BÁO CÁO NCKH : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY THEO DẠNG LƯỚI

TRƯờNG ĐạI HọC XÂY DựNG
Bộ MÔN CầU V CÔNG TRìNH NGầM




BáO CáO
SINH VIÊN NGHIÊN CứU KHOA HọC
Đề TI:
NGHIÊN CứU CầU VòM THéP DÂY TREO DạNG LƯớI
(NETWORK ARCH BRIDGE)











BáO CáO
SINH VIÊN NGHIÊN cứu KHOA HọC

Đề TI :
NGHIÊN CứU CầU VòM THéP DÂY TREO DạNG LƯớI
(NETWORK ARCH BRIDGE)

Thực hiện: Trần Quang Hng 53CD3
Trần Tiến Dũng 53CD3
Đoàn Văn Huy 53CD3
Nguyễn Văn Mạnh 53CD3
Hớng dẫn ThS. Cù Việt Hng












Hà nội tháng 3 năm 2012
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1-2 U
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM 1-3
1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CHUNG 1-3
1.2. CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA CẦU VÒM 1-7
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TẠO CẦU VÒM DÂY TREO DẠNG LƯỚI 2-10
2.1. SƠ LƯỢC VỀ CẦU VÒM DÂY TREO DẠNG LƯỚI (NAB) 2-10

2.1.1. Cầu vòm NIELSEN 2-10
2.1.2. Cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge) 2-11
2.1.3. Cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản (Japanese Style Network Arch) 2-12
2.1.4. Hình ảnh một số cầu vòm thép dây treo dạng lưới trên thế giới 2-13
2.2. CẤU TẠO CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI, QUAN ĐIỂM LỰA
CHỌN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN 2-14
2.2.1. Vành vòm và đường tên vòm 2-14
2.2.2. Thanh căng 2-16
2.2.3. Hệ dây treo 2-18
2.2.4. Hệ giằng gió 2-23
2.2.5. Chân vòm 2-24
2.3. CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU VÒM DÂY TREO DẠNG LƯỚI 2-25
CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG
LƯỚI 3-29
3.1. ĐẶC ĐIỂM CHỊU LỰC CỦA CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI 3-29
3.2. KHẢO SÁT, PHÂN TÍCH SỰ LÀM VIỆC CỦA CẦU VÒM THÉP DÂY TREO
DẠNG LƯỚI 3-32
3.2.1. Đặt vấn đề 3-32
3.2.2. Bài toán 1: So sánh sự làm việc giữa sơ đồ cầu vòm thép dây treo dạng lưới và cầu
vòm thép với dây treo thẳng 3-32
3.2.3. Bài toán 2: Khảo sát ảnh hưởng của số lượng dây treo đến sự làm việc của kết cấu3-38
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 4-45
4.1. KẾT LUẬN 4-45
4.2. KIẾN NGHỊ 4-46
Trang i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
MỞ ĐẦU
Trong những năm gần đây, sự phát triển kỹ thuật kết cấu công trình nói chung

