Ảnh hưởng của hiện tượng đứt thanh treo cầu vòm ống thép nhồi bê tông có đường xe chạy dưới cầu ông lớn tp hồ chí minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THANH SƠN

ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG ĐỨT
THANH TREO CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI
BÊ TƠNG CĨ ĐƯỜNG XE CHẠY DƯỚI – CẦU
ƠNG LỚN TP. HỒ CHÍ MINH
Chun ngành : Xây dựng cầu hầm
: 60 58 25
Mã số

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2014


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh
Cán bộ hướng dẫn 1:

PGS.TS. Lê Thị Bích Thủy

Cán bộ nhận xét 1:

TS. Lê Bá Khánh

Cán bộ nhận xét 2:

TS. Phùng Mạnh Tiến

Luận văn thạc sĩ ñược bảo vệ tại : Trường Đại Học Bách Khoa TP. Hồ Chí Minh, ngày
17 tháng 01 năm 2015.
Thành phần Hội ñồng ñánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. PGS.TS. Lê Thị Bích Thủy
2. TS. Lê Bá Khánh
3. TS. Phùng Mạnh Tiến
4. TS. Đặng Đăng Tùng
5. TS. Nguyễn Cảnh Tuấn
Xác nhận của Chủ tịch Hội ñồng ñánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn ñã dược sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN THANH SƠN

MSHV:12144625

Ngày, tháng, năm sinh: 02-02-1984

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Xây dựng cầu hầm

Mã số : 60 58 25

I. TÊN ĐỀ TÀI: ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG ĐỨT THANH TREO CẦU VỊM
ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG CĨ ĐƯỜNG XE CHẠY DƯỚI – CẦU ƠNG LỚN TP.
HỒ CHÍ MINH.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nhiệm vụ :
2. Nội dung luận văn gồm :
Phần mở ñầu
Chương 1 : Tổng quan về cầu vòm
Chương 2 : Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Chương3 : Mơ hình và tải trọng tính tốn
Chương4 : Phân tích, đánh giá kết quả nghiên cứu
Kết luận và kiến nghị
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20-01-2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14-11-2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :PGS.TS.LÊ THỊ BÍCH THỦY
Tp. HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS.LÊ THỊ BÍCH THỦY

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TS. LÊ BÁ KHÁNH

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG


LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tơi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến q thầy cơ Khoa kỹ thuật
xây dựng, đặc biệt là các thầy cơ trong bộ mơn Cầu đường, đã tận tình giúp đỡ, truyền
đạt cho tơi những kiến thức và kinh nghiệm cần thiết, để tơi có thể hồn thành nghiên
cứu của mình trong thời gian qua.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS.Lê Thị Bích Thủy đã tận tình giúp đỡ tơi
trong suốt thời gian nghiên cứu ñề tài. Cảm ơn NCS. Đặng Đức Độ ñã giúp tôi trong
việc cung cấp ý tưởng và một số tài tiệu liên quan cần thiết cho việc nghiên cứu. Cảm
ơn T.S Phùng Mạnh Tiến ñã tư vấn và giải ñáp một số thắc mắc trong quá trình thực
hiện ñề tài.
Xin chân thành cảm ơn !


LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên Nguyễn Thanh Sơn, học viên cao học K2012, chuyên ngành cầu hầm trường
Đại Học Bách Khoa TP.HCM, xin cam ñoan với HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN
VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA là công trình nghiên cứu khoa
học này do chính tơi thực hiện , có sự hướng dẫn của PGS.TS.Lê Thị Bích Thủy cùng
với các tài liệu tham khảo ñược liệt kê trong phần tài liệu tham khảo.
Nếu có tác giả nào đứng ra tranh chấp ñề tài nghiên cứu khoa học này, tôi xin chịu
trách nhiệm trước HỘI ĐỒNG
Tp.HCM, ngày 10 tháng 11 năm 2014
Người cam ñoan

