Xây dựng cầu bê tông cốt thép trên đường ôtô (Tập 2): Phần 2

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:121

Thêm vào BST

Báo xấu

167
lượt xem 62
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Là một Tài liệu hoàn chỉnh về cầu bê tông cốt thép, phần 2 Tài liệu Cầu bê tông cốt thép trên đường ôtô tiếp tục đề cập đến các mục như sau: Cầu dây văng, cầu dầm tảng cường bằng các dây văng. Đây là Tài liệu bổ ích cho những sinh viên học Bộ môn Cầu hầm, khoa Cầu đường trường Đại học Xây dựng và những người muốn tìm hiểu đến vấn đề cầu hầm, cầu đường.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Xây dựng cầu bê tông cốt thép trên đường ôtô (Tập 2): Phần 2

Chương 12 CẦU DÂY VÀNG 12.1. GIỚI THIÊU C H U N G Cáu dây vãng là một hệ liên hợp giữa dầm cứng chịu nén uốn và dây căng xiên chịu kéo. Hệ g ồm các dây xiên gọi là “ dày vãng” một đầu neo trên tháp m ột đáu neo vào dầm. tạo thành các tam giác cơ bản. N ếu các đốt dầm h ên kết với nhau bằng khớp thì ta được một hệ giàn gồm các dâv làm bằng thép cường độ cao chỉ chịu kéo và dầm cứng chỉ chịu nén với giá thiết tải trọng tác dụn g vào nút (hình 12.la). Trên thực tế cấu tạo khớp rất phức tạp nên dầm cứng thường làm liên tục, ngoài chịu nén dầm cứng còn chịu uốn. hơn nữa khi tải trọng tác dụng trong phạm vi khoang d ầ m còn phát sinh m ỏ m en uốn cục bố (hình 12.1 b). M ôm en uốn tỷ lệ thuận vào đò cứ ng của dầm , độ cứng lớn dầm chủ yếu chịu m ômen, độ cứng nhỏ, dầm chủ yếu chịu lơc dọc. Mạt khac với Nơ đồ như trên hình 12. lb, thì hệ co tỉiể coi là m ột dầm liên tục nhiều nhịp tựa trẽn các oôi dàn hồi là các nút neo dây, đỏ đàn hổi là độ cứng chịu kéo của các dây văng. Do dáv vănq làm bằng thép sợi cường độ cao, chỉ chịu kéo, nên có thế sử dụn g được hết khả Iiăne làm việc của vật liệu. Dẩm cứng chịu nén uốn nén thích hợp với vật liệu bê tỏnị', cốt thép. Lực nén tạo cho dấm được ép trước khỏriỉỉ cán căng kéo nên có thể coi là dair. tự dự ứng lực. Hơn nữa lực nén trước là ổn định làu dài và không mất mát. a) Hình 12.1. Sơ dồ cảu dày vãn V a) Hệ lý thuyết; b) Hệ ĩhííc 161
M ột ưu đ iế m c ơ ban c ủ a cầu dây v ã n e NO với cáu lí co d a y w»ng (sau đ â \ ta eọi là c u treo) là dầm cứng chịu toàn bộ lực nén, biến hệ thành k hôn': có lực đấy miang tác du i£ vào m ô neo như trong cầu treo, cầu vòm , tránh được các m ô neo đồ sộ, lốn vâl liệi và cho phép áp dụng vào bất kỳ điều kiện đia chất nào. Từ m ột góc nhìn khác, xét m ột dầm liên tục bê tông dự ứng lực ba nhịp thi c ô i m hẫng, cốt thép căng ngoài. Nếu cốt thép ngoài đuực nâng cao trên một tliáp (l.';nh 12.2) tl)ì khả năng chịu m ôm en lớn nhất của tiết diện gối sẽ là M = Sr v. trong khi GỐI vói cáu liên tục M ’ = Sr h. Rõ ràng y » h và M > M \ T ro n s đó St là nội lực trung bình ỉro ng dây và y, h lán lượt là khoảng cách từ dây đến trọng tâm dầm cứng troiu> cA’,1 r»ây văng và đến biên chịu nén của liết diện dầm liên tục. s, I ỉìn h Ỉ2 .2 . c'ầỉi dáv vủnq trên qitíUi lỉiếm cùa cầu bê tỏng dự ứ/iíị ỉiii . ãii^ ỉiíỊaời Do hệ là một dầm liên tục tựa trên các gối đàn hổi nên có m ô m en uốn nhỏ hơn nhiềi* so vói dam liên lục cùng nhịp không có gối đàn hồi. Cầu dày vãng dam cứim bê lóng CỎI thép và bê lỏng dự ứng lực tạo khả năng chống ăn m òn tốt, ít bao quan sửa chữa, nân^’ cao tuổi thọ c ỏ n
thep. các loai mặi cát ngang, số lượng và chiều dài nhịp, số m át phẳng và sơ dồ phân bố dãy... Hình dạng và chiếu cao tháp có thế tạo côn" trình thành m ột biểu tượng kiến trúc dặc biệt tiêu biêu cho một khu vực, m ót thành phố, một quốc gia. Cầu dây vãng với ưu thế vổ chịu lực. hợp h về cổng nghệ thi công, tính đa dạng về kiên trúc đang trớ thành công trình trọne điểm của nhiều nước trên th ế giới và hiện cùng ' ới cầu treo (lây võng là giải pháp duy nhất để vượt các nhíp trên 500m trên đường ôtô. 12.2.1. C à u d ãy vang một nh ịp Cầu dây văng có thế làm một nhip như sơ đỏ hình 12.3. trong đó tháp cẩu được xây dựng trên mố; (.