Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ chiều dài nhịp đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2 MB, 120 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------o ao------------------
ĐỖ TIẾN ĐẠT
NGHIÊN CỨU
ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ CHIỀU DÀI NHỊP
ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG
TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG
CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG ĐƯỜNG ÔTÔ - ĐƯỜNG TP
MÃ SỐ NGÀNH
: 60 58 30
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 12 NĂM 2008
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN.............................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY............................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : PGS.TS. NGUYỄN BÁ HOÀNG .........................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày 25 tháng 04 năm 2009.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP . HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
-----oOo----Tp. HCM, ngày .…. tháng ….. năm 20….
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: ĐỖ TIẾN ĐẠT
Phái : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : 24/11/1982
Nơi sinh : Bình Dương
Chuyên ngành : Xây Dựng Đường Ôtô - Đường TP
MSHV : 00106007
I- TÊN ĐỀ TÀI :
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ CHIỀU DÀI NHỊP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ
NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tính tốn cầu treo dây võng.
- Phân tích ảnh hưởng tỷ lệ chiều dài nhịp đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong
cầu treo dây võng.
III- NGÀY GIAO NHIÊM VỤ : 15/6/2008
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 01/12/2008
V- CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CN BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH
TS . PHÙNG MẠNH TIẾN
TS . LÊ BÁ KHÁNH
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày ..….. tháng ….… năm 20…..
TR ƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH
LỜI CẢM ƠN
Luận văn “Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ chiều dài nhịp đến sự phân bố nội lực và
biến dạng trong cầu treo dây võng” được thực hiện từ tháng 06/2008 đến 12/2008 với
mục đích nghiên cứu phân tích ảnh hưởng của tỷ lệ chiều dài nhịp đến nội lực và biến
dạng của các bộ phận kết cấu chính trong giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác của
cầu treo dây võng..
Tôi xin trân trọng cảm ơn thầy TS. Phùng Mạnh Tiến đã tận tình giúp đỡ, hướng
dẫn định hướng và cung cấp các thông tin cần thiết để tơi hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn các thầy cô giáo trong Bộ Môn Cầu Đường của trường
Đại Học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, các bạn trong lớp Cao học chuyên ngành
Đường ôtô, Đường thành phố và Cầu Hầm K2006 đã giúp tôi trong suốt thời gian học tập
và thực hiện luận văn tốt nghiệp của mình.
Xin cảm ơn tất cả mọi người trong gia đình tơi đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận
lợi về thời gian để tơi hồn thành luận văn đúng tiến độ.
Vì kiến thức và thời gian thực hiện luận văn có hạn nên khơng tránh khỏi những
hạn chế và thiếu sót. Tơi rất mong được sự đóng góp của q thầy cơ giáo, bạn bè và
đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn.
Tp Hồ Chí Minh, 12 – 2008
ĐỖ TIẾN ĐẠT
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn gồm 05 chương :
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG
- Giới thiệu về sự phát triển của cầu treo dây võng trên thế giới và ở Việt Nam.
- Nêu các đặc điểm cơ bản và cấu tạo các bộ phận chính của cầu treo dây võng gồm:
trụ tháp, dầm chính, cáp dùng cho dây võng, bộ phận neo cáp chủ.
- Phân loại cầu treo dây võng.
Chương 2: BỐ TRÍ CHIỀU DÀI NHỊP TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG
- Giới thiệu về sơ đồ và cách bố trí chiều dài nhịp trong cầu treo dây võng.
- Nêu các phương pháp thi công kết cấu nhịp.
- Thống kê một số cầu treo dây võng ba nhịp đã được thiết kế trên thế giới từ đó tìm
ra thông số thường được lựa chọn trong thực tế của tỷ lệ chiều dài nhịp biên và chiều dài
nhịp chính.
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG
- Giới thiệu chung các phương pháp tính tốn cầu treo dây võng.
