Nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện dây văng đến sự phân bố nội lực trong cầu treo dây văng 3 nhịp 2 mặt phẳng dây

-1-

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG....................................5

1.1.

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI:...........5

1.2.

SỰ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM:.........................10

CHƯƠNG 2:
2.1.

CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG...........15

SƠ ĐỒ HÌNH THÁI CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG: ..................................15

2.1.1.

Cầu treo dây văng 1 nhịp: ......................................................................15

2.1.2.

Cầu treo dây văng 2 nhịp: ......................................................................16

2.1.3.

Cầu treo dây văng 3 nhịp: ......................................................................17

2.1.4.

Cầu treo dây văng nhiều nhịp: ...............................................................17

2.2.

SƠ ĐỒ VÀ SỰ PHÂN BỐ DÂY TREO: ......................................................18

2.2.1.

Sơ đồ dây đồng quy: ...............................................................................18

2.2.2.

Sơ đồ dây song song: ..............................................................................18

2.2.3.

Sơ đồ dây rẽ quạt: ..................................................................................19

2.2.4.

Sơ đồ dây liên hợp:.................................................................................19

2.3.

SỐ LƯNG DÂY – CHIỀU DÀI KHOANG DẦM: ....................................20

2.3.1.

Phương án ít dây khoang lớn:.................................................................20

2.3.2.

Phương án nhiều dây khoang nhỏ: .........................................................20

2.4.

SỐ MẶT PHẲNG DÂY:..............................................................................21

2.4.1.

Sơ đồ 1 mặt phẳng dây: ..........................................................................21

2.4.2.

Sơ đồ 2 mặt phẳng dây: ..........................................................................22

2.4.3.

Sơ đồ 3 mặt phẳng dây: ..........................................................................22

2.5.

CÁC DẠNG THÁP CẦU: ...........................................................................23

2.6.

DẦM CHỦ: ................................................................................................24

2.6.1.

Dầm chủ đơn năng: ................................................................................25

2.6.2.

Dầm chủ đa năng: ..................................................................................25

2.7.

CÁP DÙNG CHO DÂY VĂNG: .................................................................27

2.7.1.

Sơ lược về tính toán cáp và các loại cáp:...............................................27

2.7.2.

Cáp gồm các thanh song song:...............................................................30


-2-

2.7.3.

Cáp gồm các sợi song song: ...................................................................31

2.7.4.

Tao cáp:..................................................................................................32

2.7.5.

Cáp kín: ..................................................................................................33

2.7.6.

Bó cáp: ...................................................................................................34

2.7.7.

Cấu tạo đầu neo: ....................................................................................35

2.8.

CÁP DÂY VĂNG CỦA MỘT SỐ CẦU Ở VIỆT NAM : ..............................36

2.8.1.

Chi Tiết Cáp Dây Văng Cầu Lê Hồng Phong (Tỉnh Bình Thuận): .........37

2.8.2.

Chi Tiết Cáp Dây Văng Cầu Phú Mỹ (Tp HCM): ..................................37

2.8.3.

Chi tiết cáp dây văng cầu Mỹ Thuận (tỉnh Vónh Long): .........................39

2.8.4.

Chi tiết cáp dây văng cầu Cần Thơ (Tp Cần Thơ):.................................40

2.9.

PHẠM VI NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN:.....................................................42

CHƯƠNG 3:

CÁC LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG............43

3.1.

THEO LÝ THUYẾT CỦA CƠ HỌC KẾT CẤU:.........................................43

3.2.

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN: ...................................................46

3.3.

TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG BẰNG MIDAS/CIVIL: ...................48

3.3.1.

Tổng quan về phần mềm MIDAS/ Civil: .................................................48

3.3.2.

Các loại phần tử chính trong Midas/Civil: .............................................49

3.3.3.

Điều kiện biên trong Midas/Civil: ..........................................................51

3.3.4.

Mô hình hoá và phân tích kết cấu cầu treo dây văng bằng Midas/Civil: ...
................................................................................................................53

3.3.5.

Nội dung điều chỉnh nội lực cầu treo dây văng:.....................................56

3.4.

Một số công trình cầu đã được thiết kế, tính toán với MIDAS/Civil: .........59

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN DÂY VĂNG ĐẾN
PHÂN BỐ NỘI LỰC TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG 3 NHỊP 2 MẶT PHẲNG
DÂY
.....................................................................................................62
4.1.

ĐỐI TƯNG NGHIÊN CỨU:....................................................................63

4.2. CÁC SƠ ĐỒ CẦU VỚI CÁC TRƯỜNG HP TIẾT DIỆN DÂY VĂNG

KHÁC NHAU:.......................................................................................................68
4.2.1.

Sơ đồ 1: Các dây văng có tiết diện khác nhau........................................68

4.2.2.

