Nghiên cứu ảnh hưởng độ nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây văng hai nhịp
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.64 MB, 124 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------
VŨ ĐỨC QUANG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ NGHIÊNG CỦA
TRỤ THÁP ĐẾN PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ
BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP
CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM
MÃ SỐ NGÀNH
: 2. 15. 10
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán Bộ Hướng Dẫn Khoa Học 1
: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
Cán Bộ Hướng Dẫn Khoa Học 2
: TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
Cán Bộ Chấm Nhận Xét 1
: PGS.TS. LÊ VĂN NAM
Cán Bộ Chấm Nhận Xét 2
: TS. VŨ XUÂN HÒA
Luận văn Thạc Sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 13 tháng 01 năm 2009
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP. HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : VŨ ĐỨC QUANG
Phái: Nam
Ngày tháng năm sinh : 15/06/1977
Nơi sinh : HƯNG YÊN
Chuyên ngành : Xây đựng Cầu hầm
Mã số ngành : 2.15.10
Khóa: 2005
Mã số học viên : 04005670
I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ NGHIÊNG CỦA TRỤ THÁP ĐẾN PHÂN BỐ
NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Nhiệm vụ:
Nhiệm vụ của đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của độ nghiêng tháp cầu đến sự phân bố nội
lực và biến dạng trong các bộ phận kết cấu cầu. Thông qua việc tổng hợp và phân tích kết quả
nghiên cứu sẽ kiến nghị độ nghiêng tháp cầu treo dây văng để vừa đảm bảo yêu cầu mỹ quan
mà không phát sinh nội lực và biến dạng bất lợi.
2. Nội dụng luận án:
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan về cầu treo dây văng.
Chương 2: Sơ đồ hình thái và cấu tạo các bộ phận của cầu dây văng.
Chương 3: Giới thiệu các lý thuyết tính tốn cầu dây văng.
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và
biến dạng trong cầu dây văng hai nhịp.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục tính tốn
III/. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV/. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V/. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 :
TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
VI/. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 :
TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
CÁN BÔ HƯỚNG DẪN 1
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2
CN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
Nội dung Luận án Cao học đã được thông qua Hội đồng Chuyên ngành.
Tp. HCM, ngày 13 tháng 01 năm 2009
TRƯỞNG PHÒNG ĐT – SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Học viên thực hiện luận văn xin chân thành tỏ lòng biết ơn đối với:
Khoa Đào Tạo Sau Đại Học – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM.
Thầy Cô Bộ Môn Cầu Đường, Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng - Trường Đại
Học Bách Khoa Tp.HCM.
Thầy Cô giảng dạy trong chương trình cao học chuyên ngành Xây dựng
Cầu hầm - Khoa Đào Tạo Sau Đại Học Trường Đại Học Bách Khoa
Tp.HCM.
Thầy TS. Phùng Mạnh Tiến và thầy TS. Đặng Đăng Tùng đã tận tình
hướng dẫn tơi thực hiện luận văn này.
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ NGHIÊNG CỦA TRỤ THÁP ĐẾN
PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU DÂY VĂNG HAI NHỊP
1. Sự cần thiết và tính thực tiễn của đề tài
Ta biết sự phân bố nội lực của cầu dây văng phụ thuộc vào độ cứng của các phần tử
tham gia chịu lực trong hệ như độ cứng của dây văng, độ cứng của tháp cầu, độ cứng của
dầm chủ …
Khi tìm hiểu một số cầu dây văng hai nhịp đã xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam
tác giả nhận thấy một số cơng trình có dáng kiết trúc rất độc đáo, một số cơng trình đã
gây được ấn tượng rất mạnh đối với khách tham quan và là biểu tượng của vùng nơi cây
cầu được xây dựng. Ví dụ cầu Bratislava (Slovakia), cầu Rotterdam (Hà Lan), cầu
Batman (Australia), Cầu Gilly (Gilly-sur-Isère, Savoie (73), Rhône-Alpes, France)…, điều
đặc biệt ở những công trình cầu này là trụ tháp được thiết kế nghiêng với góc nhỏ hơn
900 so với trục dọc cầu.
