Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dài phần bố trí dây văng trong cầu treo hybrid đến nội lực và biến dạng của cầu

Các đặ c đ i ể m c ơ b ả n c ủ a c ầ u dây v ă ng

Các s ơ đồ nh ị p c ầ u dây v ă ng

a Cầu dây văng một nhịp

Cầu dây văng có thiết kế một nhịp, với tháp cầu được xây dựng trên mố và dầm chủ một nhịp tựa trên hai gối cứng Các dây văng từ tháp tỏa xuống và neo vào các điểm trên dầm cứng, tạo thành các gối đàn hồi Đằng sau mố, dây văng được liên kết với mố neo được đặt sâu trong nền đường Một ví dụ thực tế về cầu dây văng một nhịp là cầu Ruck-a-Chucky ở California, Hoa Kỳ.

Hình 1.5 Cầu Ruck-a-Chucky ở california (Hoa Kỳ) b Cầu dây văng hai nhịp

Cầu dây văng hai nhịp đã được ứng dụng phổ biến từ những năm 1960 đến 1970 cho các cầu vượt đường và sông nhỏ Việc lựa chọn phương án cầu hai nhịp thường phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình và yếu tố mỹ quan Cầu có thể thiết kế với các nhịp bằng nhau, với tháp cầu ở giữa và các dây văng đối xứng, hoặc với các nhịp không bằng nhau, khi đó tháp cầu được đặt lệch sang một bên, có thể có hình dáng thẳng đứng hoặc xiên.

Hình 1.6a Cầu Saint-Florent le Vieil (Pháp)

Hình 1.6b Cầu Erasmusbrug (Hà Lan)

Hình 1.7a Cầu Meiko- Chuo (Nhật Bản)

Hình 1.7b Cầu Ikuchi (Nhật Bản) d Cầu dây văng nhiều nhịp

Sơ đồ cầu dây văng nhiều nhịp thường được sử dụng cho các cầu dài vượt biển, kết nối giữa các đảo trong điều kiện địa hình địa chất không thuận lợi cho nhịp ngắn Ngoài ra, sơ đồ này cũng có thể áp dụng khi cần nâng cấp hoặc tăng cường cầu cũ.

Các sơ đồ phân bố dây văng

Sơ đồ này mô tả các dây văng hội tụ tại một nút cố định trên tháp cầu, từ đó các dây tỏa xuống và neo vào dầm cứng tại một số điểm, tạo thành các gối đàn hồi cho dầm liên tục.

Sơ đồ dây đồng quy phù hợp cho các cầu nhịp nhỏ, với ít dây và khoang lớn, do cấu trúc nút dây trên tháp đơn giản Trong khi đó, sơ đồ song song cũng là một lựa chọn hiệu quả cho thiết kế cầu.

Sơ đồ cầu có các dây văng song song ở hai bên tháp, phân bố đều trên tháp và dầm chủ, tạo nên cấu trúc nút đơn giản với tối đa hai dây tại mỗi nút Thiết kế này không chỉ đảm bảo tính hiệu quả mà còn mang lại vẻ đẹp thanh thoát và thông thoáng cho công trình.

Sơ đồ trên có nhược điểm khi các dây có cùng góc nghiêng nhỏ so với phương ngang, dẫn đến giảm độ cứng của các nút đeo dây Khoảng cách lớn giữa các dây trên trụ tháp cũng làm tăng áp lực nén dọc và uốn, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng chịu lực và độ ổn định của trụ tháp.

Sơ đồ trung gian giữa sơ đồ đồng quy và sơ đồ song song cho phép phân bố các dây trên tháp cầu với khoảng cách hợp lý, tạo điều kiện cho việc cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây trong quá trình thi công Việc bố trí các dây không song song giúp tối ưu hóa các góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian, đồng thời giảm thiểu hiện tượng uốn ngang của tháp cầu.

Hình 1.11 Cầu Ben-Ahin (Bỉ)

Sơ đồ này gặp nhược điểm do số lượng dây lớn và kích thước khoang nhỏ, dẫn đến các khoang dầm gần mố phải chịu momen uốn lớn Tại vị trí này, độ cứng theo phương thẳng đứng của dây văng khá nhỏ do dây dài với góc nghiêng nhỏ.

