Phân tích ứng suất tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu cao lãnh luận văn thạc sĩ chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông đô thị

Phân tích ứng suất tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu Cao Lãnh, luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng công trình giao thông đô thị.

• Tác giả: Đàm Hà Hoàng Ngân
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Hữu Hưng
• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông đô thị
• Đề tài: Phân tích ứng suất tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu Cao Lãnh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• PHẦN MỞ ĐẦU
• 0.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 0.2. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
• 0.3. Đối tượng nghiên cứu
• 0.4. Phạm vi nghiên cứu
• 0.5. Phương pháp nghiên cứu
• 0.6. Kết cấu của luận văn
• 1. CHƯƠNG 1: ĐẶC TRƯNG CỦA KẾT CẤU TRỤ THÁP NEO DÂY VĂNG
• 1.1. Các quy định về cấu tạo của kết cấu trụ tháp cầu dây văng
• 1.2. Tình hình áp dụng cầu dây văng trong đô thị trên thế giới và ở Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: SỰ LÀM VIỆC CỤC BỘ CỦA KẾT CẤU TRỤ THÁP NEO DÂY VĂNG
• 2.1. Nghiên cứu các cấu tạo hiện tại của khu vực neo cáp văng trong tháp cầu dây văng
• 2.2. Hiện tượng ứng suất cục bộ trong trụ tháp neo dây văng
• 2.3. Đặc điểm chịu lực cục bộ của kết cấu trụ tháp neo dây văng; Các biện pháp tăng cường khả năng chịu lực cục bộ cho trụ tháp neo dây văng trong thực tế và theo tiêu chuẩn 22TCN272-05
• 2.4. Sử dụng phương pháp mô phỏng số để phân tích ứng suất cục bộ trong trụ tháp cầu dây văng
• 3. CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH HIỆN TƯỢNG ỨNG SUẤT CỤC BỘ TRONG TRỤ THÁP NEO DÂY VĂNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ
• 3.1. Giới thiệu công trình cầu dây văng Cao Lãnh
• 3.2. Xây dựng mô hình của trụ tháp neo dây văng
• 3.3. Phân tích với thiết kế hiện tại của cầu Cao Lãnh
• 3.4. Đề xuất biện pháp tăng cường khả năng chịu ứng suất cục bộ của trụ tháp neo dây văng
• 3.5. Phân tích đánh giá hiệu quả của các biện pháp tăng cường
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Phân tích ứng suất khu vực neo dây văng

Phân tích ứng suất tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu Cao Lãnh là trọng tâm của luận văn. Nghiên cứu này tập trung vào việc đánh giá ứng suất cục bộ phát sinh trong kết cấu trụ tháp khi chịu tải trọng từ dây văng. Phương pháp mô phỏng số được sử dụng để phân tích chi tiết sự phân bố ứng suất và biến dạng tại các vị trí neo cáp. Kết quả cho thấy, ứng suất kéo và nén tập trung chủ yếu tại các vị trí tiếp giáp giữa dây văng và trụ tháp, gây ra hiện tượng ứng suất cục bộ đáng kể. Điều này đặt ra yêu cầu cần có các biện pháp tăng cường kết cấu để đảm bảo độ bền và ổn định của công trình.

1.1. Hiện tượng ứng suất cục bộ

Hiện tượng ứng suất cục bộ trong trụ tháp neo dây văng là vấn đề nghiên cứu chính. Khi dây văng chịu lực kéo, lực này truyền vào trụ tháp thông qua các điểm neo, gây ra ứng suất tập trung tại các vị trí này. Sự phân bố ứng suất không đồng đều có thể dẫn đến nứt bê tông hoặc hư hỏng kết cấu. Nghiên cứu chỉ ra rằng, ứng suất kéo chính tập trung tại vùng đỉnh tháp, trong khi ứng suất nén xuất hiện tại các mép bê tông neo cáp. Điều này đòi hỏi các giải pháp thiết kế và tăng cường phù hợp để giảm thiểu rủi ro.

