Đang tải... (xem toàn văn)
Sư phát triển xây dựng cầu dây văng trên thế giới. Trong khoảng 50 năm qua kỹ thuật xây dựng cầu dây văng phát triển rất nhanh chóng. Do phát triển sau và địa hình có nhiều sông lớn cho nên châu Á trởthành nơi có nhiều cầu dây văng nhịp lớn nhất. Trên bảng 1 trình bày 10 cây cầu dây có nhịp lớn nhất thế giới. Những bài học về kết cấu. Với 50 năm tích luỹ kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu thiết kế và xây dựng cầu dây văng, nhiều vấn đề lý luận không ngừng được cập nhật cho việc thiết kế kết cấu. - Bố trí dạng dây văng Dạng dây hình “Hình Đàn hạc” (các dây song song) là loại bố trí dây tạo được cảm giác mảnh, thanh thoát và đẹp cho công trình nhất là cầu nhịp nhỏhơn 200m cho nên ởgiai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại người ta thường sửdụng hình thức này. Nhưng loại hình bốtrí cáp này không tối uưu vềmặt chịu lực vì gây ra mômen uốn lớn trong tháp nên ngày nay ít được dùng. Tuy nhiên đối với cầu nhịp nhỏnhưcầu Kiền (Quốc lộ10) vẫn có thểáp dụng đểgiải quyết vềmặt thẩm mỹ cầu. Dạng dây xoè (hình nan quạt) có nhiều ưu điểm về mặt chịu lực cho tháp (giảm mômen uốn). Tuy nhiên dạng này bắt buộc phải tập trung liên kết dây cáp ở đầu tháp, nên rất khó cấu tạo cũng như tạo ra không gian cho việc đặt kích căng dây. Giáo sưSchlaich cùng công ty của ông đã có cánh giải quyết làm dạng “lọ hoa” 2...
Về sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 kết cấu cầu dây văng hiện đại nhịp lớn được phát triển do ưu điểm nổi bật về tính kinh tế của nó so với cầu dây võng vì không phải xây dựng các mố neo lớn, các tường neo cấp, cũng như do tiện lợi trong quá trình thi công dầm và lắp đặt cáp từ tháp mà tiến ra giữa nhịp. 1. Sư phát triển xây dựng cầu dây văng trên thế giới. Trong khoảng 50 năm qua kỹ thuật xây dựng cầu dây văng phát triển rất nhanh chóng. Do phát triển sau và địa hình có nhiều sông lớn cho nên châu Á trở thành nơi có nhiều cầu dây văng nhịp lớn nhất. Trên bảng 1 trình bày 10 cây cầu dây có nhịp lớn nhất thế giới. Bảng 1 TT Tên cầu – Quốc gia Độ dài nhịp giữa(m) Năm hoàn thành 1 Tatara - Nhật Bản 890 1999 2 Normandi - Pháp 856 1995 3 Cầu thứ 2 sông Dương Tử ở Nam Kinh – Trung Quốc 628 2001 4 Cầu thứ 3 Sông Dương Tử, Vũ Hán – Trung Quốc 618 2000 5 Cầu sông Minjiang Qing zhou – Trung Quốc 605 2003 6 Dương Phố, Thượng Hải - Trung Quốc 602 1993 7 Xupu, Thượng Hải – Trung Quốc 590 1997 8 Meiko Cental - Nhật Bản 590 1998 9 Skarnsundet – Na- Uy 530 1991 10 Tsurumi Isubasa - Nhật Bản 510 1994 1 Các nhà thiết kế cầu luôn cố gắng vươn tới các cầu nhịp lớn, trước kia giáo sư Leonhardt đã đưa ra một phương án thiết kế cầu vượt qua eo biển Messina với nhịp chính 1750m, nhưng chưa thi công. Hiện nay tại Hồng Kông đã thiết kế xong Cầu dây văng Stonecutte cho 6 làn xe co nhịp chính 1818m. Chiều cao tĩnh không cho tàu thuỷ 73,5m. Dự án này do 4 Công ty tư vấn thực hiện thiết kế kết cấu và thiết kế cảnh quan kiến trúc, đó là các công ty Halcrow, Flint & Nrill Partnership, Viện thiết kế công trình đô thị Thượng Hải và Công ty thiết kế kiến trúc Đan Mạch (Danish architects Dissing + Weiling). Công trình