Đồ án tốt nghiệp thiết kế thi công cầu EXTRADOSED

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG
KHOA CẦU - ĐƯỜNG
BỘ MÔN CẦU - HẦM

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Đề tài

THIẾT KẾ &
THI CÔNG
CẦU EXTRADOSED

Giáo viên hướng dẫn :
Sinh viên thực hiện :
Lớp :
MSSV :
Thời gian thực hiện :
Email :

❚❙✳ P❍❸▼ ❉❯❨ ❍➪❆
❚❘❺◆ ❱■➏❚ ❍Ò◆●
46CD1
2362.46
10/10/2005 - 27/01/2006



Mục lục
1

2

TỔNG QUAN VỀ CẦU EXTRADOSE
1.1 Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Đặc điểm của kết cấu cầu Extradose . . . . . . . . .
1.3 Lịch sử phát triển cầu Extradose . . . . . . . . . . .
1.4 Ưu điểm của kết cấu cầu Extradose . . . . . . . . .
1.5 Đặc điểm thiết kế cáp cầu Extradose . . . . . . . . .
1.5.1 Ứng suất cho phép . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2 Chùng ứng suất trong cáp . . . . . . . . . .
1.5.3 Điều chỉnh lực căng trong q trình thi cơng
1.5.4 Bố trí neo tại đỉnh tháp . . . . . . . . . . . .
1.5.5 Bảo vệ chống gỉ cáp cầu Extradose . . . . .
1.5.6 Hiện tượng rung cáp do mưa . . . . . . . . .
1.5.7 Hiện tượng rung cáp do gió xốy quẩn . . . .
1.5.8 Hiện tượng bó cáp chao đảo theo đường elip
1.6 Các sơ đồ và hình thái cầu Extradose . . . . . . . .
1.6.1 Mở đầu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.2 Sơ đồ bố trí nhịp cầu Extradose . . . . . . .
1.6.3 Sơ đồ và sự phân bố cáp văng . . . . . . . .
1.6.4 Số mặt phẳng dây và các dạng cột tháp . . .
1.7 Cấu tạo các bộ phận cầu Extradose . . . . . . . . . .
1.7.1 Cấu tạo dầm chủ . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.2 Cấu tạo cột tháp . . . . . . . . . . . . . . .
1.7.3 Cấu tạo cáp văng và hệ neo . . . . . . . . .
1.7.4 Liên kết cáp văng với dầm chủ và cột tháp .

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ TRÌNH TỰ THI CƠNG CẦU EXTRADOSE
2.1 Thi cơng dầm chủ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.1 Thi công đúc hẫng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.2 Thi công lắp hẫng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.1.3 Thi công đúc đẩy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Thi công cột tháp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Công tác ván khuôn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.2 Công tác đổ bêtông . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.3 Lắp đặt kết cấu yên ngựa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Lắp đặt cáp văng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Công tác quản lý và giám sát trong thi công . . . . . . . . . . . . . .

Tài liệu tham khảo

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

1

1
2
2
13
14
14
14
14
14
15
15
15
15
16
16
16
19
22
24
24
26
27
28

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

31
31
31
32
33
33
33
34
34
34
34
36

i


Danh sách bảng
1.1
1.2

So sánh các thông số cơ bản của ba loại kết cấu cầu . . . . . . . . . . . . . . .
Một số cầu Extradose đã và đang được xây dựng trên thế giới . . . . . . . . .

2
6

2.1

Phương pháp đo đạc và kiểm tra các cấu kiện trong q trình thi cơng . . . . .

35

ii


Danh sách hình vẽ
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18
1.19

1.20
1.21
1.22
1.23
1.24
1.25
1.26
1.27

Cầu Extradose qua sơng Daugava - Riga, Latvia (sơ đồ 1 /2 cầu) . .
Cầu Ayumi - Cáp cường độ cao bố trí bên trên và bên dưới dầm chủ
Cầu Ganter -Thụy Sỹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Odawara Blueway-Nhật Bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Yashiro-Nhật Bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Tsukuhara-Nhật Bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Mactan-Philipine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Pakse-Lào . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Tân Trân Châu Cảng-Mỹ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Ibigawa-Nhật Bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ kết cấu nhịp cầu Kisogawa và cầu Ibigawa-Nhật Bản . . . . .
Cầu Palau-Cộng hòa Palau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Himi-Nhật Bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Rittoh-Nhật Bản . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Thi công lắp hẫng cân bằng cầu Kisogawa-Nhật Bản . . . . . . . .
So sánh Cầu dầm liên tục - Cầu Extradose - Cầu dây văng . . . . .
Sơ đồ kết cấu cầu hai nhịp cân bằng - Cầu Miyakodagawa . . . . .
Sơ đồ kết cấu cầu hai nhịp không cân bằng - Cầu Santanigawa . . .
Sơ đồ kết cấu nhịp cầu Odawara - Nhật Bản . . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ kết cấu nhịp cầu Palau - Cộng hòa Palau . . . . . . . . . . .
Sơ đồ kết cấu nhịp cầu Pakse - Lào . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sơ đồ bố trí hệ nhiều nhịp - Cầu Kisogawa . . . . . . . . . . . . .
Sơ đồ bố trí hệ nhiều nhịp - Cầu Ibigawa . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Rittoh - Hướng đi Tokyo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Rittoh - Hướng đi Osaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Cầu Extradose dây ít - khoang lớn . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Khoảng cách neo cáp văng trên dầm chủ - cầu Pakse . . . . . . . .

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

1
3
4
4
5
7
7
8
8
9
9
10
10
11
12
13
17
18
19
19
20
20
20
21
21

22
22

2.1

Khoảng cách neo cáp văng trên dầm chủ - cầu Pakse . . . . . . . . . . . . . .

35

iii

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CẦU EXTRADOSE

1.1

MỞ ĐẦU

Trong những năm qua, dưới sự lãnh đạo của Đảng và nhà nước, nền kinh tế nước ta đang trên
đà phát triển tốt đẹp. Cùng với đó, việc phát triển tồn diện nền kinh tế đòi hỏi phải đẩy nhanh
tốc độ phát triển cơ sở hạ tầng mà trong đó cơng trình giao thơng vận tải chiếm một tỷ lệ rất
lớn. Đi đôi với sự tăng trưởng của nền kinh tế là số lượng các phương tiện giao thông vận tải
cũng tăng lên nhanh chóng. Do vậy, hệ thống giao thơng hiện nay của chúng ta chưa đáp ứng
được, cần được nâng cấp sửa chữa hoặc xây dựng mới các tuyến đường, các cây cầu, các nút
giao thông . . .
Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, lĩnh vực xây dựng cầu trong khoảng 15-20
năm trở lại đây đã có những bước phát triển quan trọng. Từ việc ứng dụng thành cơng các loại
vật liệu nhẹ có khả năng chịu lực cao, đến việc lựa chọn các kết cấu cầu mới vượt được những
khẩu độ lớn, tính thẩm mỹ cao. Các dạng cầu mới chứa đựng nhiều ứng dụng tiến bộ khoa học
kỹ thuật phải kể đến là cầu bêtông cốt thép có các bó cáp ứng suất trước, cầu dây văng, và gần
đây là cầu Extradose.

Hình 1.1: Cầu Extradose qua sông Daugava - Riga, Latvia (sơ đồ 1 /2 cầu)

Cầu Extradose do Jacques Mathivat người Pháp, nguyên là kỹ sư trưởng, giám đốc nghiên
cứu của SETRA đề xuất năm 1988. Tuy nhiên chiếc cầu Extradose đầu tiên trên thế giới lại
được xây dựng ở Nhật Bản vào năm 1995. Hiện nay, hàng loạt cầu Extradose lớn nhỏ đã được
xây dựng tại Châu Âu, Châu Á và Châu Mỹ.