1.2. Phương pháp mô phỏng số

Phương pháp mô phỏng số bằng phần tử hữu hạn được áp dụng để phân tích ứng suất và biến dạng trong trụ tháp cầu Cao Lãnh. Mô hình 3D của trụ tháp được xây dựng với các thông số vật liệu và tải trọng thực tế. Kết quả mô phỏng cho thấy, ứng suất tại các vị trí neo cáp vượt quá giới hạn cho phép, đặc biệt là ứng suất kéo chính. Phương pháp này cũng giúp đánh giá hiệu quả của các biện pháp tăng cường như sử dụng thanh cường độ cao và cáp dự ứng lực.

II. Kết cấu trụ tháp cầu dây văng

Kết cấu trụ tháp là thành phần quan trọng trong cầu dây văng, đóng vai trò truyền tải trọng từ dây văng xuống móng. Trụ tháp cầu Cao Lãnh được thiết kế với kết cấu bê tông cốt thép, chịu lực nén và uốn đồng thời. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích đặc điểm chịu lực của trụ tháp, đặc biệt là tại khu vực neo dây văng. Kết quả cho thấy, kết cấu tháp cần được tối ưu hóa để giảm thiểu ứng suất cục bộ và đảm bảo độ bền lâu dài.

2.1. Cấu tạo trụ tháp

Cấu tạo trụ tháp trong cầu dây văng bao gồm các thành phần chính như dầm chủ, dây văng và tháp cầu. Tháp cầu được thiết kế với hai dạng chính: tháp mềm và tháp cứng. Tháp mềm liên kết khớp với móng, trong khi tháp cứng liên kết ngàm, tạo độ ổn định cao hơn. Nghiên cứu chỉ ra rằng, tháp cứng phù hợp hơn với các công trình có nhịp lớn và tải trọng nặng.

2.2. Đặc điểm chịu lực

Đặc điểm chịu lực của trụ tháp phụ thuộc vào cách bố trí dây văng và liên kết với dầm chủ. Khi dây văng chịu lực kéo, lực này truyền vào trụ tháp, gây ra ứng suất nén và uốn. Nghiên cứu chỉ ra rằng, ứng suất tập trung cao tại các vị trí neo cáp, đặc biệt là khi tải trọng tăng đột ngột. Điều này đòi hỏi các giải pháp thiết kế và tăng cường phù hợp để đảm bảo độ bền và ổn định của công trình.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết luận

Nghiên cứu về phân tích ứng suất tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu Cao Lãnh mang lại nhiều giá trị thực tiễn. Kết quả nghiên cứu giúp cải thiện thiết kế kết cấu, giảm thiểu ứng suất cục bộ và tăng cường độ bền của công trình. Các biện pháp tăng cường như sử dụng thanh cường độ cao và cáp dự ứng lực đã được chứng minh là hiệu quả trong việc giảm ứng suất và biến dạng. Nghiên cứu này cũng góp phần nâng cao chất lượng xây dựng giao thông và kỹ thuật đô thị tại Việt Nam.

3.1. Đề xuất biện pháp tăng cường

Các biện pháp tăng cường được đề xuất bao gồm sử dụng thanh cường độ cao và cáp dự ứng lực. Kết quả phân tích cho thấy, các biện pháp này giúp giảm đáng kể ứng suất kéo và nén tại khu vực neo dây văng. Đặc biệt, việc sử dụng cáp dự ứng lực theo phương ngang cầu đã cải thiện đáng kể khả năng chịu lực của trụ tháp.

