Cơ chế chịu lực của cầu vòm ống thép nhồi bêtông

Đại Học Quốc Gia Tp.Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN THẾ LÂM

ĐỀ TÀI :

CƠ CHẾ CHỊU LỰC
CỦA CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG
CHUN NGÀNH

CẦU, TUYNEN VÀ CÁC CƠNG TRÌNH KHÁC
TRÊN ĐƯỜNG ÔTÔ VÀ ĐƯỜNG SẮT
MÃ SỐ NGÀNH : 2.15.10

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, tháng 10 năm 2006


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC

-------***-------

-------oOo-------

Tp. HCM, ngày tháng

năm 2006

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên

:

NGUYỄN THẾ LÂM

Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh

:

25 – 8 - 1980

Nơi sinh

:

Tp.Hồ Chí Minh

Chun ngành

:

Cầu, tuy-nen và các cơng trình xây dựng
khác trên đường ơtơ và đường sắt

Mã số ngành

:

2.15.10

Khố

:

K14

Mã số học viên

:

00103013

I- TÊN ĐỀ TÀI :
CƠ CHẾ CHỊU LỰC CỦA CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG
II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG :
1- Nhiệm vụ :
- Nghiên cứu về cơ chế chịu lực và cơng nghệ xây dựng cầu vịm
ống thép nhồi bêtơng.
- Nghiên cứu, phân tích đưa ra những cơng thức tính tốn và kiểm

tốn về khả năng chịu lực của cầu vịm ống thép nhồi bêtơng.
- Đánh giá kết quả nghiên cứu trên với qui trình tính tốn kết cấu
ống thép nhồi bêtông của Trung Quốc.


2- Nội dung :
PHẦN A : NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Chương I :
Tổng quan về kết cấu ống thép nhồi bêtơng và cầu
vịm ống thép nhồi bêtơng.
Chương II :

Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bêtơng và cầu
vịm ống thép nhồi bêtông

Chương III :
Chương IV:

Cơ chế chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bêtông
Ứng dụng thiết kế cầu vịm ống thép nhồi bêtơng

Chương V :

Kết luận

PHẦN B : TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN VÀ TÓM TẮT LÝ LỊCH
- Tiến độ thực hiện
- Tóm tắt lý lịch khoa học
III- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
IV- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :

V- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. VŨ XN HỊA
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN QUẢN
LÝ CHUN NGÀNH

TS. VŨ XN HỊA

TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY

Nội dung đề cương luận văn đã được hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày
TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

tháng

năm

TRƯỞNG KHOA QUẢN LÝ NGÀNH


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU.............................................................................................1
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ....................................................................................3
CHƯƠNG I:

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI
BÊTƠNG VÀ CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

1.1 Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bêtông (CFT) ..........................................5

1.2 Ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtơng vào xây dựng cơng trình...........6
1.2.1 Ở các nước trên thế giới.................................................................6
1.2.2 Ứng dụng tại Việt Nam................................................................15
CHƯƠNG II: ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG
VÀ CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG
2.1 Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bêtơng ................................................18
2.2 Cấu tạo chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bêtơng .....................................20
2.2.1 Khái qt về cầu vịm ................................................................20
2.2.2 Cầu vịm ống thép nhồi bêtông ..................................................23
2.2.3 Yêu cầu về vật liệu ....................................................................28
2.3 Cơng nghệ thi cơng cầu vịm ống thép nhồi bêtông ..............................29
2.3.1 Công tác chuẩn bị ......................................................................29
2.3.2 Công nghệ nhồi bêtông vào ống thép.........................................29
2.3.3 Bêtông tự đầm ...........................................................................31
2.3.4 Công tác lắp đặt chân vòm.........................................................38
2.3.5 Phương pháp xây lắp sườn vòm.................................................38
2.3.6 Trình tự các bước thi cơng cơ bản..............................................43
2.3.7 Cơng tác chống gỉ cho vỏ thép...................................................44
CHƯƠNG III: CƠ CHẾ CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU ỐNG THÉP
NHỒI BÊTÔNG
3.1 Khả năng chịu nén của bêtông trong ống thép nhồi bêtông...................45
3.1.1 Cơ cấu phá hủy trong bêtông .....................................................45
3.1.2 Nén nhiểu trục ...........................................................................47


- 1 -

3.2 Khả năng chịu của ống thép trong kết cấu ống thép nhồi bêtơng ..........51
3.2.1 Đặc tính cơ học của thép............................................................51
3.2.2 Trạng thái ứng suất của thép trong kết cấu ................................53