1


1.2. ĐẶC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU CẦU EXTRADOSE

1.2

2

ĐẶC ĐIỂM CỦA KẾT CẤU CẦU EXTRADOSE

Cầu Extradoselà kết cấu kết hợp giữa kết cấu cầu dầm bêtông cốt thép ứng suất trước và kết
cấu cầu dây văng (CDV). Ở dạng cầu này, cáp ứng suất trước được đặt bên ngoài dầm cứng,
một đầu liên kết với dầm cứng, đầu kia liên kết với tháp neo dây. Tuy nhiên, tháp neo dây của
cầu Extradose không cao như tháp của cầu dây văng. Cầu được cấu tạo gồm ba phần chính: hệ
dầm cứng, hệ dây treo, và tháp neo dây (Hình 1.1).
i. ❍➺ ❞➛♠ ❝ù♥❣ có kết cấu giống như trong cầu dầm cứng nhịp liên tục được cấu tạo từ
kết cấu bêtông cốt thép, kết cấu thép, hay kết cấu bêtông thép liên hợp. Chiều cao của
dầm có thể được giảm xuống so với chiều cao của dầm trong cầu dầm cứng có cùng khẩu
độ.
ii. ❍➺ ❞➙② tr❡♦ trong rất giống hệ dây treo của cầu dây văng, bao gồm các dây treo và hệ
neo cáp. Các dây treo được coi như là các bó cáp cường độ cao (CĐC) có độ lệch tâm
lớn sử dụng trong cầu dầm cứng được tạo ứng suất trước bằng cơng nghệ dự ứng lực
ngồi. Các dây treo này được liên kết cứng với cột tháp hoặc được luồn qua kết cấu yên
ngựa đặt trên đỉnh cột tháp và được liên kết với dầm chủ bằng hệ neo cáp tạo thành các
gối đàn hồi. Hệ neo cáp có thể sử dụng hệ neo cho các bó cáp CĐC thông thường.
iii. ❚❤→♣ ♥❡♦ ❞➙② được cấu tạo bằng bêtơng cốt thép hoặc bêtơng cốt thép liên hợp và
có chiều cao thấp hơn so với chiều cao của trụ tháp trong cầu dây văng. Đối với cầu
Extradose, vì chiều cao tháp neo dây thấp nên tháp neo dây không nhất thiết liên kết
cứng với trụ cầu. Tháp neo dây có thể liên kết cứng với trụ cầu tạo thành khung cứng,

hoặc có thể liên kết cứng với dầm cứng và đặt lên trên trụ.
Hạng mục so sánh
Chiều dài nhịp L(m)
Chiều cao dầm tại trụ H(m)
Chiều cao tháp h(m)

Cầu dầm
L<120m
L
L
H = 17
− 20
-

Cầu Extradose
L=180m
L
L
H = 30
− 35
L
L
h = 10 − 15

Cầu dây văng
L>200m
H=1-3.5m
h = L5

Bảng 1.1: So sánh các thông số cơ bản của ba loại kết cấu cầu

1.3

LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

Năm 1988, giáo sư Jacques Mathivat người Pháp phát minh ra ý tưởng cho một loại kết cấu
mới trên cơ sở cơng nghệ dự ứng lực ngồi, cáp CĐC1 đưa lên trên bề mặt của tiết diện tạo ra
độ lệch tâm lớn. Sau này, các bó cáp CĐC được liên kết với cột tháp có chiều cao thấp đặt ở
trên trụ và cùng làm việc với hệ dầm cứng dưới tác dụng của hoạt tải. Cầu Extradose là kết cấu
trung gian giữa cầu dầm cứng và cầu dây văng vì:
1. ❱➲ ❦➳t ❝➜✉: Cầu Extradose là dạng kết cấu kết hợp giữa kết cấu của cầu dầm cứng2 và
cầu dây văng3 trong đó hệ dầm cứng làm việc uốn nén và xoắn, còn cáp văng làm việc
1

cáp cường độ cao
girder bridge
3
cable-stayed bridge
2


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

3

chịu kéo. Các cáp văng này được neo vào cột tháp đặt ở trên trụ và liên kết với hệ dầm
cứng tại một số điểm dọc theo chiều dài dầm và chia hệ dầm cứng ra thành nhiều khoang
nhỏ. Với cấu tạo như vậy, hệ dầm cứng được coi như là kê lên gối cứng ở trên mố, trụ,
và các gối đàn hồi ở các điểm neo cáp văng trên dầm cứng.
2. ❱➲ ❦❤➞✉ ✤ë ❝õ❛ ❝➛✉ : Cầu BTCT DƯL nhịp liên tục có khẩu độ vừa và nhỏ từ 40-150m.

Cầu Extradose là loại cầu có khẩu độ vừa và lớn thích hợp từ 90-200m, trong khi đó, cầu
dây văng là loại có khẩu độ lớn trên 200m. Do đó, cầu Extradose là loại cầu có khẩu độ
nhịp nằm giữa cầu dầm cứng và cầu dây văng.
3. ❙ü ❧➔♠ ✈✐➺❝ ❝õ❛ ❝→❝ ❝➜✉ ❦✐➺♥ ❝❤➼♥❤ : Dưới tác dụng của hoạt tải, sự gia tăng ứng
suất trong cáp CĐC của cầu dầm cứng rất nhỏ. Do đó khi thiết kế, cường độ chịu kéo
cho phép của cáp CĐC có thể lấy bằng 0.6 cường độ chịu kéo giới hạn của cáp CĐC.
Mặt khác, đối với cầu dây văng thì sự gia tăng ứng suất trong dây văng rất lớn, do phần
lớn tải trọng là do dây văng chịu. Do vậy, khi thiết kế, cường độ chịu kéo cho phép của
dây văng được lấy bằng 0.4 cường độ chịu kéo giới hạn của cáp CĐC. Với ý tưởng vừa
sử dụng tối ưu khả năng chịu kéo của cáp CĐC, vừa tăng được khẩu độ cầu, cường độ
chịu kéo cho phép của cáp văng được lấy bằng 0.4-0.6 cường độ chịu kéo giới hạn của
cáp CĐC, vì cáp văng sẽ cùng làm việc với hệ dầm cứng khi có hoạt tải tác dụng. Cầu
Extradose sẽ phân phối tải trọng vào cáp và hệ dầm cứng cân bằng hơn.
4. ❱➲ ❤➻♥❤ ❞→♥❣ ❝õ❛ ❝➛✉ : Cầu Extradose trơng giống cầu dây văng có cột tháp thấp nhưng
sự làm việc của kết cấu lại có những ứng xử gần với cầu dầm cứng hơn.

Hình 1.2: Cầu Ayumi - Cáp cường độ cao bố trí bên trên và bên dưới dầm chủ
Hình 1.2 là cầu Ayumi ở Nhật Bản với sơ đồ bố trí nhịp là (16.6+79.5+41+41m). Chiếc cầu
này được các chuyên gia Nhật Bản thiết kế và xây dựng dựa trên ý tưởng của giáo sư Jacques
Mathivat và cơng nghệ dự ứng lực ngồi. Trong đó cáp CĐC được bố trí bên ngồi phạm vi
chiều cao của tiết diện tạo ra độ lệch tâm lớn so với trục chung hịa. Đối với nhịp chính dài
79.5m, cáp CĐC khơng những được bố trí ở bên dưới mà cịn được đưa lên trên khỏi mặt cầu,
liên kết với cột tháp có chiều cao 22.1m, và được neo vào mố cầu.
Chiếc cầu Extradose sơ khai đầu tiên là cầu Ganter ở Thụy Sỹ (Hình ??), được xây dựng
trên cơ sở kết hợp kết cấu dầm cứng với hệ dây treo. Cầu Ganter được thiết kế bởi Christian


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

4

Hình 1.3: Cầu Ganter -Thụy Sỹ

Menn và xây dựng hoàn thành năm 1980. Tuy nhiên, nó chỉ có ý nghĩa về mặt kiến trúc chứ
khơng có nhiều cải tiến về mặt kỹ thuật.
Năm 1988, J. Mathivat đưa ra khái niệm cầu Extradose, và kiến trúc sư Charles Lavigne
đã ứng dụng để thiết kế cầu Arrêt Darré ở vùng Tây Nam nước Pháp. Khái niệm này bao gồm
thiết kế cột tháp rất thấp, được liên kết cứng với kết cấu bên trên, dầm hộp bêtông cốt thép
dự ứng lực có chiều cao khơng đổi cho khẩu độ nhịp 100m. Các cáp văng được luồn qua kết
cấu yên ngựa và làm việc như bó cáp CĐC sử dụng trong cơng nghệ dự ứng lực ngồi. Các
cáp văng chủ yếu làm việc thông qua lực căng ban đầu tạo ra tác động nâng dầm hộp để giảm
trọng lượng hữu hiệu của dầm cứng, cũng như tạo ra lực nén vào dầm như bó cáp CĐC thơng
thường.
Kiểu thiết kế này đã hấp dẫn nhiều chuyên gia cầu, đặc biệt là các chuyên gia Nhật Bản. Ở
Nhật, cầu Extradose đã được phát triển nhanh chóng, và cũng chính Nhật Bản là nước có đóng
góp to lớn trong cơng nghệ xây dựng cầu Extradose. Chỉ trong vòng chục năm trở lại đây, riêng
ở Nhật đã xây dựng được gần 30 chiếc cầu Extradose đủ chủng loại về kết cấu nhịp, đa dạng
về sơ đồ bố trí nhịp và cáp văng. Bảng 1.2 thống kê một số cầu Extradose đã và đang được xây
dựng ở Nhật Bản và trên thế giới. Không những thế, các chuyên gia và kỹ sư cầu Nhật Bản đã
tiến hành hàng loạt các dự án xây dựng cầu Extradose ở nước ngoài như cầu Palau ở Cộng hịa
Palau, cầu Pakse ở Lào, cầu Mactan ở Philipine.

