Kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông ứng dụng cho công trình cầu đồng điền tp hcm

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

NGUYỄN CHÍ TÙNG

KẾT CẤU VÒM ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG – ỨNG DỤNG CHO
CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG ĐIỀN TP.HCM

CHUYÊN NGÀNH :

XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ NGÀNH

2. 15. 10

:

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, Tháng 11 năm 2007


-2-

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. VŨ XUÂN HÒA
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS. LÊ VĂN NAM
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. PHẠM QUANG NHẬT
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 20 tháng 01 năm 2008


-3ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2007

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Nguyễn Chí Tùng

Giới tính : Nam / Nữ

Ngày, tháng, năm sinh : 01 – 11 – 1981

Nơi sinh : Phú Yên

Chuyên ngành : Xây dựng cầu hầm

Khoá (Năm trúng tuyển) : K2005
1- TÊN ĐỀ TÀI: KẾT CẤU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG - ỨNG DỤNG CHO
CƠNG TRÌNH CẦU ĐỒNG ĐIỀN TP. HCM
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Nghiên cứu kết cấu vịm ống thép nhồi bê tơng có thanh
kéo và đường xe chạy dưới. Trong đó tập trung nghiên cứu cơ chế chịu lực, phương
pháp tính nội lực, phương pháp kiểm tốn tiết diện sườn vịm và sự làm việc của chân
vịm.
Nghiên cứu ứng dụng thực tiễn cho cơng trình cầu Đồng Điền trên cơ sở lý thuyết vừa
nghiên cứu trên.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 15 – 02 – 2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 05 – 11 – 2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. VŨ XUÂN HÒA
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. VŨ XUÂN HOÀ

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

TS. LÊ THỊ BÍCH THUỶ


-4-

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ………………………………………………………………………………………………………………………………….6
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ………………………………………………………………………………………….7

KÝ HIỆU………………………………………………………………………………………………………………………………………………9
CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ......................................................... 11

1.1.

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM TRÊN THẾ GIỚI............................ 11

1.2.

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM Ở VIỆT NAM .................................. 18

1.3.

TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BE ÂTÔNG ........ 20

1.4.

VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................................................... 22

CHƯƠNG 2.
BÊ TÔNG

VẬT LIỆU VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA ỐNG THÉP NHỒI
............................................................................................................ 23

2.1.

VẬT LIỆU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG....................................................... 23

2.2.

TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA LÕI BÊ TÔNG...................................................... 24

2.3.

ẢNH HƯỞNG LỰC DÍNH BÁM ................................................................... 24

2.4.

SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU NÉN ĐÚNG TÂM
............................................................................................................................ 27

2.5.

SỰ LÀM VIỆC CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CHỊU NÉN LỆCH TÂM
............................................................................................................................ 31

2.6. ẢNH HƯỞNG CỦA TẢI TRỌNG DÀI HẠN ĐẾN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC
CỦA ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG ............................................................................ 33
2.7. ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ
TÔNG ............................................................................................................................ 35
2.8. SO SÁNH KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG VỚI KẾT CẤU BÊ
TÔNG CỐT THÉP, BÊ TÔNG CỐT CỨNG, THÉP HÌNH, ỐNG THÉP RỖNG ..... 48
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU KẾT CẤU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CÓ THANH KÉO VÀ ĐƯỜNG XE CHẠY DƯỚI.................................................. 51
3.1.

CÁC DẠNG CẦU VÒM .................................................................................. 51

3.2.
CHI TIẾT CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
CÓ THANH KEÙO ......................................................................................................... 54


-53.3. NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG CÓ
THANH KÉO VÀ ĐƯỜNG XE CHẠY DƯỚI ........................................................... 60
3.4. NGHIÊN CỨU CÁC PHƯƠNG PHÁP KIỂM TOÁN KẾT CẤU VÒM ỐNG
THÉP NHỒI BÊ TÔNG ................................................................................................ 76
CHƯƠNG 4.

ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG ĐIỀN TP.HCM....
............................................................................................................ 89

4.1.

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG ĐIỀN .................. 89

4.2.

ỨNG DỤNG THIẾT LẬP THÔNG SỐ ĐẦU VÀO ........................................ 90

4.3.

ỨNG DỤNG TÍNH TOÁN CẦU ĐỒNG ĐIỀN............................................... 97

4.4.

