CHƯƠNG I: SƠ LƯỢC PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG Cầu dây văng xuất hiện từ rất sớm, khoảng thế kỷ thứ 17, cầu ñược bắt qua các thung lũng, các vực sâu hay các khe suối có ñịa hình nguy hiểm, vật liệu lúc bấy giờ chủ yếu là tre, nứa, gỗ. ðến thế kỷ thứ 18, cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, cầu dây văng mới ñược quan tâm và phát triển, ñặc biệt là sự ra ñời của vật liệu thép cường ñộ cao và sự phát triển không ngừng về công nghê thi công cầu. Cùng với sự phát triển của máy tính ñiện tử ñã tạo ra bước ngoặc trong việc phân tích tính toán chính xác mô hình không gian. Ngày nay, nhiều công trình cầu dây văng vượt nhịp lớn ñược xây dựng và sử dụng.
Một số cầu dây văng ñược thể hiện trên hình 1. Cầu dây văng theo ñề nghị của Poet (1970) Hình 1. Cầu De la Cassagne do Gisclard thực hiện (1851) -5- Hình 1. Sidney Lanier – Australia (2003) Tổng chiều dài cầu 2371 m, không có trụ phụ.
Chiều dài nhịp dây văng: 190. trụ tháp cao 223m. Yangpu Bridge – Thượng Hải (1993) Tổng chiều dài cầu 8354 m, có 1 trụ phụ ở mỗi nhịp biên. Chiều dài nhịp dây văng: 99m - 144m - 602m - 144m -99 m.
trụ tháp cao 223m. Cầu Tatara – Nhật (1999) Tổng chiều dài cầu 1480 m, nhịp dây văng: 50m-50m-170m-890m-270m-50m. Một nhịp biên có 2 trụ phụ, nhịp biên còn lại có 1 trụ phụ. trụ tháp cao 220m.
Cầu Vasco da Gama, Lisbon, Bồ ðào Nha (1998) Tổng chiều dài cầu 17185m, có 2 trụ phụ ở mỗi nhịp biên. Chiều dài nhịp dây văng: 67m-67m-69m - 420m - 69m-67m-67m. trụ tháp cao 155m. Mubarak-Peace Bridge – Ai Cập (2001) Tổng chiều dài cầu 3.9km, có 2 trụ phụ ở mỗi nhịp biên.
Chiều dài nhịp dây văng: 43m-50m-70m - 404m -70m-50m-43m. trụ tháp cao 154m. Cầu Sutong – Thượng Hải (2008) Tổng chiều dài cầu 3.9km, có 2 trụ phụ ở mỗi nhịp biên. Chiều dài nhịp dây văng: 43m-50m-70m - 404m -70m-50m-43m.
trụ tháp cao 154m. Skarnsundet Bridge (1991) Tổng chiều dài cầu 1010 m, có 3 trụ phụ ở mỗi nhịp biên. Chiều dài nhịp dây văng: 3*27m - 159m - 530m - 159m - 3*27m Cầu rộng 13m. trụ tháp cao 152m.
Cầu Normandie – Pháp (1995) -9- Hình 1. Cầu Mỹ Thuận (2000) Chiều dài nhịp dây văng: 155m -350m -155m Hình 1. Cầu Phú Mỹ – TP.HCM (2009) Chiều dài nhịp dây văng: 162. Cầu Bãi Cháy (2006) Chiều dài cầu 903m, có 1 trụ phụ ở nhịp biên.
Chiều dài nhịp dây văng: 86m-129.5m-86m Trụ tháp cao 90m (tính từ bản mặt cầu). Cầu Cần Thơ (2010) Chiều dài nhịp dây văng: 2*40m-150m-550m-150m-2*40m. trụ tháp cao 175. -11- CHƯƠNG II: CÁC ðẶC ðIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG ðặc ñiểm cơ bản của cầu dây văng là tính ña dạng, thể hiện ở số lượng và chiều dài nhịp, số mặt phẳng dây và sơ ñồ phân bố dây, hình dạng và chiều cao trụ tháp.
Cầu treo dây văng có tính thẩm mỹ cao trở thành biểu tượng cho từng nước, từng khu vực. SƠ ðỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU DÂY VĂNG: Tùy thuộc vào ñiều kiện ñịa chất ñịa hình tại khu vực vị trí xây cầu, trình ñộ và khả năng về công nghệ thi công … , người thiết kế có thể lựa chọn số nhịp cần thiết, hợp lý. Cầu dây văng 1 nhịp: Hình 2.1 Sơ ñồ cầu dây văng 1 nhịp Với sơ ñồ kết cấu (hình 2.1), hệ dầm làm việc như một dầm liên tục tựa lên các gối ñàn hồi trung gian là các ñiểm neo dây và các gối cứng trên mố. Nhược ñiểm của sơ ñồ này là tồn tại lực ngang rất lớn tác dụng lên mố neo, trụ neo, chính vì vậy mà các mố neo thường có kích thước lớn, tốn kém.