Hình 1.4: Cầu Odawara Blueway-Nhật Bản


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

5

Chiếc cầu Extradose hoàn hảo đầu tiên trên thế giới là cầu Odawara Blueway ở Nhật Bản

được hồn thành vào năm 1994 (Hình ??). Cầu gồm ba nhịp với sơ đồ bố trí nhịp cân bằng
(74+122+74m). Cầu có tiết diện mặt cắt là hình hộp kép hai ngăn với chiều cao thay đổi từ
1
1
3.5m (ở trên trụ) đến 2.2m (ở giữa nhịp), tương ứng với ( 35
− 55
)L, trong đó L là chiều dài
nhịp chính. Cột tháp bằng bêtơng cốt thép cao 10.7m tính từ mặt cầu và được liên kết cứng với
1
L. Hệ dầm chủ cũng được liên kết cứng
trụ cầu. Chiều cao cột tháp được thiết kế xấp xỉ bằng 12
với trụ cầu giống như dạng cầu khung, làm tăng thêm độ cứng của toàn cầu và giảm sự biến
thiên ứng suất trong cáp văng do hoạt tải gây ra. Cầu được bố trí hai mặt phẳng dây, mỗi mặt
phẳng dây gồm 8 cáp văng ở mỗi phía của dầm hộp, được luồn qua kết cấu yên ngựa đặt trên
đỉnh trụ và được liên kết với hệ dầm chủ. Sơ đồ bố trí cáp văng theo hình rẻ quạt với khoảng
cách giữa các dây là 3.75m. Đây là chiếc cầu BTCT DƯL đầu tiên ở Nhật Bản sử dụng kết
cấu yên ngựa, do đó cơng tác thi cơng lắp đặt và căng kéo cáp văng rất dễ dàng. Cầu được xây
dựng bằng phương pháp lắp hẫng cân bằng. Sự thay đổi ứng suất do hoạt tải giảm đi rõ rệt và
chỉ bằng 1 /4 sự biến thiên ứng suất trong CDV. Do vậy, cường độ chịu kéo thiết kế cho phép
của cáp văng được lấy bằng 0.6 cường độ giới hạn của cáp CĐC giống như trong thiết kế cầu
BTCT DƯL thông thường.
Sau khi cầu Odawara được hoàn thành, một loạt các cầu Extradose khác cũng được xây
dựng. Cầu Yashiro North và cầu Yashiro South được hồn thành vào năm 1995 (Hình 1.5).
Dầm chủ của hai cầu nằy bằng BTCT DƯL có chiều cao không đổi 2.5m. Chiều cao cột tháp
của hai cầu là 10m và 12m tương ứng với khẩu độ nhịp chính 90 và 105m. Cầu được tạo ứng
suất trước bằng cơng nghệ dự ứng lực ngồi. Điểm đặc biệt là các chiếc cầu này được sử dụng
cho đường tài cao tốc (Shinkansen) ở Nhật Bản, do vậy độ võng của cầu được kiểm tra rất
nghiêm ngặt.

Hình 1.5: Cầu Yashiro-Nhật Bản

Trong năm 1998m liên tiếp nhiều cầu Extradose được xây dựng và hoàn thành ở Nhật Bản
với khẩu độ trung bình từ 100-150m. Đặc biệt trong đó có cầu Tsukuhara với khẩu độ nhịp
chính là 180m và cột tháp có hình chữ V với chiều cao 16m (Hình 1.6). Tại thời điểm đó, cầu
Tsukuhara đạt kỷ lục về khẩu độ đối với loại cầu Extradose, và theo quan điểm của giáo sư
Michael Virlogeux người Pháp thì đây là khẩu độ tối ưu nhất đối với cầu có kết cấu kiểu này.
Một điểm đặc biệt của cầu Extradose là sơ đồ bố trí nhịp. Cũng tương tự như CDV, cầu
Extradose thơng thường có ba nhịp cân bằng, nhịp giữa có chiều dài lớn và hai nhịp biên có
chiều dài nhỏ hơn. Hầu hết các cầu Extradose được xây dựng trong thời gian này đều có kiểu
bố trí sơ đồ ba nhịp, vì lý do sơ đồ này khá hợp lý và có kiến trúc hài hịa với cảnh quan xung
quanh.


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

6

Bảng 1.2: Một số cầu Extradose đã và đang được xây dựng trên thế giới
Số
TT

Tên cầu

Sơ đồ bố trí nhịp

1
2
3
4
5

6
7
8
9
10
11
12
13

Odawara
Yashiro South
Yashiro North
Mauvievue
Tsukuhara
Shin-Karato West
Shin-Karato East
Shyoyo
Sunniberg
Mactan
Santanigawa
Shikari
Pakse

14
15
16
17
18
19
20

21
22
23
24
25
26
27
28

Kisogawa
Ibigawa
Palau
Miyakodagawa
Himi
Hozu
Matakina
Sashiki
Fukaura
Surikami
Rittoh to Tokyo
Rittoh to Osaka
Shin-Meisei
Shikawa
Yukisawa Ohashi

73.1+122+73.1
65+2×105+65
55+90+55
52.5+48.5
65.4+180.76.4

74.1+140+69.1
66.1+120+72.1
99.3+180+99.3
59+128+140+134+65
111.5+185+111.5
57.9+92.9
94+3×140+94
70+9×102+123+143
+91.5+34.5
160+3×275+160
154+4×271.5+157
82+247+82
133+133
91.75+180+91.75
33+50+76+100+76+31
109.3+89.3
60.8+105+57.5
62.1+90+66+45+29.1
84.9+24.9
140+170+115+70
155+160+75+90+75
88.5+122.34+81.22
38.5+45+90+130+80.5
70.3+71+34.4

Chiều
cao cột
tháp (m)
10.7
12.0

10.0
5.9
16.0
12.0
12.2
22.1
14.8
18.2
12.8
10.0
14.3

Chiều
cao dầm
(m)
2.2-3.5
2.5
2.5
2.1
3.0-5.5
2.5-3.5
2.5-3.5
3.0-5.6
0.85
3.3-5.1
2.5-6.5
3.0-6.0
3.0-6.5

Chiều

rộng mặt
cầu(m)
9.5-16.43
12.8
12.8
8.8+2.3
9.25
8.7-15.4
8.7-15.4
9.5+2×3.0
9.2
2×(7.5+1.5)
2×8.5
19.5
11.8-14.6

Năm
hồn
thành
11/1994
10/1995
10/1995
6/1996
5/1998
3/1998
3/1998
3/1998
12/1998
10/1999
2/1999

2000
8/2000

Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Pháp
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Thụy Sỹ
Philipine
Nhật Bản
Nhật Bản
Lào

30.0
30.0
27.0
20.0
19.8
10.0
26.4
12.0
9.1
16.5
31.0
31.5
16.5

13.0
11.5

4.0-7.0
4.0-7.0
4.0-7.0
4.0-6.5
4.0
2.8
3.5-6.0
2.1-3.2
2.5-3.0
2.8-5.0
4.5-7.5
4.5-7.5
3.5
2.4-4.0
2.0-3.5

28.0
28.0
11.6
16.5
12.95
7.5-2×3.5
6.5+1.5
9.3-12.7
10.8-11.8
7.0
19.63

19.63
18.6-22.6
25.0
17.8

2001
2001
12/2001
2001
6/2003
3/2001
2001
11/2000
2002
2001
Đang xây
Đang xây
Đang xây
2002
1/2001