ỨNG DỤNG KIỂM TOÁN CẦU ĐỒNG ĐIỀN ............................................ 105

4.5. KIỂM SOÁT CÁC CHUYỂN VỊ KHỐI CHÂN VÒM TRONG QUÁ TRÌNH
THI CÔNG ................................................................................................................... 110
4.6. ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ THI CÔNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG
ĐIỀN .......................................................................................................................... 110
4.7. ĐÁNH GIÁ TÍNH HIỆU QUẢ CỦA PHƯƠNG ÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG ỨNG DỤNG CHO CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG ĐIỀN .............. 114
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................. 117
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………………………………………………119
TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI …………………………………………………………………………………………121
TÓM TẮT LÝ LỊCH HỌC VIEÂN ………………………………………………………………………………………122

---X—W---


-6-

LỜI CẢM ƠN
*****
Để có được kết quả trong luận văn này là nhờ sự động viên, khuyến khích,
giúp đỡ của thầy giáo hướng dẫn và các đồng nghiệp.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa, Bộ
Môn Cầu Đường – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, đặc biệt là thầy TS. Vũ Xuân
Hòa – Giáo viên hướng dẫn đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ, tạo điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cảm ơn các bạn đồng nghiệp thuộc Công Ty Cổâ Phần Tư
Vấn Xây Dựng Bách Khoa và các bạn bè thân hữu trong khóa học K2005, đã
quan tâm động viên, đóng góp ý kiến, chia sẽ thông tin, các dữ liệu về đề tài
đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn này.
Mặc dù rất cố gắng hoàn thành luận văn, nhưng do thời gian và kiến thức có

hạn, chắc chắn luận văn tốt nghiệp thạc só này vẫn còn những thiếu sót nhất
định. Vì vậy, kính mong quý thầy cô, quý anh chị và các bạn đồng nghiệp
đóng góp ý kiến giúp em khắc phục và nâng cao kiến thức hơn nữa.
Xin trân trọng cảm ơn!


-7TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI: KẾT CẤU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG – ỨNG DỤNG
CHO CÔNG TRÌNH CẦU ĐỒNG ĐIỀN TP.HCM
1. Tính thực tiễn của đề tài
Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có ưu điểm thi công nhanh và
hiệu quả nhưng còn khá mới mẽ tại Việt Nam. Vì vậy, việc lựa chọn đề tài có
ý nghóa khoa học và thực tiễn khi một số công trình loại này đã và đang được
xây dựng trên địa bàn TP.HCM và trong tương lai có thể áp dụng kết cấu cầu
này một số nơi khác trên nước ta.
2. Mục tiêu đề tài hướng đến
Mục tiêu của luận văn là tìm hiểu, phân tích kết cấu ống thép nhồi bê
tông, cơ chế chịu lực của kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông có thanh kéo và
đường xe chạy dưới và các phương pháp kiểm toán. Và ứng dụng kết quả
nghiên cứu vào thực tiễn xây dựng công trình cầu Đồng Điền TP.HCM.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, luận văn đã tập trung tìm hiểu về các công
trình cầu vòm trong nước và thế giới, phân tích sự làm việc của kết cấu, cơ chế
chịu lực, phương pháp kiểm toán, mô phỏng sự làm việc của kết cấu cầu vòm
và kết cấu chân vòm bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
4. Kết quả đạt được
Qua quá trình nghiên cứu, luận văn đã đúc kết được những kết luận về
các giai đoạn chịu lực, qui luật căng kéo, sự làm việc của chân vòm, những
lưu ý khi kiểm toán sườn vòm theo các tiêu chuẩn khác nhau và hiệu quả của
việc ứng dụng vào thực tiễn xây dựng công trình cầu Đồng Điền ở TP.HCM.

5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 120 trang thuyết minh được trình bày trong 5 chương
như sau:
Chương 1: Tổng quan về cầu vòm.
Chương 2: Vật liệu và khả năng chịu lực ống thép nhồi bê tông.
Chương 3: Nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có thanh kéo và đường
xe chạy dưới.
Chương 4: Ứng dụng cho công trình cầu Đồng Điền TP.HCM
Chương 5: Kết luận và kiến nghị.
-----X—W-----


-8SUMMARY MASTER THESIS
TITLLE: “THE CONCRETE FILLED STEEL TUBULAR ARCH

BRIDGE – APPLICATION FOR THE DONG DIEN BRIDGE IN HCM
CITY”
1. Needs of thesis
The concrete filled steel tubular arch bridge has several advantages same
as: quickly and effectively but is a new contruction bridge method in Viet Nam.
Therefore, this thesis has the signification of science and practice when several
same bridges have been built in HCM city and probality will applying in some
another area.
2. Aims and scope of thesis
Aims and scope of thesis research, analyses structure of the concrete
filled steel tubular arch bridge with tie rod and roadway located under arch rib
and methods to verify. Then, application of research result for reality
construction of the Dong Dien bridge in HCM city.
3. Method of studying
In order to obtain the aims, the thesis concentrates my studies on arch

bridge which is constructed in Viet Nam and the world. Through analyses
structure, methods verifying and casting behavior of frame arch and foot arch
by Finited Element Method.
4. Result
By means of study process, this thesis had reach possibility of the various
states of loading capacity, the rule of stretching, behavior of arch foot, some
notes when verify frame arch by different standards and effect of application
construction of the Dong Dien bridge in HCM city.
5. Structure of thesis
Thesis includes 120 papers has written in 5 chapters:
Chapter 1: Overview of the arch bridges.
Chapter 2: Materials and loading capacity of concrete filled tubular steel.
Chapter 3: Research the concrete filled steel tubular arch bridge with tie
rod and roadway located under arch rib.
Chapter 4: Application for the Dong Dien Bridge in HCM city.
Chapter 5: Conclusions and petitions.
-----X—W-----