Sơ đồ 2: Các dây văng có tiết diện giống nhau ......................................69


-3-

4.3. THÔNG SỐ VẬT LIỆU VÀ ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA CÁC BỘ
PHẬN KẾT CẤU: .................................................................................................70
4.3.1.

Vật liệu:..................................................................................................70

4.3.2.

Đặc trưng hình học các bộ phận kết cấu cầu: ........................................71

4.4.

CÁC TRƯỜNG HP TẢI TRỌNG NGHIÊN CỨU:...................................73

4.4.1.

Tónh tải phần 1: ......................................................................................73

4.4.2.

Tónh tải phần 2: ......................................................................................73

4.4.3.

Lực căng trước trong dây văng: .............................................................73

4.4.4.

Hoạt tải xe ôtô thiết kế: ..........................................................................74

4.5.

TRÌNH TỰ TÍNH TOÁN:............................................................................75

4.6.

PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TOÁN:........................................................76

4.6.1.

NỘI LỰC TRONG DÂY VĂNG: .............................................................76

4.6.1.1.

Lực căng trước lớn nhất trong dây văng Fx max:................................76

4.6.1.2.

Lực kéo lớn nhất trong dây văng Fx:...................................................78

4.6.1.2.1.

Trường hợp tónh tải + lực căng trước trong dây văng:....................78

4.6.1.2.2.

Trường hợp tải trọng HL-93:...........................................................80

4.6.2.

NỘI LỰC TRONG DẦM CHỦ: ..............................................................82

4.6.2.1.

Trường hợp tónh tải + lực căng trước trong dây văng: .......................82

4.6.2.1.1.

Mômen uốn lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp biên My: ...................82

4.6.2.1.2.

Mômen uốn lớn nhất trong dầm chủ tại vị trí trụ tháp My:.............85

4.6.2.1.3.

Mômen uốn lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp giữa My: ...................87

4.6.2.1.4.

Lực cắt lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp biên Fz: ...........................90

4.6.2.1.5.

Lực cắt lớn nhất trong dầm chủ tại vị trí trụ tháp Fz:.....................92

4.6.2.1.6.

Lực cắt lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp giữa Fz: ...........................94

4.6.2.1.7.

Lực dọc lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp biên Fx: ..........................96

4.6.2.1.8.

Lực dọc lớn nhất trong dầm chủ tại vị trí trụ tháp Fx:....................98

4.6.2.1.9.

Lực dọc lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp giữa Fx: ........................100

4.6.2.2.

Trường hợp tải trọng HL-93: ............................................................103

4.6.2.2.1.

Mômen uốn lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp biên My: .................103

4.6.2.2.2.

Mômen uốn lớn nhất trong dầm chủ tại vị trí trụ thaùp My:...........105


-4-

4.6.2.2.3.

Mômen uốn lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp giữa My: .................107

4.6.2.2.4.

Lực cắt lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp biên Fz: .........................110

4.6.2.2.5.

Lực cắt lớn nhất trong dầm chủ tại vị trí trụ tháp Fz:...................112

4.6.2.2.6.

Lực cắt lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp giữa Fz: .........................114

4.6.2.2.7.

Lực dọc lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp biên Fx: ........................116

4.6.2.2.8.

Lực dọc lớn nhất trong dầm chủ tại vị trí trụ tháp Fx:..................118

4.6.2.2.9.

Lực dọc lớn nhất trong dầm chủ tại nhịp giữa Fx: ........................120

4.6.3.

NỘI LỰC TRONG TRỤ THÁP:............................................................122

4.6.3.1.

Trường hợp tónh tải + lực căng trước trong dây văng: .....................122

4.6.3.1.1.

Mômen uốn lớn nhất trong trụ tháp My: .......................................122

4.6.3.1.2.

Mômen uốn lớn nhất trong trụ tháp Mz: .......................................125

4.6.3.1.3.

Mômen xoắn dương lớn nhất trong trụ tháp M+x: .........................127

4.6.3.1.4.

Lực cắt lớn nhất trong trụ tháp Fy:...............................................129

4.6.3.1.5.

Lực cắt lớn nhất trong trụ tháp Fz: ...............................................131

4.6.3.1.6.

Lực dọc lớn nhất trong trụ tháp Fx: ..............................................133

4.6.3.2.

Trường hợp tải trọng HL-93: ............................................................135

4.6.3.2.1.

Mômen uốn lớn nhất trong trụ tháp My: .......................................135

4.6.3.2.2.

Mômen uốn lớn nhất trong trụ tháp Mz: .......................................137

4.6.3.2.3.

Mômen xoắn lớn nhất trong trụ tháp Mx: .....................................139

4.6.3.2.4.

Lực cắt lớn nhất trong trụ tháp Fy:...............................................141

4.6.3.2.5.

Lực cắt lớn nhất trong trụ tháp Fz: ...............................................143

4.6.3.2.6.

Lực dọc lớn nhất trong trụ tháp Fx: ..............................................145

CHƯƠNG 5:
5.1.