Nhật Bản
Nhật Bản
Palau
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản

Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản
Nhật Bản

Nước

Năm 1999, Philipine đã xây dựng cây cầu Extradose đầu tiên, cầu Mactan, do các chuyên
gia và kỹ sư Nhật Bản giúp đỡ (Hình). Cầu có sơ đồ bố trí nhịp cân bằng (111.5+185+111.5)m
với chiều rộng mặt cầu 18m. Tiết diện mặt cắt là hình hộp có chiều cao trên trụ là 5.1m và
chiều cao ở giữa nhịp là 3.3m. Cầu được bố trí hai mặt phẳng dây ở hai bên sườn dầm, các cáp
vang được neo vào cột tháp có chiều cao 18.2m. Cột tháp được liên kết cứng với trụ và dầm
chủ tạo thành khung ngàm cứng, do vậy cột tháp có độ cứng theo phương dọc cầu lớn, giảm
được biến thiên ứng suất trong cáp văng do hoạt tải. Hiện tại, chiếc cầu này đạt kỷ lục về chiều
dài nhịp bằng BTCT DƯL được sử dụng trong cầu Extradose.
Đến năm 2000, chiếc cầu Extradose đầu tiên bắc qua sông Mêkông ở Lào cũng được
xây dựng dưới sự giúp đỡ của các chuyên gia Nhật Bản. Đây là chiếc cầu thứ ba bắc qua
sông Mêkông và cầu được mang tên là cầu Pakse hay cịn gọi là cầu Hữu nghị Nhật-Lào
(Hình 1.8). Cầu gồm 15 nhịp bằng BTCT DƯL với chiều dài nhịp chính 143m, bao gồm
bốn khung cầu cứng liên tục trong đó có ba nhịp cân bằng cầu Extradose, các khung cầu
cứng này được liên kết lại với nhau bằng các khớp nối ở giữa nhịp. Sơ đồ bố trí nhịp
(70+9×102+123+143+91.5+34.5)m, trong đó, từ nhịp thứ 10 đến nhịp thứ 12 được tăng cường


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

7

Hình 1.6: Cầu Tsukuhara-Nhật Bản

Hình 1.7: Cầu Mactan-Philipine

thêm hệ dây treo. Kết cấu nhịp cầu được cấu tạo bằng kết cấu lắp ghép từ các đốt có chiều dài
2.5m hoặc 3.5m. Mặt cắt tiết diện là hình hộp sườn đứng có chiều rộng mặt trên 11.5m hoặc
14.3m, chiều rộng đáy dưới 6.5m. Cột tháp có chiều cao là 14.3m, chiều rộng đáy dưới 6.5m
Cột tháp có chiều cao là 14.3m được ngàm cứng với trụ cầu. Trên đỉnh cột tháp phần neo cáp
văng có khung cứng bằng thép để dễ dàng lắp đặt kết cấu yên ngựa cho cáp văng luồn qua. Để
tăng cường độ cứng của cột tháp, một dầm ngang BTCT được bố trí để liên kết hai cột tháp lại
với nhau. Cầu được bố trí hai mặt phẳng dây, mỗi mặt phẳng có 9 cáp văng được liên kết với
dầm chủ với khoảng cách 3.5m. Cầu được thi công bằng phương pháp lắp hẫng cân bằng.
Các chuyên gia và kỹ sư cầu Nhật Bản đã đóng góp to lớn cho cơng nghệ thi công cầu
Extradose. Những năm cuối thế kỷ 20, đầu thế kỷ 21, hàng loạt các cơng trình cầu Extradose đã
và đang được xây dựng khắp nơi trên đất nước Nhật Bản và một số nước ở Châu Á. Các chuyên
gia và kỹ sư Nhật Bản không những phát triển cơng nghệ thi cơng cầu Extradose mà cịn
nghiên cứu thiết kế, tính tốn tối ưu cho các kết cấu mới dùng trong cầu Extradose. Ngay cả
những nước có ngành xây dựng cầu phát triển như Mỹ cũng phải đến Nhật để tham quan, học
hỏi kinh nghiệm xây dựng cầu Extradose. Từ kinh nghiệm của các chuyên gia Nhật Bản, các
kỹ sư cầu Mỹ đã thiết kế và xây dựng cây cầu Extradose hoàn chỉnh đầu tiên ở Mỹ, cầu Tân
Trân Châu Cảng4 (Hình 1.9).
Các cơng trình nghiên cứu của các chuyên gia Nhật Bản về kết cấu cầu Extradose được thể
hiện thông qua việc xây dựng hai chiếc cầu bắc qua cửa sông Kiso và Ibi ở thành phố Nagoya,
4

New Pearl Harbor Bridge


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

8

Hình 1.8: Cầu Pakse-Lào

Hình 1.9: Cầu Tân Trân Châu Cảng-Mỹ

Nhật Bản (Hình 1.10). Đây là hai cơng trình lớn nhất và cũng đặc biệt nhất thuộc thể loại cầu
Extradose. Tính chất đặc biệt của cầu này bao gồm:
• Đây là cầu Extradose đầu tiên trên thế giới với phần kết cấu nhịp được kết hợp cả kết cấu
BTCT DƯL và kết cấu thép5 với mục đích làm giảm trọng lượng tĩnh tải và gia tăng khẩu
độ nhịp chính. Khẩu độ nhịp chính của cầu Kisogawa và Ibigawa tương ứng là 275m và
271.5m, và là những chiếc cầu đang giữ kỷ lục về khẩu độ đối với dạng cầu Extradose.
• Chiều rộng mặt cầu là 33m cho sáu làn xe, được bố trí một mặt phẳng dây đặt ở tim cầu.
Kiểu bố trí này rất thanh mảnh, hài hòa với cảnh quan xung quanh ở cửa sơng Nagoya.
• Cột tháp được thiết kế có hình cánh buồm với chiều cao 30m tính từ mặt cầu (H =

1
L).
9.2

• Sử dụng bêtơng cường độ cao 60M P a để chế tạo đốt dầm, mỗi đốt có chiều dài 5m, đốt
trên trụ năng 400 tấn, gấp 5 lần các đốt dầm bêtơng đã chế tạo trước đó ở Nhật.
• Đây là chiếc cầu đầu tiên ở Nhật Bản sử dụng hệ thống camera ba chiều để đo đạc kích
thước đốt dầm trước khi di chuyển khỏi bệ đúc và trước khi di chuyển ra xà lan, và thu
5

prestressed concrete steel composite extradosed bridge or hyper bridge


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

9

Hình 1.10: Cầu Ibigawa-Nhật Bản

thập các số liệu phục vụ cho việc lắp ráp, điều chỉnh cho cong tác đổ bêtơng các đốt tiếp
theo.
• Sử dụng kết hợp cả hai công nghệ dự ứng lực ngoài và dự ứng lực trong cho phần kết cấu
bêtơng cốt thép.

Hình 1.11: Sơ đồ kết cấu nhịp cầu Kisogawa và cầu Ibigawa-Nhật Bản

Hình 1.11 là sơ đồ bố trí kết cấu nhịp cầu Kisogawa và cầu Ibigawa. Cầu Kisogawa gồm
5 nhịp liên tục, khẩu độ mỗi nhịp là 275m. Phần giữa nhip là dầm thép dài 105m, phần cịn
lại bằng bêtơng cốt thép dự ứng lực. Cầu Ibigawa có sáu nhịp liên tục, khẩu độ mỗi nhịp là
271,5m. Phần kết cấu thép của cầu Ibgawa dài 95-100m. Đối với cả hai cầu, kết cấu dầm bêtơng
có tiết diện hình hộp kép ba ngăn, có chiều cao ở trên trụ là 7m và chiều cao ở giữa nhịp là
4m. Liên kết giữa kết cấu bêtông và kết cấu thép thông qua một đốt dầm trung gian. Các đốt
dầm bêtông được chế tạo trên bờ gần khu vực thi công, sau đó vận chuyển bằng xà lan ra vị trí
lắp ráp và đặt lên kết cấu nhịp bằng phương pháp thi công lắp hẫng cân bằng. riêng phần kết
cấu thép được chế tạo trong xưởng thành một khối, sau đó vận chuyển bằng xà lan cà cẩu lắp
một lần lên kết cấu nhịp. Do đó thời gian thi cơng hai chiếc cầu này đã giảm đáng kể.
Kinh nghiệm xây dựng cầu Kisogawa và Ibgawa của các chuyên gia Nhật Bản đã được
áp dụng cho dự án xây dựng cầu Palau ở Cộng hịa Palau (Hình 1.12). Đây là chiếc cầu
Extradose ba nhịp liên tục với sơ đồ bố trí nhịp (82+247+82)m và được hoàn thành vào tháng
12/2001. Kết cấu nhịp chính được cấu tạo bằng dầm BTCT DƯL kết hợp với dầm thép ở giữa


