Tài liệu Bài giới thiệu cầu millau

Cầu Cạn bắc qua sông Tarn ở Millau Ông Virlogeux Kỹ sư tư vấn trưởng về cầu và đường Chủ tịch danh dự Hiệp hội Bê tông quốc tế Tóm tắt: Việc lắp dựng cầu bắc qua sông Tarn, ở Millau miền trung nước Pháp được bắt đầu vào tháng 10/2001 và hoàn thành vào tháng 1/2005. Đây sẽ là bước tiến bộ nổi bật trong thiết kế cầu dây văng, với 6 nhịp chính dài 342m được treo bởi 7 cột tháp. Con đường sẽ đi trên độ cao 270m trên mực nước sông, và hai trong số các trụ có chiều cao tới 235m và với cột tháp tương ứng ở trên cầu cao tới 90m thì chúng đều cao hơn tháp Eiffel. Có hai phương án được đưa ra, một là cầu dự ứng lực và một là cầu thép. 1. Đường cao tốc A75 Cầu Milau là một phần quan trọng của tuyến đường cao tốc A75 giữa Clermont-Ferrand và Béziers, cũng là một phần của con đường mới nối Pháp và Tây Ban Nha. Vượt qua những ngọn núi vùng Massif Central, đây sẽ là tuyến đường cao tốc ở độ cao nhất nước Pháp, như tại đoạn vượt Issartets, cao tới 1110 m trên mực nước biển. Phần lớn nhất của tuyến đường cao tốc này được Ban Dịch vụ kỹ thuật của Cục đường bộ Pháp thiết kế, với sự chú ý đặc biệt tới các cây cầu chính. Một cục xây dựng chuyên ngành đã được thành lập vào năm 1989 để thí điểm thiết kế của những cây cầu này và để kiểm soát quá trình lắp dựng, Cục Quản lý công trình đường cao tốc A75 (AIOA-A75) do Georges Gillet làm Cục trưởng (hình 1). Hình 1 : Đường ô tô A75 và các cầu chính. SETRA – Cơ quan thiết kế của Cục Đường bộ Pháp đang không chỉ chịu trách thiết kế của một số cầu quan trọng mà còn có ảnh hưởng mạnh mẽ đến thiết kế của một số cầu khác thông qua việc cử nhóm công tác tham gia dự án với tư cách là tư vấn và giám sát. Đóng vai trò chủ chốt tại Phòng Cầu lớn trong giai đoạn trước đây, chúng tôi đã phát triển hoặc khởi xướng thiết kế mẫu cho những cây cầu dưới đây, bao gồm cả cây cầu cuối cùng với tư cách là tư vấn tư nhân: - Cầu qua sông Truyère ở Garabit; - Cầu Piou và Rioulong - Cầu La Planchette, gần làng của Chirac; - Cầu bắc qua sông Lot ở La Mothe; - Ống vòm Antrenas; - Cầu vượt Truc de la Fare; bản bê tông dự ứng lực được treo bằng dây cáp. - Và cầu tại Verrières Đồng thời, chúng tôi đặt yêu cầu cao về kết hợp tuyến đường cao tốc vào cảnh quan xung quanh, đặc biệt dưới ảnh hưởng của Marc Marcesse và Bernard Lassus. Thêm vào đó cũng không quên nhắc tới hai hầm quan trọng tại Monjézieux và Le Pas de l’Escalette 2. Dự án Millau Thử thách lớn nhất để hoàn thành tuyến cao tốc A75 là vượt qua thung lũng Tarn rộng lớn và sâu ở khu vực Millau. Bố trí tuyến đầu tiên được CETE Mediterannee đề xuất vào năm 1987. Phương án này vượt qua phía Đông của Millau với hai cầu treo chính bắc qua những cao nguyên để vượt qua thung lũng Tarn và Dourbie, tuy nhiên nó không thể nối với khu vưc thành phố của Millau; do vậy nó ngay lập tức bị bỏ qua. Một phương án khác là vượt qua từ điểm cuối của thành phố, sâu dưới thung lũng Tarn, bắc qua cao nguyên Larzac tới phía Nam nối vào tuyến đường RN9, một số người thích bố trí này do chi phí thấp, tuy nhiên với các đoạn dốc dài và không uốn lượn nó rất bất lợi cho giao thông với mật độ cao. Phương án cuối cùng vượt sông Tarn West ở Millau, với cầu dây văng cổ điển, bắc lên cao nguyên Larzac tận dụng phần đất lõm Cirque d’Issis, tuy nhiên vùng đất lõm này là được tạo ra do sự sụp đổ của các lớp đá vôi, bị xói mòn do nước ngầm từ cao nguyên, và do vậy con đường sẽ bị đặt trên một vài lớp sét mềm không ổn định. Phương án này thật sự là không khả thi. 2.2 Khi bố trí tuyến đơn giản có thể