Nguyễn Thanh Sơn

BẢNG TĨM TẮT
Trong những năm gần đây, cầu vịm ống thép nhồi bê tơng phát triển nhanh
chóng trên thế giới nhờ vào những ưu ñiểm nổi bật về kiến trúc và kết cấu. Cầu vịm
có đường xe chạy dưới làm việc ổn ñịnh dựa vào các thanh treo liên kết bản mặt cầu
với sườn vịm. Kết quả phân tích cho thấy việc ñứt thanh treo ảnh hưởng ñáng kể
ñến việc phân bố lại nội lực, ứng suất trong các thanh treo. Nếu một thanh treo
không làm việc, các thanh treo bên cạnh sẽ gia tăng ứng suất rõ rệt. Hơn nữa, ñối
với tất cả các trường hợp ñứt thanh treo, các thanh treo bị đứt có ảnh hưởng nhất
định đến hệ số an tồn ổn định trong mặt phẳng vịm và ảnh hưởng nhẹ đến ổn định
ngồi mặt phẳng vịm. Bên cạnh đó, khi có sự cố đứt thanh treo xảy ra, tần số dao
ñộng riêng của cầu sẽ thay ñổi, sự thay ñổi này phụ thuộc vào số lượng và vị trí các
thanh treo bị đứt. Điều này sẽ gây ra những tác ñộng nguy hiểm ñến cầu dưới tác
động của ngoại lực có khả năng gây ra cộng hưởng, làm tăng cường biên ñộ dao
ñộng và gây mất ổn ñịnh cho cầu. Sự thay ñổi tần số dao ñộng riêng cũng làm thay
ñổi quán tính làm việc của cầu, một số cấu kiện cầu vòm sẽ bị nứt, làm giảm độ
cứng cầu vịm. Do đó, nghiên cứu ảnh hưởng của ñứt thanh treo ñến ổn ñịnh và dao
ñộng cầu vòm sẽ giúp cho nhà quản lý cầu theo dõi tình trạng sức khỏe cầu tốt hơn
và khắc phục kịp thời ñược những bất lợi xảy ra trong quá trình khai thác do hiện
tượng đứt thanh treo gây ra. Kết quả nghiên cứu có thể cung cấp tài liệu tham khảo
cho việc kiểm tra khả năng chịu lực và có biện pháp thay thế thanh treo trong giai
đoạn vận hành khai thác.


ABSTRACT

In recent years, the concrete-filled steel tubular arch bridges have developed rapidly
in over the world due to the outstanding advantages of the architecture and structure.
Arch bridge with roadway below is stable based on the hangers that link the deck to

arch ribs. The analysis result shows that the hanger fracture significantly influences the
redistribution of internal forces, and stresses in many hangers. If a hanger is not
working, stresses in another close hanger will significantly increase. Moreover, for all
the cases of analysis, the hanger fracture affect to the total safety factor in the plane of
arch and slightly affect to stability of arch. Besides, for the concrete filled-steel tubular
arch bridge, when a hanger bar has a fracture, the natural vibration frequency will
change. This change depends on the number and location of fracture in hanger. As the
result, under the impact of external force, there are dangerous effects for the bridge
such as: resonance, vibration amplitude increasing, and bridge instability. The change
of vibration frequency causes change of inertia which make the arch bridge cracked,
and the stiffness of arch bridge reduced. Therefore, study the effect of the fracture of
hanger to the stability and natural vibration frequency will help manager track to the
health bridge status better and can repair on time from hanger fracture. The research
results can provide references for checking the bearing capacity and changing
alternatives hangers during operation period.


107

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU VỊM .......................................................... 3
1.1.

Giới thiệu chung về cầu vịm. ..................................................................... 3

1.2.

Sự phát triển cầu vòm ở Việt Nam .............................................................. 8

1.3.

Nội dung nghiên cứu. ............................................................................... 11

1.3.1.

Đặc điểm cấu tạo, tính năng làm việc của thanh treo. ......................... 11

1.3.2.

Sự phân bố nội lực và ứng suất trong thanh treo................................. 12

1.3.3.

Những yếu tố ảnh hưởng ñến khả năng làm việc của thanh treo. ........ 13

1.3.4.

Nghiên cứu về ổn định của cầu vịm. ................................................. 14

1.3.4.1.

Ổn định trong mặt phẳng vịm. .................................................... 14

1.3.4.2.

Ổn định ngồi mặt phẳng vịm. .................................................... 15

1.3.5.

Nghiên cứu dao động riêng cầu vịm. ................................................. 16

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.......... 17
2.1.

Phương pháp phần tử hữu hạn [5] .............................................................. 17

2.2.

Phương pháp PTHH cho phần tử thanh treo............................................ 19

2.3.

Phương pháp PTHH cho phần tử dầm chịu uốn. ....................................... 20

2.4.

Phương pháp PTHH cho vector tải căng cáp............................................ 22

2.5.

Phương pháp PTHH tính toán lực căng phần tử cáp treo và cáp giằng ...... 22

2.6.

Phương pháp PTHH tính tốn ổn định cầu vịm ống thép nhồi bê tơng[3] . 24

2.7.

Tính tốn tần số dao động riêng cho cầu vịm ống thép nhồi bê tơng[6] ..... 25

CHƯƠNG 3: MƠ HÌNH VÀ TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN .................................... 27
3.1.

Giới thiệu về phần mềm MIDAS/Civil V7.3............................................ 27

3.2.

Cấu tạo các bộ phận kết cấu cầu Ông Lớn.[7] ............................................ 28

3.2.1.