3.2. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu kết luận rằng, phân tích ứng suất bằng mô phỏng số là phương pháp hiệu quả để đánh giá kết cấu trụ tháp. Các biện pháp tăng cường được đề xuất đã chứng minh hiệu quả trong việc giảm ứng suất cục bộ và tăng cường độ bền của công trình. Kiến nghị tiếp tục nghiên cứu và áp dụng các giải pháp này trong các dự án cầu dây văng khác tại Việt Nam.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Cầu dây văng là một trong những loại kết cấu cầu hiện đại, có khả năng vượt nhịp lớn và tĩnh không cao, phù hợp với các tuyến đường cao tốc và đại lộ, đặc biệt là khi vượt qua các con sông lớn hoặc nút giao thông phức tạp. Tại Việt Nam, nhiều công trình cầu dây văng trọng điểm như cầu Cần Thơ, cầu Mỹ Thuận, cầu Cao Lãnh đã được xây dựng, với nhịp chính lên đến 550m và chiều cao trụ tháp trên 120m. Tuy nhiên, trong quá trình thiết kế và thi công, việc áp dụng các mẫu thiết kế từ nước ngoài mà không điều chỉnh phù hợp với điều kiện thực tế dẫn đến hiện tượng ứng suất cục bộ tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp, gây ra các vết nứt và giảm tuổi thọ công trình.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ứng suất cục bộ tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu Cao Lãnh bằng phương pháp mô phỏng số, từ đó đề xuất các biện pháp tăng cường khả năng chịu lực cục bộ và đánh giá hiệu quả của các biện pháp này. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào kết cấu trụ tháp tại khu vực neo dây văng của cầu Cao Lãnh, một công trình có chiều dài toàn cầu 2.015m, nhịp chính 350m, trụ tháp dạng chữ H cao 123,4m. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ bền, an toàn và hiệu quả sử dụng vật liệu cho các công trình cầu dây văng tại Việt Nam, góp phần giảm thiểu lãng phí và tăng tuổi thọ công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết kết cấu cầu dây văng: Cầu dây văng là hệ liên hợp giữa dầm cứng chịu nén uốn và dây văng chịu kéo, trong đó trụ tháp chịu nén uốn đồng thời và truyền tải trọng xuống móng. Trụ tháp có thể là tháp mềm hoặc tháp cứng tùy theo độ cứng chịu uốn theo phương dọc.

• Mô hình ứng suất cục bộ: Ứng suất tập trung tại khu vực neo dây văng do lực căng dây văng gây ra lực nén và lực kéo ngang trong trụ tháp. Phân tích ứng suất cục bộ dựa trên mô hình chống và giằng, phân tích ứng suất đàn hồi và các phương pháp gần đúng, đồng thời xét đến tác động ba chiều của tải trọng.

• Khái niệm chính:

  • Ứng suất Von Mises: Đánh giá độ bền của kết cấu dưới tải trọng phức tạp.
  • Ứng suất chính (P1, P2, P3): Các thành phần ứng suất quan trọng trong phân tích kết cấu.
  • Ứng suất cắt lớn nhất: Xác định vùng có nguy cơ phá hoại do cắt.
  • Phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp phân tích kết cấu bằng mô hình số.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu lý thuyết, khảo sát hiện trạng và số liệu khai thác từ các cầu dây văng tại Việt Nam và trên thế giới, đặc biệt là cầu Cao Lãnh.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình 3D chi tiết của đoạn cột tháp tại khu vực neo dây văng bằng phần mềm Revit và AutoCAD, sau đó nhập mô hình vào phần mềm Midas FEA để phân tích ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tập trung vào đoạn cột tháp neo dây văng của cầu Cao Lãnh với kích thước ụ neo và cấu tạo chi tiết, đảm bảo phản ánh chính xác hiện tượng ứng suất cục bộ.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện qua hai giai đoạn chính: phân tích ứng suất dưới tải trọng dây văng hiện tại và phân tích sau khi áp dụng các biện pháp tăng cường.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ứng suất cục bộ tại khu vực neo dây văng: Phân tích mô phỏng cho thấy ứng suất kéo chính P1 tại vị trí neo dây văng có thể vượt quá giới hạn chịu lực của bê tông, gây ra nguy cơ nứt và phá hoại cục bộ. Ứng suất Von Mises tại vị trí này trước khi tăng cường đạt khoảng 85% giới hạn cho phép.