và kết cấu công trình cầu luôn gắn liền với các nghiên cứu phát triển các loại hình kết
cấu mới, vật liệu mới có trọng lượng nhẹ và cường độ vật liệu cao, kỹ thuật xây dựng
hướng tới mục tiêu xây dựng các công trình cầu quy mô lớn, khẩu độ lớn, kết cấu nhẹ
và thanh mảnh, tiết kiệm vật liệu. Các kết cấu cầu treo dây võng, cầu dây văng, cầu
vòm thép dây treo dạng lưới v.v đã khẳng định tính ưu việt so với các dạng kết cấu
cầu khác với khả năng vượt khẩu độ lớn và kiến trúc độc đáo.
Kết cấu cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge - NAB) được được
kỹ sư người Na Uy, Per Tveit phát minh vào cuối những năm 1950. Ông định nghĩa
NAB là cầu vòm với các dây treo xiên cắt nhau ít nhất hai lần. Đây là loại kết cấu có
nhiều ưu điểm về mặt chịu lực, kết cấu nhẹ, tiết kiệm được vật liệu và tính thẩm mỹ
kiến trúc cao.
Tại Việt Nam, trong một giai đoạn dài trước đây, chúng ta chỉ thiết kế các
công trình nhịp ngắn, giản đơn. Cầu Phú Lương hoàn thành vào năm 1997 với bước
đột phá về công nghệ cầu BTCT DƯL đúc hẫng cân bằng nhịp lớn đã đem lại thành
công rực rỡ với nhiều công trình cầu theo công nghệ này đã và đang được xây dựng.
Tiếp đó, cầu dây văng Mỹ Thuận hoàn thành vào năm 2000 là tiền đề cho ra đời các
cầu dây văng tiếp theo ở nước ta và đặc biệt là cầu Rạch Miễu do các kỹ sư tư vấn và
xây dựng của Việt Nam đảm nhiệm. Việc áp dụng các kết cấu cầu mới với công nghệ
thiết kế, thi công hiện đại không những đáp ứng được các yêu cầu về tĩnh không thông
thuyền, khẩu độ nhịp lớn, mà còn góp phần thay đổi diện mạo của ngành cầu Việt
Nam. Trên tinh thần đó, việc áp dụng cầu vòm dây treo dạng lưới cho một số dự án
cầu lớn ở nước ta hứa hẹn một hướng đi mới, đúng đắn, thể hiện quan điểm thúc đẩy
sự phát triển ngành cầu của cầu Việt Nam.
Hiện nay, ở nước ta đang xây dựng hai cây cầu vòm thép dây treo xiên dạng
Nielsen đầu tiên là cầu Bình Lợi
bắc qua sông Sài Gòn nối quận Bình Thạnh - quận
Thủ Đức, thành phố Hồ Chí Minh
và cầu Mỹ Lợi trên Quốc lộ 50 vượt sông Vàm Cỏ,
tỉnh Long An và Tiền Giang.
Với mong muốn tìm hiểu về một dạng kết cấu cầu mới lần đầu tiên áp dụng tại

Việt Nam, dưới sự hướng dẫn của giảng viên ThS. Cù Việt Hưng, nhóm sinh viên
chúng em đã tiến hành nghiên cứu đề tài cầu vòm thép dây treo dạng lưới. Kết quả
nghiên cứu được tổng hợp trong báo cáo dưới đây.

Trang 1-2
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM


1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CHUNG
Kết cấu dạng vòm là kết cấu cổ xưa nhất mà con người đã sáng tạo ra nhằm
vượt chướng ngại vật trên các tuyến đường. Nhận thấy lợi thế của kết cấu dạng vòm
chủ yếu chịu nén, nhiều công trình vòm đầu tiên bằng đá đã được xây dựng bởi đế chế
La Mã và còn tồn tại đến ngày nay. Có thể nói kết cấu vòm nói chung và cầu vòm đá
nói riêng là dạng kết cấu cổ nhất mang nhiều ưu điểm về khả năng chịu lực và tính
thẩm mỹ. Một số công trình cầu vòm đá nổi tiếng như cầu Atalanca bắc qua sông
Tagus ở Tây Ban Nha và đặc biệt cầu Đan Hà, Phổ Thành, Tây Sơn, Trung Quốc là
cầu vòm đá nhịp lớn nhất thế giới (146m) được hoàn thành năm 2001.
Nguồn gốc cầu vòm hiện nay còn chưa được làm rõ. Các học giả nghiên cứu
phương Đông cho rằng cầu vòm trên sông Euphrateo ở Syria và sông Tigris ở Iraq do
người Sunnit cổ đại phát triển từ vòm gạch mà thành. Có ý kiến cho rằng vòm do con
người phỏng theo vòm đá tự nhiên ḿà phát triển lên, nhưng cũng có người cho rằng từ
cầu dầm đá hẫng, tiến đến cầu dầm đá nhiều hình phát triển lên mà thành v.v Trên
thực tế, thời cổ đại, do giao thông không thuận tiện, hoạt động của con người bị hạn
chế, cùng một loại kết cấu cũng có nhiều nguồn gốc, phần lớn dựa vào sự độc lập phát
triển, không cần thiết phải hiểu rõ cầu vòm do ai phát minh, địa phương nào xây dựng
đầu tiên. Tuy nhiên, điều cần hiểu rõ là việc xây dựng và áp dụng cầu vòm, trong tiến
trình chinh phục tự nhiên vươn tới văn minh đã có tác dụng to lớn. So với cầu dầm đá,