ìầm chủ một nhịp tựa trên hai mó'. Các dâv vãng từ trên tháp toả xuống neo vào một số điểm của dầm cứng tạo thành các gối dàn hồi; phía sau, các dây vãng được liên kết vào mô’ neo. đặt sâu tron 5 nén đườns. Vổ inặl chịu lực. cáu dày văng một nhịp làm việc như m ột dầm CỨU” tựa trên các gối ilan hổi. tuy nlnõn ít dirơc áp dụng trong thực tố vì có các nhược điểm sau: Hình 12.3. íỉ) Sơ (lồ ( (/// (Uỉ\ i .?'/' một nhịp; bỉ Câu RiH K-Á- Chucky Ở Cali/nrnia, Mv - Tổn tại các mó neo chịu lực nuans làm mát tru íỉiê cua cáu dãy vãng so với cầu treo. • Trẽn các mỏ đỡ dầm cứng, phai bố trí một sối cố định và m ột gối di động, gối cố định chịu lực nganư (dọc cấu) khi chịu tái trong k h õ n s đối \ứ n s . đ ổ n s thời lực ngang lại 163
thay đổi chiều tuỳ theo vị trí của hoạt tải. V í dụ trong cầu d ây văng m ột nhịp đối xứng (hình 12.3a), khi hoạt tải trên nửa nhịp trái, nếu gối c ố định nằm bên trái, lực ng ang sẽ đẩy mô' vào nền đường và nửa dầm trái chịu nén, ngược lại lực ngang hướng ra sông và nửa dầm trái chịu kéo khi hoạt tải đứng trên nửa nhịp phải. N hư vậy, trong cầu dày văng một nhịp hai bộ phận cùng phải chịu lực ngang là m ố neo và m ố cầu, hon nữa chiều của lực ngang trên m ố lại luôn đổi dấu, đặc biệt nguy hiểm khi hướng ra sông cùng chiều với áp lực đất nền đường. - D ầm cứng ngoài chịu uốn còn chịu lực dọc thay đổi dấu (khi kéo, khi nén), gây bất lợi cho dầm cứng bằng bê tông cốt thép. Do các đặc điểm trên nên cầu dây vãng m ột nhịp chỉ được áp dụng vào các điều kiện địa hình đặc biệt ví dụ cầu R uch-A -C h uck y ở C alifo m ia (M ỹ). Cầu vượt q ua thung lũng, m ố neo đặt trên hai đỉnh núi (hình 12.3b). Đ ể khắc phục nhược điểm trên, tránh mô' cầu và m ố neo chịu lực ngang, có thể k éo dài dầm chủ, tạo thêm hai nhịp biên để liên kết dây neo vấo dầm tạo thành hệ không có lực đẩy ngang. Hệ biến thành hệ ba nh ịp gồm một nhịp chính và hai nhịp biên ngắn, D ầm chủ bố trí liên tục vừa chịu uốn, vừa chịu nén. Hình 12.4 thể hiện một cầu dây văng ba nhịp có nhịp biên ngắn, cầu Bario de L una ở Tây Ban Nha. H ình 12.4. Sơ đồ cầu dây vãng ba nhịp có nhịp biên ngắn, cầu Bario de Litna (Tây Ban Nha) 12.2.2. C ầ u d â y v ă n g b a n h ịp Phần trên đã phân tích nhược điểm của cầu dây văng một nhịp và lí do tất yếu dẫn tới hệ ba nhịp. Sơ đồ cẩu dây vãng ba nhịp (hình 12.4) có nhịp biên ngắn có các đặc điểm sau: - Cầu thích hợp với các sông sâu vùng núi, cần tránh xây dựng các trụ ở phần lòng sông sâu, địa chất và thuỷ vãn phức tạp. - Hệ có độ cứng của các gối đàn hồi lớn d o dây neo có chiều dài ngắn và có góc nghiêng nằm trong vùng hợp lí nhất (45°). - Nhược điểm cơ bản của hệ ba nhịp trên hình 12.4 là có chiều dài nhịp biên q u á ngắn so với nhịp chính. Nhịp biên quá ngắn thì lực nhổ của m ô neo rất lớn g ây phức tạp cho cấu tạo gối chịu lực phản lực âm , giảm đường tiếp đất, độ an toàn cô n g trình nhỏ hưn (khi neo đứt thì cá công trình có thể bị lật). 164
Đe khắc phục nhược điếm trên, tạo cơ sở đổng nhất tiết diện dầm chủ cả ba nhịp (độ lớn, dạng tiết diện) và chiều dài khoang dầm tạo điểu k òn lương đối đổn g đều trong phạm vi từng khoang, đặc hiệt để giảm lực nhổ tác dụng lẻn m ố có thể áp dụn g sơ đồ cầu dây văng ba nhịp có dây bố trí đối xứng qua tháp, nh ư cầu Brotonne q ua sông Seine ở Pháp (hình 12.5). Hỉnh 12.5. Sơ dồ cáu dây vãnq ba nhịp có dây dối xứnq qua tháp, cáu Brotonne qua sòti^ Seiỉìt’ o ■Pháp Về mặt cơ học, cầu dây văng ba nhịp theo sơ đồ hình 12.5 là m ột dầm liên tục tựa trcn các gối cứim (trụ, mố) và các gối đàn hồi là các nút treo dây vãng. Đ ộ cứng của các gối đàn hồi phụ thuộc vào các yếu tố: - Diện ỉiclì và chiên (lùi (lây. Độ cứnụ của các gối đàn hổi ti lệ nghịch với chiều dài (lâv. lí lè íhuàn với diòn tích dâv vãng. Chiều dài đâv thườno do sơ đồ cẩu và chiểu dằi n h ịp quvếí dịnh. Diện tích dãy được c h o n trên CƯ sờ tận ílụ ng tối đ a kh ả n ã n g là m việc cùa vật liệu, độ an toàn của tiêu chuẩn. Tuy nhiên cíírm â m lưu ý rằng tăng tiết diện dây lớn làm lărm trọrm lượng bản thân, tăng độ võng, tãng bicVi dạng phụ do dây thay đổi độ co n g khi chịu hoạt tải, làm giám m ôđun đàn hổi tương đương của dây. Vì