Sườn vòm. ......................................................................................... 28

3.2.2.

Chân vòm. ......................................................................................... 29

3.2.3.

Hệ giằng ngang . ................................................................................ 29

3.2.4.

Thanh treo.......................................................................................... 30

3.2.5.

Dầm dọc. ........................................................................................... 31

3.2.6.

Dầm ngang dự ứng lực. ...................................................................... 32


108

3.2.7.

Dầm T bản mặt cầu. ........................................................................... 32

3.2.8.

Bản mặt cầu. ...................................................................................... 32

3.2.9.

Gối cầu. ............................................................................................. 33

3.3.

Mơ hình hóa cầu Ơng Lớn bằng phần mềm Midas Civil V7.30. ............... 33

3.3.1.

Đặc trưng hình học. ........................................................................... 33

3.3.2.

Đặc trưng vật liệu. ............................................................................. 33

3.3.3.

Tiêu chuẩn áp dụng. ........................................................................... 34

3.3.4.

Mơ hình cầu vịm. .............................................................................. 34

3.4.

Tải trọng tính tốn. ................................................................................... 36

3.4.1.

Tĩnh tải. ............................................................................................. 36

3.4.2.

Tải trọng căng trước cáp treo. ............................................................ 36

3.4.3.

Hoạt tải. ............................................................................................. 38

3.4.4.

Lực xung kích (IM)............................................................................ 38

3.4.5.

Tải trọng gió. ..................................................................................... 39

3.4.6.

Tải trọng nhiệt độ............................................................................... 40

3.4.7.

Tải trọng gối lún (SE). ....................................................................... 40

3.4.8.

Lực ñứt thanh treo ( BF). ................................................................... 40

3.4.9.

Tổ hợp tải trọng. ................................................................................ 40

3.5.

Tính tốn ổn định cầu vịm[9].................................................................... 40

3.5.1.

Ổn định trong mặt phẳng vịm............................................................ 40

3.5.2.

Tính tốn ổn định tổng thể ngồi mặt phẳng sườn vịm ...................... 43

CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
.............................................................................................................................. 45
4.1.

Nghiên cứu ảnh hưởng hiện tượng ñứt thanh treo ñến ổn định cầu vịm. ... 45

4.1.1.

Ổn định cầu vịm khi bị ñứt một thanh treo. ....................................... 46

4.1.1.1.

Nghiên cứu ổn ñịnh trong mặt phẳng vịm. .................................. 46

4.1.1.2.

Nghiên cứu ổn định ngồi mặt phẳng vịm. ................................. 48

4.1.2.

Ổn định cầu vịm khi bị ñứt 2 thanh treo liên tiếp. .............................. 49

4.1.2.1.

`Nghiên cứu ổn ñịnh tổng thể trong mặt phẳng vòm. ................... 49

4.1.2.2.

Nghiên cứu ổn định ngồi mặt phẳng vịm: ................................. 51

109

4.2.

Ảnh hưởng ñứt thanh treo ñến chuyển vị ñứng và ứng suất vịm............... 53

4.2.1.

Ảnh hưởng đứt thanh treo đến chuyển vị đứng vịm. .......................... 53

4.2.2.

Sự thay đổi ứng suất trong vịm khi bị đứt thanh treo ......................... 53

4.3. Ảnh hưởng hiện tượng ñứt thanh treo ñến phân bố nội lực và ứng suất
thanh treo. .......................................................................................................... 54
4.3.1.

Phân bố lại lực kéo trên thanh treo. .................................................... 55

4.3.1.1.

Trường hợp cầu bị ñứt 1 thanh treo. ............................................ 55

4.3.1.2.

Trường hợp ñứt 2 thanh treo liên tiếp .......................................... 56

4.3.2.

Phân bố ứng suất kéo trong thanh treo. .............................................. 57

4.3.2.1.

Trường hợp cầu bị ñứt 1 thanh treo. ............................................ 57

4.3.2.2.

Trường hợp cầu bị ñứt 2 thanh treo kề nhau. ............................... 58

4.4. Ảnh hưởng hiện tượng ñứt thanh treo ñến tần số dao động riêng của cầu
Ơng Lớn. ............................................................................................................ 61
4.4.1.

Tần số dao động riêng của cầu vịm khi bị đứt 1 thanh treo. ............... 65

4.4.2.

Tần số dao ñộng riêng của cầu vịm khi bị đứt 2 thanh treo kề nhau ... 66

4.4.3.

