Chương 1: Tổng quan - Chương 2: Nghiên cứu đề xuất mô hình toán học phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng của phân đoạn kết cấu nhịp dầm hộp BTCT của cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực căng dây. - Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm áp dụng mô hình phân tích “nứt theo tổng biên dạng” cho bài toán bản mặt cầu chịu lực kéo/nén xiên ngoài mặt phẳng bản - Chương 4: Ứng dụng mô hình “nứt theo tổng biến dạng” phân tích ứng xử cơ học của mặt cắt hình hộp BTCT cầu dây văng một mặt phẳng dây điển hình - Kết luận - Kiến nghị Ngoài ra là các phần Tài liệu tham khảo và danh mục công bố của Tác giả. Những đóng góp mới của luận án - Đã xây dựng được mô hình phi tuyến tổng biến dạng nứt để phân tích kết cấu phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng một mặt phẳng dây. - Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy của mô hình phân tích số (với lý thuyết về vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu).
- Đã phân tích được ứng xử cơ học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép của cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực tập trung đầu neo, cho phép đánh giá vai trò, hiệu quả của các giải pháp xử lý kết cấu. luan an 5 CHƢƠNG 1. Tổng quát về quá trình thiết kế các cầu dây văng Cầu dây văng đã được biết đến từ thế kỷ 16 và được sử dụng rộng rãi từ thế kỉ 19. Những cây cầu đầu tiên thường được thiết kế kết hợp giữa hệ thống dây văng và hệ thống dây treo chịu lực (ví dụ như cầu Brooklyn).
Bắt đầu từ thế kỷ 20, các thiết kế cầu dây văng độc lập bắt đầu xuất hiện; ví dụ sớm nhất là cầu Cassagnes do A. Gisclard thiết kế năm 1899, trong đó bố trí cáp nối ngang để giúp cân bẳng lực căng trong dây văng, giúp giảm đáng kể lực nén trong bản mặt cầu. Tiếp đó là các cầu G. Leinekugel le Coq tại Lézardrieux ở Brittany (1924), cầu Tempul do Eduardo Torroja thiết kế năm 1926.
Cầu dây văng với bản mặt cầu bằng bê tông của Albert Caquot năm 1952 bắc qua kênh Donzère- Mondragon tại Pierrelatte là một trong những cầu đầu tiên của loại cầu hiện đại, nhưng có rất ít ảnh hưởng đến sự phát triển sau này. Trong khi, cầu thường được trích dẫn như cầu dây văng hiện đại đầu tiên là cầu Stromsund với bản mặt cầu bằng thép thiết kế bởi Franz Dischinger (1955). Những cầu dây vặng hiện đại đầu tiên thường sử dụng ít dây văng (ví dụ như cầu Heuss Theodor xây dựng năm 1958). Tuy nhiên, việc này thường làm tăng chi phí thi công.
Do đó, kết cấu hiện đại có xu hướng sử dụng nhiều cáp để đảm bảo hiệu quả kinh tế [33]. Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đã ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn mặt phẳng dây. Tuy nhiên thiết kế ba mặt phẳng dây do nhược điểm là rất khó kiểm soát sự phân phối chịu lực giữa các mặt phẳng dây nên hiện nay hầu như không còn được sử dụng. Được sử dụng nhiều nhất là hệ thống cầu hai mặt phẳng dây, tuy nhiên có nhược điểm là thường tạo ra cảm giác không thoáng về mặt mỹ quan và trong nhiều trường hợp cũng gây khó khăn cho việc bố trí, tổ chức giao thông trên mặt cầu.
Cầu dây văng một mặt phẳng dây có ưu điểm về mặt mỹ thuật cầu thông thoáng và kích thước móng không cần lớn. Tuy nhiên đối với loại cầu này, vấn đề lớn nhất xảy ra là do chỉ có một mặt phẳng dây ở chính giữa nên không giúp hỗ trợ chịu xoắn và vấn đề dao động cho kết cấu dầm chủ [18], [26]. Do đó, cầu dây văng luan an 6 một mặt phẳng dây hiện đang có khẩu độ vượt nhịp kinh tế nhỏ hơn so với các cầu dây văng hai mặt phẳng dây. Để khắc phục và tăng cường khả năng chịu xoắn và ổn định khí động lực học trong cầu dây văng một mặt phẳng dây, thiết kế hợp lý cho dầm mặt cầu là dạng mặt cắt hình hộp bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép.
