Luận văn thạc sĩ nghiên cứu ứng xử cầu treo thuận phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC
DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN
VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG

ĐÀ NẴNG, NĂM 2019


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC
DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN
VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC

Chun ngành
Mã số

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN LAN

ĐÀ NẴNG, NĂM 2019

LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố
trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Trần Quốc Hùng


TÓM TẮT LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO NHIỆT ĐỘ
TRÊN MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC
Học viên: Trần Quốc Hùng. Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thơng
Mã số: 85.80.205. Khóa: K36.XGT. Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN
Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của
môi trường. Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay
đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên
ứng xử kết cấu càng lớn. Phân tích và thiết kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính
phi tuyến hình học của hệ thống. Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ
thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến
trong đánh giá cầu. Luận văn này nghiên cứu ứng xử cầu do tải trọng nhiệt độ tác động đối với cầu
thông qua dữ liệu thu thập từ hệ thống quan trắc. Đồng thời cũng để kiểm chứng và so sánh giữa
mơ hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc cũng như so sánh hiệu ứng tải trọng nhiệt độ theo các
tiêu chuẩn 22TCN 18-79, AAHTO LRFD-07, TCVN 11823:2017, Eurocode EN 1991-1-5, China
JTG D60-2004. Kết quả nghiên cứu cho thấy tải trọng nhiệt độ đối với kết cấu cầu Thuận Phước
gây ứng suất, biến dạng tương đối lớn so với hiệu ứng do hoạt tải khai thác và kết quả quan trắc
ứng suất phù hợp với kết quả phân tích trên mơ hình phần tử hữu hạn (CSi)..
Từ khóa: phần tử hữu hạn (PTHH); nhiệt độ thay đổi (TU); Hiệu ứng lực; Quan trắc sức khỏe
kết cấu; Cảm biến nhiệt độ.

RESEARCH TREATMENT APPROACHING PHUOC PHUOC BY
TEMPERATURE ON THE PERFORMANCE PARAMETER MODEL AND
MONITORING DATA
Abstract: The suspension bridge structure is capable of long span but is sensitive to environmental
impacts. Thuan Phuoc bridge, Da Nang city located in the Central Region has a relatively large
temperature change amplitude, the main span structure is made of steel material so the greater the effect
of temperature on the structural behavior. Analysis and design of suspension bridge structure is often
very complicated due to the geometrical nonlinearity of the system. The long span length of the steel
girder together with the super-static level of the system makes the effect of temperature on global
behavior quite complicated and needs to be considered in the bridge evaluation. This thesis studies the
behavior of bridges due to the temperature load affecting the bridge through data collected from the
structural heath monitoring system. At the same time, it is also to verify and compare between finite
element model and monitoring data as well as comparison between standards 22TCN 18-79, AAHTO
LRFD-07, TCVN 11823: 2017, Eurocode EN 1991-1- 5, China JTG D60-2004. Research results show
that the temperature load for Thuan Phuoc bridge structure causes stress due to temperature larger than
actual live loads. Deformation and stress monitoring results are similar to the results of analysis on the
finite element model (CSi). ..

Keyword:The Finite element method (FEM); Temperature Uniform (TU); Force effects;
Structural heath monitoring; Tempereture sensor.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
TÓM TẮT LUẬN VĂN
MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC CÁC BẢNG
DANH MỤC CÁC HÌNH

