Kỹ thuật thiết kế cầu thép: Phần 1

Chia sẻ: Lê Thị Na | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:156

Thêm vào BST

Báo xấu

235
lượt xem 113
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nội dung cơ bản của Tài liệu “Thiết kế cầu thép” được biên soạn dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 của Việt Nam, Tiêu chuẩn AISC, Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2005 của Hoa Kỳ và một số Tài liệu tham khảo khác. Tài liệu gồm 6 chương, phần 1 sau đây gồm nội dung 4 chương đầu. Mời bạn đọc tham khảo.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Kỹ thuật thiết kế cầu thép: Phần 1

TS. NGUYỄN XUÂN TOẢN - ThS. NGUYỄN v ă n mỹ THIẾT KẾ CẦU THÉP NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG HÀ N Ộ I-2010
L Ờ I N Ó I Đ Ầ U Trong những năm gần đây cùng với sự p h á t triển của khoa học và công nghệ, lĩnh vực xây dựng cầu ở nước ta củng liên tục p h á t triển theo hướng công nghiệp hoá và hiện đại hoá. Các công nghệ xây dựng cầu thép, cầu nhịp lớn ngày càng được hoàn thiện và triển khai ứng dụn g rộng rãi trên ph ạm vi cả nước. Đăc biệt công nghệ chê'tạo thép hợp kim, thép cường độ cao p h á t triển đã thúc đ ẩ y khả năng ứng dụng kết cấu thép nòi chung và cầu thép nói riêng vào xây dự ng ngày càng phô biến ở nước ta. C ùng ƯỚI sự gia nhập WTO và hội nhập với các nước p h á t triển trên thê giới, Việt N a m cũng áp dụng nhiều tiêu chuẩn thiết k ế và xây dựng khác, nhau tùy thuộc vào dự án và nguồn vốn đầu tư. Đê đáp ứng nhu cầu của độc giả, đặc biệt là sinh viên chuyên ngành cầu hầm, cầu đường trong các trường đại học, cao đẳng, trung cấp, chúng tôi biên soạn cuốn "Thiết k ế cầu thép" với nội dung dựa trên Tiêu chuẩn thiết k ế cầu 22T C N 272-05 của Việt Nam, Tiêu chuẩn AISC, Tiêu chuẩn A A SH T O LRFD 2005 của Hoa Kỳ và một s ố tài liệu tham khảo khác. N ội dung cơ bản của cuốn sách này bao gồm sáu chương như sau: Chương 1: Giới thiệu chung về cầu thép Chương 2: Vật liệu thép Chương 3: Cơ sở thiết k ế cầu thép Chương 4: Liên kết trong cầu thép Chương 5: Thiết k ế cầu dầm thép Chương 6: Thiết k ế cầu dàn thép Trong mỗi chương được biên soạn gồm ph ần lý thuyết kèm theo ví dụ tính toán áp dụn g đê độc giả d ễ tiếp cận và áp dụn g vào thực tế. Tác g iả bày tỏ lòng biết ơn đến các đồng nghiệp trong bộ môn c ầ u H ầm trường Đ ại học Bách Khoa - Đ ại Học Đ à N an g đã tạo điều kiện hoàn thành tài liệu này. Do trình độ có hạn và biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi thiếu sót và nhầm lẫn, rất m ong độc giả đóng góp ý kiến đ ể chúng tôi hoàn thiện cho lần tái bản sau. C á c tá c g iả 3
C hương I GIỚI THIỆU CHUNG VỂ CÂU THÉP 1.1. KHÁI NIỆM CHUNG C ô n g trình cầu nói chung được xây dựng hầu hết trên các tu y ến g ia o th ôn g đ ư ờ n g bô và đ ư ờ n g sắt để vư ợ t qua các chư ớng ngại vật tự nhiên như sô n g , su ố i, k ênh, rạch, đầm lầy, k h e s â u ... hoặc các chư ớ ng ngại vật nhân tạo như các c ô n g trình đư ờ n g bộ, đư ờ n g sắt, k iến trúc khác được xây dựng ở bên d ư ớ i... T ron g đó cầu thép là loại cầu m à kết cấu chịu lực chính chủ y ế u đư ợ c làm bằng vật liệu thép. C ho tới nay cầu thép là loại cầu được sử dụng rộn g rãi nhất ch o các cầu nhịp trung và nhịp lớn do tính chất ưu việt của vật liệu thép. Đ ặc biệt n gày nay thép cò n đư ợc thêm v à o các thành phần kim loại quí khác để tạo ra nhữ n g loại thép hợ p kim c ó tính năng rất tốt, đặc biệt các chỉ tiêu c ơ học rất cao và có khả năn g c h ố n g rỉ tốt hơn, do vậy th ép n g à y cà n g trở nên quan trọng, nhất là khi xây dựng các cầu vư ợ t nhịp lớn. D o thép là vật liệu dẳng hướng và có độ bền cao khi chịu m ọi trạng thái ứng suất như k é o , n én, u ốn , x o ắ n ... nên c ó thể dùng cho tất cả các