này đã có mơ ̣t số tác giả quan tâm giải quyế t, đã xây dựng biể u
thức xác đinh
̣ mô đun đàn hồi tương đương của dây khi xét tới ảnh hưởng của
sự thay đổi đô ̣ cong dây [5], [6], [8], [11], [12].
Xuất phát từ biểu thức xác đinh
̣ mô đun đàn hồ i tương đương của dây
khi xét tới ảnh hưởng của sự thay đổi đô ̣ cong dây, luận văn sẽ tiến hành
nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của sự thay đổi độ cứng dây văng thông qua
mô đun đàn hồi tương đương tới nội lực trong kết cấu nhịp cầu dây văng dầ m
cứng. Từ đó rút ra những nhận xét, kết luận và kiến nghị về các kết quả
nghiên cứu.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay
đổi độ cứng của dây văng đến nội lực trong kết cấu nhịp cầu dây văng dầ m
cứng.
Với mục tiêu trên thì nội dung nghiên cứu của luận văn gồm các vấn đề
sau đây:
Khảo sát sự thay đổi nội lực, biến dạng (độ võng) của hệ khi độ cứng

của dây văng thay đổi.
3. PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu bằng số về sự thay đổi nội lực, biế n dạng (đô ̣ võng) ta ̣i mô ̣t
số tiế t diêṇ dầ m cứng và mô ̣t số dây văng cu ̣ thể (dây neo, dây ở giữa dầ m và
dây kề với tháp) của các sơ đồ cầ u dây văng 3 nhip̣ không có tru ̣ phu ̣.
4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sử dụng chương trình phần mềm Midas/Civil để tiến hành khảo sát nô ̣i
lực, biế n da ̣ng (đô ̣ võng) của hê ̣ khi cho đô ̣ cứng của dây văng thay đổi.


16

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN
1.1. SƠ LƯỢC VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG

Năm 1790, cơng trình sư người Pháp tên là Poet đã đề nghị dùng hai
tháp cầu cùng một hệ dây căng xiên đỡ hệ mặt cầu của một cầu ba nhịp. Năm
1817 ý tưởng này đã được áp dụng ở Anh cho một cầu người đi có nhịp chính
33.5m (hình 1.1). Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng xuất phát từ
đỉnh tháp cầu, phía đối diện với các dây văng bố trí một dây neo. Thành phần
lực ngang của các dây văng và dây neo truyền vào tay vịn lan can cầu. Đây là
tiền đề cho hệ cầu trong đó thành phần lực ngang được truyền vào dầm cứng
[6].

Hình 1.1. Sơ đồ cầ u người đi ở Anh năm 1817
Năm 1925, ở Pháp đã xây dựng một CDV qua sơng Trie có nhịp chính
112m. Các dây văng được neo và truyền lực vào thanh tăng cường của giằng

gió biến thành hệ khơng có lực xơ ngang, đây chính là hình ảnh của các CDV
hiện đại (hình 1.2) [6].


17

Hình 1.2. Cầ u qua sông Trie ở Pháp (1925)
Năm 1938 giáo sư Dischinger người Đức đã đề nghị dùng cầu dây văng
dầm cứng có các dây văng làm bằng thép sợi cường độ cao, dưới tác dụng của
tĩnh tải kết cấu nhịp dây làm việc với lực căng lớn để giảm độ võng do trọng
lượng bản thân. Đề nghi ̣ của Dischinger đươ ̣c thực hiê ̣n năm 1955 vào cầu
Stromsund ở Thụy Điển (hình 1.3). Cầu có dầm cứng liên tục ba nhịp làm
bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường độ cao. Bản mặt
cầu bằng bêtông cốt thép. Đây là chiếc CDV hiện đại đầu tiên và được xem
như là điểm xuất phát của lĩnh vực xây dựng CDV trong những năm sau này.


18

Hình 1.3. Cầu Stromsund ở Thụy Điển, xây dựng năm 1955
Cũng trong thời kỳ đó (năm 1955), ở Đức đã xây dựng một loạt CDV,
trong đó có quần thể gồm ba cầu dầm cứng bằng thép qua sông Rhin ở
Dusseldorf, cả ba cầu đều có dây văng song song. Chiều dài các nhịp chính
được chọn từ 260 đến 320m với kích thước khoang dầm thay đổi từ 37 đến
64m [6].
Về mặt cơ học CDV có thể xem như một hệ dàn trong đó các dây văng
chịu lực kéo, dầm cứng chủ yếu nén do đó thích hợp với việc sử dụng bêtông
cốt thép (BTCT), lực nén trước trong dầm cứng là do thành phần lực ngang
của dây văng truyền vào dưới tác dụng của tĩnh và hoạt tải, cho nên có thể nói
dầm cứng trong CDV là loại dầm tự ứng suất trước. Chiếc CDV đầu tiên có

19

dầm cứng bằng BTCT được xây dựng qua sông Đniep (Ucraina), cầu có nhịp
chính dài 144m, khoang dầm d=20m, xây dựng xong năm 1963 (hình 1.4) [6].