cầu vòm không cần những khối đá lớn, lựa vật liệu dễ dàng, (cả vật liệu thiên nhiên và
nhân tạo như gạch) có khả năng vượt khẩu độ lớn. Do đó, cho tới ngày nay, cầu vòm
vẫn là một trong những dạng kết cấu được áp dụng phổ biến.
Trước công nguyên từ 200 đến 260 năm, người La Mã cổ đại đã xây dựng
nhiều cầu vòm đá lớn. Các cầu vòm này phần lớn là vòm nửa hình tròn, dùng các mố
trụ vòm nặng, cho nên khi một nhịp vòm bị phá hoại thì các nhịp khác vẫn còn tốt.
Cầu nổi tiếng nhất là cầu Port Du Gard Aqueduct, xây dựng năm 19 trước công
nguyên với ba tầng vòm nửa hình tròn, tầng dưới có 6 vòm, tầng 2 có 11 vòm, tầng 3
có 33 vòm, trụ trên kênh Du Thủy.
Trang 1-3
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 1-1. Pont du Gard Aqueduct, Pháp (xây dựng năm 19 trước công nguyên)
Thế kỷ thứ 18 với cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh, thép đúc và thép rèn
được sản xuất công nghiệp, làm cho sản lượng gang tăng lên rất nhanh. Gang thép
được dùng nhiều trong kết cấu công trình cầu. Cầu vòm gang thép nổi tiếng nhất là cầu
trên sông Coallrook da le Sevem ở Anh. Cầu được xây dựng với 5 nửa vòng tròn bằng
gang xếp liền nhau có khẩu độ tĩnh 30m. Năm 1977, cầu Pia Maria trên sông Douro ở
Bồ Đào Nha, có khẩu độ 160,13m là cầu vòm hai chốt kiểu dàn hoa hai sườn.

Hình 1-2. Cầu kim loại ở Coalbrookdale, England (1777-1779)
Năm 1856, tạp chí H. Bessemer giới thiệu nhiều tài liệu về phương pháp luyện
thép. Năm 1861, W. Siemens và E.Martin đẩy mạnh dùng lò Martin để luyện thép.
Nhờ đó, công trình cầu bước vào thời đại cầu thép. Lần đầu tiên dùng thép vào công
trình cầu là cầu Eads vượt sông Stolouis bang Missouri ở nước Mỹ xây dựng năm
Trang 1-4
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012

ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
Cầu vòm thép Sydney ở Úc xây dựng năm 1932 với nhịp chính 503m là một
trong những cây cầu nổi tiếng thế giới.
Kỹ thuật cầu vòm thép có nhiều tiến bộ, về khẩu độ cầu mà nói, từ năm 1874
mới đạt 158.6m đến năm 1916 tăng lên 298m ở cầu Hell Gate, chỉ 42 năm khẩu độ
tăng lên 90%, năm 1931 khẩu độ 503.6m cho cầu Rainbow, 15 năm sau lại tăng lên
70% tới năm 1976 khẩu độ 518.3m cho cầu New River Gorge, 45 năm tiếp theo tăng
thêm 3%.

Hình 1-3. Cầu Chongqing Chaotianmen, Trung Quốc
C
ầu vòm được bằng bê tông là một giải pháp hiệu quả để truyền tải trọng
xuống đất
nền là với địa chất là đá. Một số lượng lớn cầu vòm bê tông cốt thép đổ tại
chỗ và lắp ghép đã được xây dựng trong thế kỉ 20.

Hình 1-4. Cầu đường sắt Martin Gil
Có thể nói, n
gành xây dựng cầu đã đạt được những thành tựu to lớn về nhiều
phương diện, từ vấn đề kết cấu công trình đến k
ỹ thuật công nghệ thi công, sự hoàn
thiện giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm đã từng bước cho ra đời
nhiều kiểu dáng kết cấu độc đáo với xu hướng
sử dụng vật liệu cường độ cao, nhẹ
nhằm giảm trọng lượng công trình, áp dụng các biện pháp điều chỉnh ứng suất nhằm
Trang 1-5
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
mỗi cấu kiện cầu được lựa chọn loại vật liệu phù hợp nhằm khai