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

10

Hình 1.12: Cầu Palau-Cộng hịa Palau

dài 82m. Dầm bêtơng, tiết diện hình hộp đơn, có chiều cao trên trụ 7m và chiều cao giữa nhịp
4m. Chiều rộng mặt cầu là 11.6m, được bố trí hai mặt phẳng dây ở hai bên mép dầm, mỗi mặt
phẳng dây bao gồm 12 cáp văng với số lượng tao cáp thay đổi từ 15φ15.2 đến 27φ15.2. Các
cáp văng được liên kết với cột tháp cao 27m tính từ mặt cầu. Để tăng cường độ cứng của cột
tháp theo phương ngang cầu, hai cột tháp được liên kết lại với nhau thông qua dầm ngang bằng
BTCT đặt ở gần đỉnh cột tháp. Do yêu cầu phải bảo vệ môi trường sinh thái của biển, các cột
tháp được xây dựng trong bờ. Do đó chiều dài nhịp biên và nhịp giữa khác nhau rất lớn, tạo ra
sự mất cân bằng giữa nhịp biên và nhịp giữa. Do vậy giải pháp thi công là đổ thêm các khối
bêtông đối trọng (19tf /m) trong lòng hộp cho các đốt dầm ở nhịp biên và kết hợp sử dụng
dầm thép ở nhịp giữa nhằm tạo ra sự cân bằng giữa nhịp biên và nhịp giữa. Phương pháp thi
công được sử dụng là phương pháp lắp hẫng cân bằng.

Hình 1.13: Cầu Himi-Nhật Bản
Đầu những năm 90 của thế kỷ trước, các chuyên gia Nhật Bản đã nghiên cứu áp dụng dạng
kết cấu mới cho xây dựng cầu. Đó là kết cấu dầm bêtơng cốt thép có sường bằng thép lượn
sóng6 . Ưu điểm của loại kết cấu này là tĩnh tải của kết cấu nhịp được giảm đáng kể, nên có
thể tăng được khẩu độ nhịp. Các thành tựu này được các chuyên gia Nhật Bản đưa vào thiết kế
và xây dựng cầu Himi ở thành phố Nagasaki ở phía nam Nhật Bản vào cuối năm 2000 (Hình
1.13). Và cầu Himi trở thành cầu Extradose đầu tiên trên thế giới sử dụng dầm bêtông cốt thép
có sườn thép lượn sóng. Cầu gồm ba nhịp liên tục với sơ đồ bố trí nhịp là (91.75+180+91.75)m.
Dầm có tiết diện hình hộp đơn với chiều cao 4m không đổi dọc suốt chiều dài cầu. Chiều rộng
6

PC beams with folded steel web

1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

11

mặt cầu 9m được bố trí hai mặt phẳng dây ở hai bên mép dầm. Chiều cao cột tháp là 19.8m
tính từ mặt cầu. Điểm đặc biệt của cầu này là sử dụng toàn bộ cáp dự ứng lực ngồi.Cầu được
thi cơng bằng phương pháp lắp hẫng cân bằng từ các đốt dầm có chiều dài 6.4m.

Hình 1.14: Cầu Rittoh-Nhật Bản
Tiếp theo cầu Himi, Cầu Rittoh cũng được thiết kế bằng dầm bêtông cốt thép có sườn bằng
thép lượn sóng (Hình 1.14). Cầu Rittoh được tách thành hai cầu riêng biệt, đặt cách nhay 8m,
một cầu dành cho hướng đi Tokyo, và một cầu khác cho hướng đi Osaka. Sơ đồ bố trí nhịp của
hai cầu như sau: (137.6+170+115+67.6)m cho hướng đi Tokyo, và (152.6+160+75+90+72.6)m
cho hướng đi Osaka. Trong đó cả hai cầu đều có hai nhịp đầu được thiết kế là cầu Extradose,
phần cịn lại là cầu dầm cứng thơng thường có sườn bằng thép lượng sóng. Trụ cầu có chiều
cao rất lớn khoảng 72m. Mặt cầu rộng 19.3m được bố trí hai mặt phẳng dây. Tiết diện dầm là
hình hộp kép ba ngăn có chiều cao thay đổi từ 7.5m ở tiết diện trên trụ đến 4.5m ở tiết diện
giữa nhịp. Điểm đặc biệt của cầu Rittoh là sử dụng vách ngăn bằng thép ở vị trí neo cáp văng
vào dầm cứng nhằm làm giảm trọng lượng và việc lắp đặt vách ngăn cũng đơn giản và hiệu
quả hơn. Các cáp văng được neo vào mỗi đốt dầm nhằm giảm ứng suất cục bộ của sườn thép,
bản bêtông và bộ phận liên kết gần khu vực neo dây. Công tác thiết kế cầu Rittoh được đặc biệt
chú ý về mặt kiến trúc vì nó nằm trong rừng tự nhiên của tỉnh Shiga. Do vậy cầu được thiết kế
hài hòa với phong cảnh xung quanh và gây ấn tượng cho người lái xe bởi vì màu sắc độc đáo
và kiểu dáng kiến trúc theo ý tưởng "Cầu trong không gian"7 . Tuy nhiên, vì bố trí hai cầu q
gần nhau, nên nhìn từ xa các cáp văng bị đan chéo vào nhau gây cảm giác rối mắt. Hiện tại,
hai chiếc cầu này đang trong quá trình xây dựng và dự kiến đến đầu năm 2006 sẽ hồn thành.
Phương pháp thi cơng phổ biến cho cầu Extradose phần lớn là phương pháp lắp hẫng cân
bằng. Các đốt dầm được lắp ráp từ trụ ra hai phía tạo ra sự cân bằng thơng qua cột tháp (Hình
1.15). Ưu điểm của phương pháp này là thời gian thi công rất nhanh, các đốt dầm được chế tạo ở
7

Bridge in flight


1.3. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU EXTRADOSE

12

Hình 1.15: Thi cơng lắp hẫng cân bằng cầu Kisogawa-Nhật Bản

bãi đúc nên dễ dàng kiểm tra chất lượng chế tạo cũng như kích thước hình học tổng thể của đốt
dầm. Ngồi phương pháp lắp hẫng cân bằng, một số cầu cũng được thi công bằng phương pháp
đúc hẫng cân bằng như cầu Tsukuhara, cầu Rittoh, cầu Shikawa . . . . Tuy nhiên, ngoài phương
pháp đúc hẫng và lắp hẫng cân bằng, các chun gia Nhật Bản cịn sử dụng phương pháp thi
cơng bằng công nghệ đúc đẩy để thi công cầu Extradose. Một ví dụ cho việc áp dụng phương
pháp thi cơng này trong xây dựng cầu Extradose là cầu đường sắt trên tuyến đường Sasshyou ở
Hokkaido được hoàn thành vào năm 1999 (Hình). Chiếc cầu này gồm hai nhịp (51.4+58.4)m,
chiều rộng mặt cầu là 13.2m. Cột tháp cao 9.9m, tiết diện dầm có chiều cao khơng đổi 2.6m.
Đây là chiếc cầu Extradose đầu tiên trên thế giới thi công bằng phương pháp đúc đẩy. Giải
pháp thi công bằng phương pháp đúc đẩy được lựa chọn vì lý do sau:
• Cầu phải vượt qua hệ thống đường quốc lộ và đường dành cho xe mơtơ, do đó khoảng
tĩnh khơng rất nhỏ, khơng đủ cho việc thi cơng hẫng.
• Chiều dài nhịp trung bình, trong khoảng 50-60m thích hợp với cơng nghệ đúc đẩy
Tuy nhiên việc thi công bằng phương pháp đúc đẩy cũng có nhiều bất lợi, vì cần nhiều trụ
tạm và cáp CĐC phục trợ cho q trình thi cơng. Do vậy, ngồi cơng trình kể trên chưa thấy
thêm cơng trình cầu Extradose nào được xây dựng bằng phương pháp đúc đẩy. Hình là cầu
đường sắt ở Hokkaido đang trong quá trình thi cơng đẩy dầm chuẩn bị vượt qua đường quốc lộ.
Tóm lại, cầu Extradose là một dạng đặc biệt của cầu bêtông cốt thép được tạo ứng suất trước
bằng cơng nghệ dự ứng lực ngồi. Các bó cáp CĐC được đưa lên khỏi bề mặt dầm cứng và liên
kết với cột tháp có chiều cao thấp đặt trên trụ. Nhìn hình dáng bên ngồi, cầu Extradose rất