Qua tìm hiểu về cấu tạo cầu treo dây văng có trụ tháp nghiêng, tác giả đặt ra câu
hỏi: Với chiều dài nhịp và chiều cao trụ tháp không đổi khi ta thay đổi góc nghiêng trụ
tháp thì nội lực và biến dạng trong kết cấu cầu dây văng hai nhịp sẽ thay đổi như thế
nào? Để làm sáng tỏ vấn đề nêu trên, ta thấy cần sự thiết phải nghiên cứu: ảnh hưởng độ
nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây văng.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Qua phân tích ở trên, mục tiêu của đề tài tập trung “nghiên cứu ảnh hưởng độ
nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây văng hai
nhịp”.
Do thời gian và khả năng hạn chế, đề tài này sẽ giới hạn nghiên cứu trong phạm
vi sau: sơ đồ hai nhịp, cáp bố trí rẻ quạt, hai mặt phẳng dây, trụ hình thang.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, luận văn tập trung tính tốn với một số CDV cụ thể có
các đặc điểm: CDV hai nhịp, hai mặt phẳng dây, sơ đồ dây hình rẽ quạt, trụ hình thang,
với các góc nghiêng trụ tháp khác nhau, thông qua việc sử dụng phần mềm
MIDAS/CIVIL.
4. Kết quả đạt được
Qua quá trình nghiên cứu, luận văn rút ra được quy luật ảnh hưởng của góc
nghiêng trụ tháp đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong CDV hai mặt phẳng dây, từ
đó đưa ra được góc nghiêng trụ tháp hợp lý.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn gồm 5 chương và phần phụ lục kết qủa tính tốn như sau:
Chương mở đầu
Chương 1: Tổng quan về cầu treo dây văng.
Chương 2: Sơ đồ hình thái và cấu tạo các bộ phận của cầu dây văng.
Chương 3: Giới thiệu các lý thuyết tính tốn cầu dây văng.
Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực
và biến dạng trong cầu dây văng hai nhịp.
Kết luận và kiến nghị .\.
-----
-----
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU: .................................................................................................................................1
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ..........................................................................................................1
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU.......................................................2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG....................................................3
I.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG .......................................................................3
I.1.1. Lịch sử phát triển cầu dây trên thế giới...............................................................................3
I.1.2. Sự phát triển cầu dây ở Việt Nam.......................................................................................9
I.2. NỘI DUNG MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ CVD Ở VIỆT NAM .........................................13
I.2.1. Nội dung đề tài “Phân tích điều chỉnh nội lực cầu dây văng”............................................13
I.2.2. Nội dung đề tài “Phân tích tĩnh và động trong cầu dây văng” .........................................13
I.2.3. Nội dung đề tài “Một số cầu dây văng cho giao thông nông thôn”...................................14
I.2.4. Nội dung đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng dầm đến sự phân bố nội lực trong cầu
dây văng hai mặt phẳng dây”. ...................................................................................................14
I.2.5. Nội dung đề tài “ Nghiên cứu tính bất đối xứng của chiều cao trụ tháp đến phân bố nội lực
trong cầu treo dây văng” ...........................................................................................................14
CHƯƠNG 2: SƠ ĐỒ HÌNH THÁI VÀ CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA CẦU TREO DÂY
VĂNG ......................................................................................................................................16
II.1. SƠ ĐỒ HÌNH THÁI CẦU DÂY VĂNG ..........................................................................16
2.1.1. Sơ đồ và sự phân bố dây..................................................................................................17
2.1.2. Các dạng tháp cầu ...........................................................................................................22
2.1.2.1. Tháp cầu dạng chữ H...................................................................................................23
2.1.2.2. Tháp cầu dạng chữ A và chữ Y....................................................................................23
2.1.2.3. Tháp cầu dạng hình thang.............................................................................................24
2.1.2.4. Dạng tháp cầu nghiêng so với trục dọc cầu ...................................................................25
II.2. CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CẦU DÂY VĂNG ...............................................................30