MỞ ĐẦU...................................................................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài........................................................................................................................... 1
2. Mục tiêu đề tài................................................................................................................................ 1
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu............................................................................................................ 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG................................ 2
1.1. Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng........................................................... 2
1.2. Các dạng kết cấu cầu treo dây võng........................................................................................ 10
1.2.1. Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang.......................................................................... 13
1.2.2. Cầu treo một nhịp................................................................................................................ 13
1.2.3. Cầu treo ba nhịp................................................................................................................... 13
1.2.4. Cầu treo dầm cứng khơng có lực đẩy ngang............................................................ 14
1.2.5. Cầu treo nhiều nhịp............................................................................................................ 15
1.2.6. Cầu treo được tăng cường độ cứng.............................................................................. 17
1.2.7. Cầu dàn dây........................................................................................................................... 24
1.3. Kết cấu nhịp chính cầu treo dây võng Thuận Phước......................................................... 27
1.3.1. Vị trí xây dựng..................................................................................................................... 27
1.3.2. Quy mơ cơng trình.............................................................................................................. 28
1.3.3. Cầu dẫn................................................................................................................................... 28
1.3.4. Cầu chính............................................................................................................................... 30
1.4. Kết luận Chương 1......................................................................................................................... 32
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO DO
TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ.................................................................................................................. 34
2.1. Cơ sở phương pháp PTHH trong tính tốn kết cấu............................................................ 34
2.2. Phân tích kết cấu cầu treo dây võng bằng phần mềm SAP2000................................... 36
2.2.1. Mơ hình phần tử thanh khơng gian.............................................................................. 37
2.2.2. Mơ hình phần tử cáp.......................................................................................................... 38
2.2.3. Mơ hình phần tử liên kết/gối đỡ (link/support elements).................................... 39

2.3.

2.4.

Mô phỏng tải trọng nhiệt độ khi thiết kế cầu .......................................
2.3.1. Theo 22TCN 18-79 ......................................................................
2.3.2. Theo AASHTO LRFD-07.............................................................
2.3.3. Theo TCVN 11823:2017 .............................................................
2.3.4. Theo Eurocode EN 1991-1-5 .......................................................
2.3.5. Theo tiêu chuẩn China JTG D60-2004 ........................................
Kết luận Chương 2..................................................................................

CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO TẢI
TRỌNG NHIỆT ĐỘ VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ QUAN TRẮC .....................
3.1.
Giới thiệu chung về cầu treo Cầu Thuận Phước....................................
3.1.1. Sơ đồ cầu .....................................................................................
3.1.2. Mô tả kết cấu ...............................................................................
3.1.3. Quy mô và thông số kỹ thuật cơng trình .....................................
3.2.
Tổng quan hệ thống quan trắc cầu Thuận Phước ..................................
3.3.
Mơ hình hóa kết cấu cầu treo thuận phước trong SAP2000. .................
3.3.1. Thơng số mơ hình hóa kết cấu: ....................................................
3.3.2. Một số kết quả phân tích nội lực: .............................................
3.4.
Kết quả phân tích hiệu ứng tải trọng nhiệt độ cầu treo thuận phước. ..
3.4.1. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo TCVN 11823-2017
3.4.2. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo 22TCN 18-79 : ......
3.4.3. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo AASHTO LRFD-07

3.4.4. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ Theo Eurocode EN 1991
3.4.5. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo Tiêu chuẩn China J
2004 ...............................................................................................................................
3.5.
Kết quả quan trắc nhiệt độ và biến dạng cầu treo thuận phước. ..........
3.6.
So sánh kết quả quan trắc - phân tích ....................................................
3.7.
Tổng hợp kết quả ...................................................................................
3.7.1. Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất do nhiệt độ theo c
chuẩn thiết kế ở bảng sau: .............................................................................................
3.7.2. Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất theo quan trắc thực
tích trên mơ hình FEM ..................................................................................................
3.8.
Kết luận chương ....................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)

DANH MỤC CÁC TỪ


VIẾT TẮT
AASHTO
PTHH
TCN
TU

American Association of State Highway and Transportation Officials

Phần tử hữu hạn
Tiêu chuẩn ngành
Temperature Uniform


DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu
bảng
1-1:
1-2:

Các tai nạn c

Các cơng trìn
nhau

2-1:

Thay đổi nhi

2-2:

Chênh nhiệt

2-3:

Nhiệt độ thay

2-4:

Chênh nhiệt

2-5:

Chênh nhiệt


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình
1-1:

Cầu qua vịn

1-2:

Sự sụp đổ cầ

1-3:

Cầu Brookly

1-4:

Cầu G.Wash

1-5:

Cầu Golden

1-6:

Cầu Tacoma

1-7:

Cầu Akashi-

-18:

Một số sơ đồ

1-9:

Cầu Severn

1-10:

a) Sơ đồ biế

b) Cầu có kh

1-11:

Biến dạng củ

1-12:

Sơ đồ cầu tr

1-13:

Các sơ đồ cầ

1-14:

Các sơ đồ cầ

1-15:

Các sơ đồ cầ

1-16:

Các biện phá

1-17:

Cầu Tancarv

1-18:

Cầu Mambe

1-19:

Cầu Severn

1-20:

Cầu có dây c

1-21:

Cầu có sơ đồ

1-22:

Cầu có sơ đồ


1-23:

Các biện phá

1-24:

Dàn dây kiể

1-25:

Dàn dây có

1-26:

Dàn dây tam

1-27:

Cầu Thuận

1-28:

Bố trí chung

1-29:

Cấu tạo cáp


Số hiệu
hình
1-30:

Cáp treo

1-31:

Tháp cầu

1-32:

Mố neo

2-1:

Qui ước dấ
SAP2000

2-2:

Mơ hình phầ

2-3:

Hộp thoại vẽ

2-4:

Hộp thoại đị
SAP2000

2-5:

Sơ đồ một số

2-6:

Hộp thoại đị

2-7:

Biểu đồ chên

2-8:

2-9:

Hiệu chỉnh n
khơng khí

Hộp thoại m
SAP2000.

3-1:

Mơ hình rời

3-2:

Mơ hình tổn

3-3:

Mơ hình tổn

3-4:

Biểu đồ lực

3-5:

Biểu đồ lực

3-6:

Biểu đồ lực

3-7:

Biểu đồ lực

3-8:

Chuyển vị d

3-9:

Biểu đồ bao


3-10:

Kết quả phâ

3-11:

Kết quả phâ

3-12:

Kết quả phâ

3-13:

3-14:

Mơ hình cầu
shell

Ứng suất lớn
2017)


Số hiệu
hình
3-15:

3-16:

3-17:

3-18:

3-19:

3-20:

3-21:

3-22:

3-23:

Ứng suất lớn
2017)

Ứng suất lớn
79)

Ứng suất lớn
79)

Ứng suất lớn
LRFD-07)

Ứng suất lớn
LRFD-07)

Ứng suất lớn
1-5)

Ứng suất lớn
1-5)

Ứng suất lớn
2004)

Ứng suất lớn
2004)

3-24:

Kết quả qua

3-25:

Kết quả qua

3-26:

3-27:

Ứng suất thớ
12h30.

Ứng suất thớ


1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các
tác động của môi trường. Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực
Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật
liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn. Phân tích và thiết
kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ
thống. Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho
ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến
trong đánh giá cầu.
Hiện tại cầu Thuận phước đã được lắp đặt xong hệ thống quan trắc bao gồm
nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm biến nhiệt độ. Việc phân tích ảnh hưởng của
nhiệt độ từ dữ liệu quan trắc đến các ứng xử của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, …) làm
cơ sở cho phân tích đánh giá sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết
cũng như thực tiễn.
Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài:
“Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mơ hình phần tử hữu hạn
và dữ liệu quan trắc” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết.
2. Mục tiêu đề tài
Đánh giá ứng xử kết cấu nhịp chính cầu treo thuận phước do tải trọng nhiệt độ

quan trắc thực tế.
Thiết lập mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu nhịp chính phù hợp với ứng xử thực
tế làm cơ sở cho đánh giá cầu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Ứng suất, chuyển vị do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế lên kết cấu nhịp
chính cầu treo Thuận Phước.
4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.


