Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao tương đối của trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng hai nhịp

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------  ---------

VŨ QUANG DIỆU

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
“CHIỀU CAO TƯƠNG ĐỐI” CỦA TRỤ THÁP ĐỀN SỰ
PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG
HAI NHỊP

CHUYÊN NGÀNH

MÃ SỐ NGÀNH

XÂY DỰNG ĐƯỜNG Ô TÔ VÀ ĐƯỜNG THÀNH PHỐ

605830

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC THỰC HIỆN TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

-----  -----

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. VŨ XUÂN HÒA

Cán bộ chấm phản biện1:PGS. TS LÊ VĂN NAM

Cán bộ chấm phản biện 2:TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại: HĐ CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trường Đại học BÁCH KHOA TP.HCM, ngày 30 tháng 8 năm 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

----------

---------NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên

:Vũ Quang Diệu

Giới tính

: Nam

Ngày tháng năm sinh

: 06/1/1980

Nơi sinh

: TP. HCM

Chuyên ngành

: Xây dựng đường ô tô và đường thành phố

MSHV

: 00105006

Khóa

: 2005
1.TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG “CHIỀU CAO TƯƠNG ĐỐI” CỦA TRỤ THÁP ĐẾN
SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP
2. NHIỆM VÀ NỘI DUNG:
2.1. Nhiệm vụ:
Nghiên cứu ảnh hưởng “Chiều cao tương đối” của trụ tháp đến sự phân bố nội
lực trong cầu treo dây văng hai nhịp.
2.2. Nội dung:
Chương 1: Tổng quan về Cầu treo dây văng.
Chương 2: Lý thuyết tính tốn Cầu treo dây văng.
Chương 3: Phân tích ảnh hưởng “Chiều cao tương đối” của trụ tháp đến sự phân bố
nội lực trong cầu treo dây văng hai nhịp.
Chương 4: Kết luận và kiến nghị.

3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ

: 14/7/2007

4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 30/6/2008
5. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

: TS. Vũ Xuân Hòa

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được thông qua Hội Đồng Chuyên
Ngành thông qua.
Ngày
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Vũ Xuân Hịa

TRƯỞNG PHỊNG ĐÀO TẠO -SĐH

tháng

năm

CN BỘ MƠN QL CHUN NGÀNH

TS. Lê Bá Khánh

TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành luận văn thạc só này, ngoài sự làm việc nghiêm túc
và nỗ lực hết mình của bản thân, em nhận được rất nhiều sự giúp đỡ của
thầy cô, gia đình, đồng nghiệp và bạn bè, đặc biệt là công lao của các
Thầy – Giáo sư – Tiến só trong ban giảng dạy Ngành Xây đường ô tô và
đường thành phố, Thầy cô đã truyền đạt cho em những kiến thức quý báu
để làm nên luận văn này, em xin ghi nhận và biết ơn sâu sắc.
Em xin chân thành cám ơn Thầy Tiến Só Vũ Xuân Hòa, người Thầy
đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ tài liệu, kiến thức quý báu trong suốt quá
trình học tập và nghiên cứu, đặc biệt là thời gian làm luận văn này.
Xin chân thành cám ơn Ban Chủ Nhiệm Khoa kỹ thuật xây dựng và Ban
Chủ Nhiệm Ngành đã tạo điều kiện thuận lợi cho Tôi hoàn thành chương
trình cao học này.
Do thời gian và kinh nghiệm còn hạn chế, luận văn này không tránh
những thiếu sót, tác giả rất mong nhận được sự góp ý của quý thầy cô, các
nhà nghiên cứu và các bạn đồng nghiệp.
TP. Hồ Chí Minh ngày 30/6/2008
Tác giả

Vũ Quang Diệu


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG “CHIỀU CAO TƯƠNG ĐỐI”
CỦA TRỤ THÁP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG
CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP
1. Sự cần thiết và tính thực tiễn của đề tài
Sự phân bố nội lực của cầu dây văng phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó
chiều cao tương đối trụ tháp cầu là một trong các yếu tố quan trọng nhất. Vì vậy
giá trị chiều cao của trụ tháp được lựa chọn như thế nào cho phù hợp để vừa đảm
bảo cho kết cấu hoạt động trong điều kiện bình thường, vừa tối ưu nguyên vật

liệu và giá thành công trình. Để có thể thoả mãn được những điều đó chúng ta
phải nắm bắt được mức độ và quy luật ảnh hưởng của yếu tố chiều cao tương
đối trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu dây văng.
2. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Do cầu treo dây văng có tính đa dạng cao thể hiện ở số lượng dây, chiều
dài nhịp, số mặt phẳng dây và các sơ đồ dây… nên đề tài chỉ chọn kết cấu cầu
treo dây văng với các đặc điểm sau để nghiên cứu: số nhịp bằng hai, số mặt
phẳng dây bằng một, sơ đồ dây băng bố trí theo dạng hình rẽ quạt, với các giá trị
chiều cao tương đối của trụ tháp khác nhau.
3. Phương pháp nghiên cứu
Để đạt được mục tiêu trên, luận văn tập trung tính toán với một số cầu treo
dây văng cụ thể với các đặc điểm trên thông qua việc sử dụng phần mềm
MIDAS/CIVIL.
4. Kết quả đạt được
Qua quá trình nghiên cứu, luận văn rút ra được quy luật ảnh hưởng của
chiều cao tương đối của trụ tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng
hai nhịp đối xứng một mặt phẳng dây dưới tác dụng của tónh tải và hoạt tải.
5. Cấu trúc của luận văn
Luận văn bao gồm 4 chương:
Chương 1: Tổng quan về cầu treo dây văng.
Chương 2: Lý thuyết tính toán cầu dây văng.
Chương 3
: Phân tích ảnh hưởng “chiều cao tương đối” của trụ
tháp đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng hai nhịp.
Chương 4 : Kết luận và kiến nghị.