thác tối đa khả năng làm việc.
Cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật, cầu vòm ống thép nhồi bê
tông đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở Trung Quốc. Kết cấu ống thép nhồi bê tông là
một kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Một số ưu điểm chính
của kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể kể đến như:
-
Bê tông nhồi trong ống thép không những không bị co ngót mà trái lại còn nở
thể tích, do đó tạo điều kiện cho bê tông và vỏ thép cùng nhau làm việc dưới tác dụng
của tải trọng khai thác.
-
Việc nhồi bê tông đã tăng khả năng chống rỉ phía trong của ống thép, giảm độ
mảnh của vòm, tăng độ ổn định cục bộ của vách ống thép, tăng khả năng chống biến
dạng.
-
Ống tròn có độ cứng chống xoắn cao hơn các tiết diện hở khác; Khi dùng ống
tròn nhồi bê tông có thể tiết kiệm khoảng 40% lượng thép so với kết cấu BTCT thông
thường.
-
Mặt ngoài ống thép dễ bảo vệ chống rỉ hơn các loại tiết diện có hình dạng
phức tạp.
Chính vì vậy, bước vào thập kỷ 90, kết cấu ống thép nhồi bê tông ứng dụng
vào công trình cầu ở Trung Quốc phát triển rất nhanh. Trên 70 cầu vòm trực tiếp dùng
kết cấu ống thép nhồi bê tông, trong đó khẩu độ lớn nhất là cầu Tam An Úng Giang ở
Quảng Tây khẩu độ chính 270m. Việc tăng khẩu độ cầu vòm, không thể tách rời tiến
bộ kỹ thuật thi công. Từ thi công trên đà giáo dạng vòm đến thi công không có đà giáo
vòm, trong thi công không có đà giáo vòm từ dùng cần trục dây treo thi công theo
phương pháp xoay, thi công lắp hẫng đến thi công theo phương pháp đà giáo vòm cốt
cứng đều áp dụng các tiến bộ công nghệ làm cho khẩu độ cầu vòm ở Trung Quốc vượt
từ bậc này tới bậc khác.

Hình 1-5. Cầu Lupu, Trung Quốc
Trang 1-6
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
Trong những năm gần đây, việc phát triển kết cấu mới với những ưu điểm về
kết cấu và tính thẩm mỹ
kiến trúc được nghiên cứu ứng dụng trên toàn thế giới. Song
song với việc phát triển những cây cầu vòm cổ điển thì dạng cầu vòm sử dụng hệ dây
treo cũng được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến. Đặc biệt là dạng kết cấu cầu
vòm dây treo dạng lưới đang được phát triển mạnh mẽ ở Châu Âu, Nhật Bản và ngày
càng thu được những thành tựu rực rỡ.
1.2. CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA CẦU VÒM
Tùy theo đặc điểm chịu lực có thể phân biệt các loại cầu vòm sau:
- Cầu vòm đơn giản: là hệ trong đó kết cấu chịu lực chính chủ yếu chịu nén, các
bộ phận khác như mặt cầu, cột chống chỉ chịu các tải trọng cục bộ. Các hệ vòm có thể
có vòm không khớp, hai khớp và ba khớp.
- Cầu vòm liên hợp: là hệ trong đó ngoài vòm tham gia chịu lực chính còn có
các bộ phận mặt cầu cùng tham gia chịu uốn như một dầm cứng hoặc một thanh kéo
cứng khi đường xe chạy dưới.
- Cầu vòm còn phân biệt vòm có lực đẩy ngang, trong đó phản lực ngang của
vòm truyền qua mố trụ vào đất nền và vòm không có lực đẩy ngang, trong đó lực
ngang của vòm do thanh kéo hay dầm cứng chịu, hệ chỉ có phản lực thẳng đứng như
phản lực của dầm.
- Ngoài ra còn phân biệt cầu vòm theo vị trí mặt cầu: cầu vòm đường xe chạy
trên, cầu vòm đường xe chạy giữa và cầu vòm đường xe chạy dưới.
Tùy theo loại vật liệu làm cầu có thể phân ra cầu vòm gỗ, đá, cầu vòm kim
loại, cầu vòm bê tông, cầu vòm ống thép nhồi bê tông v.v

Hình 1-6. Cầu vòm gỗ

Trang 1-7
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 1-7. Cầu vòm với vành vòm bằng dàn gỗ

Hình 1-8. Cầu vòm BTCT

Hình 1-9. Cầu vòm ống thép nhồi bê tông Xiyanping, Trung Quốc

Trang 1-8
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 1-10. Cầu vòm thép cảng Sydney

Trang 1-9
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU CẤU TẠO CẦU VÒM DÂY
TREO DẠNG LƯỚI


2.1. SƠ LƯỢC VỀ CẦU VÒM DÂY TREO DẠNG LƯỚI (NAB)
2.1.1. Cầu vòm NIELSEN
Nielsen là chữ viết tắt tên kỹ sư Octavius F. Nielsen, người đã sáng chế ra kết
cấu vòm với các thanh treo xiên. Cầu Oster Daleelven, Thụy Điển với chiều dài nhịp

86m là cầu vòm bê tông đầu tiên với dây treo xiên được Christani và Nielsen xây dựng
vào những năm của thập niên 1920.