- Tính cầu treo theo phương pháp lực, phương pháp chuyển vị và phương pháp phần
tử hữu hạn.
- Giới thiệu một số phần mềm tính tốn cầu treo dây võng, ngun lý tính tốn cầu
treo dây võng trong phần mềm MIDAS/Civil.
Chương 4: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ CHIỀU DÀI NHỊP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ
NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG
Với phương pháp phân tích kết cấu và phần mềm đã được lựa chọn trong chương
3, luận văn thực hiện phân tích tính tốn một số trường hợp cụ thể để nghiên cứu ảnh
hưởng tỷ lệ chiều dài nhịp đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng.
Tiến hành lập mơ hình tính tốn với sơ đồ cầu treo dây võng ba nhịp với chiều dài
hai nhịp biên bằng nhau; cầu được bố trí theo sơ đồ hai mặt phẳng dây với dây treo song
song thẳng đứng; khổ ngang cầu S = 11m; chiều dài nhịp chính khơng đổi L0 = 400m,
chiều dài nhịp biên L1 thay đổi lần lượt là 75m, 100m, 125m, 150m, 175m và 200m tương
ứng với các tỷ lệ chiều dài nhịp L1/L0 lần lượt là 0.19 , 0.25 , 0.31 , 0.38 , 0.44 và 0.50
Trên cơ sở mơ hình các trường hợp nghiên cứu, dùng phần mềm Midas phân tích
xác định nội lực và biến dạng tại một số vị trí điển hình. Thơng qua việc so sánh nội lực
và biến dạng giữa các trường hợp nghiên cứu, luận văn nêu được ảnh hưởng của tỷ lệ
chiều dài nhịp đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng thể hiện qua
các đồ thị.
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn nêu một số kết luận tổng quan về ảnh hưởng của tỷ lệ chiều dài nhịp đến
sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng thông qua các trường hợp nghiên
cứu. Qua đó, luận văn trình bày một số kiến nghị liên quan đến tỷ lệ chiều dài nhịp trong
tính toán thiết kế sơ bộ cầu treo dây võng. Mặt khác, một số hướng nghiên cứu tiếp theo
về tỷ lệ chiều dài nhịp cũng được nêu trong luận văn nhằm góp phần hiểu rõ hơn bản chất
và ứng xử của cầu treo dây võng.
ABSTRACT
Bridge structures existing in Vietnam are very plentiful, from conventional
structures such as simple bridge, trusses, arch bridge, continuous beam bridge… to
modern structures like cable-stayed bridge, suspension bridge… when building a bridge,
beside loading capacity aspect, people have to consider the aesthetic point of view.
The suspension bridge belongs to beautiful bridges which have very long span. The
span length rate is one of the main factors making special feature of the suspension
bridge. Therefore, the thesis “ Research on affect of the span length rate to internal force
distribution and deformation on the suspension bridge” study on how the internal force
distribution and deformation will change when the span length rate of the suspension
bridge changes, to petition the sensible span length rate of the suspension bridge.
The Master thesis includes 5 chapters :
Chapter 1: Overview of suspension bridge.
Chapter 2: Arrangement span length on the suspension bridge.
Chapter 3: The theory of calculation.
Chapter 4 : Research on affect of the span length rate to internal force distribution
and deformation on the suspension bridge.
Chapter 5: Conclusion and petition.