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................148

KẾT LUẬN:..............................................................................................148

5.1.1.

Sơ đồ 1 (các dây văng có tiết diện khác nhau):....................................148

5.1.2.

Sơ đồ 2 (các dây văng có tiết diện giống nhau): ..................................149

5.2.

KIẾN NGHỊ: ............................................................................................149


-5-

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG

1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VĂNG TRÊN THẾ GIỚI:
Trong những năm gần đây, với sự phát triển mạnh mẽ của các nước trên
thế giới, kéo theo sự phát triển vượt bậc của cơ sở hạ tầng, công trình giao
thông cũng có những bước tiến khá dài. Hình ảnh cây cầu treo dây văng gắn
liền với đặc trưng hay biểu tượng của từng vùng, từng quốc gia. Cầu treo dây
văng mang dáng vẻ của một cây cầu hiện đại, nhưng thật ra những ý tưởng
của nó đã xuất hiện từ rất lâu.
Cầu dây văng, loại cầu sử dụng các dây cáp được liên kết từ một hay
nhiều cột tháp để treo hệ mặt cầu. Một cầu treo dây văng điển hình có một
hệ dầm liên tục với một hay nhiều cột tháp được đặt trên trụ cầu ở trong
khoảng giữa nhịp. Từ các cột tháp các dây văng được tỏa xuống và đỡ hệ
dầm chủ.
Ý tưởng đỡ một dầm bằng một hệ dây xiên tỏa xuống từ một cột buồm
hay một tháp đã xuất hiện từ thời cổ xưa khi người Ai Cập áp dụng ý tưởng
này cho các thuyền buồm của họ.
Vào đầu năm 1617, Faus-tus Verantius, một kỹ sư ở Venice (Ý), đã phác
họa một cây cầu với nhiều dây xiên.
Đến năm 1784, một thợ mộc ngøi Đức, C.T. Loescher, đã thiết kế một
cây cầu gỗ nhịp 32m gồm các thanh treo bằng gỗ gắn vào một cột tháp gỗ.
Năm 1790 một công trình sư người Pháp là Poet đã đề nghị dùng 2 tháp
cầu cùng một hệ dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu ba nhịp.
Năm 1817, ý tưởng của Poet được thực hiện ở Anh trong một cầu người đi
bộ có nhịp chính 33.5m, hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng xuất
phát từ đỉnh tháp cầu, phía đối diện với các dây văng bố trí một dây neo.


-6-

Năm 1868 ở Praha đã xây dựng một cầu treo dây văng qua sông Vltava
có nhịp chính 146.6m.
Năm 1883 đánh dấu sự ra đời của một cây cầu có giá trị nhất thế kỷ, cầu
Brooklyn, New York, thiết kế bởi J. Roebling. Cây cầu này, với nhịp chính
dài 486.5m, chiều dài toàn bộ là 1059.90m, cây cầu đầu tiên sử dụng thép
thay cho sắt, với cường độ cao hơn gấp hai lần.
Đến thế kỷ 20, loại cầu này mới được phát triển hơn do những kiến thức
tính toán và vật liệu trước đó chưa phù hợp với loại cầu này.
Năm 1925, Pháp đã xây dựng cầu treo dây văng qua sông Trie có nhịp
chính 112m.
Trong những năm 1950, việc phát triển vật liệu cáp cường độ cao cộng
với những lợi ích về giá cả đã làm hồi phục sự quan tâm đối với cầu dây
văng. Các dây văng mới, được làm từ những tao thép cường độ cao, thép
thanh hay sợi thép cường độ cao, có khả năng chịu tải lớn và dễ dàng lắp đặt.
Cầu treo dây văng hiện đại trở nên kinh tế hơn cho các cầu có khẩu độ nhịp
nằm trong khoảng 180 đến 610m.
Năm 1955, cầu Stromsund (Thụy Điển) do Dischinger thiết kế trở thành
cây cầu treo dây văng hiện đại đầu tiên trên thế giới. Cầu có dầm cứng liên
tục ba nhịp làm bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường
độ cao. Bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép.
Vào năm 1962, Morandi xây dựng một cây cầu bê tông dự ứng lực bắc
qua hồ Maracaibo ở Venezuela.
Năm 1963, cầu treo dây văng đầu tiên có dầm cứng bằng BTCT được
xây dựng qua sông Đniep ở Kiep. Cầu có nhịp chính dài 144m, khoang dầm
d=20m.
Năm 1964 ở Đức - cầu bắc qua sông Rhin, một mặt phẳng dây.