2. Biến dạng kết cấu: Biến dạng theo phương ngang và phương dọc của đoạn cột tháp tại khu vực neo dây văng có giá trị đáng kể, với biến dạng theo phương x và y lần lượt đạt khoảng 0,5mm và 0,3mm, ảnh hưởng đến độ ổn định của trụ tháp.

3. Hiệu quả biện pháp tăng cường: Sau khi bố trí các thanh thép cường độ cao (P) và căng cáp dự ứng lực (P.T), ứng suất Von Mises giảm trung bình 20-25%, ứng suất kéo chính P1 giảm khoảng 15-18%, đồng thời biến dạng cũng giảm đáng kể, cải thiện độ bền và ổn định của kết cấu.

4. So sánh các phương án tăng cường: Phương án kết hợp thanh thép cường độ cao và cáp dự ứng lực cho hiệu quả cao hơn so với chỉ sử dụng thanh thép, giảm ứng suất cục bộ và biến dạng tốt hơn khoảng 10%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng ứng suất cục bộ là do lực căng lớn của các bó cáp dây văng tập trung tại vị trí neo, gây ra lực nén và kéo ngang vượt quá khả năng chịu lực của bê tông tại mép neo. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ứng suất cục bộ trong trụ tháp cầu dây văng, đồng thời phản ánh đúng đặc điểm chịu lực phức tạp của kết cấu bê tông cốt thép dạng hộp.

Việc áp dụng các biện pháp tăng cường như bố trí cốt thép thường tại vị trí neo và tăng cường dự ứng lực bằng thanh thép cường độ cao hoặc cáp dự ứng lực giúp phân tán lực tập trung, tạo ứng suất nén trước trong trụ tháp, từ đó giảm ứng suất kéo và biến dạng. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc thiết kế và sửa chữa các công trình cầu dây văng, giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh ứng suất Von Mises, ứng suất chính P1 và biến dạng trước và sau khi tăng cường, cũng như bảng tổng hợp số liệu ứng suất và biến dạng chi tiết tại các vị trí neo dây văng.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Bố trí cốt thép thường tại vị trí neo dây văng: Tăng cường cốt thép để phân tán lực tập trung, giảm nguy cơ nứt bê tông. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và thi công cầu. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế và thi công mới.

2. Sử dụng thanh thép cường độ cao căng kéo: Tạo ứng suất nén trước trong trụ tháp, giảm ứng suất kéo cục bộ. Chủ thể thực hiện: đơn vị bảo trì và sửa chữa công trình. Thời gian áp dụng: trong quá trình bảo dưỡng hoặc sửa chữa.

3. Áp dụng cáp dự ứng lực căng vòng hoặc căng thẳng: Tăng cường khả năng chịu lực cục bộ, giảm biến dạng và tăng độ ổn định. Chủ thể thực hiện: đơn vị thiết kế và thi công. Thời gian áp dụng: trong thiết kế mới hoặc nâng cấp công trình.

4. Theo dõi và kiểm tra định kỳ khu vực neo dây văng: Đánh giá tình trạng ứng suất và biến dạng thực tế để kịp thời xử lý các hiện tượng bất thường. Chủ thể thực hiện: cơ quan quản lý và vận hành cầu. Thời gian áp dụng: liên tục trong suốt vòng đời công trình.

Các giải pháp trên cần được phối hợp đồng bộ, áp dụng theo từng giai đoạn khai thác và bảo trì để đảm bảo hiệu quả tối ưu, giảm thiểu rủi ro và kéo dài tuổi thọ công trình cầu dây văng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư thiết kế cầu: Nghiên cứu giúp hiểu rõ đặc điểm ứng suất cục bộ tại khu vực neo dây văng, từ đó thiết kế kết cấu trụ tháp phù hợp, tiết kiệm vật liệu và đảm bảo an toàn.

2. Đơn vị thi công và bảo trì cầu: Áp dụng các biện pháp tăng cường và sửa chữa dựa trên phân tích ứng suất, nâng cao hiệu quả bảo dưỡng và kéo dài tuổi thọ công trình.