MỤC LỤC

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG .....................................................1

1.1

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN .........................................................................................................1

1.2

CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG ..........................................................4

1.2.1

Sơ đồ nhịp cầu treo dây văng.......................................................................................4

1.2.1.1

Cầu dây văng 1 nhịp ............................................................................................................. 4

1.2.1.2

Cầu dây văng 2 nhịp ............................................................................................................. 4

1.2.1.3

Cầu dây văng 3 nhịp ............................................................................................................. 6

1.2.1.4

Cầu dây văng nhiều nhịp....................................................................................................... 7

1.2.2

Sơ đồ và sự phân bố dây treo.......................................................................................8

1.2.2.1

Sơ đồ dây đồng quy............................................................................................................... 8

1.2.2.2

Sơ đồ dây song song.............................................................................................................. 8

1.2.2.3

Sơ đồ dây rẽ quạt .................................................................................................................. 9

1.2.3

Số lượng dây – chiều dài khoang và chiều dài nhịp...................................................10

1.2.4

Số mặt phẳng dây ......................................................................................................11

1.2.4.1

Sơ đồ 1 mặt phẳng dây ........................................................................................................ 11

1.2.4.2

Sơ đồ 2 mặt phẳng dây ........................................................................................................ 12

1.2.5

Dầm chính.................................................................................................................13

1.2.6

Dây văng và các hệ neo.............................................................................................14

1.2.7

Tháp cầu ...................................................................................................................16

1.3

GIỚI THIỆU MỘT SỐ CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP

............................................................... 19

1.3.1

Cầu Batman, Tasmania, Úc, 1968..............................................................................19

1.3.2

Cầu Oberkassel, Rhine, Đức ......................................................................................20

1.3.3

Cầu Maxau, Karlsruhe, Đức ......................................................................................20

1.3.4

Cầu Severinsbrucke, Cologne, Đức............................................................................21

1.4

GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU .......................................................................................................... 22

CHƯƠNG 2
2.1

LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG....................................23

CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG ...................................................................... 23

2.1.1

Tổng quan..................................................................................................................23

2.1.2

Phương pháp cổ điển .................................................................................................23

2.1.2.1

Phương pháp lực .................................................................................................................. 23

2.1.2.2

2.1.3
2.2

Phương pháp chuyển vị ....................................................................................................... 25

Phương pháp phần tử hữu hạn ...................................................................................26
ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN T Ử HỮU H ẠN TRONG TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG ......... 30

2.2.1

Phần tử cáp ...............................................................................................................30

2.2.1.1

Quan niệm cáp là phần tử thanh chịu kéo ........................................................................... 30

2.2.1.2

Quan niệm cáp là phần tử có môđun đàn hồi tương đương.................................................. 32

2.2.1.3

Quan niệm cáp là phần tử dây mềm có mũi tên võng nhỏ .................................................. 33

2.2.2

Phần tử dầm và tháp .................................................................................................37

2.2.2.1

Ma trận biến dạng dọc trục ................................................................................................. 38

2.2.2.2

Ma trận biến dạng xoắn ...................................................................................................... 38

2.2.2.3

Ma trận biến dạng uốn trong mặt phẳng xy......................................................................... 39

2.2.2.4

Biến dạng uốn trong mặt phẳng xz...................................................................................... 41

2.3

ĐIỀU CHỈNH ỨNG SUẤT TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG............................................ 42

2.3.1

Tổng quan .................................................................................................................42

2.3.2

Điều chỉnh bằng cách căng kéo các dây văng ...........................................................42

2.4

TỔNG QUAN VỀ MỘT SỐ CHƯƠNG TRÌNH PHÂN TÍCH KẾT CẤU ĐANG ĐƯC ÁP DỤNG PHỔ

BIẾN HIỆN NAY. ................................................................................................................................. 45

2.4.1

Chương trình SAP 2000 .............................................................................................45

2.4.2

Chương trình STAAD.Pro ..........................................................................................46

2.4.3

Chương trình RM-SPACEFRAME..............................................................................47

2.4.4

Chương trình MIDAS/Civil ........................................................................................49

CHƯƠNG 3

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG “CHIỀU CAO TƯƠNG ĐỐI” CỦA TRỤ

THÁP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHỊP.....................51
3.1

CÁC TRƯỜNG HP KHẢO SÁT ................................................................................................. 51

3.1.1

Chọn lựa sơ đồ kết cấu, vật liệu, tiết diện và tải trọng ..............................................51