dự kiến hoàn thành vào năm 2007. Người Trung Quốc muốn biểu dương sức mạnh trí tuệ và kinh tế trong một dự án cầu dây avưng khác, đó là cầu dây văng vượt qua cửa sông Trường Giang ở thành phố Nantong tỉnh Jiángu với nhịp chính có chiều dài lớn nhất thế giới 1088m. Công trình này sẽ không có sự tham gia của các công ty nước ngoài. Hiện nay dự án này đang được các Công ty Tư vấn là Viện Thiết kế và quy hoạch đường giao thông Trung Quốc và Viện thiết kế đường hầm Thượng Hải là các đơn vị tư vấn hàng đầu của Trung Quốc trong các lĩnh vực cầu dây văng và hầm thực hiện nghiên cứu khả thi. Việc so sánh giữa phương án hầm qua sông và phương án cầu dây văng cho thấy phương án cầu dây văng có ưu điểm nổi trội, tổng mức đầu tư khoảng 725triệu USD. Dự án dự kiến hoàn thành vào năm 2008. Công trình này là đỉnh điểm của sự phát triển cầu dây văng ở Trung Quốc trong khoảng thời gian 30 năm vừa qua. Bắt đầu từ năm 1975 hai công trình mở đường cho kết cấu cầu dây văng ở Trung Quốc được thực hiện có chiều dài nhịp 76m và 54m, sau 7 năm người Trung Quốc vượt nhịp 200m và 7 năm tiếp sau họ vượt nhịp trên 400m. Trong vòng 15 năm kể từ khi hai công trình mở đường, người Trung Quốc đã hoàn thành 20 cây cầu dây văng có nhịp lớn hơn 400m, trong số đó có 4 nhịp 600m và nhịp lớn nhất là 628m (xem bảng 1). Trong khoảng 25 năm của thế kỷ trước ở Trung Quốc đã xây dựng hơn 100 cầu dây văng. 2. Những bài học về kết cấu. Với 50 năm tích luỹ kinh nghiệm trong quá trình nghiên cứu thiết kế và xây dựng cầu dây văng, nhiều vấn đề lý luận không ngừng được cập nhật cho việc thiết kế kết cấu. 2.1. Bố trí dạng dây văng Dạng dây hình “Hình Đàn hạc” (các dây song song) là loại bố trí dây tạo được cảm giác mảnh, thanh thoát và đẹp cho công trình nhất là cầu nhịp nhỏ hơn 200m cho nên ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại người ta thường sử dụng hình thức này. Nhưng loại hình bố trí cáp này không tối uưu về mặt chịu lực vì gây ra mômen uốn lớn trong tháp nên ngày nay ít được dùng. Tuy nhiên đối với cầu nhịp nhỏ như cầu Kiền (Quốc lộ 10) vẫn có thể áp dụng để giải quyết về mặt thẩm mỹ cầu. Dạng dây xoè (hình nan quạt) có nhiều ưu điểm về mặt chịu lực cho tháp (giảm mômen uốn). Tuy nhiên dạng này bắt buộc phải tập trung liên kết dây cáp ở đầu tháp, nên rất khó cấu tạo cũng như tạo ra không gian cho việc đặt kích căng dây. Giáo sư Schlaich cùng công ty của ông đã có cánh giải quyết làm dạng “lọ hoa” 2 trên đỉnh thép ở cầu Hoogly ở Calcutta. Loại cầu này có thể giải quyết với tháp bằng kết cấu thép. Bố trí dây văng “lai hình đàn hạc” là dạng dùng phổ biến của các cầu dây văng hiện đại. Toàn bộ đầu cáp neo vào tháp được bố trí ở phía trên thân tháp. Cách bố trí này khắc phục được các nhược điểm phân phối lực của dạng “đàn hạc” và dễ thi công căng cáp. Cả hai cầu có nhịp lớn nhất thế giới hiện nay là cầu Normandi (Pháp) và Tatara (Nhật Bản) đều bố trí dạng cáp này. 2.2. Dầm cầu. Một trong các đặc tính ưu việt của cầu dây văng là dầm cầu có chiều cao kiến trúc thấp vượt nhịp lớn. Ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại, khi bố trí cự ly dây vào dầm lớn, người ta thường sử dụng dầm thép bản ortroptop. Ngày nay các cầu hiện đại đều bố trí cự ly neo dây ngắn thì không nhất thiết phải sử dụng loại dầm này. Theo Giáo sư Rene Walther, trong nhiều cuộc đấu thầu gần đây cho thấy rằng với các cầu dây văng có nhịp 500m trở lại thì giá thành kết cấu phần trên của cầu với các loại dầm thép bản ortrotop, dầm bê tông liên hợp, bê tông cốt thép là như nhau. Điều đó dựa trên một thực tế là riêng giá thành dầm thép bản ortrotop đắt hơn dầm bê tông 4 lần nhưng nó được bù lại vì giảm trọng lượng cáp văng mà giá thành của nó cũng gần 4 lần đắt hơn ở dầm bê tông vì trọng lượng lớn hơn. Việc lựa chọn loại dầm nào còn tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể nơi xây dựng cầu, nếu điều kiện đất yếu thì dùng dầm loại nhẹ để giảm khối lượng thi công kết cấu phần dưới. Khi thiết kế so sánh phương án cho cầu Sunshine cho kết quả giá thành phương án dùng dầm bê tông và dầm thép lỉên hợp là như nhau. Đối với cầu sông Fraser ở Vancouver (Canada) thì phương án dầm liên hợp rẻ hơn vì địa chất yếu móng cọc sâu 70m. Nhưng có một điểm cần lưu ý hiện nay rất khó thi công lớp phủ măt cầu có độ bền cao trên bản mặt cầu ortrotop, do đó cần cân nhắc kỹ khi sử dụng. Ngày nay khi đã tích luỹ được nhiều số liệu về thí nghiệm khí động học và khuynh hướng bố trí dây với cự ly ngắn từ 7m đến 9m, các dầm cầu không nhất thiết phải thiết kế theo dạng hộp có dạng thoát gió. Các nhà thiết kế cố gắng dùng các loại dầm bản mỏng. Thío dụ cầu Evipros ở Euboea (Hy Lạp) được xây dựng 1992 có nhịp chính 215m giáo sư Schliech với các công sự thiết kế cầu với bản dầm chiều dày 45cm. 2.3. Tháp cầu Tháp cầu là kết cấu gây nhiều ấn tượng nhất về vẻ đẹp của cầu và đóng vai trò quan trọng cho việc ổn định khí động học cuqả kết cấu cầu. Trước kia tháp có các dạng cơ bản hình H, chữ A, chữ Y ngược hoặc Diamon. Những tháp có được dạng đẹp là các cầu Normandi, Tatara, Tháp cầu Cần Thơ đã được lựa chọn là một phương án kiến trúc tốt. Phần lớn các cầu lớn mặt cắt ngang của cột tháp đều có dạng hình hộp. Ở Trung Quốc người ta chú ý nhiều đến việc mặt cắt cột tháp có đủ chỗ để bố trí kích căng cáp tại tháp thuận tiện cho thi công cho nên hình dạng tháp chưa thanh thoát tương xứng với kết cấu cầu. 3 Hiện nay có nhiều khuynh hướng tìm tòi các giải pháp kiến trúc cho tháp vừa đáp ứng yêu cầu thẩm mỹ nhưng có lợi về mặt kinh tế, nhất là vùng chịu gió bão lớn, có mặt cầu rộng, đó là loại tháp một cột. Điển hình cho loại này là cầu Ting Kau ở Hồng Kông: tháp chỉ có một ống để đảm bảo ổn định ngang của cột người ta dùng cáp neo 2 bên của phần dưới thân trụ. Hiện nay, cầu Stonecutter cũng dùng loại tháp một cột. Tính kinh tế của tháp ở chỗ thi công một cột bao giờ cũng rẻ hơn thi công hai cột. 2.4. Số lượng mặt phẳng dây Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đều ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn mặt phẳng dây. Việc dùng 3 mặt phẳng dây cho các cầu nhịp nhỏ, do nhược điểm về mặt phân phối chịu lực, ngày nay không dùng nữa. Đối với cầu 1 mặt phẳng dây có ưu điểm về mặt mỹ thuật cầu thông thoáng và kích thước móng không cần lớn. Tuy nhiên đối với