Dầm cứng ngoài việc chịu uốn còn chịu lực dọc thay ñổi dấu gây bất lợi cho việc áp dụng dầm cứng bằng BTCT. Do các nhược ñiểm cơ bản như trên, sơ ñồ cầu dây văng 1 nhịp chỉ áp dụng trong ñiều kiện về ñịa hình khó khăn như ñi qua các thung lũng, các khe suối sâu, hoặc vùng ñịa chất quá phức tạp không thể xây dựng trụ tháp ở giữa và bắt buộc phải xây dựng trụ tháp ở trên bờ. Cầu dây văng 2 nhịp: Sơ ñồ tổng quát của trường hợp này là cầu dây văng có hai nhịp chính ñược tựa lên các gối ñàn hồi (hình 2. Ưu ñiểm của sơ ñồ này là toàn bộ lực ngang do tĩnh tải và hoặc tải thông qua các dây văng truyền vào dầm chủ và tháp cầu.
Cầu dây văng hai nhịp có thể có hai nhịp bằng nhau hoặc không bằng nhau, tùy theo ñiều kiện ñịa hình ñịa chất hoặc do yếu tố mỹ quan quyết ñịnh.2 CDV hai nhịp trên xa lộ (cầu Ludwigshafen ở ðức) Hình 2.3 CDV hai nhịp bắc qua ñịa hình khó khăn (cầu Batman ở Tasmania) Nhược ñiểm của cầu dây văng hai nhịp là khả năng vượt nhịp không lớn, không mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật. Cầu dây văng 3 nhịp: Cầu dây văng 3 nhịp (hình 2.4) có ưu ñiểm rất rõ về mặt cơ học là khắc phục ñược các nhược ñiểm trên của cầu dây văng một nhịp và hai nhịp, các dây văng xa trụ tháp chủ yếu là chịu kéo khi chịu hoặt tải do ñó tiết diện dầm ñược thanh mảnh và tiết kiệm hơn. ðặc ñiểm quan trọng nữa là khả năng vượt nhịp của nó rất lớn thích hợp ñể vượt các sông lớn. Với ưu ñiểm vượt trội trên nên cầu dây văng ba nhịp ñược xây dựng chủ yếu trên thế giới.4 Cầu dây văng ba nhịp ñiển hình 2.
Cầu dây văng nhiều nhịp: Cầu dây văng có thể ñạt ñược các nhịp rất lớn (100-1000m), nhưng thông thường chỉ dùng ñến hệ 3 nhịp ñể vượt các nhịp chính, phần còn lại có thể dùng các nhịp dẫn. Tuy nhiên cũng có thể dùng cầu nhiều nhịp dây văng ñối với các cầu bắc qua biển, nối từ ñảo này sang ñảo khác. Cầu dây văng có bố trí trụ phụ: Trong cầu dây văng 3 nhịp, khi hoạt tải ñứng trên nhịp biên, các dây neo dễ bị nén. ðể cải thiện ñiều kiện làm việc của dầm chủ nhịp biên và tăng ñộ dự trữ chịu kéo cho dây neo, có thể bố trí 1 hay nhiều trụ phụ ở nhịp biên (hình 2.
Khi nhịp biên có trụ phụ thì nhịp biên sẽ thành hệ cầu dẫn. Dầm chủ ñược kê bằng gối ñàn hồi trên trụ phụ. Trụ phụ và gối ñàn hồi trên nhịp biên sẽ làm giảm momen uốn dương ở nhịp giữa, giảm momen uốn âm trên trụ phụ và giảm momen uốn max ở nhịp biên. Trụ phụ và gối ñàn hồi sẽ làm giảm momen uốn tại mọi vị trí dầm chủ cầu dây văng.
-14- Cấu tạo gối ñàn hồi trên trụ phụ có thể ñược thực hiện bằng trụ neo, dầm mũ dạng ñòn gánh có ñộ ñàn hồi theo thiết kế, bằng kết cấu gối kê hờ hoặc bằng một dây văng neo trên tháp có chiều cao thấp. Cầu Bãi Cháy (2006) Hình 2. Cầu Tatara – Nhật (1999) Hình 2. Mubarak-Peace Bridge – Ai Cập (2001) -15- Hình 2.