MỤC LỤC
Lời cám ơn
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG
1
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG
1
1.1.1. Sự phát triển cầu treo dây võng trên thế giới
1.1.2. Sự phát triển cầu treo dây võng ở Việt Nam
1
7
1.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG
9
1.2.1. Các bộ phận chính của cầu treo dây võng
9
1.2.2. Trụ tháp
9
1.2.3. Dầm cứng
11
1.2.4. Cáp
12
1.2.5. Neo cáp chủ
15
1.3. PHÂN LOẠI CẦU TREO DÂY VÕNG
1.3.1. Phân loại theo số lượng nhịp
1.3.2. Phân loại theo sự bố trí dây treo
1.3.3. Phân loại theo số mặt phẳng dây
16
16
18
20
Chương 2. BỐ TRÍ CHIỀU DÀI NHỊP TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG 22
2.1. CHỌN CHIỀU DÀI NHỊP TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG
22
2.2. THI CÔNG KẾT CẤU NHỊP
22
2.2.1. Phương pháp liên kết dầm cứng
23
2.2.2. Phương pháp lắp dầm cứng
23
2.3. THỐNG KÊ TỶ LỆ CHIỀU DÀI NHỊP MỘT SỐ CẦU TREO DÂY VÕNG
24
Chương 3. CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG
3.1. GIỚI THIỆU CHUNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG
3.2. TÍNH CẦU TREO DÂY VÕNG THEO PHƯƠNG PHÁP LỰC
3.3. TÍNH CẦU TREO DÂY VÕNG THEO PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN VỊ
3.4. TÍNH CẦU TREO DÂY VÕNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
3.4.1. Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)
3.4.2. Khả năng ứng dụng phương pháp PTHH trong phân tích kết cấu
3.5. MỘT SỐ PHẦN MỀM TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG
3.5.1. Phần mềm Sap2000
3.5.2. Phần mềm Midas/Civil
27
27
29
34
39
39
46
52
53
53
3.6. NGUN LÝ TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG TRONG PHẦN MỀM
MIDAS/CIVIL
54
Chương 4. PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ CHIỀU DÀI NHỊP ĐẾN SỰ
PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG
58
4.1. LỰA CHỌN TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU
58
4.1.1. Sơ đồ kết cấu nhịp
58
4.1.2. Các trường hợp tỷ lệ chiều dài nhịp nghiên cứu
59
4.1.3. Thông số vật liệu và đặc trưng hình học của các bộ phận kết cấu
59
4.1.4. Các trường hợp tải trọng nghiên cứu
61
4.2. CÁC MƠ HÌNH TÍNH TỐN
62
4.2.1. Mơ hình biến dạng nhỏ
62
4.2.2. Mơ hình biến dạng lớn
62
4.3. KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO MƠ HÌNH BIẾN DẠNG NHỎ
63
4.3.1. Phân tích nội lực theo mơ hình biến dạng nhỏ
63
4.3.1.1. Nội lực dầm chủ theo mơ hình biến dạng nhỏ
4.3.1.2. Nội lực trụ tháp theo mơ hình biến dạng nhỏ
4.3.1.3. Nội lực cáp chủ theo mơ hình biến dạng nhỏ
4.3.2. Phân tích biến dạng theo mơ hình biến dạng nhỏ
4.3.2.1. Biến dạng của dầm chủ theo mơ hình biến dạng nhỏ
4.3.2.2. Biến dạng của trụ tháp theo mô hình biến dạng nhỏ
4.3.2.3. Biến dạng của cáp chủ theo mơ hình biến dạng nhỏ
4.4. KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO MƠ HÌNH BIẾN DẠNG LỚN
4.4.1. Phân tích nội lực theo mơ hình biến dạng lớn
4.4.1.1. Nội lực trụ tháp theo mơ hình biến dạng lớn
4.4.1.2. Nội lực cáp chủ theo mơ hình biến dạng lớn
4.4.2. Phân tích biến dạng theo mơ hình biến dạng lớn
4.4.2.1. Biến dạng của trụ tháp theo mơ hình biến dạng lớn
4.4.2.2. Biến dạng của cáp chủ theo mơ hình biến dạng lớn
Chương 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. KẾT LUẬN
5.2. KIẾN NGHỊ
5.3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ
TÀI LIỆU THAM KHẢO
63
74
82
86
86
91
93
98
98
98
100
102
102
103
105
105
108
108
1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG
1.1. GIỚI THIỆU VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG
1.1.1. Sự phát triển của cầu treo dây võng trên thế giới
Trong lịch sử phát triển cầu, cầu treo dây võng là loại cầu có một lịch sử phát
triển lâu đời. Cầu treo dây võng với cáp treo bằng xích sắt đã được xây dựng ở Trung
Quốc cách nay từ 2000 năm trước và một chiếc tương tự cũng được xây dựng tại Ấn Độ.
