Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao đường tên vòm đến nội lực trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông

ðại học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------------------------------------

LÊ HUY NHẬT

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ GIỮA
CHIỀU DÀI NHỊP VÀ CHIỀU CAO ðƯỜNG TÊN VÒM ðẾN
NỘI LỰC TRONG CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG
Chun ngành : Xây dựng cầu, hầm

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010


CÔNG TRÌNH ĐƯC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học:

TS. PHẠM QUANG NHẬT

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

TS. LÊ BÁ KHÁNH

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Luận văn thạc só được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM
ngày

tháng

năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc só gồm:
1 ..................................................................................
2 ..................................................................................
3 ..................................................................................
4 ..................................................................................
5 ..................................................................................

Chủ tịch hội đồng đánh giá luận văn

Bộ môn quản lý chuyên ngành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

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

Tp. HCM, ngày 06 tháng 12 năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : LÊ HUY NHẬT

Phái: Nam

Ngày tháng năm sinh : 20 – 09 -1984

Nơi sinh : Quảng Ngãi

Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm.

Mã số ngành : 60.58.25

Khóa: K2008

Mã số học viên : 03808511

I. TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ GIỮA CHIỀU DÀI NHỊP VÀ
VÀ
CHIỀU CAO ĐƯỜNG TÊN VÒM ĐẾN NỘI LỰC TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN:
Nghiên cứu sự ảnh hưởng của tỉ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao đường tên
vòm đến nội lực trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Thông qua việc tổng hợp và
phân tích kết quả nghiên cứu sẽ đưa ra những kết luận và kiến nghị về việc sử dụng
tỉ lệ hợp lí giữa chiều dài nhịp và chiều cao đường tên vòm trong cầu vòm ống thép
nhồi bê tông, tức là ứng với một chiều dài nhịp có sẵn sẽ kiến nghị dùng một chiều
cao vòm thích hợp để nội lực trong cầu là tối ưu.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

06 – 07 - 2010

IV. NGÀY HOÀN THÀNH:

06 – 12 - 2010

V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. PHẠM QUANG NHẬT
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔ
MÔN
QL CHUYÊN NGAØNH


LỜI CẢM ƠN
Cầu vịm ống thép nhồi bê tơng có một số đột phá về giải pháp kỹ thuật,
cơng nghệ chế tạo, thi cơng, có khả năng vượt nhịp vừa, kiểu dáng kiến trúc thanh
mảnh, nhẹ nhàn. ðối với Việt Nam, loại kết cấu này mới chỉ ñược ứng dụng ở một
số nơi. Việc nghiên cứu những ñặc ñiểm về cấu tạo, tính tốn kết cấu và thi cơng
loại cầu vịm này để từng bước tiếp cận, làm chủ thiết kế và thi công loại cầu này là
rất thiết thực, phù hợp với phương hướng phát triển của ñất nước trong cơng cuộc
hịa nhập với thế giới.
Qua q trình làm luận văn, em đã tìm hiểu được nhiều điều bổ ích về kết
cấu cầu vịm ống thép nhồi bê tơng, một loại kết cấu mới mà tương lai sẽ rất phát
triển ở Việt Nam. Nhân dịp hoàn thành luận văn, em xin gửi lời cảm ơn đến các
thầy cơ trong khoa Cơng Trình và đặc biệt thầy T.S Phạm Quang Nhật đã tận tình
hướng dẫn em trong suốt thời gian làm luận văn.
Kính gửi đến các thầy cơ lời chúc sức khỏe và thành cơng.
Tp Hồ Chí Minh, ngày 06/12/2010
Học Viên
Lê Huy Nhật

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Mục đích ở trong luận văn này là tìm cách thiết kế tối ưu nhất cho cầu
vòm ống thép nhồi bê tông. Thông qua sự nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ lệ giữa
chiều dài nhịp và chiều cao đường tên vòm đến nội lực trong cầu vòm ống thép
nhồi bê tông để tìm ra một tỉ lệ hợp lí giữa chiều dài nhịp và chiều cao đường
tim vòm sao cho nội lực trong cầu là tối ưu nhất để các nhà thiết kế lấy làm số
liệu tham khảo trong quá trình thiết kế.

SUMMARY OF MASTER THESIS
The objective of this thesis is to find the most useful design of concrete
filled steel tube arch bridge. We are based on studying the effect of ratio
between the lenghth of span and the heigth of arch to force to find a reasonable
ratio between the lenghth of span and the heigth of arch so that the force is the
most useful and it will be referred by designer when designing.