3.1.1.1

Chọn lựa sơ đồ kết cấu ........................................................................................................ 51

3.1.1.2

Chọn lựa vật liệu................................................................................................................. 54

3.1.1.3

Chọn lựa tiết diện ............................................................................................................... 55

3.1.1.4

Chọn lựa tải trọng và các trường hợp đặt tải ....................................................................... 57

3.1.2

Phương pháp tính toán kết cấu ..................................................................................58

3.1.2.1

Nội dung và phương pháp tính toán ..................................................................................... 58

3.1.2.2

Điều chỉnh nội lực ............................................................................................................... 58

3.1.3
3.1.3.1

Mô hình hoá kết cấu ..................................................................................................59
Dạng mô hình và các thiết lập ban đầu ............................................................................... 59


3.1.3.2

Xây dựng mô hình kết cấu ở trạng thái hoàn thành............................................................. 60

3.2

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ............................................................................................................. 61

3.3

GIỚI HẠN VÀ PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH .................................................................................. 64

3.4

NỘI DUNG PHÂN TÍCH ............................................................................................................ 64

3.4.1

Nội lực trong trụ tháp................................................................................................65

3.4.1.1

Nội lực trong trụ tháp do tónh tải gây ra............................................................................... 65

3.4.1.2

Nội lực trong trụ tháp do hoạt tải gây ra.............................................................................. 67

3.4.2

Nội lực trong dầm chủ...............................................................................................70

3.4.2.1

Nội lực trong dầm chủ do tónh tải gây ra ............................................................................. 71

3.4.2.2

Nội lực trong dầm chủ do hoạt tải gây ra ............................................................................ 77

3.4.3

Nội lực trong dây văng..............................................................................................84

3.4.3.1

Lực kéo trong dây văng do tónh tải gây ra........................................................................... 84

3.4.3.2

Lực kéo trong dây văng do hoạt tải gây ra .......................................................................... 89

CHƯƠNG 4

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...........................................................................91

4.1

KẾT LUẬN ............................................................................................................................. 91

4.2

KIẾN NGHỊ ............................................................................................................................ 92


CHƯƠNG 1
1.1

TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG

LỊCH SỬ PHÁ T TRIỂN
Cầu treo dây văng có một lịch sử lâu đời. Ý tưởng sử dụng dây cáp trong việc

chống đỡ kết cấu nhịp cầu thật sự không phải là ý tưởng mới, mà một loạt các dữ
kiện đã được ghi nhận cho thấy ý tưởng này đã xuất hiện từ rất lâu. Ngay từ thời cổ
đại, người Ai Cập đã áp dụng ý tưởng hệ thống dây cáp treo vào trụ trên những con
thuyền buồm. một số vùng nhiệt đới, ngøi ta đã xây dựng những cây cầu có dạng
cầu treo dây văng, với các dây thừng bện bằng các dây leo cột vào các cây to hai
bên bờ, và nâng đỡ hệ mặt cầu được làm bằng các đốt tre liên kết lại bằng dây
thừng. Những kết cấu đầu tiên này chỉ ra rằng những người xây dựng lúc ấy đã có
một ý tưởng mang máng về nguyên lý của kỹ thuật cầu treo dây văng [2].

Năm 1790, một công trình sư người Pháp là Poet đưa ra ý tưởng dùng hai tháp
cầu cùng một hệ dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu ba nhịp [1]. Năm 1784, một
thợ mộc ngøi Đức, C.T. Loescher, đã thiết một kết cấu cầu treo dây văng hoàn
toàn bằng gỗ (hình 1.1).

Hình 1.1: Cầu treo dây văng bằng gỗ của Loescher, 1784
Năm 1817, ý tưởng của Poet đã được thực hiện ở Anh trong một cầu cho
người đi có nhịp chính dài 33,6m (hình 1.2) [2].

1


Hình 1.2: Cầu dành cho người đi bộ ở Anh, 1817
Kể từ đó, cầu treo dây văng bắt đầu được đưa vào xây dựng ở nhiều nước
trên thế giới đặc biệt là các nước phương Tây. Cầu treo dây văng hiện đại đầu tiên
được xây dựng ở Th Điển vào năm 1955, là cầu Stromsund, bởi một nhà thầu
Đức. Và chỉ trong một khoảng thời gian ngắn sau đó, từ năm 1955 đến năm 1974, có
khoảng hơn 60 cầu treo dây văng đã được xây dựng trên toàn thế giới, trong đó có
hơn một phần ba được xây dựng trên nước Đức.
Sự phát triển nhanh chóng của cầu treo dây văng chứng tỏ rằng kết cấu dạng
này đáp ứng được những yêu cầu như chỉ tiêu kinh tế, dễ dàng trong chế tạo, lắp
dựng và mỹ quan. Cầu treo dây văng sẽ trở thành một kết cấu được áp rộng rãi trên
khắp thế giới trong tương lai. Với chiều dài nhịp 890m, cầu Tatara, Nhật Bản (hình
1.3) đang là cầu treo dây văng có nhịp dài nhất trên thế giới hiện nay.

