Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VÕNG 1.1 Giới thiệu cầu treo dây võng 1.1 Giới thiệu sự phát triển cầu treo dây võng trên thế giới Cầu treo dây võng là loại cầu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây cáp, do đó nó tận dụng được tối đa sự làm việc của vật liệu. Do ưu điểm này nên cầu treo dây võng vượt được khẩu độ rất lớn mà các loại kết cấu khác không làm được kể cả cầu dây văng. Hiện nay, cầu treo dây võng được coi là loại cầu đẹp, nhẹ và chịu lực tốt, được áp dụng phổ biến trên thế giới cho các cầu nhịp lớn.[2] Trong lịch sử phát triển cầu, cầu treo dây võng là một loại cầu có lịch sử phát triển lâu đời. Cầu treo dây võng với cáp treo bằng xích sắt đã được xây dựng ở Trung Quốc cách đây 2000 năm, một cây cầu tương tự cũng được xây dựng tại Ấn Độ.
Nguồn gốc ra đời của cầu treo dây võng là ở Phương Đông nhưng lại xuất hiện tại Châu Âu ở thế kỷ thứ 16 và nó thật sự bùng nổ khi ngành công nghiệp luyện thép phát triển mạnh ở thế kỷ thứ 19.[2] Vào thế kỷ 18, với sự phát triển của kết cấu cầu và các sản phẩm ứng dụng của công nghệ luyện thép, cầu Jacobs Creek được xây dựng vào năm 1801 với nhịp chính dài 21,3m bởi công trình sư Finley tại Mỹ. Cây cầu dùng cho xe ô tô xưa nhất hiện nay là cầu Clifton ở Anh (hình 1.1) được xây dựng vào năm 1831 và hoàn thành năm 1864, đây là cây cầu với cáp chủ dạng xích sắt.1 Cầu Clifton – Anh - 5- Theo thời gian cùng với sự phát triển của máy tính điện tử cũng như công nghệ máy móc thi công, vật liệu xây dựng và trình độ khoa hoc kỹ thuật xây dựng, cầu treo dây võng ngày càng vượt được nhịp lớn. Một số cầu treo dây võng có nhịp >1000m trên thế giới được thống kê trong bảng 1.1 như sau: Bảng 1.1 Cầu treo dây võng có chiều dài nhịp chính >1000m Chiều dài nhịp Năm hoàn STT Tên cầu Quốc gia chính >1000m (m) thành 1 Akashi kaikyo Nhật 1991 1998 2 Great Belt Đan Mạch 1624 1998 3 Runyang Trung Quốc 1490 2005 4 Humber Anh 1410 1981 5 Jiangyin Trung Quốc 1385 1999 6 Tsing Ma Hồng Kông 1377 1997 7 Verrazano Narrow Mỹ 1298 1964 8 Golden Gate Mỹ 1280 1937 9 Hoga Kustenborn Thụy Điển 1210 1997 10 Mackinac Mỹ 1158 1957 11 Minami Bisan Seto Nhật 1118 1988 Fatih Sultan 12 Thổ Nhĩ Kỳ 1090 1988 Mehmet 13 Bogazici Thổ Nhĩ Kỳ 1074 1973 14 George Washington Mỹ 1067 1931 3nd Kurushima 15 Nhật 1030 1999 Kaikyo Về phương diện thẩm mỹ, một số cầu được coi là biểu tượng cho cả một vùng, cả một quốc gia như: cầu Golden Gate (hình 1.2), cầu Mackinac ở Mỹ, cầu Tsing Ma ở Hồng Kông, cầu JangYin (hình 1. Cầu Golden Gate – Mỹ Hình 1.
Cầu Jang Yin – Trung Quốc Hiện nay, cầu treo Akashi Kaikyo – Nhật Bản (hình 1.4) là cây cầu được hoàn thành có nhịp chính dài nhất thế giới được khởi công vào tháng 5/1988, thời gian xây dựng kéo dài trong 10 năm, chiều dài nhịp chính 960+1991+960 = 3911m. Cầu nằm giữa bắc Maiko (ở Shikoku) và Nam Matsuho (ở Awaji), hai bên là cầu dẫn bằng bê tông cốt thép. Akashi Kaikyo – Nhật Bản Cầu Great Belt East (hình 1.5) nhịp chính dài 1624m được khánh thành ngày 14/06/1998 ở Đan Mạch. Cầu Great Belt East Bước vào thiên niên kỷ mới, một vài cầu nhịp lớn sẽ được xây dựng.