-7-

Năm 1967 ở Italia - cầu Pôntrevera, nhịp chính 207.90m.
Năm 1971 ở Libi - cầu qua thung lũng Vadienkup, nhịp chính 282m.
Năm 1972 ở Mỹ - cầu Pasco-Kennewich, nhịp chính 300m, khoang dầm
8.50m, hai mặt phẳng dây.
Năm 1975 ở Pháp - cầu đầu tiên có dầm cứng bằng thép, nhịp chính
404m, tháp chữ A.
Năm 1975 ở Trung Quốc - Cầu ở Tứ Xuyên, nhịp chính 75.84m.
Năm 1976 ở Achentina - cầu qua sông Parana, nhịp chính 245m.
Năm 1977 ở Pháp - cầu qua sông Seine, nhịp chính 320m, dầm chủ dạng
hộp BTCT, lắp hẫng, một mặt phẳng dây
Năm 1985 ở Trung Quốc - cầu Mã Tích, nhịp chính 60m.
Năm 1993 ở Trung Quốc - cầu Thượng Hải, nhịp chính 602m.
Từ khi xuất hiện máy tính điện tử với các phương pháp tính toán thiết kế
chính xác hơn, công nghệ vật liệu và phương pháp thi công hiện đại ra đời;
cầu treo dây văng được quan tâm, nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trên khắp
thế giới do tính ưu việt về mặt kỹ thuật, mỹ thuật và kinh tế đối với các cầu
có đòi hỏi phải vượt nhịp lớn.
Các kỷ lục về chiều dài nhịp chính liên tục bị phá vỡ trên thế giới, có thể
kể đến một số cầu nhö sau:


-8-

¾ Cầu Normandie ở Pháp (hình 1.1): có nhịp chính dài 856m, hoàn thành
vào năm 1995.

Hình 1.1. Cầu Normandie, 1995
¾ Cầu Tatara ở Nhật Bản (hình 1.2): là cây cầu treo dây văng dài nhất
thế giới được hoàn thành vào 1/5/1999, nhịp chính dài 890m.

Hình 1.2. Cầu Tatara, 1999


-9-

Ngoài ra, cầu treo dây văng còn đạt được yêu cầu cao về mặt mỹ thuật
điển hình như một số cầu dưới đây:
¾ Cầu Alamillo trên đường cao tốc La Cartuja, Sevilla, Tây Ban Nha
(hình 1.3): Chiếc cầu như cây đàn hạc bắc qua sông Guadalquivir dài
250m, cầu có nhịp chính 200m, tháp cầu cao 134m bố trí nghiêng 32o
tạo dáng mũi tên, xây dựng năm 1992

Hình 1.3. Cầu Alamillo, 1992
¾ Cầu Rotterdam ở Hà Lan (hình 1.4): cũng mang màu sắc tương tự như
cầu Alamillo

Hình 1.4. Cầu Rotterdam


- 10 -

¾ Cầu ở Bratislava - Cộng hòa Slovakia (hình 1.5): được xây dựng trên
một con sông bên lề thành phố, trên tháp cầu có bố trí một quán ăn
vừa gây ấn tượng, vừa tạo được một phần đối trọng cho phần tónh tải
nhịp.

Hình 1.5. Cầu ở Bratislava
Sự ra đời và phát triển cầu treo dây văng trên thế giới đã thu hút được
lòng say mê, sáng tạo của các nhà khoa học và đã đạt được các thành tựu rất

đáng tự hào.
Trong phạm vi chiều dài nhịp nhất định thì cầu treo dây văng có thể vượt
được nhịp lớn, do đó ít tốn kém cho kết cấu trụ, từ đó đảm bảo về mặt kỹ
thuật và đảm bảo sự thông thoáng dưới dạ cầu. Mặc khác với các bố trí số
lượng mặt phẳng dây và sơ đồ bố trí dây treo có thể tạo được tính đa dạng và
phong phú mà những cầu khác không có.
1.2. SỰ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VĂNG Ở VIỆT NAM:
Ở Việt Nam, cầu treo dây văng đầu tiên được xây dựng năm 1976 qua
sông Đak’rông thuộc tỉnh Quảng Trị. Cầu có chiều dài nhịp chính 129m,
chiều rộng 7m+2x0.8m và đã bị sập tháng 2 năm 1999 do gỉ, đứt neo.


- 11 -

Trong những năm gần đây, cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước
ngoài, một số cầu treo dây văng đã được xây dựng: cầu Mỹ Thuận (Vónh
Long), cầu Bính (Hải Phòng), cầu sông Hàn (Đà Nẵng), cầu Bãi Cháy
(Quảng Ninh) và các cầu đang được xây dựng như cầu Rạch Miễu (Tiền
Giang – Bến Tre), cầu Cần Thơ (Cần Thơ), cầu Phú Mỹ (Tp HCM)... Ngoài
ra, nhiều dự án cầu treo dây văng đã và đang được nghiên cứu đầu tư như:
cầu Nhật Tân (Hà Nội), ...
1.2.1. Cầu Mỹ Thuận:
Cách thành phố Hồ Chí Minh 125km về hướng Nam, cách cửa sông của
đồng bằng sông Cửu Long 120km, là cầu treo dây văng nhịp lớn đầu tiên ở
Việt Nam. Sơ đồ nhịp dây văng: 150m + 350m +150m. Bản mặt cầu bằng
BTCT rộng 23.66m (4 làn xe và 2 lề bộ hành). Sơ đồ hai mặt phẳng dây văng,
trụ tháp cao 120m hình chữ H. Khổ thông thuyền cao 37.5m. Phần cầu cạn
dẫn vào cầu: 22 nhịp. Hệ cáp dây văng gồm 128 bó cáp treo, sợi cáp song
song, đường kính 15.7mm với 3 lớp bảo vệ ăn mòn. Kích cỡ của cáp treo từ
22 ~ 67 tao/1 cáp. Móng trụ tháp gồm 16 cọc khoan nhồi, đường kính 2.5m,