2.2.1. Cáp dùng cho dây văng ...................................................................................................30
2.2.2. Dầm chủ..........................................................................................................................32
II.3. LỰA CHỌN CÁC THAM SỐ CƠ BẢN CỦA CẦU DÂY VĂNG ...................................37
2.3.1. Căn cứ chọn sơ đồ kết cấu nhịp .......................................................................................37
2.3.2. Căn cứ chọn chiều dài khoang dầm .................................................................................39
2.3.3. Căn cứ chọn tháp cầu ......................................................................................................40
2.3.3.1. Căn cứ chọn chiều cao tháp ..........................................................................................40
2.3.3.2. Liên kết tháp cầu ..........................................................................................................40
2.3.3.3. Căn cứ chọn tiết diện tháp ...........................................................................................41
2.3.4. Căn cứ chọn tiết diện dây văng........................................................................................42
2.3.5. Chọn tiết diện và chiều cao dầm ......................................................................................44
2.3.5.1. Chọn tiết diện dầm ......................................................................................................44
2.3.5.2. Chọn chiều cao dầm ....................................................................................................45
CHƯƠNG 3: GIỚI THIỆU CÁC LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VĂNG..46
III.1. THEO LÝ THUYẾT CỦA CƠ HỌC KẾT CẤU .............................................................46
III.1.1. Phương pháp lực ...........................................................................................................46
III.1.2. Phương pháp chuyển vị .................................................................................................48
III.2. PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN ........................................................................49
III.3. PHẦN MỀM SỬ DỤNG .................................................................................................50
III.3.1. Tổng quan về phần mềm MIDAS/ Civil ........................................................................51
III.3.2. Mô hình hố và phân tích kết cấu cầu dây văng bằng Midas/Civil ................................56
III.3.2.1. Mơ hình hóa và phân tích nghịch ................................................................................56
III.3.2.2. Mơ hình hóa và phân tích thuận..................................................................................57
III.3.2.3. Xây dựng mơ hình kết cấu cầu dây văng....................................................................57
III.3.3. Một số cơng trình cầu đã được thiết kế, tính tốn với MIDAS/Civil ..............................58
III.3.3.1. Cầu SooTong..............................................................................................................58
III.3.3.2. Cầu Stonecutter ..........................................................................................................59
III.3.3.3. Cầu Cầu Incheon 2 .....................................................................................................59
CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG ĐỘ NGHIÊNG CỦA TRỤ THÁP ĐẾN
PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP ...60
IV.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU..........................................................................................60
IV.1.1. Đối tượng nghiên cứu chung .........................................................................................60
IV.1.2. Các sơ đồ cầu khi thay đổi góc nghiêng trụ tháp............................................................61
IV.1.2.1. Phương án kết cấu ......................................................................................................61
IV.1.2.2. Sơ đồ I .......................................................................................................................62
IV.1.2.3. Sơ đồ II ......................................................................................................................64
IV.1.2.4. Sơ đồ III.....................................................................................................................65
IV.1.3. Thông số vật liệu và đặc trưng hình học của các bộ phận kết cấu...................................67
IV.1.4. Tải trọng thiết kế ..........................................................................................................68
IV.2. TRÌNH TỰ TÍNH TỐN.................................................................................................69