Hình 1.3: Cầu treo dây văng Tatara, Nhật Bản, 1999

2

Sự ra đời và phát triển cầu treo dây văng trên thế giới không đơn thuần chỉ là
đáp ứng cho nhu cầu giao thông mà còn trở thành mục tiêu và thách thức với các
nhà khoa học làm sao xây dựng được một cây cầu không những mang lại nét đặc
trưng riêng độc đáo về kết cấu, kiến trúc mà còn đạt kỷ lục về chiều dài nhịp.
Việt Nam, trong những năm gần đây, cùng với việc chuyển giao công nghệ
từ nước ngoài, một số cầu dây văng đã, đang được xây dựng hoặc đang ở trong giai
đoạn nghiên cứu đầu tư : cầu Mỹ Thuận -Vónh Long (hình 1.4), cầu Bính Hải Phòng,
cầu sông Hàn-Đà Nẵng, cầu Phú Mỹ- Hồ Chí Minh, cầu Rạch Miễu-Tiền Giang,
cầu Cần Thơ-Cần Thơ, cầu Bãi Cháy -Quảng Ninh (hình 1.5), cầu Hàm Luông, cầu
Nhật Tân-Hà Nội... Tuy nhiên việc triển khai phân tích, tính toán, thiết kế cũng như
công nghệ chế tạo, lắp đặt vẫn còn trong giai đoạn mới mẻ, còn đang chuyển giao
công nghệ từ các nước khác, vì thế việc nghiên cứu về cầu treo dây văng là cần
thiết.

Hình 1.4: Cầu treo dây văng Mỹ Thuận, Việt Nam, 2000.

Hình 1.5: Cầu treo dây văng Bãi Cháy, Việt Nam, 2006.

3


1.2

CÁ C ĐẶ C ĐIỂ M CƠ BẢ N CỦ A CẦ U TREO DÂ Y VĂ N G
1.2.1 Sơ đồ nhịp cầu treo dây văng
Cầu dây văng cũng như các loại cầu khác rất đa dạng về sơ đồ bố trí nhịp, sau
đây là các loại thông thường nhất hay được sử dụng:
1.2.1.1

Cầ u dâ y vă n g 1 nhịp

Hai tháp cầu được dựng trên hai mố; dầm chủ một nhịp tựa lên hai gối cứng
trên mố và các gối đàn hồi là các điểm neo của các dây văng; từ đỉnh cáp dây neo
được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường (hình 1.6).

Hình 1.6: Sơ đồ cầu treo dây văng một nhịp
Nhược điểm của sơ đồ này là tồn tại lực ngang rất lớn tác dụng lên mố neo,
chính vì vậy mà các mố neo thường rất lớn do đó rất tốn kinh phí xây dựng. Sơ đồ
này chỉ áp dụng trong điều kiện về địa hình khó khăn như đi qua các thung lũng, các
khe suối sâu, hoặc vùng địa chất quá phức tạp không thể xây dựng trụ tháp ở giữa
và bắt buộc phải xây dựng trụ tháp ở trên bờ [1].
1.2.1.2

Cầ u dâ y vă n g 2 nhịp

Cầu treo dây văng được áp dụng nhiều trong những thập kỷ 60 -70 của thế kỷ
20 cho các cầu vượt qua đường và qua các sông nhỏ và trung bình. Các cầu treo dây
văng được lựa chọn chủ yếu là do điều kiện địa chất, địa hình hoặc là do yếu tố mỹ
quan quyết định [1]. Cầu treo dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi
đó tháp cầu bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu (hình 1.7.a);

4


hoặc các nhịp không bằng nhau, khi ấy trụ cầu bố trí lệch về một phía, có thể thẳng
đứng như hình 1.7.b, hoặc nghiêng như hình 1.7.c:

Hình 1.7.a: Cầu treo dây văng hai nhịp đối xứng

Hình 1.7.b: Cầu treo dây văng hai nhịp bất đối xứng, trụ thẳng đứng

Hình 1.7.c: Cầu treo dây văng hai nhịp bất đối xứng, trụ thẳng nghiêng

5


Nhược điểm lớn nhất của cầu treo dây văng hai nhịp là khả năng vượt nhịp
không lớn, hơn nữa các dây văng bố trí xa trụ tháp khi chịu hoạt tải một nhịp có khả
năng chịu nén. Do đó khi căng chỉnh cầu dây văng trong lúc khai thác phải căng
trước một lực dự trữ để tránh dây chịu nén xảy ra, như vậy gây khó khăn trong quá
trình điều chỉnh lực căng cáp lúc thi công. Hoặc để chống lại hoạt tải một nhịp
chúng ta phải tăng moment uốn cho dầm chủ, điều này đồng nghóa với việc tăng
kích thước dầm chính, do đó gây lãng phí không có lợi về mặt kinh tế [1].
1.2.1.3

Cầ u dâ y vă n g 3 nhịp

Cầu treo dây văng 3 nhịp có thể có dạng dây văng được bố trí đối xứng qua
tháp cầu như hình 1.8.a hoặc không đối xứng qua tháp cầu như hình 1.8.b.