L= 100m. Thông xe vào ngày 21 tháng 5 năm 2000.

Hình 1.6. Cầu Mỹ Thuận, Vónh Long, 2000


- 12 -

1.2.2. Cầu Bãi Cháy:
Nằm trên QL18, Hòn Gai - Bãi Cháy, tỉnh Quảng Ninh. Điểm đầu ở Cái
Lân, kết thúc tại ngã ba Kênh Liêm - Hạ Long. Là cầu treo dây văng một
mặt phẳng dây, kỷ lục thế giới với chiều dài 903m, chiều rộng: 25.3m (4 làn
xe cơ giới và 2 làn xe thô sơ). Số nhịp: 5 nhịp, nhịp chính dài 435m. Khổ
thông thuyền: 50m x 130m, bảo đảm cho tàu 5 vạn tấn. Cầu có khả năng chịu
động đất cấp 7. Khởi công vào ngày 18/5/2003, khánh thành vào ngày
2/12/2006. Điểm đặc biệt: hệ thống thang máy chạy dọc hai tháp chính, tạo
điều kiện lý tưởng cho khách du lịch ngắm nhìn toàn cảnh vịnh Hạ Long.

Hình 1.7. Cầu Bãi Cháy, Quảng Ninh, 2006
1.2.3. Cầu Cần Thơ:
Là cầu treo dây văng lớn nhất Đông Nam Á. Cầu chính vượt sông Hậu
dài 2.750m. Chiều dài phần cầu treo dây văng: 40x2 + 150 + 550 + 150 +
40x2 = 1010m, với chiều dài nhịp chính 550m. Rộng 23.10m (4 làn xe, 2 làn
bộ hành, dải phân cách, lan can). Tónh không thông thuyền 39m. Trụ tháp
hình chữ A cao 173m tính từ mực nước lớn nhất, từ mặt cầu lên đỉnh tháp là


- 13 -

138m. 1 tháp trên bờ sông phía Cái Vồn (Vónh Long), 1 tháp trên sông Hậu,
phía Cồn Ấu (Cần Thơ). Cầu dẫn phía Vónh Long có 13 nhịp, phía Cần Thơ có

22 nhịp, có đặc điểm chung: nhịp dầm Super T, dài 40m, cao 1.75m, bằng bê
tông cốt thép dự ứng lực. Cầu được dự kiến hoàn thành vào tháng 3/2010.

Hình 1.8. Cầu Cần Thơ

Đối với những cầu có nhịp trung bình, từ 150m đến 850m, thì cầu treo dây
văng là một trong những lựa chọn hàng đầu. So với cầu treo dây võng, thì cầu
treo dây văng có nhiều ưu điểm: có độ cứng lớn hơn, ổn định chống xoắn và
ổn định theo phương ngang cũng tốt hơn nhiều. Điều này giúp cho cầu treo
dây văng ổn định hơn dưới tác động của gió và các hiệu ứng khí động khác.
Các dây văng trong cầu treo dây văng căng hơn trong cầu treo dây võng, nên
tạo ra sự ổn định hơn tại những điểm liên kết giữa dây văng và kết cấu mặt
cầu, làm giảm chuyển vị. Cầu treo dây văng mang đến một vẻ đẹp kiến trúc
nổi bật, do sử dụng dây cáp đường kính nhỏ, kết cấu đầu neo cũng khá gọn
gàng và sự lựa chọn đa dạng về hình dạng kết cấu, bao gồm sử dụng một hay
nhiều mặt phẳng dây, với nhiều hình dạng: rẽ quạt, song song, đồng quy hay


- 14 -

hình sao... Trụ tháp cũng thay đổi hình dạng một cách linh hoạt và độc đáo.
Đồng thời yêu cầu ít cáp hơn, thi công với nhiều đoạn dầm bê tông đúc sẵn
hàng loạt, nên thời gian thi công nhanh. Dẫn đến một kết quả có được một
cây cầu với một chi phí hợp lý, và một vẻ đẹp không thể chối cãi được.
Qua trình bày sơ bộ nêu trên có thể kết luận cầu treo dây văng đã được
xây dựng nhiều trên thế giới. Nhiều công trình cầu đã trở thành biểu tượng
của thành phố và của đất nước. Cầu treo dây văng bắt đầu được triển khai
xây dựng nhiều tại Việt Nam, tuy nhiên việc triển khai phân tích, tính toán và
thiết kế cũng như công nghệ chế tạo, lắp đặt vẫn còn đang trong giai đoạn
mới mẻ, còn đang chuyển giao công nghệ từ các nước khác. Chính vì vậy việc

nghiên cứu về cầu treo dây văng là cần thiết.