vậy khỏng phải dơn íỉian lănu tiết diện dâv là tăng độ círno và tãrm đỏ an toàn công trình m à phải xéi ánh hưỏìm của chúng đến inôđun đàn hồi tương đươna cua dây. - Góc ỉuịhiénạ a của dây so với phiùỉng nấm nyany. G óc nghiêng của dây so với phương neaniỉ ánh hườn” đến nội lực trong dây và dầm. ( ióc nghiêng tốt nhất nằm tro n s khoảng 45°. Tuv nhiên nếu chọn dây thoải nhất có góc nghiêng 45° thì tháp quá cao ảnh hướnsỉ tói kiên trúc và làm tăim chi tiêu kinh tế kv thuật cua cầu (xem mục 12.2.5). - Độ nhỉX và liêỉỉ kếĩ của các day neo. Dâv neo là dày ở nhịp biên, đầu trên liên kết cỏ định với iháp cầu, đầu dưới liên kết cố định với dầm lai vị irí gối chịu được phản lực âm. Trong cáu dủv văng, dây neo iĩiữ vai trò đặc biệt quan trong trong việc đảm bảo độ cứnR và do dó đảm bảo nội [ực tron 2 toàn hê. Nếu day được neo vào các đicm cố định là m ò hoặc trụ thì dỏ cứim của các gòi đàn hổi chỉ phu thuộc vào chiều dài, diện tích và độ imhièng cua các dày vãim. Nốu dâv không được neo vào ui êm cố định thì độ cứne của hè còn phụ thuộc vào độ cứng chịu uốn của dầm. 165
Trong thực tế cũng tồn tại các cầu dây văng hai hoặc ba nhịp k hô ng có d ây neo vào các điểm cô' định như mô' trụ cầu (hình 12.6). Các hệ này chịu tải trọng đối xứng qua tháp (tải trọng tĩnh) cũng tốt như hệ ở hình 12.5. Dưới tác dụn g của hoạt tải đứ n g trên nhịp giữa, các điểm neo dây ở dầm biên sẽ vồng ngược do ảnh hưởng của d ầ m liên tục và d o phản lực âm của các dây ở nhịp biên. Đ ộ vồng ngược của nhịp biên làm £Ìảm độ cứng chung của hệ và làm tăng m ôm en uốn trong dầm cứng. Cầu dây văng không có dây neo có thể được áp d ụ n g để cải tạo, tăng cường khả nâng chịu tải của cầu cũ nhiều nhịp, nhằm nâng cấp tải trọng bằng cách truyền tĩnh tải cho dây, rồi từ dây q ua tháp xuống trụ cầu. Đ ể tạo được điểm cố định trên tháp thì cũng có thể áp dụ ng tháp cầu cứng. T háp cầu cứng là tháp cầu có sơ đồ kết cấu và kích thước hợp lí để hạn c h ế chuyển vị n g an g đỉnh tháp, tạo được điểm gần như cố định để neo dây (hình 12.7). Tuy nhiên biện p háp đơn giản và kinh tế hơn cả là bố trí các dây neo vào mố, trụ cầu. Hình 12.6. Cầu dây văng không có dây neo Hình 12.7. Cầu dãy văng tháp cứng , cầu sông Hàn (Đà Nắng) Cầu dây vãng có thể dùng cho các cầu trên đường ôtô, cầu thành phố, cầu đường sắt. cầu người đi và cầu cho nông thôn, vùng núi. Đ ặc điểm của các cầu vùng núi, n ô n g thôn là nhịp nhỏ, tải trọng nhẹ, thi công nhanh chóng, đơn giản, không cần nhiều trang thiết bị phức tạp. Khi thiết k ế các cầu dây văng phục vụ nông thôn, vùng núi cần q u án triệt các yêu cầu trên để lựa chọn vật liệu, cấu tạo và giải pháp thi công dơn giản nhất. 166
12.2.3. C ầ u d ãy v ă n g hai nh ịp Cầu dây văng cũng có thể áp dụng cho cầu hai nhịp vượt đường, qua các sông k h ôn g lớn. Cầu dây văng hai nhịp được lựa chọn chủ yếu do điều kiện địa chất, địa hình khu VƯC càu qua hoặc do vêu cầu mỹ quan quyết định. Cầu dây văng hai nhịp có thổ có các nhịp bàrig nhau, khi đó tháp cầu bố trí ở giữa, các dây vãng bò trí đối xứng qua tháp (hình 12.8), nếu cáu không có dây neo vào điểm có định là mô trụ (hình 12.8a) thì các dây văng chủ vèu chịu tĩnh tải, dầm cứng phải lớn đc chịu m ôm en do hoạt tải. Đê tăng cường khả năng làm việc của các dây thì có thể bố trí dày neo vào điểm cố định là mô trụ (hình 12.8b). Tuy nhiên do hệ đối xứng, các dây neo không chịu kéo dưới tác dụng của tĩnh tải, nên đê tránh dây chịu nén khi có hoạt tải trên một nhịp, các dây neo cần được căng trước với nội lực đủ để khắc phục lực n én lớn nhất có thế xảy ra. Biện pháp này gây khó khăn cho việc d u y trì lực căng trước trong dây neo trona suốt quá trình khai thác. Hình 12.8. Các sơ đồ cáu (lá\ vúiiiỊ hưi nhịp a) (\h i d à \ vãng luú Iiliịp klìònq có dãy neo; b) Cáu dây văng hai nhịp đôi xứnq có clâv neo vào mờ; (') Càu (láy văng hai r.hịp có tháp cứng 167