chấp nhận được là dọc theo đường RN9 có sẵn cùng lúc gặp sự phản đối của chính quyền địa phương do họ không muốn có đường cao tốc quá gần thành phố, và của các kỹ sư do đặc trưng nghèo nàn của nó thì một mặt cắt mới được đề xuất, xa về phía Tây, khắc phục được đoạn hiểm trở nhất của cao nguyên Larzac. Nhưng ngay lập tức các vấn đề mới cũng xuất hiện: chiều dài tuyến tăng lên 5km, một số khó khăn về địa kỹ thuật là không thể tránh khỏi và người dân ở các làng xung quanh phản đối. 2.3 Khi vấn đề trở nên tuyệt vọng, chúng tôi đã được yêu cầu rà soát cùng nhau – Georges Gillet, Emmanuel Bouchou và Philippe Gaudemer - để xem liệu có chắc rằng không còn phương án nào khả thi với Tây Millau. Từ cao nguyên Larzac, chúng tôi có thể hình dung ra một phương án vào tháng 5/1989. Đi xuống từ phía Bắc và Causse Rouge dọc theo đường thung lũng sâu nhất ngay liền kề, mặt cắt này vượt qua sông Tarn bằng một cây cầu dây văng kiểu cổ điển và nối tới một cao nguyên trung bình ở bờ trái, cao nguyên Plateau de France, nơi mà một nút giao có thể được xây dựng để nối tuyến với các đường địa phương. Từ đây một cây cầu cong - được làm từ hai kết cấu độc lập - mọc lên để nối với phần cao nhất của vách núi bao trùm cả thung lũng về phía Tây, ngọn Caussosnus, và xuyên qua vào một lớp đá vôi cứng bằng một đường hầm gồm hai ống song song (hình 2 và 3). Hình 2: Phương án bố trí đường cao tốc cho “lựa chọn thấp” ở Millau Hình 3: Mặt cắt dọc cầu cho “lựa chọn thấp” ở Millau Hình 4: Phương án bố trí đường cao tốc vượt thẳng qua thung lũng Tarn ở Millau Hình 5: Giải pháp “hợp lý” cho việc vượt thẳng, với một nhịp dài bắc qua sông Tarn. Phương án được cải tiến với hai chuyên gia, Marc Panet và Marcel Rat, một nhà địa kỹ thuật và một chuyên gia địa chất, và sau đó được CETE Mediterannee phát triển. 2.4 Nhưng, ngay khi phương án tốt được lựa chọn, chúng tôi nhận ra rằng giải pháp đơn giản nhất là vượt thẳng từ Bắc tới Nam qua thung lũng với một cây cầu cao, bắc từ Causse Rouge đến phía Bắc, rồi qua cao nguyên Larzac rồi đến phía Nam. (hình 4) Giải pháp “hợp lý” là một cây cầu treo hoặc cầu dây văng dài với một nhịp dài khoảng 800m để vượt qua phần sâu nhất của thung lũng Tarn và con sông, cột tháp phía nam sẽ được đặt trên cao nguyên Plateau de France ở bờ trái (hình 5). Nhưng theo quan điểm của chúng tôi, các cột tháp cao sẽ phải xuyên sâu xuống khu vực thi công, và chúng tôi không thể đề xuất một giải pháp như vậy. Chúng tôi cho rằng sẽ phù hợp với khu vực thi công hơn nhiều với một cây cầu với các nhịp giống nhau, không nhấn mạnh vào việc vượt qua con sông, do có rất nhiều khúc sông quanh co nên phần sâu nhất của thung lũng gần như không thể nhìn thấy ở bất cứ nơi nào; ở hầu hết các điểm trong khu vực, thung lũng chỉ có thể được nhìn thấy từ độ cao của cao nguyên Plateau de France trở lên, và thiết kế cầu phải phù hợp với ấn tượng này (hình 6). Nhưng tất nhiên nó phải có các nhịp rất dài do độ sâu của thung lũng. Do vậy chúng tôi hình dung ra một cây cầu với 7 nhịp dây văng, từ 4 nhịp chính dài 450m tới 7 nhịp chính dài 300m. Với Emmanuel Bouchon chúng tôi lựa chọn phương án sau với 8 cột tháp và 7 nhịp dây văng chính dài 290m hoặc 6 nhịp dây văng chính dài 320m (hình 7) vì 2 lí do: Hình 6: Dự án cuối cùng được nhìn từ tháp cổ của thành phố Millau Hình 7: Hai phương án sơ bộ với 6 hoặc 7 nhịp chính (tháng 7/1990) - Một nhịp dài 300m cho phép vượt qua phần sâu nhất của thung lũng Tarn với điều kiện cho phép hai trụ cao 240m. Với những nhịp dài nhất, một trụ sẽ được đặt trên dốc