-1-

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1.
1. GIỚI THIỆU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG....................................
.................................... 3
1.1. Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông ......................................................3
1.1.1. Khái niệm ............................................................................................. 3
1.1.2. Các ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST)....................... 3
1.2. Cơ
Cơ chế chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông ......................................6
1.2.1. Cơ chế truyền lực giữa bê tông và vỏ thép ............................................. 6

1.2.2. Cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng dọc trục .................................. 9
CHƯƠNG 2.
2. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG ...... 12
2.1. Giới thiệ
thiệu chung ...........................................................................................12
2.1.1. Phân loại cầu vòm dựa vào liên kết vòm – mố (trụ) ............................ 12
2.1.2. Phân loại cầu vòm dựa vào sơ đồ tónh học ............................................ 14
2.1.3. Phân loại cầu vòm dựa vào độ cứng dầm vòm ..................................... 14
2.1.4. Phân loại theo kiểu dáng cầu vòm ống thép nhồi bê tông ................... 15
2.2. Đặc điểm cấu tạo cầu vòm ống thép nhồi bê tông......................................
g
16
2.2.1. Nghiên cứu về vật liệu ống thép nhồi bê tông ..................................... 16
2.2.2. Cấu tạo các chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bê tông ............................ 17
2.3. Một số công trình cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới và Việt Nam
.............................................................................................................................20
2.3.1. Trên thế giới .......................................................................................... 20
2.3.2. Ở Việt Nam ............................................................................................ 22
CHƯƠNG 3.
3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ....................... 24
3.1. Tính nội lực trong vòm có thanh kéo theo lý thuyết cơ học kết cấu ...........24
3.2. Tính toán dầm theo phương pháp phần tử hữu hạn. ....................................27
CHƯƠNG 4. GIỚI THIỆU CÁC MƠ HÌNH CẦU VỊM ðƯỢC PHÂN TÍCH
................................................................
................................................................................................
...........................................................................................
........................................................... 34
4.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................34
4.2. Các thơng số tính tốn .................................................................................34
4.2.1. Khổ cầu .................................................................................................. 34

4.2.2. Chiều cao

f
.......................................................................................... 35
L

4.3. Cơ sở tính tốn cầu vịm..............................................................................37
4.3.1. Phương pháp phân tích kết cấu ............................................................... 37
4.3.2. Các số liệu đầu vào ............................................................................... 37


-2-

CHƯƠNG 5.
5. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ LỆ GIỮA CHIỀU DÀI NHỊP
VÀ CHIỀU CAO ðƯỜNG TÊN VÒM ðẾN NỘI LỰC TRONG CẦU VỊM ỐNG
THÉP NHỒI BÊ TƠNG ................................................................
....................................................................................
.................................................... 40
A. Phân tích sự thay đổi nội lực trong vịm, cáp giằng với các chiều cao vịm khác
nhau …………………………………………………………………………………40
40
B. Tình tốn nội lực trong cầu vịm ống thép nhồi bê tơng có làn xe chạy dưới bằng
phần mềm Midas Civil 7.01…...……………………………………………………46
5.1. Chiều dài nhịp L = 50m .................................................................................46
5.2. Chiều dài nhịp L = 55m .................................................................................50
5.3. Chiều dài nhịp L = 60m .................................................................................54
5.4. Chiều dài nhịp L = 65m .................................................................................58
5.5. Chiều dài nhịp L = 70m .................................................................................61
5.6. Chiều dài nhịp L = 75m .................................................................................66

5.7. Chiều dài nhịp L = 80m .................................................................................70
5.8. Chiều dài nhịp L = 85m .................................................................................74
5.9. Chiều dài nhịp L = 90m .................................................................................78
5.10. Chiều dài nhịp L = 95m ...............................................................................82
5.11. Chiều dài nhịp L = 100m .............................................................................86
5.12. Chiều dài nhịp L = 105m .............................................................................91
5.13. Chiều dài nhịp L = 110m .............................................................................95
5.14. Chiều dài nhịp L = 115m ........................................................................... 100
5.15. Chiều dài nhịp L = 120m ........................................................................... 104
5.16. Chiều dài nhịp L = 125m ........................................................................... 109
5.17. Chiều dài nhịp L = 130m ........................................................................... 113
5.18. Chiều dài nhịp L = 135m ........................................................................... 118
5.19. Chiều dài nhịp L = 140m ........................................................................... 122
5.20. Chiều dài nhịp L = 145m ........................................................................... 127
5.21. Chiều dài nhịp L = 150m ........................................................................... 132
CHƯƠNG 6.
6. KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ ..........................................................
..........................................................137
6.1. Kết luận...................................................................................................... 137
6.2. Kiến nghị .................................................................................................... 138


-3-

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU ỐNG THÉ
THÉP NHỒI BÊ TÔNG
1.1. ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
1.1.1. Khái niệm

Hệ thống kết cấu liên hợp ống thép nhồi bê tông (Concrete Filled Steel Tube
– viết tắt tiếng Anh là CFST) là một hệ thống gồm các cấu kiện chịu lực chính là
các ống thép được nhồi bê tông cường độ cao hoặc trung bình. Thông thường dùng
ống tròn nhưng các ống vuông cũng có thể được áp dụng