1.1.2.3 Số mặt phẳng dây của cầu dây văng

Số lượng mặt phẳng dây của cầu phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang khổ cầu Cầu có bề rộng nhỏ hơn 7m thường sử dụng một mặt phẳng dây, trong khi cầu từ 7 đến 20m thường chọn hai mặt phẳng dây Với nhu cầu vận chuyển ngày càng cao, cầu dây văng hiện nay thường có bề rộng lớn hơn 20m, có thể sử dụng ba hoặc bốn mặt phẳng dây Đối với cầu rộng, có thể xem xét phương án tách thành hai cầu, mỗi cầu sử dụng hai mặt phẳng dây, để so sánh với kết cấu cầu nhiều mặt phẳng dây Cầu Zakim Bunker Hill là cầu dây văng ba mặt phẳng dây rộng nhất thế giới với chiều rộng 55.77m.

Cầu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu

D ầ m ch ủ đơ n n ă ng

Trong cầu có dầm chủ đơn năng, các bộ phận hệ mặt cầu hoạt động độc lập, với dầm chủ chịu lực như biên cứng, chủ yếu chịu nén và uốn trong mặt phẳng thẳng đứng Khả năng chống xoắn được đảm nhiệm bởi các dầm ngang và hệ dây Dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp của bản, bao gồm cả dầm dọc và ngang Dầm chủ đơn năng chỉ được sử dụng trong các cầu có nhiều mặt phẳng dây.

Hình 1.13 Các tiết diện dầm thép đơn năng

Hình 1.14 Các tiết diện dầm BTCT đơn năng

D ầ m ch ủ đ a n ă ng

Dầm chủ có chiều cao lớn, chịu lực cục bộ và tổng thể, không phân biệt rõ với hệ dầm mặt cầu Bản mặt cầu vừa chịu lực theo phương ngang vừa tham gia vào việc chịu uốn của dầm chủ Vật liệu cấu thành tiết diện hộp kín được bố trí xa trọng tâm, giúp tăng khả năng chống uốn và chống xoắn, đặc biệt quan trọng trong các cầu có mặt phẳng dây bố trí ở giữa Dầm chủ đa năng có khả năng chịu lực tốt, cả uốn và xoắn, mang lại ưu điểm vượt trội so với dầm chủ đơn năng, do đó được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng cầu dây văng.

Hình 1.15 Các tiết diện dầm hộp thép kín đa năng

Hình 1.16 Tiết diện dầm hộp BTCT đa năng

Tháp cầu 1728 được coi là mềm khi chịu uốn kém hoặc khi có liên kết khớp với trụ, không phụ thuộc vào kích thước tiết diện Chuyển vị ngang của đỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu phụ thuộc vào độ cứng chịu kéo của dây neo, thường được liên kết cố định với một đầu tại đỉnh tháp và đầu còn lại vào dầm cứng trên mố hoặc trụ Do đó, theo phương dọc cầu, tháp mềm hoạt động như một thanh với đầu trên liên kết khớp với dây neo và đầu dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ.

Hình 1.17 Hình dạng các tháp cầu mềm [12]

Tháp cứng có tiết diện ngang lớn và độ cứng dọc cao, giúp hạn chế chuyển vị ngang của đỉnh tháp và chịu lực từ các dây văng Chúng cần được liên kết cứng với trụ và có thể không cần dây neo Tháp cứng hoạt động như một thanh với một đầu ngàm và một đầu tự do chịu nén uốn Loại tháp này phù hợp cho cầu dây văng nhiều nhịp với ít dây, đồng thời đảm bảo độ cứng ngang và tiết kiệm vật liệu bằng cách tạo hình dạng A hoặc Y ngược.

Hình 1.18 CầuMaracaibo (Venezuela)với kết cấu tháp cứng

Tháp cầu thường được làm từ vật liệu thép hoặc bê tông cốt thép (BTCT) Tháp cầu bằng thép thường được sử dụng cho cầu có dầm chính bằng thép, trong khi tháp cầu bằng BTCT phù hợp cho cả dầm thép và BTCT Đối với các cầu dây văng nhỏ hoặc vừa, cầu dành cho người đi bộ và cầu dẫn ống, tháp cầu bằng thép được ưa chuộng vì dễ dàng chế tạo trong nhà máy và vận chuyển lắp đặt nhanh chóng Tuy nhiên, do tháp cầu thường chịu nén, bê tông cốt thép trở thành lựa chọn phổ biến để làm trụ tháp nhờ vào khả năng chịu lực tốt, dễ dàng tạo hình, linh hoạt trong kích thước, thi công đơn giản bằng ván khuôn trượt hoặc lắp ghép, có tuổi thọ cao và yêu cầu bảo trì thấp.

