Báo cáo khoa học: "Lựa chọn mặt cắt ngang dầm cho cầu treo dây võng"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:10

Thêm vào BST

Báo xấu

113
lượt xem 26
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt: Cầu treo dây võng là loại kết cấu mà có thể v-ợt đ-ợc nhịp rất lớn, đó là nhờ sự kết hợp chịu lực hợp lý giữa dây và dầm. Loại cầu này là một hệ thống liên tục đ-ợc giữ bởi hệ dây cáp. Dầm th-ờng sử dụng là dạng dàn hoặc dầm hộp mặc dù dầm bản cũng th-ờng xuyên đ-ợc sử dụng với các cầu nhịp rất ngắn. Tuy dầm không phải là bộ phận chịu lực chính trong loại cầu treo này nh-ng nó là thành phần quan trọng trong cấu tạo của dạng...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo khoa học: "Lựa chọn mặt cắt ngang dầm cho cầu treo dây võng"

Lùa chän mÆt c¾t ngang dÇm cho cÇu treo d©y vâng nguyÔn thÞ cÈm nhung nguyÔn h÷u thuÊn Bé m«n CÇu – HÇm – Khoa C«ng tr×nh L−¬ng tiÕn thµnh Líp CÇu §−êng Bé A K42 Tr−êng §¹i häc Giao th«ng VËn t¶i Tãm t¾t: CÇu treo d©y vâng lμ lo¹i kÕt cÊu mμ cã thÓ v−ît ®−îc nhÞp rÊt lín, ®ã lμ nhê sù kÕt hîp chÞu lùc hîp lý gi÷a d©y vμ dÇm. Lo¹i cÇu nμy lμ mét hÖ thèng liªn tôc ®−îc gi÷ bëi hÖ d©y c¸p. DÇm th−êng sö dông lμ d¹ng dμn hoÆc dÇm hép mÆc dï dÇm b¶n còng th−êng xuyªn ®−îc sö dông víi c¸c cÇu nhÞp rÊt ng¾n. Tuy dÇm kh«ng ph¶i lμ bé phËn chÞu lùc chÝnh trong lo¹i cÇu treo nμy nh−ng nã lμ thμnh phÇn quan träng trong cÊu t¹o cña d¹ng cÇu nμy, ¶nh h−ëng ®Õn h×nh d¸ng vμ ®é bÒn v÷ng cña cÇu. Néi dung bμi viÕt sÏ ®Ò cËp ®Õn nh÷ng d¹ng dÇm ®· vμ ®ang sö dông trong cÇu treo d©y vâng vμ c¬ së ®Ó lùa chän c¸c d¹ng mÆt c¾t dÇm. Summary: A suspension bridge is a practical type of structure suitable for very long spans thank to the extremely strong yet flexible steel cables. A typical suspension bridge is a continuous structure held by suspension cables. The girder itself its usually a truss or box CT 2 girder, though in shorter spans, plate girders are very common. Though not the main part, a girder is to carry traffic load and affect the overall stability and aerodynamics of the structure. This paper will discuss the various types of girders used in cable suspension bridges and set criteria for selection of cross section selection. I. §Æt vÊn ®Ò CÇu treo d©y vâng hiÖn ®¹i (h×nh 1) ph¸t triÓn tõ thÕ kû XVIII, ®· ®−îc x©y dùng t¹i nhiÒu n−íc trªn thÕ giíi. Nã ®−îc hoµn thiÖn vÒ mÆt kÕt cÊu, vÒ chÞu lùc hîp lý vµ ®¹t thÈm mü cao vµo nh÷ng n¨m cuèi cña thÕ kû 20. Th¸p cÇu Th¸p cÇu C¸p chñ C¸p chñ C¸p treo Mè neo Mè neo DÇm chñ H×nh 1. §©y lµ lo¹i kÕt cÊu mµ cã thÓ v−ît ®−îc nhÞp rÊt lín, ®ã lµ nhê sù kÕt hîp chÞu lùc hîp lý gi÷a d©y vµ dÇm (hoÆc dµn). Trong ®ã dÇm hoÆc dµn lµ kÕt cÊu däc ®Ó chÞu vµ ph©n bè t¶i träng ho¹t t¶i vµ ®¶m b¶o æn ®Þnh khÝ ®éng häc cho kÕt cÊu. C¸c dÇm ®−îc n©ng ®ì bëi tæ hîp