Hình 1.1 - Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST)
Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một kết cấu liên hợp bao gồm ống thép vỏ
và bê tông lõi làm việc chung
1.1.2. Các ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFST)
Trong kết cấu ống thép nhồi bê tông của bê tông ở trong ống thép cũng sẽ tốt
hơn rất nhiều so với bê tông ngoài cùng loại. Khi bê tông được nhồi vào trong ống
thép thì nước sẽ bốc hơi không đáng kể, sự chênh lệch nhiệt độ ở mặt ngoài và trong
lõi cũng không nhiều vì thế cho ra sản phẩm bê tông chất lượng tốt cũng như độ đặc


-4sít cao hơn và tính chất này của kết cấu sẽ được phát huy rõ rệt khi sử dụng các loại
bê tông chất lượng cao.
Chính vì sự cách ly của bê tông trong ống với môi trường bên ngoài, trong quá
trình ninh kết thì bê tông trong ống lại xảy ra hiện tượng trương nở thể tích. Do đó
lõi bê tông và vỏ thép lại được liên kết với nhau và bảo vê tốt cho mặt trong của
thép chống lại sự ăn mòn.
Khi kết cấu ống thép nhồi bê tông chịu nén, có sự tác động qua lại giữa ống
thép và lõi bê tông, do đó nhờ tính chất trên nên kết cấu bê tông ống thép có khả
năng chịu nén tốt hơn kết cấu bê tông cốt thép thường, giúp có thể giảm trọng lượng
kết cấu, tạo ra các kết cấu thanh mảnh hơn, mà lại tiết kiệm vật liệu. Đặc biệt kết
cấu bê tông ống thép cho phép giảm khối lượng ván khuôn thi công xuống tối thiểu
và đẩy nhanh tiến độ thi công, giảm thời gian chiếm dụng công trường. Với khẩu độ
nhịp cầu trong khoảng 60m – 150m thì việc sử dụng kết cấu bê tông ống thép có thể
lam giảm giá thành công trình tới 20% - 30%.
Ống thép sản xuất bằng thép cán uốn tròn rối được hàn nối theo dọc ống

thường có độ chính xác cao về dày, đường kính, độ ovan và do đó thỏa mãn các điều
kiện lắp dựng và khai thác.
Các cột liên hợp CFST ngày càng được áp dụng nhiều trên thế giới.
Dạng cột này có nhiều lợi thế như cường độ cao, tính mềm dẻo, khả năng chịu nhiệt
lớn, giảm thời gian xây dựng, tăng độ an toàn và sử dụng các kiểu liên kết đơn giản
được tiêu chuẩn hóa.
Khi so sánh kết cấu ống thép nhồi bê tông với kết cấu bê tông có tiếp xúc với
môi trường bên ngoài thi bê tông trong ống thép có đặc điểm :


-5Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần
Bê tông trong ống thép không bị co ngót mà bị trương nở vì không có sự trao
đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bên ngoài.
Sau 2 - 3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt.
Tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2 – 7 ngày tuổi.
Khối lượng của cấu kiện ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê
tông cốt thép.
Không cần cốt pha trong thi công.
Kết cấu ống thép nhồi bê tông có tính chịu mỏi, chịu va đập tốt hơn hẳn kết
cấu bê tông cốt thép thường.
Khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu BTCT thường, nhờ vào tính
dẻo của kết cấu và khả năng giảm trọng lượng bản thân.
Kết cấu ống thép nhồi bê tông không có cốt thép dọc và cốt thép đai do đó
tiết kiệm được thời gian thi công và quá trình đầm nén bê tông cũng dễ
dàng.
Khi so sánh với kết cấu dạng ống thì kết cấu ống thép nhồi bê tông có ưu điểm:
Tăng khả năng chống biến dạng ống thép do sự liên kết với lõi bê tông.
Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn.
Giảm độ mảnh của cấu kiện.
Khả năng chịu nhiệt độ tốt hơn.

Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở kết cấu ống thép nhồi bê
tông có ưu điểm:
Độ bền chống rỉ cao hơn.
Khả năng ổn định đều hơn.
Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió.
Tăng độ cứng chống xoắn


-6-

Bảng 1.1
1.1 - So sánh đặc điểm một số loại cột
Bê tông cốt thép thường (RC)
Bê tông cốt thép thường có lõi bằng thép (SRC)
Cột thép thuần túy(S)
Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT)
1.2. CƠ CHẾ CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
1.2.1. Cơ chế truyền lực giữa bê tông và vỏ thép
Cơ chế truyền ứng suất cắt qua bề mặt tiếp xúc giữa ống thép và lõi bê tông
là thông qua sự dính bám, sự cài xen lẫn nhau ở mặt phân cách và ma sát. Ba cơ chế
này thường được gọi chung là sự dính bám tự nhiên. Cơ chế cài xen nhau ở bề mặt
phân cách và ma sát bề mặt phụ thuộc vào các đặc trưng cơ học tại bề mặt phân
cách và có liên quan với nhau rất chặt chẽ. Hai cơ chế đó có thể được coi như cùng
kiểu hiện tượng và sức kháng cắt bởi hai cơ chế này có thể này có thể được cộng
vào nhau. Nếu dính bám tự nhiên không đủ để thỏa mãn yêu cầu của sức kháng cắt
thì có thể sử dụng thêm các neo chống cắt. Trạng thái truyền lực trong mặt phân


-7cách giữa bê tông và thép trong cột liên hợp hầu hết thường dựa trên quan hệ tải
trọng – trượt đã thu được từ thí nghiệm kéo tuột.