-9-

KÝ HIỆU
Abt , Ac = Diện tích bê tông (mm2)
At

= Diện tích thép (mm2)

Cf

= Tổng lực nén dọc trục tính toán

Cr

= Phần lực nén dọc trục do bê tông chịu

Ce

= Tải trọng uốn Euler

Cd

= Hệ số cản

Csm

= Hệ số đáp ứng động đàn hồi

D

= Đường kính ống thép đơn (m)

d

= Đường kính ngoài của ống thép (mm)

eo

= Cự ly lệch tâm của lực nén dọc trục (m)

Ed

= Mo đun đàn hồi dầm

Ev

= Mo đun đàn hồi vòm

E*

= Mô đun tiếp tuyến

Fy

= Cường độ chảy nhỏ nhất qui định của mặt cắt thép (Mpa)

Fyr

= Cường độ chảy nhỏ nhất qui định của cốt thép dọc (MPa)

f

= Chiều cao vòm (m)

f’c

= Cường độ chịu nén tiêu chuẩn 28 ngày (kN/cm2)

fy

= Cường độ giới hạn chảy của thép (N/mm2)

H

= Chiều cao tiết diện sườn vòm (m)

Jv

= Mo men quán tính vòm

Jd

= Mo men quán tính dầm

K

= Hệ số chiều dài có hiệu

kt

= Hệ số đánh giá chỉ tiêu độ đồng nhất của thép

kbt

= Hệ số đánh giá chỉ tiêu độ đồng nhất của bê tông

lo

= Độ dài tính toán tương đương của ống thép nhồi bê tông (m)

L

= Chiều dài của thanh (m)

m

= Hệ số điều kiện làm việc

mqđ

= Độ lệch tâm qui đổi

mdh

= Hệ số bền lâu

Mu

= Mô men uốn tính toán

Mr

= Cường độ chịu uốn tính toán

Mmax

= Mo men lớn nhất


-10n

= Tỷ số mô đun của bê tông

N

= Lực nén dọc trục tính toán (N)

Nu

= Khả năng chịu nén của cột đơn ống thép nhồi bê tông (N)

Nck
Νκ

= Lực căng kéo thanh kéo trong từng giai đoạn thi công

Nmax

= Lực dọc lớn nhất

Pth

= Lực tới hạng của thanh chịu nén đúng tâm

Pb

= Lực đặc trưng độ bền của thanh chịu nén đúng tâm

P

*

= Lực căng kéo thanh kéo giai đoạn cuối cùng

= Tải trọng mô đun tiếp tuyến

PD

= Tải trọng gió ngang

Pr

= Sức kháng tính toán của các cấu kiện chịu nén

Pn

= Sức kháng nén danh định

R

= Bán kính của lõi bê tông (m)

rm

= Bán kính quán tính tính đổi của mặt cắt liên hợp

S

= Hệ số điều chỉnh tốc độ gió

V

= Vận tốc gió

Vtk

= Vận tốc thiết kế

Vx
ϕ1

= Chuyển vị chân vòm (cm)

ϕe
μ

= Hệ số chiết giảm lực chịu tải xét ảnh hưởng của độ lệch tâm
= Hàm lượng thép

λqđ

= Hệ số độ mảnh qui đổi

ρqđ

= Khoảng cách lõi của tiết diện qui đổi

φc
ε1

= Hệ số chịu tải

ε2

= Biến dạng dọc tương đối

ϕ

= Hệ số uốn dọc

σbt

= Ứng suất trong bê tông (N/mm2)

σt

= Ứng suất thép (N/mm2)

Φi

= Khả năng chịu lực của thanh (kN)

= Hệ số chiết giảm lực chịu tải xét ảnh hưởng của độ mảnh

= Biến dạng ngang tương đối


-11-

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM

1.1. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM TRÊN THẾ GIỚI
1.1.1. Cầu vòm đá
Xuất hiện từ rất sớm vào những năm trước công nguyên và kết cấu cầu
vòm đá là một trong những kết cấu cầu đầu tiên trong lịch sử. Vật liệu dùng
để xây cầu là những tảng đá xếp chồng lên nhau, kết cấu cầu gần như chỉ chịu
lực nén không có lực kéo hoặc lực kéo khá nhỏ không ảnh hưởng đáng kể đến
kết cấu. Với đặc tính vật liệu bằng đá nên cầu khá nặng nề, vượt nhịp nhỏ, bề
rộng mặt cầu hẹp. Một số cây cầu loại này đã được xây dựng rất đẹp mang
tính thẩm mỹ kiến trúc cổ xưa: cầu Sommieres, cầu An Tế, cầu Lune, cầu
Gard, cầu Westminster…
Cầu Sommieres: (Hình 1-1)
trên sông Vidourle do người La Mã
xây dựng từ thế kỷ thứ nhất sau
công nguyên. Cầu được xây với vật
liệu hoàn toàn bằng các khối đá
chữ nhật, kiến trúc cầu rất đẹp.