Các cầu dầm hộp thép Một trong các cầu dây văng một mặt phẳng dây có dầm mặt cầu dạng hộp thép nổi tiếng nhất là cầu Millau (CH Pháp) có sơ đồ nhịp chính 204m+6x342m+204m, tổng chiều dài cầu cả phần nhịp dẫn là 2460m [34]; Hình 1-1 Cầu Millau - Pháp (nhịp chính dài 342m) Cầu Tsurumi tsubasa là cây cầu dây văng nằm ở phía tây của Yokohama Bay và là một phần của tuyến đường cao tốc trên cảng Yokohama, tỉnh Kanagawa Nhật Bản. Cây cầu có nhịp chính 510m (1.670ft) và hai nhịp bên của 255m (837ft) [40]. Hình 1-2 Cầu Tsurumi tsubasa - Nhật Bản luan an 7 Cầu Rama VIII là cầu dây văng bắc qua sông Chao Phraya ở Bangkok, Thái Lan. Cầu được hình thành để giảm bớt tắc nghẽn giao thông trên cầu Phra Pinklao gần đó.
Cầu được xây dựng từ năm 1999 và khánh thành vào ngày 07 tháng 5 năm 2002, là ngày kỷ niệm sinh của đức vua Ananda Mahidol (Rama VIII). Cầu có thiết kế không đối xứng, với một trụ tháp dạng Y ngược nằm trên bờ phía Tây của sông. Cầu sử dụng 84 dây văng được bố trí theo thành 2 mặt phẳng ở nhịp biên ngắn và thành một măt phẳng dây trên nhịp còn lại. Cây cầu có nhịp chính dài 300m và là một trong những cây cầu dây văng không đối xứng có nhịp lớn nhất thế giới tại thời điểm hoàn thành [28].
Các cầu dây văng một mặt phẳng dây dầm hộp bê tông Với tổng chiều dài 3246m, Cầu Yiling qua sông Dương Tử là cầu có một trong ba trụ tháp một mặt phẳng dây với dầm hộp cứng bằng bê tông cốt thép với nhịp chính dài 238m. Các dầm chính được đúc sẵn và lắp hẫng cân bằng. Cầu đã được trao giải thưởng Luban cho dự án xây dựng Trung Quốc và giải Zhantianyou cho dự án dân sự Trung Quốc. Cây cầu được bắt đầu xây dựng vào tháng 1 năm 1991 và hoàn thành vào tháng 12 năm 2001 [37].
Hình 1-3 Cầu Yiling - Trung Quốc Cầu Skyway Sunshine là cầu dây văng một mặt phẳng gồm 21 dây văng. Dây văng sử dụng loại bó sợi song song PWS (mối bó từ 38 đến 80 sợi) và được đặt trong ống thép có đường kính 0. Bề rộng cầu là 28.65m bằng dầm hộp đúc sẵn. Nhịp chính dài 365.
luan an 8 Hình 1-4 Cầu Skyway Sunshine Cầu dây văng một mặt phẳng dây Bãi Cháy ở Việt Nam (xây dựng năm 2005) có chiều dài nhịp chính đến 435m vẫn là cầu dây văng một mặt phẳng dây sử dụng mặt cắt hình hộp bê tông dài nhất thế giới. So sánh dầm hộp thép và dầm hộp bê tông Thống kê các cầu một mặt phẳng dây trên thế giới cho thấy khả năng vượt nhịp của dầm hộp thép và dầm hộp bằng bê tông là tương đương nhau. Đối với cầu dầm bằng thép, do khối lượng của dầm chủ nhỏ và bề dày bản mỏng nên khi chiều dài nhịp lớn dầm cầu thường xuyên bị rung lắc gây hư hỏng phủ mặt Asphalt mặt cầu (ví dụ như đã xảy ra ở cầu Rama VIII với kết cấu nhịp dầm bằng thép có nhịp chính 450m) [28]. Đối với cầu dầm bằng bê tông, việc sử dụng mặt cắt hình hộp nhưng dây neo ở vị trí giữa hộp tạo ra một bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép vừa chịu nén trong phương của bản vừa chịu lực kéo (nén) ngoài phương mặt phẳng bản [18] và [7].