loại kết cấu này người ta còn đang xem xét về giới hạn trên của chiều dài nhịp. Qua quá trình khai thác cầu Chao Phraya (Bang Kok, Thái Lan) có nhịp chính 450m, do vấn đề dao động nên thường xuyên phải sửa chữa và gia cường lớp phủ mặt Asphal mặt cầu. Đối với cầu mặt rộng, người ta sử dụng 4 mặt phẳng dây như cầu Ting Kau. Việc thiết kế này có lợi cho ổn định khí động học. 3. Các bài học về khai thác cầu dây văng. Ngày nay cho dù triết lý thiết kế hệ nhiều dây (cự ly neo giữa các dây ngắn) được áp dụng phổ biến, việc thay cáp không cần có các kết cấu phụ trợ nhưng giá thành vẫn rất cao. Vì vậy việc đảm bảo tuổi thọ khai thác của cáp là đặc biệt quan trọng. 3.1. Chống gỉ cho cáp Bài học điển hình cho sự phá hoại vì gỉ cáp là cầu Kohlbrand ở Đức dùng loại cáp bện chỉ sau 2 năm xây dựng bị đứt, cầu qua hồ Maracaibo chỉ sau 17 năm sử dụng phải thay toàn bộ cáp do cáp gỉ có nguy cơ sập cầu. Bởi vì cáp thường xuyên trong môi trường gỉ do không khí ô nhiễm, do mưa, do gió thổi có bụi cát, do bức xạ tia cực tím, do cáp dao động lớn. Hiện nay các loại cáp bện hầu như không còn được sử dụng cho cầu dây văng. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm cũng như kinh nghiệm khai thác ở cả châu Âu cũng như ở châu Mỹ đều đư ẩ các khuyến cáo hệ chống gỉ cho cáp gồm nhiều lớp. Ví dụ, PTI yêu cầu: - Hai lớp bảo vệ hoàn toàn lồng vào nhau; - Lớp bảo vệ bên trong phải hoàn toàn bọc phần cáp chịu lực kéo trên toàn chiều dài tự do và chiều dài neo; - Lớp bảo vệ bên ngoài hoàn toàn bọc lớp bên trong trên toàn bộ chiều dài. Lớp bảo vệ trong thường là mạ kẽm, cũng có khi người ta dùng mỡ phủ và bên ngoài các tao cáp được bọc bằng ống chất dẻo chắc chắn. Về nguyên tắc của bảo vệ nhiều lớp là các lớp bảo vệ không bị vỡ ở bất kỳ nơi nào, trong trường hợp một lớp bị phá hoại thì lớp kia vẫn có thể bảo vệ cáp chống gỉ. 4 Lớp bên ngoài là ống HDPE bao bọc kín khí, kín nước trên toàn chiều dài tự do của cáp và ở vùng neo. Thông thường vùng vỏ bọc ngoài và vỏ bọc trong được lấp đầy bằng vật liệu xáp hoặc tương đương ( trước kia hay dùng vữa xi măng). Bất kỳ một hệ bảo vệ nào cũng cần được thí nghiệm về chất lượng bằng cách đặt trong môi trường sương mù có muối trong 3000giờ, các lớp bảo vệ được thử độc lập riêng rẽ. Đối với loại ống bọc ngoài dễ bị lão hoá bởi tia cực tím cần thí nghiệm theo tiêu chuẩn ASTM G26. 3.2. Sức chịu mỏi của cáp. Ngày nay các nhà sản xuất cáp đã cố gắng nang cao khả năng chịu mỏi của cáp. Giới hạn chịu mỏi của cáp được xác định thử với 2x10 6 chu trình trong khoảng thay đổi ứng suất 100 tới 200MPa. Ảnh hưởng của chiều dài cáp và hiệu ứng bó tới sự hình thành mức độ mỏi của cáp. Cho nên giới hạn thiết kế bao giờ cũng thấp hơn mức thử của mẫu thử (khoảng 34 MPa) để xét tới chiều dài cáp lớp và tăng thêm an toàn. Một cơ cấu mỏi đặc biệt của các dây văng loại tao là mỏi do mài mòn. Trong một tao cáp có 7 sợi, 6 sợi bao quanh 1 sợi ở giữa. Sự phá hoại do mỏi do bắt đầu từ một điểm tiếp xúc của các sợi bên ngoài với sợi giữa, do chúng chuyển vị khác nhau gây sự mài mòn. Ứng suất cắt do lực ma sát giữa các sợi chuyển vị khác nhau gây ra vết nứt ở điểm tiếp