- 15 -

CHƯƠNG 2:

CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO
DÂY VĂNG

2.1. SƠ ĐỒ HÌNH THÁI CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG:
Cầu treo 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:
2.1.1. Cầu treo dây văng 1 nhịp:
Là cầu treo dây văng trong đó hai (hoặc một) tháp cầu được dựng trên
hai (hoặc một) mố; dầm chủ một nhịp tựa lên hai gối cứng trên mố và các gối
đàn hồi là các điểm neo các dây văng; từ đỉnh tháp, dây neo được liên kết
vào mố neo đặt sâu trong nền đường (hình 2.1, hình 2.2)

Hình 2.1. Sơ đồ cầu treo dây văng một nhịp (2 tháp cầu)

Hình 2.2. Sơ đồ cầu treo dây văng một nhịp (1 tháp cầu)
Về sơ đồ kết cấu, hệ làm việc như một dầm liên tục tựa trên các gối đàn
hồi trung gian là các điểûm neo dây và các gối cứng trên mố và trụ, do đó hệ
có đặc diểm chịu lực như các cầu treo dây văng ba nhịp.
Cầu treo dây văng một nhịp chỉ áp dụng cho những nơi có điều kiện địa
hình, địa chất đặc biệt.


- 16 -

2.1.2. Cầu treo dây văng 2 nhịp:
Cầu treo dây văng hai nhịp được áp dụng cho những cầu qua sông không
lớn lắm. Cầu treo dây văng hai nhịp chủ yếu được chọn là do điều kiện địa
hình, địa chất hoặc yếu tố mỹ quan quyết định.
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 2.3).
Hoặc có thể các nhịp không bằng nhau, khi ấy trụ cầu bố trí lệch về một
phía có thể thẳng đứng (hình 2.4), hoặc nghiêng (hình 2.5)
Trong trường hợp đặc biệt thì mới áp dụng cầu treo dây văng hai nhịp để
giải quyết, còn trong trường hợp chung thì hệ cầu treo dây văng hai nhịp
không mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật.

Hình 2.3. Cầu treo dây văng hai nhịp đối xứng

Hình 2.4. Cầu treo dây văng hai nhịp bất đối xứng, trụ thẳng đứng


- 17 -

Hình 2.5. Cầu treo dây văng hai nhịp bất đối xứng, trụ nghiêng
2.1.3. Cầu treo dây văng 3 nhịp:
Cầu treo dây văng ba nhịp là một dầm liên tục tựa trên các gối cứng là
mố và trụ và trên các gối đàn hồi là các nút treo dây văng. Độ cứng của các
gối đàn hồi phụ thuộc vào các yếu tố: diện tích và chiều dài dây, góc nghiêng
α của dây so với phương ngang, độ cứng và liên kết của dây neo.
Cầu treo dây văng 3 nhịp là hệ có sơ đồ chịu lực hợp lý nhất về mặt kết
cấu, mang tính mỹ quan, hài hòa. Không phải xây dựng hố neo phức tạp.

Hình 2.6. Cầu treo dây văng ba nhịp

2.1.4. Cầu treo dây văng nhiều nhịp:
Sơ đồ này hay dùng trong trường hợp những cầu dài bắt qua biển, nối từ
đảo này sang đảo khác, địa hình, địa chất không phức tạp, để tránh xây dựng
nhịp quá lớn, hoặc khi cần tăng cường khả năng chịu tải, nâng cấp hệ dầm
cầu cũ bằng cầu treo dây văng thì vẫn dùng hệ nhiều nhịp.


- 18 -

Hình 2.7. Cầu treo dây văng nhiều nhịp
2.2. SƠ ĐỒ VÀ SỰ PHÂN BỐ DÂY TREO:
Trong cầu treo dây văng có các sơ đồ bố trí dây treo cơ bản sau:
2.2.1. Sơ đồ dây đồng quy:
Các dây văng quy tụ tại 1 nút cố định trên tháp cầu, từ đó dây tỏa xuống
neo vào dầm cứng tại 1 số điểm, tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục
(xem các hình 2.1, 2.3, 2.4, 2.5).
Sơ đồ này được dùng phổ biến và hiệïu quả cho các cầu ít dây, khoang
lớn, khi đó cấu tạo các nút dây trên đỉnh tháp không quá phức tạp. Tuy nhiên
với các cầu hiện đại nhiều dây, khoang nhỏ thì cấu tạo đỉnh tháp rất phức tạp,
lực cục bộ rất lớn, đặc biệt khi mỗi dây có một neo riêng liên kết với tháp.
2.2.2. Sơ đồ dây song song:
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 2.8. Sơ đồ bố trí dây song song
Theo sơ đồ này mỗi nút chỉ tập trung hai dây nên cấu tạo neo đơn giản.
Các liên kết dây văng vào dầm cứng nhờ có cùng góc nghiêng như nhau, nên
có cùng một loại cấu tạo dễ định hình hóa.