loại cầu khác nhau. Đ iề u này đã tạo n ên sự đa dạng và phong phú cho cầu thép như: cầu dầm , cầu g iàn , cầu v ò m , cầu treo, cầu d ây v ă n g , cầu khung và hệ liên h ợ p ... Đ ặ c b iệt thép cư ờ n g đ ộ cao có khả năng chịu k éo rất tốt nên áp d ụ n g rất h iệu quả trong cầu treo, cầu dây văng, cầu thép dự ứng lực, cầu v ò m có thanh c ă n g ... giảm đư ợ c kh ối lư ợ n g kết cấu, tiết k iệm vật liệu , tiết kiệm thép, vượt đ ư ợ c nhịp lớn. Đ iể n hình là cầu treo A k a sh i K aikyo ở N hật vượt nhịp 1991m . T h ép vừ a c ó độ bền cao vừa có tính d ẻo nên các liên kết đư ợ c cấu tạo khá đơn giản, sản xuất và lắp ráp khá dễ dàng. Đ iều này đặc biệt lợi thế v ớ i cầu nhịp lớn , v ì trong cầu nhịp lớ n c ó thể phân thành các phân tố kết cấu có kích thư ớ c và trọng lư ợ n g phù h ọp v ớ i c ô n g n g h ệ thi c ô n g , để v iệc vận ch u yển và lắp ráp được dễ d à n g thuận lợi. Đ iề u này c ũ n g g iú p phát huy tối đa khả năng tiêu chuẩn hoá, định hình h oá và c ơ g iớ i h oá từ khâu sản xuất kết cấu trong nhà m áy đến khâu vận chu yển và lắp ráp n go à i hiện trường do v ậ y giả m đư ợ c thời gian và chi phí xâ y dựng. T h ép vừ a c ó tính d ẻo vừ a có tính đồn g nhất cao nên sự phân bố lại ú n g suất biến d ạn g rất tốt, có khả năng chịu lực cụ c bộ tốt, chịu tác đ ộn g của cá c tải trọng đ ộ n g tốt. T h ép c ó đ ộ cứ n g khá lớn góp phần tăng sự ổn định của kết cấu, đặc biệt trong kết cấu ch ịu nén , nén uốn đồn g thời. 5
c ầ u th ép c ó n h iều ư u đ iểm son g cũng tồn tại m ột số nhược đ iêm lớn cần cân nhắc khi áp dụng: - G iá thành c ủ a th ép k há cao dẫn tới chi phí cho vật liệ u làm cầu thép cao. - T h ép th ư ờ n g g ỉ m ạnh trong m ôi trường k hôn g khí ấm . axit, m u ố i... giảm tuổi thọ c ô n g trình. - C hi phi d u y tu, b ã o d ư ỡ n g, sơn sửa định kỳ cao. - N h ữ n g n g h iê n cứ u đ ể khắc phục các nhược điểm trên đã được triên khai như: - S ử d ụ n g th ép c ư ờ n g đ ộ cao để giảm khối lượng và chi phí. - D ù n g thép h ọ p k im k hôn g gỉ, thép mạ, thép tôi, sơn phủ bảo vệ bằng sơn chống g i . .. N h ìn ch u n g cầu th ép rất đa dạng, phong phú, kết cấu thanh m ành, vượt được nhịp rất lớ n , thờ i g ia n thi c ô n g nhanh, chi phí trong thi cô n g rẻ so n g chi phí vật liệu và chi phí tron g khai thác khá c a o (ch i phí sơn, sữa, bão dư ỡ ng c ầ u ...) vì vậy, khi lựa chọn p h ư ơ n g án cầ n c ó cân n h ắc k ỹ lưỡng: - G iá thành x â y d ự n g ban đầu. - C hi phí khai thác (chi phí sơn ,sữa, bão dưỡng cầu. - Q ui m ô dự án, k hả n ăn g xây dựng, tiến độ xây dựng. - T á c đ ộ n g củ a m ô i trường. - T u ổ i thọ c ô n g trình. - M ỹ quan, M ộ t số hình ảnh v ề câ u thép đã được xây dựng trong nước và trên thế giới: Hình 1.1. Cầu qua vịnh Forth - Scotland, nhịp chính 52ỉm (1890) 6
Hình 1.2. Cầu Quebec - Canada, nhịp chỉnh 549m (1917) H ĩnh 1.3. Cầu Sydney - Australia, nhịp chính 503m (1932) H ình 1,4. Cầu Rio Antirio - Hy Lạp, nhịp chính 560m (2004) 1
Hình 1.5. cầw Normandie - Pháp, nhịp chính 856m (1995j Hình 1.6. Cầu Tatara - Nhật Bàn, nhịp chính 890m (1999) Hình 1.7 . c ầ w Golden Gate - Mỹ, nhịp chính 1280m (1937) 8
H ĩnh 1.8. CầuAkashi Kaikyo - Nhật Bàn , nhịp chỉnh 199ỉm (1998) Hình 1.9, Cầu Long Biên - Hà Nội (1902) Hĩnh 1.10. Cầu Hàm Rồng - Thanh Hoá (1904)
Hình 1.11. Cầu Hàm Rồng - Thanh Hoá (1964) Hình 1.12. Cầu Tràng Tiền - Huế ( ỉ899) H ình L i 3. Cầu Thăng Long, 2 tầng, dài 3500m - Hà Nội (1985) 10
Hình 1.14. Cầu sông Hàn - Đà Nằng (2000) Hình L I 5. Cầu Bính - Hài Phòng (2005) H ình 1.16. Cầu Thuận Phước - Đà Ncmg, nhịp chính 405m (2009) 11
1.2. CÁC HỆ THỐ NG c ơ BẢN CỦA CẨU THÉP T h ép là vật liệ u đẳng huớ ng v à c ó đ ộ bền ca o khi ch ịu m ọ i trạng thái ứng suất - b iển dạng nên đã tạo ra sự đa dạng v à p h o n g phú v ề c h ủ n g loại, k iểu d án g kiến trúc, sơ đồ kết c ấ u ... sơ b ộ dựa trên đặc đ iểm cấu tạo và s ơ đ ồ kết cấu có thể phân loại cầu thép thành các h ệ th ố n g c ơ bản như sau: - C ầu dầm thép. - C ầu dàn thép. - C ầu v ò m thép. - C ầu khung. - C ầu treo. - C ầu dây văn g. - C ầu liên hợp. K ết quả th ốn g kê ch o thấy phạm vi ch iều dài nhịp kinh tế đư ợ c áp dụn g trong các hệ th ốn g cầu n ói trên c ó thể tham khảo trong bảng 1.1. C h iều dài nhịp của các hệ thông cầu trên thực tế c ó thể lớn hơn n h iều so v ớ i các trị số gh i trong bản g 1 , so n g th eo các nhà ch u y ên m ôn phân tích sẽ k hôn g m ang lại h iệu quả k inh tế v à trong n h iều trường hợp chi phí rất tốn kém nên cần cân nhắc k ỹ lư ỡ n g trước khi q u yết định lựa ch ọ n ph ư ơ n g án kết cấu cầu sao ch o phù hợp vớ i các m ục tiêu của dự án. Bảng 1.1. Phạm vi chiều dài nhịp kinh tế được áp dụng trong các hệ thống cầu [9| Hệ thống cầu Nhịp kinh tế (m) Cầu dầm nhịp đơn giản đến 30 Cầu dầm liên tục có chiều cao không thay đổi đến 120 Cầu dầm liên tục có biên dưới gãy khúc hoặc cong 50 - 200 Cầu dầm khung 40 - 200 Cầu dầm hộp liên tục 100 - 2 5 0 Cầu dàn đơn giàn 3 0 -1 5 0 Cầu dàn liên tục 1 5 0 -4 0 0 Cầu dàr. mút thừa 250 - 550 Cầu vòm 200 - 500 Cầu dây văng 250 - 600 Cầu treo dây võng 350 - 1300 1.2.1. Cầu dầm Đ ư ợ c sử dụn g phổ b iến nhất trước đây v à đến nay vẫn c ò n đư ợc áp dụng. Đ ặc diêm ch u n g của cầu dầm là: 12
- D ư ớ i tác dụn g của tài trọng thẳng đứ ng, áp lực lên m ổ v à trụ chỉ tồn tạithành phần th ẳng đ ứ n g, nên kích thư ớc m ổ trụ tương đối nhỏ so v ớ i cầu v ò m , khu ng... - C ấu tạo khá đơn giản , dễ tiêu chuẩn hoá và định hình h oá kết cấu nên có thể sản xuất hàng loạt trong nhà m áy v ì vậy giảm đư ợc chi phí sản xuất. - T hi c ô n g tư ơn g đối đơn giản, tiến độ thi c ô n g nhanh. - N h ư n g cầu dầm th ư ờ n g tốn vật liệu hơn so vớ i các loại cầu khác như cầu dàn, k h u n g, v ò m , treo, liên h ợ p ... nhất là khi c h iều dài nhịp lớn. - Cầu dầm thép liên tục c ó thể đạt nhịp 2 0 0 -3 0 0 m . - T h ư ờ n g áp dụng cho các cầu nhịp nhỏ và vừa, phạm v i áp dụn g có h iệu qua (x em bản g 1 . 1 ). - Cầu dầm thép c ó thể làm theo sơ đồ dầm đơn g iản , liên tục hoặc m út thừa (x em hình 1.17). a) Cầu dầm đơn giản b) Cẩu dắm liên tục c) Cầu dầm mút thừa Hình ỉ. 17. Cúc sơ đồ cầu dầm thép 1.2.1.1. Cầu dầm đơn giản ư u điềm: - K h ôn g phát sin h nội lực phụ do lún lệch của m ố trụ cầu, do thay đổi nhiệt đ ộ... - K ết cấu đơn giản , dễ định hình hoá, tiêu chuẩn h oá có thể sản xuất hàng loạt trong nhà m áy vì vậy giảm đư ợc chi phí sản xuất. - Hư h ỏ n g cụ c bộ k hôn g ảnh hường đến toàn cầu. Nhược điếm: - K êt câu nặn g nề và tốn thép hơn so v ớ i cầu dầm liên tục và m út thừa. - Kêt câu trụ lớn hơn so với cầu liên tục và mút thừa do trụ phải dở hai hàng gối lệch tâm. - Đ ư ờ n g đàn hồi k h ôn g licn tục nên x e chạy qua cầu k h ôn g êm thuận. 13
Phạm vi áp dụng: - T ốt nhất nên áp dụn g khi nhịp dưới 3 0 m , có thể đạt nhịp 50m . - Á p dụn g ch o m ọi loại địa chất, nhưng th ư ờ n g dùn g nhiều trong điều kiện địa chất yếu. 1.2.1.2. Cầu dầm liên tục: N gư ợ c lại so với cầu dầm đơn giản, nó có đặc điểm như sau: ư u điêm: - K et cấu thanh m ảnh, g ọ n nhẹ và tiết k iệm thép h ơ n so vớ i cầu dầm đơn giản. - K ết cấu trụ nhỏ hơn so v ớ i cầu dầm đơn giản do trụ chỉ d ỡ m ột hàng g ố i đúng tàm. - Đ ư ờ n g đàn h ồi liên tục nên x e ch ạ y qua cầu rất êm thuận. - v ề p h ư ơ n g d iện thi côn g: có thể áp dụn g c ô n g n gh ệ thi c ô n g tiến tiến như cô n g n gh ệ lắp hẫn g từ ng m ôđul nên có thể xây d ự n g đ ư ợ c cầu vư ợ t nhịp lớn hơn cầu dâm đơn giản. Nhược điêm: - Phát sinh nội lực phụ do