1.1.5 Cấu tạo dây văng và hệ neo

Dây văng là bộ phận quan trọng trong hệ kết cấu cầu, chịu tải trọng tĩnh và động từ dầm chính, phân bố lực xuống trụ tháp và tạo lực dọc trong dầm Tính chất làm việc của dây văng khiến cầu dây văng có cấu trúc khác biệt so với các loại cầu khác, cho phép vượt nhịp lớn với dây văng dài, căng và neo vào hai điểm cố định Tuy nhiên, dưới trọng lượng bản thân, dây văng thường bị võng, và khi chịu tải, độ võng giảm, gây thêm biến dạng Để giảm thiểu ảnh hưởng này, dây văng thường được chế tạo từ sợi thép cường độ cao, như sợi thép đơn hoặc bó cáp.

Cáp có thể là tập hợp của một số sợi thép bố trí song song, xoắn ốc hoặc tập hợp của nhiều bó nhỏ

Cáp thường dùng trong cầu dây văng bao gồm các loại như thép thanh, thép sợi, tao cáp, cáp kín, bó cáp và cáp có sợi song song Đầu neo có cấu tạo và kích thước phụ thuộc vào kích thước dây văng và phương pháp căng kéo, cần được thiết kế để chịu lực kéo đứt mà không vượt quá giới hạn chảy của vật liệu Có hai loại đầu neo: đầu neo cố định không thể thay đổi chiều dài sau khi lắp đặt, và đầu neo di động có khả năng điều chỉnh chiều dài dây, hỗ trợ căng chỉnh trong quá trình thi công và khai thác.

1.2 Tổng quan về cầu dây võng

1.2.1 Lịch sử phát triển cầu dây võng

Cầu dây võng, một loại cầu có lịch sử phát triển lâu dài, lần đầu tiên xuất hiện ở Trung Quốc khoảng 2200 năm trước với cáp treo bằng xích sắt, và một cầu tương tự cũng được xây dựng tại Ấn Độ Mặc dù có nguồn gốc từ Phương Đông, cầu dây võng đã xuất hiện ở Châu Âu vào thế kỷ 16, với cầu Winch-Anh nhịp 21m được xây dựng vào năm 1761 Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ luyện thép vào thế kỷ 19 đã thúc đẩy sự bùng nổ của loại cầu này, và hiện nay, hơn 20 cầu dây võng có nhịp chính lớn nhất thế giới đã được xây dựng.

Cầu dây võng hiện đại đã phát triển từ thế kỷ 18, dựa trên sự tiến bộ trong kết cấu cầu và công nghệ sản xuất thép Cầu Jacobs Creek, được xây dựng tại Hoa Kỳ vào năm 1801 theo thiết kế của Finley, có nhịp giữa 21.30m Trong khi đó, cầu Clipfton ở Anh, với nhịp giữa 214m, là cầu treo dây võng cổ nhất hiện còn phục vụ cho ô tô, được khởi công xây dựng năm 1831 và hoàn thành vào năm 1864, sử dụng loại xích sắt rèn.

Hình 1.20 Cầu treo dây võng Clipfton (Anh)

Cầu dây võng là loại cầu có cấu trúc chính dựa vào dây cáp chịu kéo, giúp tối ưu hóa hiệu suất vật liệu Nhờ vào ưu điểm này, cầu dây võng có khả năng vượt khẩu độ nhịp lớn hơn nhiều so với các loại cầu khác, bao gồm cả cầu dây văng Hiện nay, cầu dây võng được đánh giá cao về tính thẩm mỹ, trọng lượng nhẹ và khả năng chịu lực tốt, và đã trở thành lựa chọn phổ biến cho các cầu nhịp lớn trên toàn thế giới.

Ngày nay, sự phát triển của công nghệ máy tính đã nâng cao mô hình tính toán, công nghệ thi công và thiết bị xây dựng hiện đại, cùng với vật liệu và trình độ khoa học kỹ thuật tiên tiến, tạo ra bước đột phá trong thiết kế và thi công cầu dây võng Chiều dài của các cầu này liên tục tăng lên, và một số cầu còn trở thành biểu tượng cho vùng miền hoặc quốc gia, như cầu Golden Gate và cầu Mackinac ở Mỹ, cầu Tsing Ma ở Hồng Kông, và cầu Jang Yin ở Trung Quốc.