xúc sau đó vết nứt phát triển do ứng suất theo chu trình trong cáp và gây nên phá hoại do mỏi mài mòn. Các kết quả nghiên cứu ở Mỹ cho thấy lớp vữa xi măng ở trong vỏ bovj cáp có tác dụng chống tác nhân gây mỏi do mài mòn. Lớp bảo vệ trong của cáp bằng phủ lớp mỡ cũng có tác dụng chống mỏi do mài mòn. 4. Những ứng dụng thiết kế và thi công cầu dây văng bước đầu ở Việt Nam. Trong phần này, chỉ đề cạp đến các cầu dây văng có tải trọng thiết kế lớn trên đường quốc gia, thi công theo phương pháp hẫng (là lợi thế của kết cấu cầu dây văng) do các kỹ sư Vạêt Nam thiết kế và thi công. Xét về phương diện này, Việt Nam xuất phát sau Trung Quốc khoảng 25 năm và sau châu Âu khoảng 50 năm. Chúng tôi xin giới thiệu dự án cầu Dakrong và càu Rạch Miễu. 4.1. Cầu Dakrong Cầu Đakrong trên đường Hồ Chí Minh nhánh phía tây. Cầu được xây dựng trước khi có quyết định đầu tư đường Hồ Chí Minh. Cầu được xây dựng có tận dụng lại móng trụ cầu cũ, trưdf móng trụ tháp xây dựng mới. Cầu dây văng một trụ tháp bố trí nhịp như sau: 22,5m +42m+86,9m+ 22,5m. Tải trọng thiết kế H18 và xe xích X-60. Dầm thép bê tông liên hợp, mặt cắt ngang dùng 2 dầm I 1024mm chiều dày bản bê tông 200mm. Chiều rộng mặt cầu 9m. Cự ly éo cáp là 9m để khối lắp ghép nhẹ. Thi công theo phương pháp lắp hẫng. Cầu do TCty Xây dựng giao thông 4 thi 5 công. Cầu đưa vào khai thác từ năm 2000, thời gian vừa qua phục vụ rất đắc lực cho việc vận chuyển vật tư xây dựng nhánhd phía Tây đường Hồ Chí Minh. Qua dự án này cho thấy kết cấu thép bê tông liên hợp dễ tịhi công cho nhà thầu Việt Nam. Việc tạo độ vồng cho cầu thông qua chế tạo dầm thép tại xưởng, quá trình căng dây, tạo độ vồng lắp ghép ở hiện trường phù hợp với kết quả tính toán. Nhà thầu tự chế tạo thiết bị cẩu lắp vì khối lắp ghép nhẹ. 4.2. Cầu dây văng Rạch Miễu. Càu có bố trí nhịp 117m+270m+117m. Kết cấu tháp bằng bê tông cốt thép, phần dầm bê tông dự ứng lực. Dự án này đã thiết kế xong. Thẩm tra thiết kế dio tư vấn Áo thực hiện. Kết quả thẩm tra chấp nhận thiết kế của Việt Nam. a. Mặt cắt ngang cầu: Cầu dây văng Rạch Miễu là cầu cho 2 làn xe cho đường cấp III đồng bằng, trong điều kiện bình thường bề rộng phủ bì của cầu chỉ là 12m. Nhưng cần chừa chỗ đặt cáp văng và dự phòng chiều rộng 0,5m mỗi bên cho việc duy tu cáp nên bề rộng phủ bì của cầu là 15m. Để giảm nhẹ công tác bảo dưỡng dầm khi khai thác, mặt khác do khẩu độ nhịp ở cận dưới của phạm vi sử dụng kết cấu cầu dây văng cho nên việc dùng kết cấu bê tông là thích hợp khi xét đến biện pháp thi công cũng như giá thành của công trình. Hình dạng mặt cắt ngang được chọn nhằm các mục tiêu: - Giảm diện tích chắn gió; - Giảm độ mở rộng vết nứt của dầm chủ trong thi công; - Có lợi cho đảm bảo ổn định chống gió trong thi công và khai thác; - Thuận tiện cho thi công đúc hẫng. Chính vì thế mặt cắt ngang được chọn có dạng 2 sườn chính ở 2 phía nối với bản mặt cầu, tỷ lệ kích thước của mặt cắt: h/L = 1/154; B/h = 8,6. Trong đó L là chiều dài nhịp chính, B là chiều rộng mặt cầu, ha là chiều cao của dầm cầu. b. Tháp cầu Tháp cầu được thiết kế dùng vật liệu bê tông cốt thép, trong quá trình thiết kế so sánh giữa hai dạng