Chương 1 DÂY VĂNG VÀ HỆ NEO 1.1 Lịch sử phát triển Cầu dây văng Cùng với cầu treo, cầu dây văng có một lịch sử lâu đời. Năm 1970 một công trình sư người Pháp là Poet đã đề nghị dùng hai tháp cầu cùng một hệ dây văng đỡ hệ mặt cầu của một cầu ba nhịp. Năm 1817, ý tưởng của Poet đã được thực hiện ở Anh trong một cầu cho người đi có nhịp chính là 33,5 m. Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng các dây văng xuất phát từ đỉnh tháp cầu, phía đối diện các dây văng sử dụng một dây neo.
Năm 1868, ở Praha đã xây dựng một cầu dây văng qua sông Vltava có nhịp chính 146,6m. Hệ dầm mặt cầu được đỡ bằng dây văng tại các điểm dọc theo nhịp, chia dầm thành các khoang dài 24,4m. Các dầm khá lớn nên đã bố trí dầm cứng là hệ dàn có chiều cao tới 2,1m cùng với hệ dầm ngang liên kết hai dàn. Dầm cứng vừa tham gia chịu uốn cục bộ và tổng thể gần giống như vai trò dầm cứng trong cầu dây văng hiện đại.
Ngoài các dây văng thuần tuý, cuối thế kỷ 19 các dây văng còn được dùng để tăng cường độ cứng của các cầu treo, tạo thành hệ liên hợp. Các dây văng xuất phát từ đỉnh tháp cầu, neo vào dầm cứng tại một số điểm ở khu vực 1/4 nhịp để giảm mômen uốn và độ võng, thường có trị số lớn nhất trong cầu treo. Cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20 là thời kỳ tìm kiếm các biện pháp tăng cường độ cứng cho hệ cầu treo, cầu dây. Sau hàng loạt các sự cố về cầu treo, cầu dây văng mới lại được quan tâm nghiên cứu, áp dụng và phát triển.
Mặt khác, cùng với nhịp độ phát triển khoa học kỹ thuật, công nghệ luyện thép đã cho lưu hành trên thị trường các kim loại và dây thép có cường độ rất cao (1800 – 2000 MPa), trong khi môđun đàn hồi của các vật liệu LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 10 cường độ cao lại có khuynh hướng giảm, đặc biệt đối với dây cáp làm cầu treo và cầu dây văng. Việc sử dụng vật liệu cường độ cao làm tăng độ võng do hoạt tải. Đặc biệt với các hệ dây có trọng lượng bản thân nhỏ lại yêu cầu tải trọng nặng, tỉ số nội lực do hoạt tải và tĩnh tải lớn nên thường gây biến dạng do hoạt tải vượt trị số độ võng giới hạn quy định trong các quy trình. Để giảm biến dạng của công trình thì hoặc giảm ứng suất do hoạt tải trong kết cấu hoặc tăng tĩnh tải, điều đó đồng nghĩa với việc tăng tiết diện, vật liệu và giá thành.
Các biện pháp trên đều không mang lại hiệu quả kinh tế. Để sử dụng hết khả năng chịu lực của vật liều cường độ cao trong các hệ có dây chịu kéo có thể có hai phương hướng: - Nghiên cứu các biện pháp tăng cường độ cứng của hệ thông qua các giải pháp kết cấu như dùng dầm cứng, dùng các hệ liên hợp, các hệ được gây tạo ứng suất trước có lợi về biến dạng, hoặc tìm các biện pháp triệt tiêu biến dạng dư, biến dạng hình học, biến dạng đàn hồi phi tuyến của các đoạn dây cong bị duỗi thẳng khi chịu tải trọng nút. - Về mặt tiêu chuẩn kỹ thuật cũng cần nghiên cứu một cách thận trọng và có cơ sở khoa học về việc quy định các trị số độ võng, biến dạng cho phép của công trình dưới tác dụng của hoạt tải. Cùng với thời gian, Cầu dây văng được quan tâm nghiên cứu và phát triển.