Hình 2-1. Cầu Oster Daleelven, Thụy Điển
Dây treo với góc xiên không đổi giúp cho việc tính toán trở nên đơn giản.
Trong các cầu Nielsen, các dây treo không cắt nhau, tuy nhiên kết cấu cầu vòm dây
treo mà Nielsen được cấp bằng sáng chế năm 1925 thì các dây xiên lại cắt nhau.

Hình 2-2. Dạng kết cấu cầu vòm Nielsen được cấp bằng sáng chế
Cầu Castlemoron được xây dựng tại Pháp năm 1933 với chiều dài nhịp 145m
là cầu Nielsen dài nhất. Tiếp theo đó, 60 cầu Nielsen được xây dựng tại Thụy Điển
trong khoảng giữa hai thế chiến, với các thanh treo là các thanh thép.
Trang 2-10
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 2-3. Cầu Castelmoron, Pháp
2.1.2. Cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge)
Kết cấu cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge - NAB) được kỹ sư
người Na Uy, Per Tveit phát minh vào cuối những năm 1950. Ông định nghĩa NAB là
cầu vòm với các dây treo xiên cắt nhau ít nhất hai lần.
Giải pháp kết cấu tối ưu cho cầu vòm dây treo dạng lưới với khoảng cách các
vành vòm không quá lớn là sử dụng thanh căng bằng bản bê tông dự ứng lực dọc một
phần. Thông thường bản mặt cầu bị uốn ngang lớn hơn so với uốn dọc. Dự ứng lực
một phần sẽ hạn chế các vết nứt trong trong thanh căng bê tông (bản mặt cầu).

Hình 2-4. Mặt cắt ngang bản mặt cầu BTCT
Bố trí dây treo là vấn đề cơ bản của tất cả các cầu vòm dây treo dạng lưới và
làm cho nó khác biệt cơ bản với cầu vòm thanh căng có dây treo thẳng đứng. Số

lượng, góc xiên và khoảng cách giữa các dây treo ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc
của cả kết cấu. Sơ đồ dây treo đơn giản, đạt hiệu quả cao là bố trí các dây treo có các
điểm giao cắt hướng tâm (dây treo hướng tâm) đã được Benjamin Brunn và Frank
Schanack phát triển vào năm 2003 . Với cách bố trí dây treo này, khoảng cách giữa
điểm trên của các dây treo và góc giữa dây treo và vành vòm là không đổi.
Trang 2-11
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 2-5. Cầu Fehmarn Sound, Đức, 1964
Hệ dây treo dạng lưới làm cho kết cấu cầu vòm trở nên thanh mảnh hơn rất
nhiều, vì chúng làm việc như hệ dàn với mômen uốn rất nhỏ tại thanh căng và vành
vòm. So sánh với các loại cầu vòm thông thường, cầu vòm dây treo dạng lưới với
thanh căng bằng bản mặt cầu bê tông có thể thiết kiệm được một nửa khối lượng thép,
tuy nhiên giá thành tính trên mỗi tấn thép lại rất cao.
2.1.3. Cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản (Japanese Style Network Arch)
Sau khi xem xét nhiều mô hình thí nghiệm cho cầu Fehmarn Sound tại
Hannover vào năm 1960, Giáo sư người Nhật Bản Masao Naruok đã có ý tưởng phát
triển loại kết cấu cầu vòm dây treo dạng lưới ở Nhật Bản. Hơn 50 cầu loại này đã được
xây dựng và hầu hết đều sử dụng dây treo có góc xiên không đổi. Khoảng một nửa các
cầu vòm dây treo dạng lưới của Nhật Bản có các vành vòm song song, còn lại là vành
vòm nghiêng để tăng cường ổn định. Người Nhật Bản gọi cầu vòm dây treo dạng lưới
là cầu Nielsen-Lohse, mặc dù cách gọi này chưa hoàn toàn chính xác. Cầu
Shinhamadera là cầu vòm dây treo dạng lưới dài nhất của Nhật Bản, với chiều dài nhịp
254m.
Trang 2-12
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 2-6. Cầu Shinhamadera, Nhật Bản, 1991
2.1.4. Hình ảnh một số cầu vòm thép dây treo dạng lưới trên thế giới