Nguồn gốc ra đời của cầu treo dây võng ở Phương Đông nhưng lại xuất hiện ở Châu Âu
vào thế kỷ 16 và nó thực sự bùng nổ khi nền cơng nghiệp luyện thép phát triển mạnh
vào thế kỷ 19. Cho đến nay, 20 chiếc cầu có nhịp chính dài nhất trên thế giới vẫn là cầu
treo dây võng.
Vào thế kỷ 18, với sự phát triển của kết cấu cầu và các sản phẩm ứng dụng công
nghệ luyện thép, cầu Jacobs Creek được xây dựng vào năm 1801 với nhịp chính dài chỉ
21.3m bởi cơng trình sư Finley tại Mỹ. Chiếc cầu dùng cho xe ô tô xưa nhất hiện nay là
cầu Clifton ở Anh (Hình 1.1) được xây dựng vào năm 1831 và hoàn thành vào năm
1864, đây là chiếc cầu với cáp chủ có dạng xích sắt.
Hình 1.1. Cầu Clifton và cấu tạo hệ cáp chủ
Theo thời gian cùng với sự phát triển của máy tính điện tử cũng như công nghệ
thiết bị thi công, vật liệu xây dựng và trình độ khoa học kỹ thuật, cầu treo dây võng
ngày càng vượt nhịp lớn. Một số cầu treo dây võng có chiều dài nhịp chính lớn hơn
1000m trên thế giới được thống kê trong bảng 1.1.
2
Bảng 1.1. Một số cầu treo dây võng trên thế giới
STT
Ảnh cầu
Tên cầu
Năm hoàn
thành
Chiều dài nhịp (m)
1998
960 – 1991 – 960
1998
535 – 1624 – 535
2005
1490
1981
280 – 1410 – 530
1999
336,5 – 1385 – 309,3
1997
455 – 1377 – 300
1964
370,3 – 1298,5 – 370,3
1937
342,9 – 1280 – 342,9
Akashi-Kaikyo
Nhật Bản
1
Great Belt
Đan Mạch
2
Runyang
Trung Quốc
3
Humber
Anh
4
Jiangyin
Trung Quốc
5
Tsing Ma
Hồng Kông
6
7
8
V errazanoNarrows
Mỹ
(New York)
Golden Gate
Mỹ
(San Francisco)
3
Högakustenbron
Thụy Điển
9
1997
310 – 1210 – 280
1957
548,6 – 1158,2 – 548,6
1989
274 – 1100 – 274
1988
210 – 1090 – 210
1973
231 – 1074 – 255
1931
185,9 – 1066,8 – 198,1
15
KurushimaKaikyo III
Nhật Bản
1999
260 – 1030 – 280
16
KurushimaKaikyo II
Nhật Bản
1999
250 – 1020 – 245
1966
483,4 – 1012,9 – 483,4
1964
408,4 – 1005,8 – 408,4
Mackinac Bridge
Mỹ
10
11
12
13
14
17
Minami BisanSeto
Nhật Bản
Fatih Sultan
Mehmet
(Bosporus II)
Th Nh K
(Istanbul)
Boaziỗi
(Bosporus I)
Th Nh K
(Istanbul)
George
Washington
M (New
Y ork)
Ponte 25 de Abril
(Tagus)
Bồ Đồ Nha
(Lisbon)
Forth Road
Anh
18
4
Về phương diện thẩm mỹ, một số cầu được xem là biểu tượng cho cả một vùng,
cả một quốc gia như: cầu Golden Gate (Hình1.2), cầu Mackinac của Mỹ, cầu Tsing Ma
của Hồng Kơng, cầu JangYin (Hình 1.3) của Trung Quốc…
Hình 1.2. Cầu Golden Gate
Hình 1.3. Cầu Jang Yin
Hiện nay, cầu treo Akashi Kaikyo (Hình 1.4) là cây cầu được hồn thành có nhịp
chính dài nhất trên thế giới được khởi công vào tháng 5/1988, việc xây dựng kéo dài
trong 10 năm, chiều dài nhịp 960+1991+960 (m) = 3911m, gồm 6 làn xe. Cầu nằm giữa
Bắc Maiko ( ở Shikoku ) và Nam Matsuho ( ở Awaji ), hai bên là cầu dẫn bằng bê tơng.
