Nghiên cứu ảnh hưởng tiết diện và chiều cao vòm đến nội lực trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN NHẬT NGUYÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG TIẾT DIỆN
VÀ CHIỀU CAO VÒM ĐẾN NỘI LỰC
TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

CHUYÊN NGÀNH : CẦU, TUY-NEN VÀ CÁC CÔNG TRÌNH KHÁC
TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT.
MÃ SỐ NGÀNH
: 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 01 NĂM 2008


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

Cán Bộ Hướng Dẫn Khoa Học

: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN

Cán Bộ Chấm Nhận Xét 1

: TS. PHẠM QUANG NHẬT

Cán Bộ Chấm Nhận Xét 2

: TS. ĐẶNG ĐĂNG TÙNG

Luận văn Thạc Só được bảo vệ tại :

HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày 20 tháng 1 năm 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm . . . . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Giới tính : Nam / Nữ

Họ và tên học viên: NGUYEÃN NHẬT NGUYÊN
Ngày, tháng, năm sinh :24-04-1978

Nơi sinh : QUẢNG NAM

Chun ngành : Cầu, Tuynen và các cơng trình xây dựng khác trên đường ơ tơ và đường sắt
Khố (Năm trúng tuyển) : 2004

1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN VÀ CHIỀU CAO VÒM ĐẾN
NỘI LỰC TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

Nghiên cứu ảnh hưởng của tiết diện và chiều cao vòm đến nội lực trong cầu
vòm ống thép nhồi bê tông.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 5.2.2007
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 5.11.2007
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :

TS. PHÙNG MẠNH TIẾN

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

TS. PHÙNG MẠNH TIẾN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành tốt luận án này, Tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy
TS. Phùng Mạnh Tiến đã tận tình giúp đỡ tôi trong thời gian thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các Thầy Cô trong bộ môn Cầu Đường và một
số bộ môn liên quan – Trường Đại Học Bách Khoa TP HCM đã tận tình giảng
dạy, cung cấp cho tôi những kiến thức thực sự cần thiết và bổ ích để không chỉ

giúp tôi có đủ kiến thức hoàn thành luận án này mà còn giúp tôi rất nhiều trong
công việc hiện tại và mai sau.
Tôi xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình đã động viên
giúp đỡ tôi rất nhiều trong suốt thời gian qua.
Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và
tạo điều kiện tốt nhất cho tôi có thời gian tập trung hoàn thành luận án.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn gồm những nội dung chính như sau :
Mở đầu
Giới thiệu khái quát sự ra đời và phát triển của cầu vòm ống thép nhồi bê
tông trên thế giới. Căn cứ trên tình hình xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê
tông có xe chạy dưới ở Việt Nam để đặt vấn đề nghiên cứu và đưa ra mục tiêu
cũng như giới hạn của đề tài.
Chương 1 :
Tổng quan về cầu vòm ống thép nhồi bê tông.
Giới thiệu tổng quan về kết cấu ống thép nhồi bê tông. Tình hình ứng dụng
loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới và ở Việt Nam.
Chương 2 :
Nghiên cứu lý thuyết tính toán.
Trong chương này đi sâu nghiên cứu nguyên lý làm việc của cầu vòm ống
thép nhồi bê tông có xe chạy dưới theo cơ học kết cấu. Nghiên cứu phương pháp
tính theo phương pháp phần tử hữu hạn đang được áp dụng trên thế giới và Việt
Nam .
Chương 3:
Nghiên cứu mức độ ảnh hưởng của tiết diện và chiều cao vòm đến nội lực
trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông.
Trong chương này phân tích tính toán cho ba sơ đồ cầu vòm có phương trình
vành vòm dạng parabol bậc 2 với chiều cao vòm f: f=9.7m (sơ đồ 1), f=14.7m

