Phân tích ổn định của trụ tháp bê tông cốt thép dạng cột trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

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

VÕ THÀNH NAM

PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA TRỤ THÁP
BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG CỘT TRONG
CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU, HẦM
MÃ SỐ NGÀNH

: 60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2010


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 LƯU BÂN
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS. TS LÊ THỊ BÍCH THỦY
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM
ngày 15 tháng 01 năm 2011
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. TS VŨ XN HỊA
2. PGS. TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

3. TS LƯU BÂN
4. TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
5. TS PHÙNG MẠNH TIẾN
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TP. HCM, ngày tháng 12 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên : VÕ THÀNH NAM

Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 08/02/1984

Nơi sinh : ĐẮK LẮK

Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm.

Mã số học viên : 03808509

I- TÊN ĐỀ TÀI:
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA TRỤ THÁP BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG CỘT
TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1. Nhiệm vụ: Phân tích ổn đỊnh của trụ tháp bê tông cốt thép dạng cột trong cầu
dây văng một mặt phẳng dây.
2. Nội dung: Luận văn gồm có 5 chương
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan cầu dây văng ba nhịp, một mặt phẳng dây
Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính tốn ổn định
Chương 4: Phân tích ổn định của trụ tháp bê tông cốt thép dạng cột trong cầu
dây văng một mặt phẳng dây
Chương 5: Kết luận và kiến nghị


III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/12/2010
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS LƯU BÂN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. LƯU BÂN

TS LÊ BÁ KHÁNH

LỜI CẢM ƠN
Trong khoảng thời gian hai năm tham gia học tập nghiên cứu, dưới sự giảng dạy tận
tình của q thầy cơ, em cảm thấy mình trưởng thành hơn về mặt kiến thức khoa học
chuyên môn trong lĩnh vực Cầu đường và điều đó đã giúp em hồn thành luận văn này.
Em xin chân thành cảm ơn quý thầy cơ Trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ
Chí Minh, Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Bộ môn Cầu đường và đặc biệt là thầy Lưu Bân
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Mặc dù rất cố gắng hoàn thành luận văn, nhưng do thời gian và kiến thức có hạn,
chắc chắn luận văn vẫn cịn nhiều thiếu sót nhất định. Vì vậy, kính mong q thầy cơ,
q anh chị và các bạn đồng nghiệp đóng góp ý kiến giúp em khắc phục và nâng cao
kiến thức hơn nữa.
Chân thành cảm ơn!

TP. Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2010

Võ Thành Nam


TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn phân tích ổn định tĩnh của trụ tháp bê tông cốt thép dạng cột trong cầu
dây văng ba nhịp, một mặt phẳng dây ở giai đoạn khai thác với các thông số thay đổi:
chiều cao trụ tháp, độ cứng trụ tháp và khoảng cách các dây văng trên trụ tháp. Các tải
trọng tác dụng tuân theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Nội dung của luận văn gồm có 5
chương.
Chương 1, giới thiệu lý do chọn đề tài, các vấn đề có liên quan cũng như đặt ra mục
tiêu cần đạt được và giới hạn phạm vi nghiên cứu.
Chương 2, giới thiệu tổng quan về cầu dây văng bê tông cốt thép ba nhịp, một mặt
phẳng dây; cấu tạo các bộ phận chịu lực chủ yếu; các liên kết trong cầu: dây văng với
dầm chủ, dây văng với trụ tháp, trụ tháp với dầm chủ và với trụ cầu bên dưới; phần
cuối chương giới thiệu một số cầu dây văng tiêu biểu trên thế giới và ở Việt Nam thuộc

hệ thống này.
Chương 3, giới thiệu các phương pháp tính tốn và kiểm tra ổn định của hệ cầu dây
văng, trong đó tập trung chủ yếu vào phương pháp phần tử hữu hạn; ngoài ra cũng đề
cập đến chương trình tính tốn kết cấu MIDAS/Civil mà tác giả đề nghị sử dụng để
phân tích ổn định trong luận văn.
Chương 4, phân tích ổn định của trụ tháp bê tông cốt thép dạng cột với các thông số
khác nhau đã trình bày ở trên; xây dựng biểu đồ quan hệ giữa hệ số tải trọng tới hạn λ
với các thơng số đó.
Chương 5, đưa ra kết luận và kiến nghị các hướng nghiên cứu tiếp theo.


1

MỤC LỤC
Chương 1.........................................................................................................................4
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................4
1.1.

Đặt vấn đề..........................................................................................................4

1.2.

Các nghiên cứu đã thực hiện .............................................................................5

1.3.

Mục tiêu, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài ......................................7

1.3.1.

Mục tiêu nghiên cứu ..................................................................................7

1.3.2.

Nội dung nghiên cứu..................................................................................8

1.3.3.

Phạm vi nghiên cứu....................................................................................8

1.4.

Kết luận .............................................................................................................8

Chương 2.........................................................................................................................9
TỔNG QUAN CẦU DÂY VĂNG BA NHỊP, MỘT MẶT PHẲNG DÂY ................9
2.1.