Hình 1 – 1: Cầu Sommieres.

Cầu An Tế: còn gọi là cầu Triệu Châu ở Trung Quốc được xây vào năm
605 sau công nguyên. Cầu vượt nhịp 37.02m với 28 vòm đá theo chiều ngang.
Năm 1991 cầu này được công nhận là di sản văn hoá thế giới.
Cầu Lune: (Hình 1-2) được xây dựng từ thế kỷ thứ 12 tại Paris, cầu được
xây bằng các khối đá xếp chồng lên nhau và chia thành nhiều kết cầu vòm
nhỏ.

Hình 1 – 2: Cầu Lune, Paris.

-12Cầu Gard: (Hình 1-3) cầu bắc qua sông Gardon ở Avignon Pháp, cầu
được xây dựng làm 3 tầng, cao đến 49m và dài đến 275m: tầng 1 thấp nhất
gồm 6 vòm với tổng dài 142m, tầng giữa gồm 11 vòm với tổng dài 242m và
tầng trên cùng gồm 35 vòm với tổng chiều dài tầng này là 275m. Đây có thể
coi là đỉnh cao kỹ thuật thời La Mã vào khoảng 50 năm trước Công nguyên.

Hình 1-3: Cầu Gard qua sông Gardon.

Cầu Westminster: (Hình 1-4) cầu
bắc qua sông Thames bên cạnh tháp
Big Ben tại thành phố London nước
Anh, đây là một trong những cây cầu đá
được xây dựng rất muộn vào thế kỷ thứ
17.

Hình1-4: Cầu Westminster.

1.1.2. Cầu vòm thép
Xuất hiện vào cuối thế kỷ 18, lúc này thép đã xuất hiện và bắt đầu thay
thế vật liệu đá. Với vật liệu thép kết cấu nhịp đã được cải thiện đáng kể, kết
cấu trở nên thanh mảnh hơn, phong phú hơn. Nhiều cây cầu bằng thép đã được
xây dựng trong thời gian qua từ nhỏ đến lớn từ đơn giản đến phức tạp như: cầu


-13Ironbridge, caàu Rio Corbe, caàu Dunlaps Creek, caàu Hell Gate, cầu Most
Apollo, cầu Bayonne…
Cầu Ironbridge: (Hình 1-5) cầu được xây dựng vào năm 1779, cầu bắc
qua sông River Severn ở Anh. Chiều dài nhịp là 30.48m.
Cầu Rio Corbe: (Hình 1-6) xây dựng vào năm 1800, thuộc thị trấn

Jamaica ở Tây Ban Nha. Đây là cây cầu sắt cổ nhất Tây bán cầu, nó được làm
bằng các tấm sắt đúc. Để tăng cường độ cứng sườn vòm người ta gia cường
thêm vào sườn vòm những vòng tròn sắt đúc.

Hình 1-5: Cầu Ironbridge.

Hình 1-6: Cầu Rio Corbe.

Cầu Dunlaps Creek:(Hình 1-7) được xây dựng vào năm 1839 do các kỹ
sư quân đội Mỹ thực hiện, vòm chính dài 24m.

Hình 1-7: Cầu Dunlaps Creek.

Cầu Hell Gate: (Hình 1-8) được xây dựng vào năm 1916 bắc qua Hell
Gate một nhánh của Sông East River, chiều dài nhịp chính là 310m, bề rộng
mặt cầu là 30.5m.


-14Cầu Most Apollo:(Hình 1-9) cầu được xây dựng vào năm 2005 vượt qua
sông Danube thuộc Thủ Đô của Slovakia, cầu vòm thép với hệ dây đan chéo
chiều dài nhịp chính là 231m, kiểu dáng cầu thanh mảnh rất đẹp phù hợp với
kiến trúc xung quanh.

Hình 1-8: Cầu Hell Gate.

Hình 1-9: Cầu Most Appolo.

Cầu Bayonne: (Hình 1-10) được xây dựng năm 1931 là cầu nối giữa 2
Bang New York và New Jersey của Mỹ, cầu vòm thép với tổng chiều dài cầu
là 1,761m và chiều dài nhịp chính là 504m.

Hình 1-10: Cầu Bayonne.

1.1.3. Cầu vòm bê tông cốt thép (BTCT)
Xuất hiện khoảng cuối thế kỷ 19, lúc này người ta đã chứng minh được
sự kết hợp hiệu quả giữa bê tông và thép làm ra vật liệu vừa có khả năng chịu
nén vừa có khả năng chịu kéo tốt. Với sự phát triển của công nghệ vật liệu
BTCT nhiều cây cầu vòm loại này đã được xây dựng như: cầu Bixby Creek,
cầu Châtellérault, cầu Bloukrans, cầu Wild Gera Viaduct, cầu New Svinesund
Bridge…


-15Cầu Châtellérault: là cây cầu vòm bêtông cốt thép đầu tiên của thế giới
được xây dựng ở Pháp vào năm 1900, với một nhịp trung tâm dài 54m và hai
nhịp bên dài 40m.
Cầu Bixby Creek: (Hình 1-11) được xây dựng vào năm 1932 thuộc
Bang California nước Mỹ, chiều dài nhịp chính vòm BTCT là 110m, tổng
chiều dài cầu là 218m.