Hình 1.21 Cầu treo dây võng Golden Gate (Hoa Kỳ)

Hình 1.22 Cầu treo dây võng Tsing Ma (HongKong)

B ả ng 1.3 Tổng hợp 10 cây cầu dây võng có nhịp dài nhất thế giới [14]

Xếp hạng Tên cầu Quốc gia Chiều dài nhịp Lc (m)

3 Great Belt Bridge Đan Mạch 1624 1998

4 Yi Sun-sin bridge Hàn Quốc 1535 2012

7 Jiangyin Suspension Bridge Trung Quốc 1385 1999

8 Tsing Ma Bridge Hong Kong 1377 1997

9 Verrazano-Narrows Bridge Hoa Kỳ 1298 1964

10 Golden Gate Bridge Hoa Kỳ 1280 1937

Trong những năm chiến tranh, hệ thống cầu cống ở Việt Nam bị tàn phá nặng nề, đòi hỏi phải khôi phục nhanh chóng để phục vụ cho tiền tuyến Từ năm 1965, việc xây dựng cầu treo bán vĩnh cửu trở thành một giải pháp hợp lý và hiệu quả Những cầu treo đầu tiên được thiết kế không có cổng, với khẩu độ từ 80 đến 120m, đã được ứng dụng rộng rãi trong giai đoạn 1965-1975 Đối với các cầu có khẩu độ từ 120 đến 200m, loại cầu cáp có cổng với hai hệ dây thường được sử dụng Một số công trình cầu dây võng tiêu biểu trong thời kỳ này bao gồm cầu qua Sông Lô nhịp 104m, cầu cáp Việt Trì nhịp 225m, cầu Hang Tôm nhịp 140m, và cầu Cửa Rào nhịp 130m.

Hiện nay, với sự cải tiến kỹ thuật và chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, các giải pháp cho cầu treo dây võng đã được nghiên cứu và ứng dụng, điển hình là cầu treo Thuận Phước tại TP Đà Nẵng, một công trình có quy mô lớn.

Hình 1.23 Cầu Hang Tôm nối hai tỉnh Điện Biên và Lai Châu

Hình 1.24 Phối cảnh và sơ đồ nhịp chính cầu Thuận Phước (Đà Nẵng)

SƠ Đồ NHịP CHíNH cầu THUậN PHƯớC

B ả ng 1.4 Tổng hợp một số cầu dây võng ở Việt Nam

Xếp hạng Tên cầu Địa điểm Chiều dài nhịp Lc (m) Năm hoàn thành

1 Cầu Thuận Phước Đà Nẵng 405 2009

2 Cầu Việt Trì Phú Thọ 225 1967

3 Cầu Đò Quan Nam Định 190 1969

4 Cầu Bảo Nhai Lào Cai 140

5 Cầu Hang Tôm Lai Châu 140 1970

6 Cầu Cửa rào Nghệ An 130

7 Cầu Kỳ Cùng Hà Giang 104 1966

8 Cầu Đoan Hùng Vĩnh Phú 104 1966

1.2.2 Các đặc điểm cơ bản của cầu dây võng

Cầu dây võng là một trong những loại cầu phức tạp nhất hiện nay, bao gồm các bộ phận chính như trụ tháp, dầm chủ, khối neo, cáp chủ và cáp treo.

Hình 1.25 Cấu tạo các bộ phận chính của cầu dây võng

Theo phương dọc cầu, tr mềm và tháp chân khớp (Hình 1. cấu nhịp, người thiết kế ch

Tháp cứng: thường dùng cho cầu

Tháp chân khớp thư a) Tháp cứng

Bề rộng của cột trụ tháp trong cầu dây võng được chia thành ba loại: tháp cứng, tháp mềm và tháp chân kh Việc lựa chọn loại trụ tháp phù hợp tùy thuộc vào yêu cầu đặc điểm kỹ thuật và sơ đồ tính toán chính xác Tháp cứng thường được sử dụng cho cầu dây võng nhịp lớn, trong khi tháp mềm và tháp chân kh thích hợp hơn cho cầu dây võng nhiều nhịp hoặc nhịp ngắn.

Các dạng kết cấu của trụ tháp cầu dây võng thường được thiết kế theo tỷ lệ 1/20 đến 1/27 chiều ngang cầu Trụ tháp thường có dạng dàn hoặc dạng cổng, với các loại tháp như tháp cứng và tháp chân khớp Những kết cấu này đảm bảo tính chính xác và cung cấp đủ độ cứng cần thiết cho cầu.

B ả ng 1.5 Các loại khung tháp chính

Dàn Cổng Tổ hợp dàn và c

- Golden Gate -Second Tacoma Narrows

Cầu Forth Road Cầu Golden Gate

Cầu John A Roebling Cầu George Hình 1.27 Trụ tháp của một số cầu treo dây võng [12] p dàn và cổng

Golden Gate Second Tacoma Narrows u Golden Gate

[12] a) Dầm cứng tĩnh định b) Dầm cứng liên tục Hình 1.28 Các loại dầm cứng

T ổ ng quan v ề c ầ u dây võng

GIỚI THIỆU CẦU KẾT HỢP DÂY VĂNG – DÂY VÕNG (CẦU HYBRID)