3. Nhà quản lý dự án và cơ quan quản lý giao thông: Hiểu rõ các rủi ro kỹ thuật liên quan đến kết cấu cầu dây văng, từ đó xây dựng kế hoạch kiểm tra, giám sát và đầu tư hợp lý.

4. Nghiên cứu sinh và học viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình giao thông: Tham khảo phương pháp mô phỏng số và phân tích ứng suất cục bộ, phát triển nghiên cứu sâu hơn về kết cấu cầu dây văng.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần phân tích ứng suất cục bộ tại khu vực neo dây văng?
   Ứng suất cục bộ tập trung tại vị trí neo dây văng có thể vượt quá khả năng chịu lực của bê tông, gây nứt và phá hoại kết cấu. Phân tích giúp phát hiện và đề xuất biện pháp tăng cường kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

2. Phương pháp mô phỏng số có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
   Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chi tiết ứng suất và biến dạng trong kết cấu 3D, phản ánh chính xác hiện tượng ứng suất cục bộ và đánh giá hiệu quả các biện pháp tăng cường.

3. Các biện pháp tăng cường nào được đề xuất và hiệu quả ra sao?
   Bố trí cốt thép thường, sử dụng thanh thép cường độ cao và cáp dự ứng lực là các biện pháp chính. Chúng giúp giảm ứng suất Von Mises khoảng 20-25% và biến dạng đáng kể, nâng cao độ bền kết cấu.

4. Phân biệt tháp mềm và tháp cứng trong cầu dây văng như thế nào?
   Tháp mềm có liên kết khớp hoặc ngàm với trụ, chịu lực chủ yếu qua dây neo, có độ cứng thấp theo phương dọc. Tháp cứng có tiết diện lớn, liên kết ngàm chắc chắn, chịu lực ngang lớn và không cần dây neo.

5. Nghiên cứu này có thể áp dụng cho các công trình cầu dây văng khác không?
   Có, phương pháp và kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các cầu dây văng có cấu tạo tương tự, giúp cải thiện thiết kế và bảo trì các công trình cầu dây văng trong và ngoài nước.

Kết luận

• Phân tích ứng suất cục bộ tại khu vực neo dây văng trên trụ tháp cầu Cao Lãnh cho thấy ứng suất kéo và nén tập trung có thể gây nứt bê tông nếu không được xử lý kịp thời.
• Phương pháp mô phỏng số bằng phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả để đánh giá ứng suất và biến dạng trong kết cấu cầu dây văng.
• Các biện pháp tăng cường như bố trí cốt thép thường, sử dụng thanh thép cường độ cao và cáp dự ứng lực giúp giảm ứng suất và biến dạng đáng kể, nâng cao độ bền và ổn định kết cấu.
• Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong thiết kế, thi công và bảo trì các công trình cầu dây văng tại Việt Nam.
• Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng áp dụng phương pháp mô phỏng số cho các dạng kết cấu cầu khác và phát triển các giải pháp tăng cường tối ưu hơn.

Để nâng cao hiệu quả công trình cầu dây văng, các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý cần phối hợp triển khai các biện pháp kỹ thuật dựa trên kết quả nghiên cứu này, đồng thời duy trì kiểm tra, giám sát định kỳ khu vực neo dây văng trong quá trình khai thác.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Đặc trưng của kết cấu trụ tháp neo dây văng Cầu dây văng là một hệ liên hợp giữa dầm cứng chịu nén uốn và dây căng xiên chịu kéo. Hệ gồm dây xiên gọi là “dây văng” một đầu neo trên tháp một đầu neo vào dầm, tạo thành các tam giác cơ bản. Cấu tạo cầu dây văng gồm:  Dầm chủ: dầm cứng trong cầu dây văng chủ yếu chịu nén uốn.

 Dây văng: chịu kéo được chế tạo từ các sợi thép cường độ cao.  Tháp cầu: chịu nén uốn đồng thời. Trong cầu dây văng, tháp là bộ phận quan trọng có tính chất quyết định đến chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật và độ an toàn công trình. Tháp cầu chịu toàn bộ tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp, thông qua trụ truyền tải trọng xuống đất nền.

