TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG – KỲ 1

Xin cảm ơn TS. Nguyễn Danh Thắng - Giảng viên khoa kỹ thuật xây dựng, Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã đồng ý chia sẽ bài viết này với công ty Hòa Phong E&C. Tóm tắt: Bài báo này giới thiệu lịch sử phát triển, một số khái niệm cơ bản và một số bộ phận chính của cầu dây văng cũng như phương pháp xây dựng cầu. Bên cạnh đó tác giả cũng tổng hợp một số yếu tố mà các nhà thiết kế thường lưu tâm khi thiết kế cầu dây văng. Qua đó, bạn đọc có thể hình dung rõ hơn về loại cầu này cũng như lý do mà cầu dây văng hiện đang được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới.

1. Lịch sử phát triển của Cầu Dây Văng:

Cầu dây văng là loại cầu sử dụng các dây cáp được liên kết từ một hay nhiều cột tháp để treo hệ mặt cầu. Một cầu dây văng điển hình có hệ dầm liên tục với một hay nhiều cột tháp được đặt trên trụ cầu ở trong khoảng giữa nhịp. Từ các cột tháp này, các dây văng được tỏa xuống và đỡ hệ dầm chủ (Hình 1 và Hình 2).

Ý tưởng đỡ một dầm bằng một hệ dây xiên tỏa xuống từ một cột buồm hay một tháp đã xuất hiện từ thời cổ xưa khi người Ai Cập áp dụng ý tưởng này cho các thuyền buồm của họ. Việc sử dụng cáp treo trong xây dựng cầu đã trở lại vào thế kỷ 17. Vào năm 1617, Faus-tus Verantius, một kỹ sư ở Venice (Ý), đã phác họa một cây cầu với nhiều dây xiên (Hình 3).

Năm 1784, một thợ mộc Đức, Loscher, đã thiết kế một cây cầu gỗ có nhịp 32m bao gồm các thanh treo bằng gỗ gắn vào một cột tháp gỗ. Năm 1817, chiếc cầu dây văng bằng sắt đầu với một nhịp khoảng 33.6m, sử dụng các dây cáp neo xiên vào một tháp đầu bằng sắt đúc sẵn.

Vào khoảng năm 1821, Poyet , một kiến trúc sư Pháp, đề nghị neo kết cấu cầu bằng cách sử dụng dây văng bố trí neo theo hình rẽ quạt, tất cả các dây văng đều được neo tại đỉnh tháp cầu (HÌnh 4).

Ông là người đầu tiên đề nghị sử dụng dây văng bố trí theo sơ đồđồng quy. Năm 1840, Harley, một người Anh, đề nghị một dạng khác cho bố trí dây văng với các dây song song, gọi là sơ đồ dây song song. Năm 1883, Roebling hoàn thành cây cầu nổi tiếng Brooklyn tại New York (Mỹ), với một sơ đồ bố trí dây treo pha trộn giữa cầu dây văng và cầu dây võng.

Tuy nhiên, phải chờ đến thế kỷ 20 thì loại kết cấu này mới được phát triển vì những kiến thức tính toán và vật liệu tước đó chưa phì hợp với loại cầu này. Vào năm 1926, một kỹ sư người Tây Ban Nha là Torojia đã xây dựng một cầu máng dẫn nước bằng bê tông cốt thép, các dây văng được bọc trong bê tông đế chống ăn mòn (Hình 5).

Sau năm 1945, cầu dây văng đã được hồi sinh tại Đức, nơi phải xây dựng lại vô số cầy cầu bị phá hủy bởi chiến tranh thế giới thứ 2 với việc sử dụng hiệu quả vật liệu. Một điều kiện tiên quyết cho bước cải thiện này là sự phát triển của thép cường độ cao dùng cho cầu dây văng.

Trong những năm 1950, việc phát triển vật liệu cáp cường độ cao với những lợi ích về giá cả đã làm hồi phục sự quan tâm đối với cầu dây văng. Các dây văng mới, được làm từ những tao thép cường độ thép, thép thanh hay sợi thép cường độ cao, có khả năng chịu tải lớn và dễ dàng lắp đặt. Cầu dây văng hiện ddaij trở lên kinh tế hơn cho các cầu có khẩu độ nhịp nằm trong khoảng 180 đến 610m.

Sự trở lại của cầu dây văng bắt đầu với F. Ông khám phá ra ảnh hưởng của dây cáp lên độ võng của cầu trong khi thiết kế một cầu treo cho đường sắt có nhịp 753m qua sông Elbe, gần Hamburg, Đức. Ông sử dụng dây cáp cường độ cao, chấp thuận ứng suất lớn để hạn chế độ võng của dây cáp (có thể xuất hiện do chùng cáp). Từ công trình nghiên cứu này và từ việc xây dựng lại các cầu bị phá hủy trong chiến tranh thế giới thứ hai, đã minh chứng rằng cầu dây văng đã trở thành một loại cầu có khẩu độ nhịp nằm giữa cầu dầm cứng và cầu treo. Năm 1955, cầu Stromsund (Thụy Điển) do ông thiết kế trở thành cây cầu dây văng hiện đại đầu tiên trên thế giới (Hình 6).