2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG
1.1. Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng
Cầu treo là loại cơng trình xuất hiện sớm và nhanh chóng được áp dụng rộng rãi
nhờ có nhiều ưu điểm về các phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật. Với việc sử dụng
dây làm kết cấu chịu lực chính, từ thời xa xưa con người làm những chiếc cầu treo đầu
tiên dùng cho người đi bộ. Cấu tạo của những chiếc cầu treo cổ xưa rất đơn giản, chỉ
gồm các tấm ván lát trực tiếp lên các dây được buộc cố định hai đầu. Các cầu treo kiểu
này khơng có khả năng chịu tải trọng lớn, bị lắc ngang rung động mạnh và khả năng
chịu gió bão rất kém.
Chiếc cầu treo đầu tiên mang dáng vẻ gần với cầu treo hiện đại là cầu qua sông
Tess được xây dựng năm 1741 ở Anh, cầu có chiều dài nhịp 21m dùng cho công nhân
mỏ đi lại. Sự tiến bộ của chiếc cầu này là ở chỗ cấu tạo phần mặt cầu riêng biệt và
được treo lên dây chủ thông qua các dây treo đứng.
Cho tới những năm đầu thế kỷ XIX cầu treo bắt đầu được quan tâm do những
ưu điểm về khả năng vượt nhịp và tính kinh tế so với cầu đá, cầu gỗ là loại đang được
áp dụng phổ biến. Năm 1820 khi xây dựng cầu treo qua sơng Tweed (Anh) có nhịp
137m, người ta đã so sánh và thấy rằng giá thành chỉ bằng một phần tư so với phương
án cầu đá. Ngoài nước Anh, các nước Pháp, Mỹ và một số nước châu Âu khác các
cơng trình cầu treo nối tiếp được xây dựng, tuy nhiên vẫn chưa vượt được nhịp lớn.

Chiếc cầu treo điển hình và có chiều dài nhịp lớn nhất ở giai đoạn này là cầu Menai,
được xây dựng năm 1826 ở xứ Wales với chiều dài nhịp 177m (Hình 1.1), cầu phục vụ
được trong thời gian gần một trăm năm. Đặc điểm của các cơng trình cầu treo trong
thời kỳ này là các dây chủ có cấu tạo dạng dây xích.
Sự xuất hiện của cáp vào những năm 30 của thế kỷ XIX đánh dấu một bước tiến
quan trọng trong quá trình phát triển của cầu treo, vì độ bền của cáp lớn hơn nhiều so
với dây xích do đó cho phép nâng cao khả năng vượt nhịp của cầu treo. Vào năm 1834,
lần đầu tiên với việc sử dụng dây cáp khi xây dựng cầu treo ở Fribourg (Thụy Sĩ) với
chiều dài nhịp đã được nâng lên đến 265m, tiếp đó là cầu Wheeling (Virginia-Mỹ),
năm 1849 với nhịp 308m.


3

Hình 1-1: Cầu qua vịnh Menai (Anh), nhịp 177m
Trong nửa đầu thế kỷ XIX mặc dù cầu treo được áp dụng mạnh và đã đạt được
nhiều tiến bộ đáng kể, song do cơ sở lý luận chưa hoàn chỉnh nên nhiều cơng trình
khơng đảm bảo u cầu về độ cứng đặc biệt là khả năng chịu tác động của các nguyên
nhân gây ra dao động như gió, bão... Những tồn tại trên đây đã dẫn đến hàng loạt các
sự cố nghiêm trọng của cầu treo trong thời kỳ này. Bảng 1-1 thống kê một số tai nạn
cầu treo điển hình trong thế kỷ XIX do các ngun nhân nói trên.

Hình 1-2: Sự sụp đổ cầu Brighton Chain Pier sụp đổ năm 1836


4
Bảng 1-1: Các tai nạn cầu treo
Cầu

Schuykill Falls

Dryburgh Abbey
Tweed/Union
Menai
Men
Vilen
La Roche-Bernard
Wheeling
Lewiston
Clifton