(sơ đồ 2) và f=19.7m (sơ đồ 3). Trên cơ sở kết quả thu được đề suất tỷ số giữa
chiều cao vòm và chiều dài nhịp phù hợp thực tế cho loại kết cấu này. Từ đó
tiến hành tính toán phân tích cụ thể mức độ ảnh hưởng của các loại chiều cao
vòm ứng với từng tiết diện đến nội lực trong kết cấu cầu vòm dưới tác dụng của


các loại tải trọng. Dựa trên các kết quả tính toán, tìm ra các hệ số phần trăm
chuyển đổi nội lực trong vành vòm từ tiết diện vành vòm này về tiết diện vành
vòm khác và hệ số phần trăm chuyển đổi nội lực trong vành vòm từ chiều cao
vòm này về chiều cao vòm khác có cùng sơ đồ nhịp dưới tác dụng của các loại
tải trọng.
Chương 4 :
Kết luận và kiến nghị


SUMMARY OF THE THESIS
The thesis includes :
Foreword
Introducing the beginning and development of the concrete filled-steel tubular
arch bridge around the world generally. Based on the executing reality of
concrete filled-steel tubular arch bridge with motors run beneath in Viet Nam to
find out the goal of the thesis.
Chapter 1 : Concrete filled-steel tubular Arch Bridge in general.
General introdution about Concrete-filled steel tubular structure. The whole
view of application of Concrete filled-steel tubular Arch Bridge in Viet Nam and
around the world.
Chapter 2 : Study on calculation theory using Structural Mechanic method
and Finite Element method.
This chapter deeply examines the working principle of Concrete filled-steel
tubular Arch Bridge with motors run beneath as Structural Mechanic method and

Finite Element method in Viet Nam and around the world.
Chương 3: Examining the effect of arch’s heights and sections on the inner
forces of Concrete filled-steel tubular Arch Bridge Structure.
This Chapter includes suggestions and calculation processings of 3 types of Arch
Bridge’s models – equivalent to 3 types of Arch hoop’s quadratic equations with
heights : f=9.7m (model 1), f=14.7m(model 2), f=19.7m(model 3). With the
results, suggesting the ratio of arch’s height and span’s length that meets the


reality. Then calculating to analysis the effect of arch’s heights (within their
sections) on the inner forces of arch structure under loads. Thank to the results,
finding out the ratio performing the transfer of inner forces from one section to
another or from one arch’s height to another with the same span model under
loads.
Chapter 4 : Conclusion and Suggestions


LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên Nguyễn Nhật Nguyên, xin cam đoan với HỘI ĐỒNG CHẤM
BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA là công
trình nghiên cứu khoa học này do chính tôi thực hiện. Có sử dụng các tài liệu
tham khảo có ghi trong phần lài liệu tham khảo và với sự hướng dẫn của Tiến Só
Phùng Mạnh Tiến. Nếu có tác giả nào đứng ra tranh chấp đề tài nghiên cứu
khoa học này, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước HỘI ĐỒNG.
Tp. HCM, ngày

tháng

Người Cam Đoan

Nguyễn Nhật Nguyên

năm 2008


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
Trang
1.

Đặt vấn nghiên cứu của đề tài ............................................................... 1

2.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài .............................................................. 1

3.

Giới hạn nghiên cứu của đề tài .............................................................. 2
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU VÒM

1.1.

Giới thiệu kết cấu ống thép nhồi bê tông ............................................. 3

1.1.1. Các loại kết cấu ống thép nhồi bê tông.................................................... 3
1.1.2. Đặc điểm làm việc của ống thép tròn nhồi bê tông chịu nén .................. 4
1.1.3. Ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê tông............................................. 4
1.2.

Sự phát triển công trình cầu vòm trên thế giới.................................... 5

1.3.

Sự phát triển công trình cầu vòm ở Việt Nam. ................................... 10
CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

2.1.