Cầu Sutong – Thượng Hải (2008) 2. SƠ ðỒ VÀ SỰ PHÂN BỐ DÂY: Cầu dây văng là một hệ liên hợp giữa dầm cứng và các dây văng, mà sơ ñồ dây là yếu tố trực tiếp ảnh hưởng ñến khả năng chịu lực và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu. Thông thường có ba sơ ñồ phân bố dây: sơ ñồ dây ñồng quy, sơ ñồ dây song song, sơ ñồ dây hình rẽ quạt (hình 2. Sơ ñồ dây ñồng quy: Sơ ñồ ñồng quy là sơ ñồ có các dây văng xuất phát từ ñỉnh trụ tháp tỏa xuống và neo vào dầm chính với các góc nghiêng khác nhau của dây cáp.
Trong sơ ñồ các dây ñược liên kết cố ñịnh tại nút trên của ñỉnh tháp cầu nên với mọi vị trí của tải trọng, nội lực của các dây thông qua nút và dây neo truyền vào mố trụ và dầm cứng, do ñó hệ có ñộ cứng lớn. Sơ ñồ này ñược dùng phổ biến và hiệu quả cao cho các cầu dây ít, khoang lớn. Cầu dây văng có sơ ñồ dây ñồng quy 2. Sơ ñồ dây song song: Sơ ñồ này có các dây song song với nhau cả hai bên của trụ tháp, các dây bố trí ñều nhau trên trụ tháp và trên dầm chủ.
Ưu ñiểm của sơ ñồ dây này là tại 1 ñiểm trên trụ tháp chỉ có nhiều nhất là 2 neo của dây văng do ñó việc cấu tạo neo cáp tương ñối ñơn giản, ñồng thời sơ ñồ dây này có tính mỹ quan cao, do các dây song song nên góc nhìn tại mọi vị trí ñều không bị che khuất. Tuy nhiên sơ ñồ này có nhược ñiểm như sau: do góc dây là giống nhau, và là góc nghiêng nhỏ, nên làm giảm ñộ cứng của các nút neo dây và dầm. Chỉ có một dây trên cùng ñược nối với dây neo, còn các dây khác ñược liên kết với dầm và tháp tại các ñiểm có chuyển vị ñàn hồi, làm giảm ñộ cứng của hệ và làm tăng momen uốn của dầm khi chịu tải trọng không ñối xứng. Cầu dây văng có sơ ñồ dây song song 2.
Sơ ñồ dây hình rẽ quạt: Sơ ñồ dây hình rẽ quạt là trung gian của sơ ñồ dây ñồng quy và sơ ñồ dây song song, nó khắc phục các nhược ñiểm cơ bản của cả hai sơ ñồ dây trên. ðặc ñiểm cơ bản của sơ ñồ này là các dây văng bố trí trên trụ tháp với khoảng cách hợp lý và chiều dài khoang dầm ñược chọn tuỳ thuộc vào người thiết kế. Nói chung sơ ñồ này thích hợp cho cầu dây văng nhịp lớn, khoang dầm nhỏ, nhiều dây phù hợp với công nghệ thi công hẫng hiện nay. Do có khoang dầm nhỏ, các dây văng ở nhịp biên tại vị trí gần mố cầu làm việc kém, do dây có ñộ cứng theo phương thẳng ñứng nhỏ (chiều dài lớn, góc nghiêng nhỏ) lại neo vào vị trí dầm có ñộ cứng lớn (gần mố cầu), nên momen uốn trong dầm cứng tại khu vực này thường lớn hơn nhiều so với các khu vực khác.
ðể khắc phục hiện tượng này ñồng thời tăng ñộ cứng của của các gối ñàn hồi nhịp giữa thì có thể bố trí thêm các trụ neo phụ. Các trụ neo có thể bố trí tại các nút dây, hoặc bố trí cách một vài khoang, miễn tạo ñược sự phân bố hài hòa về momen uốn và vật liệu trong dầm cứng. Trụ phụ còn có tác dụng làm giảm lực nén trong dây neo khi hoạt tải ñứng trên nhịp biên. Tuy nhiên giá thành công trình sẽ tăng lên.
Cầu dây văng có sơ ñồ dây rẽ quạt 2. SỐ MẶT PHẲNG DÂY: Số lượng mặt phẳng dây phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang khổ cầu.