giống CDV có cột tháp thấp nhưng bản chất của kết cấu lại ứng xử gần với cầu dầm cứng hơn
là CDV. Điểm quan trọng của cầu Extradose là hệ dầm cứng và hệ dây treo cùng làm việc dưới
tác dụng của hoạt tải, do vậy có sự phân phối nội lực đồng đều hơn giữa hệ dầm cứng và hệ dây
treo. Kết quả là tận dụng được khả năng làm việc của vật liệu. Ngồi ra, cầu Extradose cịn có
tính đa dạng về mặt kết cấu nhịp như có thể là kết cấu BTCT DƯL thông thường sử dụng dự
ứng lực trong, dự ứng lực ngoài, hay kết hợp cả hai loại cơng nghệ tạo dự ứng lực. Mặt cắt tiết
diện có thể thay đổi hay không thay đổi tùy theo khẩu độ nhịp. Kết cấu nhịp có thể là BTCT
DƯL hay kết hợp giữa kết cầu bêtông và kết cấu thép8 . Sườn dầm có thể bằng bêtơng hay thép
lượn sóng . . . . Với các ưu điểm nổi bật trên đây cùng với sự hấp dẫn về mặt kết cấu, khẩu độ,
kiểu dáng kiến trúc và giá thành xây dựng hợp lý, chắc chắn cầu Extradose sẽ là một hướng
phát triển nhiều triển vọng trong ngành xây dựng cầu ở trên thế giới nói chung và ở VN nói
riêng
8

hybrid structures


1.4. ƯU ĐIỂM CỦA KẾT CẤU CẦU EXTRADOSE

1.4

13

ƯU ĐIỂM CỦA KẾT CẤU CẦU EXTRADOSE

Cầu Extradose là dạng kết cấu kết hợp giữa kết cấu của cầu dầm cứng và cầu dây văng, do vậy,
nó đã phát huy được các ưu điểm của cả hai loại cầu trên.

Hình 1.16: So sánh Cầu dầm liên tục - Cầu Extradose - Cầu dây văng

Với cầu dây văng thông thường, phần lớn tải trọng (tĩnh tải bản mặt cầu, tĩnh tải dầm
bêtông, hoạt tải) được truyền qua dây văng, lên đỉnh tháp và truyền qua tháp xuống nền móng.
Trong cầu Extradose, cả dầm cứng và cáp văng đều chịu tải trọng. Một phần tải trọng được
truyền qua dầm vào tháp cầu, và phần còn lại được truyền qua cáp văng, lên đỉnh tháp và truyền
qua tháp xuống nền móng. Chính vì vậy, mà kết cầu cầu Extradosechịu lực hiệu quả hơn, tính
thẩm mỹ cao hơn.
Một vài ưu điểm khác của cầu Extradose là:
• Có nhịp lớn hơn nhịp cầu dầm liên tục.
• Chiều cao tháp nhỏ hơn so với cầu dây văng. Điều này rất quan trọng khi thiết kế những
cây cầu mà chiều cao tháp cần hạn chế (VD: cầu vượt trong đô thị, cầu gần sân bay ...)
• Dây cáp của cầu Extradose không cần căng chỉnh phức tạp như đối với cầu dây văng
thơng thường, do đó sẽ giảm giá thành xây dựng cầu.
• Chiều cao dầm cầu chỉ bằng một nửa so với cầu dầm liên tục. Vì vậy sẽ giảm được tĩnh
tải, giảm chiều dài cầu, nâng cao khoảng tĩnh khơng bên dưới, rất thích hợp cho các cầu
vượt trong đô thị phải vượt qua 1 khoảng tĩnh không nhất định mà khơng chiếm q
nhiều diện tích.
• Vì cáp ngắn, độ võng bản thân cáp nhỏ nên thông thường không phải quan tâm lắm đến
hiện tượng giao động cáp như ở cầu dây văng.
• Biên độ ứng suất trong cầu Extradose gần giống như kết cấu cầu bêtông ứng suất trước
và nhỏ hơn cầu dây văng nên ứng suất kéo cho phép đối với cáp văng khi thiết kế có thể
được tăng lên. Nghĩa là số lượng cáp văng có thể giảm xuống, và kết cấu neo đơn giản
hơn, do đó giá thành xây dựng giảm.
• Chiều cao cột tháp thấp, do đó dễ dàng cho việc lắp đặt cáp văng cũng như cho công tác
duy tu bảo dưỡng sau này.
• Do biên độ ứng suất trong cầu Extradose nhỏ nên không phải xét tới hiện tượng mỏi cáp
như đối với cầu dây văng.


1.5. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CÁP CẦU EXTRADOSE

1.5

ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CÁP CẦU EXTRADOSE

1.5.1

Ứng suất cho phép

14

Cũng giống như thiết kế cầu dây văng, một trong số những yếu tố quan trọng nhất là ứng suất
cho phép đối với cáp, yếu tố này liên quan trực tiếp tới độ cứng của cáp cầu Extradose và độ
cứng của toàn hệ kết cấu. Độ lớn của ứng suất cho phép sẽ quyết định liệu cáp có bị phá hoại
do mỏi hay khơng khi chịu tải trọng bình thường (khơng xét hệ số tải trọng) và đảm bảo cáp
vẫn làm việc trong miền đàn hồi khi chịu tải trọng cực hạn (xét hệ số tải trọng). Hiện tượng
mỏi cáp thể hiện dưới hai dạng: dạng thứ nhất là mỏi sinh ra bởi sự biến đổi có tính chu kì
của ứng suất dọc trục do hoạt tải; dạng thứ hai xuất hiện tại điểm neo và do gió rung cáp cầu
Extradose gây nên. Đối với hiện tượng mỏi dọc trục có thể khống chế được bằng cách giảm
ứng suất kéo do tải trọng gây mỏi, cịn đối với dạng mỏi do gió, các nhà thiết kế thường xử lý
bằng cách ứng dụng thiết bị giảm chấn (giảm chấn dầu, giảm chấn cao su, bố trí hệ dây neo
các bó cáp . . . ). Điều cần thiết ở đây là phải xác định được cường độ tải trọng gây ra mỏi và
kéo theo là tuổi thọ về mỏi (tương đương với số chu kì lặp của tải trọng đó).

1.5.2

Chùng ứng suất trong cáp

Bằng các nghiên cứu, tính tốn người ta đã chứng minh được rằng trong cáp cầu Extradosesự
biến đổi lực kéo do từ biến và co ngót sẽ lớn hơn so với sự biến đổi lực kéo sinh ra do tĩnh tải
phần hai và hoạt tải, cho nên để xác định tỉ số chùng biểu kiến của cáp phải xem xét tác động

của từ biến và co ngót bê tơng.

1.5.3

Điều chỉnh lực căng trong q trình thi cơng

Điểm khác biệt cơ bản giữa cáp cầu Extradose và cáp cầu dây văng là trong quá trình căng
kéo chỉ phải kéo một hoặc hai lần, trong khi đó đối với cáp dây văng phải thực hiện căng điều
chỉnh làm nhiều lần. Kết luận này đã được các nhà thiết kế nước ngoài rút sau khi đã thi công
nhiều cầu dây văng và cầu Extradose trên thế giới.