Hình 1.4. Cầu Akashi Kaikyo
5
Kế đến là cầu Great Belt East (Hình 1.5) có nhịp chính dài 1624m được xây
dựng năm 1991 và khánh thành ngày 14/06/1998 ở Đan Mạch.
Hình 1.5. Cầu Great Belt East
Bước vào thiên niên kỷ mới, một vài cầu treo dây võng nhịp lớn sẽ được xây
dựng, có thể kể đến một số cầu lớn sẽ được xây dựng trong tương lai như:
• Bắc qua eo biển Messina nối đảo Sicily với miền Nam nước Ý, đó là cầu treo
dây võng Messina Strait (Hình 1.6, 1.7), chiều dài nhịp chính khoảng 3,3 km, nhịp biên
dài 180m (chiều dài toàn cầu 3,7km). Tổng kinh phí xây dựng cầu khoảng 5 tỷ đô la với
thời gian xây dựng dự kiến là 11 năm.
Sau khi hồn thành cầu sẽ có chiều rộng 60m với 12 làn xe lưu thông và 2
đường tàu hỏa chạy giữa cầu phục vụ cho 140.000 xe, 200 chuyến tàu mỗi ngày.
6
Hình 1.6. Phác họa so sánh kích thước, khẩu độ giữa cầu
Messina Strait (Ý) và cầu Golden Gate (Mỹ)
Hình 1.7. Phối cảnh cầu Messina Strait
• Băng qua eo biển Gibraltar giữa Tây Ban Nha và Marốc: với 2 phương án
được kiến nghị là một cầu treo dây võng với hai nhịp chính dài 5 km (Hình 1.8), hoặc
một cầu treo dây văng có nhịp chính đầy ấn tượng 8,4 km .
7
Hình 1.8. Phối cảnh cầu Gibraltar
• Băng qua eo biển Tsugaru, Nhật Bản: một chiếc cầu kết hợp vừa cầu treo dây
võng vừa cầu treo dây văng với hai nhịp chính liên tiếp nhau khoảng 4 km .
Sự ra đời và phát triển cầu treo dây võng trên thế giới khơng cịn đơn thuần là đáp
ứng nhu cầu giao thơng mà nó cịn là mục tiêu và thách thức đối với các nhà khoa học
để có một chiếc cầu mang lại nét đặc trưng riêng độc đáo về kết cấu, kiến trúc hơn nữa
là kỷ lục về chiều dài nhịp.
1.1.2. Sự phát triển cầu treo dây võng ở Việt Nam
Với một đất nước có bề dày lịch sử trải qua nhiều thăng trầm nên công nghệ thiết
kế và thi công cầu ở Việt Nam cịn rất ít kinh nghiệm và non trẻ.