lún lệch của m ố trụ cầu, thay đổi nhiệt độ, điều chính nội lự c ... - V ớ i cầu có b iên thay đ ổ i thì kết cấu phức tạp, k hó định hình hoá và tiêu chuấn hoá hơn cầu đơn giản nên chi phí sản xuất và x â y lắp hơi cao, - H ư hỏng cục bộ ảnh hưởng đến toàn cầu. Phạm vi áp dụng: - Có thế áp dụng cho nhịp 30-300m, phạm vi áp dụng có hiệu quà (xem bảng 1.1). - Á p dụn g phù hợ p nhất ch o v ù n g có địa chất tốt. - C ó thể áp dụn g ở v ù n g c ó địa chất k h ôn g đ ư ợ c tốt n h u n g phải sử d ụ n g m ón g sâu dề hạn ch ế độ lún của m ố trụ. 1.2.1.3. Cầu dầm m ú t thừa: v ề c ơ bản khắc phục được những nhược điểm của cầu dầm đơn giản và liên tục, phát huy được ưu điểm của hai hệ trên và nó có đặc đ iểm như sau: Ưu điểm: - K et cấu thanh m ảnh, g ọ n nhẹ và tiết k iệm thép hơn so v ớ i cầu dầm đơn giản. - Ket cấu trụ nhỏ hơn so với cầu dầm đơn giản do trụ chỉ dỡ m ột hàng gối đúng tâm. - K h ô n g phát sin h nội lự c phụ d o lún lệch của m ố trụ cầu, d o thay đ ổi nhiệt đ ộ ... - H ư hỏng cục bộ của nhịp đeo không ảnh hưởng đến toàn cầu. - v ề p h ư ơ n g d iện thí côn g: c ó thể áp d ụ n g c ô n g n gh ệ thi c ô n g tiến tiến như cô n g n gh ệ lắp hẫn g từng m ôđul n ên có thể xây d ự n g đ ư ợ c cầu vư ợ t nhịp lớn hơn cầu dầm đơn giản. Nhược điêm: - Đ ư ờ n g đàn hồi k h ôn g liê n tục, đặc biệt bị gãy khúc tại vị trí nối tiếp giữ a dầm đeo và dầm ch ín h g â y x u n g kích lớn khi x e qua cầu. Đ â y cũ n g là nhược đ iểm lớn nhất cùa cầu dầm m út thừa, nó làm giảm khả năng ứ ng d ụ n g trên các tuyến đ ư ờ n g cấp cao và đ ư ờ n g ca o tốc. 14
- V ớ i cầ u c ó b iê n thav đ ổ i thì kết cấu phức tạp, khó định h ìn h hoá và tiêu chuân hoá hơn cầu đ ơ n giản n ên chi phí sản xuất hơi cao. - H ư h ỏ n g cục bộ của dầm chính ảnh hưởng đến toàn c ầ u , Phạm vi áp dụng: - C ó thể áp d ụ n g ch o nhịp 5 0 -2 0 0 m , phù hợp vớ i m ọi loại đ ịa chất, - Hạn c h ế sử d ụ n g trên các tuyến đường cấp cao v à đ ư ờ n g ca o tốc. 1.2.2. Cầu dàn a) Dàn VVarren đi dưới b) Dàn VVarren có thanh đứng i / c) Dàn Warren đi trên \Ị d) Dàn Patt đi trèn [ 1 e) Dàn Pratt đi dưới t f) Dàn K đi dưới \ \ / Í7 l \| g) Dàn Parker đi dưới h) Dàn Hawe đi dưới i) Dàn Warren kép Ịỵ \Ị j) Dàn Baltimore đi dưới 'V T k) Cầu dàn liên tục đi dưới biên song song biên dong Hình 1.18. Cúc sơ đồ câu dàn thép 15
T h ư ờ n g đư ợ c sử d ụ n g khi vư ợ t nhịp lớn hơn so v ớ i cầu dầm . c ầ u dàn thép tiết kiệm vật liệu hơn cầu dầm v ì các thanh chịu lực d ọc là chủ yếu , biểu đồ ứng suất phân bố đều trên toàn tiết diện nên tận d ụ n g tối đa khả năng làm v iệ c cùa vật liệu. Đ ặc biệt trục cá c thanh dàn năm cá ch xa trục trung hoà của hệ nên tăng khả năng chịu lực cùa c ả hệ thông lên gấp n h iều lần so vớ i cầu dầm có cù n g trọng lư ợ n g. - C ũng như cầu dầm , cầu dàn chỉ truyền áp lực đứng lên m ố và trụ, nên kích thước của m ố trụ tư ơn g đối nhò. - D ễ tiêu chuẩn h oá và định hình hoá cho toàn bộ kết cấu cũ n g như ch o từng phùn tố kết cấu nên có thể sản xuất hàng loạt trong nhà m áy rồi m an g ra lấp ráp tại c ô n g trường vì vậy giảm đư ợ c chi phí. - Thi c ô n g khá thuận lợ i, d o các phân tố kết cấu c ó kích thước và trọng lư ợ n g không lớn nên chỉ cần thiết bị cẩu lắp nhỏ gọn so n g thời gia n kéo dài do phải lắp ráp nhiều chi tiết h on cầu dầm . - M ặt cầu có thể bố trí đi trên (x em hình 1 .1 8 .c ,d ), đi dưới (x e m hình 1 .1 8 .a ,b ,e ,f...) h oặc đi giữa. - C ũng như cầu dầm , c ó thế làm cầu dàn đ on g iản , liên tục, m út thừa, về đặc điểm cúa các sơ đồ n ày tư ơ n g tự như đã trình bày trong phần cầu dầm nhưng có phạm vi áp dụn g lớn hơn. Phạm vi áp dụn g c ó hiệu quá (x em bảng 1.1) - C h iều dài nhịp áp d ụ n g khá p h ố biến 6 0 -1 5 0 m , c ó thế đạt nhịp 550m . - Điển hình là các cầu Forth (1 8 % ) của Scottland l = 521 m , cầu Quebec (1917) cúa C anada / = 5 4 9 m , cầu M in ato-O h ash i của N hật / = 51 Om. 1.2.3. Cầu vòm / Thanh treo Vòm chủ Đường xe chạy dưới T 7 r— Đường xe chạy trên Thanh chống Đường xe chạy giữa — Thanh treo //... Hình 1.19. Các sơ đồ câu vòm thép 16