Phương pháp theo lý thuyết cơ học kết cấu ...........................................13

2.1.1. Tính nội lực trong vòm có thanh kéo. ....................................................... 13
2.1.2. Độ cứng của dầm dọc ảnh hưởng đến nội lực trong vòm. ........................ 15
2.1.3. Ổn định sườn vòm. .................................................................................... 17
2.2.

Tính toán dầm theo phương pháp phần tử hữu hạn.............................. 17

2.2.1. Phương pháp phần tử hữu hạn với mô hình 6 bậc tự do. ........................... 17


CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU MỨC ĐỘ ẢNH HƯỞNG CỦA TIẾT DIỆN VÀ CHIỀU CAO
VÒM ĐẾN NỘI LỰC TRONG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
3.1.

Các quy định cấu tạo đối với vành vòm ................................................. 28

3.1.1. Kích thước mặt cắt ngang cầu dùng để phân tích..................................... 28
3.1.2. Chiều cao H của vành vòm....................................................................... 28
3.1.3. Các loại đường tên vòm............................................................................ 29
3.2.

Cơ sở tính toán cầu vòm ........................................................................... 30

3.2.1. Phương pháp phân tích kết cấu ................................................................. 30
3.2.2. Tải trọng tác dụng ..................................................................................... 31
3.2.2.1. Tỉnh tải .................................................................................................... 31
3.2.2.2. Hoạt tải ................................................................................................... 31
3.2.2.3. Tải trọng gió ........................................................................................... 33
3.2.2.4. Hiệu ứng động đất: EQ............................................................................ 34
3.2.2.5. Nhiệt độ phân bố đều TU......................................................................... 34
3.2.2.6. Gradien nhiệt TG .................................................................................... 34
3.2.2.7. Co ngót từ biến:SH, CR ........................................................................... 36
3.2.3. Tổ hợp tải trọng ........................................................................................ 36
3.3

Tính toán với một số sơ đồ ...................................................................... 37

3.3.1. Khái quát các nội dung tính toán .............................................................. 37
3.3.2. Ví dụ tính toán ........................................................................................... 38
3.3.3. Tổng hợp kết quả tính toán ...................................................................... 39
3.3.3.1 Nội lực trong vành vòm giữa các sơ đồ ................................................... 39
3.3.3.2. Đánh giá tương quan nội lực lớn nhất giữa các tiết diện vành vòm ........ 49
3.3.3.3. Đánh giá tương quan nội lực trong vành vòm giữa các vị trí .................. 57
3.3.3.4. Ứng suất trong vành vòm ....................................................................... 73
3.3.3.5. Quan hệ ứng suất đỉnh vòm và chân vòm ............................................... 80

3.3.3.6. Chuyển vị trong vành vòm khi thay đổi tiết diện và chiều cao vòm ........ 83
3.3.3.7. Đánh giá ảnh hưởng của hai dầm ngang ngoài cùng............................... 88
3.3.3.8. Đánh giá ảnh hưởng của các dầm ngang phía trong .............................. 94
3.3.3.9. Đánh giá ảnh hưởng của các dầm dọc biên ............................................ 94
3.3.3.10. Đánh giá ảnh hưởng của các thanh giằng ngang ................................. 95
CHƯƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
1. Kết luận ....................................................................................................... 97
2. Kiến nghị .....................................................................................................100
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................101
PHỤ LỤC .........................................................................................................102
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ............................................................................111


1

MỞ ĐẦU
1.

ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.
Cầu vòm có sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông đã được xây dựng tại

Liên Xô (cũ) từ những năm 1930 với khẩu độ 140m qua sông Ixet và 101m qua
sông Neva. Trong thời gian 1990 đến nay, cầu vòm ống thép nhồi bê tông được
phát triển mạnh tại Trung Quốc với nhiều loại hình kết cấu như vòm chạy trên,
chạy giữa, chạy dưới, kết cấu có hoặc không có thanh căng. Tại Việt Nam đã
xây dựng 3 cầu vòm ống thép nhồi bê tông có thanh căng với mặt phẳng xe chạy
dưới trên đường Nguyễn Văn Linh và 1 cầu vòm thép nhồi bê tông không thanh
căng có xe chạy trên trên đường Nguyễn Văn Trỗi. Cầu vòm ống thép nhồi bê

tông có khả năng vượt nhịp rất lớn và mang tính thẩm mỹ triến trúc cao. Vì vậy
việc nghiên cứu áp dụng cầu bê tông ống thép nhồi bê tông ở Việt Nam mở ra
sự đa dạng của các loại cầu. Đồng thời việc nghiên cứu áp dụng các cầu vòm
ống thép nhồi bê tông phù hợp với các công nghệ thi công hiện có mang lại ý
nghóa thực tiễn cho ngành thi công cầu ở Việt Nam.
Cơ sở khoa học để đạt được mục tiêu nghiên cứu của đề tài là các lý
thuyết được áp dụng trong các quy trình, quy phạm hiện hành của Việt Nam;
tiêu chuẩn 22TCN 272-05 đã được Bộ Giao Thông Vận Tải biên soạn dựa trên
AASHTO 98 (có tham khảo tiêu chuẩn CECS 28-90). Đồng thời áp dụng các
phương pháp tính toán hiện đại được sử dụng rộng rãi trên thế giới và Việt Nam.
2.

MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Để xây dựng được những công trình cầu vòm ống thép nhồi bê tông có sơ

đồ kết cấu đảm bảo khả năng chịu lực, có các chỉ tiêu kinh tế – kỹ thuật hợp lý,
ứng dụng tiến bộ khoa học kỹ thuật, một trong những yếu tố ảnh hưởng đến nội
lực và biến dạng của cầu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy dưới là tiết diện
vành vòm và chiều cao vòm. Như đã nêu ở mục 1, hiện chưa có một tiêu chuẩn
và tài liệu hướng dẫn thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông, lý thuyết tính toán
đối với loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông vẫn đang còn trong giai đoạn phát
triển, trong khi đó những thử nghiệm kết cấu còn quá ít ỏi chưa đủ để có thể
hình thành một phương pháp luận cho việc thiết kế. Để áp dụng chúng một cách
hợp lý, đúng chỗ và có kiểm soát cần thực hiện nhiều những nghiên cứu. Kết
quả của nghiên cứu sẽ giúp làm sáng tỏ đặc thù chịu lực của loại kết cấu này,


2

trên cơ sở đóù từng bước xây dựng một phương pháp luận cho việc thiết kế và xác

định phạm vi ứng dụng hiệu quả cho những trường hợp khác nhau.
Với cách đặt vấn đề như vậy Đề Tài Nghiên Cứu đặt cho mình những mục tiêu
cần đạt được như sau:
•

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của các loại tiết diện vành vòm đến cường độ,
ứng suất - biến dạng trong kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy
dưới từ đó đưa ra một số khuyến nghị trong việc lựa chọn kết cấu này.

•

Đánh giá mức độ ảnh hưởng của chiều cao vòm đến cường độ, ứng suất biến dạng trong kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông có xe chạy dưới từ đó
đưa ra một số khuyến nghị trong việc lựa chọn kết cấu này.

•
3.

Xác định phạm vi ứng dụng của nhịp cầu trong loại kết cấu này.
GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có thể ứng dụng trong nhiều loại

kết cấu cầu như có xe chạy trên, giữa, dưới, kết cấu có hoặc không có thanh
căng. Trong khuôn khổ của đề tài việc nghiên cứu được giới hạn chỉ ở cầu vòm
bê tông ống thép nhồi bê tông có xe chạy dưới với bề rộng mặt cắt ngang cầu và
chiều dài nhịp xác định.


3

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ SỰ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU VÒM:
1.1.