1.2.1.1 Sự dính bám
Dính bám ban đầu đã được tạo ra bởi lực dính bám giữa thép và bê tông. Đây
thường là dính bám hóa học xảy ra chủ yếu ở gia đoạn đặt tải ban đầu khi các biến
dạng là tương đối nhỏ và có cường độ lớn nhất vào khoảng 0.1Mpa. Kenedy (1984)
đã cho thấy rằng ảnh hưởng của nó tới sự truyền ứng suất cắt có thể được bỏ qua đối
với cột ống thép nhồi bê tông bởi vì ứng suất dính bám đã bị mất đi khi xảy ra trượt
giựa mặt tiếp xúc hai vật liệu chưa đến giá trị 0.01mm. Hơn nữa, co ngót của lõi bê
tông có hiệu ứng bất lợi đối với sự phát triển của ứng suất dính bám. Theo Reoder
(1999), sự phát triển của dính bám phụ thuộc vào sự kết hợp của co ngót và biến
dạng hướng tâm của ống thép do áp lực từ bê tông ướt khi đổ. Để đạt được hiệu ứng
đầy đủ của sự dính bám, cần phải tiếp tực tồn tại áp lực ở bề mặt phân cách sau khi
có ngót xảy ra hết. Tuy nhiên điều này yêu cầu phải có áp lực cao, mà không chắc
chắn sẽ xuất hiện trong hầu hết các điều kiện thực tế, co ngót sẽ chi phối và lực dính
bám sẽ giảm đáng kể. Khi cấu kiện chịu tải trọng dọc trục, mặc dù bê tông có sự mở
hông và gây ra ứng suất tại bề mặt tiếp xúc, tuy nhiên sự dính bám cũng không thể
được xét đến do khi đã mất đi sự dính bám hóa học ban đầu thì không thể phục hồi
được bằng tác dụng cơ học.

1.2.1.2 Liên kết cài lẫn vào nhau trên mặt phân cách
Sự cài xen nhau ở mặt phân cách liên quan tới độ xù xì bề mặt của ống thép.
Cơ chế truyền lực cắt này cho bởi sự cài xen giữa bê tông và bề mặt xù xì của thép.
Tuy nhiên, cơ cấu sẽ chỉ có ý nghóa khi hai bề mặt được ép chặt vào nhau, mặt khác,
đây là xu hướng cho hai bề mặt tách rời nhau và trượt trên nhau khi xảy ra biến dạng
cắt. Bởi vì ống thép bọc kín lõi bê tông trong cột thép nhồi bê tông, sự chia cắt đã bị
ngăn cản và sự kiềm chế bị động bởi ống thép sẽ gây ra các lực pháp tuyến trên mặt
phân cách khi bê tông có xu hướng trượt trên bề mặt xù xì trong ống thép. Vì vậy, sự


-8cài xen trên mặt phân cách là một phần của hiện tượng ma sát. Xét ở phạm vi vó mô,

sự xen cài được tạo ra chính là do các neo đặt trong lòng ống thép tạo ra.

1.2.1.3 Ma sát
Lực cắt dọc cũng truyền bởi ma sát, tác động chung với lực cắt do cài xen ở
bề mặt phân cách. Sức kháng cắt do ma sát phụ thuộc vào lực pháp tuyến tác động
trên mặt phân cách và hệ số ma sát

µ

, mà hệ số này có quan hệ tới độ xù xì của bề

mặt thép và điều kiện bề mặt phân cách. Hệ số ma sát giữa thép và bê tông có thể
lấy trong khoảng từ 0 (khi mặt tiếp xúc được bơi mỡ) đến 0.6 (trong điều kiện tiếp xúc
bình thường).
Baltay và Gjelsvik (1990) đã thực hiện các thí nghiệm để xác định hệ số ma
sát giữa bê tông và thép mềm (ít hàm lượng cacbon) cho một phạm vi rộng của ứng
suất pháp từ 7kPa đến gần 490 Mpa. Hệ số ma sát trung bình khoảng 0.47. Trong
các thí nghiệm đã thực hiện bởi Olosson và Holmgren (1992) tại viện nghiên cứu thí
nghiệm quốc gia Thụy Điển, giá trị trung bình của hệ số ma sát đạ được xác định là
0.6. Họ đã nghiên cứu ảnh hưởng của lực pháp tuyến, bề mặt xù xì và tốc độ trượt.
Các ứng suất pháp có thể gây nên bởi các lực pháp tuyến tác động từ bên
ngoài vào hoặc gây ra do sự kiềm chế bị động chống dịch chuyển. Sức kháng cắt
được kết hợp với lực pháp tuyến tác động bên ngoài và lực pháp tuyến bị động trên
mặt phân cách thường được xét như ma sát chủ động và ma sát bị động.