Đây là một trạng thái chịu lực phức tạp, và sẽ là chủ đề nghiên cứu chính của luận án này. Các cầu dây văng ở Việt Nam Tính đến nay (2019), ở Việt Nam đã hoàn thành gần hai mươi cầu dây văng, và một số cầu dây trên đường bộ đang được tiến hành xây dựng (xem Bảng 1). luan an 9 Bảng 1.1 Danh sách các cầu dây văng ở Việt Nam Số mặt Năm T Chiều dài nhịp Vật liệu Mặt Tên phẳng hoàn T chính (m) chính cắt dây thành 1 Mỹ Thuận 250+350+250 Bê tông chữ Π 2 2000 2 Sông Hàn 122.7 Thép Chữ I 2 2000 3 Kiền 85+200+85 Bê tông chữ Π 2 2003 4 Bính 100+260+100 Thép Dầm I 2 2005 5 Bãi Cháy 435 Bê tông Hộp 1 2006 6 Cầu Rạch Miễu 117+150+117 Bê tông Chữ Π 2 2009 7 Cầu Phú Mỹ 380 Bê tông Chữ Π 2 2009 8 Cần Thơ 150+550+150 Hỗn hợp Hộp 2 2010 9 Rào 2 2×120 Thép Dầm I 2 2012 10 Trần Thị Lý 230 Bê tông Hộp 1 2013 148.5+4 × 11 Nhật Tân Thép Dầm I 2 2015 300+148.5 12 Ngã Ba Huế 180 Bê tông chữ Π 2 2015 13 Nhật Lệ 2 2×150 chữ Π 14 Cao Lãnh 350 Thép Dầm I 2 2018 15 Cầu Bạch Đằng 110+2×240+110 Bê tông chữ Π 2 2018 16 Vàm Cống 450 Thép Dầm I 2 2019 187.25 + 375 + đang xây 17 Bình Khánh Bê tông Hộp 2 187.25 dựng 149,5 + 300 đang xây 18 Phước Khánh Bê tông Hộp 2 + 149,5 dựng đang xây 19 Thủ Thiêm 2 200 Thép I 2 dựng Trong các cầu này, có hai cầu sử dụng thiết kế một mặt phẳng dây là cầu Bãi Cháy và cầu Trần Thị Lý. luan an 10 Cầu Bãi Cháy điểm đầu dự án xây dựng là km113+400 thuộc quốc lộ 18 và kết thúc tại Ngã ba Lê Lợi - Thành phố Hạ Long: Chiều dài: 903 m; chiều rộng: 25.
Hình 1-5 Cầu Bãi Cháy - Việt Nam Cầu Trần Thị Lý có nhịp liên tục với tổng chiều dài khoảng 731m từ mố S1 đến mố S13. Các nhịp cầu được bố trí như sau: 4 nhịp đầu của cầu chính từ mố S1 phía Tây đến Trụ S5 (50m mỗi nhịp) với tổng chiều dài là 200m, nhịp chính (nhịp dây văng) từ trụ S5 đến S6 với tổng chiều dài là 230m. Hình 1-6 Cầu Trần Thị Lý - Việt Nam luan an 11 1. Vấn đề neo cáp dây văng với dầm mặt cầu trong cầu dây văng Trong thiết kế cầu dây văng, việc thiết kế đường truyền lực từ cáp văng vào bản mặt cầu là rất quan trọng [33].
Hình 1-7 (a đến d) giới thiệu các giải pháp liên kết trực tiếp dây văng vào dầm chủ trong trường hợp cầu 2 mặt phẳng dây. Tại những vị trí neo cáp này, người thiết kế sẽ bổ sung vách ngang, ống thép hoặc khung liên kết để tăng cường độ cứng ngang của mặt cắt; đảm bảo quá trình truyền lực từ các dây cáp đến các bộ phận chính của dầm.