GIỚI THIỆU KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

1.1.1. Các loại kết cấu ống thép nhồi bê tông
Cột thép bê tông liên hợp được định nghóa như là kết cấu chịu nén hoặc
có thể thép bọc trong bê tông hoặc bê tông nhồi trong ống thép. Tùy thuộc các
chủng loại và hình dạng có thể chia ra làm 3 loại cột liên hợp thường dùng trong
xây dựng như sau:
-

Loại 1 : Thép kết cấu (cốt cứng) được bọc bằng bê tông (a,b,c)

-

Loại 2: Bê tông nhồi trong hộp, ống thép (f,g,i)

-

Loại 3: Hỗn hợp 2 loại trên (d,h)

Hình 1.1: Các loại mặt cắt ngang kết cấu cốt thép bê tông liên hợp
Đặc điểm và phạm vi xử dụng của các loại như sau:
-

Loại 1 : Đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về phòng cháy, đơn giản
khi cần gia tăng cường độ bằng cách thêm cốt thép ở lớp bê tông ngoài.
Tuy nhiên việc kiểm tra và xử lý kết cấu thép bên trong không thể thực
hiện. Chủng loại kết cấu này phù hợp cho các công trình chịu động đất

lớn và các tải trọng ngang lặp.


4

-

Loại 2: Ống thép nhồi bê tông được sử dụng nhiều trong các trụ cầu mà
ở đó chịu các tải trọng va xe. Các vành cầu vòm, cột nhà cao tầng…kết
cấu không nhất thiết có cốt thép bên trong.

-

Loại 3: Có chức năng chống cháy cao và có được các ưu điểm của hai
loại kết cấu trên.

1.1.2. Đặc điểm làm việc của ống thép tròn nhồi bê tông chịu nén.
Trong các bộ phận của kết cấu ống thép nhồi bê tông khi chịu lực dọc trục có
các thành phần ứng suất như sau :
-

Trong bê tông : ứng suất nén dọc trục σ cBc và áp lực ngang σ r .

-

Trong ống thép : ứng suất dọc trục σ zs và ứng suất tiếp σ θs .

Nguyên nhân suất hiện áp lực ngang σ r lên bê tông và ứng suất tiếp σ θs
trong ống thép là do hệ số nở ngang của hai loại vật liệu này khác nhau, trong
đó hệ số nở ngang của bê tông luôn luôn lớn hơn thép ở mọi giai đoạn làm việc.

p lực ngang σ r lên bê tông không cho phép bê tông tự do pháp triển biến dạng
theo phương ngang và tạo trạng thái ứng suất ba chiều trong bê tông. Ở trạng
thái chịu lực ba chiều, khả năng chịu lực dọc của bê tông tăng đáng kể. Đây
chính là đặc điểm chịu lực quan trọng nhất của kết cấu ống théo nhồi bê tông.
1.1.3. Ưu điểm của kết cấu ống nhồi bê tông.
Kết cấu ống thép nhồi bê tông có một số điểm lợi thế vượt trội so với kết
cấu thép và kết cấu bê tông cốt cứng. Sự làm việc đồng thời và ứng suất phân
bố theo các hướng trong mặt cắt đạt tới mức tối ưu. Vỏ thép bên ngoài chịu kéo
và chịu uốn tốt, đồng thời độ cứng của kết cấu ống thép nhồi bê tông cũng tăng
do mô đun đàn hồi của của vỏ thép lớn hơn bê tông nhiều, cường độ chịu nén
của bê tông cũng tăng đáng kể do có hiệu ứng bó chống nở hông của ống thép,
bê tông bên trong làm giảm khả năng mất ổn định cục bộ của vỏ thép. Hiệu ứng
bó bê tông của tiết diện hình tròn lớn hơn nhiều so với vỏ thép dạng hộp chữ
nhật. Chính vì vậy dạng hình tròn thường được áp dụng nhiều hơn.
Ống thép nhồi bê tông được tính toán và thiết kế như là một kết cấu liên
hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Khi chịu cùng ứng suất như
nhau thì vật liệu bê tông nhồi trong ống thép có những ưu điểm chính sau:
-

Có cường độ chịu lực cao với kích thước nhỏ và kinh tế.