Vào năm 1962, Morandi xây dựng một cây cầu bê tông dự ứng lực bắc qua hồ Maracaibo ở Venezuela. Nhiều cây cầu khác với nhiều cách phân bổ dây văng cũng được xây dựng sau đó. Việc sử dụng cầu dây văng nhiều dây cũng là một sự tiến bộ quan trọng vì điều này làm việc xây dựng hệ mặt cầu theo phương pháp hẫng trở thành khả thi.

Sau khi chiếc cầu dây văng hiện đại đầu tiên thể hiện độ cứng rất lớn dưới tác dụng của tải trọng xe cộ, tính thẩm mỹ cao, tính kinh tế và đơn giản trong thi công, cầu dây văng hiện đại đã mở ra nhiều hướng nghiên cứu và nhiều thành công mới. Và cầu dây văng đã nhanh chóng trở nên phổ biến trong giới kỹ sư Đức và nhiều nước khác trong khoảng mười năm sau đó. Ngày nay, cầu dây văng hiện đại đã được các nhà thiết kế áp dụng trên phạm vi toàn thế giới.

Tuy nhiên, cũng không đẽ nói rằng khẩu độ cầu dây văng bao nhiêu là kinh tế do nó phụ thuộc vào các điều kiện biên. Trong vài trường hợp cụ thể, giải pháp cầu dây văng cũng được áp dụng với các cầu nhịp nhỏ và vừa đặc biệt là đối với cầu bộ hành. Cầu dây văng phục vụ cho đường bộ và đường sắt có thể chứng tỏ tính kinh tế cho nhịp trên 100m, nhưng thông thường đối với cầu với khẩu độ nhịp trên 200m.

2. Bố trí dây văng

Theo cách phân bố dây văng, sơ đồ bố trí dây văng chia ra thành 4 loại cơ bản: đồng quy, song song, rẽ quạt và hình sao (Hình 7).

Sơ đồ dây đồng quy và sơ đồ dây rẽ quạt có hiệu quả nhất cho hệ kết cấu vì nó hoàn toàn được sắp xếp giống các tam giác. Ngược lại, sơ đồ dây song song chủ yếu chứa các hình tứ giác, do đó phải tăng độ cứng của dầm chủ hay cột tháp để chịu được lực không đều.

Trong sơ đồ dây đồng quy, các sợi cáp được liên kết từ hệ mặt cầu đến một điểm trên đỉnh cột tháp. Kết quả là lực uốn trong tháp sẽ nhỏ, nhưng lại phải chịu đựng được lực chống gập. Điều này dẫn đến việc cột tháp sẽ phải độ cứng lớn. Tuy nhiên, trong những cầu lớn với nhiều dây văng, việc bố trí tát cả các neo tại đỉnh tháp sẽ gặp nhiều khó khăn.

Trong sơ đồ song song, các dây văng được lắp song song với nhau làm cho cầu có tính thẩm mỹ hơn. Mặt khác, lực căng cắp sẽ được phân bố theo chiều cao cột tháp làm giảm momen uốn trong cột tháp. Sơ đồ bố trí dây văng này có thể là giải pháp có lợi nhất cho các cầu có nhịp chính đến gần 200m, đặc biệt ở những nơi tính thẩm mỹ đóng vai trò quan trọng. Hiệu quả của sơ đồ song song còn có thể được tăng lên bằng cách thêm các trụ trung gian ở các nhịp biên.

Trong sơ đồ rẽ quạt, khoảng cách giữa các điểm neo cáp ở phần trên của cột tháp được phân bố đồng đều. Điều này làm cho việc lắp đặt các neo trở nên dẽ dàng hơn so với sơ đồ đồng quy. So với sơ đồ song song, tiết diện ngang cần thiết của cột tháp sẽ nhỏ hơn.

Trong các cầu dây văng hiện đại, hệ thống dây văng có thể bao gồ nhiều loại dây văng khác nhau, mỗi dây văng, bao gồm một loại cáp được chế tạo cho đủ chiều dài và tiết diện dây văng. Để dạt được sự bố trí dây văng này, điều cần thiết phải bố trí các dây văng gần nhau. do đó, khoảng cách giữa các điểm neo dây văng trên dầm chủ thường nằm trong khoảng từ 8 đến 15m.

3. Số mặt phẳng Dây và hệ Dầm chủ

Trong mặt cắt ngang, hệ thống dây văng thường được bố trí trong một mặt phẳng thẳng đứng tại đường tim cầu, hai mặt phẳng thẳng đứng hoặc hai mặt nghiêng (Hình 8)

Trong cầu một mặt phẳng dây , các dây văng thường được neo tại đường tim của hệ mặt cầu. Cầu chủ yếu chịu tải trọng theo phương thẳng đứng còn khả năng chịu xoắn rất kém. Do đó, hệ dầm phải chịu xoắn tốt để có thể chịu lực lệch tâm, chẳng hạn như xe chạy trên một bên cầu. Để đặt được yêu cầu độ cứng chống xoắn cao, dầm sẽ phải chế tạo theo dạng hình hộp (Hình 8a).

Trong cầu hai mặt phẳng dây (đứng hoặc xiên), các dây văng được neo dọc theo hai bên của hệ mặt cầu. Trong trường hợp này, hệ dây văng sẽ chịu cả tải trọng đứng và xoắn. Do đó, người thiết kế không cần thiết phải bố trí hệ dầm có độ cứng chống xoắn tốt. vì thế, hệ dầm có thể là dầm I đơn, I kép liên kết trực tiếp với hệ dây văng (Hình 8b).

Trong các cầu dây văng nhịp rất lớn, nơi dễ bị ảnh hưởng bởi ổn định khí động học, một dầm hộp với hai mặt phẳng dây sẽ đem lại nhiều ưu điểm hơn và cũng làm cho hình dạng dầm có tính động học tốt hơn (Hình 8c). Tuy nhiên, cũng nên nhấn mạnh rằng, hình dạng như hình 8c chỉ dùng cho các cầu có nhịp rất lớn (trên 500m) hoặc cho các cầu có tỷ lệ chiều cao trên chiều dài nhịp nhỏ (dưới 1/25).

4. Tháp cầu

Hình dạng tháp cầu thể hiện một thanh cơ bản về khái niệm tổng thể của kết cấu. Hình dáng của tháp cầu ảnh hưởng đến cả tính thẩm mỹ và tính kinh tế của dự án cũng như các đặc trưng ứng xử tĩnh và động của nó.

Ba dạng cơ bản của cột tháp là: dạng tháp chữ A, chữ h và chữ Y ngược (Hình 9). Có nhiều cải tiến từ 3 dạng này, mỗi dạng có những ưu nhược điểm và tính thẩm mỹ riêng. Hình dạng của cột tháp có liên quan mật thiết đến cách bố trí dây văng vì chức năng chính của cột tháp là đỡ hệ dây văng.

Trong cầu một mặt phẳng dây, tháp cấu có thể được thiết kế như là một thanh thẳng đứng hoặc dạng chữ Y ngược. Tháp thanh thẳng đứng tại giữa hệ mặt cầu có thể dùng cho cả đồ dây song song và sơ đồ dây rẽ quạt, trong khi tháp chữ Y ngược lại đòi hỏi một sơ đồ rẽ quạt cải tiến. Tháp thanh thẳng đứng phải có một điểm neo cứng với cả hệ dầm chủ lần trụ cầu để đạt được sự ổn định với tải trọng lệch tâm.

Trong cầu hai mặt phẳng dây theo phương thẳng đứng, tháp cầu có thể bao gồm hai cột thẳng đứng hoặc có dạng cột tháp chữ H. Theo điều kiện gối đỡ ở dầm và dạng bố trí dây văng, cột tháp dạng chữ H cũng gần phù hợp với cột tháp chủ Y ngược. Với cầu có hai mặt phẳng dây xiên, đã số các người thiết kế sẽ chọn tháp chữ A kết hợp với sơ đồ bố trí dây rẽ quật. Ngoài ra, nhiều tổ hợp khác về mặt lý thuyết cũng có thể áp dụng cho cầu dây văng.

Do cột tháp chịu tác động của lực căng của dây văng và các thành phần lực nén và uốn khác, tháp cầu nên được chế tạo từ bê tông, thép hoặc tổ hợp giữa bê tông và thép. Trong kết cấu topor hợp, kết cấu bên trong bằng thép sẽ được bao phủ bởi lớp ngoài bằng bê tông với mục đích thẩm mỹ hay để mục đích cho các neo dây văng liên kết với vỏ bọc bê tông. Hầu hết các tháp cầu đều rỗng để bố trí thang lên xuống, cần trục và hệ thống cung cấp điện cần thiết cho việc duy tu bảo dưỡng. Mặt cắt ngang của cột tháp thường có dạng một hộp đơn. Do chủ yếu là chịu lực nén, độ cứng của cột thép cần thiết phải được gia cường bằng các thanh gia cường, phương dọc cầu thường phải lớn hơn phương ngang cầu (Hình 10).

Tại các vùng neo dây văng, việc gia cường thêm các vách ngăn đứng theo phương dọc và ngang là điều cần thiết để giảm ứng suất cục bộ theo các phương khác nhau.

HPEC xin chào và hẹn gặp lại các bạn trong bài viết “TỔNG QUAN VỀ CẦU DÂY VĂNG– KỲ 2″

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.