Để khắc phục nhược điểm trên thì có thể áp dụ ng hai biện pháp: - D ùng m ột tháp cứng bố trí ở giữa cầu (hình 12.8c), biện pháp này rất có hiệu quá trong việc làm tăng độ cứng của toàn hệ. - Biện pháp thứ hai là dùn g hộ hai nhịp có các nhịp không bằng nhau, trong đó nhịp lớn có số kh oang lớn hơn và không có dây neo. N hịp nhỏ có bố trí dây neo vào mô. Dưới tác dụ ng của tĩnh tải nhịp lớn gây lực căng trước dự trữ trong dâv n eo đủ để khắc phục lực nén do hoạt tải khai thác đứng trên nhịp nhỏ. M ô hình này đã được áp d ụ n g ớ nhiều nơi như cầu H untington ở bang O hio (M ỹ) (hình 12.9). I I Hình 12.9. Cầu dây váng hai nhịp củ nhịp klìôiiíị bằng nhau (cầu Huntington ở bang Ohio, Mỹ) Trong cầu dày văng hai nhịp tuỳ theo vị trí của trụ tháp, số dây văng ở nhịp biên có thể ít hơn cho dến bằng nhịp chính. Xét đặc điểm làm việc của hệ hai và ba nhịp, ta có thể xem hệ hai nhịp là nửa hệ ba nhịp, như vậy với cùng chiều cao tháp (hình 12.10) cầu dây văng hai nhịp chỉ đạt được chiểu dài nhịp bằng nửa hệ ba nhịp. Trong hệ hai nhịp còn tồn tại nhược điểm cơ bản về phân bố dây, trong đó dây văng dài nhất, và góc nghiêng nhỏ nhất (tức là độ cứng dây nhỏ) lại được bố trí vào nơi có độ võng nhỏ của dầm (gần gối), kết q u ả là làm giảm độ cứng của gối đàn hồi, dẫn đến tăng m ô m en uốn của dầm , do vậy nên tránh vì không m ang lại hiệu quả kinh tế. 168
Trorm khi đó, ứ cầu ba nhịp, các dáv văng dài nhất đưọc nố trí tại nơi dầm có đ ộ võng lớn nhất do đó độ cứng tương đổi của dây là lớn nhất, làm íĩiảm m ô m e n uốn trong dầm cứng và dây vănt; có thê phát huy hết tác dụng. Như vậv trừ trường hợp đặc biệt t ủ a các cầu vươt đương, hoặc đối với các cầu vượt sóng, do đặc điểm địa chất, dịa hình hoặc kiến trúc q u v í t định thì có thể áp dụng cầu dày văng hai nhịp. Còn trona trường hợp chung cầu dâ\ vãntỉ ba nhịp là hệ man g lại hiệu quá kinh tế kỹ thuật tốt nhất. 12.2.4. Cầu dây vãng nhiều nhịp Cầu dâv văng có thê đạt được các nhịp rất lớn. hiện nay các cầu dây văng dầm cứng bè tông cốt thép có thể đạt nhịp đến 500 H- 600m, nên thường chỉ dùng hệ ba nhịp để vượt các nhịp chính, ph ầ n c ò n lại d ù n ơ c ác nhịp cầu d ầ n là đ ủ . T u y n h iê n đối với các c ầu dài qua biển, nôi từ đảo này sang đ ả o khác, địa hình, địa chất khô ng thuận lợi cho các nhịp ngắn, hoặc khi cần tãng cường, nâng cấp cầu cũ thì có thể áp dụng sơ đổ cầu dây vãng nhiều nhịp. Các sơ đồ chính của cầu dây văng nhiều nhịp thể hiện trên hình 12.11. Nhược điếm chính cua cẩu dâv văng nhiéu nhịp là ơ các nhịp giữa không có các dây neo vào điếm cỏ định, do dó dưới tác dụn g của hoạt lải, n ỏ men trong dầm cứng lớn hơn nhiều so với hê cú đây neo. - Hình 12.1 la (rình bày cầu dây văng nhiều nhịp được xây chmg qua thung lũng Mezcala ớ Mêhicô. Cẩu gổm 5 nhịp dài 882m bố trí theo sơ đó (80 + 311 + 230 + 84 + 40)m, cấu rong 20m, tháp cao nhất 1 17m. - Để tãn° cường độ cứ ns của hệ. tạo khả năng chịu tĩnh và hoạt tải đều tốt tại nhịp giữa có thổ dùnti các tháp cứng (hình 12.1 lb). Biện pháp này m an g lại hiệu quả kỹ thuật tốt, nhưng làm tăng khối lượng công trình m óng trụ và tháp cáu do phải chịu lực ngang, - Một biện pháp dẻ được chấp nhận hơn là biến hệ nhiều nhịp thành nhiều hệ ba nhịp nôi với nhau bằng một trụ neo ch ung (hình 12.1 lc). Tuv nhiên phải bố trí thêm trụ ở giữa sông, chiều dài các nhịp không đều nhau, phá vỡ tính hài hoà, mỹ quan của hệ nhiều nhịp. Tóm lại cầu dây văng có thể làm theo sơ đồ hai. ba và nhiều nhịp, trong đó hệ ba nhịp là hệ có nhiều ưu diêm hơn cả. Trong thiêt kê nén xem xót trước tiên đên hệ ba nhịp, trong các trườna hợp đặc biệt khì cán xem xét các hê khác thì cần nghiên cứu các đặc đ iếm của từ n a trư ờ n 2 hợp và so sá n h , tu yển ch ọn trẽn c ơ sứ n h iề u m ụ c tiê u để được phương án thích hợp nhất. V í d ụ , đ ố i vớ i c ầ u q u a y s ô n g H à n , t h à n h p h ố Đ à N a n g t h ì p h ư ơ n g á n c ầ u h a i nh ịp cân b ằn g, tháp cầu c ứ n g là p h ư ơ n g án d u y nhất c h o cầ u d â y v ă n g q u a y đ ư ợ c tnhi trụ (hình 12.7). 169
