CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG, CẦU DÂY VÕNG 1. Tổng quan về cầu dây văng 1. Lịch sử phát triển cầu dây văng Trong quá trình phát triển của lịch sử, kiểu cầu dây văng đã xuất hiện từ rất lâu đời. Theo các tài liệu ghi nhận được thì ngay từ thời cổ đại, người Ai Cập đã áp dụng ý tưởng hệ thống dây cáp treo vào trụ trên những con thuyền buồm.
Ở những nước nhiệt đới, người ta đã xây dựng những cây cầu có dạng cầu treo dây văng với các dây thừng được bện bằng các dây leo và cột vào các cây to hai bên bờ. Từ những ý tưởng ban đầu đó, vào đầu năm 1617 một kỹ sư người Ý là Faus-tus Verantius ở Venice đã phác họa một cây cầu với nhiều dây xiên (Hình 1. Năm 1784, một thợ mộc Đức, Löscher, đã thiết kế một cây cầu gỗ có nhịp 32m bao gồm các thanh treo bằng gỗ gắn vào một cột tháp gỗ.1 Phác họa mô hình cầu của Faus-tus Verantius. Kết cấu cầu dây văng đã từng nở rộ ở thế kỷ 18 nhưng do sự không phù hợp về phương pháp tính toán, cường độ vật liệu và giải pháp cấu tạo mà nhiều cầu dây văng đã có tuổi thọ không cao, ví dụ như cầu Dryburgh Abbey ở Scotland bị sập chỉ sau 1 năm khai thác do gió, cầu Saale ở Đức bị sập sau 1 năm khai thác vì trọng lượng đông người tụ tập trên cầu [1].
Mặc dù vậy nhưng cầu dây văng vẫn tiếp tục phát triển và xây dựng tại nhiều quốc gia trên thế giới. Một trong những cầu dây văng hiện đại đầu tiên trên thế giới là cầu Strömsund ở Thụy Điển năm 1955 do nhà thầu người Đức xây dựng (Hình 1.2 Cầu dây văng Strömsund (Thụy Điển). Với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ vật liệu, công nghệ xây dựng, thiết bị thí nghiệm và các công cụ tính toán mạnh mẽ, kết cấu cầu dây văng hiện đại đã không ngừng phát triển và hoàn thiện với các công trình đồ sộ và kiến trúc đẹp tiêu biểu như cầu Millau (Pháp) (Hình 1.3a), cầu King Tau (Hong Kong) (Hình 1.3b)… Đặc biệt là các cầu có khẩu độ nhịp rất lớn trên 1000m như cầu Sutong và Stonecutters (Trung Quốc).3a Cầu dây văng Millau (pháp).3b Cầu dây văng King Tau (HongKong-China).1 Tổng hợp 10 cây cầu dây văng có nhịp lớn nhất thế giới [13]. Xếp Chiều dài Năm hoàn Tên cầu Quốc gia hạng nhịp Lc (m) thành 1 Bridge to Russky Island Nga 1104 2012 2 Sutong Bridge Trung Quốc 1088 2008 3 Stonecutters Bridge Trung Quốc 1018 2009 4 E’dong Bridge Trung Quốc 926 2010 5 Tatara Bridge Nhật Bản 890 1999 6 Pont de Normandie Pháp 856 1995 7 Jingyue Bridge Trung Quốc 816 2010 8 Incheon Bridge Hàn Quốc 800 2009 9 Zolotoy Rog Bridge Nga 737 2012 10 Shanghai Yangtze River Bridge Trung Quốc 730 2009 Tại Việt Nam, cùng với quá trình hội nhập và phát triển đã được chuyển giao các công nghệ thiết kế xây dựng cầu dây văng hiện đại của nước ngoài và chúng ta đã xây dựng được những công trình cầu dây văng tiêu biểu như cầu Bãi Cháy (Quãng Ninh) (Hình 1.4a), cầu Rạch Miễu (Bến Tre), cầu Cần Thơ (Cần Thơ) (Hình 1.4b), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Phú Mỹ (Tp Hồ Chí Minh), cầu Kiền (Hải Phòng) và các dự án đang triển khai như cầu Nhật Tân (Hà Nội), cầu Vàm Cống (Cần Thơ) Trang 9 Hình 1.4b Cầu Cần Thơ Trang 10 .2 Tổng hợp 10 cây cầu dây văng có nhịp lớn nhất Việt Nam.
