CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM THÉP NHỒI BÊTÔNG 1. Sơ lược về sự hình thành và phát triển cầu vòm thép nhồi Bêtông Kết cấu dạng vòm là kết cấu cổ xưa nhất mà con người đã sáng tạo ra nhằm vượt chướng ngại vật trên các tuyến đường. Nhận thấy lợi thế của kết cấu dạng vòm chủ yếu chịu nén, nhiều công trình vòm đầu tiên bằng đá đã được xây dựng bởi đế chế La Mã và còn tồn tại đến ngày nay.
Có thể nói kết cấu vòm là dạng kết cấu cổ nhất mang nhiều ưu điểm về khả năng chịu lực và tính thẩm mỹ tuy nhiên thời kỳ đầu các công trình này vượt khẩu độ nhịp nhỏ. Ngày nay quá trình phát triển và ứng dụng công nghệ tin học vào chương trính tính toán kết cấu, đồng thời công nghệ chế tạo vật liệu đã sản xuất được các loại vật liệu có cường độ cao, siêu bền như thép cường độ cao, cáp dự ứng lực, bê tông cường độ cao, các loại phụ gia đặc biệt dùng để kết dính vật liệu… Cầu vòm và đặt biệt là cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã và đang xây dựng ngày càng vượt nhịp dài hơn. Với kết cấu thanh mảnh có tính thẩm mỹ cao tạo nên vẻ đẹp riêng biệt, cầu vòm rất được ưa chuộng cho các công trình cầu trong thành phố. Một trong những công trình đầu tiên áp dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông đó là cầu vòm nhịp 9m ở vùng ngoại ô phía Đông Paris được xây dựng năm 1931.
Cầu gồm 2 vòm, mỗi vòm gồm 6 ống thép D60x3,5mm nhồi bê tông. Những năm 1940, người ta xây dựng một cầu đường sắt qua sông Ixet gần thành phố Kamenskơ - Uranski - Liên xô cũ với chiều dài nhịp chính là 140m. Với kết cấu ống thép nhồi bê tông cầu này đã giảm được 20 % giá thành xây dựng và tiết kiệm được 25% thép so với kết cấu thép. Vào những năm của thập niên 60, ống thép nhồi bê tông bắt đầu đuợc nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi trong xây dựng công trình ở Trung Quốc, từ năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật (CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đã tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông trong xây dựng công trình.
Năm 1990 lần đầu tiên ở Trung Quốc xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 4 tông. Cầu Uông Cảng ở Tứ Xuyên là thành quả của sự nỗ lực về kỹ thuật cầu vòm đối với những người làm cầu Trung Quốc. Do áp dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong công trình cầu, đã giải quyết được hai khó khăn lớn trong cầu vòm là sử dụng vật liệu có cường độ cao và vấn đề thi công. Cho nên cầu vòm ống thép nhồi bê tông phát triển mạnh, cuối năm1998 chỉ trong vòm 10 năm Trung Quốc đã làm được hơn 80 cây cầu với kết cấu ống thép nhồi bê tông.
Cây cầu đầu tiên được thiết kế và xây dựng ở Trung Quốc, 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 với một ống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFST đã vượt được nhịp 80m. 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.
Tại Nhật Bản cầu New Saikai dạng kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông, mặt cắt vòm gồm 3 ống được xây dựng hoàn thành vào năm 2006, có chiều dài nhịp chính L=240m. Những công trình được xây dựng đã chứng minh khả năng vượt nhịp lớn của loại cầu vòm với công nghệ ống thép nhồi bê tông ngày càng cao. Ngoài ra với kết cấu có kiểu dáng thanh mảnh mang đậm nét kiến trúc cũng góp phần tạo ra mỹ quan cho khu vực xây dựng. Vậy việc nghiên cứu kỹ hơn về phương pháp tính toán, biện pháp thi công… liên quan đến công nghệ này để có thể tạo ra được bước chuyển biến cho nghành cầu ở Việt Nam.
Một số công trình cầu vòm thép nhồi Bêtông điển hình trên Thế giới và xu hướng áp dụng tại Việt Nam.1 Cầu Chunan Nanpu, tỉnh Chiết Giang, hoàn thành năm 2003, dạng cầu vòm xe chạy giữa, chiều dài nhịp 308m; kết cấu nhịp vòm gồm 4 ống vòm CFST. Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 5 Hình 1.2 Cầu Nanning Yonghe, tỉnh GiangXi, hoàn thành vào năm 2004, dạng cầu vòm xe chạy giữa, chiều dài nhịp 335 m.3 Cầu Huangshan Taipinghu hoàn thành năm 2007, gồm 4 ống vòm, chiều dài nhịp 336 m.4 Cầu Yajisha vượt sông Zhujiang tỉnh Quảng Đông, hoàn thành năm 2000, mặt cầu chạy giữa, kết cấu nhịp vòm gồm 6 ống CFST, cầu vượt nhịp 360m.5Cầu Maocaojie vượt sông Dương Tử tỉnh Trùng Khánh, được hoàn thành năm 2006, mặt cầu xe chạy giữa dạng khung vòm có nhịp hẫng, cầu vượt nhịp 368m. Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 6 Hình 1.6 Cầu Lianxiang tỉnh Hồ Nam, hoàn thành năm 2007, dạng cầu vòm xe chạy giữa, kết cấu nhịp gồm 6 ống vòm, có chiều dài nhịp vòm ống thép nhồi bê tông 400 m.7 Cầu Zhijinghe tỉnh Hồ Bắc, kết cấu dạng cầu vòm xe chạy trên, hoàn thành vào năm 2009 được xây dựng qua hẻm núi có chiều cao 294m, cầu vượt nhịp 430m.8 Cầu Wushan vượt sông Dương Tử, tỉnh Trùng Khánh, kết cấu dạng nhịp vòm xe chạy giữa, được hoàn thành năm 2005, Vòm được cấu tạo từ 4 ống theo cụng nghệ CFT, nhịp chính dài 460m.9 Cầu New Saikai - Nagasaki - Nhật bản dạng kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông, mặt cắt vòm gồm 3 ống được xây dựng hoàn thành vào năm 2006, có chiều dài nhịp chính L=240m. Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 7 Tại Việt Nam kết cấu ống thép nhồi bêtông đang được quan tâm phát triển đặc biệt là cầu lớn, trong những năm gần đây cầu vòm ống thép nhồi bêtông đã được xây dựng tại Thành phố Hồ Chí Minh: cầu Ông Lớn, cầu Cần Giuộc, cầu Xóm Củi - nhịp trên 90m là những công trình cầu đầu tiên áp dụng kết cấu vòm ống thép nhồi bê tông được khánh thành vào cuối năm 2003.
