CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM MẠNG LƯỚI 1. Kết cấu vòm mạng lưới Kết cấu vòm mạng lưới là loại kết cấu vòm cứng với các dây treo (hay thanh treo) xiên có ít nhất hai điểm giao cắt tại mỗi dây (trừ một số dây gần trụ). Khái niệm này được đưa ra bởi Giáo sư – Kỹ sư người Na Uy Per Tweit năm 1955 [1].
Trong kết cấu vòm mạng lưới, vòm đóng vai trò như dàn chịu nén, một phần nhỏ chịu uốn trong khi dây treo chịu kéo. Cầu vòm mạng lưới thích hợp cho cả đường sắt và đường bộ.1- Cầu Bình Lợi 2 – cầu vòm mạng lưới đầu tiên ở TPHCM (2013) Một loại cầu vòm có dây xiên khác cũng ra đời khá lâu là cầu Nielsen, với ít nhất một điểm giao cắt trên mỗi dây treo. Tên gọi “cầu Nielsen” được sử dụng từ năm 1926 khi Octavius F. Nielsen, một kỹ sư người Thụy Điển phát triển cầu vòm tiêu chuẩn với dây treo thẳng đứng thành cầu vòm sử dụng các thanh treo đặt xiên hình chữ V, biến vòm trở thành kết cấu kiểu dầm trong đó các thanh treo chịu thêm lực cắt gây ra bởi tải trọng phân bố, làm giảm đáng kể moment uốn trong vòm và mặt cầu.
Hạn chế của mô hình vòm của Nielsen liên quan đến lực nén trong thanh treo. Sự mất ổn định, thực tế, có thể xảy ra tại một hoặc một số thanh khi tỉ lệ hoạt tải/tĩnh tải quá lớn, điển hình như đối với cầu đường sắt hay các kết cấu nhẹ như cầu bộ hành khi có sự tham gia đáng kể của hoạt tải. [2] Khi Per Tveit (Na Uy) phát triển kết cấu vòm Nielsen thành cầu vòm mạng lưới, sự phức tạp hơn và số lượng nhiều hơn các thanh treo giúp kết cấu ổn định hơn khi các thanh treo chịu nén do tải trọng phân bố không đối xứng.2- Cầu Steinkjer (Na Uy-1963) Hình 1.3- Cầu Bolstadstraumen (Na Uy -1963) Cầu Steinkjer và cầu Bolstadstraumen xây dựng năm 1963 tại Na Uy với chiều dài nhịp tương ứng là 80m và 84m là 2 công trình đầu tiên được Per Tveit áp dụng. Kiểu dáng hình học này nhanh chóng phát triển tại Na Uy, Đức, Mỹ và Nhật Bản trong đó phải kể tới công trình tiêu biểu như cầu Fehmarnsund (Đức) là loại kết cấu liên hợp thép – bê tông sử dụng cho cả xe lửa và ô tô với chiều dài nhịp lên tới 248m.
Kỷ lục này bị phá bởi cầu Blennerhassett bắc qua song Ohio (Mỹ) với chiều dài nhịp 267.8m được xây dựng sau đó.4- Cầu Fehrmarnsund (Đức - 1963) Hình 1.5- Cầu Blennerhassett (Mỹ - 2008) Hình 1.6- Mô men uốn dọc trục của một dầm giản đơn chịu tải trọng phân bố đều Hình 1.7- Dạng hình học của một cầu vòm dạng cung Hình trên chỉ ra sự liên hệ giữa mô men uốn trong dầm giản đơn với kiểu dáng hình học của một cầu vòm dạng cung. Ứng xử của cầu vòm được cho là dựa trên dạng hình học chống lại lực kéo hay chống lại tải trọng thẳng đứng đè lên hệ mặt cầu. Khi 6- hệ mặt cầu được gắn với sườn vòm, mặt cầu trở thành các phần tử dầm chịu kéo liên kết với các gối đỡ của vòm tạo thành một khối truyền tải trọng thẳng đứng xuống nền đất.8- Sự truyền lực trong vòm Kiểu dáng trên đặc biệt có lợi khi nền đất không thể gánh đỡ được phần lớn lực đẩy ngang. Thêm vào đó, ứng xử này là chung cho kết cấu vòm không kể dây thẳng đứng hay dây xiên.
Tuy nhiên, khi tải trọng đứng đặt lệch ở một bên cầu, mô hình dầm chịu kéo và vòm chịu nén có thể không còn nữa, thay vào đó vòm cũng tham gia bị uốn.9- Sự phân phối mô men lên vòm dây treo thẳng đứng với tải trọng đặt lệch Hình 1.10- Sự phân phối mô men lên cung vòm dây treo xiên với tải trọng đặt lệch Với dây xiên, tải trọng phân bố thông qua các gối ảo hiệu quả hơn nhờ lực căng xiên trong dây. Hệ thống vòm – dây treo – dầm làm việc như một khối dầm, kết quả là mô men uốn nhỏ hơn trường hợp dây treo thẳng đứng. Khi dây treo được sắp đặt theo lưới, kết cấu trở nên tối ưu nhất. 7- Kết cấu vòm mạng lưới đảm bảo tính hiệu quả trong việc phân phối mô men một cách đồng đều, làm tối thiểu hóa ứng suất uốn trong vòm và hệ dầm.
Ưu điểm của kết cấu thanh mảnh nhưng phân phối lực tốt hơn lại được khẳng định. Giới thiệu về hệ dây treo trong cầu vòm mạng lưới Đối với cầu vòm mạng lưới tiêu chuẩn, bộ phận liên kết sườn vòm với dầm có thể là thanh treo hoặc dây treo. Ở các cầu dùng dây treo, tuy không tham gia chịu nén nhưng có trường hợp một số dây treo không bị căng, khi đó vòm sẽ làm việc như dàn, mô men uốn của hệ dầm tăng lên. Để tránh những trường hợp này, việc nghiên cứu lựa chọn sơ đồ bố trí dây treo là rất cần thiết.
Những năm gần đây, nhiều nghiên cứu mới đã cho ra đời những cách bố trí sắp xếp dây treo khác nhau với cả ưu và nhược điểm rõ rệt, trong đó sơ đồ dây đan xen như trong cầu Bình Lợi 2 là một trong số những phương án tối ưu nhất.[3] Về cấu tạo, để làm giảm rung động cũng như ngăn cản dây khỏi va đập vào nhau, dây treo luôn được bảo vệ bởi lớp ống nhựa bên ngoài.11- Hệ dây treo Dây treo là các thanh thép cường độ cao hoặc là những bó cáp dự ứng lực, đầu trên được neo vào sườn vòm thông qua lỗ neo và đầu dưới neo vào dầm ngang. Liên kết thanh treo vào sườn vòm có thể dùng nhiều cách, dưới đây là một số cách phổ biến: – Neo qua lỗ: trên sườn vòm tạo sẵn lỗ có kích thước đúng loại đầu neo thiết kế, sau khi cáp treo được luồn qua lỗ sẽ được khóa giữ bởi khóa neo. Theo cách neo này thì tiết diện ngang sườn vòm tại vị trí lỗ neo bị thu hẹp. 8- – Neo bằng đai đỡ: đai đỡ được chế tạo từ dải thép bản rộng khoảng 20-40cm, ôm tròn theo mặt cắt ngang sườn vòm và dây cáp treo được khoá chặt vào đai đỡ thông qua chốt nằm ngang.
Với các neo này thì tiết diện sườn vòm không bị thu hẹp nhưng công tác bảo dưỡng liên kết khá phức tạp. – Neo trực tiếp: dây cáp treo được vòng quanh sườn vòm và khóa lại. Trên sườn vòm được hàn miếng thép bản hoặc thanh thép tròn đóng vai trị định vị và dẫn hướng cho cáp treo, cách neo này không làm giảm tiết diện ngang sườn vòm nhưng bảo dưỡng liên kết khá phức tạp và sự ma sát của cáp với sườn vòm cũng làm giảm yếu liên kết qua thời gian khai thác. Một số nguyên nhân khiến dây treo không làm việc Tương tự như trong cầu dây võng hay cầu dây văng, dây treo trong cầu vòm có thể bị phá hoại mỏi do chịu ứng suất thay đổi theo thời gian dưới tác động của hoạt tải xe cộ, tải trọng gió sau một thời gian dài sử dụng… Hình 1.12- Cầu Steinkjer ở Đông Bắc Trondheim, Na Uy với thiết kế không có lan can bảo bệ đã từng bị đứt dây treo khi xe cộ va chạm.