hiểm trở bao trùm phía bờ trái của dòng sông nơi mà rất khó để lắp dựng. Các nhịp dài 300m sẽ phù hợp hơn so với nhịp dài hơn trên cao nguyên Plateau de France nơi mà các trụ “chỉ” cao có 100 đến 150m. 2.5 Thiết kế điển hình này được phát triển vào năm 1989 và 1990. Không may là để thể hiện kích thước của kết cấu, chúng tôi đã có ý tưởng đặt bản vẽ với cùng tỷ lệ của tháp Eiffel và vầu Garabit, công trình nổi tiếng của Gustave Eiffel (hình 8). Hiệu ứng là rất lớn, tất cả những người có trách nhiệm liên quan đến dự án, cùng với hàng trăm kiến trúc sư, kỹ sư và phóng viên đột nhiên nhắm vào việc gây ảnh hưởng nào đó đến thiết kế. Hình 8: Bản vẽ gây tranh cãi với tháp Eiffel (tháng 7/1990) 2. Quá trình phát triển của dự án 3.1 Như cho các cầu lớn khác, dự án cầu Millau đã tiến hành theo một trình tự cổ điển. Đầu tiên, cần chọn 1 trong 2 phương án bố trí tuyến đường, phương án thấp với cầu dây văng cổ điển qua sông Tarn, cầu cong và các đường hầm hoặc phương án cầu cao đa nhịp dây văng của kiến trúc sư Berdj Mikaelian; chỉ 1 trong 2 chiếc cầu cong song song được thể hiện, mặc dù sự hiện diện của 2 đường hầm ở đoạn cuối phía Nam hiển nhiên là cần 2 chiếc cầu (hình 9 và hình 10). Hình 9: Cầu qua cao nguyên Plateau de France với một nhánh cầu cho phương án “thấp” Hình 10: Phương án cầu dây văng qua cao nguyên Plateau de France (Berdj Mikaelian, 1991) Phương án thấp có những hạn chế rõ ràng: tuyến đường dài ra thêm 1km, cần phải đi xuống thung lũng rồi lại đi lên, đi từ cao nguyên này tới cao nguyên khác với độ dốc giới hạn là 4%; đi xuống từ Nam tới Bắc, ra khỏi hầm với độ dốc 4% với bán kính cong 900m; cộng với việc phía này đi về phía Bắc có thể khiến tuyến đường trở nên cực kỳ nguy hiểm do băng vào mùa đông và cuối cùng một đường cong rất nhọn cho giao thông từ phía Nam đến khu vực địa phương bên bờ trái của sông Tarn, ngay tại lối vào nút giao trên cao nguyên Plateau de France. Thêm vào đó với mặt cắt tuyến dài, cây cầu dây văng, các nhánh cầu cong và các đường hầm, phân tích chi phí do Soprese và Philippe Drisin lập năm 1991 cho thấy tuyến đường thấp đắt hơn phương án trực tiếp từ cao nguyên nối đến cao nguyên. Vì những nguyên nhân này nên phương án trực tiếp được chọn và Trưởng phòng Đường Bộ thông qua vào 29/10/1991. Khi ông phát hiện ra dự án, với tư cách là một thành viên của ban chuyên gia quốc tế phụ trách đánh giá dự án, Jorg Schlaich ngay lập tức nghi ngờ phương án được chọn nhưng sau khi tham quan hiện trường ông đã hoàn toàn ủng hộ quyết định. 3.2 Theo quy định cho các dự án lớn, bước tiếp theo là việc định nghĩa thiết kế khái niệm. SETRA đã phải so sánh các giải pháp có thể đề xuất cái tốt nhất, tuy nhiên trong trường hợp đặc biệt này, phân tích sơ bộ được chia thành 2 bước liền nhau: Bước thứ nhất hoàn thành vào tháng 7/1992, xem xét 5 nhóm giải pháp (trở thành 8 khi tách riêng giải pháp cầu thép và cầu bê tông): - Dầm hộp bê tông dự ứng lực (BTDUL) với chiều cao không đổi dùng phương pháp đúc hẫng, chiều dài nhịp bằng nhau 120 đến 140 hoặc 240 m. - Dầm hộp thép có chiều dài không đổi được lao lắp, dùng bản đỉnh bằng bê tông (cho các nhịp nhỏ) hoặc dùng bản mặt cầu trực giao, chiều dài nhịp bằng nhau 120140-170 hoặc 200m. - Dầm hộp BTDUL có chiều cao thay đổi dùng phương pháp đúc hẫng với chiều dài nhịp bằng nhau 170-200 hoặc 240m - Hộp thép thẳng đứng với chiều dài thay đổi với chiều dài nhịp bằng nhau 200-240. - Cầu dầm hộp với một nhịp chính chiều cao thay đổi qua sông Tarn và phần sâu nhất của thung lũng và các nhịp khác có chiều