- 19 -

2.2.3. Sơ đồ dây rẽ 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. Cách này vừa tranh thủ được
góc nghiêng lớn hơn cho các dây trung gian và tránh tối đa tháp cầu bị uốn
ngang.

Hình 2.9. Sơ đồ bố trí dây rẽ quạt
2.2.4. Sơ đồ dây liên hợp:
Ngoài ba sơ đồ cơ bản đã nêu trên, tuỳ theo đặc điểm cấu tạo của từng
cầu có thể áp dụng các sơ đồ dây liên hợp như : Sơ đồ song song-đồng quy, sơ
đồ đồng quy – rẽ quạt, sơ đồ hình sao …

Hình 2.10. Sơ dồ bố trí dây liên hợp


- 20 -

2.3. SỐ LƯNG DÂY – CHIỀU DÀI KHOANG DẦM:
Một trong những đặc tính 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, công nghệ lắp đặt dầm chủ và dây dễ dàng hơn. Tuy
nhiên dây nhiều làm cho việc điều chỉnh nội lực phức tạp.
Hiện nay tồn tại hai phương hướng lựa chọn số lượng dây và chiều dài
khoang: dây ít – khoang lớn và dây nhiều - khoang nhỏ.
2.3.1. Phương án dây ít - khoang lớn:

Phương án này được áp dụng cho hầu hết các cầu xây dựng vào thời kỳ
đầu phát triển khi công nghệ đúc hẫng chưa trở thành công nghệ thống soái
trong xây dựng cầu treo dây văng, đồng thời chưa tích lũy được đầy đủ kinh
nghiệm về điều chỉnh nội lực. Các cầu treo dây văng được xây dựng trong
những năm 1960 – 1970 thường dùng hệ dây ít – khoang lớn để xây dựng các
cầu có nhịp chính khoảng 200 – 300m với chiều dài khoang:
+ Dầm thép: d = 20-70m.
+ Dầm bê tông cốt thép: d = 15-25m.
2.3.2. Phương án dây nhiều - khoang nhỏ:
Thực tế xây dựng cầu treo 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 BTCT, khoang nhỏ vừa thích hợp với
chiều dài của đốt bê tông vừa làm cho cấu tạo neo đơn giản do lực tác dụng


- 21 -

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.
Sau đây là các số liệu về chiều dài khoang dầm thường được dùng trong
các cầu treo dây văng hiện đại:
+ Dầm thép: d = 3-15m.
+ Dầm bê tông cốt thép: d = 3-10m.

2.4. SỐ MẶT PHẲNG DÂY:

Trong cầu treo dây văng có các sơ đồ mặt phẳng dây như sau:
2.4.1. Sơ đồ 1 mặt phẳng dây:
Loại này có ưu điểm là thông thoáng tầm nhìn cho người tham gia giao
thông. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là khả năng chống xoắn thấp, lực tập
trung của dây tại vị trí neo vào dầm lại lớn, đòi hỏi dầm có kích thước đồ sộ,
không mang lại hiệu quả kinh tế đặc biệt với các cầu rộng.

Hình 2.11. Sơ đồ một mặt phẳng dây


- 22 -

2.4.2. Sơ đồ 2 mặt phẳng dây:
Loại này có ưu điểm là khả năng chống xoắn kết cấu dầm chính tốt. Tuy
nhiên nó có nhược điểm là tạo cho người tham gia giao thông cảm giác
khoảng không bị thu hẹp.

Hình 2.12. Sơ đồ hai mặt phẳng dây
2.4.3. Sơ đồ 3 mặt phẳng dây:
Khi chiều rộng cầu lớn, nếu dùng hai mặt phẳng dây thì hệ mặt cầu sẽ rất
đồ sộ, nặng nề, tốn vật liệu. Khi đó có thể bố trí nhiều mặt phẳng dây.

Hình 2.13. Sơ đồ ba mặt phẳng dây


- 23 -

Qua phân tích ưu nhược điểm cầu treo dây văng với các mặt phẳng dây
nêu trên, ta thấy cầu treo dây văng hai mặt phẳng dây có tính ưu việt nổi trội
và hiện đang được ứng dụng rộng rãi nhất.