T rước k ia th ư ờ n g dùn g để vượt nhịp lớ n , ngày nay áp dụn g phổ biến v ò m ố n g thép n h ồi b ê tông. Đ ặ c đ iểm của cầu v ò m là có lực đẩy n gan g do đó m ố trụ thư ờ ng có k ích thước lớn. Ở n h ữ n g nơi địa hinh, địa chất thích hợp thì cầu v ò m rất kinh tế, th ư ờ n g làm cầu bấc qua khe, q ua suối có địa chất hai hên đều tốt. C ầu v ò m khó định hình hoá và tiêu chuẩn hoá k ích thước. T h ư ờ n g làm cầu vò m 1, 2 h o ặ c 3 khớp. M ặt cầu có thể đi trên, đi dư ớ i, đi giữ a (x e m hình 1.19). Á p dụng hiệu quả v ớ i nhịp 2 0 0 -5 0 0 m . C ác cầu v ò m thép dài nhất về nhịp là cầu v ịn h S v d n ey (1 9 3 1 ) củ a A ustralia / = 5 0 3 m . C ầu B a y o n n e (1 9 3 1 ) của M ỹ / = 504m . c ầ u F a y e tte v ille (1 9 7 7 ) của W est v ir g in ia M ỹ l = 518m . 1.2.4. C ầu khung C ầu khu ng thư ờ ng là hệ siêu tĩnh nên hầu như k h ô n g đư ợc sử dụn g trong điều kiện đ ịa chất xấu . K hi vượt nhịp lớn các chỉ tiêu kinh tế v à kỹ thuật k h ôn g c ó gì ưu v iệt so v ớ i các loại cầu khác nên loại cầu này ít được áp dụng. T u y nhiên, cầu khung có độ c ứ n g lớn v ớ i k ết cấu thanh m ảnh, kiểu dáng kiến trúc đẹp hơn so v ớ i cầu dầm nên có thể áp d ụ n g c h o m ột số cầu vưựt qua đ ư ờ n g giao th ôn g hoặc cầu vư ợ t qua các khe sâu c ó đ ịa hình d ố c , địa chất ổn định. Đ ố i v ớ i cầu ô tô có áp dụng hệ liên h ọ p khung dầm có kết hợp đ iều ch ỉn h ứng suất đạt hiệu q uả kinh tế tốt và có thề vượt nhịp tới 2 0 0 m hoặc hơn. C h iều dài nhịp áp dụng h iệu quà (x e m bảng 1 . 1 ). khung có trụ xiên I I 12223 ^ E Z2 b) Cầu khung có trụ thẳng Hình 1.20. S ơ đồ cầu khung thép 1.2.5. C ầu treo và cầu dây văng T h ự c ch ất đây cũ n g là m ột dạng liên hợp giữ a dầm và dây, dầm cứ n g n g o à i các đ iểm tựa trên g ố i cò n đư ợ c các dây treo đỡ nên dầm trở nên rất thanh m ảnh và có trọng lư ợng rất bé. C ầu treo có cá c chỉ tiêu kinh tế ca o nhất, chi phí vật liệ u thấp nhất trong các lo ại cầu. 17
c ầ u treo dây võng: (xem hình 1.21) C ầu treo có dây cáp ch ủ hình parabon hay cò n g ọi là cầu treo d ây v õ n g thường áp dụng khi vư ợ t nhịp lớn và rất lớn tới hàng ngàn m ét. N h ư ợ c đ iểm chính của loại cầu n ày là độ cứ n g b é, chi phí xây d ự n g m ổ n eo thường rất lớn. T u y nhiên ớ nhữ n g nơi có đ ịa hình và địa chất thích hợp thì loại cầu này rất kinh tế. Tháp cấu Hình 1.21. Sơ đô câu treo dây võng (Parabon) K et cấu chịu lực chính củ a cầu treo là các dây chỉ ch ịu k éo n ên th ư ờ n g làm b ằn g thép c ó cư ờ n g đ ộ rất ca o ( 1 8 0 0 -2 0 0 0 M P a), vì vậy hiệu quả kinh tế rất lớn. Cầu treo dây v õ n g có thể vư ợ t đư ợc nhịp 1 9 0 0 m hoặc hơn, kinh tế v ớ i nhịp 3 5 0 -1 3 0 0 m . M ột số cầu rất nổi tiến g trong nửa thế kỷ 2 0 v ề trước: G o ld en gate (1 2 S 0 m ) năm 1937 ở M ỹ , nhữ n g thập kỹ gần đây: H um ber (1 9 8 1 ) ờ A n h / = 1 4 1 0 m , G reat B e lt East (1 9 9 7 ) Đ an M ạch / = 1624m , A k a sh i-K a ik y o (1 9 9 8 ) N h ật / = 1991m . Cầu dây văng: (x em hình 1 . 2 2 ) Cầu dây v ăn g có đ ộ cứ n g lớn hơn cầu treo dâv v õ n g , có khả năng vư ợ t nhịp rất lớn tới hàng ngàn m ét m à k h ôn g cần m ố n eo nên chi phí x â y dự ng khá rẻ, trong nhiêu trường hợp còn kinh tế hơn cả cầu treo dây võn g. Trong kết cấu chịu lực chính của cầu dây văng bao gồm các dây chỉ chịu k éo nên thường làm bằng thép có cư ờ ng độ rất cao ( 1 8 0 0 -2 0 0 0 M P a), vì vậy hiệu quả kinh tế rất lớn, C ác d ây treo x iê n có tác dụn g như g ối tựa đàn hồi đ ỡ các dầm c ứ n g v ì v ậ y cầu dây v ă n g vư ợ t đư ợc nhịp rất lớn. c ầ u dây vă n g có thể vư ợ t đư ợc nhịp 9 0 0 m hoặc hơn, kinh tế v ớ i nhịp 2 5 0 -6 0 0 m . 18