-9-

1.2.2. Cột ống thép nhồi bê tông chịu tải trọng dọc trục

Hình 1.2. Trạng thái ứng suất của cấu kiện ống thép tròn nhồi bêtông chịu nén
Trong các bộ phận của kết cấu ống thép nhồi bêtông khi chịu lực dọc trục có các
thành phần ứng suất như sau :

- Trong bêtông :ứng suất nén dọc trục σcBc và áp lực ngang σr .
- Trong ống thép :ứng suất dọc trục σzs và ứng suất tiếp σθs
Nguyên nhân gây xuất hiện áp lực ngang σr lên bêtông và ứng suất tiếp σθs
trong ống thép là do hệ số nở ngang của hai loại vật liệu này khác nhau, trong đó hệ
số nở ngang của bêtông luôn lớn hơn của thép ở mọi giai đoạn làm việc. p lực
ngang σr lên bêtông không cho phép bêtông tự do phát triển biến dạng theo phương
ngang và tạo ra trạng thái ứng suất ba chiều trong bêtông. trạng thái chịu lực 3
chiều, khả năng chịu lực dọc trục của bêtông tăng lên đáng kể. Đây chính là đặc
điểm chịu lực quan trọng nhất của kết cấu ống thép nhồi bêtông


- 10 -

1.2.2.1 Cột thép ngắn nhồi bê tông
Khi tải trọng tác dụng lên cột thép ngắn nhồi bê tông, vì độ cứng chống uốn
của cột lớn nên biến dạng ngang và momen thứ cấp có thể được bỏ qua vì không
đáng kể.
Trong các thí nghiệm cột thép ngắn nhồi bê tông được chia làm 2 loại dựa vào
tỷ lệ D/t ( D là tỷ lệ đường kính ống và t chiều dày vỏ ống) bao gồm ống thép nhồi
bê tông vỏ ống mỏng và ống thép nhồi bê tông vỏ ống dày.
Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ ống mỏng, lõi bê tông trở nên bị gò chặt khi
biến dạng dọc đạt xấp xỉ 0.002 và độ bền nén dọc trục của lõi bê tông đạt hoàn
toàn. Sự gò chặt làm cho lõi bê tông tiếp tục chịu được tải trọng cho đến ống thép bị
phá hủy. Sự phá hủy ống thép thường xảy ra tại giữa cột ống thép. Tận dụng sự gò
chặt lõi bê tông trong vỏ thép để tăng khả năng chịu tải đối với ống thép nhồi bê
tông vỏ ống mỏng thì Luksha và Nesterovich (1991) cho rằng tỷ lệ hợp lý D/t trong

khoảng 54 ÷ 104; một số nhà khoa học khác (1979) đưa ra công thức ràng buộc như
sau:
Đối với cột ống thép nhồi bê tông tiết diện hình chữ nhật:
D
3.E
≤
t
fy

Đối với cột ống thép nhồi bê tông tiết diện tròn
D
8.E
≤
t
fy

Trong đó:
E: mun đàn hồi của thép.
fy: giới hạn chảy của thép.
Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ dày, các mẫu thí nghiệm cho thấy khi cột
thép bị phá hủy kéo théo cột thép bị oằn cục bộ. Biến dạng dọc trong lõi bê tông và
trong vỏ thép không đủ lớn để xuất hiện sự gò ép lõi bê tông. Vì vậy khả năng tăng


- 11 sức chịu tải trong lõi bê tông không được phát huy. Tuy nhiên sự oằn cục bộ của vỏ
thép cũng được cản trở nhờ lõi bê tông. Do đó trường hợp này rất ít được sử dụng
cho các công trình vì không phát huy hết khả năng chịu tải của kết cấu đồng thời
không hiệu quả về kinh tế.

1.2.2.2 Cột thép dài nhồi bê tông

Nếu cột thép nhồi bê tông có độ mảnh lớn thì sự ổn định là yếu tố quyết định
khả năng chịu tải của cột. Khi cột thép dài chịu lực nén lệch tâm, trong trường hợp
này momen thứ cấp là đáng kể do tăng biến dạng ngang. Sự oằn cong cột thép sẽ
xuất hiện trước khi biến dạng dọc cột thép đủ lớn để kéo theo sự dãn nở thể tích lõi
bê tông. Cột thép oằn cong sẽ bị phá hủy với sự gò chặt lõi bê tông rất nhỏ.


