CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM 1. Lịch sử phát triển 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 nói chung và cầu vòm đá nói riêng là dạng kết cấu cổ nhất mang nhiều ưu điểm về khả năng chịu lực và tính thẩm mỹ. Một số công trình cầu vòm đá nổi tiếng như cầu Atalanca bắc qua sông Tagus ở Tây Ban Nha và đặc biệt cầu Đan Hà, Phổ Thành, Tây Sơn, Trung Quốc là cầu vòm đá nhịp lớn nhất thế giới (146m) được hoàn thành năm 2001. Nguồn gốc cầu vòm hiện nay còn chưa được làm rõ. Các học giả nghiên cứu phương Đông cho rằng cầu vòm trên sông Euphrateo ở Syria và sông Tigris ở Iraq do người Sunnit cổ đại phát triển từ vòm gạch mà thành.
Có ý kiến cho rằng vòm do con người phỏng theo vòm đá tự nhiên ḿà phát triển lên, nhưng cũng có người cho rằng từ cầu dầm đá hẫng, tiến đến cầu dầm đá nhiều hình phát triển lên mà thành v. Trên thực tế, thời cổ đại, do giao thông không thuận tiện, hoạt động của con người bị hạn chế, cùng một loại kết cấu cũng có nhiều nguồn gốc, phần lớn dựa vào sự độc lập phát triển, không cần thiết phải hiểu rõ cầu vòm do ai phát minh, địa phương nào xây dựng đầu tiên. Tuy nhiên, điều cần hiểu rõ là việc xây dựng và áp dụng cầu vòm, trong tiến trình chinh phục tự nhiên vươn tới văn minh đã có tác dụng to lớn. So với cầu dầm đá, cầu vòm không cần những khối đá lớn, lựa chọn vật liệu dễ dàng, (cả vật liệu thiên nhiên và nhân tạo như gạch) có khả năng vượt khẩu độ lớn.
Do đó, cho tới ngày nay, cầu vòm vẫn là một trong những dạng kết cấu được áp dụng phổ biến. Trước công nguyên từ 200 đến 260 năm, người La Mã cổ đại đã xây dựng -4- nhiều cầu vòm đá lớn. Các cầu vòm này phần lớn là vòm nửa hình tròn, dùng các mố trụ vòm nặng, cho nên khi một nhịp vòm bị phá hoại thì các nhịp khác vẫn còn tốt. Cầu nổi tiếng nhất là cầu Port Du Gard Aqueduct, xây dựng năm 19 trước công nguyên với ba tầng vòm nửa hình tròn, tầng dưới có 6 vòm, tầng 2 có 11 vòm, tầng 3 có 33 vòm.
Pont du Gard Aqueduct (xây dựng năm 19 B.C) Thế kỷ thứ 18 với cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh, thép đúc và thép rèn được sản xuất công nghiệp, làm cho sản lượng gang tăng lên rất nhanh. Gang thép được dùng nhiều trong kết cấu công trình cầu. Cầu vòm gang thép nổi tiếng nhất là cầu trên sông Coallrook da le Sevem ở Anh. Cầu được xây dựng với 5 nửa vòng tròn bằng gang xếp liền nhau có khẩu độ tĩnh 30m.
Năm 1977, cầu Pia Maria trên sông Douro ở Bồ Đào Nha, có khẩu độ 160,13m là cầu vòm hai chốt kiểu dàn hoa hai sườn. Cầu kim loại ở Coalbrookdale, England (1777-1779) Năm 1856, tạp chí H. Bessemer giới thiệu nhiều tài liệu về phương pháp luyện thép.Martin đẩy mạnh dùng lò Martin để luyện thép. Nhờ đó, công trình cầu bước vào thời đại cầu thép.
Lần đầu tiên dùng thép vào công trình cầu là cầu Eads vượt sông Stolouis bang Missouri ở nước Mỹ xây dựng năm 1874. Cầu gồm ba nhịp vòm dàn thép bố trí theo sơ đồ (153+158+153)m thi công theo phương pháp lắp hẫng. Tiếp theo là một loạt các cầu vòm thép được xây dựng, năm 1917 là cầu Hell Gate ở New York khẩu độ 297m, năm 1931 là cầu Bayoune khẩu độ 504m, năm 1977 là cầu New River Garge khẩu độ 518. Cầu vòm thép Sydney ở Úc xây dựng năm 1932 với nhịp chính 503m là một trong những cây cầu nổi tiếng thế giới.