3.2.3 Ứng suất dư ...............................................................................53
3.3 Cơ chế truyền lực giữa bêtơng và cốt thép............................................54
3.3.1 Sự dính bám...............................................................................54
3.3.2 Liên kết cài lẫn vào nhau trên mặt phân cách.............................55
3.3.3 Ma sát........................................................................................55
3.3.4 Neo liên kết giữa ống thép và bêtông.........................................56
3.4 Sự kiềm chế bị động trong lõi bêtông ...................................................57
3.5 Cột ống thép nhồi bêtông chịu tải trọng dọc trục ..................................59
3.5.1 Cột thép ngắn nhồi bêtông .........................................................60
3.5.2 Cột thép dài nhồi bêtông ............................................................61
3.6 Ảnh hưởng của cách đặt tải đến trạng thái cơ học.................................61
3.6.1 Trường hợp đặt tải trọng lên toàn bộ mặt cắt .............................62
3.6.2 Trường hợp tải chỉ tác dụng lên mặt cắt bêtông .........................63
3.6.3 Trường hợp tải trọng chỉ tác dụng lên mặt cắt ống thép .............64
3.7 Cường độ dư trong trường hợp phá hoại cắt phẳng...............................69
3.8 Các hiệu ứng dài hạn trong cột ống thép nhồi bêtông ...........................70
3.8.1 Biến dạng theo thời gian ............................................................71
3.8.2 Co ngót, từ biến trong cột thép nhồi bêtơng ...............................71
3.9 Tính tốn ..............................................................................................73
3.9.1 Theo tiêu chuẩn của Trung Quốc ...............................................73
3.9.2 Theo nghiên cứu phương pháp của Viện Kiến Trúc Nhật Bản ...75
CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG THIẾT KẾ CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI
BÊTƠNG
4.1 Nhậ n xét các phương pháp xác định nội lực ........................................89
4.2 Tính tốn cầu vịm ống thép nhồi bêtơng ..............................................97
4.2.1 Cấu tạo cầu vòm ........................................................................97
4.2.2 Liên kết các bộ phận kết cấu của cầu .........................................97


4.2.3 Tải trọng tác dụng......................................................................98

4.2.4 Phân bố tải trọng trong kết cấu cầu vịm ....................................98
4.2.5 Sơ đồ tính tốn kết cấu...............................................................98
4.2.6 Các thông số về kết cấu .............................................................99
4.2.7 Thông số về vật liệu.................................................................100
4.2.8 Tính tốn nội lực trong sườn vịm............................................101
4.2.9 Kiểm toán ................................................................................102
CHƯƠNG V: KẾT LUẬN.....................................................................106
PHỤ LỤC 1..............................................................................................109
PHỤ LỤC 2..............................................................................................110
PHỤ LỤC 3..............................................................................................111
PHỤ LỤC 4..............................................................................................112
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................118


- 1 -

LỜI MỞ ĐẦU
Q trình tiến tới cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước địi hỏi
ngành xây dựng cầu đường phải đi đầu nhằm từng bước xây dựng, hoàn
thiện và phát triển hệ thống hạ tầng kỹ thuật làm tiền đề cho tất cả các ngành
khác phát triển.
Những cây cầu đã được xây dựng hàng nghìn năm nay, theo thời gian
công nghệ xây dựng cầu đã không ngừng phát triển đáp ứng nhu cầu xây
dựng các cơng trình cầu vượt nhịp lớn, chịu tải trọng lớn đồng thời thi cơng
nhanh trong điều kiện ngày càng khó khăn như vượt qua sông rộng, vực sâu
hay trong thành phố chật hẹp và đảm bảo giao thơng liên tục. Ngồi ra, kết
cấu cơng trình ngàu nay địi hỏi phải kết hợp với vẻ đẹp kiến trúc.
Trong khoảng 10 năm gần đây, Việt Nam đã có nhiều cây cầu thi
cơng với cơng nghệ hiện đại: cầu dầm liên tục tiết diện hộp bêtông cốt thép
dự ứng lực thi công đúc hẫng, đúc đẩy, cầu khung dầm bêtông cốt thép dự