Tùy theo kích thước và liên kết tháp với trụ, hoặc móng có thể phân biệt hai loại: tháp mềm và tháp cứng. Tháp mềm theo đúng nghĩa là tháp có dạng một khung ngang, liên kết khớp với trụ hoặc móng. Với liên kết khớp, nếu dùng sơ đồ dây đồng quy, tháp không chịu momen uốn theo phương dọc (Hình 1. Độ ổn định tĩnh học của tháp được đảm bảo bằng dây neo liên kết với đầu dầm chủ.

Với mọi tổ hợp tải trọng, dây neo phải đảm bảo luôn chịu kéo [3]. Trong nhiều trường hợp để đơn giản thi công, đảm bảo ổn định trong quá trình lắp ráp, sửa chữa, đặc biệt khi dùng bê tông cốt thép thì tháp thường liên kết ngàm với móng. Tuy nhiên do kích thước tiết diện ngang không lớn, độ cứng nhỏ, đỉnh tháp lại được liên kết với mố cầu qua dây neo, liên kết ngàm với trụ cũng thường được xem là tháp mềm (Hình 1. Đa số các trường hợp tháp cầu tựa trên đỉnh trụ hoặc trực tiếp lên móng.

Theo phương ngang khoảng cách tĩnh giữa các cột phải đủ rộng để đảm bảo tĩnh không mặt cầu.1 – Các dạng tháp cầu mềm [3] Hình 1.2 – Tháp cầu mềm cầu Saint – Nazaire (Pháp) Đối với cầu hai hoặc nhiều nhịp, việc bố trí các dây neo gặp khó khăn. Để đảm bảo hạn chế chuyển vị đỉnh tháp, thường phải cấu tạo tháp có độ cứng lớn theo phương dọc. Tháp cầu đứng độc lập (không dây neo), chịu toàn bộ lực ngang do các dây văng tuyền vào. Để có độ cứng lớn, tháp thường có dạng chữ A liên kết ngàm với móng, khi đó tháp cầu được gọi là tháp cứng [3].3 – Tháp cầu cứng ngàm vào móng Theo phương ngang, các cầu có hai mặt phẳng dây thì tháp thường có dạng hai cột đứng thẳng và độc lập.

Để tăng cường ổn định ngang, các cột được giằng ngang tạo thành khung kín. Tháp cầu dạng trên được dùng trong các cầu có hai mặt phẳng dây. Do cột tháp thẳng đứng nằm ngoài mặt cầu nên các dây neo vào dầm tạo thành mặt dây nghiêng, gây lực kéo ngang trong mặt cầu. Để tránh hiện tượng trên, thường bố trí tháp dạng hình thang, hoặc tam giác, tạo các mặt dây thẳng đứng hoặc nghiêng, để triệt tiêu kéo ngang hoặc tạo lực nén trước trong hệ mặt cầu [3].4 – Các dạng tháp cầu theo phương ngang [3] 16 1.

Các quy định về cấu tạo của kết cấu trụ tháp cầu dây văng 1. Các dạng chính của tháp cầu Tùy theo độ cứng chịu uốn của tháp theo phương dọc, có thể phân hai loại tháp: tháp mềm và tháp cứng. Về mặt lý thuyết, tháp mềm là tháp có liên kết khớp với trụ, trên thực tế tháp cầu thường ngàm với trụ, đặc biệt tháp bằng bê tông cốt thép, nhưng nếu tháp có momen quán tính chống uốn theo phương dọc tương đối nhỏ, khả năng chịu uốn kém, chuyển vị ngang của đỉnh tháp theo phương dọc chủ yếu dựa vào độ cứng chịu kéo của dây neo thì cũng được coi là tháp mềm. Dây neo thường được liên kết cố định một đầu vào đỉnh tháp, một đầu vào dầm cứng neo vào mố trụ.