Hình 1.4. Cầu dây văng có dầ m cứng bằ ng BTCT qua sông Ddniep ở Kie (1963)

Vào thời kỳ này người ta đã nhận thấy rằng với các CDV có khoang
dầm lớn sẽ xuất hiện mômen uốn lớn trong dầm cứng. Việc giảm chiều dài
khoang dầm sẽ có tác dụng giảm mơmen uốn, đồng thời cấu tạo neo đơn giản
và dây văng có thể làm bằng các tao cáp đơn [6].
Homberg là người đầu tiên thực hiện ý tưởng này năm 1964 vào cầu
qua sông Rhin ở bắc Bonn. Các dây văng bằng cáp kín có đường kính khơng
vượt q 135mm, kích thước khoang dầm 9,47m. Nhưng do Homberg chỉ


20

chọn một mặt phẳng dây với chiều rộng cầu 36m nên phải sử dụng tiết diện
hình hộp có đơ ̣ cứng chố ng xoắ n lớn với chiề u cao 4,2m và chiề u rô ̣ng 12,6m.
Kế t quả là vẫn phải dùng dầm cứng quá lớn (hình 1.5) [6].

Hình 1.5. Cầu qua sông Rhin ở bắ c Bonn
Cho đến năm 1972 rất nhiều CDV qua sơng Rhin vẫn cịn dùng hệ có
khoang dầm lớn (Các cầu ở Duisburg, Leverkusen, Koln, cầu qua sông Rees,
Speyer….). Việc áp dụng CDV khoang nhỏ chưa được chấp nhận ngay.
Những năm sau đó, khi xây dựng các CDV nhịp lớn, cùng với việc áp dụng
một mặt phẳng dây, việc áp dụng công nghệ thi công hẫng và sự cần thiết

giảm mômen uốn cục bộ trong dầm cứng các CDV có khoang nhỏ mới bắt
đầu thực sự được áp dụng.
Một đặc điểm qua trọng trong quá trình phát triển CDV ở giai đoạn
những năm 60 của thế kỷ XX là việc lựa chọn số lượng và bố trí các mặt
phẳng dây. Khi ứng dụng hệ cầu có khoang nhỏ đã có khuynh hướng dùng
một mặt phẳng dây bố trí ở giữa cầu, vừa làm giải phân cách, tạo dáng vẻ đẹp
đă ̣c biêṭ là ở mọi tầm nhìn các dây văng khơng bị giao cắt nhau bằng những
đường nét lô ̣n xộn như trong hê ̣ có nhiề u mă ̣t phẳ ng dây. Có thể đơn cử
trường hợp cầu Brotonne, cầ u có nhịp chiń h 320m được xây dựng năm 1977
ở Pháp (hiǹ h 1.6).


21

Hình 1.6. Cầu Brotonne ở Pháp(1977)
Tuy nhiên hệ một mặt phẳng dây địi hỏi dầm cứng có tiết diện hình
hộp với kích thước đờ sơ ̣, khơng mang lại hiệu quả kinh tế, đă ̣c biêṭ với các
cầ u rô ̣ng.
Bắt đầu những năm 70 của thế kỷ XX, xu hướng chủ yếu là áp dụng hệ
có hai mặt phẳng dây, đă ̣c biêṭ là trong các cầ u nhip̣ lớn và cũng từ những
năm 80 của thế kỷ XX, các cầ u có mô ̣t mă ̣t phẳ ng dây cũng ít thấ y xuấ t hiên.
̣
Trong quá trình phát triển dầm cứng bằng BTCT ở CDV đã xuất hiện
một thể loại khá độc đáo, đó là CDV có dầm cứng bằng BTCT ứng suất trước
khoang lớn, tháp cầu cứng, dây văng dạng thanh bêtông cốt thép cường độ
cao. Chiếc cầu đầu tiên thuộc dạng này được xây dựng năm 1962 qua hồ
Maracaibo ở Vênêzuêla, chiều dài toàn cầu 8272m, nhịp 235m. Sau đó, một
số cầu cũng được xây dựng theo dạng này như cầu Pôntrevera (Italia – 1967),
nhịp chính 207,9m; cầu Vadi-El-kuf (Libi-1971), nhịp chính 282m; cầu qua
sơng Parana (Achentina-1976), nhịp chính 245m và cầu Mã Tích (Hồ Nam,