ứng lực, cầu treo có khớp xoay ở trụ, cầu treo dây văng, dây võng, cầu vịm
ống thép nhồi bêtơng. Với những cơng nghệ thi công hiện đại cho phép
những cây cầu vượt được nhịp lớn và tạo được nhiều kiểu dáng đẹp phù hợp
với môi trường tự nhiên trong vùng, tạo thành một quần thể kiến trúc đẹp.
Cầu vòm sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông là lọai kết cấu nhịp
được sử dụng đầu thế kỷ 20. Năm 1931 người Pháp đã sử dụng kết cấu đó
để xây dựng một cây cầu vịm ở phía đơng thành phố Pari. Vào những năm
30-40 một số cơng trình sử dụng kết cấu này cũng đã được xây dựng và đã
thể hiện rất nhiều ưu điểm về khả năng làm việc của kết cấu. Nhưng do trình
độ của các ngành cơng nghiệp chế tạo, vật liệu lúc ấy giờ đang còn rất nhiều
hạn chế. Việc chế tạo ra các kết cấu thép để phục vụ cho các kết cấu bê tông
vào trong các kết cấu và thậm chí việc duy tu, bão dưỡng các kết cấu đó
thực sự khơng đơn giản chút nào. Và vì thế nên các kết cấu này đã khơng
được sử dụng rộng rãi trong xây dựng giao thơng. Loại hình kết cấu này
được dùng nhiều trong các kết cấu cột nhà cao tầng.
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp
chế tạo vật liệu thép, vật liệu sơn có độ bền cao. Các kết cấu thép hồn hảo
ln ln sẵn đáp ứng các nhu cầu sử dụng và bên cạnh đó là sự ra đời của
các loại vật liệu bê tông chất lượng cao (R > 50 Mpa), có độ đặc, khả năng
linh động cao và đặc biệt là khả năng tự đầm. Chính vì thế mà trong những
năm gần đây các nước châu Âu, châu Mỹ như Pháp, Mỹ, Bỉ,… đã rất quan
tâm đến loại kết cấu này, đặc biệt là trong các công trình xây dựng có qui
mơ lớn, u cầu về mỹ quan.


- 2 -

Cầu vịm ống thép nhồi bêtơng có khả năng vượt nhịp vừa, có kiến
trúc thanh mảnh, nhẹ nhàng. Đối với Việt Nam, loại kết cấu này còn rất mới
mẻ, chưa được ứng dụng để xây dựng nhiều.Việc nghiên cứu những đặc

điểm về cấu tạo, tính tốn kết cấu và cơng nghệ thi cơng cầu vịm ống thép
nhồi bêtơng hiện nay là vấn đề cần được quan tâm đúng mức để chúng ta có
thể tiếp cận, làm chủ được công nghệ thiết kế và thi công loại kết cấu này
hòa nhập với sự phát triển của các nước trong khu vực và thế giới.
Trải qua thời gian học tập tại trường Đại Học Bách Khoa TP.Hồ Chí
Minh, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với sự định hướng nội dung nghiên
cứu của Tiến sĩ Vũ Xuân Hòa. Bên cạnh đó tác giả cũng cám ơn sự cổ vũ
động viên từ phía gia đình, bạn bè trong suốt quá trình học tập và làm luận
văn.
TP.HCM, ngày 30 tháng 9 năm 2006
Tác giả luận văn

Nguyễn Thế Lâm


- 3 -

TĨM TẮT ĐỀ TÀI
Cầu vịm sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông là lọai kết cấu nhịp
được sử dụng đầu thế kỷ 20. Nhưng do trình độ kỹ thuật và các ngành công
nghiệp chế tạo vật liệu lúc ấy giờ đang cịn hạn chế, việc tính tốn và chế
tạo ra vật liệu thép và bêtông để phục vụ cho các kết cấu ống thép nhồi bê
tông thực sự khơng đơn giản chút nào. Vì thế, các kết cấu này đã không
được sử dụng rộng rãi trong xây dựng và giao thông.
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp chế
tạo vật liệu thép, vật liệu bê tông chất lượng cao mà các nước trên thế giới
đã bắt đầu quan tâm đến loại kết cấu này, đặc biệt là trong các cơng trình
xây dựng có qui mơ lớn, u cầu về mỹ quan.
Kết cấu ống thép nhồi bêtơng có nhiều ưu điểm so với kết cấu thép và
bêtông cốt thép thông thường. Một trong những ưu điểm chính của kết cấu

này là sự tác động qua lại giữa ống thép và lõi bêtông : sự uốn cục bộ của
ống thép được hạn chế do sự liên kết với bêtông và khả năng chịu tải của
bêtông cũng được tăng lên do hiệu ứng kiềm chế của ống thép.
Trong phạm vi luận văn này sẽ đề cập đến cơ chế làm việc, sự tác
động qua lại giữa bêtông và ống thép, vật liệu bêtông tự đầm, biện pháp thi
cơng, tính tốn kết cấu cầu vịm theo tiêu chuẩn mới từ đó rút ra một số kết
luận và kiến nghị nhằm góp phần làm sáng tỏ thêm về loại kết cấu mới này.