Hình 1.8.a: Cầu treo dây văng 3 nhịp dây đối xứng

Hình 1.8.b: Cầu treo dây văng 3 nhịp dây không đối xứng
Cầu dây văng 3 nhịp có ưu điểm rất rõ về mặt cơ học là khắc phục được các
nhược điểm trên của cầu treo dây văng một nhịp và hai nhịp, các dây văng xa trụ
tháp chủ yếu là chịu kéo khi chịu hoặt tải do đó tiết diện dầm được thanh mảnh và
tiết kiệm hơn. Mặc khác, khả năng vượt nhịp lớn của nó thích hợp cho những cầu

6

vượt qua các con sông lớn. Vì vậy kết cấu cầu treo dây văng ba nhịp hiện đang được
áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới.
Về mặt cơ học, cầu treo dây văng ba nhịp theo sơ đồ hình 1.10 và 1.11 là một
dầm liên tục tựa trên các gối cứng là trụ và mố, và trên các gối đàn hồi là các nút
dây văng. Độ cứng của các gối đàn hồi phụ thuộc vào các yếu tố:
Diện tích và chiều dài dây: Độ cứng của các 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 tuỳ 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 và độ cứng chung của hệ.
Góc nghêng α của dây so với phương nằm ngang: Góc của dây so với phương
ngang ảnh hưởng lớn đến nội lực trong dây và dầm cũng như đến 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.
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 dùi liên kết cố định vào dầm chính tại vị trí gần gối tựa
để truyền lực ngang vào dầm.
1.2.1.4

Cầ u dâ y vă n g nhiề u nhịp

Sơ đồ cầu dạng này hay dùng trong trường hợp xây dựng các cầu vït qua biển
nối từ đảo này qua đảo khác, địa hình, địa chất không phức tạp, để tránh xây
dựng nhịp quá lớn (hình 1.9); hoặc khi tăng cường khả năng chịu tải, nâng cấp
hệ dầm cũ bằng cầu dây văng thì vẫn dùng hệ nhiều nhịp.

7

Hình 1.9: Cầu treo dây văng nhiều nhịp
1.2.2 Sơ đồ và sự phân bố dây treo
Trong cầu dây văng có các sơ đồ bố trí dây treo cơ bản sau:
1.2.2.1

Sơ đồ dâ y đồ n g quy

Sơ đồ dây đồng quy là sơ đồ có các dây văng quy tụ tại 1 nút cố định trên
tháp cầu, từ đó dây toả xuống neo vào dầm cứng, tạo thành các gối đàn hồi của dầm
liên tục [1] (hình 1.10). Trong sơ đồ dây đồng quy, các dây được liên kết cố định tại
nút trên đỉnh tháp cầu nên ứng với mọi vị trí tải trọng, nội lực của các dây thông qua
nút và dây neo truyền vào mố trụ và dầm cứng, do đó hệ có độ cứng lớn. Sơ đồ dây
đồng quy được dùng phổ biến và hiệu quả cho các cầu ít dây khoang lớn, khi đó cấu
tạo nút dây trên đỉnh tháp cầu không phức tạp như các cầu Stromsund ở (Thụy Điển,
1955), cầu St Florent (Pháp, 1969), cầu Kiep (Ucraina, 1963).

Hình 1.10: Sơ đồ bố trí dây đồng quy
Ngoài ra các cầu tháp cứng, hoặc bố trí dây không đối xứng cũng thường
dùng sơ đồ đồng quy. Nếu cầu có cấu tạo khoang nhỏ, nhiều dây thì cấu tạo neo dây
trên trụ tháp sẽ trở nên phức tạp, đặc biệt khi mỗi dây có một neo riêng liên kết với
tháp cầu. Điều này sẽ phát sinh ứng suất cục bộ lớn gây nứt và hư hỏng tháp cầu,
không an toàn cho việc vận hành và khai thác. Để tránh nhược điểm trên, người ta
sử dụng sơ đồ dây song song.
1.2.2.2

Sơ đồ dâ y song song

8

Sơ đồ dây song song là sơ đồ có các dây văng mỗi bên tháp cầu song song
với nhau, phân bố cách đều trên tháp cầu và neo vào các điểm trên dầm chính (hình
1.11), như ở các cầu North Bridge (Đức, 1958), cầu Rees Bridge (Đức, 1967)… Ưu
điểm của sơ đồ dây này là tại mỗi điểm trên trụ tháp chỉ có nhiều nhất là hai điểm
neo dây do đó việc cấu tạo neo cáp tương đối đơn giản. Ngoài ra, với cách bố trí dây
song song nên góc nhìn tại mọi vị trí đều không bị che khuất giống như các sơ đồ
dây khác. Do góc dây nhỏ nên lực nén của tónh tải và hoạt tải truyền vào trụ tháp
nhỏ hơn, làm cho độ cứng của hệ kết cấu giảm. Hơn nữa các dây bố trí trên trụ với
khoảng cách khá lớn làm cho trụ tháp vừa chịu nén dọc vừa chịu uốn làm giảm khả
năng chịu lực cũng như độ ổn định của trụ tháp.