5

-

Đơn giản trong liên kết với kết cấu khác.

-

Khả năng chịu biến dạng dẽo và đảm bảo đặc tính dẽo của kết cấu.

-

Giảm mất ổn định cục bộ thường xảy ra đối với kết cấu thép.

-

Thuận lợi trong thi công chế tạo và lắp đặt.

-

Bê tông trong ống thép chịu nén cao hơn do có ống thép bên ngoài.

-

Thường thiết kế chống cháy cho bê tông không cần đề cập tới do nằm
trong thép.

-

Không cần ván khuôn, đà giáo trong khi thi công.

-

Thông thường kết cấu thép nhồi bê tông có độ giảm chấn cao hơn so với
kết cấu thép do đó tốt hơn trong các công trình ở vùng động đất.

1.2.

SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG TRÌNH CẦU VÒM TRÊN THẾ GIỚI.
Một trong những công trình giao thông sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê

tông đầu tiên trên thế giới là chiếc cầu vòm nhịp 9m ở vùng ngoại ô phía Đông
Pari được xây dựng năm 1931, người ta sử dụng các bó nhiều ống thép nhồi
bêtông. Mặt cắt ngang cầu có 2 vòm, mỗi vòm gồm 6 ống đường kính 60x
3,5mm nhồi bêtông.
Năm 1936, dưới sự chỉ đạo của viện só G.P. Pêrêdêri, chiếc cầu vượt sông
Nêva ở thành phố Xanh Pêterbua (Nga) nhịp 101m, trong đó đã ứng dụng sơ đồ
nổi tiếng giàn không thanh xiên. Tổ hợp của 40 ống thép Þ140x5mm đã cấu tạo
nên cánh trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu. Thời gian sau đó hệ bó ống
nhồi bêtông không được sử dụng nữa vì việc sản xuất phức tạp.
Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT (ống thép nhồi bê
tông)được bắt đầu thiết kế vào năm 1990. với cầu có nhịp không lớn hơn 80m,
kết cấu vòm thiết kế một ống đơn đường kính 800mm, dày 18mm theo công
nghệ CFT đã vượt được nhịp 80m.


6

Cầu San’an
(hình 1.2) hợp long
năm 1999, nhịp
chính 270m dạng
vòm với mặt cầu
chạy giữa.

Hình 1.2: Cầu San’an qua sông Yongjiang nhịp dài 270m

Cầu Yajisha (hình 1.3)

ở Guangzhou nhịp chính
dài 360m được hoàn
thành tháng 6 năm 2000,
chiếc cầu đầu tiên ở
Trung Quốc được thiết
kế sáu ống, đạt kỷ lục
thế giới.

Hình 1.3: Cầu Yajisha


7

Cầu Wuhan thứ 3
(hình 1.4) vượt sông
Hangjiang – Trung Quốc
là cầu vòm thép nhịp
170m

Hình 1.4: Cầu Wuhan thứ 3 - vượt sông Hangjiang –
Trung Quốc

Cầu Ounoura (hình 1.5)
xây dựng năm 1973, là
cầu vòm thép nhịp
196.6m - dài nhất nước
Nhật. Dầm cầu được chế
tạo sẵn trong nhà máy,
việc lắp ghép được thực
hiện trên một cảng biển,

lắp đặt vào vị trí nhờ
vào thuỷ triều.

Hình 1.5: Cầu Ounoura


8

Cầu bắc qua sông
Beipanjiang (hình 1.6)
được hoàn tất năm
2001.