Xếp Chiều dài Tên cầu Địa điểm Năm hoàn thành hạng nhịp Lc (m) 1 Cầu Cần Thơ Cần Thơ 550 2010 2 Cầu Vàm Cống Cần Thơ 450 2015 (dự kiến) 3 Cầu Bãi Cháy Quãng Ninh 435 2006 4 Cầu Phú Mỹ Tp HCM 380 2009 5 Cầu Mỹ Thuận Vĩnh Long 350 2000 6 Cầu Cao Lãnh Đồng Tháp 350 2015 (dự kiến) 7 Cầu Nhật Tân Hà Nội 300 2014 (dự kiến) 8 Cầu Rạch Miễu Bến Tre 270 2009 9 Cầu Bính Hải Phòng 260 2005 10 Cầu Kiền Hải Phòng 200 2003 1. Các đặc điểm cơ bản của cầu dây văng 1. Các sơ đồ nhịp cầu dây văng a. Cầu dây văng một nhịp Cầu dây văng có thể làm một nhịp, trong đó tháp cầu được xây dựng trên mố, dầm chủ một nhịp tựa trên hai gối cứng trên mố.
Các dây văng từ trên tháp tỏa xuống neo vào một số điểm của dầm cứng tạo thành các gối đàn hồi. Phía sau mố, các dây văng được liên kết vào mố neo đặt sâu trong nền đường [2]. Trong thực tế, cầu Ruck-a-Chucky ở California (Hoa Kỳ) (Hình 1.5) là cầu dây văng sơ đồ một nhịp.5 Cầu Ruck-a-Chucky ở california (Hoa Kỳ) b. Cầu dây văng hai nhịp Cầu dây văng hai nhịp được áp dụng nhiều vào những năm 1960~1970 cho các cầu vượt đường và sông không lớn lắm.
Các phương án cầu hai nhịp được chọn chủ yếu là do điều kiện địa chất, địa hình hoặc do yếu tố mỹ quan quyết định [2]. Cầu dây văng hai nhịp có thể có các nhịp bằng nhau, khi đó tháp cầu được bố trí ở giữa, các dây văng bố trí đối xứng qua tháp cầu (Hình 1.6a); hoặc bố trí nhịp không bằng nhau, khi đó trụ tháp bố trí lệch hẳn về một phía, có hình dáng thẳng đứng hoặc xiên (Hình 1.6a Cầu Saint-Florent le Vieil (Pháp) Hình 1.6b Cầu Erasmusbrug (Hà Lan) Trang 13 c. Cầu dây văng ba nhịp Cầu dây văng ba nhịp là sơ đồ cầu dây văng được dùng phổ biến trên thế giới và cả ở Việt Nam. Các dây văng có thể được bố trí đối xứng qua tháp cầu khi nhịp biên xấp xỉ bằng ½ nhịp chính (Hình 1.7a) hoặc không đối xứng qua tháp cầu khi nhịp biên ngắn hơn nhịp chính (Hình 1.7a Cầu Meiko- Chuo (Nhật Bản) Hình 1.7b Cầu Ikuchi (Nhật Bản) Trang 14 d.
Cầu dây văng nhiều nhịp Sơ đồ cầu dạng này áp dụng cho các cầu dài vượt biển, nối từ đảo này sang đảo khác, địa hình địa chất không thuận lợi cho các nhịp ngắn, hoặc khi cần tăng cường, nâng cấp cầu cũ thì có thể áp dụng sơ đồ cầu dây văng nhiều nhịp (Hình 1. Các sơ đồ phân bố dây văng a. Sơ đồ đồng quy Là sơ đồ có các dây văng quy tụ tại một nút cố định trên tháp cầu, từ đó các dây tỏa xuống neo vào dầm cứng tại một số điểm, tạo thành các gối đàn hồi của dầm liên tục [2] (Hình 1. Cầu Donaustadtbrucke (Áo) Sơ đồ dây đồng quy chỉ thích hợp cho các cầu nhịp không lớn, ít dây, khoang lớn, vì cấu tạo nút dây trên tháp không quá phức tạp.