Có thể kể đến một số cầu lớn sẽ được xây dựng trong tương lai như: Bắc qua eo biển Messina nối đảo Sicily đến đất liền nước Ý, là loại cầu treo dây võng Messina Strait. Toàn bộ chiều dài của cây cầu là vào khoảng 5,07km (Hình 1.8), nhịp chính khoảng 3,3km. Bắt đầu xây dựng từ năm 2006 và dự kiến hoàn thành vào năm 2012. Khi đi vào hoạt động dự tính sẽ phục vụ tới 4500 ô tô mỗi giờ và 200 chuyến tàu mỗi ngày.
Phối cảnh cầu Messina Strait Hình 1. Phối cảnh cầu Messina Strait Hình 1. Phác họa so sánh kích thước, khẩu độ giữa cầu Messina Strait (Italia) và cầu Golden Gate (Mỹ) - 9- Băng qua eo biển Tsugaru, Nhật Bản: một cây cầu kết hợp vừa cầu treo dây võng vừa cầu treo dây văng với 2 nhịp chính liên tiếp nhau khoảng 4km. Băng qua eo biển Gibraltar giữa Tây Ban Nha và Marốc: với hai phương án được kiến nghị, cầu dây võng với 2 nhịp chính 5km, hoặc cầu treo dây văng có nhịp chính đầy ấn tượng 8.
Sự ra đời và phát triển cầu treo dây võng trên thế giới không còn đơn thuần là phát triển giao thông mà còn trở thành mục tiêu và thách thức các nhà khoa học làm sao có được một cây cầu không những mang lại đặc trưng riêng độc đáo về kết cấu, kiến trúc mà còn đạt kỷ lục về chiều dài nhịp.2 Sự phát triển cầu treo dây võng ở Việt Nam Lịch sử phát triển xây dựng cầu ở Việt Nam cũng gắn liền với quá trình lịch sử, từ những năm 1965 đã xuất hiện loại kết cấu cầu treo đảm đảm giao thông trong cuộc chiến tranh chống Mỹ cứu nước. Loại cầu này được nghiên cứu với các biện pháp vượt sông bằng hệ cáp treo. Từ đó các sản phẩm cầu treo ra đời như cầu Cáp Vĩnh Tuy (Hà Giang), Đoan Vỹ (Nam Hà) năm 1965-1968, cầu cáp Đoan Hùng (Vĩnh Phú) khẩu độ 104m năm 1966,.[3] Cho đến nay, với trình độ kỹ thuật ngày càng cải tiến không ngừng cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, bên cạnh các cầu giản đơn, liên tục thuần túy thì một số giải pháp cầu treo dây võng đã được nghiên cứu từng bước đưa vào ứng dụng, cụ thể như cầu treo có quy mô tương đối lớn đã được xây dựng và hoàn thành là cầu treo Thuận Phước (hình 1.9) tại thành phố Đà Nẵng. Cầu được thiết kế với quy mô khẩu độ lớn, hiện đại, mang tính mỹ thuật cao.
Cầu có trụ tháp cao 92m, chiều dài nhịp chính 405m, tĩnh không thông thuyền 27m, kết cấu với dầm hộp thép hợp kim suốt toàn bộ nhịp treo dài 650m, chế tạo bằng công nghệ dầm cứng. Tổng chiều dài cầu 1856m, trong đó cầu chính dài 650m được thi công theo kết cấu cầy dây võng, rộng 18m cho 4 làn xe lưu thông, tải trọng 13 tấn với tổng kinh phí xây dựng hơn 587 tỷ đồng. Cầu Thuận Phước được xem là cầu treo dây võng có khẩu độ lớn nhất nước hiện nay. Phần nhịp chính: - 10- Chiều dài nhịp: 120 + 405 + 120m – nhịp kỷ lục về cầu dây võng nước ta.
Kết cầu dầm: dầm thép Trụ tháp: kết cấu BTCT, cao 92m, móng cọc khoan nhồi D2500, sâu 64m. Mố neo cáp: giếng chìm S¥ §å NHÞP CHÝNH cÇu THUËN PH¦íC 125 405 125 30.48 Mè NEO 1 Mè NEO 2 TRô TH¸P 1 TRô TH¸P 2 Hình 1. Phối cảnh cầu Thuận Phước - 11- 1.2 Các đặc điểm cơ bản của cầu treo dây võng 1.1 Cấu tạo các bộ phận chính của cầu treo dây võng Trong các dạng cấu tạo cầu hiện nay trên thế giới, cầu treo dây võng là một trong những cầu có cấu tạo tương đối phức tạp. Các bộ phận kết cấu trong cầu treo dây võng được thể hiện trên hình 1.10 gồm: Trụ tháp, dầm chủ (dàn chủ), khối neo, cáp chủ, cáp treo.1 Trụ tháp cầu Trụ tháp có tác dụng giữ các cáp chính ở độ cao cần thiết, tiếp nhận lực từ cáp chính và truyền chúng đến nền móng.