c ầ u dây vă n g xuất hiện từ nửa sau thể kỷ 20 và n gàv nay đ ư ợ c sử dụn g rất phổ biến. D ư ớ i đ â y là m ột số cầu rất nổi tiếng: T atara (1 9 9 9 ) ở N hật / = 8 9 0 m. N o r m a n d ie (1 9 9 5 ) ở Pháp / = 8 5 6 m. Q in g ữ io u M irýiang (1 9 9 6 ) ở Trung Q u ốc / = 6 0 5 m . ơ n ư ớ c ta có câu B ăc M ỹ Thuận đã đưa vào sừ dụn g vào năm 2 0 0 0 , / = 3 5 0 m . C ầu B ãi C háy 4 3 5m m ột m ặt phang dây C ầu C ần T h ơ 500m . 1.2.6. Cầu hệ liên hợp C ầu b ệ liên h ọp là sự kết hợp hai hay n h iều hệ đơn giản hợ p lại v ớ i nhau, c ầ u loại n à y th ư ờ n g là hệ siêu tĩnh nên th ư ờ n g đư ợc đ iều ch ỉn h hoặc tạo nội lực trước n gư ợ c dấu vớ i n ội lực do tải trọng n goài gây ra v ì vậy tận dụng triệt để khả năn g làm v iệ c của n h iều lo ạ i vật liệ u trong cù n g m ột hệ. T rong cầu thép thư ờ ng áp d ụ n g hệ dầm cứ n g vò m d ẻ o , d ầ m cứ n g c ó biên phụ đ ỡ d ư ớ i...(x e m hình 1.23). C ầu h ệ liên họp có thế áp dụn g cho cầu xây m ớ i h oặc g ia cố để tăng khả năng chịu lự c củ a cầu cũ. L oại cầu này có thể đạt tới nhịp 15 0 -2 0 0 m h oặc hơn. N g à y nay cầu hệ liên hợp dầm + v ò m ố n g thép nhồi bê tô n g + thanh căn g đư ợc áp d ụ n g k h á phổ biến. Loại cầu này có lợi thế là thi c ô n g khá đơn giản và nhanh ch ó n g lại c ó k iể u dáng kiến trúc đẹp nên đư ợc áp dụn g nhiều ở các khu đ ô thị, khu du l ị c h ... C âu hệ liên hợp thư ờng là hệ siêu tĩnh nên dễ phát sinh nội lực phụ d o thay đổi nhiệt đ ộ , lún lệch của m o trụ ... vì vậy cần phân tích kỹ các y ếu tố ảnh h ư ở n g thứ cấp đến hệ trong q u á trình khai thác. Vòm + Thanh căng Hình 1.23. S ơ đồ cầu hệ liên hợp 1.3. IA A C H O N PH Ư Ơ NG ÁN K Ế T C Â U V iệ c lựa ch ọn m ột hệ th ống kết cấu thích h ọ p và v iệ c xác lập các đặc đ iểm ch ủ yếu có tính quyết định đến sự thành c ô n g bất kỳ dự án cầu nào. V iệ c lựa ch ọ n p h ư ơ n g án 19
th ư ờ n g đư ợ c thực h iện n gay từ b ư ớ c lập dự án khả thi hay ở g ia i đoạn thiết kế sơ bộ khi m à m ột số lư ợ n g lự a c h ọ n v ề hệ k ết cấu đư ợc n g h iê n cứu v à tính toán. V ì vậy, thật là cần thiết để đưa ra đầy đủ các y ê u cầu ở giai đoạn này đ ể lựa ch ọ n đư ợc hệ k ết cấu thích hợp nhất. 1.3.1. C ác tiêu chuẫn đánh giá C ác tiêu chuẩn đánh g iá c ó thể đư ợ c ch ia thành hai loại riên g biệt, cụ thê là “tiêu chuẩn c ứ n g ” và “tiêu chuẩn m ềm ” . T iê u chuẩn cứ n g k h ôn g th ể được thỏa hiệp trong bất k ỳ tình h u ốn g nào như đ ộ an toàn, sử dụn g, ch ứ c năng, tĩnh k h ô n g , ch iều cao cho phép kết cấu, các ưu tiên đ ặc biệt, ... M ặt khác, tiêu chuẩn m ềm là tiêu chuẩn m ở c ó thể thỏa h iệp như g iá thành, m ỹ h ọ c , khả năn g thi cô n g , tuổi thọ, ... V ì tiêu chuẩn cứ n g cần phải đạt tới nên v iệ c đánh g iá so sánh n ó i ch u n g đư ợc thực h iện chỉ dựa trên tiêu chuân m êm . M ột số tiêu chí thường hay sử dụng để đánh giá các hệ thống kết cấu khác nhau là: + G iá thành. + M ỹ học. + T iế n đ ộ và khả n ăn g thi côn g. + T ác đ ộ n g m ô i trường. + D u y tu, b ảo d ư ỡ n g ... ĩ . 