cao dầm không đổi; các nhịp có chiều dài lần lượt là 240m và 140m hoặc 280m và 160m: giải pháp cuối cùng cho kiểu bố trí cầu với 3 nhịp có chiều cao dầm thay đổi dài 250m với các nhịp dẫn dài 160m, dùng BTDUL xây dựng bằng phương pháp đúc hẫng. - Hoặc bằng thép, với một kết cấu trực giao thì các nhịp dẫn có chiều cao dầm không đổi được lao lắp. - Một cây cầu dây văng “cổ điển” bắc qua sông Tarn và phần sâu nhất của thung lũng có chiều dài nhịp 400m hoặc 450m và các nhịp dẫn dài 170m; kết cấu là hộp trực giao có thể được lao lắp từ cả hai phía chỉ trừ một phần rất nhỏ của nhịp chính nếu chiều dài là 450m. - Và cuối cùng là giải pháp BTDUL với đa nhịp dây văng, 6 nhịp dài 320m treo bởi 7 cột tháp với hai trụ giữa ở mỗi nhịp biên. 3.3 Từ việc xem xét này, 7 phương án đã được chọn để có một thiết kế sơ bộ chi tiết, và được phát triển lại với sự tham gia của Berdj Mikaelian. Nhưng có một điều kiện do cơ quan có thẩm quyền là chỉ giới hạn các phân tích trong khía cạnh kỹ thuật của dự án để tránh các giải pháp vội vã trong thiết kế kiến trúc (hình 11). - Một kết cấu cầu dầm hộp trực giao cổ điển chiều cao không đổi có các nhịp bằng nhau dài 200m, được thi công bằng biện pháp lao lắp. Một cầu dầm hộp BTDUL có chiều cao dầm thay đổi, thi công bằng biện pháp đúc hẫng, với chiều dài bằng nhau 240m - Một giải pháp tương tự với 3 nhịp có chiều cao dầm thay đổi dài 250m và các nhịp dẫn có chiều cao dầm không đổi dài 160m. Giải pháp thứ ba của loại trên, cầu chỉ có 1 nhịp chính có chiều cao dầm thay đổi dài 280m và các nhịp dầm có chiều cao dầm không đổi dài 160m. Giải pháp lựa chọn với dầm hộp trực giao, với nhịp chính tương tự có chiều dài thay đổi dài 280m qua sông Tarn và các nhịp dẫn dài 160m được lao lắp. Một giải pháp thép trực giao khác với nhịp dây văng chính dài 400m qua sông Tarn, các nhịp biên dài 185m và nhịp dẫn dài 170m. Toàn bộ kết cấu thép được lao lắp từ cả hai phía và hợp long ở nhịp giữa sông. Và vẫn là giải pháp được chúng tôi thích hơn cả là cầu dây văng BTDUL với 6 nhịp chính dài 320m và 7 cột tháp. (Hình 12) Hình 11: 7 phương án được SETRA phát triển (1992-1993) 4. Thiết kế khái niệm của phương án dây văng đa nhịp 4.1 Do phương án này làm nảy sinh rất nhiều câu hỏi, chúng tôi đã phải cống hiến nỗ lực tối đa với các chuyên gia như Emmanuel Bouchon, Daniel Lecointre và Christophe Outteryck cho việc phát triển giải pháp cầu dây văng đa nhịp. Một cây cầu đa nhịp dây văng làm nảy sinh hai vấn đề lớn mà các giải pháp để khắc phục chúng lại gần như đối nghịch - Khi một nhịp chịu tải trọng của giao thông, lực căng ở dây văng tăng lên, và các cột tháp liền kề uốn về phía nhịp cầu. Do không có gì giữ ở các nhịp liền kề, độ lệch của các cột tháp này sẽ nâng các dầm (và các nhịp) liền kề nhịp chịu tải trọng lên. Hình 12: Dự án SETRA Do các nhịp có thể được đặt tải lần lượt, mỗi nhịp sẽ thay nhau chịu mômen uốn trên và dưới dẫn đến thay đổi ứng suất có thể rất lớn trên bản mặt cầu (hình 13). Hình 13: Đặc trưng kết cấu của một cây cầu đa nhịp dây văng. - - Để giảm dao động gây ra do giao thông, chuyển động lên và xuống, các giải pháp khác nhau đã được đề xuất. Đối với những nhịp cầu trung bình và nhỏ, có thể giới hạn độ dao động bằng thiết kế bản mặt cầu cứng. Nhưng đối với các nhịp cầu dài hơn như cầu cạn Millau, cần phải thiết kế các cột tháp cao cứng và tận dụng lợi thế độ cứng của các trụ cầu dưới mặt cầu. Đây là lý do tại sao giải pháp hiệu quả nhất bao gồm thiết kế các tháp liên tục kết nối liền với các các trụ ở dưới. Trường hợp đơn giản nhất