Hình 12.11. Các sơ đồ cầu dây văng nhiều nhịp 12.2.5. S ơ đ ồ và sự p h â n bô d â y Trong cầu dây văng, dây đóng vai trò các gối đàn hồi của d ầ m cứng, sơ đồ và sự phân bố dây ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và các chỉ tiêu kinh t ế kỹ thuật c ủ a cầu. 12.2.5.1. Góc nghiêng dãy Về mặt lí thuyết, góc nghiêng tốt nhất của dây văng là 45° với góc ng h iê n g này, đô cứng của gối đàn hồi là cực đại. Tuy nhiên với góc 45° tháp cầu sẽ q u á cao, gây bất lợi về mặt thi công, tính thẩm m ỹ và khả năng chịu ổn định chịu nén uốn, đ ồ n g thời giá thành của dây d ầ m và tháp cũng lớn. Trên cơ sở các nghiên cứu thực n g h iệm c ũng như lí thuyết, góc nghiêng tốt nhất của dây văng thoải nhất so với phương n g a n g nên lấy trong khoảng a = 25 4- 28°. 12.2.5.2. Sơ đồ dây - Sơ đồ đồng quy. Sơ đồ dây đồng quy là sơ đồ có các dây văng qu y tụ tại m ột nút cố định trên tháp cầu, từ đó các dây toả x uố ng neo vào dầm cứng tại m ột số đi ểm , tạo thành các gối đàn hồi của dầm (hình 12.12). Trong sơ đồ dây đồng quy, các dây được liên kết cố định tại nút trên tháp cầu (kể cả dây neo), nên ứng với mọi vị trí của tải trọng, nội lực của các dây thông qua nút và dây 170
neo truycn vào dám cứng và mỏ trụ, do đó hệ có độ cứng lớn, và th áp cầu chịu m ổ m e n u ó n n h o ( k h ô n e c h ị u u ố n n ế u c h â n t h á p l i ê n kế t k h ớ p với t r ụ) . S ơ đ ồ d â y đ ồ n g q u y đ ư ợ c dùng phổ biên và hiệu quả c h o c á c cầu nhịp không lớn, ít dây, khoan g lớn, khi đó cấu tạo nút dây trên tháp-không quá phức tạp. Các cầu dây văng thê hệ đầu tiên thường dùng sơ đồ đồng quv: cầu Kiép (Ukraina) có 6 dây, cầu Saint - Nazaire có 16 dây. Ngoài ra trong c á c cầu tháp cứng, hoặc bố trí d â y kh ôn g đối xứn g qua tháp c ũng thường dù ng sơ đổ đồng quy. Tuy nhiên với cầu lớn, nhiều dây thì câu tạo nút neo dây trên tháp rất phức tạp, đạc biệl khi Iĩìỗi dây có một neo riêng liên kết với tháp. Đ ể tránh nhược điểm này, cỏ thế phân bố đéu các đâv trẽn tháp để được sơ đồ song song và rẽ quạt. - Sơ (lố som> som>. Trong sơ đổ dây song song, các dâ> vã n g ở mỗi bên tháp cẩu song song với nhau, phân hố cách đều ĩrcn Iháp và (lẩm ^1": Như vậy nổi nút chí tạp trung nhiều nhất hai dây nên cấu tạo đơn giản. Vổ inặt mỹ quan, các dây song song tạo dáng đẹp, thông thoáng và thanh thoát, tại mọi góc nhỉn đéu cảm nhận các đường nét song song và cách đều. trong khi ở các hệ khác các dây giao cắt nhau theo các đường lộn xộn (hình 12.13 a.h). Tuy nhiên vổ mật chịu lực và cấu tao, sơ đổ dáy Sony song có các nhược điếm sau: - Các dây có cù ng góc n g h iê n g so với p h ươ ng n g a n g và là gó c n g h i ê n g n h ỏ nhấ t nên giám độ cứng của các nút neo dâv. - Chí có một dây trên cùng được nối với dâv neo, còn các dây khác chỉ được liên kết với dám và tháp tại các điếm có chuyển vị dàn hổi. Chuyền vị này làm giảm độ cứng của hệ. làm lănẹ inỏinen uốn của d ẩm khi chịu tái khỏne dôi xứng. - V ề mặt cấu tạo, nếu tất cá cá c d â y liẽ n kết c ố đ in h v à o tháp, thì tháp cầ u c h ịu uốn như một dầm một đầu ngàm (chân tháp), một đầu lựa trẽn gối đàn hổi (dây neo trên c ù n 2 ) chịu các lực tập trung nằm ns an g, tác d ụ n s vào thán tháp, gây bất lợi cho một thanh chịu mômen uốn và lực nén đểu lớn. Nếu các dãv bỏ trí di độ ng trên tháp cầu thì các điếm neo dây truns gian (các dây không liên kết với đàv neo) có độ cứng nhỏ khi chịu tài trọng bấí kì. Muốn đám hảo độ cứim và đô ben của hê buộc phải tăng cường độ lớn cua dám cứng, điều này k h ố n
Để khắc phục nhược điểm trên, thường b ố trí thêm các trụ neo vào nhịp biên, biến nhịp biên thành hệ cầu dẫn (hình 12.13c). Các trụ neo phụ ở nhịp biên tỏ ra có nhiều ưu điểm đậc biệt về nhiều mặt mà ta sẽ phân tích sau. a) V « 1; 107,90 260,00 107,90 475,80 Hình 12.13. Sư đồ dây song soiìịỊ a) Sơ dồ dây song song của cầu Dusseldoiý; b) Cầu nlìiều dây SOHÍỊ S O I 1 Í’ ; c) Sơ đồ dây song song có các trụ neo phụ - Sư đồ r ẽ quạt. Sơ đồ dây hình rẽ quạt là sơ đồ trung gian giữa đồn g quy và song song, trong đ ó các dây được phân bố trên tháp cầu với khoảng cách đủ để có thể cấu tạo, lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây trong quá trình thi công. N hư vậy các dây bố trí khôn g song