IV.2.1. Nhập số liệu đầu vào .....................................................................................................68
IV.2.2. Chạy trương trình phân tích kết cấu ..............................................................................71
IV.2.3. Xuất kết quả..................................................................................................................71
IV.3. KẾT QUẢ PHÂN TÍCH TÍNH TỐN VÀ NHẬN XÉT .................................................71
4.3.1. Ảnh hưởng độ nghiêng trụ tháp đến nội lực trong cáp......................................................71
4.3.2. Ảnh hưởng độ nghiêng trụ tháp đến nội lực trong dầm chủ ............................................76
4.3.2.1. Ảnh hưởng của góc nghiêng trụ tháp α đến mômen nhỏ nhất (mômen âm) My,min trong
dầm chủ ...................................................................................................................................76
4.3.2.2. Ảnh hưởng của góc nghiêng trụ tháp α tới mônmen lớn nhất trong dầm chủ .............80
4.3.2.3. Quan hệ giữa lực nén lớn nhất trong dầm chủ (Ax,max) và góc nghiêng trụ tháp ........84
4.3.3. Ảnh hưởng độ nghiêng trụ tháp đến nội lực và biến dạng trong trụ tháp ..........................88
4.3.3.1. Ảnh hưởng độ nghiêng trụ tháp đến nội lực trong trụ tháp ...........................................88
4.3.3.2. Ảnh hưởng độ nghiêng trụ tháp đến biến dạng trong trụ tháp .....................................100
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...............................................................................................109
A. KẾT LUẬN .......................................................................................................................109
B. KIẾN NGHỊ ......................................................................................................................110
1
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
C ùng với sự phát triển của nền kinh tế nước ta, nhu cầu xây dựng và hồn thiện cơ
sở hạ tầng giao thơng ngày một cấp thiết. Bên cạnh việc thiết kế và xây dựng các cơng
trình cầu dây văng có nhịp lớn qua khoảng khơng gian rộng như sơng lớn, vịnh biển thì
việc thiết kế những cây cầu có kiểu dáng kiến trúc đặc biệt, yêu cầu tính thẩm mỹ độc đáo
cũng được các nhà quản lý đô giao thông và đô thị đặt ra. Khi thiết kế một cây cầu ngoài
yêu cầu tạo ra một kết cấu đủ độ bền, có khả năng sử dụng và an tồn, người thiết kế cịn
phải thỏa mãn một nhu cầu của con người đó là tính thẩm mỹ: kiểu dáng, vẻ đẹp kiến
trúc, sự đặc biệt… Ngày nay khi ta quan niệm cầu là một cơng trình kiến trúc thì việc
thiết kế càng phải lưu ý hơn đến vấn đề nêu trên.
Khi tìm hiểu một số cầu dây văng hai nhịp đã xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam
tác giả nhận thấy một số cơng trình có dáng kiết trúc rất độc đáo, một số cơng trình đã
gây được ấn tượng rất mạnh đối với khách tham quan và là biểu tượng của vùng nơi cây
cầu được xây dựng. Ví dụ cầu Bratislava (Slovakia), cầu Rotterdam (Hà Lan), cầu
Batman (Australia), Cầu Gilly (Gilly-sur-Isère, Savoie (73), Rhône-Alpes, France), Cầu
Feijenoord Footbridge (Rotterdam, Zuid-Holland, Netherlands) …, điều đặc biệt ở
những cơng trình cầu này là trụ tháp được thiết kế nghiêng với góc nhỏ hơn 900 so với
trục dọc cầu.
Qua tìm hiểu về cấu tạo cầu treo dây văng có trụ tháp nghiêng, tác giả đặt ra câu
hỏi: Với chiều dài nhịp và chiều cao trụ tháp khơng đổi khi ta thay đổi góc nghiêng trụ
tháp thì nội lực và biến dạng trong kết cấu cầu dây văng hai nhịp sẽ thay đổi như thế nào?
Để làm sáng tỏ vấn đề nêu trên, ta thấy cần sự thiết phải nghiên cứu: ảnh hưởng độ
nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây văng.
2
II. MỤC TIÊU, NỘI DUNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Qua phân tích ở trên, mục tiêu của đề tài tập trung “nghiên cứu ảnh hưởng độ
nghiêng của trụ tháp đến phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây văng hai
nhịp”.
Nội dung của đề tài là thông qua tính tốn nội lực và biến dạng của các bộ phận kết
cấu, trong một số sơ đồ cầu với góc nghiêng trụ tháp thay đổi, tổng hợp số liệu từ tính
tốn từ đó đưa ra một số nhận xét và kết luận về ảnh hưởng của góc nghiêng trụ tháp đến
nội lực và biến dạng trong kết cấu cầu treo dây văng hai nhịp. Qua tổng hợp kết quả ta có
thể tìm ra góc nghiêng trụ tháp phù hợp vừa đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ mà không phát
sinh nội lực và biến dạng bất lợi trong các bộ phận của cầu.
Do thời gian và khả năng hạn chế, đề tài này sẽ giới hạn nghiên cứu trong phạm
vi sau:
Sơ đồ kết cấu nhịp: sơ đồ 2 nhịp, chiều dài nhịp chính thay đổi 100 ÷ 200m, với
tỷ số L1/L2 nằm trong khoảng 0.55 đến 0.57;
Góc nghiêng trụ tháp: thay đổi 600 ÷ 1200;
Sơ đồ bố trí cáp: sơ đồ rẻ quạt;
Số mặt phẳng dây: 2 mặt phẳng dây;
Dạng trụ tháp: trụ hình thang;
Chiều cao trụ tháp tình từ dầm chủ: Htháp/L2 =0.35.