Các sự cố sụp đổ cầu treo đã ảnh hưởng lớn đến định hướng phát triển của cầu
treo trong thời kỳ sau đó. Thêm vào đó, do địi hỏi của thực tiễn về sự gia tăng tải
trọng của các phương tiện vận tải đã thúc đẩy các nhà xây dựng nghiên cứu sâu sắc
hơn đặc điểm làm việc của cầu treo để tìm kiếm các giải pháp nhằm nâng cao độ cứng
và cải thiện sự làm việc của cơng trình. Từ nửa cuối thế kỷ XIX đã hình thành hai
hướng phát triển của cầu treo như sau:
Hướng thứ nhất: Tăng cường độ cứng của cầu bằng cách chuyển từ dầm mềm
sang dầm cứng. Mặc dù cho đến thời gian này lý thuyết tính tốn hệ treo dầm cứng
chưa hình thành nhưng bằng kinh nghiệm thực tế và qua các kết quả thí nghiệm người
ta thấy rõ vai trị của dầm cứng trong việc nâng cao độ cứng chung của hệ. Những vấn
đề về lý thuyết đối với cầu treo dầm cứng dần được hồn thiện trong những năm sau
đó.
-

Hướng thứ hai: Sử dụng hệ giàn dây thay cho dây võng nhằm giảm biến dạng

hình học từ đó nâng cao độ cứng của cầu. Loại cầu này được áp dụng nhiều ở Pháp với
các sơ đồ do Gisclard đề xuất. Tại các nước Cộng hồ thuộc Liên Xơ cũ trong khoảng thời

gian sau chiến tranh thế giới thứ nhất cho tới những năm giữa thế kỷ XX dạng cầu giàn
dây vẫn còn tiếp tục được áp dụng với các sơ đồ được cải tiến từ hệ Gisclard. Tuy nhiên
do có cấu tạo phức tạp, trong những năm sau đó cầu dàn dây hầu như không được


5
áp dụng mà người ta chuyển sang hệ thống cầu dây văng dầm cứng.
Cuối thế kỷ XIX chiều dài nhịp của cầu treo đã tiến gần tới mức 500m. Cầu
Brooklyn (New York, Hoa Kỳ) xây dựng năm 1883 với biện pháp dùng các dây văng
phụ tăng cường độ cứng đã vượt được nhịp 486m (Hình 1-3).

Hình 1-3: Cầu Brooklyn (New-York, Mỹ)- 1883, nhịp 486m
Sang thế kỷ XX, với nhịp độ phát triển nhanh của các ngành kho a học kỹ thuật
cho phép hoàn thiện hơn những nghiên cứu lý thuyết cộng với những kinh nghiệm tích
lũy được trong q trình xây dựng đã tạo nên bước nhảy vọt về khả năng vượt nhịp của
cầu treo vào những năm 30 của thế kỷ này. Mở đầu là cầu G. Washington (New York,
Hoa Kỳ) nhịp 1067m (Hình 1-4) xây dựng năm 1931; tiếp sau đó là cầu Golden Gate
(San Francisco, Hoa Kỳ) năm 1937 với nhịp 1280m (Hình 1-5)

Hình 1-4: Cầu G. Washington nhịp 1067m


6

Hình 1-5: Cầu Golden Gate nhịp 1280m
Trong khi các cơng trình cầu treo nhịp lớn đang nối tiếp được xây dựng thì vào
năm 1940 xảy ra vụ đổ cầu Tacoma Narrows (Hoa Kỳ). Tai nạn này đã thu hút sự quan
tâm của nhiều người vì đây là cơng trình cầu treo nhịp lớn và đặc biệt là toàn bộ diễn
biến của tai nạn đã quay được phim (Hình 1.6a). Cầu Tacoma có nhịp chính dài 853m,
chiều rộng mặt cầu 11,9m, dầm chủ dạng dầm đặc cao 2,45m và dây chủ có đường

kính 45,8cm được treo với mũi tên võng bằng 79,70m. Xét về tương quan giữa chiều
rộng mặt cầu và chiều cao dầm chủ so với chiều dài nhịp thì cả hai chỉ tiêu này đều đạt
kỷ lục về độ mảnh vào thời điểm bấy giờ. Sau khi thông xe được 6 tháng cầu đã bị đổ
khi gió thổi với vận tốc khoảng 70km/h.

a) Tai nạn cầu Tacoma, năm 1940b) Cầu treo Tacoma
xây dựng lại- 1950 Hình 1-6: Cầu Tacoma Narrows
Sau vụ đổ cầu Tacoma Narrows người ta đã quan tâm đặc biệt tới nghiên cứu
thực nghiệm về tác dụng của gió đối với cầu treo và tìm các biện pháp khắc phục. Sự
kiện Tacoma chỉ làm cho các nhà thiết kế thận trọng hơn chứ không làm hạn chế bước
phát triển của cầu treo. Đặc biệt, thời kỳ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai do nhu cầu
cấp bách của việc khôi phục kinh tế, cầu treo được áp dụng rộng rãi hơn với kỹ thuật
ngày càng tiến bộ.