Hình 1-11: Cầu Bixby Creeek.

Cầu Bloukrans: (Hình 1-12) cầu được xây dựng năm 1984 vượt thung
lũng Nature's Valley ở Nam Phi, tổng chiều dài cầu 451m với nhịp vòm chính
dài 272m; mặt cầu cách mặt sông Blouktans 216m.

Hình 1-12: Cầu Bloukrans.


-16Cầu Wild Gera Viaduct: (Hình 1-13) cầu vượt qua sông Wilde Gera
nước Đức, được xây vào năm 2000. Tổng chiều dài cầu 552m, chiều dài nhịp

chính bằng vòm BTCT dài 252m.
Cầu New Svinesund Bridge: (Hình 1-14) cầu được xây vào năm 2005 ở
Thụy Điển, tổng chiều dài cầu 704m với chiều dài nhịp chính 247m.

Hình 1-13: Cầu Wild Gera Viaduct.

Hình 1-14: Cầu New Svinesund Bridge.

1.1.4. Cầu vòm hiện đại
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật đặc biệt về
kết cấu, về công nghệ vật liệu người ta đã xây dựng rất nhiều cầu vòm với
nhiều kiểu dáng khác nhau, vật liệu khác nhau, vượt nhịp rất lớn, tính mỹ
quang cao và đôi khi được xem như là những biểu tượng văn hoá của các nước.
Một số cầu vòm hiện đại đã được xây dựng trong thời gian gần đây như : cầu
Sydney Habour, cầu Ponte Bisantis, caàu Lupu, caàu Silver Jubilee, caàu
Juscelino Kubitschek, caàu Fehmarnsund…
Caàu Sydney Habour: (Hình 1-15) được xây dựng ở Úc với tổng chiều dài
1,149m, trong đó chiều dài nhịp chính là 503m. Cầu được xây dựng để dẫn tới
nhà hát Opera; từ khi xây dựng cây cầu cùng với toà nhà Opera House đã trở
thành biểu tượng của nước Úùc.
Hình115:Cầu
Sydney
Habour


-17Cầu Ponte Bisantis: (Hình 116) là loại cầu vòm BTCT được xây
dựng ở Ý với tổng chiều dài cầu
468m, trong đó chiều dài nhịp chính
231m. Cầu được thiết kế với kiến
trúc thanh mảnh mang tính thẩm mỹ

rất cao.
Hình

1-16:

Cầu

Ponte

Bisantis.

Cầu Lupu: (Hình 1-17) là cây cầu vòm dài nhất thế giới, cầu vòm thép
bắc qua sông Huangpu ở Thượng Hải, Trung Quốc. Cầu đước xây dựng vào
năm 2003 với tổng chiều dài cầu 3,900m trong đó nhịp chính dài 550m.

Hình 1-17: Cầu Lupu.

Cầu Silver Jubilee: (Hình 118) là cây cầu vòm thép vượt qua
sông Mersey ở United Kingdom,
nhịp chính cầu dài 330m.

Hình 1-18: Caàu Silver Jubilee.


-18Cầu Juscelino Kubitschek: (Hình 1-19) là cầu vòm thép được xây dựng
vào năm 2002 ở Brazil; tổng chiều dài cầu 1,200m trong đó chiều dài nhịp
chính 240m, là công trình kiến trúc rất độc đáo.

Hình 1-19: Cầu Juscelino Kubitschek.

Cầu Fehmarnsund: (Hình 1-20) là cầu vòm thép vượt sông Fehmarnsund
ở Đức, tổng chiều dài cầu 963m trong đó chiều dài nhịp chính 248m.

Hình 1-20: Cầu Fehmarnsund.

1.2. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM Ở VIỆT NAM
So với tình hình phát triển cầu vòm của thế giới thì ở Việt Nam ta còn
khá chậm. Một số cầu vòm bắt đầu được xây dựng vào thế kỷ 20, hiện nay
nước ta có một số cầu vòm tiêu biểu như: cầu Ròn, cầu Hàm Rồng, cầu Ông
Lớn, cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc và một số cầu đang có dự án xây dựng
trong thời gian tới như cầu Đông Trù, cầu Hàn, cầu Hùng Vương:


-19Cầu Ròn:(Hình 1-21) hoàn
thành 1985 trên tuyến QL1A thuộc
địa phận tỉnh Quảng Bình – là dạng
cầu vòm bê tông cốt thép.

Hình 1-21: Cầu Ròn.