Cầu dây văng ba nhịp ......................................................................................11

2.2.

Cầu dây văng một mặt phẳng dây ...................................................................13

2.2.1.

Dầm chủ bê tơng cốt thép tiết diện hộp kín .............................................14

2.2.2.

Dây cáp ....................................................................................................16

2.2.3.

Trụ tháp bê tông cốt thép .........................................................................18

2.3.

Liên kết trong cầu............................................................................................21

2.3.1.

Liên kết dây văng với dầm chủ................................................................21

2.3.2.

Liên kết dây văng với trụ tháp .................................................................21

2.3.3.

Liên kết trụ tháp dạng cột với dầm chủ và trụ cầu...................................23

2.4.

Một số cầu dây văng một mặt phẳng dây tiêu biểu.........................................23

2.5.

Kết luận ...........................................................................................................27

Chương 3.......................................................................................................................28
CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH.........................................................28
3.1.

Khái niệm về mất ổn định ...............................................................................28


2

3.2.

Các phương pháp nghiên cứu..........................................................................30

3.2.1.

Phương pháp tĩnh học ..............................................................................31

3.2.2.

Phương pháp năng lượng .........................................................................32

3.2.3.

Phương pháp động lực học ......................................................................32

3.3.

Phương pháp cơ học kết cấu cổ điển...............................................................33

3.3.1.

Phương pháp lực ......................................................................................33

3.3.2.

Phương pháp chuyển vị............................................................................34

3.3.3.

Phương pháp hỗn hợp ..............................................................................35

3.4.

Phương pháp phần tử hữu hạn.........................................................................36

3.4.1.

Ma trận độ cứng của phần tử thanh thẳng trong hệ tọa độ địa phương ...37

3.4.2.

Trình tự giải bài tốn ổn định ..................................................................46

3.5.

Bài tốn kiểm chứng........................................................................................49

3.6.

Tính tốn ổn định kết cấu cầu dây văng bằng phần mềm MIDAS/Civil ........52

3.6.1.

Giới thiệu phần mềm................................................................................52

3.6.2.

Nội dung tính tốn ổn định kết cấu cầu dây văng trong MIDAS/Civil ...56

3.7.

Kết luận ...........................................................................................................57

Chương 4.......................................................................................................................58
PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH CỦA TRỤ THÁP BÊ TÔNG CỐT THÉP DẠNG CỘT
TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY...........................................58
4.1.

Các trường hợp nghiên cứu .............................................................................58

4.1.1.

Sơ đồ cầu..................................................................................................58

4.1.2.

Đặc trưng vật liệu.....................................................................................60

4.1.3.

Đặc trưng hình học...................................................................................60

4.1.4.

Tải trọng và tổ hợp tải trọng ....................................................................63

4.1.5.

Mơ hình hóa kết cấu.................................................................................64

4.2.

Kết quả tính tốn .............................................................................................65

4.2.1.

Nội lực trong dây văng.............................................................................65


3

4.2.2.

Nội lực trong trụ tháp và dầm chủ ...........................................................66

4.2.3.

Ổn định của trụ tháp.................................................................................66

4.3.

Phân tích kết quả .............................................................................................69

4.3.1.

Ảnh hưởng của độ cứng trụ tháp đến sự mất ổn định..............................69

4.3.1.1. Khi chiều cao trụ tháp là 40m ..............................................................70
4.3.1.2. Khi chiều cao trụ tháp là 43.5m ...........................................................71
4.3.1.3. Khi chiều cao trụ tháp là 47m ..............................................................72
4.3.1.4. Khi chiều cao trụ tháp là 50.5m ...........................................................73
4.3.1.5. Khi chiều cao trụ tháp là 54m ..............................................................74
4.3.2.

Ảnh hưởng của chiều cao trụ tháp đến sự mất ổn định............................75

4.3.2.1. Khi khoảng cách các dây văng trên trụ tháp là 1.00m .........................76
4.3.2.2. Khi khoảng cách các dây văng trên trụ tháp là 1.25m .........................77
4.3.2.3. Khi khoảng cách các dây văng trên trụ tháp là 1.50m .........................78
4.3.2.4. Khi khoảng cách các dây văng trên trụ tháp là 1.75m .........................79
4.3.2.5. Khi khoảng cách các dây văng trên trụ tháp là 2.00m .........................80
4.3.3.

Ảnh hưởng của sơ đồ bố trí dây văng đến sự mất ổn định ......................81

4.3.3.1. Với độ cứng thứ nhất của trụ tháp........................................................81
4.3.3.2. Với độ cứng thứ hai của trụ tháp..........................................................82
4.3.3.3. Với độ cứng thứ ba của trụ tháp...........................................................83
4.3.3.4. Với độ cứng thứ tư của trụ tháp ...........................................................84
4.3.3.5. Với độ cứng thứ năm của trụ tháp........................................................85

4.4.