Nhận xét: ........................................................................................... 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................... 69
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 71
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 73

DANH MỤC CÁC BIỂU BẢNG

Bảng 3.1. Lực căng trước trong các thanh treo
Bảng 3.2. Tải trọng gió ngang tác dụng lên kết cấu
Bảng 3.3. Tải trọng gió ngang tác dụng lên thanh treo
Bảng 3.4. Hệ số tổ hợp tải trọng ở trạng thái giới hạn sử dụng
Bảng 4.1. Bảng tính hệ số ổn định trong mặt phẳng vịm trường hợp Mmax
Bảng 4.2. Bảng tính hệ ổn định trong mặt phẳng vịm trường hợp Nmax
Bảng 4.3. Bảng tính hệ số ổn định ngồi mặt phẳng vịm trường hợp Nmax
Bảng 4.4. Bảng tính hệ số ổn định trong mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
trường hợp Mmax
Bảng 4.5. Bảng tính hệ số ổn định trong mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
trường hợp Nmax
Bảng 4.6. Bảng tính hệ số ổn định ngồi mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
trường hợp Nmax
Bảng 4.7. Chuyển vị đứng sườn vịm trường hợp đứt 1 thanh treo.
Bảng 4.8. Chuyển vị đứng sườn vịm trường hợp đứt 2 thanh treo kề nhau
Bảng 4.9. Bảng tính ứng suất nén lớn nhất trong sườn vịm cho trường hợp đứt 1
thanh treo.
Bảng 4.10. Bảng tính ứng suất nén lớn nhất trong sườn vịm cho trường hợp đứt 2
thanh treo kề nhau.
Bảng 4.11. Phân bố lại lực dọc trên các thanh treo trường hợp ñứt 1 thanh treo
Bảng 4.12. Phân bố lại lực dọc trên các thanh treo trường hợp ñứt 2 thanh treo kề
nhau
Bảng 4.13. Ứng suất trên các thanh treo trường hợp ñứt 1 thanh treo


Bảng 4.14. Phân bố lại ứng suất trên các thanh treo cịn lại cho trường hợp đứt
2 thanh treo.

Bảng 4.15- Tần số dao động riêng cầu vịm trường hợp đứt 1 thanh treo
Bảng 4.16. Thay ñổi tần số dao ñộng riêng cầu vịm khi đứt 1 thanh treo so với ban
đầu
Bảng 4.17. Bảng tính tần số dao động riêng cầu vịm trong trường hợp đứt 2 thanh treo
kề nhau
Bảng 4.18. Thay đổi tần số dao động riêng cầu vịm khi ñứt 1 thanh treo so với ban
ñầu.


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 – Cầu Port Du Gard Aqueduct, ở phía Nam nước Pháp
Hình 1.2 – Cầu vịm gỗ Kintai ở Nhật Bản
Hình 1.3 – Cầu vịm Iron bằng gang đầu tiên ở Anh
Hình 1.4 – Cầu vịm thép đầu tiên Eads ở Mỹ
Hình 1.5 – Cầu vịm thép một nhịp rộng nhất thế giới ở Úc
Hình 1.6 – Cầu vịm ống thép nhồi bê tơng Xiyanping, Trung Quốc
Hình 1.7 – Cầu Lupu, Trung Quốc
Hình 1.8- Cầu Ơng Lớn , Q 7- Tp. Hồ Chí Minh
Hình 1.9 - Cầu Bình Lợi , Quận Bình Thạnh - Tp. Hồ Chí Minh
Hình 1.10 - Cầu Rồng – TP. Đà Nẵng
Hình 3.1 - Cấu tạo chân vịm
Hình 3.2 - Cấu tạo thanh giằng
Hình 3.3 - Cấu tạo thanh treo
Hình 3.4 - Mặt cắt ngang dầm dọc
Hình 3.5 - Mặt cắt ngang dầm ngang
Hình 3.6 - Mặt cắt ngang dầm T bản mặt cầu
Hình 3.7 - Mặt cắt ngang ½ bản mặt cầu
Hình 3.8 - Mơ hình khơng gian cầu Ơng Lớn
Hình 3.9 - Mặt bên Mơ hình cầu Ơng Lớn
Hình 3.10 - Mặt bằng Mơ hình Cầu Ơng Lớn

Hình 3.11 - Mặt trước Mơ hình Cầu Ơng Lớn
Hình 3.12 - Ký hiệu thanh treo Cầu Ơng Lớn
Hình 3.13 -Xe tải thiết kế.
Hình 3.14 - Sơ đồ tính tốn ổn định ngồi mặt phẳng vịm
Hình 4.1- Ký hiệu tên thanh treo trên mặt phẳng vịm
Hình 4.2- Biểu đồ hệ số ổn định trong mặt phẳng vòm ở trạng thái giới hạn sử dụng
cho tổ hợp nội lực Mmax