Hình 1.11: Sơ đồ bố trí dây song song
Tuy nhiên về mặt chịu lực, sơ đồ dây song song có các nhược điểm sau:
Các dây có cùng góc nghiêng so với mặt ngang, và góc nghiêng nhỏ nhất
nên làm giảm độ cứng của các nút neo dây và dầm.
Chỉ có dây trên cùng là dây neo, còn các dây khác chỉ được liên kết với dầm
và tháp tại các điểm có chuyển vị đàn hồi. Các chuyển vị này làm giảm độ cứng của
hệ và làm tăng mômen uốn của dầm khi chịu tải trọng không đối xứng.
Để khắc phục nhược điểm trên thường bố trí thêm các trụ neo ở nhịp biên,
biến nhịp biên thành hệ cầu dẫn.
1.2.2.3

Sơ đồ dâ y rẽ quạ t

9


Sơ đồ dây rẻ quạt là sơ đồ dây trung gian giữa hai sơ đồ đồng quy và song
song, trong đó từng cặp dây thường được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách nhỏ
nhất để cấu tạo, lắp đặp và điều chỉnh chiều dài dây, dẫn đến trị số mô mômen uốn

trong tháp cầu dưới tác dụng của lực ngang do hoạt tải tương đối nhỏ và không làm
tăng kích thước của tháp [1] (hình 1.12). Như vậy các dây văng được bố trí không
song song với nhau để tranh thủ các góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian và
tránh tối đa tháp cầu bị uốn ngang. Hiện nay, sơ đồ dây văng bố dạng rẻ quạt được
sử dụng nhiều trong các cầu dây văng nhịp lớn, khoang nhỏ và nhiều dây, như cầu
cầu Thượng Hải (Trung Quốc), Normandie (Pháp), cầu Tatara (Nhật, 1999), cầu Mỹ
Thuận (Việt Nam, 2000), cầu Dames Point (Mỹ).

Hình 1.12: Sơ bố trí dây rẻ quạt
Nhược điểm của sơ đồ này là do có nhiều dây khoang nhỏ nên các khoang
dầm gần mố chịu moment uốn lớn do tại vị trí này độ cứng theo phương thẳng đứng
của dây văng khá nhỏ. Để khắc phục nhược điểm này đối với các cầu có nhịp dài
cần xây dựng các trụ neo phụ nhằm tạo được sự hài hoà moment trong dầm chủ.
1.2.3 Số lượng dây – chiều dài khoang và chiều dài nhịp
Một trong những đặc trưng của cầu treo dây văng là số lượng dây và chiều
dài các khoang dầm. Các dây neo vào dầm chủ, chia dầm thành nhiều khoang, khi
số lượng dây tăng, chiều dài khoang dầm giảm, trị số mômen cục bộ trong phạm vi
khoang cũng giảm. Khoang dầm nhỏ, số lượng dây nhiều, cấu tạo neo sẽ đơn giản,

10


công nghệ lắp đặt dầm chủ và dây văng dễ dàng hơn. Tuy nhiên dây nhiều làm cho
việc điều chỉnh nội lực phức tạp [1].
Phương án ít dây khoang lớn được áp dụng cho hầu hết các cầu xây dựng vào
thời kỳ đầu phát triển khi công nghệ đúc hẫng chưa được phổ biến rộng rãi trong
xây dựng cầu treo dây văng, đồng thời chưa tích lũy được đầy đủ kinh nghiệm về
điều chỉnh nội lực. Các cầu dây văng được xây dựng trong thập niên 60 thường dùng
hệ dây ít – khoang lớn để xây dựng các cầu có nhịp chính khoảng 200 – 300m với
chiều dài khoang nằm trong khoảng 20-70m (dầm thép), 15-25m (dầm bê tông).

Thực tế xây dựng cầu dây văng những năm gần đây cho thấy rõ khuynh
hướng tăng chiều dài nhịp cùng với việc giảm chiều dài khoang dầm. Giảm chiều
dài khoang dầm sẽ làm giảm mômen uốn cục bộ trong phạm vi khoang, phù hợp với
công nghệ thi công đúc hẫng không cần giàn giáo cũng như không phụ thuộc vào
các điều kiện môi trường như khí tượng, thủy văn trên sông. Ngoài ra dầm cứng
bằng bê tông cốt thép, khoang nhỏ vừa thích hợp với chiều dài của đốt bê tông vừa
làm cho cấu tạo neo đơn giản do lực tác dụng lên dây nhỏ. Bên cạnh đó, dùng
khoang nhỏ còn nâng cao độ an toàn của công trình, khi một vài dây neo bị hư hỏng
hoặc có sự cố thì dầm cứng không bị hư hại nghiêm trọng. Việc thay thế, sửa chữa
các dây văng và neo cũng dễ dàng. Trong các cầu treo dây văng hiện đại, chiều dài
khoang dầm thường nằm trong khoảng 3-15m (dầm thép) và 3-10m (dầm bê tông).
1.2.4 Số mặt phẳng dây
Trong cầu treo dây văng số lượng mặt phẳng dây, cấu tạo dầm chủ và hình
dạng trụ tháp cầu có liên hệ với nhau. Một mặt phẳng dây và hai mặt phẳng dây là
hai dạng thường sử dụng trong cầu treo dây văng.
1.2.4.1

Sơ đồ 1 mặ t phẳ n g dâ y

Sơ đồ một mặt phẳng dây thường được áp dụng trong trường hợp mặt cầu có
các luồng xe chạy tách rời nhau, với các dây văng bố trí ở dải phân cách giữa và
11


khối neo bố trí bên dưới mặt đường xe chạy. Cách bố trí này không những kinh tế
mà còn thoả mãn được yêu cầu thẫm mỹ. Với dây cáp bố trí giữa cầu, người đi
đường có thể quan sát được quan cảnh xung quanh mà không bị che chắn tầm nhìn
[4]. Một dạng khác của sơ đồ một mặt phẳng dây là bố trí về một bên cầu, áp dụng
trong các cầu có bề rộng tương đối nhỏ (hình 1.13).