Các cầu hiện nay thường có trụ tháp bằng bê tông cốt thép. Tuy nhiên, cũng có tháp bằng đá hoặc bằng thép. Tùy theo chiều dài nhịp yêu cầu, tính phù hợp, mỹ quan nên trụ tháp có rất nhiều hình dạng khác nhau. Một sồ hình dạng cơ bản của trụ tháp cầu được thể hiện ở hình 1.
Tháp có dạng chữ A theo phương dọc cầu và cấu tạo vị trí tiếp xúc giữa cáp chủ và đỉnh trụ tháp Bề rộng của cột trụ tháp theo phương dọc cầu thường chọn khoảng 1/20 ÷ 1/27 chiều cao cột trụ tháp. Trụ tháp có thể bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép. Trụ tháp bằng bê tông cốt thép có kích thước lớn, thi công phức tạp như duy tu bảo dưỡng tháp và dễ tạo kiểu dáng kiến trúc hơn trụ tháp bằng thép. Trụ tháp bằng thép có trọng lượng nhẹ, dễ thi công nhưng giá thành vật liệu cao và yêu cầu duy tu bảo dưỡng khi khai thác cũng đòi hỏi cao hơn.2 Các dạng mặt cắt ngang dầm chính: Dầm chính có tác dụng đở phần bản mặt cầu và chịu trực tiếp tải trọng khai thác.
Dầm chính có thể dùng dạng hình hộp thép (Thuận Phước, Tsing Ma.) hoặc dàn thép (Akashi kaikyo) và có dạng phù hợp với yêu cầu về khí động học (hình 1. Hệ dàn thép Dầm hộp thép Dầm hộp bê tông cốt thép - 13- Hình 1. Một số mặt cắt ngang kết cấu dầm chủ Tỷ số giữa chiều cao h của dầm và chiều dài L của nhịp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, thường được chọn như sau: h=(1/80 ÷ 1/120).L Nhịp càng lớn thì chọn tỷ số h/L càng nhỏ. Khi h/L > 1/60, độ cứng của hệ lớn, ta có thể tính toán cầu treo theo sơ đồ không biến dạng.
Khi h/L ≤ 1/60, độ cứng của hệ nhỏ, ta có thể tính toán cầu treo như hệ dây. Khi B/L ≥1/25, cầu ổn định với gió tốt hơn, các cầu treo dành cho người đi bộ do bề rộng nhỏ nên thường bị lắc ngang lớn, dễ mất ổn định với gió. Hệ dầm của cầu treo dây võng có thể là hệ dầm liên tục hoặc hệ dầm có khớp.3 Bộ phận neo cáp chủ: Cáp chủ thường được neo theo hai dạng: 1.1 Neo vào đất bằng khối neo Khối neo bao gồm: móng, khối neo, đai giữ, cáp neo dầm và hộp bảo vệ. Hệ thống neo chia thành hệ thống neo trọng lực hoặc hệ thống hầm neo.
Hệ thống neo trọng lực sử dụng trọng lượng bản thân của khối neo để cân bằng với lực kéo trong cáp chủ. Hệ thống hầm neo truyền lực kéo từ cáp chủ trực tiếp vào đất nền.2 Neo vào dầm cứng Biện pháp neo đơn giản, giảm được khối lượng công tác xây dựng mố neo nhưng do cáp chủ được ngàm vào dầm cứng sẽ gây uốn dọc trong dầm cứng. Thông thường người ta chỉ sử dụng biện pháp neo vào dầm cứng khi chiều dài nhịp nhỏ hơn 300m. Khối neo cầu Akashi Kaikyo Cáp dùng cho dây võngn 1.3 Cáp treo Bộ phận có tác dụng truyền lực từ dầm chính đến cáp chủ, cáp treo thường được cấu tạo từ các tao cáp song song (hình 1.
Nối kiểu gối Nối kiểu bản chốt Hình 1.