Hình 4.3. Biểu đồ hệ số ổn định trong mặt phẳng vòm ở trạng thái giới hạn sử dụng
cho tổ hợp Nmax.
Hình 4.4 - Biểu đồ hệ số ổn định ngồi mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
cho tổ hợp Nmax
Hình 4.5 - Biểu đồ hệ số ổn định trong mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
cho tổ hợp Mmax
Hình 4.6 - Biểu đồ hệ số ổn định trong mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
cho tổ hợp Nmax
Hình 4.7 - Biểu đồ hệ số ổn định ngồi mặt phẳng vịm ở trạng thái giới hạn sử dụng
cho tổ hợp Nmax
Hình 4.8. Đồ thị lực dọc trong thanh treo trường hợp ñứt 1 thanh treo
Hình 4.9. Đồ thị lực dọc trong thanh treo trường hợp đứt 2 thanh treo kề nhau
Hình 4.10. Đồ thị ứng suất trong thanh treo khi ñứt 1 thanh treo
Hình 4.11. Đồ thị ứng suất trong thanh treo
Hình 4.12 – Các dạng dao động riêng cầu Ơng Lớn
Hình 4.13. Biểu đồ tần số dao động riêng cầu vịm
Hình 4.14. Biểu đồ tần số dao động riêng cầu vịm trường hợp đứt 2 thanh treo kề nhau


1

MỞ ĐẦU
Với nhiều ưu điểm, cầu vịm ống thép nhồi bê tơng đã nhanh chóng phát triển
rộng rãi trên thế giới. Cầu vịm ống thép nhồi bê tơng đã khai thác khả năng làm
việc liên hợp giữa thép và bê tơng, qua đó mang lại hiệu quả rất lớn về khả năng
vượt nhịp và mỹ quan cơng trình. Cầu Ơng Lớn trên ñại lộ Nguyễn Văn Linh ở
Thành Phố Hồ Chí Minh là cầu vịm ống thép nhồi bê tơng ñầu tiên của Việt Nam.
Việc xây dựng thành công Cầu Ông Lớn ñã tạo ra một tiền ñề lớn ñể phát triển hệ
thống cầu vòm ở nước ta sau này. Những năm gần đây, một số cầu vịm khác đã lần
lượt được xây dựng như Cầu Cần Giuộc, Cầu Xóm Củi, Cầu Rồng ( Đà Nẵng), Cầu
Bình Lợi 2, Cầu Đơng Trù …, góp phần đem lại sự phong phú về thể loại, đa dạng
về kết cấu cầu vịm ống thép nhồi bê tơng.
• Lý do chọn đề tài:
Hiện nay, cầu vịm ống thép nhồi bê tơng đã phát triển mạnh mẽ ở nước ta và
trên thế giới. Tuy nhiên, những nghiên cứu về cầu vòm còn khá hạn chế. Trong q
trình thiết kế, nhiều cơng trình chưa tính tốn dự phịng một số rủi ro có thể xảy ra
trong quá trình vận hành khai thác, nên trong khi sử dụng vẫn cịn tiềm ẩn những
nguy cơ có thể ảnh hưởng ñến khả năng làm việc của cầu. Bên cạnh đó, việc nhận
thức chưa đầy đủ hoặc do khơng có chế ñộ theo dõi, duy tu bảo dưỡng cầu hợp lý có
thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng. Vì vậy, đã có một số tai nạn về cơng trình
cầu vịm đã xảy ra trên thế giới mà ngun nhân gây ra là do sự hiểu biết chưa ñầy
ñủ, sâu sắc về cầu vịm. Những sự cố này hồn tồn có thể tránh khỏi nếu được theo
dõi, đánh giá kịp thời tình trạng sức khỏe cầu .
Do đó, đề tài nghiên cứu ñã tập trung nghiên cứu về sự làm việc của một bộ
phận giữ vai trò hết sức quan trọng của cầu vịm, đó là thanh treo. Thanh treo vừa
đóng vai trị liên kết và truyền lực từ dầm ngang ,bản mặt cầu lên hệ vòm ống thép
nhồi bê tơng, vừa giữ vai trị duy trì ổn định của cầu vịm dưới tác động của tải
trọng. Đề tài nghiên cứu về những ảnh hưởng của hiện tượng ñứt thanh treo đến sự
làm việc của cầu vịm ống thép nhồi bê tơng có đường xe chạy dưới, được thực hiện