THE SUMMARY
Early in the twentieth century, concrete filled steel tubes were
extensively used to make arch bridges. However, due to the limitation of
technical knowledge and the material production industry at that time
calculating and producing steel and concrete materials for concrete filled
steel tube constructions were quite complicated. Therefore, this kind of
structure was not widely used in construction and transport then.
With the rapid development of the steel material production and high
quality concrete material industry many countries around the world have
concerned more about this structure, especially in the big scale constructions
which often requires good looks.


- 4 -

The concrete-filled steel tube (CFT) column system has many
advantages over the ordinary steel or the reinforced concrete system. One of
the main advantages is the interaction between the steel tube and concrete:
local buckling of the steel tube is delayed by the restraint of the concrete,
and the strength of concrete is increased by the confining effect of the steel
tube.
This thesis is going to study the working mechanism, the interaction

between concrete and steel tubes, self compacting concrete materials,
executing methods, and the arch bridge’s structure calculating following the
new standard. The thesis finally comes up with conclusions and some
recommendations in order to make this new structure more obvious.


- 5 -

CHƯƠNG I :

TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI
BÊTƠNG VÀ CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG
1.1 CẤU TẠO KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG (CFT)
Kết cấu ống thép nhồi bêtông (concrete filled steel tube – CFT) là kết
cấu mà trong đó người ta nhồi bê tơng vào trong các ống thép mỏng để hai
vật liệu cùng tham gia làm việc. Trong một số trường hợp, để phát huy khả
năng làm việc của bê tông, người ta đã đưa thêm cốt thép vào kết cấu bê
tông nhồi ống thép.
Kết cấu bê tông ống thép cũng như kết cấu bêtông cốt thép là một kết
cấu hỗn hợp mà trong đó bê tơng và thép cùng làm việc. Khi bê tơng được
nhồi vào trong ống thép thì sự làm việc của kết cấu sẽ có một số khác biệt so
với kết cấu BTCT. Và cũng như kết cấu BTCT khả năng chịu nén, nén uốn
của kết cấu là rất lớn.
oáng thép

lo?
i bêtông

ống thép

Hình 1.1 – Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bêtơng

lo?
i bêtông


- 6 -

Lõi bêtơng

Vỏ thép

Hình 1.2 – Mặt cắt ngang tiết diện ống thép nhồi bêtông
Việc sử dụng cột ống thép nhồi bêtông được Sewell công bố vào năm
1901. Lý do của Sewell là sử dụng bêtông để chống gỉ bên trong của cột ống
thép, tuy nhiên các cột này đã chịu được tải trọng ngẫu nhiên quá lớn.
1.2 ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG VÀO XÂY
DỰNG CÔNG TRÌNH
1.2.1 Ở các nước trên thế giới
Nhiều cơng trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống
thép nhồi bê tông cho những cấu kiện chịu nén. Đầu năm 1937, kết cấu ống
thép nhồi bêtông đã được sử dụng rộng rãi để xây dựng các cầu vòm ở Liên
Xơ, .điển hình là tổ hợp của 40 ống thép φ140x50mm đã cấu tạo nên cánh
trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu dài 101m vượt sông Nêva ở thành
phố Xanh Pêterbua vào năm 1936. Trong năm 1940, cầu đường sắt bắc qua
sông Ixet gần thành phố Kamenskơ - Uranski với nhịp chính dài 140m dạng
vịm cao 22m, giá thành giảm 20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bê
tơng, cánh vịm được thiết kế bằng ống thép CT3 φ820x13mm.
Vào năm 1931, một trong những kết cấu đầu tiên sử dụng công nghệ
ống nhồi bê tông đã được xây dựng ở ngoại ơ Paris, cầu vịm nhịp 9m với

hai vòm được kết cấu gồm 6 ống cho mỗi vịm. Vào những năm 30-40 một
số cơng trình sử dụng kết cấu này cũng đã được xây dựng và đã thể hiện rất
nhiều ưu điểm về khả năng làm việc của kết cấu. Nhưng do trình độ của các
ngành cơng nghiệp chế tạo, vật liệu lúc ấy giờ đang còn rất nhiều hạn chế.
Việc chế tạo ra các kết cấu thép để phục vụ cho các kết cấu bê tông vào
trong các kết cấu và thậm chí việc duy tu, bão dưỡng các kết cấu đó thực sự