song với nhau để tranh thủ các góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian và tránh tối đa iháp cầu bị uốn ngang. Trong sơ đồ rẽ quạt, các dây được neo c ố định trôn tháp cầu, do đó khoảng cách giữa các điểm neo dây trên tháp thường lấy nhó nhất có thể được, tránh tháp cầu bị uốn ngang (hình 12.14). Sơ đồ dây hình rẽ quạt được dù ng phổ biến nhất cho các cầu nhịp lớn, k hoang nhỏ, nhiều dây. Tuy nhiên tro ns hệ nhiều dây kh oang dầm nhỏ, các dây văng ớ nhịp biên tại vị trí gần m ố làm việc rất kém do dây có chiều dài lớn, góc nghiêng nhỏ, lại được neo vào các vị trí dầm có độ cứng lớn (gần gối), kết quả là m ỏ m e n uốn trong dầm cứng tại khu vực này thường lớn hơn nhiều so với các khu vực khác. Để khắc phục hiện tượng này (giảm 172
mômen uốn dương cai các khoang gần mố) đồng thời tăn 11 !. cứng của các gối đàn hồi nhịp eiữa thì có thể bố trí thêm một sô' trụ neo phu. Các tru neo phụ có thể bố trí tại các nút dây nhịp biên (trường hợp khoang lớn), hoặc chi can bò' trí một vài trụ neo tại nhịp biên như cách giải quvết trong cầu T hư ợng Hải, Truna Quốc (hình 12.15). Hình 12.14. Sơ đổ bô tri dá\’ hình I ẽqiiíii a ) Dây dàv khoan ẹ nhỏ; b) Dủx ii kht nu líỊ lớn H ìn h 12.15. Sơ đ ồ ( l á y h ì n h r ẽ í / I t a ĩ c ó ! r u n e o DÌILỊ aì Cần C/IKI sónq R/ùn â Duisbourg (Đức); bì Củu 1 hiontt n ả i ( T r u n i> Quốc) Trụ neo phụ tại nhịp biên còn có tác dụng làm giám ỉ ực nén trong dây neo khi hoạt tải dứng trên nhịp biên. Giảm lực nén trong dây neo đồnạ n r h ĩa với việc đảm bảo môđun đàn hỏi cua các dây chịu nén (do hoạt tải) đỡ bị giám nhanh 1 73
Khi câu tạo thêm các trụ neo phụ, hoặc biến các nhịp biên thành cầu dẫn, cần tiên hành so sánh tổng giá thành toàn cong trình gồm kết cấu nhịp và mõ' trụ. Việc bố trí các trụ neo, tạo nhịp biên thành cầu dẫn như cầu qua sông Rhin ớ Duis bourg (hình 12.15) và cầu Norm an die là các ví dụ điển hình. Trên đây giới thiệu các sơ đồ phân bố dây thông dụn g nhất, ngoài ra còn có thể tổ hợp các hệ cơ bản trên để tạo thành các hệ liên hợp. 12.2.5.3. S ố lượng dày, chiều dài k h o a n g và chiều dài nhịp Một trong những đặc điểm về tính (ta dạng của cầu dây vãng là số lượng dây và chit 11 dài các khoang dầm. Các dây văng neo vào dầm chủ, chia dầm thành nhiều khoang, só iượng dây nhiều, chiều dài khoang giảm, m ô m e n uốn cục bộ trong pham vi khoang C Ũ I1” giảm. Khoa ng dầm nhỏ, số lượng dây Iìhiều, cấu tạo neo đơn gián, công nghệ lắp dạt dây và d ầm chủ đơn giản hơn. c-c a) B&a \° o o ị to -L . »— -40 — h t t | I 1 T i 1 4 9 3.30 4 9 3 .3 0 b) 4 4 1 .0 0 97.5 97.5 87.0 9 7 .5 1 97.5 477.0 524.9 55.0. ----------- luyiL -1 r--- llrỴlỉl —Ị---------------1 h -H — -— ||jỊj|ị -=^ ^ ịuA ịii ai Hình 12.16. Các cáu dâx \'ủỉ!íỉ khoang ỉon (ỉ) Cần Maracaiho í\ Cìỉẽi nêỉa); b) í'chi \ 'culì-EI-Kiif {ỉ.ibie) 174
Tru* )V nhừng năm 1980, khi côniỉ nuhệ thi côriS! ìúnỵ cầu đ â v vãnu chưa được áp dụna Iọnạ rãi, đã dìu V2 các khoang rai lớn. Ví du nan: \u ()2 b iáo sư M orandic người Đức đà xàv dựng thành co ng ba cấu ciâv va ng độc (láo: thứ r.hất là c ầ u M a r a c a i b ỏ ở Vênè/.ucla nhịp 235m, khoang giữa dài 76m, trong đó hai cán h hẵng dài mỗi bên 15m và dam deo dài 46m (hình 12.lỏa ); thứ hai là cáu Prnlrevera (Italia), 1967, cầu dây văng nhiều nhịp có sơ đổ (68,7 + 202.3 +207,9 + khoang dầm 73,2m; thứ ba là cáu Vadi-El-Kui' ớ Lihie, năm 1971, cẩu ba nhịp eo sơ đỏ (97.5 + 282 +9 7,5) m (hình 12.16b). 1 ỈC dieitt cùa các cáu trên là tháp cứn7 Uidtỉ/!^ ii.ilỉ i l ){> ( ' t t l )