c¸c bã c¸p song song gäi lµ d©y c¸p chñ. Sù truyÒn t¶i träng tõ dÇm hoÆc dµn lªn d©y c¸p chñ thùc hiÖn th«ng qua c¸c d©y treo hoÆc thanh treo. Bµi viÕt nµy, t¸c gi¶ xin tr×nh bµy nh÷ng c¨n cø c¬ b¶n ®Ó chän mét mÆt c¾t ngang hîp lý cho cÇu treo d©y vâng. II. C¸c d¹ng mÆt c¾t ngang sö dông trong cÇu treo d©y vâng MÆt c¾t sö dông trong cÇu treo d©y vâng rÊt ®a d¹ng vµ phong phó, nh−ng tËp trung l¹i th× cã 2 d¹ng lµ: c¸c mÆt c¾t sö dông trong cÇu treo dÇm mÒm vµ c¸c mÆt c¾t sö dông trong cÇu treo dÇm cøng. C¨n cø vµo t−¬ng quan ®é cøng cña d©y c¸p chñ (EF) vµ ®é cøng cña hÖ dÇm mÆt cÇu (EJ) ®Ó ph©n biÖt cÇu treo dÇm mÒm vµ cÇu treo dÇm cøng. VÝ dô: EJ 10490 1 = ≈ (DÇm mÒm BTCT liªn hîp 5 I360) CÇu BÕn T¾t (Qu¶ng TrÞ): EF 96600 100 EJ 23058 1 = ≈ CÇu B¶o Nhai (Lµo Cai): (DÇm mÒm BTCT l¾p ghÐp 4 I450) EF 219796 10 EJ 6312 7 = ≈ CÇu NÇm (Hµ TÜnh): (DÇm mÒm 6 I280) EF 90502 100 EJ 4536 2 = ≈ CÇu Chî B«ng (Hµ TÜnh): (DÇm mÒm 10 I180) EF 181004 100 EJ 5314 3 = ≈ CÇu §Þa Lîi (Hµ TÜnh): (DÇm mÒm 10 I230) EF 172800 100 CT 2 EJ 18814 1 = ≈ CÇu Cöa Rµo (NghÖ An): (DÇm mÒm 3 I450+4 I200) EF 172800 10 EJ 10408 7 = ≈ CÇu Cèc Pµi (Hµ Giang): (DÇm mÒm 6 I300) EF 150536 100 trong ®ã: E – m«duyn ®µn håi cña vËt liÖu lµm c¸p vµ dÇm; F - diÖn tÝch ngang cña d©y c¸p chñ; J – m«men qu¸n tÝnh cña mÆt c¾t ngang dÇm chñ. 1. CÇu treo dÇm mÒm (h×nh 2) 500 5000 450/2 450/2 DÇm däc I360 DÇm ngang I550 8000 H×nh 2a. MÆt c¾t ngang cÇu AS (NghÖ An). DÇm däc ®Æt trªn dÇm ngang
2450 21900 H×nh 2b. MÆt c¾t ngang cÇu Erste Tocomobrucke (§øc). DÇm däc ®Æt b»ng cao ®é dÇm ngang Khi ®é cøng cña mÆt cÇu nhá, th−êng gäi lµ kiÓu cÇu treo dÇm mÒm. CÊu t¹o ®iÓn h×nh cña kiÓu mÆt cÇu nµy bao gåm: dÇm däc sö dông thÐp h×nh ch÷ I hoÆc ch÷ U (sè hiÖu 300 ÷ 450) ®Æt bªn trªn c¸c dÇm ngang ch÷ I hoÆc ch÷ U (sè hiÖu 450 ÷ 500). Liªn kÕt gi÷a dÇm däc vµ dÇm ngang cã thÓ b»ng ®−êng hµn hoÆc bu l«ng. §èi víi lo¹i cÇu treo nµy, c¸c t¶i träng tÜnh vµ ho¹t t¶i hoµn toµn do d©y chÞu. DÇm sÏ chØ lµm viÖc côc bé trong mçi khoang gi÷a 2 d©y ®eo. Do dÇm mÒm nªn mÆt c¾t cã biÕn d¹ng ch÷ S khi ®Æt ho¹t t¶i trªn 1/2 nhÞp (nöa cã ho¹t t¶i sÏ vâng xuèng cßn nöa nhÞp kh«ng cã ho¹t t¶i sÏ vång lªn). Ngoµi ®é cøng nhá, lo¹i dÇm nµy cã æn ®Þnh khÝ ®éng häc kh«ng phï hîp ®Ó chÞu ®−îc t¸c dông cña giã. Mét vÝ dô ®iÓn h×nh lµ cÇu Tacoma Narrows ®· sËp sau 4 th¸ng kÓ tõ khi hoµn thµnh vµo n¨m 1940 d−íi vËn tèc giã 19 m/s. §Ó t¨ng æn ®Þnh chèng giã cña hÖ cÇu nµy ng−êi ta ®· më réng bÒ mÆt cÇu. Tuy nhiªn khi bÒ réng mÆt cÇu lín th× chiÒu dµi cña dÇm ngang còng t¨ng lªn, d−íi t¸c dông cña c¸c t¶i träng (b¶n th©n, cña dÇm däc vµ cña ho¹t t¶i) ®é vâng cña dÇm ngang t¨ng lªn. ¦u ®iÓm chÝnh cña lo¹i cÇu nµy lµ do dÇm ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c thanh thÐp h×nh nªn viÖc cÊu t¹o vµ l¾p ghÐp cã thÓ ®Þnh h×nh ho¸ vµ tiªu chuÈn ho¸, cã thÓ s¶n xuÊt dÇm CT 2 hµng lo¹t víi gi¸ thµnh rÎ vµ cã thÓ rót ng¾n thêi gian thi c«ng. V× vËy cÇu cã mÆt c¾t ngang lo¹i nµy th−êng sö dông cho cÇu treo nhÞp ng¾n (L < 250 m), khæ cÇu nhá, th−êng ®−îc sö dông trong giao th«ng n«ng th«n ë ViÖt Nam (b¶ng 1). B¶ng 1. Th«ng sè kü thuËt chñ yÕu cña mét sè cÇu treo d©y vâng ë ViÖt Nam T¶i träng L biªn L chÝnh Khæ K/c tim hai TT Tªn cÇu DÇm mÆt cÇu cÇu côm c¸p chñ thiÕt kÕ (m) (m) BÕn T¾t §oµn xe 1 30 100 5I 360 4 6 (Qu¶ng TrÞ) H10 B¶o Nhai 1 xe 10,4T 2 50 140 4I 450 4 6 (Lao Cai) + r¬ mãc 4,8T NÇm 3 1 xe 10T 30 120 6I 280 4 6 (Hµ TÜnh) Chî B«ng §oµn xe 4 30 120 10I 180 4 6 (Hµ TÜnh) H13 §Þa Lîi 1 xe 16,9 T 5 52 130 10I 230 4 6 (Hµ TÜnh) Cöa Rµo 3I 450+ 6 1 xe 18 T 23 100 4 5,6 (NghÖ An) 4I 200 Cèc Pµi 1 xe 8 T + 7 25 140 6I 300 4 6 (Hµ Giang) r¬ mãc 4,8 T
2. CÇu treo dÇm cøng HÖ dÇm mÆt cÇu th−êng ®−îc cÊu t¹o tõ c¸c dµn thÐp, dÇm hép thÐp cã ®é cøng lín lµm viÖc chung víi d©y chñ t¹o thµnh mét hÖ liªn hîp chÞu t¶i. DÇm cã ®é cøng lín gióp ph©n bè t¶i träng ®Òu lªn c¸c d©y treo, kh¾c phôc ®−îc hiÖn t−îng mÆt cÇu biÕn d¹ng ch÷ S khi ®Æt t¶i 1/2 nhÞp. Nhê viÖc chÞu t¶i ®ång thêi gi÷a d©y vµ dÇm cho phÐp cÇu v−ît ®−îc nhÞp lín vµ viÖc t¨ng khæ cÇu còng lµm t¨ng kh¶ n¨ng æn ®Þnh chèng giã cho cÇu. Mét −u ®iÓm n÷a cña hÖ treo lµ sù h− háng cña mét sè cÊu kiÖn thuéc dÇm còng kh«ng dÉn ®Õn ph¸ háng toµn bé c«ng tr×nh. ViÖc sö dông dÇm cøng ®· kh¾c phôc gÇn hÕt c¸c nh−îc ®iÓm cña cÇu treo dÇm mÒm, thùc tÕ cho thÊy c¸c cÇu treo trªn thÕ giíi sö dông dÇm cøng ch−a cã sù cè lín nµo x¶y ra. Cã 2 lo¹i dÇm cøng sö dông th«ng dông trong cÇu treo d©y vâng hiÖn ®¹i lµ: dÇm cøng d¹ng dµn vµ dÇm cøng d¹ng hép: + DÇm cøng d¹ng dµn th−êng sö dông thÐp thanh, thÐp h×nh liªn kÕt víi nhau b»ng b¶n t¸p vµ bu l«ng c−êng ®é cao t¹o thµnh kÕt cÊu kh«ng biÕn