Dạng mặt cắt ngang dầm chính: Dầm thép chiều cao không đổi.
3
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG
I.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG
Cầu dây văng (CDV) là dạng cơng trình cầu có chỉ tiêu kinh tế, mỹ thuật, mỹ quan
tốt. Cầu dây văng đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới và nước
ta. Cầu dây văng có khả năng vượt nhip lớn, kết cấu hiện đại, hình dáng kiến trúc đẹp, có
qui mơ xây dựng lớn với trình độ cơng nghệ cao. Cầu dây văng được phát triển, hoàn
thiện trên cơ sở hệ dàn dây Gisclard theo hướng tạo một hệ bất biến hình gồm các dây
văng chịu kéo và dầm cứng chịu uốn.
Kể từ năm 1955 khi cầu Stromsund được xây dựng ở Thụy Điển cho đến nay đã
thống kê được hơn 600 chiếc CDV lớn và nhỏ với đầy đủ các thể loại khác nhau được
xây dựng trên thế giới. Có thể nhận thấy rằng khơng có loại kết cấu nào được áp dụng
rộng rãi, mạnh mẽ và đạt được thành tựu như CDV. Những năm cuối thế kỷ 20, các kỷ
lục về chiều dài nhịp CDV liên tục bị phá vỡ, nhiều cây cầu đã trở thành di sản văn hóa,
biểu tượng kiến trúc, đánh dấu sự phát triển khoa học kỹ thuật của thời đại.
I.1.1. Lịch sử phát triển cầu dây văng trên thế giới
Cầu dây văng có một lịch sử lâu đời. Năm 1790, một cơng trình sư người Pháp là
Poet đưa ra ý tưởng dùng hai tháp cầu cùng một hệ dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu
ba nhịp [14] (hình 1.1).
Hình 1.1. Cầu dây văng theo đề nghị của Poet [14]
4
Năm 1817, ý tưởng của Poet đã được thực hiện ở Anh trong một cầu cho người đi có
nhịp chính dài 33,5m. Hệ dầm mặt cầu đã được đỡ bằng các các dây văng xuất phát từ
đỉnh tháp cầu, phía đối diện với 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 [14]. Đó là tiền đề cho hệ cầu
trong đó thành phần lực ngang được truyền vào dầm cứng (hình 1.2).
Hình 1.2. Sơ đồ cầu người đi ở Anh năm 1817[14]
Năm 1868, ở Praha đã xây dựng một CDV qua sơng Vltava [14], có nhịp chính dài
146,6m. Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng tại các điểm đặt dọc theo nhịp chia
dầm thành các khoang dài 24,4m. Các khoang dầm khá lớn nên bố trí dầm cứng là hệ
dàn có chiều cao tới 2,1m cùng với hệ dầm ngang liên kết hai dàn. Dầm cứng vừa tham
gia chịu uốn cục bộ và tổng thể gần giống với vai trò dầm cứng trong CDV hiện đại
(hình 1.3).
Hình 1.3. Cầu qua sơng Vltava ở Praha (1868)[14]
Năm 1925, ở Pháp đã xây dựng một CDV qua sơng Trie [14], có nhịp chính dài
112m. Các dây văng được neo và truyền lực vào thanh tăng cường của giằng gió biến
thành hệ khơng có lực ngang, đây là hình ảnh của CDV hiện đại (hình 1.4).