đối với các cầu dây văng song song đó là có hai tháp ở nằm ở hai bên của bản mặt cầu. Nhưng với những trụ cầu cao như cầu cạn Millau, chúng tôi thấy hoàn toàn thiếu thẩm mỹ nếu có các cột tháp cứng và các dây văng; cầu Mezcala tại Mehicô rõ ràng cho thấy rằng sự phân bổ và hình dáng là không đẹp về mặt kết cấu như chúng tôi hướng đến (hình 14). Chúng tôi thấy cần thiết phải có các cột tháp đối xứng và dây văng. Trong trường hợp này để tạo sự tham gia lý tưởng của trụ cầu đối với việc gia tăng độ cứng của cầu, cần phải có sự kết nối cứng giữa trụ cầu, bản mặt cầu và cột tháp, hoặc giải pháp khác mà cho phép chuyển tải mômen uốn đối với trụ cầu. Hình 14: Cầu Mezcala, Mêhicô, với đây văng và các cột tháp (ảnh của Freysinet) - Việc kết nối cứng giữa trụ cầu và bản mặt cầu sẽ ngăn ngừa sự tạo ra những biến dạng về độ dài của bản mặt cầu do sự thay đổi về thời tiết, từ biến của bê tông và sự co ngót của kết cấu bê tông dự ứng lực, và không quên nhắc tới hiệu ứng co ngót do dự ứng lực. 4.2. Giải pháp hợp lý bao gồm có một bản mặt cầu cứng hơn - một dầm hộp với độ dầy khoảng 5 mét - nằm trên một dãy trụ cứng bên dưới các cột tháp thông qua hai hàng gối chậu; các gối cố định nằm trên bốn trục trung tâm và gối trượt nằm trên các trục ở hai đầu, một ở phía Bắc và hai ở phía Nam. Nhưng với tải trọng cao do khối lượng của cột tháp và cầu, các lực ma sát trên gối trượt sẽ tạo ra mô men uốn tại các trục cao. Ngoài ra, việc dịch chuyển theo phương đứng do biến đổi về nhiệt độ cũng như độ từ biến và co ngót của bê tông, có thể lên tới 50 -60 cm, tải trọng lệch tâm. Cuối cùng chúng tôi thấy khó khăn trong việc kiểm soát chuyển động của các gối trượt do hiệu ứng nhiệt vì các chuyển động này không theo theo phương trình và không đàn hồi và chúng tôi lo lắng về vai trò tầm quan trọng của chúng. Tất cả những khó khăn trên đã khiến chúng tôi bỏ giải pháp này. 4.3. Chúng tôi quyết định kết nối cứng giữa trụ cầu và bản mặt cầu, và xem xét khả năng thiết kế các trụ cầu cứng với điều kiện phải có khe co giãn tại nhịp chính thứ 4 tính từ phía Bắc. Nhưng khe co giãn cổ điển sẽ làm tăng độ linh hoạt của cầu, điều này có thể không phù hợp với loại kết cấu này. Để chuyển mô men uốn thông qua điểm liên kết, chúng tôi thiết kế xà ngăn kéo lắp bên trong dầm hộp với hai hàng gối trên mỗi mặt của điểm liên kết, lên và xuống nhằm chuyển mô men uốn theo cả hai chiều (xem hình 15). Hình 15. Nguyên tắc cho xà ngăn kéo chuyển mô men uốn thông qua khe co giãn tại nhịp giữa. Nhưng dường như là rất khó khăn đế xác định xà ngăn kéo cứng trong dầm hộp và cuối cùng Rene Walther - chuyên gia thẩm định dự án này đã khuyến nghị xoá bỏ điểm liên kết trung gian và chúng tôi đã làm như vậy. 4.4. Cuối cùng chúng tôi đã quyết định chia những trụ cầu ở hai đầu - một ở phía Bắc và hai ở phía Nam- thành hai trục đôi để tạo ra đồng thời độ cứng cao và độ linh hoạt tốt để chống lại sự biến dạng theo phương đứng tại bản mặt cầu. Emmanuel Bouchon tăng đội linh hoạt theo phương đứng bằng cách lắp một hàng gối cố định trên đỉnh hai trục của những trụ này. Về mặt kỹ thuật, tất cả các vấn đề đã được giải quyết ổn thoả. 4.5. Phân tích đã được hoàn thành cùng với đánh giá về lực của gió. Trong thực tế, do cầu thường nằm ở độ cao 150 mét so với mặt đất và phần dưới của của thung lũng thường không bị ảnh hưởng vì gió do sự uốn khúc của sông Tarn. Tuy nhiên, điều này thường tạo ra những cơn gió to. Trước khi có dữ liệu đầy đủ, chúng tôi đã đánh giá các lực gió và từ đó xác định kích cở của các mặt cắt của trụ cầu. Với cầu dầm hộp cổ điểm được là bởi các nhịp cầu đều dài 240 mét, ví dụ những biến số parabol của mặt cắt từ đầu trụ là không thuận tiện: trong trường hợp bộ phận thượng tầng mà kích thước tăng dần dần và mặt cắt sẽ không thể chống lại các lực của gió; mặt khác những biến thiên tuyến của các kích thước dường như là quá nhiều và không thẩm mỹ; do đó chúng tôi đã phải thông qua giải pháp trung gian với hình parabol thẳng hơn. May mắn, một trong những lợi thế của giải pháp dây văng đó là độ dầy kết cấu của bản mặt cầu thấp hơn và hình dáng về mặt khí động lực là tốt hơn. Với việc giảm tương ứng của lực gió, mặt cắt có thể thay đổi theo kiểu parabol từ đầu đỉnh trụ từ khỏang 10x9mét thành 24x14mét trên cơ sở của hai trụ cao hơn. 5. Quá trình phát triển dự án 5.1. Khi mà dự án Millau được hình thành vàocuối thập kỷ 80, đã có dự kiến rằng thiết kế sẽ được tiến hành như cầu Normandie với đội ngũ thiết kế đứng đầu bởi SETRA và các chuyên gia thiết kế được lựa chọn với chuyên môn phù hợp. Và tương tự như đối với cầu Normandie, đã có quyết định hình thành một đội chuyên gia quốc tế để thẩm định dự án. 5.2. Đội chuyên gia đã được hình thành năm 1993 và sau đó đã tiến hành bước quan trọng trong việc phát triển dự án. Đứng đầu bởi ông Jean Francois Coste, đội chuyên gia bao gồm một số kỹ sư về kết cấu (Rene Walther, Roger Lacroix, Jean – Claude Foucriat và Jean Pera và Jorg Schlaich tại gia đoạn đầu), chuyên gia về gió (Alan Davenport), chuyên gia địa chất (Francois Baguelin và Jean Francois Corte) cũng như những nhà thiết kế, thiết kế phong cảnh và chuyên gia về thẩm mỹ cầu (David Billington và Bernard Lassus). 5.3. Đồng thời ông giám đốc đường bộ mới, người mà cảm thấy chưa bị thuyết phục bởi đề xuất của SETRA, đã quyết định tổ chức một số cuộc thi để phát triển ý tưởng khác ngoài những ý tưởng đã được gợi ý. Tám văn phòng thiết kế (Jean Muller International, Setec, Ove Arrup, Secoa, Ingerop, Sogelerg cùng với Serf và Kết câu, Europe Etude Gecti, Sofredsi) và bảy chuyên gia kiến trúc (Ngài Norman Foster, Alain Spielmann, Jean Berlottier, Francis Soler, Denis Sloane, Jacques Hondelatte, Philippe Fraleu) đã được tham vấn. Họ đã được hỏi để đưa ý kiến về thiết kế của SETRA, để đề xuất cải tiến và sửa đổi cũng như biện pháp xử lý kiến trúc xây dựng và để đưa ra đề xuất ý tưởng mới. Sự tham vấn đã diễn ra từ giữa tháng 11 /1993 cho tới tháng 2/1994. Tất nhiên chúng tôi không thể nêu tất cả các đề xuất khác nhau mà những đề xuất này vẫn còn là tài sản của các tác giả và cơ quan quản lý Pháp, nhưng chúng tôi có thể nói rằng có rất ít ý tưởng về kết cấu được đưa ra. - - - Một văn phòng thiết kế và kiến trúc xây dựng đã đề xuất cầu vòm ở phía trên phần sâu nhất của thung lũng Tarn, giải pháp mà chúng tôi đã phải bỏ đi vì qua sự phân tich của chúng tôi cho thấy nhịp có vòm là quá rộng và bởi vì nó không phù hợp với phân tích của chúng tôi về hiện trường như giải thích ở trên. Một văn phòng thiết kế khác cũng đã đề xuất thay thế giải pháp sử dụng nhịp dây văng duy nhất qua sông Tarn với nhịp được treo từ phía dưới bởi cáp; điều này dường như là giải pháp hợp lý hơn, nó đáp ứng được kết cấu thép dựng từ hai đầu và kết thúc tại nhịp dài bắc qua sông, mà nó có thể treo ở dưới sau khi đóng. Một chyên gia kiến trúc đã đề xuất giải pháp tạo ra một loạt những nhịp dài 320 mét và tất cả treo dưới bởi cáp. Và một chuyên gia thiết kế khác đã đề xuất cầu với nhịp dây văng rất dài khoảng 900 mét, giải pháp này phải loại bỏ vì kích cỡ của cột tháp. 5.4. Một số chuyên gia trong