- 7 -

khơng đơn giản chút nào. Và vì thế nên các kết cấu này đã không được sử
dụng rộng rãi trong xây dựng giao thơng. Loại hình kết cấu này được dùng
nhiều trong các kết cấu cột nhà cao tầng.
Ngày nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của các ngành công nghiệp
chế tạo vật liệu thép, vật liệu sơn có độ bền cao. Các kết cấu thép hồn hảo
luôn luôn sẵn đáp ứng các nhu cầu sử dụng và bên cạnh đó là sự ra đời của
các loại vật liệu bê tông chất lượng cao (R > 50 Mpa), có độ đặc, khả năng
linh động cao và đặc biệt là khả năng tự đầm. Chính vì thế mà trong những
năm gần đây các nước châu Âu, châu Mỹ như Pháp, Mỹ, Bỉ,… đã rất quan
tâm đến loại kết cấu này, đặc biệt là trong các cơng trình xây dựng có qui
mơ lớn, u cầu về mỹ quan.
Vào những năm của thập niên 60, ống nhồi bê tông bắt đầu được
nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi trong xây dựng cơng trình ở Trung
Quốc. Từ năm 1990 đến năm 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật (CECS28-90,
DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đã tạo nhiều
điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tơng
trong xây dựng cơng trình.
Ở Trung Quốc, cầu dạng vịm ứng dụng cơng nghệ ống thép nhồi
bêtơng được bắt đầu thiết kế vào năm 1990. Với cầu có nhịp khơng lớn hơn
80m, kết cấu vịm được thiết kế với một ống đơn. và từ đó đến nay có hơn

200 cây cầu sử dụng kết cấu này được xây dựng tại Trung Quốc.
Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Chiết Giang được thiết kế dạng vòm với
một ống đơn đường kính 0,8m, ống thép dày 18mm theo cơng nghệ ống
thép nhồi bêtông đã vượt được nhịp 80m.
Khi cần vượt nhịp lớn hơn và
yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm
được thiết kế với hai ống thép liên kết
với nhau. Nhịp 100m của cầu Yilan
Mudanjiang thuộc tỉnh Hắc Long
Giang có kết cấu dạng vịm, tiết diện
ngang hình tam giác, cấu tạo từ ba
ống (đường kính 600mm, ống thép
dày 12mm) được liên kết chặt chẽ với
nhau theo suốt chiều dài. Cầu vượt
Sông Huangbai và sông Xia lao thuộc
tỉnh Hồ Bắc, thiết kế với bốn ống
vượt nhịp 160m, mỗi vòm gồm hai
ống φ1000, dày 12mm.

Hình 1.3 – Cầu Yilan Mudanjiang,
Trung Quốc.


- 8 -

Cầu Sanan Yongjiang thuộc tỉnh Quảng Tây, hợp long vào năm 1999,
nhịp chính 270m dạng vịm với mặt cầu chạy giữa. Vào thời điểm này, cầu
Sanan Yongjiang đạt kỷ lục của cầu dạng vòm. Cầu Yongning Yongjiang ở
tỉnh Quảng Tây có kết cấu vịm tương tự cầu Wanxian. Nhịp chính 312m
dạng vịm có mặt cầu chạy giữa.

Cầu Beichuan, nằm ở trung tâm thành phố Xining, Trung Quốc, vượt
nhịp 90m, gồm 2 vịm chính, mỗi vịm gồm 4 ống thép dày 10mm nhồi
bêtơng , đường kính vịm 0,65m

Hình 1.4 - Cầu Beichuan, Xining, China.
Cầu Yajisha ở Quảng Đông, nhịp hình 360m được khánh thành vào
tháng 6 năm 2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống,
đạt kỷ lục thế giới.
Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Nam tỉnh Quảng
Đông bắc qua sơng Zhujiang. Phần cầu chính với sơ đồ phân nhịp
76+360+76m, dạng cầu vòm mở rộng. Nhịp giữa dạng vòm bản mặt cầu
chạy giữa, hai nhịp biên dạng nửa vòm với bản mặt cầu chạy trên. Nhịp giữa
có kết cấu dạng vịm treo khơng chốt, chiều dài nhịp tính tốn 344m, đường
tên của vòm 76,45m. Mặt cắt ngang vòm được thiết kế với 6 ống thép. ống


- 9 -

giữa đường kính 750mm, dày 20mm, hai ống hai bên đường kính 750mm,
dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo phương ngang là 12mm; các bộ phận
của sườn vịm bao gồm các ống thẳng đứng có kích thước φ450x12mm và
các ống nghiêng có kích thước φ351x10mm. Tiết diện ngang của vịm có
chiều rộng khơng thay đổi 4,35m. Chiều cao thay đổi từ 4m tại đỉnh vòm
đến 8,039m tại chân vòm. Đoạn ống tại chân vòm, phần liên kết với kết cấu
trụ có chiều dày 36mm. Theo phương ngang cầu, hai vòm cách nhau
35,95m được liên kết bằng sáu hệ liên kết ngang dạng chéo và hai hệ liên
kết ngang dạng chữ K. Hai nhịp biên có kết cấu dạng nửa vịm với chiều dài
nhịp tính tốn 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5m, rộng
3,45m. Hệ nhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang
dạng chéo và một hệ liên kết ngang dạng chữ K. Hai nửa vòm biên được đặt