2

trên cơng trình thực tế tại TP. Hồ Chí Minh - Cầu Ông Lớn. Nghiên cứu này sẽ giúp
cho các nhà quản lý cầu có biện pháp hợp lý trong việc bảo trì, vận hành cầu trong
giai đoạn khai thác.
• Mục tiêu nghiên cứu :
Sau một thời gian ñưa vào sử dụng, dưới tác ñộng của các nhân tố bất lợi ( tải
trọng xe cộ, mưa gió, xâm thực mơi trường…) ảnh hưởng đến khả năng làm việc
của cầu vịm. Vì giữ vai trị quan trọng, nên các thanh treo của cầu vịm ống thép
nhồi bê tơng cần được theo dõi thường xuyên và có biện pháp thay thế hợp lý ( có
thể là thay thế tồn bộ hoặc một phần sau một thời gian khai thác). Tuy nhiên, việc
thay thế các thanh treo phải ñược thực hiện theo ñúng trình tự và hợp lý. Vì vậy,
nghiên cứu này với mục đích tìm ra những thay đổi liên quan đến phân bố nội lực,
ứng suất, biến dạng của cầu vòm ở các trường hợp cầu làm việc bình thường và lúc
cầu bị ñứt thanh treo trong các trường hợp khác nhau. Từ đó, so sánh, nhận xét và
đánh giá mức ñộ ổn ñịnh của cầu vòm trong các trường hợp nghiên cứu. Ngồi ra,
nghiên cứu này cịn cho phép đánh giá mức ñộ ảnh hưởng của hiện tượng ñứt thanh
treo ñến dao ñộng riêng của cầu Ông Lớn. Căn cứ vào kết quả nghiên cứu cho cơng
trình Cầu Ơng Lớn trên Đại Lộ Nguyễn Văn Linh –TP.HCM, tác giả sẽ ñề xuất
những biện pháp tiến hành theo dõi sức khỏe cầu, bảo dưỡng hoặc thay thế thanh
treo kịp thời, hợp lý nhằm duy trì sự làm việc lâu dài và ñảm bảo cho xe chạy an
toàn trên cầu trong quá trình khai thác sử dụng.
• Đối tượng nghiên cứu:
Cầu Ơng Lớn –Thành phố Hồ Chí Minh
• Phạm vi nghiên cứu:
Nghiên cứu sự làm việc của cầu ở trạng thái ñộng trong giai đoạn khai thác.
• Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:
Nghiên cứu này sẽ phân tích, đánh giá mức độ an tồn cho Cầu Ơng Lớn trong
các trường hợp ñứt thanh treo, từ ñó ñề xuất các biện pháp theo dõi và trình tự thi
cơng thay thế thanh treo hợp lý trong quá trình duy tu bảo dưỡng cầu trong giai

ñoạn khai thác.


3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM
1.1. Giới thiệu chung về cầu vịm.
Cầu vịm là một cơng trình kiến trúc xuất hiện từ cổ xưa, tận dụng ñược khả
năng làm việc của vòm chịu nén là chủ yếu. Cầu vòm có thể được xây dựng bằng
những vật liệu khác nhau như gỗ, đá, gang, thép, bê tơng cốt thép, ống thép nhồi bê
tông hay bằng vật liệu tổng hợp. Tuy nhiên, hiện nay cầu vịm ống thép nhồi bê
tơng được sử dụng phổ biến nhất trong số các thể loại cầu vịm.
Các cầu dạng vịm trước đây được xây dựng với kết cấu bằng ñá và vượt nhịp
nhỏ. Một số cơng trình cầu vịm đá nổi tiếng như cầu Atalanca bắc qua sơng Tagus
ở Tây Ban Nha và đặc biệt cầu Đan Hà, Phổ Thành, Tây Sơn, Trung Quốc là cầu
vịm đá nhịp lớn nhất thế giới (146m) được hồn thành năm 2001. Cầu nổi tiếng
nhất là cầu Port Du Gard Aqueduct, xây dựng năm 19 trước công nguyên với ba
tầng vịm nửa hình trịn, tầng dưới có 6 vịm, tầng 2 có 11 vịm, tầng 3 có 33 vịm,
trụ trên kênh Du Thủy ở phía Nam nước Pháp.

Hình 1.1 - Cầu Port Du Gard Aqueduct, ở phía Nam nước Pháp


4

Được xây dựng vào năm 1673, cầu Kintai ở Nhật Bản là vịm đã được xây
dựng với cấu tạo vịm bằng gỗ. Cây cầu gỗ dài khoảng 200 m, bao gồm 5 nhịp vòm
tuần tự bằng gỗ trên bốn trụ cầu đá bắc qua sơng Nishiki.

Hình 1.2 - Cầu vịm gỗ Kintai ở Nhật Bản

Nổi bậc là cầu vòm Iron bằng gang ñầu tiên ñược xây dựng ở Anh qua sông
Coallrook da le Severn năm 1776-1779. Là biểu tượng của cuộc cách mạng cơng
nghiệp thế kỷ 18.

Hình 1.3 - Cầu vịm Iron bằng gang đầu tiên ở Anh


5

Cầu vịm thép Eads 3 nhịp 153+159+153m qua sơng Mississipi năm 18681874, cầu có 2 làn xe lửa chạy trên và dưới, đây là cầu vịm bằng thép đầu tiên được
xây dựng ở Mỹ.