Lịch sử phát triển xây dựng cầu treo ở Việt Nam gắn liền với quá trình lịch sử của
đất nước. Từ giữa năm 1965, nhằm phục vụ công tác đảm bảo giao thông trong cuộc
chiến tranh chống Mỹ cứu nước đã đặt ra nhiệm vụ nghiên cứu các biện pháp vượt sơng
bằng hệ cáp treo. Từ đó, các sản phẩm cầu treo được ra đời như cầu cáp Vĩnh Tuy (Hà
Giang), Đoan Vỹ (Nam Hà) năm 1965-1968, cầu cáp Đoan Hùng (Vĩnh Phú) có khẩu độ
104m năm 1966,…[3]
Cho đến nay, với trình độ kỹ thuật ngày càng được cải tiến không ngừng cùng với
việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, bên cạnh các loại cầu giản đơn, liên tục
thuần túy thì một số giải pháp cầu treo dây võng đã được nghiên cứu và từng bước đưa
vào ứng dụng, cụ thể một cầu treo dây võng có quy mơ tương đối lớn đã được triển khai
xây dựng đó là cầu Thuận Phước (Hình 1.9) tại thành phố Đà Nẵng.
8
Cầu treo dây võng Thuận Phước bắc qua sông Hàn do Cục Cầu Lớn Vũ Hán
(Trung Quốc) thiết kế ,cầu có hai trụ tháp cao 92m, cách nhau 405m, tĩnh không thông
thuyền 27m, kết cấu dầm hộp thép hợp kim suốt tồn bộ nhịp treo, chế tạo bằng cơng
nghệ dầm cứng tăng cường theo tiêu chuẩn quốc tế. Cầu có tổng chiều dài 1.856m (dài
hơn cầu Mỹ Thuận 300m), rộng 18m cho 4 làn xe lưu thông, tải trọng 13 tấn với tổng
kinh phí xây dựng hơn 650 tỷ đồng. Đây là chiếc cầu hiện đại, mang tính nghệ thuật cao
đồng thời là cầu treo có khẩu độ lớn nhất nước ta hiện nay.
Phần nhịp chính:
- Chiều dài nhịp: 125 – 405 – 125 (m)
- Kết cấu dầm: dầm hộp thép.
- Trụ tháp: kết cấu BTCT, cao 92m, móng cọc khoan nhồi đường kính D2500,
sâu khoảng 64m.
- Mố neo cáp: móng giếng chìm.
MỐ 1
MỐ 2
Hình 1.9. Phối cảnh và sơ đồ cầu Thuận Phước
9
1.2. CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG
1.2.1. Cấu tạo các bộ phận chính của cầu treo dây võng
Các bộ phận chính của cầu treo dây võng được thể hiện trên hình 1.10
Hình 1.10. Cấu tạo chung của cầu treo dây võng
1.2.2. Trụ tháp cầu
Trụ tháp có tác dụng giữ cáp chủ ở độ cao cần thiết, tiếp nhận lực từ cáp chủ và
truyền chúng đến nền móng. Trụ tháp có thể làm bằng thép hoặc bêtơng cốt thép.
• Trụ tháp bằng bêtơng cốt thép có kích thước lớn, thi cơng phức tạp nhưng chi
phí duy tu bảo dưỡng thấp, dễ tạo kiểu dáng kiến trúc hơn trụ tháp bằng thép.
• Trụ tháp bằng thép có trọng lượng nhẹ, dễ thi công nhưng giá thành vật liệu cao
và yêu cầu duy tu bảo dưỡng khi khai thác cũng đòi hỏi cao hơn.
Theo phương dọc cầu, trụ tháp trong cầu treo dây võng chia làm 3 loại: tháp cứng,
tháp mềm và tháp chân khớp (Hình 1.11). Tùy theo đặc điểm yêu cầu của từng loại kết
cấu nhịp, tư vấn thiết kế chọn loại trụ tháp thích hợp và sơ đồ tính chính xác nhất.
• Tháp mềm: thường dùng ở cầu treo nhịp lớn.
• Tháp cứng: thường dùng ở cầu treo nhiều nhịp để cung cấp đủ độ cứng cho cầu.
• Tháp chân khớp thường dùng ở cầu treo nhịp ngắn.
10
Tháp cứng
Tháp mềm
Tháp chân khớp
Hình 1.11. Các dạng kết cấu của trụ tháp
Theo phương ngang cầu, trụ tháp thường có dạng dàn, dạng cổng hoặc phối hợp
giữa hai dạng trên (Bảng 1.2).