trên gối chậu di động tại trụ biên.
Hai nửa vòm cầu Yajisha được chế tạo riêng biệt trên không dọc theo
hai bên bờ. Hai nửa vịm nhịp chính được nâng lên đến cao độ thiết kế bằng
cách xoay tất cả theo phương đứng một góc 24,7o; rồi xoay theo phương
ngang đến vị trí thiết kế.
Ống thép được nhồi bê tơng C60 có phụ gia trương nở. Phụ gia chậm
ninh kết được trộn vào bê tông đế
tăng khả năng làm việc của bê
tông. Tỉ lệ nước xi măng là 0,35
với độ sụt 18-20cm.
Kết cấu bản mặt cầu được
cấu tạo từ các dầm có tiết diện T
đôi, dầm ngang bằng thép đặt cách
nhau 8m và 4 dầm dọc bằng thép.
Lớp phủ mặt cầu dày 12cm bao
gồm 4cm lớp bê tông nhựa tạo
phẳng và 8cm lớp bê tơng cốt sợi.
Trong số những cầu vịm
được hồn tất ở Trung Quốc, đặc
biệt cầu vòm kiểu ống thép nhồi
bêtơng, loại cầu có mặt cầu chạy
giữa chiếm số lượng nhiều nhất,
kế đến là loại cầu có mặt cầu chạy
trên và sau cùng là kiểu cầu có mặt
cầu chạy dưới.
Cầu Wuhan thứ 3 vượt sơng
Hanjiang (một nhánh của sơng

Hình 1.5 – Cầu Yajisha, Quảng
Đông, Trung Quốc

- 10 -

Trường Giang) thuộc loại cầu vịm có mặt cầu chạy dưới. Vịm có mặt cắt
khơng đổi được cấu tạo từ 4 ống theo công nghệ ống thép nhồi bêtơng. Nhịp
chính dài 280m, được hồn thành vào năm 2000, đạt kỷ lục thế giới về loại
cầu vòm ống thép nhồi bêtơng có mặt cầu chạy dưới.

Hình 1.6 – Cầu Wuhan thứ 3, bắc qua sông Hanjiang, Trung Quốc
Tương tự cầu Yajisha, cầu vịm Wuhan thứ 5 bắc qua sơng Hanjiang
cũng có cấu trúc vịm 3 nhịp. Nhịp giữa dạng vịm có mặt cầu chạy giữa và
hai nhịp biên dạng nửa vòm với mặt cầu chạy trên, sơ đồ phân nhịp
60,5m+251m+60,5m.
Cầu Wuzhu thứ 3 bắc qua sơng Gujiang, cầu vịm ống thép nhồi
bêtơng có dạng tương tự cầu Yajisha. Nhịp chính 175m, được thi cơng với
sai số của việc lắp đặt 8 ống vịm chính chỉ là 3mm.
Cầu Fengjie Meixi ở tỉnh Sơn Đơng, cầu vịm ống thép nhồi bêtơng
dạng khơng chốt với bản mặt cầu chạy trên, nhịp chính dài 288m đạt kỷ lục
thế giới về loại cầu vòm CFT có 1 mặt cầu chạy trên.
Cầu Beipanjiang gần thành phố Luipanshui ở phía Tây tỉnh Guizhou
Trung Quốc đã được thi cơng xoay quanh gối chính và hồn tất thành công
vào tháng 01/2001.


- 11 -

Nhịp chính dài 236m
đạt kỷ lục thế giới đối với cầu
đường sắt đơn dạng vòm

bằng thép ống nhồi bê tông.
Cầu nặng nhất được xây dựng
bằng phương pháp xoay
ngang gối chính. Vịm cầu
gồm hai nhánh, tại chân vịm
khoảng cách giữa hai nhánh
rộng 19,60m và giảm dần đến
đỉnh vòm còn 16,16m. Trục Hình 1.7 – Cầu Beipanjiang, Trung Quốc
vịm có dạng đường cong dây
xích. Mỗi nhánh 1 vịm được cấu tạo với bốn ống thép có đường kính
1000mm dày 16mm. Bốn ống thép được hàn liên kết với nhau nhờ những
tấm thép và những thanh giằng chéo bằng thép hình tiết diện chữ H để tạo
thành hình chữ nhật rỗng rộng 2,5m và cao 5,4m. Hai nhánh vòm được liên
kết nhờ 13 hệ tăng cường ngang nham đảm bảo tính ổn định về hình dáng
của kết cấu.
Những cơng trình nêu trên đã chứng minh khả năng vượt nhịp lớn của
loại cầu vịm với cơng nghệ thi cơng sử dụng kết cấu thép nhồi bêtông ngày
càng cao, chiều dài nhịp 550m (cầu Lu pu - Shanghai) hình 1.8, thậm chí
cịn lớn hơn nữa.