Thực tế khi dùng các khoang nhỏ (3 -H 5)m, dầm cứng làm việc n h ư m ột d ầ m liên tực tựa trên nền đàn hồi với trị sô m ô m e n uốn do tĩnh tải hầu như k h ô n g đ á n g kể so với hoạt tải, nhất là khi thực hiện tốt việc điều chỉnh nội lực. Trên thực tế đã có nhiều cầu dây văng dầm cứng bằng bê tông cốt thé p với chiều dài khoang 3m (cầu Bario de Luna ở Tây Ban Nha). Nhược điểm của hệ dây dày khoang nhỏ đương nhiên trái ngược với hệ có khoang lớn, ờ đây việc đúc hav [ắp đặt tùng đốt dầm, từng dây văng có kích thước, trọng lượng nhỏ dễ dàng hơn, nhưng lại cần lắp đặt nhiều lần hơn và mỗi lần lại cần cãng chỉnh để khống c h ế nội lực và biến dạng trong hệ. Tuy nhiên hiện nay với kỹ thuật, công nghệ và các thiết bị hiện đại, các nhược điểm trên dần dần được khắc phục. Sau đây là chiểu dài khoang (d) của các cầu được áp dụng vào nước ta: - Cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), d = 10,4m; - Cầu Kiền (Hải Phòng), nhịp chính d = lOm, nhịp biên d = 8,5m; - Cầu Rạch Miều (Bến Tre), d = 10,4m; - Cầu Bãi Cháv (Quảng Ninh), d = 6,5m; - Cầu Cần Thơ, d = 12m. Như vậy chiều dài các khoang thường được chọn để thoả m ãn các yêu cầu về cấu tạo, chịu lực và thi công. ĐỐI với dầm cứng bằng bê tông cốt thép chiều dài khoa ng có thể chọn trong khoảng 3 ^ I2m. Các khoang như trên thường được chọn xuất phát từ khả năng về tầm với của cần cẩu hoặc chiều dài của giàn giáo treo khi thi công hẫng, từ điều kiộr. giảm m ô m e n uốn cục bộ trong phạm vi khoang. Một vấn đề cần quan tâm là định tỷ lệ chiều dài các khoang. T h ô n g thường có thể chọn các khoang dầm bằng nhau, khi đó dưới tác dụn g của tải trọng tĩnh phân b ố đều, bằng biện pháp điều chỉnh nội lưc trong thi công, có thể tạo được sự phân bô m ô m e n uốn đồng đểu trên toàn nhịp, trong đó m ô m e n có giá trị bằng m ô m e n trong d ầm liên tục nhiều nhịp iưa trên các gối cứng có chiều dài bằng khoang dầm. N h ư vậy kh oang dầm càng ngắn, rnômen nôn do tĩnh tái càng nhó (hình 12.18a) và trở thành k h ông đá ng kể đối với các cầu nhịp lớn. Ý tướng dổn toàn bộ tĩnh tải cho dây chịu trong cầu treo dây võng cũng thành hiên thực trong cầu dây vãng. Trên hình 12.18b thể hiện biểu đồ bao m ôm en do tĩnh và hoạt tải, d ạng răng cưa trên đường bao thể hiện giá trị mômen uốn cục bộ trong phạm vi kho an g dầm . Với các dám cứng đủ lớn để chịu đươc mỏ men uốn tổng thể do tải trọng thể hiện trên đường bao thì giá trị cục bộ quá thât không đáng kể M ôme n uốn tổng thể do tĩnh tải đã được triệt tiêu trong điều chinh nội lực. Cầu dây vãng là hê không có lực đẩy ngang tác dụng vào nền đất, toàn bộ lực ngang trong dây đều truyền vào dầm cứng. Vậy dầm cứng trong cầu dây văng ngoài chịu uốn 176
còn chịu ncn. Dưới tác dụng của tĩnh tài và lực điều chinh, thàn h phần thẳng đứng của nội lực dày gần như hằng nhau (trường hợp khoang dầm háng nhau) và bằng (gxd), với g, d lán lượt là cường đô tải trọng lĩnh phân bố đều và chiều dài k hoang dầm. Lực dọc trong dám có giá trị lớn nhất tại khoang giáp tháp cầu, giảm dần theo d ạng bậc thang và gần hằng không tại khoang giữa (hình 12.18a) (nếu khôns kể độ cứng chịu uốn của tháp). Vậy Irong hệ khoang nhỏ, dưới tác dụng của tĩnh tái, d á m cứng chủ yếu chỉ chịu nén. Trị số môinen uốn do hoạt tải sẽ: - Tý lệ thuận với độ cứng chịu uốn cúa dầm EI; - Tỷ lệ nghịch với độ c ứ ns chịu kéo của dây EA; - Tỷ lệ thuận với chiều dài d â y s; - Cách liên kết của dàv neo (có neo vào điểm cô' định khỏno ?). b) I I i n h 1 2 .1 8 . c 'át' cỉụH íị Ì)ìẻị( d o m ô ììteiĩ Lion , lự c ii< í ' J n íĩn h ỉủ i và (Ịư ờ n ;> b a o m ôììĩC ỉì tr o n g d ầ m c ử n y c ũ n (ỉứv (ỉ) B i ê u d ỏ n ừ m e n l i ổ n vả lực d ọ c ; b ) b í c h d u ìh to m n ỉ ì i e n Troníĩ hệ cỉàv íl khoang lớn, mỏrncn uốn thườne có iỉia [rị lớn nhất ở khu vực giữa nhịp chính, còn ưonụ hệ nhiều dây, khoang nhỏ thỉ mỏm en Lốn lớn nhất lại xuất hiện ở n h ịp b icn , khu vưc ẹán 1 1 ÌỐ cáu, nơi có d âv văn g dài lạ i bo f ì 1 \ ào v ị t r í d ầm cỏ độ võ ng 177