Sơ đồ song song Là sơ đồ có các dây văng ở mỗi bên tháp cầu song song với nhau, phân bố cách đều trên tháp và trên dầm chủ (Hình 1. Như vậy mỗi nút chỉ tập trung nhiều nhất hai dây nên cấu tạo nút đơn giản. Về mặt mỹ quan, các dây song song tạo dáng đẹp, thông thoáng và thanh thoát [2]. Cầu Oberkassen (Đức) Sơ đồ trên có các nhược điểm là các dây có cùng góc nghiêng so với phương ngang và là góc nghiêng nhỏ nhất nên giảm độ cứng của các nút đeo dây, đồng thời khoảng cách các dây bố trí trên trụ tháp lớn làm cho trụ tháp vừa chịu nén dọc vừa chịu uốn lớn ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và độ ổn định của trụ tháp.
Sơ đồ rẽ quạt Là sơ đồ trung gian giữa sơ đồ đồng quy và sơ đồ song song, trong đó các dây được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách đủ để có thể cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây trong quá trình thi công (Hình 1. Như vậy các dây bố trí không song song với nhau để tranh thủ các góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian và tránh tối đa tháp cầu bị uốn ngang [2]. Cầu Ben-Ahin (Bỉ) Nhược điểm của sơ đồ này là do có nhiều dây, khoang nhỏ nên các khoang dầm gần mố chịu momen uốn lớn do tại vị trí này, độ cứng theo phương thẳng đứng của dây văng khá nhỏ (dây dài mà góc nghiêng nhỏ). Số mặt phẳng dây của cầu dây văng Số lượng mặt phẳng dây phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang khổ cầu.
Thông thường cầu có bề rộng khổ cầu nhỏ hơn 7m nên chọn một mặt phẳng dây, khổ cầu từ 7 đến 20m thường chọn hai mặt phẳng dây. Ngày nay do nhu cầu vận chuyển cao nên cầu dây văng thường có bề rộng lớn hơn 20m, lúc này có thể chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây. Tuy nhiên trong trường hợp cầu rộng có thể nghiên cứu phương án tách làm hai cầu, mỗi cầu hai mặt phẳng dây để so sánh với kết cấu cầu nhiều mặt phẳng dây. Cầu Zakim Bunker Hill (Hình 1.12) là cầu dây văng ba mặt phẳng dây rộng nhất thế giới với chiều rộng là 55.12 Cầu Zakim Bunker Hill (Hoa Kỳ) 1.
Cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu Trong cầu dây văng tồn tại hai loại tiết diện dầm chủ với nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau. Loại thứ nhất là các dầm chủ có tiết diện bất kỳ, đặt tại các mặt phẳng dây, chịu lực nén như biên chịu nén của dàn, gọi là dầm chủ đơn năng. Loại thứ hai là các dầm chủ có tiết diện dạng khối, một bản đặc, hoặc có cấu tạo dạng hộp bằng bêtông cốt thép hoặc bắng các tấm thép được gia cường bằng các sườn dọc, ngang. Các dầm này được gọi là dầm chủ đa năng [12].
Dầm chủ đơn năng Trong cầu có dầm chủ đơn năng, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc độc lập với nhau, dầm chủ chịu lực như một biên cứng của dàn chủ yếu chịu nén và chịu uốn trong mặt phẳng thẳng đứng, khả năng chống xoắn chủ yếu do các dầm ngang và hệ dây đảm nhiệm, dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp của bản, dầm dọc và ngang. Các dầm chủ đơn năng chỉ được dùng trong các cầu có nhiều mặt phẳng dây. Các tiết diện dầm thép đơn năng Hình 1. Các tiết diện dầm BTCT đơn năng Trang 20 1.
Dầm chủ đa năng Dầm chủ có chiều cao lớn, có chức năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, không phân biệt rõ dầm chủ và hệ dầm mặt cầu. Ví dụ bản mặt cầu vừa chịu lực cục bộ theo phương ngang vừa tham gia như biên trên của dầm chủ chịu uốn, vật liệu cấu thành tiết diện hộp kín được bố trí xa trọng tâm tạo khả năng chống uốn và chống xoắn cao, rất cần thiết trong các cầu có một mặt phẳng dây bố trí ở giữa. Dầm chủ như vậy có khả năng chịu lực cục bộ và tổng thể, chịu uốn và chịu xoắn tốt.