Hình 2-7. Cầu Bechyne – Séc Hình 2-8. Cầu Nagara – Nhật Bản


Hình 2-9. Cầu Namdo – Hàn Quốc Hình 2-10. Brandangersund – Na Uy
Trang 2-13
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
Hình 2-11. Wolin – Ba Lan Hình 2-12. Cầu Fehmarn Sound, Đức
2.2. CẤU TẠO CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI, QUAN ĐIỂM
LỰA CHỌN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN
Cầu vòm thép dây treo dạng lưới bao gồm các bộ phận chính như sau: vành
vòm, dầm chủ (thanh căng), dây treo, dầm ngang, dầm dọc phụ, giằng gió trên, giằng
gió dưới, bản mặt cầu BTCT liên hợp v.v
2.2.1. Vành vòm và đường tên vòm
• Tiết diện và vật liệu
Vành vòm thép có thể sử dụng tiết diện dạng chữ nhật hoặc chữ H. Việc lựa
chọn loại tiết diện phụ thuộc vào nhiều quan điểm khác nhau về khả năng chịu lực,
tính thẩm mỹ, sự ổn định của vòm, vấn đề duy tu bảo dưỡng.
Vật liệu chế tạo vòm là thép cường độ cao, nhằm tăng khả năng chịu lực và
làm giảm kích thước tiết diện, tăng độ thanh mảnh cho kết cấu.

Hình 2-13. Mặt cắt ngang tiết diện vành vòm dạng chữ nhật
Trang 2-14
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
Mặt phẳng vòm có thể cấu tạo thẳng đứng, hoặc khi cần thiết phải tăng độ ổn
định của kết cấu, có thể cấu tạo mặt phẳng vòm dốc nghiêng vào nhau, tuy nhiên việc
tính toán và thi công sẽ phức tạp hơn.

Hình 2-14. Mặt cắt ngang cầu vòm với vành vòm thẳng đứng

Hình 2-15. Mặt cắt ngang cầu vòm với vành vòm nghiêng
Trang 2-15
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
• Chiều cao đường tên vòm
Cũng giống như đối với cầu vòm có thanh căng, chiều cao đường tên (f) của
vòm dây treo dạng lưới thường được lựa chọn như sau: f/L = 1/5 ÷ 1/6, trong đó L là
chiều dài nhịp. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ nên chiều cao đường tên của vòm dây treo
dạng lưới được lấy bằng 15% chiều dài nhịp. Đối với hầu hết các cầu vòm dây treo
dạng lưới Nhật Bản, chiều cao đường tên vòm thường lấy bằng 15% ÷ 17% chiều dài
nhịp.
• Phương trình đường tim vòm
Việc lựa chọn phương trình đường tim vòm có ý nghĩa rất lớn trong khai thác.
Thông thường cầu vòm nói chung và cầu vòm thép nói riêng thường chọn đường trục
tim vòm là đường tròn, đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4, đường cong dạng dây
xích. Các đường cong này khá trùng với đường cong áp lực của vòm.
Phương trình đường cong dây xích được thể hiện qua công thức sau:
)1(cosh −=
ξ
k
m

h
y

Trong đó:
1
L
x
=
ξ
,
)1ln(
2
−+= mmk
, L
1
= 1/2 chiều dài nhịp, Hệ số m có
thể lấy từ 1.2 đến 1.8.
Công thức đường cong parabol bậc 2 với phương trình tim vòm như sau:
)(4
2
xLx
L
f
y −=

Trong đó: f là đường tên vòm, L là chiều dài nhịp
2.2.2. Thanh căng
Thanh căng có thể được làm bằng thép gồm hai dầm chủ nối với vành vòm
hoặc sử dụng kết cấu bản mặt cầu.
- Trường hợp thanh căng cấu tạo bằng thép: Sử dụng vật liệu và tiết diện tương

tự vành vòm. Khi đó, có thể cấu tạo hệ dầm ngang, dầm dọc phụ và bản mặt cầu
BTCT liên hợp.
Trang 2-16
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
-
Hình 2-16. Hình ảnh hệ dầm ngang và dầm dọc bản mặt cầu
- Trường hợp kết cấu bản mặt cầu đóng vai trò thanh căng: về cơ bản cấu tạo
bản mặt cầu này cũng giống với cấu tạo của các loại cầu dầm thông thường. Tùy thuộc
vào các thông số của cầu, có thể chọn các loại cấu tạo khác nhau sao cho phù hợp:
+ Khoảng cách giữa các vòm nhỏ hơn 10m thì có thể sử dụng kết cấu bản mặt
cầu dạng bản bê tông cốt thép, cấu tạo tương tự cầu dầm bản, phương làm việc chủ
yếu theo phương ngang cầu.
+ Khoảng cách giữa các vòm từ 10 – 18m nên sử dụng bản mặt cầu bê tông cốt
thép có dự ứng lực theo phương ngang. Việc sử dụng cáp dự ứng lực ngang với mục
đích không phải bố trí dầm ngang hay dầm dọc phụ. Ngoài ra, cáp dự ứng lực làm tăng
khả năng chống nứt cho bê tông bản, giảm chi phí duy tu bảo dưỡng trong quá trình
khai thác.