Kết luận ...........................................................................................................86

Chương 5.......................................................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................87
5.1.

Kết luận ...........................................................................................................87

5.2.

Kiến nghị .........................................................................................................88


4

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Đặt vấn đề
Khi thiết kế kết cấu cơng trình, nếu chỉ kiểm tra điều kiện bền và điều kiện cứng thì
chưa đủ để phán đốn khả năng làm việc của nó. Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là
các kết cấu chịu nén hoặc chịu nén cùng với uốn, tuy tải trọng chưa đạt đến giá trị phá
hoại và có khi cịn nhỏ hơn giá trị cho phép về điều kiện bền và điều kiện cứng, nhưng
kết cấu vẫn có thể mất khả năng bảo tồn hình dạng ban đầu ở trạng thái biến dạng mà
chuyển sang dạng cân bằng khác. Nội lực trong dạng cân bằng mới đó sẽ phát triển
nhanh và làm cho cơng trình bị phá hoại. Đó là hiện tượng kết cấu bị mất ổn định.
Vào cuối thế kỷ XIX và đầu thế kỷ XX, đã xảy ra nhiều tai nạn do kết cấu cơng
trình bị mất ổn định dẫn đến phá hủy [12].
Cầu đường sắt Kevđa ở Nga vào năm 1875

Cầu Quebec qua sông St. Laurent ở Canada vào năm 1891
Cầu Mojưr ở Nga năm 1925
Riêng ở Pháp, trong khoảng thời gian 1955-1965 đã có 24 cầu bị phá hủy, phần
lớn do nguyên nhân mất ổn định
Hiện nay, để đảm bảo kết cấu chắc chắn và ổn định, các quy trình thiết kế đưa vào
hệ số triết giảm ϕ phụ thuộc vào độ mảnh và độ lệch tâm tương đối i. Tuy nhiên trong
một số trường hợp, việc đưa vào hệ số triết giảm ϕ sẽ dẫn đến an tồn q mức và
khơng xác định được các dạng mất ổn định.
Vấn đề phân tích ổn định của hệ đàn hồi đã có trong các tài liệu chung. Nhưng các
tài liệu đó đại bộ phận chỉ quan tâm phân tích ổn định các thanh riêng rẽ của các dạng
khác nhau hoặc của hệ thanh đơn giản, các loại thanh đứng với sự thay đổi độ cứng bậc


5

thang theo từng đoạn, loại dầm liên tục, loại khung một tầng hoặc nhiều tầng có cấu
trúc giống nhau…
Kết cấu cầu dây văng theo phân tích về ổn định là một hệ thống thanh khơng gian
có cấu trúc phức tạp. Trong thành phần của chúng có nhiều thanh nén, thanh nén uốn
được đặt tải bởi các lực mà hướng của chúng có liên quan đến chuyển vị của các nút,
dẫn đến cần thiết phải xét đến tính chất đặc biệt của tải trọng được phản ánh ở tác dụng
tùy động được truyền lên trụ tháp từ phía các dây văng.
Ở nước ta hiện nay đã xây dựng ngày càng nhiều cơng trình cầu dây văng có khẩu
độ lớn, kết cấu thanh mảnh, trong đó các trụ tháp có chiều cao lớn dễ bị mất ổn định.
Do đó, việc phân tích ổn định trụ tháp cầu dây văng là cần thiết và có ý nghĩa thực tế.

1.2.

Các nghiên cứu đã thực hiện

Bài báo “Buckling of cable-stayed girder bridges”. Tác giả Tang. Tạp chí J.
Struct. Div. ASCE, Sept., 1976 [4]
Tác giả đã dùng phương pháp năng lượng để giải bài toán ổn định của cầu dây
văng bằng cách giả thiết dạng biến dạng W của hệ ở trạng thái lệch khỏi dạng cân
bằng ban đầu (dạng cân bằng mới) dưới dạng chuỗi: W = A1W1 + A2W2 + .. =
∑AiWi với Wi là chuyển vị của dầm và trụ tháp, hệ số Ai có thể định nghĩa theo
phương pháp Ritz.
Phương trình đặc trưng của hiện tượng mất ổn định có thể biểu diễn như sau
C – λB = 0
Với λ là giá trị riêng, C i , j = ∫ EIW j//Wi // ds + ∑ (ε i ε j EC AC I C ) , Bi , j = ∫ ξWi /W j/ ds
Mỗi đường biến dạng Wi xác định bằng cách sử dụng các đường biến dạng thật
của kết cấu dưới điều kiện tải trọng thay đổi và phải thỏa mãn tất cả điều kiện biên
hình học của cầu. Để đạt được độ chính xác cao thì cần khoảng 10 đến 20 đường
biến dạng.