d¹ng h×nh häc. DÇm cøng d¹ng dµn cßn cho phÐp tho¸t giã tèt, do ®ã æn ®Þnh theo ph−¬ng ngang cÇu ®−îc ®¶m b¶o. Lo¹i mÆt c¾t nµy cã ®é cøng chèng uèn vµ chèng xo¾n lín nªn hiÖn ®ang ®−îc sö dông nhiÒu cho c¸c c©u treo nhÞp lín. + DÇm cøng d¹ng hép th−êng lµm tõ c¸c b¶n thÐp máng, l¾p ghÐp t¹o thµnh c¸c h×nh hép d¹ng khÝ ®éng häc ®¶m b¶o tho¸t giã tèt, dÇm cøng d¹ng hép th−êng sö dông kÕt cÊu b¶n trùc h−íng ®Ó gi¶m nhÑ tÜnh t¶i mÆt cÇu vµ t¨ng ®é cøng cho dÇm. ChiÒu cao cña dÇm cøng ®−îc x¸c ®Þnh sao cho tho¶ m·n ®é cøng (chèng uèn vµ chèng xo¾n) cÇn thiÕt. Lo¹i mÆt c¾t nµy sö dông nhiÒu cho c¸c cÇu treo nhÞp lín ë T©y ¢u. ViÖc sö dông dÇm cøng (c¶ d¹ng dµn vµ hép) trong x©y dùng cÇu treo d©y vâng ®· ®−îc CT 2 ¸p dông kh¾p c¸c n¬i trªn thÕ giíi tõ sau chiÕn tranh thÕ giíi thø 2 ®Õn nay. Nh÷ng cÇu ®−îc x©y dùng ®Òu cã mÆt c¾t ngang s«ng dµi (chiÒu dµi nhÞp lín). Ngoµi ra cÇu cã thÓ ®−îc x©y dùng t¹i nh÷ng n¬i s«ng s©u vùc th¼m, ®iÒu kiÖn ®Þa h×nh phøc t¹p … HiÖn nay cÇu treo d©y vâng sö dông dÇm cøng ®ang gi÷ kü lôc vÒ chiÒu dµi nhÞp chÝnh so víi c¸c lo¹i cÇu kh¸c. Bảng 2 KÝch th−íc c¸c cÇu treo d©y vâng sö dông dÇm cøng trªn thÕ giíi STT Tªn cÇu Tªn n−íc N¨m hoµn thµnh ChiÒu dµi c¸c nhÞp 1 Akashi Kaikyo NhËt 1998 960+1991+960 2 Great Belt East §an M¹ch 1998 535+1624+535 3 Humber Anh 1991 280+1410+530 4 Tsing Ma Trung Qu«c 1997 455+1377+300 5 Golden Gate Mü 1937 342.9+1280.2+342.9 6 Hoga Kusten Thôy §iÓn 1997 310+1210+280 7 ThuËn Ph−¬c ViÖt Nam 2006 125+405+125 C¸c h×nh 3 cho ®Õn h×nh 8 d−íi ®©y lµ mét sè mÆt c¾t ngang ®iÓn h×nh cña c¸c cÇu treo d©y vâng trªn thÕ giíi.
22860 3050 31860 H×nh 3. MÆt c¾t ngang cÇu Severn 36000 7232 41000 H×nh 4. MÆt c¾t ngang cÇu Tsing Ma 35500 CT 2 14000 H×nh 5. MÆt c¾t ngang cÇu Akashi Kaikyo 52000 60400 H×nh 6. MÆt c¾t ngang cÇu Messina Straits
16500 303,9 303,9 2000 200 10500/2 10500/2 200 2000 900 1600 5850 5850 H×nh 7. MÆt c¾t ngang cÇu ThuËn Ph−íc 13000 13000 37800 22800 CT 2 21500 H×nh 8. Mét sè mÆt c¾t ngang kh¸c sö dông trong cÇu treo d©y vâng III. C¬ së ®Ó lùa chän mÆt c¾t ngang trong cÇu treo d©y vâng 1. Lùa chän chiÒu cao dÇm Theo c¸c sè liÖu cña c«ng tr×nh cÇu hiÖn cã ng−êi ta th−êng chän: ⎛1 1⎞ h=⎜ ÷ ⎟.L (1) ⎝ 80 120 ⎠ trong ®ã: h - chiÒu cao dÇm; L - chiÒu dµi nhÞp. NhÞp cµng lín th× ng−êi ta chän tû sè h/L cµng nhá. + Khi h/L > 1/60 (®é cøng cña hÖ lín) cã thÓ tÝnh cÇu treo theo s¬ ®å kh«ng biÕn d¹ng, nghÜa lµ cã thÓ ¸p dông c¸c ph−¬ng ph¸p quen thuéc trong c¬ häc kÕt cÊu ®Ó tÝnh.