Hình 1.13: Sơ đồ một mặt phẳng dây: (a)Thẳng đứng; (b)Thẳng đứng/Bên
1.2.4.2

Sơ đồ 2 mặ t phẳ n g dâ y

Có hai dạng chính của sơ đồ 2 mặt phẳng dây: một dạng bao gồm một mặt
phẳng thẳng đứng nằm ở mỗi biên của mặt cầu, một dạng khác là mặt phẳng dây
xuất phát từ tháp ở giữa cầu và xiên ra hai bên (hình 1.14).

Hình 1.14: Sơ đồ hai mặt phẳng dây: (a)Thẳng đứng; (b)Xiên

12


Cầu treo dây văng hai mặt phẳng dây có độ cứng chống uốn theo phương
ngang cao, ổn định hơn trong lúc thi công, đặc biệt là trong thi công hẫng và thường
có tiết diện dầm nhỏ nên kinh tế hơn.

1.2.5 Dầm chính
Phần kết cấu thượng tầng của cầu treo dây văng có rất nhiều dạng, trong đó có
hai dạng thường được sử dụng: giàn cứng và dầm đặc. Tuy nhiên, trong những thiết
kế ngày nay thì giàn cứng ít được sử dụng, vì đòi hỏi nhiều thời gian thi công, khó
bảo dưỡng, dễ bị ảnh hưởng của môi trường, và tính thẫm mỹ không cao… Dầm đặc
sử dụng cho nhiều loại mặt cắt ngang của cầu treo dây văng có nhiều dạng khác
nhau (hình 1.15).

(a)

(b)

(c)
Hình 1.15: Mặt cắt ngang dầm: (a) Dầm I; (b) Dầm hộp đơn; (c) Dầm nhiều hộp
Đặc điểm cơ bản của dầm chủ đặc (hay còn gọi là dầm chủ đa năng) là có khả
năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt dầm chủ và hệ dầm mặt

13


cầu. Bản mặt cầu vừa chịu lực cục bộ theo phương ngang vừa tham gia như biên trên
của dầm chủ chịu uốn. Vật liệu cấu thành tiết diện hộp kín được bố trí xa trọng tâm
tạo khả năng chống uốn và chống xoắn cao, rất cần thiết cho cầu dây văng bố trí
dây ở giữa.
Ưu điểm của dầm chủ đa năng là có khả năng chịu lực cục bộ và tổng thể,
chịu uốn và chịu xoắn tốt, tiết diện dầm nhỏ hơn và thi công thuận lợi hơn (áp dụng
công nghệ thi công hẫng).
1.2.6 Dây văng và các hệ neo
Cáp dùng cho dây văng hầu hết đều được chế tạo từ thép cường độ cao. Việc
chọn các loại tháp cho cầu treo dây văng phụ thuộc vào lực kéo đứt, khả năng chịu
mỏi, cũng như các yêu cầu về chế tạo, lắp đặt thi công và yêu cầu kinh tế cũng như
ưu tiên sử dụng các vật liệu có sẵn.
Trên thị trường hiện nay có nhiều loại cáp với các đặc tính khác nhau.
Cáp gồm các sợi song song: là các bó dây làm bằng các sợi thép cường độ
cao bố trí song song đặt trong ống thép hoặc trong ống nhựa polypropylen. Sau khi
lắp đặt song thường bơm vữa vào ống (hình 1.16g).

Hình 1.16: Cáp làm dây văng: (a) Thanh; (b) Sợi; (c) Tao; (d) Cáp kín; (e) Bó;
(g) Sợi song song
Cáp kín: là tổ hợp của các sợi thép tròn, hình thang và chữ Z. Thông thường
lõi là một tao cáp gồm các sợi tròn, quanh lõi là vài lớp dây tiết diện hình thang và

ngoài cùng là lớp dây có dạng hình chữ Z (hình 2.19 d). Khi chịu kéo các dây hình
nêm và Z ép sít nhau bảo vệ cho nước và không khí ẩm không lọt vào được các sợi
14