6

Cuối cùng tác giả đưa ra một số kết luận sau
Vì lực dọc Ps thay đổi dọc theo dầm và trụ tháp, nên việc xác định chính xác
một giá trị tải trọng tới hạn là điều không thể.
Tải trọng tới hạn không phải là một thông số riêng cho từng tải trọng mà phải
đại diện cho một nhóm tải trọng. Vì thế phải tính hệ số an tồn chống mất ổn
định cho cả nhóm tải trọng.
λ = Pcr/P

∫ EIW ' '
λ=

2

(

ds + ∑ ε C2 EC AC I C

)

P0 ∫ ξW ' 2 ds

Nhận xét: tác giả cho rằng phải tính hệ số an tồn cho cả nhóm tải trọng là hồn
tồn đúng đắn tuy nhiên việc phân tích ổn định theo phương pháp năng lượng là
gần đúng và mức độ chính xác của kết quả phụ thuộc vào khả năng phán đoán
dạng biến dạng của hệ ở trạng thái lệch khỏi dạng cân bằng ban đầu.
Bài báo “ Stability analysis of cable stayed bridges”. Các tác giả Ch Ermopoulos,
A. S. Vlahinos và Yang-Cheng Wang. Tạp chí Computers & Structures, 1992. [1]
Tác giả phân tích cũng dùng phương pháp năng lượng để phân tích ổn định của
cầu dây văng. Thay đổi sơ đồ bố trí dây văng, chiều cao trụ tháp và tỉ số của
mơmen qn tính giữa trụ tháp và dầm chủ. Tải trọng gồm có tĩnh tải phân bố đều
và một lực tập trung di động. Vị trí và độ lớn của tải trọng tới hạn đàn hồi nhỏ nhất
được tính tốn cho các giá trị khác nhau của các thông số trên và các tổ hợp tải
trọng.
Cuối cùng, tác giả kết luận
Tải trọng tới hạn nhỏ nhất Pcr luôn luôn xảy ra khi cho tải trọng tập trung di
động ở giữa cầu
Tải trọng tới hạn nhỏ nhất tăng khi tỉ số môđun đàn hồi giữa trụ tháp và dầm
chủ tăng


7

Khi độ dốc của dây văng lớn (H/L > 0.381) hoặc góc của dây văng ngồi cùng
lớn hơn 40o) thì tải trọng tới hạn nhỏ nhất Pcr tăng khi khoảng cách các dây văng
trên trụ tháp giảm hoặc tỉ số chiều cao trụ tháp và chiều dài nhịp chính H/L tăng.
Nhận xét: tác giả chỉ xác định giá trị tới hạn riêng cho tải trọng tập trung di
động là chưa xét đầy đủ các lực tác dụng lên cầu dây văng.
Các nghiên cứu khác [2]
Tác giả H. B. Voronov đã viết hàng loạt bài báo tính tốn ổn định của hệ khung
có nhiều thanh giằng giữa các thanh đứng theo phương pháp chuyển vị.
GS Smirnov đề xuất sử dụng phương pháp ma trận để tính ổn định và áp dụng
đầu tiên cho bài tốn phẳng của vịm có tiết diện thay đổi. Về sau, tác giả tiếp
tục sử dụng dạng ma trận trên cơ sở phương pháp hỗn hợp của cơ học kết cấu để
giải bài toán ổn định hệ cầu dây văng và trụ tháp cầu dây văng với một số bước
lặp có xét ảnh hưởng lực dọc đến biến dạng uốn khi tính chuyển vị đơn vị.
Kết luận
Trong các nghiên cứu trên phân tích hiện tượng mất ổn định trong cầu dây văng
bằng phương pháp năng lượng có tính chất gần đúng và tải trọng chưa được mơ hình
gần với thực tế. Vì vậy cần phải phân tích ổn định của cầu dây văng bằng phương pháp
có độ chính xác hơn cao.
1.3.

Mục tiêu, nội dung và phạm vi nghiên cứu của đề tài

1.3.1. Mục tiêu nghiên cứu
Xác định các dạng mất ổn định của cầu dây văng trong đó bộ phận cần quan tâm
nhất là trụ tháp.
Tính tốn hệ số tải trọng tới hạn ứng với các dạng mất ổn định trong sơ đồ cầu
dây văng với các thông số thay đổi: độ cứng trụ tháp, chiều cao trụ tháp,
cách bố trí dây văng trên trụ tháp. Chọn ra hệ số tải trọng tới hạn nhỏ nhất λcr
(ứng với dạng mất ổn định đầu tiên) để xây dựng biểu đồ quan hệ của các giá trị
này với các thơng số nói trên.

8

Kiến nghị giá trị hợp lý các thơng số nói trên của cầu dây văng khi xét điều kiện
ổn định.
1.3.2. Nội dung nghiên cứu
Luận văn gồm có 5 chương
Chương 1: Mở đầu
Chương 2: Tổng quan cầu dây văng ba nhịp, một mặt phẳng dây
Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính tốn ổn định
Chương 4: Phân tích ổn định của trụ tháp bê tông cốt thép dạng cột trong cầu
dây văng một mặt phẳng dây
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
1.3.3. Phạm vi nghiên cứu
Chỉ phân tích cầu dây văng ba nhịp, một mặt phẳng dây.
Dầm chủ có dạng hộp kín bằng bê tông cốt thép.
Trụ tháp dạng cột bằng bê tơng cốt thép.
Chỉ phân tích ổn định của cầu dây văng ở giai đoạn khai thác
Vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi.
Chỉ xét ổn định của hệ cầu dây văng dưới tác dụng của tải trọng tĩnh.
Không xét đến các yếu tố phi tuyến.