Hình 1.4 - Cầu vịm thép đầu tiên Eads ở Mỹ
Một trong những cầu vòm thép nổi tiếng trên thế giới là cầu Sydney ở
Australia xây dựng năm 1924-1932, có nhịp chính 503m, có bề rộng đến 48.8m cho
2 làn xe lửa, 8 làn xe ôtô, 1 làn xe ñạp và 1 lề người ñi bộ. Đây là cầu một nhịp với
bề rộng lớn nhất thế giới và là cầu vịm thép cao nhất với đỉnh cầu cao tới 134m bên
trên cảng.

Hình 1.5 - Cầu vịm thép một nhịp rộng nhất thế giới ở Úc


6

Gần ñây, việc cải tiến và phát triển thêm của công nghệ ống thép nhồi bê tông
, kết hợp sự làm việc của thép và bê tơng trong cầu vịm ñã giúp cho hàng loạt các
cây cầu ra ñời trên thế giới, ñặc biệt phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng ở Trung
Quốc. Kết cấu ống thép nhồi bê tơng bao gồm vỏ thép bên ngồi và lõi bê tơng làm
việc liên hợp, làm cho kết cấu này có rất nhiều ưu điểm. Một số ưu điểm chính có
thể kể đến như sau:

•

Bê tơng bên trong khơng bị co ngót do khơng bị mất nước mà trái lại cịn nở
thể tích, điều này giúp bê tơng bên trong và ống thép bên ngoài làm việc
cùng nhau, tăng khả năng chịu lực dưới tác dụng của tải trọng khai thác.

•

Việc lấp ñầy bê tông giúp tăng cường khả năng chống gỉ bên trong của ống
thép, tăng cường ñộ cứng, giảm biến dạng và độ mảnh của vịm, qua đó tăng
tính ổn ñịnh cục bộ và tổng thể sườn vòm trong quá trình làm việc dưới tác
dụng của tải trọng khai thác.

•

Ống trịn có độ cứng chống xoắn cao hơn các tiết diện hở khác; Khi dùng
ống trịn nhồi bê tơng có thể tiết kiệm khoảng 40% lượng thép so với kết cấu
BTCT thơng thường.

•

Mặt ngồi ống thép dễ bảo vệ chống rỉ hơn các loại tiết diện có hình dạng
phức tạp.

Hình 1.6 - Cầu vịm ống thép nhồi bê tơng Xiyanping, Trung Quốc


7

Hình 1.7 - Cầu Lupu, Trung Quốc

Như vậy, cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, hệ thống
cầu vịm trên thế giới đã khơng ngừng thay ñổi và phát triển nhanh chóng, khai thác
triệt ñể những ưu ñiểm về sự làm việc của vật liệu, xây dựng nhiều cơng trình cầu
vịm có quy mơ lớn và kỹ thuật cao.


8

1.2. Sự phát triển cầu vòm ở Việt Nam
Cầu vòm ống thép nhồi bê tơng đã được sử dụng rất nhiều trên thế giới. Tuy
nhiên ở Việt Nam, việc áp dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông trong xây dựng
cơng trình cầu chỉ mới bắt đầu trong hơn 10 năm.
Cầu Ơng Lớn nằm trên đại lộ Nguyễn Văn Linh, Quận 7- Thành phố Hồ Chí
Minh là cơng trình cầu sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tơng đầu tiên ở nước ta,
ñược thiết kế vào năm 2001 ñến năm 2004 thì được đưa vào sử dụng.

Hình 1.8 - Cầu Ơng Lớn , Q 7- Tp. Hồ Chí Minh


9

Cầu Bình Lợi 2 ( thuộc dự án Tân Sơn Nhất – Cầu Bình Lợi và đường vành
đai ngồi_ khởi công vào ngày 09 tháng 6 năm 2008, khánh thành vào tháng 09
năm 2013, là cầu vịm mạng lưới đầu tiên ở nước ta, cầu ñược xây dựng với 8 làn xe
mang kiểu dáng kiến trúc vịm Nielsen do Cơng ty GS Engineering & Contruction,
Hàn Quốc đầu tư xây dựng.