3.1.1. Giá thành T ô n g giá thành x â y d ự n g cùa m ột c ô n g trình càu bao gồ m g iá thành của kết câu nhịp, kết cấu hạ b ộ và nền m ó n g . C ác y ế u tố c ơ bản để xác định g iá thành là c h iều dài nhịp, số lư ợ n g trụ cầu v à loại m ón g. Đ ịa h ìn h nơi xây dự ng, tĩnh k h ôn g th ông thuyền và điều kiện đ ịa chất ảnh h ư ở n g n h iều đến v ị trí đặt trụ và m ố; từ đó, x á c định số lư ợn g trụ, loại m ó n g và c h iều dài nhịp. N h ữ n g y ế u tố khác ảnh h ư ở n g đến g iá thành là phương pháp ch ế tạo và xây lắp. P h ư ơ n g pháp c h ế tạo phụ th u ộc chủ y ếu v à o ph ư ơ n g tiện sẵn c ó của nhà thầu. N ế u có thiết bị h iện đại, dụn g cụ và m áy m óc th ích hợp, và có đủ kinh n g h iệm , nhà thầu rất có thể đưa ra g iá thành hợ p lý nằm trong g iá thành tính toán. Vì v ậ y , để tạo ra cá c sản phẩm đạt y êu cầu chất lư ợ n g và số lư ợ n g, cần thiết nhà thâu phải c ó c ơ sở hạ tầng v ề co n n g ư ờ i, m áy m ó c và năng lực tài chính. N e u k h ôn g thì dự án rất c ó thể bị trì hoãn v à tăng giá thành. C ũ ng như vậy, p h ư ơ n g pháp x â y lắp có thể ảnh h ư ở n g đến thiết kế v à g iá thành. V ì v ậ y , nhà thiết kế cần phải x e m xét các khía cạnh này trong quá trình thiết kế v à có g iá thành h ọp lý. P h ư ơ n g pháp cổ đ iển đ ể đánh giá tài ch ín h của dự án cầu là dựa vào chi phí ban đầu của các hệ kết cấu khác nhau c ó quan tâm đến chi p hí do b ảo dư ỡ n g trong tư ơ n g lai. T u y n h iên , v iệ c đánh g iá cần phải dựa trên m ột nền tảng h ọp lý. Đ ó là xem xét đ ến các ảnh hưởng lâu dài đối với các sự lựa chọn khác nhau. Phương pháp “G iá thành theo tuổi th ọ ” (L ife C y c le C o stin g -L C C ) có thể đáp ứ n g vấn đề này. T riết lý của LC C là k h ôn g chỉ chi phí ban đầu, m à cò n tất cả chi phí b ảo d ư ỡ n g tư ơn g lai phải gánh ch ịu trong suốt 20
tu ổi thọ kết cầu nhịp, V ì v ậ y , trong m ôi trư ờng xâm thực, cầu thép có sử dụng thép c h ố n g rỉ c ó th ể ban đầu c ó g iá thành cao hơn m ột ph ư ơ n g án khác dùn g th ép thường, n h ư n g k h ôn g phải yêu câu sơn trong quá trình sử dụ n g, và vì vậ y , nó có thê ch ứ n g tỏ kinh tế hơn khi tính th eo LC C. C á c chí p hí trong tư ơ n g lai đư ợc tính v ề g iá trị h iệ n tại (present valu e - PV ). G iá trị h iện tại này c ó thể đ ư ợ c tính từ c ô n g thức sau đây ờ dạng đơn giản nhất: PV=— — (1 .1 ) (l + r )‘ trong đó: c - ch i phí tư ơ n g lai tính theo đơn giá h iện tại; r - tỷ suất q uy đ ổ i về h iện tại; t - thời gian tính bằng năm khi chi phí tư ơn g lai phải trả. G iá trị h iệ n tại của cá c chi phí bảo dư ỡ n g c ộ n g với ch i phí ban đầu sẽ đư ợc g iá trị h iệ n tại thực củ a m ột p h ư ơ n g án cầu. C ác p h ư ơ n g án khác c ũ n g đư ợ c tính tư ơn g tự và từ đó, các phư ơ ng án đượ c so sánh về giá thành của chúng. L C C liê n quan đến b ố n tham số như chi phí ban đầu, chi phí tư ơ n g lai, tuổi thọ dự đ oán của c ô n g trình, v à tỷ suất quy đổi. T rong khi các chi phí ban đầu đư ợ c tính toán m ột cách c h ín h x á c thì c ó m ột số lo ngại v ề tính ch ín h xác trong v iệ c dự báo các tham số khác. M ặc dù các khó khăn đư ợ c biết này thay đổi theo các m ứ c đ ộ khác nhau, n h ư n g có m ột đ iều ch ắc chắn rằng ph ư ơ n g pháp có thế đư ợ c sử dụn g như ỉà m ột cô n g cụ định tính rất hữu ích . N g ư ờ i thiết kế cần có các dữ liệ u tin cậ y như dữ liệu v ề chi phí b ảo d ư ỡ n g, và tu ổi thọ củ a từng phương án c ũ n g như tỷ suất quy đ ổi thích hợp. 1.3.1.2. M ỹ học T h ô n g th ư ờ n g c ô n g trình cầu, đư ợc x â y d ự n g ở v ù n g n g o ạ i ô hoặc trong thành phố, ]à k ết cấu n ổ i bật c ó thể nhìn thấy và thư ờng chi ph ổi cành quan x u n g quanh. V ì vậy, nó đế lại dấu ấn của m ột v ù n g đối v ớ i nhiều n gư ờ i đi lại hàng n gày trên đ ư ờ n g ô tô hoặc đ ư ờ n g sắt. V ì v ậ y , khi lựa ch ọ n kết cấu, v iệ c x e m xét v ề m ỹ h ọ c có vai trò quan trọng. N g ư ờ i Pháp g ọ i c ô n g trình cầu là tác phẩm n g h ệ thuật. M ỹ h ọc là vấn đề v ề cảm g iá c và khiếu thẫm m ỹ v à liên quan nhiều đến su y n g h ĩ chủ quan (phán đ oán ) hơn là khách quan (lý luận). M ặt khác, n gư ờ i kỹ sư thư ờ ng khai thác ph ư ơ n g pháp lý luận ưu th ế để thiết kế và th ư