5
Hình 1.4. Cầu qua sơng Trie ở Pháp (1925)[14]
Kể từ đó nhiều CDV đã được xây dựng như: cầu Broklyn ở Mỹ, cầu Stromsund ở
Thụy Điển, cầu qua sông Rhin ở Dusseldorf, cầu qua sông Đniep ở Kiep, cầu qua sông
Columbia ở Mỹ…
Trong suốt thời kỳ sơ khai, các CDV khơng thể tránh khỏi những sai sót, hạn chế,
bộc lộ rõ những nhược điểm của mình, nhược điểm này một phần do đây là một loại cầu
mới lại khá phức tạp, một phần do trình độ thiết kế, cơng nghệ vật liệu, cơng nghệ thi
cơng thời ấy cịn nhiều hạn chế. Và sau này cùng với nhịp độ phát triển của khoa học kỹ
thuật, khoa học công nghệ… Cầu dây văng ngày càng được cải tiến để phù hợp với sự
làm việc thực tế của kết cấu cũng như tận dụng được tối đa khả năng làm việc của vật
liệu. Cụ thể:
Thời kỳ đầu do vật liệu có cường độ không cao nên dưới tác dụng của trọng lượng
bản thân, dây bị võng tạo biến dạng phụ khi chịu hoạt tải. Cùng với sự phát triển của
khoa học kỹ thuật, vật liệu cường độ cao xuất hiện đã khắc phục được hiện tượng trên
như người ta xây dựng CDV với dây văng làm bằng thép cường độ cao…
Dầm chủ cũng là một trong những yếu tố đánh dấu sự phát triển và hoàn thiện của
CDV. Ban đầu người ta thường sử dụng vật liệu bằng thép, mà ta biết dầm chủ chủ yếu là
chịu nén, thép lại là loại vật liệu chủ yếu chịu kéo. Vì vậy khơng tận dụng được được tối
đa sự làm việc của vật liệu thép. Trong khi đó bêtơng là loại vật liệu chủ yếu chịu nén,
nên hiện nay CDV chủ yếu sử dụng dầm chủ là dầm BTCT hoặc thép bêtông liên hợp để
phù hợp với sự làm việc của dầm chủ cũng như tận dụng được khả năng làm việc của vật
liệu.
6
Năm 1963, người ta phát hiện thấy những bất lợi của các khoang lớn, đó là gây
mơmen uốn lớn trong dầm cứng. Và người ta nhận thấy việc giảm chiều dài khoang dầm
vừa có tác dụng giảm mơmen uốn, cấu tạo neo đơn giản và dây văng có thể làm bằng các
dây cáp đơn.
Một đặc điểm quan trọng trong qua trình phát triển dây văng đó là việc lựa chọn số
lượng và bố trí các mặt phẳng dây, đặc biệt đối với các cầu khổ rộng sau này. Việc lựa
chọn một mặt phẳng dây khơng phù hợp lắm vì khi đó dầm cứng địi hỏi phải có kích
thước lớn đủ để chống xoắn, để chịu tải trọng lệch tâm và ổn định khí động. Vì vậy hầu
hết các CDV xây dựng sau này đều có từ hai mặt phẳng dây trở lên.
Sau đây là một vài hình ảnh các CDV hai mặt phẳng dây đã được xây dựng trên
thế giới:
• Cầu Sidney Lanier
Hình 1.5. Cầu Sidney Lanier
7
• Cầu Dames Point
Hình 1.6. Cầu Dames Point
Ngồi ra, cầu dây văng còn đạt được yêu cầu cao về mặt mỹ thuật điển hình như
một số cầu dưới đây:
• Cầu Alamillo ở Seville Tây Ban Nha : được xây dựng để phục vụ cho triển lãm
quốc tế năm 1983. Tháp cầu được bố trí nghiêng 32o tạo dáng mũi tên đã thu hút được sự
chú ý của khách tham quan và gây ấn tượng sâu sắc trước dáng vẽ độc đáo và hồnh
tráng của cơng trình.
Hình 1.7. Cầu Alamillo (Tây Ban Nha)
8
• Cầu Hongshan Liuyang (hình 1.8) ở Trung Quốc, hình dáng tương tự cầu
Alamillo dây cáp bối trí song song, nhìn tổng thể tựa như chiếc diều đang bay trên bầu
trời.
Hình 1.8. Cầu Hongshan Liuyang ( Trung Quốc)
• Tương tự như cầu Alamillo là Cầu Rotterdam ở Hà Lan
Hình 1.9. Cầu Rotterdam (Hà Lan)
9
• Cầu ở Bratislava, Cộng hịa Slovakia, được xây dựng trên một con sông bên lề
thành phố, trên tháp cầu có bố trí một qn ăn vừa gây ấn tượng, vừa tạo được một phần
đối trọng cho phần tĩnh tải nhịp.