1.5.4

Bố trí neo tại đỉnh tháp

Với nguyên lí tương tự cầu dây văng, việc truyền lực từ bó cáp vào kết cấu thường thơng qua
đầu mút cáp có gắn đầu neo giống như kết cấu ứng suất trước kéo sau; hoặc trong một số trường
hợp lực cáp được truyền trực tiếp dọc phần cong của đoạn cáp tì trên tháp như vẫn thường gọi
là “yên ngựa”. Tuân theo những ngun lí nêu trên có thể liệt kê ở đây một số kiểu liên kết
điển hình tại đỉnh tháp như sau:
• Cáp giao nhau trong bê tơng (Hình ). Kiểu bố trí này cũng được dùng trong cầu dây văng
bởi sự đơn giản lắp đặt và trong trường hợp cần thiết có thể thay thế, có thể sử dụng hệ
neo dùng cho cáp ứng suất trước nằm ngồi bê tơng. Tuy nhiên kết cấu neo giao cắt cũng
có nhược điểm là phải bố trí tháp cao hơn, tiết diện tháp phải rộng hơn so với kiểu neo
“yên ngựa” để đủ khoảng khơng gian bố trí neo.
• Cáp xun qua đỉnh tháp (Hình ). Đây là kiểu liên kết thường dùng trong kết cấu cầu
Extradose, khoảng cách tim các bó cáp trên đỉnh tháp chủ yếu phụ thuộc vào khả năng
chịu lực của lớp bê tông nằm giữa các ống gen. Nếu trong thiết kế có dự tính tới việc

1.5. ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CÁP CẦU EXTRADOSE

15

thay thế cáp trong tương lai thì tương tự giải pháp ứng suất trước nằm ngồi bê tơng, tại
vị trí n ngựa cũng phải cấu tạo ống gen đúp. Ống gen đặt cố định tại đỉnh tháp trên
nguyên tắc phải chịu được lực tì do thành phần phân tích thẳng đứng của lực kéo trong
bó cáp sinh ra ở đúng vị trí điểm chuyển hướng và chịu được sự chênh lệch lực căng
trong bó cáp nằm ở hai phía tháp (kí hiệu là F ). Mặt khác tại thời điểm trước khi bơm
vữa, đối với cường độ ma sát giữa ống gen với cáp Extradose, hoặc tại thời điểm sau khi
bơm vữa, đối với cường độ dính bám của vữa đều yêu cầu phải lớn hơn trị số F . Ngồi
ra bê tơng xung quanh ống gen cũng phải chịu được lực ép vỡ do thành phần phân tích
thẳng đứng của lực kéo trong bó cáp.

1.5.5

Bảo vệ chống gỉ cáp cầu Extradose

Cáp Extradose được chống gỉ bằng hai lớp bảo vệ là ống bọc bằng thép hoặc nhựa polietylen,
ống chất dẻo xen kẹp sợi thép. Vai trò của lớp bảo vệ thứ nhất là tách cáp ứng suất trước ra khỏi
nguyên nhân gây ăn mòn, và chất nhồi bằng vữa xi măng hoặc mỡ, sáp dầu mỏ, poliurethan
. . . là lớp bảo vệ thứ hai, chưa kể ngày nay trong một số trường hợp người ta đã sử dụng phương
pháp mạ kẽm hoặc bọc epôxi trước khi phun vữa.

1.5.6

Hiện tượng rung cáp do mưa

Trong q trình xảy ra mưa kết hợp gió sẽ hình thành hai đường nước chảy dọc đỉnh và đáy
ống bọc cáp Extradose tạo nên hiện tượng lắc lư cáp và làm mất đi tính ổn định khí động. Cho

nên khi nghiên cứu hiện tượng rung do mưa và gió phải đặc biệt quan tâm tới biên độ dao động
giới hạn xảy ra ứng với tốc độ gió từ 6m/s đến 8m/s, vì ở phạm vi đó nước mưa trên bề mặt
ống bọc cáp khó bị gió cuốn theo, nhưng lại dễ hình thành hai đường nước chảy phía trên và
dưới ống. Một vấn đề khác cũng phải xét tới đó là với những bó cáp có tần số dao động riêng
nhỏ hơn 3Hz thì hiện tượng mất ổn định khí động nói trên cũng hay xảy ra.

1.5.7

Hiện tượng rung cáp do gió xốy quẩn

Các thí nghiệm khí động đã cho thấy khi bó cáp nằm trên hướng gió và tần số gió xốy trùng
với tần số riêng của bó cáp sẽ xảy ra hiện tượng rung cáp do gió xốy quẩn. Thơng thường ở
dạng dao động bậc nhất xảy ra do gió xốy quẩn tốc độ gió rất thấp, trái lại ở vùng có dạng
dao động bậc cao cũng có thể xảy ra hiện tượng xốy do gió quẩn nhưng lực rung do gió cực
kì nhỏ.

1.5.8

Hiện tượng bó cáp chao đảo theo đường elip

Đây là hiện tượng hay xảy ra khi bố trí hai mặt phẳng dây thượng và hạ lưu song song với nhau
(Hình ). Cáp thuộc mặt phẳng bị khuất gió sẽ bị chao đảo do các bó cáp ở mặt phẳng phía
trước chốn gió. Hiện tượng này chịu ảnh hưởng của cự li phân bố giữa hai mặt phẳng cáp, khi
khoảng cách đó bằng 10 đến 20 lần đường kính bó cáp, hiện tượng cáp rung chao đảo dạng
elíp xảy ra dữ dội, cịn khi khoảng cách đó bằng 2 đến 5 lần đường kính bó cáp, hiện tượng
nêu trên khơng quan sát thấy.


1.6. CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU EXTRADOSE

1.6

CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU EXTRADOSE

1.6.1

Mở đầu

16

Cầu Extradose mới được phát minh ở cuối những năm 80 của thế kỷ trước, tuy nhiên loại hình
kết cấu này đã phát triển nhanh chóng với những ưu điểm nổi bật của nó so với các dạng cầu
khác. Đặc điểm cơ bản của cầu Extradose là sự kết hợp hợp lý về mặt kết cấu giữa cầu dầm
cứng và cầu dây văng. Cầu Extradose có thể vượt được những khẩu độ lớn và vừa, mang tính
kinh tế cạnh tranh cao so với các dạng cầu khác có cùng kích thước.
Mặt khác, cầu Extradose rất đa dạng về mặt kết cấu, thể hiện ở chỗ có thể kết hợp được
nhiều loại kết cấu như: kết hợp kết cấu bêtông cốt thép dự ứng lực với kết cấu thép, hay có thế
sử dụng dầm bêtơng có sườn thép lượn sóng để giảm tĩnh tải của dầm. Về cơng nghệ tạo ứng
suất trước cho dầm có thể sử dụng dự ứng lực trong, dự ứng lực ngoài, hay kết hợp cả hai loại
trên. Về chiều cao của dầm chủ, dầm có thể có chiều cao khơng đổi hoặc thay đổi tùy theo
khẩu độ của nhịp chính. Tuy nhiên, đối với dầm có chiều cao thay đổi, đoạn dầm có chiều cao
thay đổi thơng thường chỉ ở trong phạm vi từ tim trụ đến điểm neo dây đầu tiên, phần cịn lại
sẽ có chiều cao khơng đơi. Do vậy thi công sẽ đơn giản hơn so với dầm cứng có chiều cao thay
đổi liên tục khi sử dụng công nghệ đúc hẫng cân bằng. Về cột tháp, cột tháp có thể được cấu
tạo bằng bêtơng cốt thépm hay phần dưới bằng bêtông cốt thép và phần trên liền với cáp văng
thì bằng kết cấu thép (kết cấu yên ngựa). Số mặt phẳng dây có thể là một hay nhiều mặt phẳng
dây phụ thuộc vào chiều rộng của mặt cầu.
Cầu Extradosevới ưu thế về khả năng chịu lực hợp lý, đa dạng về sơ đồ kết cấu và công
nghệ thi công, và đặc biệt là giá thành xây dựng, đang được ứng dụng ngày càng nhiều ở nhiều
nước trên thế giới vì tính kinh tế và hài hịa về khả năng chịu lực của kết cấu.

Về bản chất, cầu Extradose là cầu dầm bêtông cốt thép dự ứng lực ngồi, trong đó các bó
cáp CĐC được đưa lên trên mặt tiết diện tạo ra độ lệch tâm lớn so với trục trung hòa của dầm,
và cột tháp được coi như là vách chuyển hướng có độ cứng rất lớn. Ý tưởng này cũng đã xuất
hiện trong một số vầu dầm BTCT DƯL ngồi. Tuy nhiên, một số bó cáp CĐC được đưa xuống
dưới khỏi phạm vi chiều cao tiết diện hay đưa lên neo vào cột tháp có chiều cao thấp để tăng
cường khả năng chị mômen âm và mômen dương của dầm cứng như cách cấu tạo trong cầu
Ayumi ở Nhật Bản.