ờ n g c ó khuvnh h ư ớ n g trở nên k hôn g nhạy cảm v ớ i p h ư ơ n g pháp phán đoán m à cần thiết ch o v iệ c đánh g iá m ột cách có ý n gh ĩa v ề các kh ía cạnh m ỹ h ọ c, T u y nhiên, điều này k h ô n g thể nói rằng tất cả k ỹ sư đ ều k hôn g nhạy cảm v ớ i m ỹ h ọc. Đ ã có n h iều c ô n g trình cầu th iết kế nổi bật bởi các kỹ sư xuất sắc, n gư ờ i đ ã “trang trí c h o bề m ặt trái đất” . M ột vài th ô n g số đ ối v ớ i m ỹ h ọ c trong kết cấu sẽ đ ư ợ c trình bày d ư ớ i đây. 1,3.1.2.1. Hài hòa với môi trường M ột c ô n g trình cầu cần phải hài hòa v ớ i m ô i trường củ a n ó và nâng cao g iá trị của nó hơn là làm tổn th ư ơ n g n ó như m ột người xâm phạm . Đ iề u đ ó c ó thể đạt đến m ột cách 21
tốt nhất đối v ớ i m ột kết cấu cầu khi các đư ờ ng nét cua kết cấu cầu h ợ p nhất với cánh quan x u n g quanh h oặc p h o n g cảnh đô thị. 1.3.1.2.2. Tính cân xứng C ầu đ ư ợ c nhin từ n h iều g ó c độ khác nhau, từ khoáng cách khác nhau và tại các thời đ iểm khác nhau như n g à y hay đêm . B ờ i vậy. trong không gian ba c h iều , các tỷ lệ v àn g và cân đ ố i m an g đ ến cả m giá c cân bàng đ ón g vai trò quan trọng tạo ra sự tao nhã cùa kết cấu. C ác tỷ lệ v à n g c ũ n g cần thiết cho các kích thước tương đối của các bộ phận khác nhau trong cầu. V ì v ậ y , trong cầu liên tục, chiều dài toàn bộ kết cấu nhịp phải có tỷ lệ vàn g giữ a ch iều cao trụ cầu và khoảng cách giữa chúng. Cũng phải có tỷ lệ vàng giữa ch iều ca o dầm và ch iều dài nhịp, giữa mũi tên võn g và chiều dài nhịp cầu treo, và giữa ch iều ca o và ch iều dài nhịp của cầu vòm . D o đó, công trình cầu không chỉ thích hợp v ề ch ứ c năng, độ an toàn v ề kết cấu và tính cạnh tranh về kinh tế mà cần phải hợp lý về tỷ lệ. 1.3.1.2.3. Tính gọn gàng S ự rối rắm k h ô n g th ể dẫn đến cái đẹp. V ì vậy, tính gọn gàng cần phải áp dụn g cho k ết cấu cầu. T ính đối x ứ n g là m ột tiêu chí đã được m inh chứng lâu đời và đ ư ợ c áp dụng c h o nh ữ n g nơi c ó thể. V iệ c lựa ch ọn m ột hệ đ ồn g nhat cho toàn bộ cầu là m ột v í dụ tôt v ề tính g ọ n gàn g. S ự pha trộn các hệ thống khác nhau, như dạng v ò m trong cầu treo, có thể gây ra sự rối rắm. T ư ơ n g tự, có quá nhiều ch iều trong cùng ch iều dài nhịp có thể gây ra sự lộn x ộn . H ơn nữa, cá c bộ phận khác nhau trong kết cấu cần đư ợc liên kết bằn g các hình thức phang và cần n ên tránh v iệ c quá nhiều hộ phận chìa ra hoặc các m ép cạnh. T u y n h iên , v iệ c g ọ n g à n g quá m ứ c c ó thể m an g đến sự buồn tẻ và k h ôn g rõ ràng. Thỉnh th oản g sự xâm hại đến tính gọn gàn g bàng cách đua ra các tiêu chí thiết k ế khác trong m ột số trường hợp c ó thể đạt đến tính m ỹ h ọc cô n g trình. 1.3.1.2.4. Màu sắc V iệ c lựa ch ọn m àu sắ c ch o cầu là rất quan trọng về mỹ học. M ột vài m àu sắc như m àu x á m -x a n h lá cây, m àu đ ồn g-xan h lá cây, m àu xanh da trời làm ch o kết cấu pha trộn v ớ i m ôi trường. M ặt k h ác, m ột số m àu làm nhấn mạnh cho chính kết cấu , ch ẳn g hạn m àu đ ỏ cầu G o ld e n G ate ở San Francisco. T rong m ọi trường hợp, m àu sắc phải lôi cuốn v à làm h ấp dẫn n gư ờ i x e m . 1.3.1.2.5. Hình dáng mạnh m ẽ V ớ i sự tiến bộ trong k ỹ thuật và tính toán kết cấu đã khuyến khích v iệ c đưa ra két cấu thanh m ảnh hơn tron g thiết kế cầu. Tuy nhiên, một kết cấu quá thanh m ảnh tạo ra hình dán g yếu ớt đối v ớ i n gư ờ i quan sát. K et cấu đúnu ra phải truyền đạt cảm g iá c tin cậ y ch o n gư ờ i quan sát. Ở đây ta phải h iểu rằng m ột cây cầu đư ợ c xây d ự n g ch ủ yếu c h o n g ư ờ i sử dụn g và n gư ờ i sử dụng cảm thấy an toàn. Vì vậy, kết cấu k h ô n g chỉ cần đủ c ư ờ n g đ ộ và ổn định m à còn đem đến hình dáng mạnh mẽ. V à tiêu c h í này th ôn g th ư ờ n g trở thành m ột y êu cầu v ề m ỹ học. 22