Hình 1.10. Cầu ở Bratislava ( Slovakia)
Sự ra đời và phát triển cầu dây văng trên thế giới đã thu hút được lòng say mê,
sáng tạo của các nhà khoa học và đã đạt được các thành tựu rất đáng tự hào.
Trong phạm vi chiều dài nhịp nhất định thì cầu treo dây văng có thể vượt được
nhịp lớn, do đó ít tốn kém cho kết cấu trụ, từ đó đảm bảo về mặt kỹ thuật – mỹ thuật
.Mặc khác với các bố trí số lượng mặt phẳng dây và sơ đồ bố trí dây treo có thể tạo được
tính đa dạng và phong phú mà những cầu khác không có.
I.1.2. Sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam
Ở Việt Nam, cầu dây văng được xây dựng năm 1976 qua sơng Dak’rơng thuộc
tỉnh Quảng Trị. Cầu có chiều dài nhịp chính 129m, chiều rộng 7m+2x0.8m và đã bị sập
tháng 2 năm 1999 sau đó đã được xây dựng lại với sơ đồ hai nhịp, dầm chủ thép.
10
Hình 1.11. Cầu Dak’rơng mới (Quảng trị – Việt nam)
Trong những năm gần đây, cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, một
số cầu dây văng đã được xây dựng: cầu Sông Hàn ở Đà Nẵng, cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh
Long, cầu Bính ở Hải Phịng, cầu Bãi Cháy ở Quảng Ninh, cầu Phú Mỹ… ở TP. Hồ Chí
Minh, cầu Rạch Miễu ở Tiền Giang – Bến Tre, cầu Cần Thơ ở Cần Thơ... Sau đây là một
vài hình ảnh CDV đã được xây dựng ở Việt Nam:
• Cầu Sơng Hàn ở Đà Nẵng
Hình 1.12. Cầu Sơng Hàn (Đà Nẵng –Việt Nam)
11
• Cầu Mỹ Thuận ở Vĩnh Long
Hình 1.13. Cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long –Việt Nam)
• Cầu Bính ở Hải Phịng
Hình 1.14. Cầu Bính (Hải Phịng –Việt Nam)
12
• Cầu Bãi Cháy ở Quảng Ninh
Hình 1.15. Cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh – Việt Nam)
• Cầu Cần Thơ ở Cần Thơ
Hình 1.16. Cầu Cần Thơ (Cần Thơ –Việt Nam)
Qua trình bày sơ lược lich sử phát triển CDV ở trên, có thể kết luận rằng: CDV đã
được xây dựng nhiều trên thế giới, có tính đa dạng cao, tính mỹ thuật phong phú, nhiều
cơng trình cầu đã trở thành biểu tượng của thành phố và của đất nước. Mặt khác CDV bắt
13
đầu được triển khai xây dựng khá nhiều tại Việt Nam, chính vì vậy việc nghiên cứu về
CDV là cần thiết.
I.2. NỘI DUNG MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ CDV Ở VIỆT NAM
Ta biết sự làm việc của cầu dây văng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Vì vậy, đã
có khơng ít đề tài nghiên cứu về sự làm việc của cầu dây văng, cụ thể đã có một số đề tài
nghiên cứu về các vấn đề sau: phân tích điều chỉnh nội lực cầu dây văng; phân tích tĩnh
và động trong cầu dây văng; một số cầu dây văng cho giao thơng nơng thơn; phân tích
ảnh hưởng của một số thông số thiết kế đến nội lực và biến dạng trong cầu dây văng.
1.2.1. Nội dung đề tài “Phân tích điều chỉnh nội lực cầu dây văng” [8]
Việc xác định tính tốn lực căng trước ban đầu của cáp trong cầu dây văng nhằm
bảo đảm hình dạng trắc dọc thiết kế của cầu dưới tác dụng của tải trọng tĩnh ln có vai
trị rất quan trọng nhưng cũng rất phức tạp trong cả quá trình thiết kế cũng như thi cơng.