+ Khi h/L nhá h¬n giíi h¹n nªu trªn (®é cøng cña hÖ nhá) th× kh¶ n¨ng tham gia chÞu lùc cña dÇm cøng nhá h¬n so víi vai trß chÞu lùc cña d©y. Lóc nµy ta ph¶i tÝnh theo s¬ ®å biÕn d¹ng. B 1 ≥ * Tû sè th× cÇu æn ®Þnh víi giã tèt h¬n (B: chiÒu réng toµn cÇu) L 25 B 6 1 ≥ ≈ CÇu treo BÕn T¾t (Qu¶ng TrÞ) . L 100 16,7 B 8,1 1 ≥ ≈ CÇu treo Hang T«m (Lai Ch©u) . L 140 17,3 2. C¬ së lùa chän lo¹i mÆt c¾t ngang cña dÇm C¬ së lùa chän lo¹i dÇm cøng thÓ hiÖn ë b¶ng 3. ChiÒu dµi v−ît nhÞp vµ ®iÒu kiÖn tù nhiªn ë vÞ trÝ x©y dùng cÇu còng cÇn ®−îc chó ý xem xÐt. B¶ng 3 Lo¹i DÇm d¹ng dµn DÇm hép ChiÒu cao dÇm Cao ThÊp Fluter cã thÓ ®−îc kiÓm tra VËn tèc xo¸y g©y ra Fluter æn ®Þnh khÝ ®éng häc C«ng t¸c b¶o d−ìng DiÖn tÝch bao bäc lín DiÖn tÝch bao bäc nhá X©y dùng C¶ hai mÆt c¾t ph−¬ng ¸n vµ mÆt c¾t ChØ mÆt c¾t ph−¬ng ph¸p l¾p x©y dùng cã thÓ ®−îc ¸p dông ghÐp ®−îc cho phÐp a. §iÒu kiÖn th«ng thuyÒn cña mÆt c¾t s«ng ¶nh h−ëng rÊt lín ®èi víi viÖc chän mÆt c¾t dÇm, mÆt c¾t dÇm d¹ng dµn th−êng cã chiÒu cao kiÕn tróc lín, mÆt c¾t dÇm d¹ng hép cã chiÒu CT 2 cao kiÕn tróc thÊp h¬n nhiÒu. Khi ®ã nÕu ®¶m b¶o th«ng thuyÒn d−íi cÇu, chiÒu cao t¹i 2 ®Ønh mè sÏ cã sù chªnh lÖch rÊt lín nÕu chän 2 lo¹i mÆt c¾t dÇm kh¸c nhau ®iÒu ®ã sÏ ¶nh h−ëng ®Õn khèi l−îng ®Êt ®¾p ®Çu cÇu. Cho nªn ph¶i c¨n cø vµo cao ®é 2 ®Çu cÇu vµ khæ th«ng thuyÒn mµ lùa chän mÆt c¾t dÇm cho thÝch hîp. b. C¸c cÊu kiÖn cña dÇm ®−îc s¶n xuÊt trong nhµ x−ëng vËn chuyÓn vµ l¾p ghÐp t¹i c«ng tr−êng. TiÕn ®é thi c«ng nhanh cã thÓ sö dông d©y c¸p chñ ®Ó vËn chuyÓn. VÊn ®Ò c¬ b¶n trong giai ®o¹n thi c«ng lµ dÇm rÊt dÔ mÊt æn ®Þnh d−íi t¸c dông cña t¶i träng giã. §Ó kh¾c phôc th× chóng ta cã thÓ dông mét hÖ gi»ng giã khoÎ nèi víi 2 ch©n th¸p chèng l¹i lùc giã ngang, cã thÓ l¾p dÇm thµnh nh÷ng côm lín vµ n©ng lªn. §åi víi dÇm hép th× viÖc ®¶m b¶o chèng giã trong thi c«ng lµ t−¬ng ®èi thuËn lîi nh−ng kÝch th−íc lín viÖc vËn chuyÓn l¾p ghÐp lµ khã kh¨n. DÇm d¹ng dµn vËn chuyÓn l¾p ghÐp dÔ h¬n nh−ng kÐm æn ®Þnh chèng giã h¬n. c. CÊu t¹o d¹ng mÆt c¾t ngang cña dÇm còng ph¶i ®¶m b¶o chèng giã vµ tho¸t giã tèt. MÆt c¾t d¹ng dµn tho¸t giã tèt h¬n nhiÒu so víi mÆt c¾t hép nh−ng vÊn ®Ò chèng giã l¹i cÇn ph¶i xem xÐt. Môc ®Ých thiÕt kÕ chèng giã tr−íc hÕt lµ b¶o ®¶m trong giai ®o¹n thi c«ng còng nh− trong giai ®o¹n sö dông sau khi x©y dùng xong, cÇu chÞu ®−îc t¸c dông tÜnh cña t¶i träng giã tèi ®a vµ t¸c dông ®éng do giã g©y dao ®éng t¹o ra. V× giã tù nhiªn g©y ra lo¹i giã t¹o ra dao ®éng, nªn trong thiÕt kÕ chèng giã, ®ßi hái cã ®é an toµn ®Çy ®ñ gi÷a tèc ®é giã tíi h¹n g©y dao ®éng nguy hiÓm so víi tèc ®é giã thiÕt kÕ nh»m ®¶m b¶o sù æn ®Þnh chèng giã trong c¸c giai ®o¹n thi c«ng, ®ång thêi ®ßi hái biªn ®é dao ®éng lín nhÊt cña dao ®éng xo¸y vµ dao ®éng lËt n»m trong ph¹m vi chÊp nhËn ®−îc, tr¸nh cho kÕt cÊu bÞ mái, ng−êi khã chÞu, ch¹y xe mÊt an toµn v.v…