Cầu Ông Lớn: (Hình 1-22) là cầu vòm ống thép nhồi bê tông được xây
dựng vào những năm gần đây trên địa bàn Quận 7, TP. HCM với tổng chiều
dài cầu là 640.88m trong đó chiều dài vòm chính dài 99.1m.

Hình 1-22: Cầu Ông Lớn.

Cầu Đông Trù: (Hình 1-23)
dự án cầu được thiết kế bỡi TEDI,
cầu bắc qua sông Đuống nằm trong
tổng thể dự án quốc lộ 5 kéo dài, là

công trình cầu lớn của Thủ Đô Hà
Nội. Cầu gồm 3 nhịp chính là vòm
kết cấu ống thép nhồi bê tông.
Hình1-23: Mô hình cầu Đông Trù.

Cầu Hùng Vương: (Hình 1-24) dự án xây dựng cầu Hùng Vương vượt
sông Đà Rằng ở Thành Phố Tuy Hoà, dự án được thiết kế do liên danh giữa


-20Công ty Tư vấn thiết kế giao thông vận tải Phía Nam và Đại học Phúc Châu
(Trung Quốc); phương án thiết kế cầu dài 1,280m trong đó 5 nhịp cầu chính
giữa sông sử dụng kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông; công trình là tuyến giao
thông quan trọng của Thành phố Tuy Hoà còn được đánh giá là công trình
kiến trúc mang tính thẩm mỹ cao tạo điểm nhấn cho Thành phố Tuy Hoà.

Hình 1-24: Mô hình cầu Hùng Vương.

1.3. TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ
TÔNG
Cầu vòm ống thép nhồi bê tông xuất hiện khá muộn so với các loại cầu
vòm khác và nó chỉ phát triển mạnh mẽ vào những năm cuối thế kỷ 20 và đầu
thế kỷ 21 khi mà người ta ngày càng chứng minh được hiệu quả của việc kết
hợp giữa vỏ thép và lõi bêtông. Khái quát sự phát triển loại cầu này có thể
được chia thành hai giai đoạn như sau:
Giai đoạn sơ khai: cầu vòm ống thép nhồi bê tông đầu tiên được xây
dựng vào năm 1931 ở ngoại ô phía Đông Pari với nhịp chỉ 9m, tiếp sau đó vào
năm 1936 xây dựng cầu vượt sông Nêva.
Giai đoạn hưng thịnh: loại cầu này phát triển rất mạnh ở Trung Quốc
vào cuối thể kỷ 20 đầu thế kỷ 21. Rất nhiều loại cầu ống thép nhồi bê tông với
nhiều kiểu dáng khác nhau, mang tính thẩm mỹ cao vượt nhịp lớn đã được xây

dưng như: cầu Cảng Xiên (Tô Châu), cầu Yanjisha, cầu Yongjiang, cầu
Beipanjiang…
Cầu Yanjisha: (Hình 1-25) cầu được xây dựng vào năm 2000 ở Trung
Quốc, tổng chiều dài cầu 1,084m trong đó nhịp dài nhất dài 360m; kết cấu nhịp
chính sử dụng vòm ống thép nhồi bê tông dạng vòm xe chạy giữa.


-21-

Hình 1-25: Cầu Yanjisha.

Cầu Beipanjiang: (Hình 1-26) cầu được xây dựng vào năm 2001 ở Trung
Quốc, tổng chiều dài cầu 486m trong đó chiều dài nhịp chính là 236m; kết cầu
nhịp chính dạng vòm xe chạy dưới, kết cấu vòm là vật liệu ống thép nhồi bê
tông.

Hình 1-26: Cầu Beipanjiang.

Cầu Yongjiang: (Hình 1-27)
cầu được xây dựng vào năm 1996 ở
Trung Quốc, kết cấu nhịp chính
dạng vòm ống thép nhồi bê tông,
vòm xe chạy giữa với chiều dài lớn
nhất là 312m.

Hình 1-27: Caàu Jongjiang.


-221.4. VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Qua nghiên cứu tổng quan có thể nhận thấy được những ưu điểm của kết

cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông, về khả năng chịu lực, về vẻ đẹp kiến trúc,
tính kinh tế. Thực tế, điều đó đã được chứng minh qua việc nó được ứng dụng
rất phổ biến với nhiều công trình đã được xây dựng ở các nước phát triển như
Mỹ, Canada, Pháp, Nga, Trung Quốc... Ở nước ta cũng đã xây dựng một số
cầu loại này ở địa bàn TP. Hồ Chí Minh và cũng đã chứng minh được tính hiệu
quả của nó về kinh tế, kỹ thuật và tính thẩm mỹ cao; tuy nhiên việc triển khai,
áp dụng loại cầu này ở nước ta còn trong giai đoạn đầu, tính chủ động chưa
cao vì vậy để việc ứng dụng kết cấu này được chủ động, hiệu quả thì việc
nghiên cứu, tìm hiểu bổ sung cho các kết quả nghiên cứu trước đây về loại kết
cầu này là rất cần thiết.
Đề tài luận văn nghiên cứu về kết cấu ống thép nhồi bê tông và ứng
dụng nó vào thực tiễn xây dụng công trình cầu Đồng Điền. Trong đó tập trung
phân tích cơ chế chịu lực; phương pháp tính nội lực cầu vòm ống thép nhồi bê
tông có thanh kéo và đường xe chạy dưới; phương pháp kiểm tra khả năng chịu
lực của tiết diện sườn vòm; phân tích khối chân vòm theo phương pháp phần tử
hữu hạn. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu được ứng dụng vào thực tiễn xây
dựng công trình cầu Đồng Điền TP.HCM.