Hơn nữa, dù đã có những biện pháp bảo vệ rất tốt như sơn chống gỉ hay dùng ống bọc bảo vệ hiện tượng hoen gỉ hay ăn mòn do tác động của môi trường vẫn có thể xảy ra. Đặc biệt với một số trường hợp cầu vòm không thiết kế hệ thống lan can bảo vệ, vấn đề hư hỏng thậm chí đứt cáp do xe cộ gây tai nạn va chạm vào khá phổ biến. Một ví dụ điển hình như cầu Steinkjer ở Đông Bắc Trondheim, Na Uy. Ngoài ra phải kể tới sự thay thế dây treo trong khi bảo dưỡng.
Sau một thời gian dài sử dụng, dây treo có thể bị ăn mòn hoặc gặp sự cố cần phải thay thế. Thông thường, 9- trong quá trình thay dây, xe cộ bị cấm lưu thông qua cầu và công tác lắp đặt thay thế tiến hành tuần tự cho từng dây một. Một số nước tiên tiến còn sử dụng cả kỹ thuật thay dây trong cầu treo dây võng. Kỹ thuật này đã được áp dụng cho cầu vòm Thaddeus Kosciuszko (New York) [4].
Toàn bộ 168 dây cáp phải thay thế sau 50 năm sử dụng do bị thời tiết ăn mòn. Sự ăn mòn nhiều nhất tại những vị trí tiếp giáp của dây với dầm sàn, trong đó có 22 dây trong tình trạng phải thay thế khẩn cấp. Đơn vị thi công tiến hành các thao tác: – Sử dụng gối tạm thời đỡ dầm ngang. – Giảm dần lực căng trong dây hiện tại và gỡ bỏ.
– Căng dây mới. Điểm nổi bật của phương pháp này là hệ thống đỡ làm việc hoàn toàn độc lập, trong quá trình thay cáp, xe cộ vẫn được lưu thông bình thường. Dây cáp mới được đưa lên bằng hệ thống kẹp ma sát (frition clamp) Hình 1.13- Thay thế dây treo cầu Thaddeus Kosciuszko (New York) 1. TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.
Những nghiên cứu liên quan đến sự ổn định của cầu vòm 1.1 Ổn định trong mặt phẳng (in-plane buckling) Lý thuyết tính toán ổn định đã được hình thành và phát triển từ khá lâu, có thể kể tới thời điểm Euler lần đầu tiên giới thiệu công thức tính toán ổn định thanh chịu nén cách đây hai thế kỷ. Sau đó Timoshenko, Gere (1961) và Ziegler Hans (1968) phát triển lý thuyết ổn định kết cấu một cách toàn diện hơn. Ban đầu, các nghiên cứu về ổn định cầu vòm thép chủ yếu dựa trên lý thuyết ổn định cổ điển. Năm 1976, Austin và 10 - Ross nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số chiều cao/chiều dài nhịp trong cầu vòm dạng parabol và dạng cung tròn tới sự ổn định trong mặt phẳng.
Kết quả cho thấy vòm parabol ổn định hơn vòm cung tròn với cùng loại tải trọng. Năm 1982, khi nghiên cứu ổn định trong mặt phẳng của vòm parabol, Harrison nhận thấy rằng giới hạn ổn định của tải trọng tính cho từng phần tử nhỏ hơn đáng kể tải trọng tổng thể. Năm 1993, Mirmiran và Made nghiên cứu một số cầu vòm ứng suất trước để xem xét ổn định trong mặt phẳng khi vật liệu làm việc ngoài miền đàn hồi. Năm 1996, Pi và Trahair nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố như tỉ số độ mảnh, góc nghiêng và ứng suất dư đối với sự ổn định trong mặt phẳng ngoài miền đàn hồi của vòm thép cung tròn.