§èi víi cÇu lín nãi chung, ë giai ®o¹n thiÕt kÕ s¬ bé, cã thÓ dïng c¸c c«ng thøc gÇn ®óng hoÆc dïng c¸c phÇn mÒm ph©n tÝch kÕt cÊu (SAP 2000, MIDAS, STAAD – III) ®Ó ®¸nh gi¸ néi lùc ph¸t sinh do t¶i träng giã tÜnh vµ t¶i träng giã ®éng. T¶i träng giã tÜnh gåm lùc c¶n, lùc n©ng vµ m«men lùc. T¶i träng giã ®éng gåm lùc qu¸n tÝnh cña kÕt cÊu do chÊn ®éng cña giã g©y ra. V× g©y ra dao ®éng cÇn mét thêi gian kÐo dµi nhÊt ®Þnh nªn cã thÓ lÊy tèc ®é giã b×nh qu©n trong kho¶ng thêi gian dµi lµm tèc ®é giã thiÕt kÕ g©y ra dao ®éng. d. CÊu t¹o mÆt c¾t ngang cña dÇm còng ph¶i ®¶m b¶o æn ®Þnh khÝ ®éng häc. ChiÒu réng dÇm cøng ®−îc x¸c ®Þnh c¨n cø vµo khæ cÇu. ChiÒu cao cña dÇm cøng phô thuéc vµo ®é cøng chèng uèn vµ ®é cøng chèng xo¾n cña dÇm trªn c¬ së ®¶m b¶o khÝ ®éng häc. Sau khi thiÕt kÕ kÝch th−íc h×nh häc, cÊu t¹o d¹ng mÆt ngang cña dÇm cøng ¶nh h−ëng lín ®Õn kh¶ n¨ng ®¶m b¶o æn ®Þnh khÝ ®éng cña kÕt cÊu vµ cÇn x¸c ®Þnh nhê c¸c thÝ nghiÖm trong hÇm thæi giã. ViÖc thÝ nghiÖm trong hÇm thæi giã sÏ ®¹t ®−îc c¸c môc ®Ých: + KiÓm tra l¹i ¶nh h−ëng cña c¸c luång khÝ lóc n©ng vµ hÖ sè uèn lµ c¸c tham sè cã ¶nh h−ëng ®èi víi tÝnh to¸n theo m« h×nh tÜnh + Ph¸t hiÖn vµ kiÓm so¸t c¸c tr−êng hîp dao ®éng bÊt lîi cã thÓ x¶y ra. Khi tÝnh to¸n æn ®Þnh khÝ ®éng häc trong c«ng t¸c thiÕt kÕ cÇu treo, hiÖn t−îng Flutter (mÊt æn ®Þnh khÝ ®éng do uèn xo¾n) ®−îc ®Æc biÖt quan t©m. §iÒu kiÖn cÇn thiÕt ®Ó lo¹i trõ kh¶ n¨ng ph¸t sinh hiÖn t−îng Flutter lµ ph¶i lùa chän cÊu t¹o cña kÕt cÊu nhÞp sao cho tû sè gi÷a tÇn sè dao ®éng riªng uèn vµ tÇn sè dao ®éng riªng xo¾n lín h¬n 2 lÇn. VÊn ®Ò æn ®Þnh khÝ ®éng cña cÇu cÇn ph¶i ®−îc kiÓm tra kh«ng chØ víi ®iÒu kiÖn khai th¸c mµ c¶ ®èi víi c¸c ®iÒu kiÖn trong thêi gian ®ang thi c«ng. ChÝnh trong lóc thi c«ng th−êng x¶y ra CT 2 c¸c t×nh huèng bÊt lîi nhÊt v× c¸c tÇn sè dao ®éng riªng lóc nµy ®Òu thÊp vµ tû sè gi÷a tÇn sè dao ®éng riªng xo¾n víi tÇn sè dao ®éng riªng uèn cã thÓ chØ gÇn b»ng 1 (rÊt nguy hiÓm). §Æc biÖt ®ã lµ t×nh huèng khi ®ang thi c«ng cÇu treo. Do vËy chóng ta ph¶i quan t©m kü ®Õn tÝnh to¸n æn ®Þnh khÝ ®éng häc. ViÖc lùa chän mÆt c¾t sÏ ¶nh h−ëng ®Õn viÖc tÝnh to¸n æn ®Þnh khÝ ®éng häc. TÝnh to¸n gÇn ®óng c¸c tÇn sè dao ®éng riªng cña cÇu d©y vâng HiÖn nay ë n−íc ta còng ®· kh¸ phæ cËp c¸c ch−¬ng tr×nh m¸y tÝnh dùa trªn ph−¬ng ph¸p phÇn tö h÷u h¹n cã kh¶ n¨ng