hội đồng đã gợi ý tổ chức cuộc thi thiết kế, đồng thời một số ý kiến đã được đưa ra. Nhưng vì số lượng các thành viên và các mục tiêu khác nhau nên đã không khả thi để đưa ra một định hướng rõ ràng cho dự án. Trong thời gian này, Georges Gillet đã thu thập dữ liệu cơ bản. Những dữ liệu quan trong nhất liên quan đến điều kiện về gió và chi phí dự án. Một cột tháp với 40mét cao, đã được lặp đặt bởi CSTB trên Cao nguyên de France để ghi lại dữ liệu về gió. Ba thông số về tốc độ gió đã được ghi lại tại các độ cao khác nhau để xây dựng mô hình về gió và có sự tương đồng với trạm thời tiết gần nhất tại Millau Soulobres. Ngoài ra một trạm Sodar được lắp đặt tại phần thấp nhất của thung lũng, bên trái của sông Tarn để thu thập thêm thông tin về tốc độ của gió và gió xoáy tại khu vực. Và cuối cùng, CSTB đã thiết lập một mô hình về gió tại địa điểm thi công để đánh giá góc trung bình của mức độ tác động của gió, những cơn gió mạnh nhất thổi từ phía Tây và Đông Nam. Liên quan đến phần chi phí, một bản phân tích thứ hai đã được Soprese và Phillippe Drisin làm để có một đánh giá tốt hơn về giải pháp đối với cầu đa nhịp dây văng, do SETRA đưa ra. Từ phản hồi của những nhà thiết kế quan tâm đến giải pháp này trong đề xuất của họ, chúng tôi đã xem xét để cải tiến và xoá bỏ những hỗ trợ trung gian tại các nhịp biên. Daniel Lecointre và Christophe Outteryck đã thẩy rằng trụ trung gian thứ hai- gần với cột thấp thứ nhất có thể dễ dàng bỏ đi; vì các trụ chính đã có độ cứng cao để cân bằng với trọng tải động trong các nhịp chính, và nó có thể cân bằng tại các nhịp biên. Việc xoá bỏ trụ trung gian thứ hai là quan trọng hơn nhưng mà nó dường như là có thể phù hợp với sự phân bố nhịp cuối cùng. (hình 16) Hình 16: Việc bỏ các hỗ trợ trung gian tại các nhịp biên 5.5. Đồng thời, trong giai đoạn 1994-1995 dự án đã trở thành một vấn đề được đưa ra công chúng. Mặt dù tất cả các cơ quan địa phương ủng hộ dự án và lý trình của đường nhưng một số ý kiến phản đối từ những nhà sinh thái học trong khu vực ít nhiều được ủng hộ bởi phương tiện truyền thông quốc gia. Và rõ ràng rằng đối với những thiết kế do cơ quan quản lý Pháp tiến hành thường nhận được sự chỉ trích mạnh mẽ bất kể là thiết kế là về cái gì. Các kỹ sư đã bị lên án vì xây dựng những cấu trúc bê tông xấu xí - trường hợp này là khó có thể chấp nhận đối với chúng tôi sau khi đã xây cầu Normandie – và Giám đốc Đường bộ thì chưa bị thuyết phục bởi cầu đa nhịp dây văng mà chúng tôi khuyến nghị, do đó đã quyết định 5 phương án thiết kế song song. 6. Năm dự án trong cuộc thi 6.1. Ý tưởng này không phải là một cuộc thi thiết kế giữa năm đội, nhưng việc tiến hành xem xét 5 đề xuất được lựa chọn nhằm tìm ra những phương án khả thi và chọn cái tốt nhất. Các đề xuất dự án được liệt kê như sau: - Cầu cạn bằng thép hoặc bê tông với đa nhịp dây văng; - Cầu cạn có các nhịp liên tục với các độ dầy khác nhau về bêtông hoặc composite. - Cầu cạn thép có các nhịp dây văng uốn dưới, hoặc có một nhịp uốn dưới duy nhất bắc qua sông Tarn. - cầu bê tông với vòm có độ mở khoảng 600 mét trên sông Tarn. - Và một cầu cạn bằng thép có các nhịp liên tục với độ dầy không đổi với kiến trúc đặc biệt bắc qua sông Tarn. Các nhóm khác nhau được hình thành từ những văn phòng thiết kế và xây dựng đã được tham vấn trong năm 1993, những người mà đã có những đề xuất thuyết phục, dự án mà họ phát triển đã được lựa chọn theo những giải pháp mà họ đề xuất. Mặc dù đây không phải là cuộc thi thiết kế thực sự, nhưng quyết định về giải pháp sẽ do ban bồi thẩm chọn