Như vậy theo phương dọc cầu, tháp mềm làm việc như một thanh, có đầu trên liên kết với tháp dây neo, đầu dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ, tạo thành một tam giác cơ bản, có chuyển vị nút cơ bản chỉ là chuyển vị của lực kéo trong dây và nén trong tháp [3], [4]. Tháp cứng có kích thước tiết diện ngang lớn, hoặc tạo thành giàn, độ cứng theo phương dọc đủ lớn để hạn chế chuyển vị ngang đỉnh tháp và chịu lực ngang của các dây văng. Do đó tháp cứng phải liên kết ngàm với trụ và trên nguyên tắc, không cần dây neo, vì đỉnh tháp có chuyển vị ngang rất nhỏ, có thể xem như điểm cố định. Tháp cứng chịu tải như một thanh một đầu ngàm, một đầu tự do, chịu nén uốn.

Để đảm bảo độ cứng, hạn chế chuyển vị ngang và tiết kiệm vật liệu, tháp cầu cứng thường làm dạng chữ A hoặc Y ngược [3]. a) Tháp cầu mềm: Tháp cầu mềm có thể làm bằng thép hoặc bê tông cốt thép. Tháp cầu đơn giản nhất có dạng hai cột thẳng đứng tạo thành một khung, một đầu ngàm vào thân trụ, một đầu tự do, mỗi cột tháp nằm trong một mặt phẳng dây, chịu nén uốn theo phương ngang như một thanh có một đầu ngàm một đầu tự do. Theo phương dọc, do có dây neo nên tháp làm việc như thanh một đầu ngàm, một đầu tựa trên gối đàn hồi [3].

17 Với các cầu nhịp lớn, tháp cao, sẽ làm việc bất lợi về mặt ổn định, đặc biệt theo phương ngang, vì vậy các cột tháp thường được liên kết với nhau theo phương ngang bằng hệ thanh giằng tạo thành một khung kín. a) Dạng hai cột thẳng đứng b,c )Dạng khung kín Hình 1.5 – Tháp cầu mềm [3] Tháp dạng khung kín tạo điều kiện giảm chiều dài tự do chịu nén dọc nên có thể giảm kích thước cột tháp mà vẫn đảm bảo khả năng chịu ổn định. Do đó trừ các trường hợp đặc biệt do mỹ quan khống chế, tháp cầu mềm thường chọn dạng khung kín. Chiều rộng tháp (khoảng cách giữa hai cột) thường chọn lớn hơn chiều rộng mặt cầu để đảm bảo tính liên tục của dầm chủ, khi đó hai mặt phẳng dây sẽ phải nằm hơi nghiêng.

Mặt phẳng dây nghiêng tạo lực kéo ngang trong hệ mặt cầu, tuy nhiên độ nghiêng nhỏ, hầu như không ảnh hưởng đến sự làm việc của hệ. Để đảm bảo dây nằm trong mặt phẳng đứng thì trên mặt cắt ngang, tháp cầu có thể có dạng hình thang, hoặc có dạng hình chữ nhật ở phía trên (tại vị trí neo dây), phía dưới mở rộng chân, tạo thành hình thang đủ rộng để dầm chủ kéo dài liên tục trong lòng tháp. 18 Đối với cầu một mặt phẳng dây, tháp thường có dạng một cột thẳng đứng nằm giữa cầu. Để có thể bố trí dầm chủ tiết diện hộp liên tục qua trụ, chân tháp (tại vị trí mặt cầu) thường không trực tiếp liên kết với trụ mà ngàm vào dầm chủ.

Theo phương ngang, tháp chịu nén uốn như thanh một đầu ngàm một đầu tự do nên yêu cầu kích thước tương đối lớn. b) Tháp cầu cứng: Một trong những biện pháp tăng cường độ cứng cầu dây văng là áp dụng tháp cầu cứng. Tháp cứng là tháp có độ cứng theo phương dọc đủ cứng để hạn chế chuyển vị ngang của đỉnh tháp khi chịu hoạt tải nhằm giảm độ võng và momen uốn trong dầm chủ. Vì vậy thông thường khi áp dụng tháp cứng thì có thể không cần dây neo.