2.5. CÁC DẠNG THÁP CẦU:
Tháp cầu là bộ phận quan trọng có tính quyết định các chỉ tiêu kinh tế kỹ
thuật và độ an toàn của công trình. Tháp cầu chịu toàn bộ tónh tải và hoạt tải
tác dụng lên kết cấu nhịp. Hình dạng trụ tháp phụ thuộc vào một số yếu tố
chính như:
+ Khẩu độ nhịp và chiều rộng mặt cắt ngang cầu.
+ Số mặt phẳng dây (một hay hai mặt phẳng dây), cách neo dây.
+ Khả năng chịu lực và độ ổn định động của hệ dầm, dây và tháp.
+ Tính đơn giản cho thi công.
Trong cầu treo dây văng thường có các dạng tháp cầu như sau: dạng chữ
H, dạng chữ A, dạng chữ Y ngược, dạng kiểu hình thang.

a)

b)

c)

Hình 2.14. Tháp cầu dạng hình thang và dạng chữ A, Y ngược
Tháp cầu dạng chữ H: là dạng tháp gồm hai cột thẳng đứng nằm sát
mép ngoài dầm, mỗi cột tháp nằm trong một mặt phẳng dây, làm việc chịu


- 24 -

nén uốn theo phương ngang như thanh có một đầu ngàm, một đầu tự do. Theo
phương dọc do có các dây neo nên tháp làm việc như thanh có một đầu
ngàm, một đầu tựa trên gối đàn hồi. Với các cầu nhịp lớn tháp cao sẽ làm
việc bất lợi về mặt ổn định nên phía trên đỉnh tháp có thể bố trí thêm một
dầm ngang để tăng độ ổn định (hình 2.15).

Hình 2.15. Tháp cầu dạng chữ H
Tháp cầu dạng chữ A, chữ Y: tháp loại này gồm hai cột xiên, được chập
vào nhau trên đỉnh tháp. Dạng tháp này làm tăng độ cứng chống xoắn và độ
ổn định của cầu. Do dây văng xiên nên tạo được lực nén trước cho toàn bộ hệ
mặt cầu. Nhược điểm của loại này là thi công khá phức tạp (hình 2.14 b, c)
Tháp cầu dạng hình thang: đây là dạng kết hợp của dạng tháp chữ A
và H. dạng này khai thác các ưu điểm của hai dạng trên như: thi công không
khó, cấu tạo các điểm neo cáp trên đỉnh tháp đơn giản, phù hợp với sơ đồ bố
trí móng cọc, kết cấu có độ cứng lớn (hình 2.14 a).

2.6. DẦM CHỦ:
Trong cầu treo dây văng hiện tồn tại hai loại tiết diện ngang dầm chủ với
nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau, đó là: dầm
chủ đơn năng và dầm chủ đa naêng.


- 25 -

2.6.1. Dầm chủ đơn năng:
Dầm chủ đơn năng bao gồm các khối dầm chủ có tiết diện bất kỳ, đặt
trong các mặt phẳng dây, chịu lực như biên chịu nén của dàn.
Trong dầm có dầm chủ đơn năng, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc
độc lập với nhau, dầm chủ làm việc như một biên cứng của dàn chủ yếu chịu
nén và chịu uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, khả năng chống xoắn chủ yếu
do các dầm ngang và hệ dây đảm nhiệm, dầm mặt cầu và bản làm việc cục
bộ theo nhịp của bản, dầm dọc, dầm ngang. Các dầm chủ đơn năng chỉ được
dùng trong cầu có nhiều mặt phẳng dây.
Dầm chủ đơn năng có thể được cấu tạo bằng thép, dàn thép hoặc dầm
bêtông cốt thép (BTCT).

2.6.2. Dầm chủ đa năng:
Dầm chủ đa năng bao gồm các khối dầm chủ có dạng một khối, một bản
đặc hoặc một hộp rỗng bằng BTCT hay bằng các tấm thép được gia cường
bằng các sườn dọc, ngang. Dầm chủ có chiều cao lớn, có chức năng chịu lực
cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt rõ dầm chủ và hệ dầm mặt cầu.
Dầm chủ đa năng có thể làm bằng thép hoặc bêtông cốt thép.
2.6.2.1. Dầm chủ đa năng bằng thép:
Trong cầu treo dây văng, dầm chủ đa năng bằng thép đầu tiên được áp
dụng trong hệ cầu một mặt phẳng dây. Với cầu một mặt phẳng dây thì khả
năng chống xoắn của cầu chịu tải lệch tâm hoàn toàn do dầm chủ mặt cầu
đảm nhiệm. Để có độ cứng chống xoắn lớn, tiết diện phải có dạng hộp kín
cấu tạo bằng các tấm thép có sườn và có chiều cao tương đối lớn. Mặt cầu có
thể làm bằng bản thép trực hướng.
Cấu tạo tiết diện dạng hộp dựa trên nguyên lý tất cả vật liệu cấu tạo
thành tiết diện đều tham gia chịu lực tổng thể cũng như cục bộ. Ngoài các