-23-

CHƯƠNG 2.

VẬT LIỆU VÀ KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA
ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

2.1. VẬT LIỆU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
2.1.1. Bê tông nhồi trong ống thép
Bê tông nhồi trong ống theo nhiều tài liệu khuyên dùng có cường độ chịu
nén tiêu chuẩn 28 ngày fc ≥ 300 kN/cm2 (đối với mẫu lập phương

150x150x150mm). Đối với các công trình chịu tải trọng lớn thường dùng bê
tông có cường độ fc=400, 500, 600, 700 kN/cm2. Hiện nay với tình hình phát
triển ở Việt Nam ta việc sản xuất bê tông có cường độ cao trên 500 kN/cm2 là
có thể thực hiện được [3].
Ngoài yêu cầu về cường độ chịu nén thì bê tông nhồi trong ống thép còn
có các yêu cầu độ sụt, tỷ lệ nước trên ximăng, thành phần hạt bê tông cho phù
hợp với các phương pháp nhồi bê tông vào trong ống thép. Có 3 phương pháp
nhồi bê tông: phương pháp bơm đẩy lên; phương pháp đổ thẳng đứng, đầm thủ
công; phương pháp ném thả từ trên cao không đầm rung. Các yêu cầu tính chất
bê tông cho từng phương pháp thi công như sau:
− Phương pháp bơm đẩy lên và phương pháp ném thả từ trên cao không
đầm: hạt cốt liệu thô có thể dùng 0.5 – 3cm; tỷ lệ nước trên ximăng
không lớn hơn 0.45; độ sụt không nhỏ hơn 15cm. Để đảm bảo độ sụt
như trên cần dùng chất phụ gia giảm nước, ngoài ra để tăng sự trương
nở bê tông cũng có thể cho vào một lượng nhỏ chất phụ gia trương nở
[7].
− Phương pháp đổ thẳng đứng, đầm thủ công: hạt cốt liệu thô có thể
dùng 1-4cm; tỷ lệ nước ximăng không lớn hơn 0.4; độ sụt từ 2-4cm [7].
2.1.2. Vỏ ống thép
Vật liệu vỏ ống thép thông thường sử dụng thép hợp kim thấp theo tiêu
chuẩn 22TCN 272 – 05 hoặc các loại thép theo qui trình CECS 28 – 90 của
Trung Quốc như: thép số 3, thép 16 Mn, thép 15MnV. Vỏ ống thép có thể dùng
các ống thép chế tạo sẵn hoặc được cuốn gia công từ các thép tấm, theo các
tài liệu thông thường thép sử dụng có cường độ giới hạn chảy fy= 225-450
N/mm2. Đường kính ngoài của ống thép nhồi bê tông không nhỏ hơn 100mm,


-24vách ống không nhỏ hơn 4mm (thông thường bề dày thép ống từ 5-20mm tuỳ
thuộc vào đường kính ống thép) [2].
Tỷ lệ đường kính ngoài và bề dày ống thép d/t nên giới hạn trong khoảng