Trung Quốc-1985), nhịp chính 60m [6]…
Ở khu vực châu Á, CDV tuy bắt đầu được xây dựng tương đối muộn so
với các khu vực khác trên thế giới nhưng lại phát triển rất nhanh do tận dụng
được những kinh nghiệm và thành quả đã có của các cơng trình trước đó. Cầu
dây văng đầu tiên ở Trung Quốc xây dựng năm 1975 ở Tứ Xuyên, cầu có


22

nhịp chính 75,84m, dầm cứng bằng BTCT. Từ đó đến nay Trung Quốc đã xây
dựng được gần 40 chiếc CDV với đầy đủ tính đa dạng của loại kết cấu này.
Trong đó có cầu Dương Phố (Thượng Hải) xây dựng xong năm 1993 đã một
thời là chiếc CDV có nhịp lớn nhất thế giới (602m). Tại Nhật Bản, CDV cũng
được áp dụng phổ biến và phát triển rất mạnh mẽ, cơng trình tiêu biểu nhất là
cầu Tatara (1999)-nhịp 890m hiện đang giữ kỉ lục về chiều dài nhịp CDV.
Vào trước những năm 80 của thế kỷ 20 có nhiều ý kiến cho rằng CDV
chỉ thích hợp cho những nhịp dưới 500m, với các nhịp lớn hơn, dây văng dài,
bị võng dưới tác dụng của trọng lượng bản thân và gặp lại nhược điểm của
cầu treo parabol. Ý kiến trên trong một thời gian dài đã kìm hãm sự phát triển
của CDV. Vì thế, các CDV được xây dựng trong thời kỳ này đều có nhịp
khơng q 500m như cầu Saint-Nazaire ở Pháp, 1975-nhịp 404m; Barrios de
Luna ở Tây Ban Nha, 1983 nhịp 430m; cầu John Frazer ở Canada, 1986-nhịp
465m và cầu Ikuchi ở Nhật Bản, 1991-nhịp 490m.
Thâ ̣t ra vào khoảng cuối những năm 70 của thế kỷ 20, nhiều nhà nghiên
cứu đã chứng minh rằng với các CDV có nhịp 600-700m thì viê ̣c thiế t kế , cấ u
ta ̣o và thi công không gă ̣p khó khăn đă ̣c biê ̣t. Quan điểm này đã được thể hiện
trong phương án thiết kế cầu Honfleur (tiền thân của cầu Normandie) với nhịp
chính 510m; cầu Storebaelt (Đan Mạch) có nhịp 780m; cầu qua vịnh Messine
(Italia), nhịp chính 1300m-Phương án của Leonhardt. Mặc dù vậy, phải tới
Hội thảo về cầu dây văng ở Bangkok (Thái Lan) năm 1987 quan điểm về

chiều dài nhịp của CDV mới thực sự thay đổi (tại đây người ta đã trình bày
phương án cầu Normandie-Pháp, nhịp 856m).
Ngay sau đó hàng loạt CDV nhịp lớn được xây dựng tại nhiều nước
trên thế giới như cầu Skarsundet (Nauy-1991)-nhịp 530m; cầu Dương Phố
(Thượng Hải, Trung Quốc-1993)-nhịp 602m; Cầu Normandie (Pháp-1995)nhịp 856m và cầu Tatara (Nhật Bản-1999)-nhịp 890m.


23

Về mặt chất liệu, CDV là loại kết cấu có thể áp dụng các dạng vật liệu
khác nhau cho dầm cứng. Có thể thấy rõ điều này qua các CDV giữ kỷ lục thế
giới trong những năm qua:
-

Cầu Saint-Nazaire, 1975, thép tiết diện hình hộp bản trực hướng.

-

Cầu Barrios de Luna, 1983, dầm cứng bằng BTCT ứng suất trước.

-

Cầu Annacis ở Mỹ, 1986, dầm thép - bêtông liên hợp.

-

Cầu Ikuchi, 1991, nhịp chính bằng thép, nhịp biên bằng BTCT.

-

Cầu Skarsundet, 1991, dầm BTCT ứng suất trước (hình 1.7).

