CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 1.1 Nghiên cứu sơ lược về lịch sử phát triển: Kết cấu ống thép bắt đầu được áp dụng từ thế kỷ 19. Ban đầu, người ta nhồi bê tông vào ống thép trong các cấu kiện của giàn khoan dầu mỏ, ở các nước Trung Đông và Mỹ với mục đích hạn chế rỉ và ăn mòn cấu kiện chìm trong nước biển của giàn khoan. Trong quá trình sử dụng, người ta phát hiện ra rằng, ngoài khả năng chống ăn mòn kết cấu, kết cấu ống thép nhồi bê tông có khả năng chịu lực lớn hơn các cấu kiện bê tông cốt thép thông thường có cùng tiết diện. Trong công trình cầu, kết cấu ống thép nhồi bê tông chủ yếu được áp dụng trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông.
Đối với kết cấu vòm trong cầu vòm bê tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực, trọng lượng bản thân vòm lớn nên vòm chịu mô men cục bộ lớn, đồng thời khả năng mất ổn định cao. Vấn đề thi công lắp ghép áp dụng vật liệu cường độ cao và khó khăn khi thi công không có giá vòm, đã hạn chế việc phát triển cầu vòm, cầu kiểu dàn áp dụng kết cấu dự ứng lực. Trong tình hình đó, cầu vòm ống thép nhồi bê tông được nghiên cứu và áp dụng. Vào năm 1931, một trong những kết cấu đầu tiên sử dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông đó được xây dựng ở ngoại ô Paris, cầu vòm nhịp 9m với hai vòm được kết cấu gồm 6 ống cho mỗi vòm.
Tổ hợp của 40 ống hộp f140x50mm đó cấu tạo nên cánh trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu dài 101m vượt sông NêVa ở thành phố Xanh Pêterbua vào năm 1936. Trong năm 1940, cầu đường sắt bắc qua sông Ixet gần thành phố Kamenskơ - Uranski với nhịp chính dài 140m dạng vòm cao 22m, giá thành giảm 20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bê tông, cánh vòm được thiết kế bằng ống thép CT3 820x13mm. Vào những năm của thập niên 60, ống nhồi bê tông bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi trong xây dựng công trình ở Trung Quốc. Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT được bắt đầu thiết kế vào năm 1990.
Với cầu có nhịp không lớn hơn 80m, kết cấu vòm được thiết kế với một ống đơn. Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Zhejiang được thiết kế dạng vòm - Trang 2 - với một ống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFT đó vượt được nhịp 80m.1: Cầu dongguan shiudao (50+278+50 m) ở Trung Quốc Khi cần vượt nhịp lớn hơn và yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm được thiết kế với hai ống thép liên kết với nhau. nhịp 100m của cầu Yilan Mudanjiang thuộc tỉnh Heilongjiang có kết cấu dạng vòm, tiết diện ngang hình tam giác, cấu tạo từ ba ống (đường kính 600, dày 12mm) được liên kết chặt chẽ với nhau theo suốt chiều dài. cầu vượt sông Huangbai và sông Xia lao thuộc tỉnh Hubei, thiết kế với 4 ống vượt nhịp 160m, mỗi vòm gồm hai ống 1000, dày 12mm.
Cầu San-An Yongjiang thuộc tỉnh Guangxi, hợp long vào năm 1999, nhịp chính 270m dạng vòm với mặt cầu chạy giữa. Vào thời điểm này, cầu San-An Yongjiang đạt kỷ lục của cầu dạng vòm. Cầu Yongning Yongjiang ở tỉnh Guangxi có kết cấu vòm tương tự cầu Wanxian. nhịp chính 312m dạng vòm có mặt cầu chạy giữa.2: Cầu Hang-zhou Qian-jiang ở Trung Quốc - Trang 3 - Cầu Yajisha ở Guangzhou, nhịp hình 360m được khánh thành vào tháng 6 năm 2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống, đạt kỷ lục thế giới.
Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Nam tỉnh Guangzhou bắc qua sông Zhujiang. Phần cầu chính với sơ đồ phân nhịp 76+360+76m, dạng cầu vòm mở rộng. Nhịp giữa dạng vòm bản mặt cầu chạy giữa, hai nhịp biến dạng nửa vòm với bản mặt cầu chạy trên. Nhịp giữa có kết cấu dạng vòm treo không chốt, chiều dài nhịp tính toán 344m, đường tên của vòm: f:76,45m.
mặt cắt ngang vòm được thiết kế với 6 ống thép. Ống giữa đường kính 750, dày 20mm, hai ống hai bên đường kính 750, dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo phương ngang là 12mm; các bộ phận của sườn vòm bao gồm các ống thẳng đứng có kích thước 450, dày 12mm và các ống nghiêng có kích thước 351, dày 10mm. Tiết diện ngang của vòm có chiều rộng không thay đổi 4,35m. Chiều cao thay đổi từ 4m tại đỉnh vòm đến 8,039m tại chân vòm.
Đoạn ống tại chân vòm, phần liên kết với kết cấu trụ có chiều dày 36mm. Theo phương ngang cầu, hai vòm cách nhau 35,95m được liên kết bằng 6 hệ liên kết ngang dạng chéo và 2 hệ liên kết ngang dạng chữ K. 2 nhịp biên có kết cấu dạng nửa vòm với chiều dài nhịp tính toán 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5m x rộng 3,45m. Hệ nhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang dạng chéo và một hệ liên kết ngang dạng chữ K.
Hai nửa vòm biên được đặt trên gối chậu di động tại trụ biên. Trong số những cầu vòm được hoàn tất ở Trung Quốc, đặc biệt cầu vòm kiểu CFT, loại cầu có mặt cầu chạy giữa chiếm số lượng nhiều nhất, kế đến là loại cầu có mặt cầu chạy trên và sau cùng là kiểu cầu có mặt cầu chạy dưới. Cầu Wuhan thứ 3 vượt sông Hanjiang thuộc loại cầu vòm có mặt cầu chạy dưới. vòm có mặt cắt không đổi được cấu tạo từ 4 ống theo công nghệ CFT.
Nhịp chính dài 280m, được hoàn thành vào năm 2000, đạt kỷ lục thế giới về loại cầu vòm CFT có mặt cầu chạy dưới. Cầu Fengjie Meixi ở tỉnh Sichuan, cầu vòm CFT dạng khung chốt với bản mặt cầu chạy trên, nhịp chính dài 288m đạt kỷ lục thế giới về loại cầu vòm CFT có 1 mặt - Trang 4 - cầu chạy trên. Cầu bắc qua sông Beipanjiang gần thành phố Luipanshui ở phía tây tỉnh Guizhou Trung Quốc đó được thi công xoay quanh gối chính và hoàn tất thành công vào tháng giêng năm 2001. Nhịp chính dài 236m đạt kỷ lục thế giới đối với cầu đường sắt đơn dạng vòm bằng hộp ống nhồi bê tông.
Cầu nặng nhất được xây dựng bằng phương pháp xoay ngang gối chính. Vòm cầu gồm hai nhánh, tại chân vòm khoảng cách giữa hai nhánh rộng 19,60m và giảm dần đến đỉnh vòm còn 16,16m. Tỷ lệ giữa chiều cao vòm và chiều dài nhịp đạt 1114m, trục vòm có dạng đường cong dây xích. Mỗi nhánh 1 vòm được cấu tạo với bốn ống thép có đường kính 1000mm dày 16mm.
Bốn ống thép được hàn liên kết với nhau nhờ những tấm thép hộp và những thanh giằng bằng thép hình tiết diện chữ H để tạo thành hình chữ nhật rỗng rộng 2,5m và cao 5,4m. Hai nhánh vòm được liên kết nhờ 13 hệ tăng cường ngang nhằm đảm bảo tính ổn định về hình dáng của kết cấu. Những năm gần đây, các nước phát triển khác cũng đã áp dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông vào xây dựng các công trình cầu giao thông. Năm 2000 tại Ba Lan, cầu Luk Gdanski được xây dựng với chiều dài nhịp chính 56m; năm 2001 tại Tây Ban Nha, cầu Oliel River được xây dựng với chiều dài nhịp 75m; năm 2002 tại Bỉ cầu Observatoire được xây dựng với chiều dài nhịp chính 82m.