nhỏ nhất (gần m ố cầu) nên dây làm việc rất ít, dầm chủ phải chịu hầu hết tải trọng trong khu vực. Do dó trong nhiều trường hợp để giảm m ô m e n uốn ở nhịp biên có thể bố trí thêm các trụ neo phụ. Số lượng trụ neo phụ có thể chọn một n h ư cầu Elorn (Pháp), cầu Thượ ng Hải (Trung Quốc), cầu Bãi Cháy, cầu Cần Thơ, hai, hoặc nhiều trụ để biến thành hệ cầu dẫn như cầu No rm an die (Pháp). Việc bố trí thêm các trụ neo phụ ở nhịp biên chẳng nhữ ng cải thiện sự phân bô m ô m e n trong dầm cứng, tăng độ cứng toàn hệ, giảm lực nén trong dây neo m à còn tạo thuận lợi cho việc thi công dầm từ hai m ố vào nhịp giữa. Th ôn g thường ch ọn các kho an g có chiều dài bằng nhau. Khi dù ng hệ nhiều dây, khoang nhỏ, thì do ảnh hưởng của gối cứng, các dây văng kề tháp chịu lực rất ít, đ ổ n g thời m ô m e n uốn dương trong khu vực lại nhỏ, m ô m e n âm trên gối cứng tại tháp lại lớn, do đó có thể chọn các khoang kề tháp lớn hơn các khoang còn lại. Việc định chiều dài khoang dầm kề tháp của các cầu đã xây dựng rất khác nhau, nhiều cầu ch ọn các khoang bằng nhau, nhiều cầu chọn khoang kể tháp rất lớn. K hoa ng kể tháp còn do độ lớn d ầ m quyết định, nếu dầm đủ lớn để có thể chịu được m ômen , lực dọc thì nên chọn khoang kề tháp gấp 1 4- 2 lần khoang tiêu chuẩn. Sau đây là chiều dài của các kh oang kề tháp dị được áp dụ ng vào các cầu ở nước ta: - Cầu Mỹ Thuận, dị = 1,4 dchujn = 14, 6m; - Cầu Kiền, d, = 1,35 d ehlliin = 13,5m; - Cầu Bãi Cháy, d, = 5,38 dchuẩn = 35m; - Cầu Cần Thơ, dị = 1,66 đ chuà’n = 20m. Riêng cầu Bãi Cháy, vì là hệ một mặt phẳng dây, dầm cứng rất lớn nên chiều dài khoang kề tháp có thê chọn lớn hơn các cầu hai mặt phẳng dây. Hình 12.19. Các sơ dồ cấu dây vâng hệ nôi 178
Lại có phương án thay gối cứng trên trụ tháp bằng một dâv vãng thẳng đứng tạo thành một gối đàn hồi (hình 12.19). Sơ đồ này gần giống như 'o à n bộ d ầ m cứng được đặt trên các phao nên mang tên là “sơ đồ nổi” . Trong sơ đồ nổi n^oài hai gối c ố định đặt tại hai mô' hoạc trụ biên, toàn nhịp được đ ờ bầng các dây văng (các gối đàn hồi), tránh được sự thay đổi đột ngột độ cứng các gối tựa, do đó sự phàn bỗ r n ỏ m e n trên toàn cầu đồng đểu hơn, tránh các đột biến môinen và lực cắt khi qua các eôì cứng. Sơ đ ồ cầu dây văng hệ nổi còn có ưu điểm giảm chấn đo đ ộng đất. T ron 5 khi các khoang kề tháp chịu lực nén cực đại, thì các lchoang giữa nhịp lực nén lại bằng không (với điều kiện dầm liên tục giữa hai m ố và bỏ qua độ cứng chịu uốn của tháp cẩu) do đó với dầm cứnR bằng bê tông cốt thép thì do k h ông chịu lực nén nên khoang giữa lại chọn nhỏ hơn (0,7 -ỉ- 0,8) lần nhưng vẫn đám bảo điều kiện hợp long. Cũng có thể chọn khoang giữa lớn hơn cá c khoang chuấn, khi đó ứng suất kéo trong dầm được giải quyết bằng các bó cáp d ự ứng lực. 12.2.5.4. Sô mặt p hang dây và các d ạ n g tháp cầu Trong cầu dây văng, số mặt phẳng dây và cấu trúc tiết diện n g a n g hệ mặt cầu thường quan hệ chặt chẽ với nhau. Cầu dây vãng cung có thể xem là cầu giàn đường xe chạy dưới, trong đó độ lớn của hệ mật cầu phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai giàn chủ. a) b) c) Hỉnh 12.20. Các mặt phẳnẹ dây irên mặt cất ngang a) Cầu có hai mặt piiẳng dây; b) Cẩu có ba mật phổng dây; c ) Chia thành hai cấu, mối cầu hai mát ph.ini’ dáy 179
Với các cầu có chiều rộng trung bình khoảng 10 ^ 20m, thường ch ọn hai m ật phảng dây bố trí thẳng hoặc xiên tạo thành hai giàn chủ riêng biệt, mỗi giàn gồm các d ây văng chịu kéo và dầm cứng chịu nén uốn và một hệ mặt cầu nối hai dầm chủ (hình 12.20a). Với cách giải quyết như vậy, các bộ phận của hệ mặt cầu làm việc độc lập với nhau, hệ dầ m dọc phụ, dầm ngang và bản không tham gia làm việc với d ầ m chủ. Tuy nhiên khi chiều rộng cầu lớn nh ư trong nhiều cầu hiện đại có chiều rộng tới 30 -r 60 m, nếu dùn g hai mặt phẳng dây thì hệ dầm mặt cầu sẽ rất lớn và nặng nề, khi đó có thể bố trí ba bốn mật phẳng dây (hình 12.20b), hoặc chia thành hai cầu độc lập, mỗi cầu có hai mặt phẳng dây đứng song song (hình 12.20c). Hệ có hai hoặc nhiều mặt phẳng dây chắn g những làm nhẹ hệ mặt cầu m à còn tạo khả năng ch ống xoắn tốt, nên có thể không cần đến dẩm cứng có độ cứng chống xoắn lớn (tiết diện hộ p có chiều cao lớn). Các mặt phẳng dây bố trí thẳng đứng tạo đơn giản cho việc định vị neo trong quá trình thi công, các mặt phẳng dây bố trí xiên (hình 12.21) tạo cho hệ chịu lực ngan g và làm việc không gian tốt hơn, ví dụ khi có tải trọng lệch tâm trên nhịp giữa thì cả hai giàn dây nhịp biên cùng tham gia chịu lực, trong khi giàn dây thắng đứng thì các giàn luôn làm việc độc lập. Hình 12.21. Hai mật ị. íiắtig dáx b ổ trí xièỉì 180