-

Cầu Dương phố, 1993, dầm thép bêtông liên hợp.

-

Cầu Normandie, 1995, tiết diện hình hộp bằng thép ở nhịp giữa.

Hình 1.7. Cầu Skarnsundet ở Na uy xây dựng năm 1991
Như vậy cả ba loại tiết diện dầm cứng: thép, thép bêtông liên hợp và
bêtơng ứng suất trước, đều được sử dụng có hiệu quả.
Sự phát triển của các tiết diện dầm cứng cũng diễn qua nhiều giai đoạn,
đặc biệt với loại dầm cứng bằng BTCT. Trong những năm đầu, dầm cứng


24

gồm hai dầm chủ tiết diện I, chữ П hoặc hình hộp được liên kết với nhau bằng
hệ dầm ngang và bản mặt cầu, với các cầu có một mặt phẳng dây thì dùng tiết
diện hình hộp. Trong quá trình phát triển đã phát hiện một điều quan trọng là
đối với CDV có dây dày, khoang nhỏ với hai dàn dây neo vào hai lề của mặt
cầu thì có thể khơng cần đến các dầm biên. Như vậy có thể áp dụng dầm cứng
dưới dạng bản, đơn giản về cầu tạo và thi công nhất là với công nghệ đúc
hẫng.
Trong những năm 1982 - 1986 René Walther đã nghiên cứu thực hiện
trên một mơ hình có tỉ lệ 1/20 cho một cầu có nhịp chính 200m. Mặt tiết diện
70x2,5cm tương ứng với tiết diện thật của cầu rộng 14m, dầy 50cm. Khoảng
cách giữa các dây văng là 5m. Khi chịu hoạt tải, độ võng lớn nhất khoảng

(1/300)l (67cm). Khi tăng tải trọng đến trạng thái giới hạn bền, hiện tượng
mất ổn định khơng thấy xuất hiện [6].
Sau kết quả thì nghiệm mơ hình, Rene Walther đã thực hiện một cầu
qua sơng Rhin ở Diepoldsau (Thụy sĩ) năm 1984. Cầu có nhịp chính 100m,
dầm cứng là một bản rộng 14.5m, chiều dày 36cm ở hai biên và 55cm ở giữa.
Bản dầm cầu được đúc hẫng tại chỗ để tránh thực hiện các mối nối. Chiế c cầu
này là một đóng góp quan trọng trong sự phát triển CDV (hình 1.8) [6].


25

Hình 1.8. Mặt cắ t ngang cầu qua sơng Rhin ở Diepoldsau
Tiếp sau đó, năm 1993, trên cơ sở các kết quả nghiên cứu của Walther
ở Hi Lạp đã xây dựng một cầu có kết cấu tương tự, cầu có nhịp chính 215m,
dầm cứng là một bản rộng 14m, chiều cao tiết diện không đổi 45cm.
Với rất nhiều các ưu điểm về các phương diện kinh tế, kỹ thuật, kiến
trúc… CDV được ứng dụng rộng rãi hầu hết ở các quốc gia trên thế giới,
CDV cũng là loại cơng trình có tốc độ phát triển mạnh mẽ nhất và đạt được
những thành tựu quan trọng. Ngày nay, CDV hiện đại đã được các nhà thiết
kế áp dụng trên phạm vi tồn thế giới.
1.2. MỢT SỚ NÉ T VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM

Ở Việt nam các cơng trình cầu dây văng bắt đầu được áp dụng trong
những năm kháng chiến chống Mỹ. Tuy vậy, những công trình này cũng chỉ
mang tính tạm thời nhằm phục vụ giao thông thời chiến.
Năm 1976 chúng ta xây dựng xong chiếc cầu dây văng dầm cứng đầu
tiên-cầu Đrak’rông (Quảng Trị) nằm trên đoạn đầu tuyến đường Trường Sơn
(hình 1.9). Cầu có hệ dây làm bằng cáp mềm, dầm cứng được ghép từ hai
thép chữ I910, bản mặt cầu bê tông cốt thép, được thiết kế cho đoàn tải trọng
tiêu chuẩn H-13, xe xích HT-60. Cầu gồm 3 nhịp bố trí theo sơ đồ

22.5+128+22.5m. Các vật liệu chủ yếu để xây dựng đều tận dụng từ những
chiếc cầu hư hỏng trong chiến tranh. Tuy thế cầu cũng chỉ phục vụ được trong
thời gian hơn 20 năm.