tháp hình A và H. Dạng tháp hình A có lợi thế tạo thêm vẻ đẹp kiến trúc cho cầu nên được cháp nhận. Mặt cắt chân tháp hình hộp, trong lòng hộp bố trí thang đi kiểm tra neo. c. Bố trí cự ly neo cáp. Kinh nghiệm thiết kế quốc tế cho rằng cự ly neo cáp cho dầm bê tông cốt thép trong khoảng từ 6m đến 12m, đối với các nước phương Tây thường bố trí cự ly khoảng 12 m để đảm bảo cho việc thi công đúc hẫng và tiến độ thi công nhanh. Ở Trung Quốc thường bố trí cự ly neo ngắn khoảng 7 m. Đối với công trình cầu Mỹ Thuận cự ly bố trí neo cáp là 10,4m. Đối với Việt Nam, do các nhà thầu chưa có nhiều kinh nghiệm thi công nên trong thiết kế cần xem xét cự ly neo sao cho thích hợp cả 2 mục tiêu vừa dễ 6 dàng khi thi công đúc hẫng phù hợp với điều kiện Việt Nam vừa hạ giá thành. Trong quá trình thiết kế đã so sánh giữa các phương án cự ly neo dây 6m và 9m. Nếu để cự ly neo dây 6m thì rất thuận lợi khi thi công vì việc đúc hẫng dầm hoàn toàn tương tự như đúc hẫng dầm bê tông liên tục nhịp lớn mà các nhà thầu Việt Nam đã có kinh nghiệm, điều chỉnh độ vồng dễ dàng hơn. Nhưng trong điều kiện Việt Nam hiện nay giá thành vật liệu cáp và neo còn đắt cho nên chọn phương án neo dây 9m là phương án trung gian để giảm được khối lượng cáp và neo nhưng cũng giảm khó khăn cho việc chế tạo xe đúc cũng như việc điều chỉnh độ vồng khi thi công so với cự ly neo cáp 10,4m hay 12m. d. Vật liệu Vật liệu neo và cáp theo tiêu chuẩn quốc tế quy định trong chỉ dẫn thiết kế thí nghiệm và lắp đặt cáp dây văng của Viện dự ứng lực Hoa Kỳ (Recommendations for stay cable design, testing and instalation). Vật liệu bê tông sẽ dùng loại có chất lượng cao, ví dụ bê tông dùng cho dầm và tháp có cường độ 50MPa, cọc khoan nhồi dùng bê tông có cường độ 40MPa. Muốn sản xuất được loại vật liệu này các nhà thầu phải tuân thủ quy trình sản xuất một cách chặt chẽ, với việc sử dụng phụ gia siêu dẻo thế hệ mới việc sản xuất các loại bê tông này không có gì khó khăn. 5. Một số vấn đề về lý thuyết tính toán thiết kế 5.1. Tải trọng thiết kế và việc xác định tốc độ gió cơ bản thiết kế. Hiện nay các vấn đề quy định tải trọng thiết kế trong cầu còn nhiều vấn đề cần bàn để đi đến thống nhất. Các vấn đề co ngót và từ biến của bê tông có thể tạm thời chấp nhận theo tiêu chuẩn của FIB mà nhiều nước chấp nhận khi chưa có các kết quả nghiên cứu cho địa phương mình. Tuy nhiên các vấn đề sai cần cân nhắc khi xây dựng các số liệu cơ bản đầu vào cho thiết kế. a.Tải trọng người bộ hành. Hiện nay trong tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt nam 272:01 quy định nếu bề rộng bộ hành lớn hơn 60cm thì tải trọng bộ hành lấy bằng 3x10 -3 MPa tính cùng với tải trọng thiết kế xe cộ. Đây là quy định cho các cầu thông thường, đối với cầu dây văng nhịp lớn thì cần xdét đến hệ số triết giảm theo chiều dài nhịp nhất là các cầu có nhịp lớn hơn 300m(khi tính tháp và nền móng của tháp) b. Tốc độ gió cơ bản thiết kế Trong thiết kế cầu dây văng người ta lấy tốc độ gío cơ bản là tốc độ gió trung bình trong thời gian 10 phút ở độ cao 10m trên mặt đất tại nơi xây dựng cầu. Với tốc độ này người ta xác định áp lực gió tác dụng vào các phần