Bề rộng của cột trụ tháp theo phương dọc cầu thường chọn khoảng 1/20÷1/27
chiều cao cột trụ.
Hình ảnh trụ tháp của một số cầu treo dây võng trên thế giới (Hình 1.13)
B ảng 1.2. Các dạng hình học của trụ tháp
Dàn
Cổng
Tổ hợp dàn và cổng
Akashi Kaiyo
Great Belt East
Golden Gate
Forth Road
Humber
2nd Tocoma Narrows
Dạng hình học
Cầu
11
Trụ tháp cầu Akashi Kaikyo
Trụ tháp cầu Forth Road
Trụ tháp cầu Golden Gate
Trụ tháp cầu Great Belt
Trụ tháp cầu John A .Roebling
Trụ tháp cầu George Washinton
Hình 1.13. Một số trụ tháp cầu treo dây võng
1.2.3. Dầm cứng
Hệ dầm cứng của cầu treo dây võng chia làm 2 loại: (Hình 1.14)
•
Dầm cứng hai khớp: thường dùng cho cầu ơtơ.
•
Dầm liên tục: thường dùng cho cầu ôtô kết hợp với đường tàu hỏa.
Nhược điểm chính của cầu treo dây võng là có độ cứng nhỏ, rất nhạy cảm với các
nguyên nhân gây ra dao động như tải trọng gió và các nguyên nhân gây ra dao động có
tính chất nhịp nhàng. Để khắc phục hiện tượng trên, dầm cứng phải đảm bảo thốt gió
12
tốt như dàn khơng gian hoặc dầm có tiết diện hình hộp với chiều cao thấp nhằm tăng
cường khả năng chống xoắn của cầu.
Do đó, dầm cứng thường dùng có thể là dầm dàn, dầm hộp (dùng cho cầu nhịp dài
nhằm đảm bảo ổn định khí động học) hay dầm I (dùng cho cầu nhịp ngắn). (Hình 1.15)
Tỷ số giữa chiều cao dầm h và chiều dài nhịp chính L phụ thuộc vào nhiều yếu tố
và có ảnh hưởng đến độ cứng của toàn hệ, thường chọn h = (1/80 ÷ 1/120).L
Với nhịp càng lớn thì nên chọn tỷ số này nhỏ.
• Khi h > L/60 (độ cứng của hệ lớn), có thể tính theo sơ đồ khơng biến dạng.
•
Khi h ≤ L/60 (độ cứng của hệ nhỏ), khả năng tham gia chịu lực của dầm nhỏ so
với khả năng chịu lực của dây, có thể tính như hệ dây mềm, dầm mềm.
Để đảm bảo ổn định với gió, bề rộng cầu thường chọn B ≥ L/25
Dầm cứng hai khớp
Dầm cứng liên tục
Hình 1.14. Các hệ dầm cứng
Dầm I
Dầm dàn
Dầm hộp
(Cầu Bronx – Stonewhite)
( Cầu Mackinac Straits)
( Cầu Humber)
Hình 1.15. Các loại dầm cứng
1.2.4. Cáp
1.2.4.1. Cáp treo
Là bộ phận có tác dụng truyền lực từ dầm chính đến cáp chủ, các cáp treo thường
chỉ chịu kéo nên được làm bằng thép thanh hoặc các tao cáp song song (Hình 1.16). Cáp
treo thường được bố trí theo phương thẳng đứng. Tuy nhiên, để tăng độ cứng theo
phương dọc người ta có thể bố trí cáp treo xiên.
13
Theo quy trình về cầu treo, chiều dài tối thiểu của dây đeo không nhỏ hơn 1,5m
(trọng tâm của xe di động trên cầu ln ở phía dưới dây chủ để đảm bảo an toàn về ổn
định ngang cầu) nhưng cũng có trường hợp chọn bằng khơng (nối sát với dầm cứng)
nhằm mục đích nâng cao độ cứng của cầu.