- 12 -

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG
2.1. GIỚI THIỆ
THIỆU CHUNG
Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu thông
đường thuỷ lớn và điều kiện địa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các loại
nhịp khẩu độ lớn hàng trăm mét. Với khẩu độ nhịp lớn như vậy, một số cấu kiện
chịu lực nén chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu giàn, hệ
móng cọc của kết cấu trụ, thân trục cần có khả năng chịu lực cao và độ cứng lớn.
Trong trường hợp này kích thước mặt cắt ngang của các cấu kiện sẽ rất lớn, dẫn đến
tăng chi phí xây dựng cũng như tăng độ phức tạp trong quá trình vận chuyển, thi
công. Vì vậy kết cấu ống thép nhồi bê tông đã được nghiên cứu phát triển để khắc
phục các nhược điểm trên. Kết cấu ống thép nhồi bê tông đã đáp ứng được yêu cầu
về chịu lực cao, độ cứng lớn và giảm được trọng lượng bản thân cấu kiện.
Có nhiều cách phân loại cầu tùy theo đặc điểm – cấu tạo cũng như khả năng
chịu lực theo sơ đồ khác nhau của cầu vòm. Sau đây giới thiệu một vài cách phân
loại cơ bản để thấy tính đa dạng của cầu vòm.
2.1.1. Phân loại cầu vòm dựa vào liên kết vòm – mố (trụ)
Trong thực tế các cầu đã xây dựng trên thế giới sử dụng sơ đồ kết cấu rất đa

dạng: vòm không chốt, vòm 2 chốt, vòm 3 chốt.


- 13 -

Sơ đồ vòm không chốt : Hai đầu vòm được ngàm vào mố (trụ). Đây là sơ đồ
kết cấu siêu tónh bậc 3 nên có xuất hiện các lực phụ do co ngót từ biến của bê tông,
do thay đổi nhiệt độ, đặt biệt là lún mố trụ khi nền đất không đủ chắc

Sơ đồ vòm 2 chốt : sơ đồ kết cấu siêu tónh bậc 1. Các nội lực phát sinh ra
trong kết cấu cũng tương tự sơ đồ vòm không chốt nhưng với trị số nhỏ hơn. Khi mố
trụ lún thẳng đứng thì trong vòm không xuất hiện momen phụ.

Sơ đồ vòm 3 chốt : sơ đồ kết cấu tónh định nên không có các nội lực phụ nói
trên. Sơ đồ vòm ba khớp không đòi hỏi điều kiện địa chất thật vững chắc, khi có
hiện tượng lún của mố (tru) cũng không gây ra nội lực trong vòm.

Hình 2.1
.1: a, d : Vòm không chốt; b, e, h : Vòm 2 chốt; c, g : Vòm 3 chốt


- 14 2.1.2. Phân loại cầu vòm dựa vào sơ đồ tónh học

Cầu vòm có lực đẩy ngang: khi điều kiện địa chất thuận lợi .
Cầu vòm có thanh kéo: ưu điểm quan trọng của kết cấu vòm có thanh kéo là tự
cân bằng lực đẩy ngang.

Cầu vòm mút thừa : trong những năm gần đây, trong các loại cầu ba nhịp đã sử
dụng những kết cấu vòm mút thừa có thanh kéo phía trên.

Hình 2.2
.2: Các dạng sơ đồ vò
2.1.3. Phân loại cầu vòm dựa vào độ cứng dầm vòm

Vòm cứng – dầm mềm (EJv ≥ EJd/180): Toàn bộ tải trọng tổng thể cầu chỉ có
vòm chịu.

Vòm mềm – dầm cứng (EJv ≤ EJd/180): vòm mềm là những đoạn cong liên
kết khớp với nhau chỉ chịu lực nén dọc trục và truyền tải trọng lên dầm cứng

Vòm cứng - dầm cứng (EJv ≈ EJd) : trong kết cấu này vòm và dầm đóng vai
trò chịu lực ngang nhau và hỗ trợ nhau. Dầm và vòm kiên kết tạo thành hệ cứng
trong mặt phẳng thẳng đứng, mỗi mặt phẳng vòm giống như một dầm chủ

Hình 2.3. Phân loại dựa theo độ cứng dầm vòm
a) Vòm cứng – dầm mềm; b) vòm mềm - dầm cứng;

c) Vòm cứng - dầm cứng


- 15 2.1.4. Phân loại theo kiểu dáng cầu vòm ống thép nhồi bê tông

a) Kiểu dáng mặt phẳng vòm
-

Dạng một mặt phảng vòm thẳng đứng, vuông góc với mặt cầu.

-

Dạng hai mặt phẳng vòm song song, thẳng đứng và liên kết giằng bởi hệ

giằng ngang trên.

-

Dạng hai mặt phẳng vòm xiên tựa vào nhau tại đỉnh vòm.