gióp c¸c kü s− thiÕt kÕ tÝnh to¸n kh¸ nhanh chãng vµ chÝnh x¸c vÒ c¸c tÇn sè dao ®éng riªng cña kÕt cÊu nhÞp cÇu. VÝ dô nh− ch−¬ng tr×nh SAP 2000, ch−¬ng tr×nh MIDAS, ch−¬ng tr×nh STAAD-III... Tuy nhiªn trong nhiÒu tÝnh to¸n thùc hµnh vÉn cÇn ®Õn c¸c c«ng thøc tÝnh to¸n gÇn ®óng ®Ó cã thÓ nhanh chãng ®¸nh gi¸ gÇn ®óng, chÊp nhËn ®−îc vÒ c¸c tÇn sè dao ®éng riªng cña kÕt cÊu nhÞp, nh»m phôc vô cho viÖc tÝnh to¸n æn ®Þnh khÝ ®éng cña cÇu d©y vâng. D−íi ®©y ®−a ra mét vµi c«ng thøc th«ng dông. TÇn sè dao ®éng riªng uèn NÕu xÐt s¬ ®å dÇm chØ cã 1 ®iÓm khèi l−îng tËp trung th× b»ng c¸ch thay t¶i träng ®¬n vÞ p = 1 bëi träng l−îng b¶n th©n cña kÕt cÊu ta cã: ω2 = g/ymax
1 g fB = . tõ ®ã ®−îc: (2) 2π y max Dùa trªn rÊt nhiÒu kÕt qu¶ ®o ®¹c cña cÇu d©y, ng−êi ta ®· nhËn xÐt r»ng c«ng thøc nµy cã sai sè xÊp xØ 10%. NÕu xÐt s¬ ®å dÇm cøng cña cÇu d©y cã khèi l−îng r¶i ®Òu chø kh«ng tËp trung nh− trªn th× c«ng thøc sÏ chÝnh x¸c h¬n nh− sau: g 1,1 fB = . (3) 2π y max trong ®ã: ymax - biÕn d¹ng tÜnh lín nhÊt cña hÖ thèng d−íi t¸c dông träng l−îng b¶n th©n kÕt cÊu; g - gia tèc träng tr−êng = 9,81 m/s2. VÝ dô ®èi víi cÇu Rio Parana, víi ®é vâng 1,4 m th× sÏ cã tÇn sè dao ®éng riªng uèn lµ: 1,1 9,81 fB = = 0,47 Hz (4) . 2π 1,4 TÇn sè dao ®éng riªng xo¾n §èi víi cÇu d©y cã mÆt cÇu kh¸ mÒm, tÇn sè xo¾n th−êng cã thÓ tÝnh gÇn ®óng suy ra tõ tÇn sè uèn theo c«ng thøc: b.fB fT = (5) 2r CT 2 trong ®ã: r – b¸n kÝnh qu¸n tÝnh cña tiÕt diÖn; b – kho¶ng c¸ch ngang cÇu gi÷a c¸c d©y. §èi víi cÇu d©y cã mÆt cÇu cøng, tÇn sè riªng xo¾n phô thuéc trùc tiÕp vµo ®é cøng chèng xo¾n cña mÆt c¾t ngang cÇu G.J nh− sau: 1 G.J fT = (6) . 2L I trong ®ã: I – m«men qu¸n tÝnh cùc trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµi cña kÕt cÊu nhÞp; J – h»ng sè xo¾n; L – chiÒu dµi nhÞp chÝnh cña cÇu. Theo ý kiÕn cña nhiÒu chuyªn gia th× ®Ó ®¶m b¶o æn ®Þnh khÝ ®éng häc, tÇn sè dao ®éng xo¾n cÇn ph¶i lín h¬n 2 - 3 lÇn so víi tÇn sè dao ®éng uèn trong mÆt ph¼ng th¼ng ®øng. NÕu d¹ng mÆt c¾t ngang dÇm cøng lµ d¹ng thu«n vµ tho¸t giã tèt th× tû sè nµy cã thÓ gi¶m cßn 1,5 – 2,0. VÝ dô ®èi víi cÇu treo ë Mü cã nhÞp chÝnh 600 m vµ nhÞp biªn 240 m, dÇm cøng lµ d¹ng hép tho¸t giã tèt th× tû sè gi÷a tÇn sè xo¾n víi tÇn sè uèn nh− sau: + §èi víi dao ®éng thø nhÊt lµ 0,48 : 0,147 = 3,2 + §èi víi dao ®éng thø hai lµ 0,8 : 0,145 = 5,5 Nh− vËy ®Ó ®¶m b¶o æn ®Þnh khÝ ®éng häc cÇn ph¶i thiÕt kÕ h×nh d¹ng mÆt c¾t ngang dÇm cøng sao cho mÆt c¾t ngang t−¬ng øng víi lùc giã n©ng nhá nhÊt. Ngoµi ra ph¶i ®¶m b¶o yªu cÇu vÒ ®é cøng hîp lý (tû sè hîp lý gi÷a c¸c tÇn sè dao ®éng xo¾n vµ dao ®éng uèn).