7
Có thể nêu lên một số cơng trình cầu treo hiện đại được xây dựng vào nửa sau
thế kỉ XX như cầu Tancarville bắc qua sông Seine (Pháp, năm 1959) áp dụng biện
pháp neo dây chủ vào điểm giữa nhịp dầm cứng, cầu có nhịp chính dài 608m; cầu
Verrazano Narrows (Mỹ, 1964) với nhịp 1298m; cầu Severn (Anh, 1966) với nhịp
988m là chiếc cầu treo nhịp lớn đầu tiên áp dụng giải pháp cấu tạo các dây treo xiên
hình tam giác và dầm cứng có tiết diện hình hộp; cầu Humber (Anh-1981)- nhịp
1410m; cầu Great Belt (Đan mạch-1997) nhịp 1624m và năm 1998 Nhật Bản đã hoàn
thành việc xây dựng cầu treo Akashi Kaikyo gồm 3 nhịp bố trí theo sơ đồ
960+1991+960m, đây là cơng trình cầu treo vượt nhịp lớn nhất hiện nay (Hình 1-7).
Để thấy rõ hơn quá trình phát triển của cầu treo, bảng 1.2 thống kê các cầu treo giữ kỷ
lục nhịp trong từng giai đoạn từ trước đến nay và hình 1.8 giới thiệu một số cơng trình
cầu treo nhịp lớn hiện đại được sắp xếp theo thứ tự chiều dài nhịp.

Hình 1-7: Cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)- 1998, nhịp 1991m

Về quan điểm chống lại ảnh hưởng của lực gió tác động lên cơng trình, sau sự cố
của cầu Tacoma đã hình thành hai trường phái khác nhau. Các chuyên gia Mỹ và Nhật
Bản theo hướng sử dụng các kết cấu đủ cứng để đảm bảo ổn định khí động và chống lại
hiện tượng flutter của gió. Do đó dầm cứng cần được tăng cường độ cứng theo cả phương
dọc và phương ngang đủ khả năng chịu lực thẳng đứng và lực gió ngang, đồng thời tăng
khả năng chống xoắn của tiết diện để chống lại các dao động uốn-xoắn đồng thời. Dựa
trên nguyên tắc đó hầu hết các cầu treo ở Mỹ và Nhật Bản đều sử dụng dàn cứng không
gian thay cho hệ dầm cứng cổ điển. Cầu Tacoma được xây dựng lại và hoàn thành năm
1950 với chiều dài nhịp giữ nguyên như cũ (835m) và dầm cứng được thay bằng giàn
không gian cao 10,1m, rộng 18,3m (hình 1.6b). Năm 1957 khi xây dựng cầu qua vịnh
Mackinac (Mỹ) nhịp chính dài 1158m, để tăng cường độ cứng ngang và độ cứng chống


8
xoắn người ta đã sử dụng một dàn không gian rộng 20,7m trong khi chiều rộng hữu ích
của phần xe chạy chỉ là 15m. Các cơng trình tiếp theo như cầu Verrazano Narrows (Hoa
Kỳ, 1964) và Akashi Kaikyo (Nhật Bản, 1998) đều áp dụng hệ dàn cứng không gian.