bên trong làm rỉ thép. Đối với cầu treo dây văng, cáp kín được sử dụng có lợi khi
không cần đặt dây trong ống và bơm vữa bảo vệ, khi cần giảm kích thước neo và khi
cần đặt dây qua tháp cầu để bỏ neo trung gian tại tháp. Tuy nhiên hệ có dây vắt qua
cầu có nhược điểm chủ yếu do khó thay dây khi bị rỉ hoặc cần thay thế khi có sự cố,
đặt biệt khi vấn đề chống rỉ vẫn chưa thực hiện triệt để.
Bó cáp: Bó cáp là tổ hợp của nhiều tao cáp quấn quanh một lõi, có thể một
tao hay một bó (hình 1.16e). Trong đó tao cáp là một bó các sợi thép cường độ cao
có đường kính từ 4.5 đến 7mm quấn xoắn ốc một hay nhiều lớp quanh một sợi thép
nằm chính giữa gọi là lõi thép, mỗi lớp có vòng xoắn ngược chiều nhau để cáp khỏi
bị tởi khi chịu lực. Hiện nay các tao cáp được sản xuất thường có đường kính danh
định là 12.7mm, 15.2mm, 15.7mm, 17.8mm từ 7 sợi thép cường độ cao. Ưu điểm cơ
bản của bó cáp là có thể thay đổi diện tích bó cáp rất linh động (bó 7 tao, 19 tao, 37
tao, 61 tao…) thuận lợi trong thiết kế. Hơn nữa các tao cáp có thể quấn thành cuộn
chở ra công trường sau đó mới cấu tạo thành bó, do đó bó cáp có thể có chiều dài
rất lớn phù hợp cho cầu treo dây văng nhịp lớn. Hơn nữa một bó cáp thường được
căng kéo một lần rất thuận lợi trong thi công. Với các tính năng ưu việt hơn các loại
cáp trên, bó cáp được sử dụng rộng rãi không những trong cầu treo dây văng mà còn
trong các loại cầu bê tông ứng suất trước.
Cáp gồm các thanh song song: được cấu tạo từ các thanh thép đặt song song
với nhau trong một ống thép và được định vị bằng các vách ngăn bằng chất dẻo PE
hoặc vữa bê tông (hình 1.17).

Hình 1.17: Các loại thanh thép thường dùng làm dây văng

15

Đầu neo có cấu tạo, hình dáng, kích thước phụ thuộc vào kích thước dây văng
và phương pháp căng kéo. Đầu neo cần được thiết kế, chế tạo để đủ khả năng chịu
lực kéo đứt của dây mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu đầu neo. Tuỳ
theo chức năng, có thể phân biệt hai loại đầu neo, đầu neo cố định và đầu neo di
động. Đầu neo cố định không có khả năng thay đổi chiều dài dây, tạo điều kiện
căng chỉnh trong quá trình thi công cũng như khai thác. Đầu neo cố định có thể trực
tiếp tựa lên dầm chủ hoặc tháp cầu qua các lỗ rỗng hoặc qua mấu neo vành khuyên.
Đầu neo di động thường được thiết kế trên nguyên tắc các thanh ren răng dạng bu
lông hoặc tăng đơ, tạo điều kiện thay đổi chiều dài dây. Đầu neo có thể liên kết
cứng hoặc liên kết khớp với dầm chủ và tháp cầu.
1.2.7 Tháp cầu
Trong cầu treo dây văng, tháp cầu là bộ phận quan trọng có tính quyết định
các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và độ an toàn công trình. Tuỳ theo kích thước và liên
kết của tháp với trụ, hoặc móng cầu theo chiều dọc, có thể phân biệt hai loại tháp
mềm (hình 1.18) và tháp cứng (hình 1.19).

Hình 1.18: Các dạng tháp mềm trong cầu treo dây văng
(a) Dạng kim cương; (b) Dạng chữ A; (c) Dạng chữ Y ngược

16


(a)

(b)

(c)

Hình 1.19: Các dạng tháp cứng trong cầu treo dây văng.
Tháp mềm là tháp có độ cứng theo phương dọc cầu nhỏ, độ cứng nhỏ do đó
khả năng chịu uốn kém hoặc khi tháp cầu có liên kết khớp với trụ hoặc móng thì
cũng được coi là tháp mềm không phụ thuộc vào tiết diện. Như vậy theo phương dọc
cầu tháp mềm làm việc như một thanh có đầu trên liên kết khớp với dây neo, đầu
dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ. Thường thì các trụ tháp liên kết dạng khớp
với trụ (thông qua các gối dưới dầm) được áp dụng nhiều trong cầu dây văng một
mặt phẳng dây như các cầu Leverkusen, cầu Papinneau, cầu Julicher street ở Đức…,
hoặc liên kết ngàm với trụ thường được áp dụng ở các cầu có hai mặt phẳng dây như
các cầu Normandie, cầu Tatara, cầu Mỹ Thuận, cầu Bính…
Tháp cứng là tháp có độ cứng theo phương dọc cầu lớn để hạn chế chuyển vị
ngang của đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng. Do đó tháp phải liên kết
cứng với trụ hoặc hệ móng [1]. Tháp cứng chịu tải như một thanh có một đầu ngàm,
một đầu tự do chịu nén uốn. Tháp cứng có tác dụng tăng độ cứng theo phương dọc
và giảm moment uốn trong dầm nên thường áp dụng trong cầu treo dây văng ít dây,
nhiều nhịp, điển hình như các cầu Maracaibo (Venezuela), cầu Polcevera Creek
(Italia). Tháp cầu cứng thường có kích thước đồ sộ nên xét về phương diện kinh tế
thì tháp cầu mềm tiết kiệm được vật liệu và kinh tế hơn. Cùng với xu hướng phát

17