- 12 -

Hình 1.8 – Cầu Lupu, Thượng Hải, Trung Quốc (nhịp 550m)

Hình 1.9 - Cầu Wanxian, Trung Quốc (nhịp dài 420m)
Ngoài ra, kết cấu với kiểu dáng thanh mảnh mang đậm nét kiến trúc
cũng góp phần tạo mỹ quan cho khu vực xây dựng.

- 13 -

Hình 1.10 – Cầu ống thép nhồi bêtơng với kết cấu thanh mảnh, nhẹ nhàng

Hình 1.11 – Cầu bắc qua một nhánh sông Trường Giang, Trung Quốc sử
dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông


- 14 -

Không chỉ sử dụng xây dựng các công trình cầu, tại Nhật Bản, kết cấu
ống thép nhồi bêtơng được ứng dụng khá phổ biến để xây dựng các cơng
trình khác như các tịa nhà, các cao ốc …

Hình 1.12 - Ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông trong cơng trình dân
dụng (cột tiết diện trịn)

Hình 1.13 - Ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông trong công trình dân
dụng (tiết diện chữ nhật)


- 15 -

Các cột ống thép nhồi bêtông ngày càng được áp dụng nhiều trên thế
giới. Dạng cột này có nhiều lợi thế như cường độ cao, tính mềm dẻo, khả
năng chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng, tăng độ an toàn và sử dụng
các kiểu liên kết đơn giản.

Hình 1.14 – Tồ nhà Sannomiya Intes, Nhật Bản, sử dụng kết cấu ống thép
nhồi bêtơng

Hình 1.15 – Tồ nhà Sannomiya Grand Building, Nhật Bản, sử dụng kết cấu
ống thép nhồi bêtơng
1.2.2 Ứng dụng tại Việt Nam
Q trình tiến tới cơng nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước địi hỏi
ngành xây dựng cầu đường phải đi đầu nhằm từng bước xây dựng, hoàn
thiện và phát triển hệ thống hạ tầng kỹ thuật làm tiền đề cho tất cả các ngành
khác phát triển.
Trong khoảng 10 năm gần đây, Việt Nam đã có nhiều cây cầu thi
cơng với cơng nghệ hiện đại: cầu dầm liên tục tiết diện hộp bêtông cốt thép


- 16 -

dư ứng lực thi công đúc hẫng, đúc đẩy, cầu khung dầm bêtông cốt thép dư
ứng lực, cầu treo có khớp xoay ở trụ, cầu treo dây văng, dây võng, cầu vịm
ống thép nhồi bêtơng, ... Với những công nghệ thi công hiện đại cho phép
những cây cầu vượt được nhịp lớn và tạo được nhiều kiểu dáng đẹp phù hợp
với môi trường tự nhiên trong vùng, tạo thành một quần thể kiến trúc đẹp.
Đối với Việt Nam loại cầu sử dụng kết cấu ống thép nhồi bêtông vẫn
cịn ít sử dụng. Tuy nhiên với những ưu điểm của lọai kết cấu này trong
tương lai kết cấu ống thép nhồi bêtông sẽ được ứng dụng nhiều trong các
công trình cầu cũng như các cơng trình dân dụng tại Việt Nam.
Trong những năm gần đây, trên đại lộ Nguyễn Văn Linh, quận 7,
Thành phố Hồ Chí Minh, được sự giúp đở của các chuyên gia Trung Quốc
đã thiết kế và xây dựng một số cầu vịm với cơng nghệ ống thép nhồi bêtơng
như Cầu Ơng Lớn, cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc với chiều dài nhịp 99m, tải
trọng thiết kế H30, 2 ống thép đường kính 1,0m dày 12mm được nhồi
bêtơng Mác 500.

Hình 1.16 – Cầu Ơng Lớn, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam


- 17 -

Hình 1.17 – Cầu Ơng Lớn, Thành phố Hồ Chí Minh, Việt Nam
Hiện nay quy trình thiết kế và thi công kết cấu ống thép nhồi bêtông
tại Việt Nam chưa được nghiên cứu, hiện tại các cơng trình ứng dụng kết
cấu này tại Việt Nam do nước ngoài tính tốn thiết kế và thi cơng. Một số
cơng ty thiết kế lớn tại Việt Nam cũng đã đưa ra được một số quy trình để
ứng dụng kết cấu này tuy nhiên các quy trình trên có tính chất nội bộ, ứng
dụng riêng cho từng cơng trình chưa thể áp dụng một cách rộng rãi. Chúng
ta cần nghiên cứu kỹ hơn về phương pháp tính tốn, biện pháp thi cơng...
liên quan đến cơng nghệ này để có thể tạo được bước chuyển biến cho
ngành cầu ở Việt Nam.