Cho đến nay, đã có rất nhiều cầu dây văng được xây dựng trên thế giới, có thể kể ra các cây cầu nổi tiếng sau đây: - Cầu Saint – Nazaire, 1975, dầm thép tiết diện hình hộp bản trực hướng. - Cầu Barrios de Luna, 1983, dầm cứng bằng bê tông cốt thép ứng suất trước. LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 11 - Cầu Annacis ở Mỹ, 1986, dầm bê tông thép liên hợp, gồm hai dầm I có bản bê tông liên hợp. - Cầu Ikuchi, 1991, nhịp chính bằng thép, nhịp biên bằng bê tông cốt thép.
- Cầu Skamsundet, 1991, dầm chủ là bê tông cốt thép ứng suất trước. - Cầu Thượng hải, 1993, dầm thép bê tông liên hợp. - Cầu Normandie, 1995, tiết diện hình hộp bằng thép ở nhịp giữa. Cầu dây văng có ưu điểm rõ ràng về mọi mặt nên đã được nhanh chóng áp dụng trên toàn thế giới.
Cho đến nay đã thống kê được trên 300 cầu dây văng lớn nhỏ với đầy đủ thể loại trong đó có một đặc điểm quan trọng mà các loại cầu khác không có được là tính đa dạng. Ở Việt nam, Cầu dây văng cũng được quan tâm nghiên cứu từ lâu, trên thực tế đã xây dựng một số cầu hiện đang khai thác sử dụng như cầu dây văng Đak'rông (Quảng Trị), Cầu dây văng Mỹ thuận (Vĩnh Long), cầu Bến Cốc (Hà Tây), một số dự án đã và đang được triển khai như cầu Phú Mỹ, cầu Bính (Hải Phòng), cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh).1 Cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Cầu Đăk’rông (Quảng Trị) Như vậy, Cầu dây văng không chỉ là một công trình giao thông đơn thuần mà còn là nơi thu hút, tập trung trí tuệ của các nhà khoa học, các kiến trúc sư, các kỹ sư để tạo dựng được các công trình thể hiện một bản sắc kiến trúc độc đáo cho từng khu vực. Với nhu cầu xây dựng cơ sở hạ tầng, hoàn chỉnh và phát triển mạng lưới giao thông toàn quốc, trong những năm tới chắc chắn lịch sử xây dựng cầu dây văng ở nước ta sẽ được nối dài bằng những công trình ở miền núi, miền xuôi, mang đủ tính hiện đại và bản sắc riêng của mỗi vùng miền trên đất nước Việt Nam.2 Dây văng Cầu dây văng làm việc như một dàn có biên dưới cứng chịu nén, uốn, dây văng làm việc như các gối đàn hồi trung gian chịu kéo nên có thể làm bằng thép cường độ cao, tuy nhiên các gối đàn hồi này lại không trực tiếp truyền phản lực xuống đất nền mà thông qua tháp cầu truyền xuống trụ chính. Do đó về nguyên tắc, mố trụ chính của cầu dây văng chịu toàn bộ tĩnh và hoạt LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 13 tải trên cầu.
Nếu nhịp dài thì trụ tháp tập trung vào khu vực gần bờ tránh được các vị trí có địa chất và thuỷ văn phức tạp, do đó cầu dây văng chỉ phát huy được ưu điểm với cầu có nhịp lớn và vừa (nhịp chính trên 100m). Cầu dây văng là cầu có thể vượt qua các nhịp rất dài, do đó dây văng thường có chiều dài lớn được căng và neo vào hai điểm cố định, dưới tác dụng của tải trọng bản thân dây thường bị võng, khi chịu hoạt tải gây lên biến dạng phụ. Để hạn chế các ảnh hưởng trên dây thường được chế tạo từ các sợi thép có cường độ cao như sợi thép đơn đặt song song hay các bó cáp Có nhiều loại cáp dùng làm dây văng, tuỳ theo kết cấu bó, phương pháp chế tạo, dây được phân thành các loại chủ yếu sau đây (xem [8, tr.3 Các loại cáp thông dụng dùng làm dây văng a. cáp có sợi song song; d.