Nối kiểu gối
Nối kiểu bản chốt
Hình 1.16. Các kiểu liên kết giữa cáp chủ và dây treo
1.2.4.2. Cáp chủ
Cáp chủ là bộ phận chịu lực cơ bản có tác dụng tiếp nhận lực từ cáp treo và truyền
đến trụ tháp và mố neo. Ban đầu cáp chủ được làm bằng dây xích, sau đó được thay thế
bằng các sợi cáp đơn song song rồi đến các bó thép sợi cường độ cao lần đầu tiên được
áp dụng cho cầu Brooklyn năm 1883. Ngày nay nó cũng đã được dùng cho nhiều cầu
treo dây võng nhịp dài trên thế giới. Các loại bó sợi song song và bó sợi xoắn được thể
hiện như trong bảng 1.3. Thông thường cáp chủ gồm nhiều tao cáp bó lại nhau trong
một vịng trịn (Hình 1.17 và 1.18).
Ở trạng thái hệ chưa chịu tác dụng của tải trọng di động, dây chủ thường có dạng
đường cong parabol. Tỷ lệ giữa đường tên võng f và chiều dài nhịp L phụ thuộc giá
thành xây dựng cầu và đảm bảo điều kiện về ổn định khí động học. Thông thường tỷ lệ
này được lấy khoảng bằng 1/10.
14
Bảng 1.3. Các dạng cáp trong cầu treo dây võng
Tên cáp
Sợi song song
Hình dạng mặt cắt
Cấu trúc
Cầu
Các dây kim loại được xếp Brooklyn
song song trong hình lục Humber
Great Belt East
giác.
Akashi Kaikyo
Bó sợi (tao)
Sợi xoắn
Cáp cuộn
Sáu bó sợi (tao) xoắn xung St.John
quanh một bó sợi (tao) giữa.
Các sợi kim loại được xoắn Little Belt
Tancaville
lại với nhau thành nhiều lớp
Wakato
chính.
Dây kim loại được quấn Kvalsun
Emmerich
thành cuộn tròn bao quanh
Albsborg
các sợi cáp xoắn.
New Koln RodenKirchen
Hình 1.17. Tao cáp song song được bọc bởi ống PE
15
Mặt cắt cáp chủ
Cáp chủ
Hình 1.18. Cấu tạo cáp chủ cầu Great Belt East
1.2.5. Neo cáp
Thơng thường có hai biện pháp neo cáp chủ: neo vào đất nền bằng khối neo và neo
vào dầm cứng (Hình 1.19).
• Neo vào đất nền bằng khối neo (Hình 1.20). Khối neo bao gồm: móng, khối
neo, đai giữ, cáp neo dầm và hộp bảo vệ. Hệ thống neo chia thành hệ thống neo trọng
lực hoặc hệ thống hầm neo. Hệ thống neo trọng lực sử dụng trọng lượng bản thân khối
neo để cân bằng với lực kéo trong cáp chủ. Hệ thống hầm neo truyền lực kéo từ cáp chủ
trực tiếp vào đất nền.
•
Neo vào dầm cứng. Biện pháp này có ưu điểm là đơn giản, giảm khối lượng
xây dựng hố neo nhưng có nhược điểm là lực căng trong dây sẽ gây ra uốn dọc trong
dầm cứng. Ngoài ra, sự thay đổi nhiệt độ cũng có ảnh hưởng khi sử dụng cách neo này.
Neo vào nền đất
Neo vào dầm cứng
Hình 1.19. Các kiểu neo cáp chủ
16
Hình 1.20. Hệ thống neo
(a) Hệ thống neo trọng lực - cầu Akashi Kaikyo (b) Hệ thống hầm neo - cầu George Washington
Hình 1.21. Khối neo cầu treo dây võng
1.3. PHÂN LOẠI CẦU TREO DÂY VÕNG
1.3.1. Phân loại theo số lượng nhịp
Cầu treo dây võng 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:
