TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG – KỲ 2

Trong bài viết kỳ trước Hòa Phong E&C đã gửi tới bạn đọc Kỳ 1 bài viết "TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG” của TS. Nguyễn Danh Thắng - Giảng viên khoa kỹ thuật xây dựng, Đại học Bách Khoa Tp.HCM. Hôm nay, HPEC xin tiếp tục gửi tới độc giả Kỳ 2 bài viết này, xin mời các bạn cùng đọc và chia sẻ:

5. Kết cấu nhịp

Cầu dây văng làm việc tốt với một phạm vi vật liệu kết cấu. Mặt cầu có nhiệm vụ chịu tải trọng do xe cộ và người qua lại. kết cấu nhịp có thể bằng thép, bê tông hoặc bê tông - thép liên hợp, chẳng hạn như một khung dầm bằng thép bản mặt cầu bằng bê tông, hoặc hai dầm biên bằng bê tông với bản mặt cầu bằng thép. Dầm biên có thể xiên hay thẳng đứng, tùy thuộc vào hình dạng của tháp cầu, số mặt phẳng dây và phương pháp thi công (đổ tại chỗ hay sử dụng cấu kiện đúc sẵn).

Khẩu độ nhịp lớn nhất có tính kinh tế có thể đạt được phụ thuộc vào các vật liệu được sử dụng. Hệ mặt cầu cũng ảnh hưởng đến tính kinh tế của công trình cầu. với các cầu có nhịp khoảng 450m, mặt cầu bằng bê tông cốt thép sẽ là giải pháp kinh tế nhất.  Nó truyền lực nén tốt hơn mặt cầu bằng thép. Hơn nữa, chi phí bảo dưỡng cầu bê tông sẽ nhỏ hơn so với cầu thép.

Với những nhịp lớn hơn, hệ mặt cầu bằng thép sẽ đem lại nhiều ưu điểm hơn vì lúc này yếu tối hạn chế tĩnh tải của kết cấu nhịp được đặt lên hàng đầu so với các yếu tố khác. Trong một phạm vi chuyển tiếp, hệ mặt cầu thép - bê tông liên hợp cũng có thể mang lại kinh tế, với ưu điểm là nhẹ hơn so với cầu bê tông, đơn giản trong chế tạo các cấu kiện bằng thép và bản mặt cầu bê tông, có khả năng chịu được lục ngang và thi công rất đơn giản.

Cầu dây văng hiện đại đầu tiên có ít dây văng với khoảng cách các điểm neo dây tương đối lớn, do vậy hệ mặt cầu có độ cứng tương đối lớn, do vậy hệ mặt cầu có độ cứng tương đối lớn. Ngược lại, trong những cầu dây văng ngày nay có nhiều dây văng, độ cứng của hệ mặt cầu lại có thể được giảm xuống thấp nhất có thể, nhưng vẫn đảm bảo độ ổn định của công trình.

Đối với dầm có tiết diện hở bản mặt cầu bằng bê tông, một hệ thống kết cấu hiệu quả có thể đạt được bằng cách sử dụng các dầm bản, đặt trực tiếp tại vị trí liên kết dây văng, và liên kết các dầm bản này bằng các dầm ngang, cách nhau 3-5m (Hình 11). Với hệ thống này, các dầm ngang phải chịu momen dương suốt chiều dài dầm, do đó các dầm ngang này hoàn toàn có lợi từ việc tác dụng liên hợp với bản mặt cầu bê tông. Tương tự, tác dụng liên hợp cũng có lợi cho các dầm dọc. chịu tác dụng của lực nén từ thành phần nằm ngang trong lực căng của dây văng. Do đó, cả hai dầm dọc và dầm ngang đều được bố trí các vấu chịu cắt ở trên bản cánh của chúng.

6. Dây văng

Trong cầu dây văng, dây văng đóng vái trò hết sức quan trọng, cả về mặt kỹ thuật lẫn mặt kinh tế. Dây văng có thể chiếm tới 30% giá thành cầu.

Ưu điểm chính của việc sử dụng cáp cường độ cao trong cầu dây văng chính là nhờ khả năng chịu lực của cáp cường độ cao tốt hơn nhiều so với thép sử dụng trong kết cấu thép thông thường. cường độ tới hạn của các sợi cáp kéo nguội đường kính 5-7mm có thể dễ dàng dạt tới 1600MPa, trong khi thép thông thường chỉ đạt được cường độ tới hạn khoảng 350-500Mopa. Nói một cách khác, cáp cường độ cao có cường độ lớn hơn thép thường từ 3 đến 4 lần. Sự khác nhau này đưa đến kết quả là tiết diện (và trọng lượng) cáp cường độ cao cần thiết có thể chỉ bằng 25-33% so với thép thường khi phải chịu cùng một lực kéo thuần túy.

Các loại cáp có thể dùng cho dây văng là: thanh thép song song, sợi song song, tao song song, tao xoắn và lõi cáp. (Hình 12). Trong các loại trên, mô đun đàn hồi giảm từ khoảng 200000Mpa đối với 3 loại đầu xuống 150000Mpa đối với các dây cáp. Các tao cáp thường được lựa chọn hơn các dây cáp vì các lỹ do sau:

  • Cùng kích thước, tao cáp có cường độ kéo đứt lớn hơn dây cáp
  • Mô đun đàn hồi của tao cáp cao hơn dây cáp
  • Tao cáp có ít khả năng uốn cong hơn dây cáp

Cáp bằng thép cường độ cao có cường độ rất lớn, nhưng lại rất mềm dẻo. Cáp sẽ đem lại tính kinh tế cho công trình vì cho phép kết cấu thanh mảnh và nhẹ hơn, điều rất cần cho các cầu nhịp lớn. Mặc dù chỉ cần một số lượng ít dây văng là đủ để chịu toàn bộ các lực của cầu, tính mềm dẻo của dây văng lại làm cho chúng rất yếu dưới tác dụng của tải trọng gió.

Mặc dù sẽ gặp bất lợi khi gió lớn, một cầu với khối lượng nhẹ là một ưu điểm khi xảy ra động đất. Tuy nhiên, có thể xảy ra lún móng không đều trong quá trình động đất hoặc sau một thời gian sử dụng, cầu dây văng có thể bị phá hủy, do vậy phải cẩn thận chú ý đến vấn đề này khi thiết kế móng.

Đặc tính độc đắc của dây văng và của cả kết cấu tổng thể làm cho việc thiết kế cầu đay văng trở thành một nhiệm vụ phức tạp. Đối với những nhịp lớn, nơi mà gió và nhiệt độ phải được quan râm, việc tính toán trở lên cực kỳ phức tạo và sẽ trở thành nhiệm vụ bất khả thi nếu không có sự giúp đỡ của máy tính. Việc chế tạo dây dây văng cũng tương đối khó khắn. Việc lắp đặt dây văng và liên kết với dầm chủ và cột tháp khá phức tạp và đòi hỏi chế tạo chính xác cao.

Một sơ đồ bố trí với nhiều dây văng, hiện đang được dùng phổ biến ngày nay, có những ưu điểm sau:
  • Hệ mặt cầu có thể thanh mảnh hơn
  • Việc thi công kết cấu nhịp cầu trở nên đơn giản từ khi áp dụng phương pháp thi công hẫng mà không cần dây treo tạm thời.
  • Sự truyền lực đơn giản hơn
  • Thay thế dây văng dễ dàng hơn
  • Ổn định khí động học, đặc biệt với hệ mặt cầu bê tông cốt thép, nơi tĩnh tải có hiệu quả giảm chấn
  • Momen uốn do tĩnh tải nhỏ
  • Độ võng cho hoạt tải nhỏ, do đó cầu dây văng cũng phù hợp cho cầu đường sắt
7. Địa điểm xây dựng Thành công của cầu dây văng liên quan rất lớn đến quá trình thi công hiệu quả, mà là đặc trưng của loại cầu này. Do vậy, một cầu dây văng có thể được thi công bằng phương pháp 13b. Trong các trường hợp sau, nhịp biên được thi công trước giống như một cầu dầm thông thường. Trong phương pháp thi công hẫng cân bằng (Đúc hẫng hoặc lắp hẫng. Hình 13a), cần lưu ý rẳng ổn định tổng thể ở trạng thái tạm thời phụ thuộc vào độ cứng chống uốn và sự cố định của cột tháp. Trong nhiều trường hợp, độ cứng này sẽ chi phối quá trình thiết kế tháp cầu. Trong phương pháp chỉ thi công hẫng nhịp chính (Hình 13b), dây văng thường được lắp đặt thành từng cặp sao cho các dây văng của nhịp biên được thi công cùng lúc với các dây văng ở nhịp chính. Trình tự thi công điển hình của một cầu dây văng điển hình bao gồm các bước sau:
  1. Thi công hẫng một đoạn từ một điểm neo đã có đến điểm tiếp theo. Trong hấu hết các trường hợp, đoạn dầm được nâng lên bởi một hệ cần trục đặt trên hệ mặt cầu.
  2. Lắp đặt dây văng, thường thực hiện bằng cách thác các cuộn dây cáp đặt trên hệ mặt cầu.
  3. Điều chỉnh lực căng trong dây cáp bằng cách tháo các cuộn dây cáp đặt trên hệ mặt cầu.
  4. Chuyển hệ cần trục đến đầu dầm để thi công đoạn tiếp theo.
Trong nhiều trường hợp, dây văng phải chịu lực căng lớn nhất sau khi đoạn dầm hẫng theo được thi công. Sau đó, lực căng sẽ giảm bớt khi dây căng tiếp theo được căng kéo. Một điều vô dùng quan trọng cần hiểu rõ là sự phân bố mo men do tĩnh tải tĩnh trong dầm hoàn toàn bị chi phối bởi lực căng dây văng trong suốt quá trình thi công. Do đó, một sự phân bố do mo men tĩnh tải tối ưu có thể đạt được bằng cách chọn lực căng trong dây văng ban đầu sao cho phù hợp. Sự phân tích cần thiết của các giai đoạn thi công có thể được thực hiện ngược lại một cách thuận lợi, bằng cách chọn trước một phân bố momen do tĩnh tải theo mong muốn, sau đó tiến hành kiểm tra lại khả năng chịu lực của kết cấu theo trình tự thi công 8. Kết luận Trong những năm gần đây, cầu dây văng đã được sử dụng phổ biến nhờ vào những ưu điểm sau:
  • Sử dụng vật liệu hiệu quả
  • Kết cấu không phức tạp, dễ chế tạo và thi công
  • Thi công nhanh
  • Tính mỹ thuật cao
  • Vượt được nhịp lớn
  • Độ võng nhỏ hơn cầu dây võng
  • Có tính kinh tế cao đối với các cầu nhịp lớn
Cầu dây văng đã giúp các người thiết kế có nhiều phương án lựa chọn hơn để đạt đến một dự án cạnh tranh và ưu việt hơn so với các nhịp lớn. Với mong muốn chọn lọc và truyền tải những kiến thức, kinh nghiệm chuyên môn hữu ích nhất đến đông đảo bạn đọc để lan toả kho tàng tri thức rộng lớn. Tiếp nối sau bài viết kỳ này, Ban biên tập sẽ chia sẻ rộng rãi đến bạn đọc thêm rất nhiều các bài viết chuyên đề tương tự. Xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong các bài viết tiếp theo!

Tài liệu tham khảo:

Troitsky, M.S., “Cable Stayed Bridges: Theory and Design”, Granada Publishing Limited, Great Britain, 1977.

Tài liệu trực tuyến của Đại học Katholieke Leuven, Belgium. (http://www.kuleuven.be/bwk/materials/).

Một số trang web khác trên internet.