Ở nhiều nước phát triển khác, kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông cũng đã được áp dụng. Tại Việt Nam, cầu Ông Lớn, cầu Cần Giuộc, cầu Xóm Củi - nhịp trên 90m - ở thành phố Hồ Chí Minh là những công trình cầu đầu tiên áp dụng kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông liên hợp vào cuối năm 2003. Cầu Đông Trù thuộc Dự án đường 5 kéo dài là công trình đặc biệt với tổng chiều dài tới 1. Cầu Đông Trù vượt sông Đuống, nằm trong tổng thể dự án QL5 kéo dài là công trình cầu lớn của Thủ đô Hà Nội.3: Cầu Xóm Củi ở Thành phố Hồ Chí Minh Hình 1.4: Cầu Đông Trù thuộc Dự án đường 5 – Thủ đô Hà Nội - Trang 6 - Hình 1.5: Cầu Ông Lớn- đường Nguyễn Văn Linh - TP.
HCM Những công trình nêu trên đã chứng minh khả năng vượt nhịp lớn của loại cầu vòm với công nghệ CFT ngày càng cao, chiều dài nhịp 550m (cầu Lu pu - Shanghai), thậm chí còn lớn hơn nữa. Ngoài ra, kết cấu với kiểu dáng thanh mảnh mang đậm nét kiến trúc cũng góp phần tạo mỹ quan cho khu vực xây dựng. Về lý thuyết tính toán, rất nhiều học giả, nhà khoa học ở các nước trên thế giới đã nghiên cứu tính toán sức chịu tải của loại cấu kiện này. Ở Liên Xô cũ, kết cấu ống thép nhồi bê tông đã được nghiên cứu rất sâu.Stolutob xuất bản sách chuyên đề “Kết cấu ống thép nhồi bê tông”.
Bên cạnh đó, Neofipk và một số nhà khoa học Anh đã tiến hành nghiên cứu phương pháp tính toán sức chịu tải của ống thép nhồi bê tông xét đến bê tông nhồi trong ống thép, cường độ được tăng lên do chịu lực 3 chiều và hiệu ứng bó chặt bê tông của ống thép, đây thực sự là một đột phá lớn về lý thuyết của ống thép nhồi bê tông. Vào những năm 60 và 70 công tác nghiên cứu cột tổ hợp ống thép nhồi bê tông ở Mỹ đã thu được nhiều thành quả. Trong thời gian đó, tại Tây Âu, Bắc Mỹ, Nhật Bản, Liên Xô cũ … các nước công nghiệp phát triển, kết cấu ống thép nhồi bê tông được dùng nhiều cho xây dựng nhà xưởng nhiều tầng và cao tầng, cầu vượt và kết cấu đặc biệt đạt hiệu quả tốt. Đối với quy phạm và tiêu chuẩn thiết kế, các công thức tính toán kết cấu ống thép nhồi bê tông đã được thể hiện qua quy phạm và tiêu chuẩn của các nước như - Trang 7 - Mỹ, Nhật, Trung Quốc, các nước cộng đồng Châu Âu.
Từ năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật (CES28-90, DLGJ99-91 ĐLGJLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đó tạo nhiều điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông trong xây dựng công trình. Trong tiêu chuẩn ACI-318-65, Mỹ đã đề cập và đưa ra công thức cụ thể về kết cấu ống thép nhồi bê tông chịu nén dọc trục. Tiêu chuẩn ACI-318-71 lại coi kết cấu ống thép nhồi bê tông là cấu kiện tổ hợp để phân tích độc lập về tính toán chịu uốn và chịu nén dọc trục.