Kỹ thuật cầu vòm thép có nhiều tiến bộ, về khẩu độ cầu mà nói, từ năm 1874 mới đạt 158.6m đến năm 1916 tăng lên 298m ở cầu Hell Gate, chỉ 42 năm khẩu độ tăng lên 90%, năm 1931 khẩu độ 503.6m cho cầu Rainbow, 15 năm sau lại tăng lên 70% tới năm 1976 khẩu độ 518.3m cho cầu New River Gorge, 45 năm tiếp theo tăng thêm 3%. Cầu Chongqing Chaotianmen, Trung Quốc Cầu vòm được bằng bê tông là một giải pháp hiệu quả để truyền tải trọng xuống đất nền là với địa chất là đá. Một số lượng lớn cầu vòm bê tông cốt thép đổ tại chỗ và lắp ghép đã được xây dựng trong thế kỉ 20. Cầu đường sắt Martin Gil Có thể nói, ngành xây dựng cầu đã đạt được những thành tựu to lớn về nhiều phương diện, từ vấn đề kết cấu công trình đến kỹ thuật công nghệ thi công, sự hoàn thiện giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm đã từng bước cho ra đời nhiều kiểu dáng kết cấu độc đáo với xu hướng sử dụng vật liệu cường độ cao, nhẹ nhằm giảm trọng lượng công trình, áp dụng các biện pháp điều chỉnh ứng suất nhằm tiết kiệm vật liệu, mỗi cấu kiện cầu được lựa chọn loại vật liệu phù hợp nhằm khai thác tối đa khả năng làm việc.
Cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật, cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở Trung Quốc. Kết cấu ống thép nhồi bê tông là một kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Một số ưu điểm chính của kết cấu ống thép nhồi bê tông có thể kể đến như: -7- - Bê tông nhồi trong ống thép không những không bị co ngót mà trái lại còn nở thể tích, do đó tạo điều kiện cho bê tông và vỏ thép cùng nhau làm việc dưới tác dụng của tải trọng khai thác. - Việc nhồi bê tông đã tăng khả năng chống rỉ phía trong của ống thép, giảm độ mảnh của vòm, tăng độ ổn định cục bộ của vách ống thép, tăng khả năng chống biến dạng.
- Ống tròn có độ cứng chống xoắn cao hơn các tiết diện hở khác; Khi dùng ống tròn nhồi bê tông có thể tiết kiệm khoảng 40% lượng thép so với kết cấu BTCT thông thường. - Mặt ngoài ống thép dễ bảo vệ chống rỉ hơn các loại tiết diện có hình dạng phức tạp. Chính vì vậy, bước vào thập kỷ 90, kết cấu ống thép nhồi bê tông ứng dụng vào công trình cầu ở Trung Quốc phát triển rất nhanh. Trên 70 cầu vòm trực tiếp dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông, trong đó khẩu độ lớn nhất là cầu Tam An Úng Giang ở Quảng Tây khẩu độ chính 270m.
Việc tăng khẩu độ cầu vòm, không thể tách rời tiến bộ kỹ thuật thi công. Từ thi công trên đà giáo dạng vòm đến thi công không có đà giáo vòm, trong thi công không có đà giáo vòm từ dùng cần trục dây treo thi công theo phương pháp xoay, thi công lắp hẫng đến thi công theo phương pháp đà giáo vòm cốt cứng đều áp dụng các tiến bộ công nghệ làm cho khẩu độ cầu vòm ở Trung Quốc vượt từ bậc này tới bậc khác. Cầu Lupu, Trung Quốc -8- Trong những năm gần đây, việc phát triển kết cấu mới với những ưu điểm về kết cấu và tính thẩm mỹ kiến trúc được nghiên cứu ứng dụng trên toàn thế giới. Song song với việc phát triển những cây cầu vòm cổ điển thì dạng cầu vòm sử dụng hệ dây treo cũng được nghiên cứu và ứng dụng khá phổ biến.
Đặc biệt là dạng kết cấu cầu vòm dây treo dạng lưới đang được phát triển mạnh mẽ ở Châu Âu, Nhật Bản và ngày càng thu được những thành tựu rực rỡ. Cầu vòm thép là loại cầu rất ít gặp trên đường sắt cũng như đường bộ so với cầu dầm và cầu giàn. Sở dĩ cầu vòm ít được sử dụng là vì kết cấu nhịp vòm không dễ dàng tiêu chuẩn hóa kích thước như kết cấu nhịp cầu gầm và cầu giàn, mặt khác do đặc điểm của hệ thống vòm là có lực đẩy ngang nên tuy khối lượng sử dụng vào kết cấu nhịp tương đói ít hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm và cầu giàn (khoảng 15%) nhưng lại thường đòi hỏi trụ, mố to hơn và như vậy giá thành tổng cộng công trình vẫn cao. Vì những nguyên nhân trên mà vầu vòm thép thông thường là những công trình mang tính chất riêng biệt chứ không thể xây dựng định hình.
Tuy nhiên trong những trường hợp yêu cầu về hình dáng bên ngoài, kiến trúc mỹ thuật khống chế, chẳng hạn như những công trình cầu thành phố hay tại các vùng danh lam thắng cảnh thì phương án cầu vòm lại được xét đến. Ngoài ra cầu vòm thép cũng có thể trở nên kinh tế khi địa hình xây dựng là những khe núi hoặc thung lũng sâu, những nơi mà tình hình địa chất thích hợp. Các dạng vòm cơ bản 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 -9- 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.