Để tăng độ cứng của tháp, thì phải tăng diện tích tiết diện và kích thước mặt cắt của tháp [3], [4]. Theo chiều dọc, tháp cứng có thể có tiết diện hình chữ nhật kích thước lớn, hoặc tiết diện hộp (Hình 1. Với cầu nhịp lớn thì tháp cứng hợp lí nhất có dạng chữ A hoặc chữ Y ngược theo phương dọc (Hình 1.6 – Các dạng tháp cứng trong cầu dây văng Tháp cầu dạng A, Y ngược tạo độ cứng chống uốn lớn, tiết kiệm vật liệu nên được dùng trong các cầu khi không có khả năng bố trí dây neo. Tháp cầu bằng bê tông cốt thép Về tổng thể, tháp cầu chủ yếu chịu nén nên thường được làm bằng bê tông cốt thép.

Tháp cầu bê tông cốt thép đơn giản nhất thường có dạng cột, tiết diện chữ nhật đặc, rỗng hoặc tiết diện H… 19 1. Tình hình áp dụng cầu dây văng trên thế giới và ở Việt Nam 1. Trên thế giới Một số ưu điểm nổi bật cầu dây văng như:  Với đặc điểm là một hệ dầm liên tục tựa trên các gối đàn hồi, momen uốn trong cầu dây văng nhỏ hơn nhiều so với dầm liên tục cũng nhịp không có gối đàn hồi.  Dầm cứng chịu toán bộ lực nén, biến hệ thành không có lực đẩy ngang tác dụng vào mố neo như trong cầu treo, cầu vòm, từ đó tiết kiệm vật liệu.

 Khả năng vượt nhịp của cầu dây văng rất lớn, đối với dầm cứng bê tông cốt thép, chiều dài nhịp có thể lớn hơn 500m.  Độ võng nhỏ hơn độ võng của cầu treo dây võng.  Cầu dây văng dầm cứng bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực tạo khả năng chống ăn mòn tốt, ít bảo quản sửa chữa, nâng cao tuổi thọ công trình.  Hợp lý về công nghệ thi công, có thể áp dụng biện pháp thi công hẫng không cần giàn giáo.

 Tính thẩm mỹ cao và đa dạng về kiến trúc, phù hợp khi sử dụng trong đô thị. Với những ưu điểm trên, cầu dây văng đã và đang trở thành công trình trọng điểm của nhiều quốc gia trên thế giới. Sau đây giới thiệu một số cầu dây văng trên thế giới: Cầu dây văng Ed Hendler bắc qua sông Columbia (Mỹ), được khánh thành năm 1978. Cầu có nhịp chính dài 299m thuộc hệ nổi, tức là dầm chủ không kê lên gối cứng tại tháp mà treo lên các dây văng, tạo thành gối đàn hồi.

Tháp gồm hai cột hình thang bằng bê tông cốt théo đúc tại chỗ, tiết diện ở đỉnh tháp là 3.64m, ở chân tháp là 4.35m và móng có tiết diện đặc, kích thước 12. Theo phương ngang cột tháp dạng hình thang có trục thẳng đứng nằm ngoài hệ mặt cầu. Tiết diện ngang cột tháp có dạng rỗng, chiều dày 20 vách ngang 0.41m, phần đỉnh tháp có tiết diện đặc để neo mỗi bên 18 dây văng. Các dây văng được neo vào một hộp thép đặc biệt, liên kết với phần đỉnh tháp bằng các bó cáp dự ứng lực [3].7 – Kết cấu tháp và trụ cầu Ed Hendler (Mỹ) Hình 1.8 – Cầu dây văng Ed Hendler (Mỹ) Một dạng trụ tháp khác trong các cầu dây văng nhịp lớn là mặt cắt ngang tháp cầu có dạng chữ A hoặc chữ Y ngược.