1.4.

Kết luận

Nội dung chính của chương là trình bày lý do lựa chọn đề tài, các nghiên cứu có
liên quan đến việc phân tích ổn định cầu dây văng của các tác giả trên thế giới. Bên
cạnh đó, cũng đặt ra mục tiêu cần đạt được và giới hạn phạm vi nghiên cứu của đề tài.

9

Chương 2
TỔNG QUAN CẦU DÂY VĂNG BA NHỊP, MỘT MẶT PHẲNG DÂY

Trong lịch sử phát triển, chưa có loại cầu nào lại có sức hấp dẫn, tập trung trí tuệ,
gây được niềm say mê và cảm xúc sáng tạo cho các nhà khoa học, các kiến trúc sư như
cầu dây văng. Trong vòng hơn 40 năm từ ngày xây dựng chiếc cầu Stromsund (Thụy
Điển) cho đến nay, cầu dây văng đã được xây dựng ở hầu hết các nước trên thế giới, từ
các cơng trình có chiều dài từ vài chục đến hàng nghìn mét, đảm bảo giao thơng an
tồn cho người, ôtô và xe lửa. Nhiều cầu với kết cấu độc đáo đã trở thành biểu tượng
kiến trúc, di sản văn hóa của thời đại [10].
Đặc điểm cơ bản có sức hấp dẫn của cầu dây văng là tính đa dạng. Tính đa dạng
của cầu dây văng thể hiện ở số lượng và chiều dài nhịp, số mặt phẳng, hình dạng trụ
tháp và các sơ đồ phân bố dây…

a. Một mặt phẳng dây, trụ tháp ở giữa

c. Hai mặt phẳng dây

c. Nhiều mặt phẳng dây
Hình 2.1. Sơ đồ bố trí mặt phẳng dây trong cầu dây văng


10

Hình 2.2a. Cầu dây văng một nhịp

Hình 2.2b. Cầu dây văng hai nhịp

Hình 2.2c. Cầu dây văng ba nhịp

Hình 2.2d. Cầu dây văng nhiều nhịp


11

2.1. Cầu dây văng ba nhịp

Hình 2.3. Cầu Papineau (Canada)
Về mặt cơ học, cầu dây văng ba nhịp là một dầm liên tục tựa trên các gối cứng (trụ,
mố) và trên các gối đàn hồi là các nút treo dây văng. Độ cứng của gối đàn hồi phụ
thuộc vào các yếu tố [10].
Diện tích và chiều dài dây. Độ cứng của gối đàn hồi tỉ lệ nghịch với chiều dài và
tỉ lệ thuận với diện tích dây văng. Chiều dài dây thường không được chọn tùy ý
mà do sơ đồ cầu và chiều dài nhịp quyết định. Diện tích dây được chọn trên cơ
sở tận dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu và đảm bảo độ bền, độ mỏi, độ
cứng chung của hệ.
Góc nghiêng α của dây so với phương nằm ngang. Góc nghiêng của dây so với
phương ngang ảnh hưởng lớn đến nội lực trong dây và dầm cũng như các chỉ
tiêu kinh tế kỹ thuật của hệ. Góc nghiêng α quá nhỏ hoặc quá lớn so với 45o đều
làm tăng độ võng và do đó làm tăng mômen uốn trong dầm cứng.


12

Độ cứng và liên kết của dây neo. Dây neo là dây ở nhịp biên có đầu trên liên kết
với đỉnh tháp cầu, đầu dưới liên kết cố định vào dầm cứng tại vị trí gần gối tựa