-

Dạng ba mặt phẳng vòm thẳng đứng, song song và giằng ngang trên.

b) Kiểu dáng hệ thanh treo
-

Thanh treo có cấu tạo từ thép thanh có cường độ cao hoặc các bó cáp.

-

Thanh treo có dạng thẳng đứng, xiên hình kim cương hoặc kết hợp vừa
thẳng vừa xiên.

c) Kiểu dáng thanh giằng
-

Ống thép thẳng hoặc tổ hợp từ nhiều ống thép theo dạng giàn phẳng.

-

Thép hình hoặc tổ hợp từ nhiều thép hình tạo thành giàn phẳng.

Hình 2.4.

.4 Một số kiểu cấu tạo cầu vòm


- 16 2.2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
Theo sơ đồ chịu lực, kết cấu vòm có thể là dạng 3 khớp với sơ đồ tónh định, 2
khớp với sơ đồ 1 bậc siêu tónh và không khớp với sơ đồ siêu tónh bậc 3. Với liên kết
khớp, tại chân vòm sẽ đặt các gối, còn vòm liên kết ngàm chân vòm sẽ được chôn
trong đầu trụ.
Về cấu tạo, vòm có thể được bố trí với mặt cầu xe chạy dưới, chạy trên, chạy
giữa. Theo tương quan độ cứng giữa vòm chính và hệ dầm mặt cầu thì có thể chia
thành dầm cứng vòm mềm và vòm cứng dầm mềm.
Tùy theo chiều dài nhịp, chiều rộng mặt cầu và loại tải trọng, cấu tạo vành
vòm có thể được tổ hợp từ 1 đến 4 ống thép nhồi bê tông liên kết với nhau thông
qua hệ thanh giằng.
2.2.1. Nghiên cứu về vật liệu ống thép nhồi bê tông

2.2.1.1 Ống thép
Dùng ống thép chế tạo sẵn hoặc là ống cuốn từ thép tấm. Vật liệu thép có thể
thép cacbon hoặc thép hợp kim trong xây dựng, thông thøng thép sử dụng thép có
giới hạn chảy fy = 225~450N/mm2

2.2.1.2 Bê tông nhồi trong ống thép
Nhiều tài liệu khuyên dùng bê tông có cøng độ nén tiêu chuẩn 28 ngày fc
300Kg/cm2 đối với mẫu lập phng 150x150x150mm). Trong các công trình chịu tải
trọng lớn thì nên dùng bê tông có fc =400, 500, 600, 700 kG/cm2.

2.2.1.3 Cáp cøng độ cao
Cấu tạo từ những sợi thép cøng độ có đøng kính từ 2.5 7mm, đïc mạ
chống ăn mòn, thøng mạ kẽm. Có mấy lọai cơ bản như sau:

- 17 Cáp xoắn: có các sợi thép xếp nhỏ thành nhiều lớp, khoảng 7 9 sợi. Phía
ngoài đïc bảo vệ bằng lớp mỡ chống rỉ công nghiệp.
Cáp kín: có mặt cắt tròn hoặc mặt cắt dẹt, phần lõi là một tao dây cáp tạo
thành từ các sợi thép tròn. Phía ngòai lõi là một vài lớp dây thép có tiết diện hình
nêm hay hình chữ Z. Khi chịu lực các sợi thép tiết diện hình nêm hay chữ Z ép chặt
vào nhau không cho nùc và không khí ẩm xâm nhập vào phía trong dây cáp. Loại
này thøng có modul đàn hồi đàn hồi lớn và chống rỉ tốt hơn loại cáp xoắn . Đøng
kính lớn nhất của cáp kín là 120mm, sức chịu tải lên đến 1400T.
Cáp nhiều tao: tạo thành từ nhiều tao thép có kích thùc nhỏ. Thông thøng
bố trí một tao ở lõi, các tao còn lại bố trí xung quanh theo đøng xoắn. Khi chịu lực
các tao thép có khuynh hùng duỗi thẳng làm tăng biến dạng. Vì vậy modul đàn hồi
nhọ hơn loại cáp kín.
2.2.2. Cấu tạo các chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Hình 2.5.
.5 Mặt chiếu đứng cầu vòm

2.2.2.1 Søn vòm
Tùy theo cøng độ tải trọng tác dụng søn vòm có cấu tạo từ một ống thép hay
nhiều ống thép tròn liên kết nhau thông qua bản thép tăng cøng. Các ống thép
thông thøng dùng có đøng kính ngòai từ 30-120mm, chiều dày thành ống từ 520mm. Ống thép đïc chế tạo thøng từ thép tấm cuốn tròn.


- 18 Trong trøng hợp vòm chịu tải trọng lớn, ngøi ta có thể tổ hợp nhiều ông thép
đơn tạo nên mặt cắt ngang søn vòm. Trên bản liên kết søn vòm có bố trí các cửa
sổ để hàn trong khi nối các đọan ống thành vòm liên tục, kích thùc cửa sổ dạng
hình vuông hoặc hình chữ nhật với chiều dài cạnh 1.0 ~ 1.5m. Sau khi nối xong các
đọan vòm sẽ đậy các vị trí cửa sổ và hoàn thiện søn vòm.
Dọc theo søn vòm bố trí lỗ bơm bê tông tại các vị trí hàn nối các đọan ống

vòm hoặc cứ 2 vị trí nối ống bố trí 1 lỗ bơm bê tông.