Bảng 1-2: Các cơng trình cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong các thời kỳ khác nhau

C



9
tancarville (pháp) 1959

608

Bosporus (thổ nhĩ kì) 1973

1074

Golden gate (mỹ) 1937

1280

humber (anh) 1981

1410

grand beld (đan mạch) 1981

1624

akashi-kaikyo (nhật bản) 1998

1991

Hỡnh -18: Một số sơ đồ cầu treo nhịp lớn hiện đại
Trong khi đó ở Châu Âu lại có xu hướng dùng kết có chiều cao thấp, hình dạng
thốt gió để giảm ảnh hưởng của gió tác dụng lên cơng trình. Năm 1966 lần đầu tiên
người ta áp dụng dầm cứng tiết diện hình hộp dạng thốt gió vào cơng trình cầu Severn
(Anh), cầu có nhịp chính dài 988m và tiết diện hình hộp thép cao 3,0m rộng 22,9m (Hình

1.9). Mặc dù sau ít năm sử dụng cơng trình xuất hiện một số hư hỏng (dây treo bị đứt,
các mối hàn của dầm chủ bị nứt) nhưng quan điểm trên vẫn tiếp tục được nghiên cứu,
hoàn thiện và áp dụng cho nhiều cơng trình tiếp theo như cầu Bosporus (Thổ Nhĩ Kỳ,
1973) nhịp 1074m có dầm hộp thép cao 3,0m rộng 28,0m; Cầu Humber (Anh, 1981)
nhịp 1410m và dầm hộp thép cao 4,5m rộng 22,0m; Cầu H ga Kusten (Thụy Điển,

1997) nhịp 1210m, dầm thép hình hộp cao 4m rộng 22m; Cầu Great Belt (Đan Mạch,
1997) nhịp 1624m, dầm hộp thép cao 4m rộng 31,0m.


10

Hình 1-9: Cầu Severn (Anh)
Ngồi những tiến bộ đạt được trong nghiên cứu lý thuyết, nghiên cứu thực
nghiệm cũng như cơng nghệ thi cơng, một yếu tố quan trọng có ảnh hưởng rất lớn tới
quá trình phát triển của cầu treo là những thành tựu trong công nghệ luyện kim. Nhìn
lại khoảng thời gian trong một thế kỷ qua ta thấy những bước tiến trong xây dựng cầu
treo gắn liền với việc sản xuất được vật liệu (cáp) có độ bền cao như cầu Brooklyn
(1883) sử dụng cáp có cường độ 1100MPa; cầu Manhattan (1909) - 1470MPa; cầu G.
Washington (1932) - 1520MPa và cho tới những cơng trình cuối thế kỷ XX như Great
Belt (1997), Akashi-Kaikyo (1998) sử dụng cáp có cường độ tới 1800MPa.
Rõ ràng, cầu treo là loại cơng trình chiếm một vị trí quan trọng trong lịch sử
phát triển của ngành xây dựng cầu. Nhờ những ưu điểm về các phương diện kinh tế kỹ thuật, cầu treo đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, từ những cơng trình có
chiều dài nhịp vài chục mét đến hàng nghìn mét. Nhiều cơng trình cầu treo đã trở
thành các biểu tượng đánh dấu sự phát triển của khoa học - công nghệ.
1.2. Các dạng kết cấu cầu treo dây võng
Cầu treo đơn giản nhất là hệ trong đó bộ phận chịu lực chính được làm bằng dây
cáp hoặc dây xích treo trên hai tháp cầu, hai đầu dây được neo vào mố neo, được gọi là
dây chủ có dạng võng theo hình gần với đường cong parabol bậc hai. Hệ mặt cầu có độ
cứng nhỏ và được treo lên dây chủ qua các dây treo đứng. Loại này được gọi là cầu treo
dầm mềm. Do độ cứng của hệ dầm mặt cầu rất nhỏ nên khi hoạt tải tác dụng lên kết cấu
nhịp thì dây cáp bị biến hình tương ứng với vị trí của hoạt tải. Độ võng của dây chủ càng
lớn khi tỷ số giữa hoạt tải và tĩnh tải càng lớn. Nói một cách khác, độ võng của hệ phụ
thuộc vào tỷ số giữa lực căng trong dây cáp do tĩnh tải và hoạt tải gây nên. Nguy hiểm