để truyền lực ngang vào dầm, gối tựa lại được neo chặt vào mố hoặc trụ cầu để
chịu lực nhổ, tạo thành liên kết cố định ở một đầu dây neo. Trong cầu dây văng,
dây neo giữ vai trò đặc biệt quan trọng trong việc đảm bảo độ cứng của toàn hệ.
Nếu dây được neo vào điểm cố định là mố hoặc trụ cầu thì độ cứng của các gối
đàn hồi chỉ phụ thuộc vào chiều dài, diện tích và độ nghiêng của các dây. Nếu
dây không neo vào các điểm cố định thì độ cứng của hệ cịn phụ thuộc vào độ
đàn hồi của điểm neo
So với hệ ba nhịp khơng có dây văng ở nhịp biên, với cùng chiều dài cầu, góc
nghiêng của dây, ngồi tính đồng nhất về tiết diện dầm chủ, chiều dài khoang và sơ đồ
dây, hệ có dây đối xứng qua tháp cầu có chiều cao tháp nhỏ hơn.
Trong thực tế cũng tồn tại cầu dây văng hai, ba hoặc nhiều nhịp khơng có dây neo
vào các điểm cố định như mố, trụ cầu. Các sơ đồ này chịu tải trọng đối xứng qua tháp
cầu, như vậy hệ chịu tải trọng tĩnh tốt. Dưới tác dụng của tải trọng bất kỳ, ví dụ như
hoạt tải đứng trên nhịp giữa, các điểm neo dây ở dầm biên sẽ vồng ngược do ảnh
hưởng của dầm liên tục do phản lực âm của các dây neo nhịp biên. Độ vồng ngược của
nhịp biên làm giảm độ cứng chung của hệ và làm tăng mômen uốn trong dầm cứng.
Cầu dây văng khơng có dây neo có thể được áp dụng để cải tạo, tăng cường khả
năng chịu tải của cầu cũ nhiều nhịp, nhằm nâng cấp tải trọng bằng cách truyền bớt tĩnh
tải cho dây chịu. Còn khi thiết kế cầu mới thì nên áp dụng các tháp cầu cứng để giảm
chuyển vị của các nút neo dây dưới tác dụng của tải trọng bất kỳ. Tuy nhiên biện pháp
đơn giản và kinh tế nhất vẫn là bố trí các dây neo vào mố trụ cầu.
Trong nhiều trường hợp, do điều kiện địa chất, địa hình hoặc thủy văn khống chế,
việc xây dựng trụ, tháp cầu theo sơ đồ đối xứng khơng thích hợp thì có thể bố trí tháp


13

cầu lui vào phía bờ, số dây văng ở nhịp biên giảm bớt, trường hợp cần thiết chỉ còn
một dây neo.

2.2. Cầu dây văng một mặt phẳng dây
Số mặt phẳng dây không chỉ ảnh hưởng đến sự làm việc của cầu mà còn ảnh hưởng
đến phương pháp lắp đặt, căng chỉnh và tính kinh tế. Các cầu dây văng thường bố trí
hai mặt phẳng dây, tuy nhiên các cầu dây văng được xây dựng với mơ hình một mặt
phẳng dây cũng đạt những thành công rực rỡ [17].
Theo quy luật thì số mặt phẳng dây theo phương ngang cầu sẽ tăng khi cầu có bề
rộng càng lớn, nhằm mục đích giảm lực tác dụng trên mặt cắt ngang. Tuy nhiên, trong
những năm gần đây, cầu dây văng với số lượng mặt phẳng dây nhiều thường không
được ưa chuộng trong thiết kế cũng như thi cơng vì tính phức tạp của nó. Khi sử dụng
một mặt phẳng dây trong cầu dây văng, có ý kiến cho rằng, sẽ khơng bù lại cho những
ưu điểm như bố trí theo nhiều mặt phẳng dây, vì họ cho rằng khi bố trí một mặt phẳng
dây thì khơng tận dụng được khả năng chống xoắn của dây văng. Nhưng thực ra,
mômen xoắn mà kết cấu chịu, khi có một bản mặt cầu cứng để chịu, và truyền vào trụ
thì có thể thoả mãn được u cầu này. Do vậy mà một mặt phẳng dây dùng trong cầu
dây văng hoàn toàn khả thi trong trường hợp này.
Tuy nhiên, lực tập trung lớn trong cáp sẽ truyền vào dầm chính, làm cho cấu tạo
của mối nối sẽ phức tạp hơn và có kích thước lớn hơn. Vì thế địi hỏi cần phải có cốt
thép tăng cường, bản mặt cầu cứng, và bản bụng, bản đáy để phân bố tập trung ấy
thành lực phân bố đều trong suốt mặt cắt ngang của kết cấu. Những yêu cầu về độ cứng
tăng cường của bản mặt cầu sẽ làm tăng chi phí xây dựng cơng trình.
Nhưng những chi phí này có thể được cân bằng lại bởi những lợi ích của việc dễ
dàng trong chế tạo, căng kéo và đáp ứng các yêu cầu về mỹ quan. Với mặt phẳng dây
được bố trí ở giữa, người lái xe sẽ có dịp thưởng thức quan cảnh tự nhiên xung quanh
mà không bị cản tầm nhìn khi qua cầu, như ở cầu Sunshine Skyway (Mỹ), cầu Bãi


14

Cháy (Quảng Ninh). Điều đó tạo nên vẻ đẹp khá ấn tượng trong các cầu dây văng dạng
này mà ở các cầu dây văng hai mặt phẳng dây khơng có do sự chồng chéo thị giác.