Hình 2-17. Hình ảnh bố trí cáp dự ứng lực ngang
Trang 2-17
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
2.2.3. Hệ dây treo
2.2.3.1. Cấu tạo hệ dây treo
• Hệ dây treo:
Bao gồm một mạng lưới dây treo được bố trí chéo nhau đảm bảo tải trọng tác

dụng gây ra hiệu ứng nhỏ nhất và đồng đều trong kết cấu. Dây treo có thể làm bằng
thanh thép hoặc dây cáp cường độ cao.
Đối với loại dây treo dạng thanh thép: mặt cắt ngang thường là hình ống tròn,
với mục đích có khả năng chịu kéo cao, giảm khối lượng kết cấu, tiết diện tròn tăng vẻ
mỹ quan, giảm được cọ xát, thoát gió tốt. Các dây treo nên có cùng mặt cắt tránh phức
tạp cho thi công, trong tính toán và nâng cao tính thẩm mỹ cho cầu.
Nếu khoảng cách của các dây treo tăng thì momen trong thanh biên tăng và
cường độ chống oằn của vòm giảm. Vì vậy P.Tveit đưa ra ý tưởng rằng nên tạo hai
lưới dây treo để giảm chiều dài oằn.
• Mối nối dây treo với vòm:
Thường sử dụng bản nối để liên kết. Phụ thuộc vào dạng mặt cắt vòm mà sử
dụng hai phương pháp liên kết khác nhau, nếu mặt cắt vòm là hình hộp thì mối nối nên
sử dụng liên kết hàn, còn vòm tiết diện chữ H thì mối nối dùng liên kết bu lông.

Hình 2-18. Chi tiết mối nối giữa vòm tiết diện chữ H và dây treo

Hình 2-19. Chi tiết mối nối giữa vòm tiết diện hộp và dây treo
Trang 2-18
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
Để đơn giản khi thi công dây cáp treo cũng như kiểm tra duy tu bảo dưỡng, có
thể sử dụng neo cáp bị động kiểu chốt.
Hình 2-20. Neo bị động dạng chốt dùng để nối dây treo với vành vòm
• Mối nối giữa dây treo với dầm biên:
- Dây treo được chôn vào dầm biên với một móc neo được liên kết với thép dầm
biên nếu bản mặt cầu đủ dày, nếu chiều dày dầm biên không đủ có thể bố trí móc neo
ở bên dưới dầm biên.

Hình 2-21. Chi tiết mối nối dây treo và dầm biên

- Neo có cấu tạo dạng chốt kết hợp tăng đơ để điều chỉnh lực căng trong dây
treo. Đây là loại neo có cấu tạo khá đơn giản, dễ căng kéo và kiểm tra, tuy nhiên tính
thẩm mỹ kiến trúc không cao. Nhược điểm của loại neo này là khi thi công phải chế
tạo sẵn cả bó cáp và lắp đặt tương đối phức tạp do trọng lượng cáp lớn.

Trang 2-19
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI
Hình 2-22. Neo có dạng chốt kết hợp tăng đơ
- Neo cáp dùng cho bó tao cáp song song điều chỉnh được mặt neo dây được sử
dụng khá phổ biến đối với các kết cấu cầu dây nói chung và cầu vòm thép dây treo
dạng lưới nói riêng. Sử dụng loại neo này kết hợp với bó cáp song song có ưu điểm dễ
dàng lắp đặt và căng kéo bằng công nghệ tăng tao đơn đã được áp dụng nhiều ở các
loại cầu dây văng.