1.6.2

Sơ đồ bố trí nhịp cầu Extradose

Sau đây giới thiệu một số sơ đồ bố trí nhịp điển hình của cầu Extradose:
Cầu Extradose hai nhịp
Cầu Extradose hai nhịp dành cho các cầu vượt qua đường, vượt qua sông hay thung lũng không
lớn lắm. Các phương án cầu hai nhịp được chọn chủ yếu do điều kiện địa chất, địa hình hoặc
yêu cầu kiến trúc tổng thể xung quanh khu vực cầu. Thông thường cột tháp được đặt ở giữa
nhịp, các cáp văng được bố trí đối xứng qua cột tháp tạo ra sự cân đối cho tồn cầu. Điển
hình cho loại cầu này là cầu Miyakodagawa ở Nhật Bản. Cầu có khẩu độ (133+133m) vượt qua
thung lũng sâu, ben dưới có sơng nhỏ và đường ơtơ liên tỉnh (Hình 1.17). Cột tháp được cấu tạo
bằng bêtơng cốt thép bên trong có ống thép φ1.5m, cao 20m tính từ mặt cầu. Chiều cao của trụ
rất lớn khoảng 54m tính từ bệ móng đến bản đáy của dầm chủ.
Đối với cầu hai nhịp, cột tháp có thể được đặt lệch sang một bên tạo ra chiều dài hai
nhịp không bằng nhau. Dưới tác dụng của tĩnh tải, trọng lượng bản thân của của nhịp lớn

Tải bản FULL (41 trang): bit.ly/3aIqHVU
Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net


1.6. CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU EXTRADOSE

17

Hình 1.17: Sơ đồ kết cấu cầu hai nhịp cân bằng - Cầu Miyakodagawa

gây ra lực căng dự trữ trong cáp văng đủ để khắc phục lực nén do hoạt tải tác dụng lên nhịp
nhỏ. Một số cầu Extradosevới kiểu bố trí như thế này đã được xây dựng ở nhiều nơi như: cầu
Mauvieveu ở Pháp với sơ đồ nhịp (52.5+48.5m), cầu Santanigawa (57.9+92.9m), cầu Matakina
(109.3+89.3m), cầu Shurikami (84.9+24.9m) ở Nhật Bản. Hình 1.18 là sơ đồ bố trí hai nhịp
khơng cân bằng bằng của cầu Santanigawa ở Nhật Bản. Chiếc cầu này được thiết kế hai nhịp
khơng cân bằng vì phải vượt qua thung lũng sâu, bên dưới có sơng Santani và đường giao thơng
liên tỉnh. Cách bố trí hai nhịp như vậy tỏ ra rất hợp lý vì giảm được chiều cao trụ do xây dựng
trên vùng đất cao và địa hình cũng tương đối thuận tiện. Tuy nhiên đối với cầu Extradose hai
nhịp, tùy theo vị trí cột tháp, sơ đồ bố trí cáp văng trên nhịp nhỏ có thể bố trí giống hoặc khác
so với sơ đồ bố trí cáp văng trên nhịp lớn về số lượng dây cáp cũng như khoảng cách giữa các
cáp văng.
Điểm khác biệt giữa cầu Extradose và cầu dây văng (CDV) là cáp văng biên ngồi khơng
cân thiết phải được neo xuống mố hay trụ neo như trong CDV, vì hệ dầm cứng trong cầu
Extradose có độ cứng rất lớn, hơn nữa trọng lượng bản thân của hệ dầm cứng bên phía nhịp
nhỏ cũng đủ lớn để chống lại sự nâng đầu dầm khi có hoạt tải tác dụng ở trên nhịp lớn.
Điều này chứng minh cho sự làm việc linh hoạt giữa hệ dầm cứng và hệ dây treo trong cầu
Extradose dưới tác dụng của hoạt tải, và tính ưu việt của dạng kết cấu cầu Extradose so với
Tải bản FULL (41 trang): bit.ly/3aIqHVU
CDV.

Dự phòng: fb.com/TaiHo123doc.net
Cầu Extradose ba nhịp
Phần lớn cầu Extradose được thiết kế theo kiểu hệ ba nhịp, trong đó nhịp giữa có chiều dài
lớn nhất, cịn hai nhịp biên có chiều dài nhỏ hơn (xem thống kê ở Bảng). Chiều dài nhịp biên
thường thay đổi rất lớn và phụ thuộc vào chiều dài nhịp giữa, thông thường được lấy bằng

0.3 − 0.7L, trong đó L là chiều dài nhịp giữa. Theo số liệu thống kê ở Bảng, chiều dài nhịp
biên bằng 0.6 − 0.7L được thiết kế nhiều nhất, và đây cũng là chiều dài nhịp biên hợp lý đối


1.6. CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU EXTRADOSE

18

Hình 1.18: Sơ đồ kết cấu cầu hai nhịp không cân bằng - Cầu Santanigawa

với cầu Extradose. Cầu Extradose ba nhịp về mặt cơ học là một dầm liên tục dựa trên các gối
cứng (ở mố và trụ) và trên gối đàn hồi tại các điểm neo cáp văng. Độ cứng của gối đàn hồi phụ
thuộc các yếu tố sau:
• ❉✐➺♥ t➼❝❤ ✈➔ ❝❤✐➲✉ ❞➔✐ ❝→♣ ✈➠♥❣ : Độ cứng của gối đàn hồi tỷ lệ thuận với diện tích
và tỷ lệ nghịch với chiều dài cáp văng. Diện tích cáp văng được lựa chọn trên cơ sở tận
dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu và đảm bảo độ bền, độ bền mỏi, độ cứng
chung của kết cấu.
• ●â❝ ♥❣❤✐➯♥❣ ❝õ❛ ❝→♣ ✈➠♥❣ s♦ ✈ỵ✐ ♠➦t ♣❤➥♥❣ ♥➡♠ ♥❣❛♥❣ : Góc nghiêng của cáp
văng ảnh hưởng đến lực căng trong dây cáp và hệ quả là ảnh hưởng đến nội lực trong hệ
dầm cứng, vì do chiều cao tháp thấp nên góc nghiêng của cáp văng nhỏ hơn so với CDV,
nên thành phần lực nằm ngang trong cáp văng có tác dụng nén ép mặt cắt vào phía trụ
cầu rất lớn.
Hình 1.19 là sơ đồ bố trí nhịp của cầu Odawara - cầu Extradose đầu tiên trên thế giới. Ở cây
cầu này, tỷ lệ chiều dài giữa nhịp biên và nhịp giữa là 0.6, và được coi là tỷ lệ tương đối hợp lý
cho thể loại kết cấu này. Cầu có khoảng cách từ cột tháp đến điểm neo dây đầu tiên là 25.5m,
và khoảng cách này lớn hơn rất nhiều so với cách bố trí trong cầu dây văng. Nhìn chung, chiều
cao mặt cắt của cầu Extradose chỉ thay đổi trong phạm vị từ cột tháp đến điểm neo dây đầu
tiên, phần cịn lại sẽ có chiều cao khơng đổi. Hình 1.20 là sơ đồ cầu Palau ở Cộng hòa Palau.
Đặc điểm của cầu này là chiều dài nhịp biên nhỏ, chỉ bằng 0.33 chiều dài nhịp giữa. Vì lý do
phải bảo tồn mơi trường sinh thái của vùng biển, nên các trụ của cầu Palau yêu cầu phải được

xây dựng trên bờ, do vậy nhịp biên có chiều dài nhỏ đã được lựa chọn thiết kế. Tuy nhiên, phần
giữa của nhịp chính được thiết kế bằng kết cấu thép dài 82m nhằm làm giảm tĩnh tải của kết
cấu nhịp.
Tóm lại, cầu Extradose ba nhịp có nhiều ưu điểm, vừa dễ thi cơng, vừa dễ bố trí các cáp
văng. Khi thiết kế nên xem xét lựa chọn phương án cầu ba nhịp có chiều dài nhịp biên bằng
0.6 − 0.7L. Trong các trường hợp đặc biệt, theo yêu cầu thiết kế hay theo địa hình thi cơng thì
có thể chọn phương án nhịp biên nhỏ, nhưng cũng phải dựa trên cơ sở so sánh các chỉ tiêu kinh
tế kỹ thuật của các phương án khác nhau.

3449722