§Ó thiÕt kÕ c¸c cÇu d©y míi cÇn ph¶i lµm nhiÒu thÝ nghiÖm trªn m« h×nh. Còng cÇn quan tr¾c theo dâi c¸c cÇu d©y ®ang khai th¸c ®Ó sau ®ã rót kinh nghiÖm vµ ®Ò ra nh÷ng kiÕn nghÞ phôc vô h−íng dÉn thiÕt kÕ cho c¸c cÇu míi sau nµy. VÝ dô ë n−íc Mü cã h−íng dÉn c¸c ®iÒu kiÖn ®Ó ®¶m b¶o æn ®Þnh khÝ ®éng häc cho c¸c cÇu treo nh− sau: + ChiÒu cao dÇm cøng, ®o gi÷a c¸c ®−êng trôc cña m¹ trªn vµ m¹ d−íi (m): L⎛ L⎞ h≥ ⎜ 8,33 + ⎟ 1000 ⎝ 305 ⎠ + §é cøng chÞu uèn cña dÇm cøng (tÝnh b»ng ®¬n vÞ kNm2) 1.474b110 EJ ≥ h trong ®ã: L - chiÒu dµi nhÞp chÝnh, m; b - chiÒu réng cÇu, ®o gi÷a c¸c thanh treo, m; h – chiÒu cao dÇm cøng, m. IV. KÕt luËn Trªn c¬ së c¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu còng nh− tæng qu¸t ho¸ c¸c kinh nghiÖm thiÕt kÕ vµ khai th¸c c¸c cÇu treo nhÞp lín ng−êi ta ®· rót ra c¸c biÖn ph¸p cÊu t¹o cho phÐp ng¨n ngõa sù ph¸t triÓn c¸c dao ®éng nguy hiÓm cña kÕt cÊu cÇu trong dßng giã. C¸c biÖn ph¸p ®ã tr−íc hÕt nh»m t¨ng ®é cøng chèng xo¾n nh−: + Dïng kÕt cÊu dÇm cøng cã mÆt c¾t h×nh hép. CT 2 + §Æt hÖ thèng d©y c¸p treo cã c¸c thanh treo nghiªng (chø kh«ng ph¶i chØ cã c¸c thanh treo th¼ng ®øng nh− th«ng th−êng). + C¶i thiÖn d¹ng l−u tuyÕn cña mÆt c¾t ngang dÇm cho tho¸t giã dÔ dµng h¬n mµ kh«ng g©y ra c¸c xo¸y khÝ phÝa sau nã. + T¨ng chiÒu réng mÆt cÇu. C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu míi ®©y vÒ thÝ nghiÖm khÝ ®éng häc cña m« h×nh cÇu cho phÐp nhÊn m¹nh r»ng c¸c hÖ thèng nhiÒu d©y xiªn víi 2 mÆt ph¼ng d©y kiÓu ®ång quy kh«ng bÞ xuÊt hiÖn nh÷ng dao ®éng khÝ ®µn håi nguy hiÓm. C¸c cÇu treo cã d©y xiªn bæ sung vµ dÇm cøng cã chiÒu cao nhá víi tû lÖ h/L = 1/300 vµ cã dÇm cøng d¹ng l−u tuyÕn còng tá ra an toµn nh− vËy. Tµi liÖu tham kh¶o [1] PGS. TS. NguyÔn ViÕt Trung, TS. Hoμng Hμ. ThiÕt kÕ cÇu treo d©y vâng. Nhµ xuÊt b¶n X©y dùng, 2004. [2] GS. TS. LÒu Thä Tr×nh. C¸ch tÝnh hÖ treo theo s¬ ®å biÕn d¹ng. Nhµ xuÊt b¶n Khoa häc vµ Kü thuËt, 2004. [3] Hå s¬ thiÕt kÕ kü thuËt: ThiÕt kÕ dÇm hép thÐp vµ hÖ thèng c¸p cÇu chÝnh. Tæng C«ng ty x©y dùng c«ng tr×nh giao th«ng 5. [4] SIR ALFRED PUGSLEY. The theory of suspension bridges, London 1968