Hình 2-23. Neo chủ động dùng cho dây treo dạng tao cáp song song
• Chi tiết liên kết hai dây treo gặp nhau :
Vị trí tiếp xúc của hai dây treo được bọc bởi một ống nhựa với chức năng bảo
vệ khỏi va đập và cọ xát cho dây treo, ngoài ra còn dùng một tấm bản để liên kết hai
dây treo với mục đích tăng độ ổn định cho dây treo.
Trang 2-20
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 2-24. Ống nhựa bọc hai dây treo tiếp xúc nhau

Hình 2-25. Chi tiết liên kết hai dây treo tiếp xúc nhau
2.2.3.2. Sơ đồ và số lượng dây treo
• Sơ đồ dây treo có góc xiên không đổi
Bố trí dây treo có góc và khoảng cách dây so với dầm chủ không đổi là dạng
sơ đồ mà hầu hết các cầu vòm dây treo dạng lưới của Nhật Bản, Hàn Quốc đều sử
dụng. Đây cũng là dạng sơ đồ dây treo áp dụng những cầu Nielsen được xây dựng ở
Thụy Điển trong khoảng giữa hai thế chiến. Các tác giả Nhật Bản cho rằng rằng dây
treo có góc xiên không đổi có vẻ tốt nhất.
Trang 2-21
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI

Hình 2-26. Cầu Network Arch với dây treo có góc xiên không đổi
Sơ đồ dây treo có góc xiên không đổi có ưu điểm là thông thoáng, số lượng
dây thường ít hơn so với sơ đồ dây treo có các điểm giao cắt hướng tâm. Tuy nhiên,
kích thước vòm và dầm dọc (thanh căng) thường lớn.
• Sơ đồ dây treo có các điểm giao cắt hướng tâm (Radial hanger)
Sơ đồ dây treo với các điểm giao cắt hướng tâm (dây treo hướng tâm) có góc
và khoảng cách dây không đổi so với vành vòm. Loại sơ đồ này thường sử dụng cho
các cầu vòm dây treo dạng lưới ở Châu Âu. Đây là sơ đồ dây treo đạt hiệu quả cao về
khả năng chịu lực, làm cho kết cấu cầu thanh mảnh hơn rất nhiều, tiết kiệm được vật
liệu.

Hình 2-27. Cầu Network Arch với dây treo có các điểm giao cắt hướng tâm
Đối với sơ đồ bố trí dây treo này, Benjamin Brunn và Frank Schanack đã
nghiên cứu tìm ra biểu đồ xác định số lượng dây treo hợp lý, thể hiện trong các hình
dưới đây:

Hình 2-28. Sơ đồ dây xiên có các điểm giao cắt hướng tâm
Trang 2-22
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
BÁO CÁO SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC - 2012
ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU CẦU VÒM THÉP DÂY TREO DẠNG LƯỚI


Hình 2-29. Lựa chọn số lượng dây treo Hình 2-30. Góc xiên của cáp
Có thể nhận thấy, khi bố trí dây treo theo sơ đồ này, số lượng dây treo hợp lý
cho mỗi vành vòm thường rất lớn. Ví dụ đối với cầu vòm có chiều dài nhịp 150m, số
lượng dây treo cho mỗi vành vòm hợp lý nhất là n = 58÷74. Nếu chọn n=64, tỷ số n/s
= 64/150 = 0.43 và s = 150m thì α = 41
0
.
Số lượng dây treo quá nhiều có thể làm giảm
độ thông thoáng, phức tạp khi thiết kế, thi công cũng như công tác duy tu bảo dưỡng.
2.2.4. Hệ giằng gió
Cũng giống như các cấu tạo của các cầu vòm thông thường. Việc lựa chọn sơ
đồ kết cấu và kích thước hệ giằng dựa vào tính toán điều kiện thỏa mãn khả năng chịu
lực gió theo phương ngang và điều kiện ổn định cho các mặt phẳng vành vòm. Cấu tạo
của giằng gió rất đa dạng và thường được lựa chọn theo khoảng cách của hai vành
vòm.
Hệ giằng gió đơn giản nhất là sử dụng các thanh ngang đặc liên kết hai vòm.
Loại này chủ yếu áp dụng khi khoảng cách giữa hai vành vòm không lớn. Khi khoảng
cách giữa hai vành vòm lớn, để tiết kiệm và tăng khả năng ổn định ta sử dụng hệ giằng
gió dạng khung chữ K, dạng tam giác v.v Ngoài ra một bộ phận khá quan trọng của
giằng gió là liên kết ngang khu vực đầu cầu, được thiết kế chịu lực ngang lớn nên có
cấu tạo phức tạp hơn, kích thước lớn hơn và sơ đồ cấu tạo phụ thuộc vào tĩnh không
của cầu.
Trang 2-23