20 đến 35 235 / f y ; fy =235 N/mm2 với thép số 3, fy =345 N/mm2 với thép
16Mn, fy =390 N/mm2 với thép 15MnV. Đối với các cột chịu trọng lượng nói
chung thì dùng tỷ số d/t bằng khoảng 70, đối với kết cấu dàn cứng dùng d/t
trong khoảng 25 [7].
Ống thép do nhà máy cung cấp theo yêu cầu của thiết kế bản vẽ thi công
cần có chứng từ hợp cách xuất xưởng hoặc báo cáo thí nghiệm về thép sử
dụng. Thép chế tạo ống phải phẳng thẳng, không dùng bản thép có bề mặt rỉ
hoặc chịu va đập. Thành trong của ống thép không được dính mỡ để đảm bảo
lõi bê tông được liên kết chặt với vỏ thép. Ống thép được chế tạo phải tuân
thủ đầy đủ theo qui phạm thi công và nghiệm thu kết cấu thép [7].
2.2. TÍNH TRƯƠNG NỞ CỦA LÕI BÊ TÔNG
Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng bê tông trong ống thép thay vì co ngót
thì đã xảy ra sự trương nở trong ống và sự nở của nó được duy trì trong nhiều
năm tạo điều kiện thuận lợi cho sự làm việc của bê tông. Sự trương nở là đặc
trưng không chỉ của bê tông trong ống thép, mà còn của cả bê tông được cách
li với môi trường xung quanh bằng bất cứ phương tiện nào khác. Điều đó đã
được xác nhận bỡi thí nghiệm nổi tiếng của O.Ya.Berg với các mẫu bê tông
được cách li. Không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bên
ngoài là nguyên nhân của sự trương nở. Đó là một trong những ưu điểm của
ống thép nhồi bê tông so với bê tông cốt thép. [1]
Sự trương nở của bê tông trong ống thép sẽ làm tăng lực dính bám giữa
thép và bê tông. Ngoài ra sự kết chặt giữa bê tông và vỏ thép làm cho tính
giòn lõi bê tông giảm xuống và lõi bê tông chống được sự oằn cục bộ của vỏ
thép. Do đó để kết cấu ống thép nhồi bê tông làm việc hiệu quả thì ngoài sự
trương nở do bê tông bị cách li thì bê tông trong ống thép còn được cho thêm
một ít phụ gia trương nở [1].
2.3. ẢNH HƯỞNG LỰC DÍNH BÁM [1], [2], [5], [13]
Sự dính bám của lõi bê tông và ống thép trong kết cấu ống thép nhồi bê
tông sẽ ảnh hưởng đến sự trượt giữa vỏ thép và lõi bê tông. Khi lực dính bám
lớn đến một mức nào đó thì chúng được coi như liên kết thành một khối do đó

không xuất hiện sự trượt tương đối giữa lõi bê tông và vỏ thép vì vậy không
cần bố trí các neo liên kết chống trượt như kết cấu thép – BTCT liên hợp khác.


-25Ngoài ra lực dính bám ảnh hưởng đến khả năng mang tải của kết cấu ống
thép nhồi bê tông. Ống thép nhồi bê tông có thể chịu tải theo 3 cách cơ bản
như sau: chỉ riêng ống thép chịu tải trọng, chỉ riêng lõi bê tông chịu tải trọng,
cả hai lớp vật liệu gồm vỏ thép và lõi bê tông cùng chịu tải trọng phân bố đều.

Hình 2-1: (a): Chỉ riêng lõi bê tông chịu; (b): Chỉ ống thép chịu tải trọng; (c):
Cả bê tông và ống thép cùng chịu tải.

Thí nghiệm của Gardner và Jacobson (1967) cho thấy rằng khi chỉ riêng
ống thép chịu tải trọng thì không làm tăng tải trọng phá hoại so với ống thép
rỗng. Một cách lý tưởng khi chỉ riêng lõi bê tông chịu tải trọng sẽ là phương
pháp có hiệu quả nhất. Sự vắng mặt lực dính bám sẽ không gây ứng suất dọc
trong ống thép. Ống thép chỉ chịu lực gò chặc lõi bê tông và chịu ứng suất
vòng. Khả năng chịu ứng suất vòng của ống thép gấp 2 lần khả năng chịu ứng
suất dọc trục thuần tuý. Orito cùng các đồng nghiệp năm 1988 đã thí nghiệm
với ống thép nhồi bê tông có sử dụng vật liệu giảm ma sát, kết quả thu được
cường độ chịu nén lõi bê tông tăng lên và sự đàn hồi vỏ thép chủ yếu phụ
thuộc vào ứng suất vòng cho đến khi lõi bê tông bị nghiền nát. Tuy nhiên thực
tế khi bê tông nhồi trong ống thép, ứng suất dọc phát triển trong ống thép. Vì
vậy thực tế dính bám vẫn tồn tại giữa 2 lớp vật liệu và gây ra ứng suất trong
vỏ thép tạo ra trạng thái ứng suất 2 trục trong vỏ thép và làm giảm sự gò chặt
của ống thép. Nhiều thí nghiệm cho thấy rằng khả năng chịu tải của riêng lõi
bê tông không tăng hơn so với ống thép nhồi bê tông cùng chịu tải tương
đương. Như vậy kết cấu hợp lý nhất là cả hai lớp vật liệu thép bê tông cùng
chịu tải.
Như vậy lực dính bám đã phân bố lại lực dọc giữa lõi bê tông và vỏ thép

trong quá trình chịu tải. Khi tải trọng tác dụng chỉ riêng ống thép hoặc chỉ
riêng lõi bê tông, lực dọc trong cột phải được truyền lên mặt tiếp xúc giữa lõi
bê tông và vỏ thép. Do vậy, thật là hợp lý để nghó đến lực dính bám tại bề mặt
mặt tiếp xúc bê tông - thép ảnh hưởng thế nào đến sự phân bố lực dọc trên
mặt cắt, ảnh hưởng đến sự làm việc và khả năng mang tải đến kết cấu như thế
nào. Để hiểu rõ hơn ảnh hưởng lực dính bám, ta lần lượt xem kết quả nghiên
cứu lực dính bám qua 3 trường hợp tải trọng tác dụng.