Kế thừa những phương pháp phân tích mới (phương pháp số) kết hợp với các thành tựu
về công nghệ thơng tin (phần mềm tính tốn, tốc độ tính tốn…), luận văn của tác giả
Vũ Hồng Nghiệp [8] đã phát triển các nghiên cứu về phần tử dây mềm vốn thường được
phân tích trong loại cầu dây võng hoặc chỉ được phân tích làm việc độc lập, để xác định
lực căng ban đầu trong dây văng. Từ những lý thuyết chính xác, phần tử dây mềm luận
văn đã phát triển thêm trong nghiên cứu phân tích tổng thể hệ với sự làm việc đồng thời
của cáp, hệ dầm và tháp cầu. Đây có thể được xem như là một sự phát triển thêm cho ứng
dụng hoàn toàn mới về phần tử dây mềm mà luận văn đã làm được.
1.2.2. Nội dung đề tài “Phân tích tĩnh và động trong cầu dây văng”[9]
Luận văn này tác giả Trần Phương Hùng [9] đã nghiên cứu về phân tích tĩnh và
động trong cầu dây văng. Phân tích tĩnh nhằm cực tiểu hóa mơment của dầm chính dưới
tác dụng của tĩnh tải, chuyển từ dầm có nhịp lớn thành dầm liên tục kê trên các gối tựa
đàn hồi với nhịp bằng kích thước của khoang dầm. Dựa trên ý trưởng đó, một hệ thống
phương pháp chính tắc được thành lập dùng cân bằng giữa chuyển vị của các nút dưới
trọng lượng bản thân và lực căng cáp thơng qua việc kích cáp trong lúc thi cơng. Do tính
14
phi tuyến của cáp treo nên trong tính tốn sẽ dùng modul đàn hồi tương đương để điều
chỉnh cho phần tử thanh.
Cầu dây văng là loại kết cấu cầu nhịp lớn, nên việc nghiên cứu kết cấu để có khả
năng chống lại tải trọng gió là điều khơng thể thiếu. Một mặt dùng thí nghiệm mơ hình
trong hầm gió để xác định các thông số cần thiết trong thiết kế, mặt khác việc phát triển
song song lý thuyết tính tốn là điều cần thiết. Gần đây phân tích dao động dưới tác dụng
của tải trọng gió đã được phát triển. Phương pháp thực hiện thường được dựa trên
phương pháp miền tầng số, xét hiện tượng cộng hưởng dao động một cách đầy đủ dưới
tác dụng của tải trọng gió. Luận án đã nghiên cứu về phương pháp tính tốn hiện tượng
này, đánh giá một vài thông số về cấu tạo ảnh hưởng chủ yếu đến khả năng chịu tải trọng
gió của kết cấu.
1.2.3. Nội dung đề tài “Một số cầu dây văng cho giao thông nông thôn”[10]
Luận văn nghiên cứu của tác giả Huỳnh Ngọc Tâm [10], đề xuất giải pháp cầu dây
văng cho nông thôn vùng Tứ Giác Long Xuyên phù hợp với điều kiện chịu lực của các bộ
phận cơng trình nhằm vượt nhịp (do đặc điểm kênh rạch) đảm bảo thơng thuyền theo u
cầu. Qua đó lựa chọn các tham số cấu tạo hợp lý cho một số dạng cầu dây văng phục vụ
giao thông nông thôn vùng Đồng Bằng sơng Cửu long. Hay nói cách khác là đề ra giải
pháp CDV hợp lý cho giao thông nông thôn vùng Tứ Giác Long Xuyên, phù hợp với điều
kiện địa chất - thủy văn và điều kiện thi cơng tại địa phương như: tính mỹ quan của CDV,
sơ đồ nhịp, chiều cao tháp…
1.2.4.
Nội dung đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng độ cứng dầm đến sự phân bố nội
lực trong cầu dây văng hai mặt phẳng dây”[11].
Luận văn của tác giả Lê Thị Hạnh [11] đã nghiên cứu mối quan hệ giữa nội lực trong cầu
treo dây văng và độ cứng của dầm chủ. Kết quả nghiên cứu đã đưa nhận xét chung là:
Độ cứng dầm chủ càng lớn thì nội lực (môment, lực cắt, lực dọc) trong các bộ phận
chính (dầm chủ, dây văng, trụ tháp) của cầu càng lớn.