Hình 1.6: Cầu bắc qua sông Beipanjiang
Tương tự Cầu Yajisha, cầu vòm Wuhan thứ 5 bắc qua sông Hanjiang
cũng có cấu trúc vòm ba nhịp. Nhịp giữa dạng vòm có mặt cầu chạy giữa và hai
nhịp biên dạng nữa vòm với mặt cầu chạy trên, sơ đồ nhịp 60,5+251+60,5m.
Cầu Fengjie Meixi ở tỉnh Sichuan, cầu vòm CFT dạng không chốt có
bản mặt cầu chạy trên nhịp chính dài 288m đạt kỷ lục về loại cầu vòm CFT có
mặt cầu chạy trên.
Cầu Felipe-II được hoàn thành vào năm 1987 để nối các phố chính ở
Barcelona. Nhịp cầu 68m, kết cấu vòm gồm 2 cặp vòm thép. Đường ôtô nằm
giữa 2 cặp vòm, đường người đi bộ nằm giữa mỗi cặp vòm.
Trong thập niên cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, ở Trung Quốc phát
triển rất mạnh về loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Bảng 1.1 thống kê một số
cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã và đang xây dựng ở Trung Quốc.


9

Bảng 1.1
Số
Tên cầu
thứ
tự
1
Cầu Yiwu
Yuanhuang tỉnh
Zhejiang
2
Cầu Yilan
Mundanjiang tỉnh
Heilongjiang
3
Cầu vượt sông
Huangbai và sông
Sialao tỉnh Hubei
4
Cầu San-an
Yongjiang tỉnh
Guangxi
5
Cầu Yongning
Yongjiang tỉnh
Guangxi
6
Cầu Yajisha bắc
qua sông
Zhujiang tỉnh
Guangzhou.

7

8

9

10

11

Năm
Tiết diện kết cấu
xây
sườn vòm
dựng
1990 Một ống đơn đường
kính 800mm, dày
18mm
Tổ hợp tam giác gồm
3 ống thép (đường
kính 600, dày 12mm)
Tổ hợp 2 ống thép
(đường kính 1000, dày
12mm)
1999

2000

Cầu Wuhan thứ 3 2000
vượt sông

Hanjiang
Cầu vòm Wuhan
thứ 5 bắc qua
sông Hangjiang
Cầu Wuzhu thứ 3
bắc qua sông
Gujiang
Cầu Fengije
Meixi ở tỉnh
Sichuan
Cầu bắc qua sông 2001
Beipanjiang gần
thành phố
Luipanshui

Với 6 ống(kỷ lục thế
giới). ng giữa
Þ=750, dày 20mm; hai
ống bên Þ =750,
dày18mm
Mỗi sườn vòm 2 ống
theo công nghệ ống
thép nhồi bê tông

Đường xe Chiều dài
chạy
vượt nhịp
vượt được
nhịp 80m
nhịp 100m

vượt nhịp
160m
Mặt cầu
chạy giữa

nhịp chính
270m

Mặt cầu
chạy giữa

nhịp chính
312m

Mặt cầu
chạy giữa

nhịp chính
360m

Mặt cầu
chạy dưới

Nhịp
chính dài
280m
Nhịp
chính dài
251m

Nhịp
chính
175m
nhịp chính
dài 288m

Mặt cầu
chạy giữa
Mỗi sườn vòm 4 ống
theo công nghệ ống
thép nhồi bê tông

Mặt cầu
chạy giữa
Mặt cầu
chạy trên

Mỗi vòm cấu tạo từ 4
ống thép Þ1000 dày
16mm, 2 vòm nghiêng
vào nhau.