Hình 2.4. Cầu Sunshine Skyway (Mỹ).
Sự nhịp nhàng trong cảm nhận của thị giác này có thể được tăng thêm khi sử dụng
những trụ tháp thanh mảnh. Tuy nhiên trong những cầu lớn thì kích thước của trụ tháp
đặt giữa cầu sẽ chiếm một khoảng không gian tương đối, làm tăng bề rộng của mặt cầu.
2.2.1. Dầm chủ bê tông cốt thép tiết diện hộp kín
Cầu dây văng có một mặt phẳng dây khơng chịu được mômen xoắn dưới tác
dụng của hoạt tải lệch tâm. Để đảm bảo độ cứng chống xoắn phải dùng dầm chủ tiết
diện hộp kín có chiều cao lớn. Bản mặt cầu vừa chịu lực cục bộ theo phương ngang
vừa tham gia như biên trên của dầm chủ chịu uốn. Dầm chủ như vậy có khả năng
chịu lực cục bộ và tổng thể, chịu uốn và chịu xoắn tốt, gọi là dầm chủ đa năng.


15

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, tác giả chỉ đề cập đến dầm chủ đa năng
bằng bê tông cốt thép
Thường có dạng một hộp rộng suốt chiều ngang cầu. Để tránh thực hiện các mối
nối trong thi công, đảm bảo tính tồn khối, tính đồng nhất, dầm chủ đa năng bằng
bê tông cốt thép thường được thực hiện theo phương pháp đúc hẫng tại hiện trường
Trên nguyên tắc, tiết diện hộp đa năng gồm bản trên, bản đáy và các tường
đứng. Chiều rộng của bản trên phụ thuộc vào chiều rộng cấu tạo mặt cầu, chiều
rộng bản đáy có thể nhỏ hơn do có console của bản trên. Chiều cao hộp phải đảm
bảo tĩnh không đủ để thi cơng trong lịng hộp. Chiều dày bản trên cần đủ để đảm
bảo chịu lực cục bộ trong phạm vi mặt cầu và chịu nén dọc chung với dầm chủ.
Chiều dày bản đáy được chọn từ điều kiện chịu nén dọc và đủ dày để bố trí cốt thép
thường và ứng suất trước. Chiều dày tường đứng được chọn trên cơ sở đảm bảo dễ
đổ bê tông và đủ khả năng chịu cắt, chịu nén dọc. Số lượng và khoảng cách tường
đứng thường được chọn để chiều dày bản trên không q lớn. Theo chiều dọc cầu
có thể bố trí các vách ngăn trong lòng hộp để tăng cường độ cứng chống xoắn của

tiết diện. Các vách ngăn thường có cấu tạo lỗ rỗng để làm đường lưu thơng trong
lịng hộp.
Với hệ có một mặt phẳng dây nằm giữa cầu thì lại cần tập trung vật liệu chịu
nén vào giữa hộp bằng cách tăng chiều dày của các tường đứng. Các tường đứng
giữa hộp trong cầu một mặt phẳng dây ngoài chịu nén dọc còn trực tiếp chịu phản
lực thẳng đứng của tháp một cột truyền qua dầm chủ xuống trụ cầu.
Trong các cầu một mặt phẳng dây, để tăng cường khả năng chống xoắn khi chịu
tải trọng lệch tâm, trên mặt cắt ngang cịn có thể bố trí các thanh chống xiên như
trong cầu Brotonne ở Pháp, cầu Sunshine Skyway ở Mỹ và cầu Bãi Cháy ở Quảng
Ninh.


16

Hình 2.5. Thanh chống xiên trong dầm chủ của cầu Bãi Cháy

2.2.2. Dây cáp
Trong cầu dây văng, dây cáp đóng một vai trò rất quan trọng, cả về mặt kỹ thuật
lẫn kinh tế, dây cáp có thể chiếm tới 30% giá thành cầu.
Cáp trong cầu dây văng thường sử dụng cáp cường độ cao nhờ khả năng chịu
lực của cáp cường độ cao tốt hơn nhiều so với thép sử dụng trong kết cấu thép
thông thường. Cường độ tới hạn của các sợi cáp kéo nguội đường kính 5÷7mm có
thể dễ dàng đạt tới 1600MPa, trong khi thép thông thường chỉ đạt được cường độ
tới hạn từ 350÷500MPa. Nói cách khác, cáp cường độ cao có cường độ lớn hơn
thép thường từ 3÷4 lần, sự khác nhau này dẫn đến kết quả là tiết diện (và trọng
lượng) cáp cường độ cao cần thiết có thể chỉ bằng 25÷33% so với thép thường khi
phải chịu cùng một lực kéo thuần túy.
Các loại cáp có thể dùng cho cầu dây văng là: sợi song song, tao song song, tao
xoắn.