Hình 1.9 - Cầu Bình Lợi , Quận Bình Thạnh - Tp. Hồ Chí Minh
Cầu Rồng là cơng trình kết nối giao thông quan trọng giữa 2 quận trung tâm
TP. Đà Nẵng là Hải Châu và Sơn Trà. Đơn vị tư vấn là Louis Berger Group (Mỹ)

liên danh với Ammann Whitney (Mỹ) cùng với sự tham gia của TDIC 533 (Việt
Nam) thiết kế. Cầu mang hình dáng Rồng bay với 3 nhịp chính cấu tạo bằng các
vịm ống thép bằng cấu trúc ñộc ñáo. Cầu Rồng ñược thiết kế dài 714,56m, bao
gồm: 1 nhịp chính dài 200m, 2 nhịp bên mỗi nhịp dài 128m, phần nhịp đi rồng
dài 64,15m, nhịp đầu rồng dài 72m, phần dẫn phía Đơng kết cấu dầm bê tông cốt
thép dài 122,56m. Chiều rộng cầu là 37,5m gồm 6 làn ñường, 1 dải ngăn cách là
thân rồng và hành lang ñi bộ 2 bên. Thân rồng ở giữa giải phân cách ñược uốn lượn
từ 5 ñường ống thép lớn với đường kính mỗi ống khoảng 1,2m. Cầu khánh thành
năm 2013. Cầu Rồng vừa giành ñược Giải thưởng Kỹ thuật xuất sắc (EEA) tại Mỹ
vào tháng 4 năm 2014.


10

Hình 1.10 - Cầu Rồng – TP. Đà Nẵng
Ngồi những cơng trình cầu vịm ống thép nhồi bê tơng điển hình kể trên, một
số các cơng trình cầu vịm khác cũng sử dụng công nghệ này như: Cầu Cần Giuộc,
Cầu Xóm Củi được xây dựng cùng mơ đun với cầu Ông Lớn. Một số dự án cầu vòm
ống thép nhồi bê tơng đang được xây dựng như: cầu Hàn (Hải Dương), cầu Đơng
Trù (Hà Nội)...sẽ góp phần làm đa dạng hóa hệ thống cầu vịm ống thép nhồi bê
tơng ở nước ta.


11

1.3. Nội dung nghiên cứu.
Xét về hình thức chịu tải, cầu vịm được phân ra thành cầu vịm có làn xe chạy
trên, chạy giữa và chạy dưới. Cầu vịm có xe chạy dưới rất phổ biến trên thế giới
hiện nay, loại cầu này phù hợp với cầu có chiều cao tĩnh khơng hạn chế và có ưu thế
nổi trội khi sử dụng với vùng có địa chất yếu. Đặc điểm cầu vịm đường xe chạy

dưới là sử dụng các thanh treo có tác dụng chịu kéo để truyền tải trọng từ hệ dầm,
mặt cầu lên sườn vòm, lực dọc trong vịm sẽ phân phối lực về các chân vịm. Ưu
điểm của loại cầu vịm này là phát huy được khả năng chịu lực của các cấu kiện, từ
đó làm giảm tiết diện kết cấu đem lại hình dáng thanh mảnh cho cơng trình giúp tiết
kiệm vật liệu và tăng cường mỹ quan cho cầu. Nhưng cũng do hình dáng thanh
mảnh ñó nên cần phải ñảm bảo ổn ñịnh cho cầu dưới tác dụng của tải trọng trong
giai ñoạn khai thác.[1]
Trong q trình vận hành khai thác, các thanh treo có thể bị hư hỏng do xâm
thực môi trường, sự va xe trực tiếp vào thanh treo, hoặc do một số các nguyên nhân
khách quan khác. Điều này sẽ làm mất ứng suất cục bộ tại vị trí đứt, làm thay ñổi
nội lực trong các thanh treo và các bộ phận khác của cầu. Do đó, đề tài sẽ tiến hành
nghiên cứu các trường hợp đứt thanh treo để tìm ra những trường hợp có khả năng
gây nguy hiểm cho cầu.
1.3.1. Đặc điểm cấu tạo, tính năng làm việc của thanh treo
Thanh treo là những ống thép bọc ngoài bên trong là những sợi thép cường ñộ
cao và tao thép bền cường độ cao, một đầu được neo vào sườn vịm, đầu kia neo
vào dầm ngang. Ống thép bọc ngồi khơng tham gia chịu lực, thanh treo là cấu kiện
chịu lực cục bộ, nội lực trong thanh tùy thuộc vào hoạt tải thiết kế, ít liên quan đến
khẩu độ cầu.
Thanh treo có thể được bố trí song song hoặc xiên mạng lưới, thơng thường
thanh treo được bố trí thẳng đứng tại vị trí các dầm ngang, như vậy cấu tạo sẽ ñơn
giản, thi công thuận tiện. Tuy nhiên, hiện nay cũng có một số cầu vịm có thanh treo
được bố trí nghiêng nhưng khơng phổ biến lắm. Việc bố trí thanh treo khơng chỉ
đơn thuần mang yếu tố thẩm mỹ mà cịn liên quan đến việc phân bố nội lực. Vì vậy,