kết cấu thay đổi theo độ cao khác nhau tuỳ thuộc vào sự phản ứng của kết cấu với gió thể hiện thông qua trị số hệ số động lực nâng C L , hệ số kéo ngang C D , hệ số mômen quay C M (các trị số này nhận được từ kết quả thí nghiẹm hầm gió). Cũng với tốc độ này người ta xác định mức so sánh với tốc độ giới hạn gây ra dao động mất ổn định khí động học của kết cấu. Đối với các cầu dây văng nhịp lớn, thường tổ hợp tải trọng gió khống chế thiết kế nền móng và tháp ở khu vực có hệ số gia tốc động đất nhỏ. 7 Thông thường ở nước ngoài dựa vào các liệt thống kê của các trạm đo gió để xác định tốc độ gió theo các tần suất xuất hiện khác nhau. Nhưng ở Việt Nam các số liệu đo gió ở các trạm cho thấy tốc độ gió hoặc là thấp so với các tiêu chuẩn châu Âu hoặc còn thiếu tin cậy, ví dụ ở một trạm đo gió máy đo gió chỉ có thể đo được tốc độ gió lớn nhất 40m/s. Cho nên vừa qua có các xu hướng lấy tốc độ gió cơ bản theo tiêu chuẩn châu Âu (cầu Bính, Mỹ Thuận, Rạch Miễu), hoặc thiên về lấy các giá trị gần của Nhật Bản (Cần Thơ, Bãi Cháy). Tên cầu Tốc độ gió cơ bản V 10.10 (m/s) Mỹ Thuận 33 Cần Thơ 40 Rạch Miễu 30 Bính 30 Bãi Cháy 40 Vấn đề này cần được giải quyết thoả đáng trong tương lai. 5.2. Về ổn định khí động họch của kết cấu. Khi thiết kế cầu Rạch Miễu, để xác định tốc độ gió tới hạn mất ổn định tiến hành tính giải tích a. Kiểm toán dao động chòng chành. Mục đích của việc tính toán là xác định tốc độ gió giới hạn dao động chòng chành và tần số dao động chòng chành. Tốc độ này được xác định bằng cách thiết lập mô hình 2 bậc tự do( bao gồm thức uốn và xoắn) và đạo hàm dao động của mặt cầu. Theo phương pháp giải của SIMU và SCANLAN biến đổi phương trình chuyển động của dầm cầu về một hệ phương trình với vế phải là các đa thức bậc 3 và 4: a 4 X 4 + a 3 X 3 +a 2 X 2 + a 0 = 0 b 3 X 3 +b 2 X 2 +b 1 X+b 0 = 0 Trong đó các hệ số a i và b i là hàm số của mật độ không khí, hệ số khí động học, đạo hàm dao động chòng chành, tỷ lệ tần số xoắn và tần số uốn; chiều rộng mặt cầu. Các trị số hệ số khí động học, đạo hàm dao động lấy theo các trị số của các mặt cắt cầu có hình dạng tương tự. X= n/n v (n là tần số dao động bản thân và n v là tần số dao động xoắn). Dùng phương pháp đồ thị để giải được nghiệm X và tìm được tốc độ gió triết giảm trung bình. Từ đó tìm được tốc độ gió giới hạn chòng chành và tần số dao động chòng chành qua các biểu thức: U F = U r Bn l : n l : = Xn v Trong đó U F là tốc độ gió giới hạn, U r tốc độ triết giảm trung bình; 8 Kết quả giải tích cho tốc độ gió giới hạn ổn định 89m/s. Kết quả thí nghiệm hầm gió tại trường đại học Đồng Tế cho thấy tốc độ gió giới hạn trong khoảng từ 88m/s đến 116m/s với tốc độ gió tác dụng -3 o và từ 0 đến +3 0 . Điều đó cho thấy kết quả giải tích là khá trùng hợp. b.Về giải tích tần số dao động tự nhiên kết cấu. Tần số dao động tự nhiên của kết cấu là trị số rất quan trọng để tính toán ổn định khí động học của kết cấu cũng như để xác định các kích thước mô hình thí nghiệm hầm gió. Muốn xác định tần số dao động tự nhiên của kết cấu chính xác thì việc mô tả toán học độ cứng chống xoắn của dầm cho sát với thực tế sẽ rất quan trọng. Các