- 18 -

CHƯƠNG II :

ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG VÀ
CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊTƠNG
2.1 ĐẶC ĐIỂM KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG
Trong kết cấu ống thép nhồi bêtông, chất lượng của bêtông ở trong
ống thép cũng sẽ tốt hơn rất nhiều so với bê tơng ngồi cùng loại. Khi
bêtơng được nhồi vào trong ống thép thì nước sẽ bốc hơi không đáng kể, sự
chênh lệch nhiệt độ ở mặt ngồi và trong lõi bê tơng cũng khơng nhiều vì
thế cho ra một sản phẩm bê tơng chất lượng tốt cũng như độ đặc sít cao hơn
và tính chất này của kết cấu sẽ được phát huy rõ rệt khi sử dụng các loại

bêtơng chất lượng cao.
Chính vì sự cách ly của bêtơng trong ống với mơi trường bên ngồi,
trong q trình ninh kết thì bêtơng trong ống lại xảy ra hiện tượng trương nở
thể tích. Do đó lõi bê tơng và vỏ thép lại được liên kết chặt với nhau và bảo
vệ tốt cho mặt trong của ống thép chống lại sự ăn mòn.
Khi kết cấu ống thép nhồi bêtơng chịu nén, có sự tác động qua lại
giữa ống thép và lõi bêtơng, do đó nhờ tính chất trên nên kết cấu bê tơng
ống thép có khả năng chịu nén tốt hơn kết cấu bêtông cốt thép thơng thường,
nó giúp chúng ta có thể giảm trọng lượng kết cấu, tạo ra các kết cấu thanh
mảnh hơn, mà lại tiết kiệm vật liệu. Đặc biệt kết cấu bêtông ống thép cho
phép giảm khối lượng ván khuôn thi công xuống tối thiểu và đẩy nhanh tiến
độ thi công, giảm thời gian chiếm dụng công trường. Do đặc trưng kết cấu
có trọng lượng nhẹ nên việc thi cơng cũng dễ dàng hơn. Với khẩu độ nhịp
cầu trong khoảng 60m – 150m thì việc sử dụng kết cấu bê tơng ống thép có
thể làm giảm giá thành cơng trình tới 20% - 30%.
Ưu điểm quan trọng hơn hết là kết cấu bê tơng ống thép có thể tạo ra
được các cơng trình xây dựng lớn (những cây cầu vịm vượt nhịp lớn, những
tháp cao chọc trời…) mà lại có kết cấu mềm mại nhẹ nhàng thanh thoát, phù
hợp với kiến trúc đô thị.
Khi so sánh kết cấu ống thép nhồi bêtơng với kết cấu bê tơng có tiếp
xúc với mơi trường bên ngồi thì bê tơng trong ống thép có đặc điểm:
- Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần;
- Bê tông trong ống thép không bị co ngót mà bị trương nở vì khơng
có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tơng và mơi trường bên ngồi;


- 19 -

- Sau 2-3 ngày tuổi thì khơng xuất hiện thêm vết nứt;
- Tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi;

- Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu
kiện bê tông cốt thép;
- Không cần copfa trong thi công;
- Kết cấu ống thép nhồi bê tơng có tính chịu mỏi, chịu va đập tốt hơn
hẳn kết cấu bêtông cốt thép thường;
- Khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu BTCT thường, nhờ
vào tính dẻo của kết cấu và khả năng giảm trọng lượng bản thân;
- Kết cấu ống thép nhồi bê tông khơng có cốt thép dọc và cốt thép đai
do đó tiết kiệm được thời gian thi cơng và q trình đầm nén bê tông cũng
dễ dàng.
Khi so sánh với kết cấu thép dạng ống thì kết cấu ống thép nhồi
bêtơng có ưu điểm :
- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép do có sự liên kết với
lõi bêtơng.;
- Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn;
- Giảm độ mảnh của cấu kiện;
- Khả năng chịu nhiệt độ tốt hơn.
Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở kết cấu ống
thép nhồi bêtơng có ưu điểm:
- Mặt ngồi của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí
sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn;
- Độ bền chống rỉ cao hơn;
- Khả năng ổn định đều hơn;
- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió;
- Tăng độ cứng chống xoắn.