Cầu Ông Lớn, Cần Giuộc, Xòm Củi có một số đặc điểm như sau: Cầu vòm ống thép chạy dưới nhịp chính dài 99.1m, vành vòm gồm 2 ống thép D=1m, dày 12 mm liên kết bằng thép tấm tạo thành mặt hình quả tạ cao 2.46 chân vòm đặt vào đầu dầm dọc, lực đẩy ngang do dầm dọc chịu.10 Cầu Ông lớn Hình 1.11 Cầu Xóm Củi Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 8 Hình 1.12 Cầu Cần Giuộc Tại miền Bắc đang triển khai xây dựng cầu Cầu Đông Trù có kết cấu nhịp chính là 3 nhịp liên tục 80+120+80m, được khởi công vào tháng 9/2009. Mặt cắt ngang cầu gồm hai vòm chủ số 8. Đường tên vòm f có tỷ số f/L=1/4. Nhịp 120m: Vòm gồm hai ống thép D=1.
Nhịp 80m: Vòm gồm hai ống thép D=1m chiều cao H =2.13 Cầu Đông Trù Cầu Hàn bắc qua sông Thái Bình đoạn thuộc tỉnh Hải Dương được khởi công vào tháng 6/2009 do các kỹ sư Công ty TVTK Cầu lớn - Hầm (TCT Tư vấn Thiết kế GTVT) thiết kế kỹ thuật. Với cây cầu này, lần đầu tiên các kỹ sư Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 9 Việt Nam làm chủ quá trình thiết kế xây dựng kết cấu Cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Nhịp chính cầu dài 117.85m, đường tên vòm cao 25m Cầu có mặt cắt ngang gồm 2 vòm ống thép nhồi bê tông, mỗi vòm có mặt cắt ngang dạng số 8 chiều cao 2.14 Cầu Hàn Cầu Rồng do Công ty Louis Berger Group, Inc.15 Cầu Rồng Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 10 1. Các dạng sơ đồ cầu vòm ống thép nhồi Bêtông Kết cấu chịu lực chủ yếu trong cầu vòm là kết cấu vòm có cấu tạo rất đa dạng (cuốn vòm, sườn vòm v.
Nói chung, đó là các bản cong hoặc thanh cong mà hai đầu được liên kết chốt hoặc liên kết ngàm với mố trụ cầu để chúng không thể chuyển vị theo hướng nằm ngang được. Do đó tác động tĩnh tải và hoạt tải thẳng đứng lên kết cấu nhịp sẽ gây ra trong trụ mố các lực đẩy ngang và gây ra trong vòm các lực nén, mômen uốn lực cắt. Khi lựa chọn dạng đường trục vòm hợp lý cho trùng với đường cong áp lực của nó thì hầu như có thể tránh được mômen uốn vòm dưới bất kỳ tĩnh tải nào. Tuy nhiên vì trên cầu có hoạt tải chạy qua nên không thể tránh được xuất hiện mômen uốn vòm do hoạt tải.
Kết quả là mặt cắt vòm luôn chịu nén lệch tâm. Điều kiện làm việc đó tương đối phù hợp với tính chất vật liệu bê tông là chịu nén tốt. Khi thiết kế một cách hợp lý thì trị số mômen uốn vòm không lớn. Do đó các kết cấu nhịp vòm tiết kiệm vật liệu hơn các kết cấu nhịp dầm có cùng trị số khẩu độ và tải trọng (xét riêng biệt về mặt vật liệu làm kết cấu nhịp).
Tuy nhiên, các lực đẩy ngang ở chân vòm truyền lên mố trụ khá lớn, do đó phải tăng kích thước nền móng và tăng khối lượng vật liệu làm mố trụ. Trường hợp nền đất càng yếu thì phí tổn xây dựng mố trụ cầu vòm càng lớn. Như vậy, nói chung khi lựa chọn phương án cầu phải xét toàn diện cả phần kết cấu nhịp và phần mố trụ. Khuyết điểm chung của phần lớn các cầu vòm BTCT đã xây dựng trước đây là phải tốn nhiều vật liệu, công lao động và thời gian để làm đà giáo giá vòm cũng như các công trình phụ tạm khác phục vụ thi công vòm.
Một số cầu vòm đã được thi công lắp hẫng hay đúc bê tông hẫng nhưng công nghệ rất phức tạp so với thi công kết cấu nhịp dầm hay khung. Có thể áp dụng sơ đồ vòm không chốt, vòm hai chốt, vòm ba chốt để làm cầu vòm. Tiết kiệm nhất và cấu tạo đơn giản nhất là sơ đồ cầu vòm không chốt Đào Tuấn Anh Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 2013 Trường Đại học Xây dựng 11 (hình 1.