Nhịp
chính dài
236m


10

Xem bảng 1.1 ta thấy công nghệ cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã nhanh

chóng phát triển tại Trung Quốc. Khả năng vượt nhịp phụ thuộc vào số lượng
ống thép nhồi bê tông tổ hợp tạo sườn vòm và phụ thuộc vào đường kính ống
thép. Ngoài ra khả năng vượt nhịp còn phụ thuộc vào kết cấu vòm (vòm 2 khớp,
vòm 3 khớp, vòm không khớp, vòm hẫng colson…). Trong số cầu vòm sử dụng
công nghệ ống thép nhồi bê tông ở Trung Quốc đã sử dụng, loại phổ biến nhất
là mặt cầu chạy giữa. Vòm 1 ống thép đơn có thể sử dụng vượt nhịp khoảng
80m, cầu Yiwu Yuan-huang. Vòm 2 ống thép kết hợp có thể dùng cho những
nhịp lớn hơn. Tiết diện vòm tổ hợp từ 3 ống thép trở lên có thể sử dụng cho
những nhịp lớn hơn 100m như: cầu Yilan Mundanjiang, Cầu Wuzhu thứ 3 bắc
qua sông Gujiang, Cầu Yajisha bắc qua sông Zhujiang tỉnh Guangzhou.
Ngoài ra còn nhiều nước khác trên thế giới đang sử dụng kết cấu ống thép
nhồi bê tông trong nhiều lónh vực xây dựng. Những năm gần đây Pháp, Cana,
Italia, Mỹ, Nga và nhiều nước khác đã quan tâm đến loại cầu kết cấu này.
1.3.

SỰ PHÁT TRIỂN CÔNG TRÌNH CẦU VÒM Ở VIỆT NAM.
Trong những năm đầu thế kỷ 21, trên đại lộ Nguyễn Văn Linh địa bàn

quận 7 thành phố Hồ Chí Minh đươc sự trợ giúp của các chuyên gia Trung Quốc
đã thiết kế, thi công một số cầu vòm với công nghệ ống thép nhồi bê tông như :
cầu ng Lớn, cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc với chiều dài nhịp 99m đã được đưa
vào sử dụng năm 2003. Thiết kế cho tải trọng H30 với 3 làn xe, kiểm toán với
tải trọng đặc biệt HK80. Vòm thép có tiết diện hình quả tạ là 2 ống thép tròn
đường kính Þ =1000, dày 12mm nối với nhau bằng bản thép, bê tông nhồi trong
ống là loại mác 500. Chiều cao vòm thép 20.291m, chiều dài nhịp tính toán
97.6m với bản mặt cầu xe chạy dưới.


11

Hình 1.7: Cầu Ông Lớn

Hình 1.8: Mô hình Cầu Đồng Trù qua sông Đuống


12

Hình 1.9: Mô hình Cầu Hàn do TEDI thiết kế


13

CHƯƠNG 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN
2.1. PHƯƠNG PHÁP THEO LÝ THUYẾT CƠ HỌC KẾT CẤU
Có thể sử dụng phương pháp lực hoặc phương pháp chuyển vị trong lý thuyết
cơ học kết cấu để tính toán các thành phần nội lực cho kết cấu cầu vòm. Dưới
đây là cách tính nội lực sườn vòm theo phương pháp lực. Trong quá trình khảo
sát và tính nội lực sườn vòm dựa vào 2 giả thiết sau:
1/ Giả thiết mặt cắt phẳng: trước và sau biến dạng mặt cắt là phẳng và thẳng
góc với trục thanh.
2/ Trong quá trình biến dạng các thớ không ảnh hưởng lẫn nhau tức là không
ép hoặc đẩy nhau.
2.1.1. Tính nội lực trong vòm có thanh kéo.
Xét hệ vòm parabol y =

4f
l2

(l − z)z có thanh kéo chịu các nguyên nhân : tải

trọng, sự thay đổi nhiệt độ, chuyển vị gối tựa.
Hệ có 1 bật tự do. Chọn hệ cơ bản của vòm như hình vẽ, bằng cách cắt thanh
kéo. Phương trình chính tắc được viết như sau :
(2.1.1)

δ11X1 + Δ1P + Δ1t + Δ1Z = 0
P

t1
t2

f

y

A

t3

B

t3

B

x

l
P

t1
t2

A
x1

x1

Hình 2.1: hệ cơ bản