Cáp kín LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1 Các loại cáp thông dụng dùng làm dây văng(xem [8, tr.104]) Thanh Cáp sợi Thanh nối không song Bó các tao Loại cáp 736 Cáp kín nối song song song 2715 thép 835/103 2616 1287 Thanh 26,5; Tao xoắn 7 sợi Sợi có hình dạng Thanh Sợi Kết cấu dây 32 và 12,7; 15,2 và khác nhau 16mm 7,6mm 36mm 17,8mm 2,97mm ứng suất ở biến dạng 8351080 1350 1470 15701670 0,2% (0,2 MPa) Cường độ giới hạn 10301230 1500 1670 17701870 10001300 (MPa) Giới hạn mỏi 80 350 300320 120150 (MPa) 0,6 0,45 0,50,45 0.45 max/Z Mô đun đàn 210.1 Cáp gồm các thanh song song Cáp được cấu tạo từ các thanh thép đặt song song với nhau trong một ống thép và được định vị bằng các vách ngăn bằng chất dẻo PE. Trong quá trình lắp đặt, các thanh thép có thể tự do trượt dọc theo tuyến dây, nên việc LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 15 căng kéo có thể thực hiện một cách đơn giản cho từng thanh. Sau khi căng kéo xong có thể bơm vữa xi măng trong lòng ống, đảm bảo ống thép cùng tham gia chịu tải. Việc vận chuyển dưới dạng cuộn chỉ có thể thực hiện được với các thanh có đường kính nhỏ hơn 16mm.
Các thanh có đường kính lớn hơn thường được chế tạo và vận chuyển dưới dạng thanh dài 15-20m. Việc nối liên tục thường được thực hiện qua ống nối ren, tuy nhiên mối nối ren làm giảm tiết diện của dây, gây ứng suất tập trung và giảm khả năng chịu mỏi của thép. Để tránh làm giảm tiết diện, đầu mối nối thường được chế tạo có đường kính lớn hơn. Bó các thanh thép đặt song song đã được áp dụng vào cầu Hoechst qua sông Main ở Đức năm 1971.
Thép thanh thường có cường độ giới hạn khoảng 1000MPa, đường kính từ 15 đến 36mm. Dùng thép thanh có cường độ trung bình cần có diện tích tiết diện lớn hơn so với khi dùng thép sợi hoặc tao cáp. Tuy nhiên ứng suất thấp trong dây có thể giảm độ nguy hiểm do mỏi. Đối với các cầu có nhịp nhỏ và trung bình (100-150 m), và có tĩnh tải lớn (dầm chủ là bê tông cốt thép) việc dùng thép thanh làm dây văng kín hoặc hở hoàn toàn có thể chấp nhận được trên phương diện chịu lực, cấu tạo neo và thi công.
Sau đây là các chỉ tiêu cơ lý của một số loại thép thanh dùng làm dây văng (xem [8, tr. Ống thép Thanh đầu có mũ Khoảng trống bơm Khoảng trống bơm vữa vữa Hình 1.4 Các dạng thép thanh dùng làm dây văng a. Thép thanh d=16mm cuốn trong rulô: b.5; 32 và 36mm LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2 Chỉ tiêu cơ lý của các loại thép thanh (xem [8, tr.105]) Loại thép St 85/100 St 110/100 St 135/150 Đường kính danh 26.5 32 36 16 định (mm) Diện tích danh định 551.2 Cáp gồm các sợi song song Cáp gồm các sợi song song là các bó dây làm bằng các sợi thép có cường độ cao bố trí song song đặt trong ống thép hoặc ống nhựa polyethylene. Sau khi lắp đặt xong, thường bơm vữa xi măng trong lòng ống.
Các sợi thép có thể đặt riêng rẽ, sắp sếp theo hình lục giác trên nguyên tắc đảm bảo các thanh ép sít nhau thuận tiện cho việc bó cáp và tạo lớp vỏ chống gỉ.Tuỳ theo bó lớn, nhỏ số lượng sợi thép có thể phân bố như sau: 1; 1+6=7; 7+2x6=19; 19+3x6=37; 37+4x6=61 v.