2.2.2.2 Hệ thanh giằng
Khi cầu có 2 hay nhiều vòm, để tạo độ cứng ngang, giữa các vòm bố trí các
thanh giẵng ngang. Các thanh giằng cũng lằm bằng ống thép bê tông liên thông với
søn vòm hoặc thép hình liên kết hàn với søn vòm. Các ống của thanh giằng
thøng làm bằng ống thép cuốn dọc đøng kính nhỏ, bề dày ống thép khoảng 5mm.
Khi bố trí vòm nằm trong mặt phẳng xiên ngoài cách bố trí các thành giằng, ngøi ta
có thể dùng liên kết hàn ở đỉnh vòm để nối 2 vòm (vòm tựa trực tiếp vào nhau).

2.2.2.3 Hệ thanh căng
Là các bó cáp nối liền 2 chân vòm để chịu lực đẩy ngang của vòm. Cáp thanh
căng bố trí 2 bên hệ mặt cầu song song với trục dọc cầu. Hệ thanh căng nằm tự do
trên mặt dầm ngang và dầm dọc biên, sau khi căng cáp xử lý nội lực xong sẽ đậy kín
bằng hộp bê tông để bảo vệ dây cáp tránh chịu ảnh hûng của môi trøng. Dây cáp
thanh buộc đïc neo vào chân vòm như các bó cáp đïc neo trong dầm bê tông dự
ứng lực. Tất cả các bó cáp đều đïc đặt trong các ống nhựa, sau khi căng xong phải
bơm vữa bảo vệ. Cáp thanh buộc cũng dùng loại có vỏ như cáp dùng trong bê tông
dự ứng lực căng ngoài.


- 19 -

2.2.2.4 Thanh treo
Là những bó cáp DƯL, đầu trên đïc neo vào søn vòm thông qua lỗ neo và
đầu dùi neo vào dầm ngang.

2.2.2.5 Dầm ngang
Dầm ngang bằng BTCT dự ứng lực với chiều dài phụ thuộc bề rộng mặt cầu.
Dầm ngang đïc bố trí tại các vị trí cáp treo. Dầm ngang liên kết với søn vòm

thông qua cáp treo tại mỗi đầu dầm. Riêng 2 dầm ngang ngoài cùng ( tại đầu vòm )
đïc liên kết ngàm với søn vòm để thực hiện chức năng liên kết ngang dùi giữa 2
søn vòm. Tại chân vòm có chờ các bản thép cấp sẵn thép tròn ( tăng độ ngàm cứng
cho liên kết). Dầm ngang đặt vào đúng vị trí và đổ bê tông.

2.2.2.6 Dầm dọc
Dầm dọc là BTCT thøng với chiều dài phụ thuộc vào khỏang cách giữa các
dầm ngang. Dầm dọc đïc kê 2 đầu lên dầm ngang. Trên mặt dầm ngang và dầm
dọc là bản bê tông mặt cầu M300 đổ tại chỗ để tạo tính liền khối và hiệu chỉnh cao
độ mặt cầu. Dầm dọc ngoài chức nằng phân bố tải trọng còn chức năng định vị dầm
ngang trong quá trình chịu tải. Dầm dọc biên liên kết toàn khối với dầm ngang bằng
liên kết ngàm.

2.2.2.7 Chân vòm
Là nơi bố trí đầu neo của thanh căng và cũng là nơi bố trí các gối cầu để
truyền tải trọng xuống mố trụ cầu. Độ cứng không gian của vòm tăng đáng kể là nhờ
liên kết dầm ngang tại vị trí chân bản. Chân vòm đïc cấu tạo từ thép bản dày 12
15mm, bên trong đïc lấp đầy bê tông cốt thép. Chân vòm phải đủ khả năng chịu
đïc lực ép ngang của thanh buộc, lực nén của tòan bộ kết cấu cầu; và cũng đủ độ
cứng để giữ ổng định không gian cho kết cấu.


- 20 -

2.3. MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG TRÊN THẾ
GIỚI VÀ VIỆT NAM:
2.3.1. Trên thế giới
Cầu Yiwu Yuanhuang, vượt sông Zhejiang, được xây dựng năm 1990, tiết diện
vòm là một ống đơn đường kính D = 800mm, chiều dày d =18mm, mặt cầu chạy
trên, vượt nhịp 80m.

Hình2
Hình21.6
Cầu San-an Yongjiang tỉnh Guangxi được xây dựng năm 1999, mặt cầu chạy
giữa, vượt nhịp 270m..

Hình 1.7