17

Sợi song song

Tao song song

Tao xoắn

Hình 2.6. Các loại cáp
Các tao cáp thường được chọn lựa hơn các dây cáp vì các lý do sau
Cùng một kích thước, tao cáp có cường độ kéo đứt lớn hơn dây cáp
Mơđun đàn hồi của tao cáp cao hơn dây cáp
Tao cáp có ít khả năng uốn cong hơn dây cáp
Trong những năm qua, cơng nghệ dây căng đã có những bước phát triển quan
trọng. Ban đầu, chúng là các tao cáp lớn hoặc cấu tạo bởi các cuộn cáp vỏ cài được
mạ nhúng hoặc sơn bảo vệ, với những nhược điểm lớn liên quan đến chi phí và theo
kinh nghiệm là khả năng chống ăn mòn kém. Trong những năm 1970, một công
nghệ mới được phát triển, sử dụng các sợi (thông thường có đường kính 7mm) hoặc
các tao (đường kính 15mm) song song được bơm vữa xi măng xen kẽ, bọc trong
lớp vỏ làm bằng Polyethylene mật độ cao (HDPE). Giải pháp này cũng tồn tại một
số nhược điểm: đôi khi cho sức kháng mỏi của dây khá thấp, và chủ yếu là các vấn
đề đứt gãy do ăn mòn. Vữa xi măng đôi khi được thay thế bằng sáp dầu (như các
cầu Tampico và cầu Iroise), hoặc với một số trường hợp khác thì bằng nhựa Epoxy
(tao bọc nhựa Epoxy như cầu qua sông Ibi và Kiso).
Tuy nhiên hiện nay đã phát triển hai hệ thống hiện đại.


18

Hệ thống thứ nhất đưa ra đầu tiên bởi công ty Freyssinet từ cuối những năm
1980, theo đó, các dây văng chế tạo từ các tao song song được bảo vệ độc
lập: tao 7 sợi, tất cả các sợi được mạ kẽm, nhúng nóng và được kéo trước,
với lớp vỏ bọc ngoài bằng HDPE. Các tao 15mm bọc bởi ống nhựa bên
ngoài, chủ yếu là các lý do liên quan đến khí động học. Giải pháp này được
gọi là hệ thống tao song song (Parallel Strand System-PSS). Trong thực tế có
thể tồn tại một vài dạng cải tiến khác.
Hệ thống thứ hai, được gọi là hệ thống sợi song song (Parallel Wire SystemPWS), dây văng được cấu tạo từ các sợi mạ kẽm song song (các sợi có thể
xoắn nhẹ để giữ ổn định), được bảo vệ bởi lớp HDPE dày bao ngoài. Giải
pháp này được đề ra từ hệ thống BBR Hi-am phát minh trước đây đã lâu.
Ở châu Âu và Mỹ, thực tế các dây văng chế tạo gần đây đều thuộc hệ thống
PSS, còn hệ thống PWS được phát triển mạnh ở Nhật Bản và Trung Quốc. Điều
kiện thi công của hai loại dây văng này rất khác nhau.
Việc lựa chọn các loại cáp cho cầu dây văng cần dựa vào lực kéo đứt, khả năng
chịu mỏi cũng như các yêu cầu về chế tạo lắp ráp, thi công và yêu cầu kinh tế, ưu
tiên các loại vật liệu sẵn có.

2.2.3. Trụ tháp bê tơng cốt thép
Trong cầu dây văng, trụ tháp là bộ phận quan trọng có tính chất quyết định các
chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và độ an tồn cơng trình. Trụ tháp chịu toàn bộ tĩnh tải và
hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp, thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền. Trụ
tháp cầu dây văng rất đa dạng về cấu tạo và hình dạng: dạng một cột, dạng hai cột
độc lập, dạng hai cột có thanh giằng ngang (chữ H), dạng chữ A, chữ Y ngược…
Đối với các cầu có một mặt phẳng dây thì trụ tháp thường có dạng một cột thẳng
đứng nằm giữa cầu. Để có thể bố trí dầm chủ tiết diện hộp liên tục qua trụ, chân
tháp thường không trực tiếp liên kết với trụ mà ngàm vào dầm chủ. Theo phương


19

ngang cầu, tháp chịu nén uốn như thanh một đầu ngàm, một đầu tự do nên kích
thước tiết diện tương đối lớn.
Trụ tháp dạng cột có thể có mặt cắt ngang hình trịn hoặc hình hộp chữ nhật.

Hình 2.7. Trụ tháp dạng trịn

Hình 2.8. Trụ tháp dạng hộp chữ nhật trong cầu

trong cầu Val – Benoit (Bỉ)

Bãi Cháy (Việt Nam)

Trong các cầu dây văng một mặt phẳng dây đã xây dựng, với nhịp 200÷250m,
chiều rộng chân tháp một cột chiếm khoảng khơng gian mặt cầu b = 3÷5m. Cầu
Quảng Đơng, Trung Quốc, nhịp dài 175m, xây dựng năm 1998, có chiều rộng tháp
b = 4m. Cầu Brotonne ở Pháp có b = 3.2m. Cầu Bãi Cháy ở Việt Nam có b = 3m.
Kích thước chân tháp lớn, nằm giữa cầu nên chiếm chiều rộng phần xe chạy,
tăng độ lệch tâm của hoạt tải, gây bất lợi cho dầm chủ khi chịu xoắn (hình 2.9)