đề xuất trong các tài liệu và khảo sát đo đạc tần số dao động tự nhiên trên công trình cầu đã đi đến kết quả như sau: Khi mô tả kết cấu tính toán phần dầm chủ chỉ nên mô tả một dải dầm hoặc 3 dầm thì cho kết quả đúng đối với cầu dây văng hai mặt phẳng dây. (Thông thường giải tích tính nội lực kết cấu 2 mặt phẳng dây miêu tả 2 dải dầm). Ví dụ kết quả tính cầu Rạch Miễu. TT Tần số (Hz) với mô hình 3 dải dầm Tần số (Hz) với mô hình dải dầm Loại mốt 1 0.03302 0,3265 Mốt uốn thẳng đứng đối xứng 2 0,3733 0,3707 Mốt uốn dọc tháp với dịch chuyển dọc và uốn thẳng đứng phản đối xứng của dầm 3 0,4681 0,4680 Mốt uốn ngang đối xứng của dầm 4 0,5100 0,5035 Mốt uốn thẳng đứng phản đối xứng của dầm 5 0,6784 0,5782 Mốt uốn ngang phản đối xứng của tháp Khi mô tả hai dầm thông thường như khi tính nội lực, kết quả tần số dao động tự nhiên sai khác trên 10%. 6. Triển vọng của kết cấu cầu dây văng ở Việt Nam Đến khoảng năm 2007 chúng ta sẽ có 6 cây cầu dây văng đi vào khai thác. Sau giai đoạn này, đội ngũ kỹ sư thi công và thiết kế sẽ tích luỹ được nhiều kinh nghiệm và việc xây dựng cầu dây văng ở Việt Nam sẽ phát triển nhanh hơn, nhất là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long nơi có nhiều sông rộng, nước sâu, yêu cầu thông thuyền cao. Đối với vùng đồng bằng Nam Bộ nên mạnh dạn áp dụng kết cấu dầm bê tông thép liên hợp để giảm nhẹ khối lượng thi công móng trong vùng đất yếu đồng thời thích hợp hơn với trình độ các nhà thầu Việt Nam. Với các Vàm Cống (An Giang), Cổ Chiên (Trà Vinh) nên xây dựng với nhịp chính từ 600m trở lên, cầu Cao Lãnh (Đồng Tháp) nên xây dựng với nhịp chính từ 400 trở lên để giảm khả năng va của tàu thuyền vào tháp và dễ dàng cho thi công móng tháp. 9 Nếu ngành cơ khí chế tạo đầu tư sản xuất thiết bị hệ thống neo cáp văng thì giá thành càu dây văng ở Việt Nam còn giảm được và khả năng phát triển sẽ tốt hơn. 7. Một số khía cạnh kỹ thuật Từ kết quả giải tích và thí nghiệm hầm gió của nhịp dây văng 270m cũng như kinh nghiệm ở một số nước cho thấy cầu dây văng có nhịp nhỏ hơn 270m, có dạng mặt cắt tương tự đã từng được thí nghiệm hầm gió, có thể không cần thí nghiệm hầm gió mà chỉ kiểm toán bằng giải tích. Về vấn đề này các nhà thiết kế ở Phần Lan đã từng giải quyết cho việc thiết kế cầu Bính. Cần có các nghiên cứu chi tiết hơn về việc phân vùng gió và độ tin cậy các trị số khảo sát tốc độ gió ở Việt Nam để có quy định tốc độ gió thiết kế phù hợp với thực tế hơn để tiết kiệm chi phí xây dựng. (Nguồn: Tài liệu Hội thảo Khoa học kết cấu thép trong Xây dựng) 10 . Về sự phát triển cầu dây văng ở Việt Nam Từ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2 kết cấu cầu dây văng hiện đại nhịp lớn được phát triển do ưu điểm nổi bật về tính kinh tế của nó so với cầu. 2.2. Dầm cầu. Một trong các đặc tính ưu việt của cầu dây văng là dầm cầu có chiều cao kiến trúc thấp vượt nhịp lớn. Ở giai đoạn đầu phát triển cầu dây văng hiện đại, khi bố trí cự ly dây vào. này là đỉnh điểm của sự phát triển cầu dây văng ở Trung Quốc trong khoảng thời gian 30 năm vừa qua. Bắt đầu từ năm 1975 hai công trình mở đường cho kết cấu cầu dây văng ở Trung Quốc được thực