mà ban bồi thẩm này có 20 thành viên như sau: một số nhà chính trị tại địa phương, một số nhà kiến trúc, một số kỹ sư kết cầu và một số người đứng đầu các cơ quan quản lý. 6.2. Trong trường hợp SETRA không thể chịu trách nhiệm được nữa đối với thiết kế mà đã đệ trình cho nhóm phát triển dự án lựa chọn. Vì phải chú ý đến công tác xây dựng chính mà chúng tôi đã dành nhiều thời gian nên chúng tôi đã quyết định để SETRA tham gia vào Nhóm chịu trách nhiệm về giải pháp cho cầu đa nhịp dây văng mà theo ý kiến của chúng tôi nó đáp ứng tốt nhất với điều kiện hiện trường thi công. 6.3. Các nhóm đã làm việc từ tháng 11 năm 1995 cho tới tháng 4 năm 1996. Nhưng chúng tôi không thể dành toàn bộ thời gian cho nhóm mà chúng tôi tham gia, các cơ quan có thẩm quyền xem xét những sự tham gia trước đây trong dự án và khi đó SETRA là một lợi thế của nhóm chúng tôi. 7. Dự án 1996 7.1. Nhóm chịu trách nhiệm về giải pháp đối với đa nhịp dây văng được hình thành bởi ba văn phòng thiết kế - Sogelerg, Europe Etudes và Serf - Norman Foster. Một số giải pháp cơ bản đã được lựa chọn từ ban đầu, như: - Xoá bỏ tất cả các hỗ trợ trung gian tại các nhịp biên, như gợi ý bởi những chuyên gia xây dựng vào năm 1993, nhằm giới hạn các hỗ trợ chỉ cho các nhịp chính. Điều này dẫn tới các nhịp biên dài hơn (204 mét cho các nhịp điển hình dài 342mét), nhưng việc giảm độ dài sẽ tự động kéo theo giảm chiều cao của trụ và giảm tính linh hoạt của chuyển động theo phương dọc. - Thông nhất cầu sẽ có lý trình cong, theo khuyến nghị của Roger Lacroi và Bernard Lassus, để cung cấp cho những người đi trên cầu có những cái nhìn hấp dẫn về kết cấu của cầu. Thông qua ý kiến ban đầu là thiết kế một đường thẳng để tạo thuận lợi cho đường ô tô đi qua thung lung, nhưng giải pháp lý trình cong là hợp lý hơn. 7.2. Hình dáng cầu đã được lựa chọn sau nhiều trao đổi với Ngài Norman Foster tại văn phòng của ông. Chúng tôi đã giải thích hai vấn đề chính sau, được minh hoạ bởi những bản vẽ: - Vấn đề đầu tiên là kiểm tra sự phân bổ của độ cứng giữa bản mặt cầu và cột tháp. Bản mặt cầu có độ cứng cao với những cột tháp mỏng hơn ở phía trên là thiết kế trước đây do SETRA đưa ra; hoặc một bản mặt cầu mỏng hơn với cột tháp cứng hơn; hoặc cột tháp rất cứng – làm bằng hai cột bởi hộp neo hoặc các hợp phần kết cấu khác, hoặc có hình chữ V ngược, rõ dàng là đẹp hơn – mà nó có thể treo mặt cầu linh hoạt (hình 17). - Vấn đề thứ hai là xác định độ linh hoạt cần thiết của đầu trụ cầu khi bị lực ngang tác động. Với các giải pháp tương ứng sau: độ chênh lệch lớn về hình dáng giữa các trụ cao và trung tâm, và các trụ khác; hoặc hình dáng giống nhau của các trụ với các trục đôi linh hoạt tại phần trên cao và dầm hộp lớn ở phía dưới để chống lại các lực của gió và các hiệu ứng thứ cấp phát sinh (hình 18). - Trong bản vẽ năm 1993, Ngài Norman Foster đã chọn giải pháp mà chúng tôi cũng thích đó là hướng tới một hình dáng cầu giản đơn, thanh mảnh: cột tháp hình chữ V ngược, các trụ là những dầm hộp rộng tại phần thấp và chia thành hai trục linh hoạt ở trên. Cho phép một mặt cầu dầm hộp mỏng hơn là thiết kế ban đầu của SETRA. Hình 17: Các giải pháp khác nhau để phân bổ độ cứng giữa bản mặt cầu-trụ và sự biến cột tháp cầu. Hình 18: Ý tưởng khả thi để đáp ứng dạng theo phương đứng tại bản mặt Các hình dáng chi tiết được phát triển bởi Tim Quick, hợp tác chặt chẽ với các kỹ sư Bernard Gausset, Claude Servant, Jean Louis Michotey và các đội ngũ cán bộ của họ (hình 19). Hình 19 Hình dáng kiến trúc của dự án (Ngài Norman Foster 1996) 7.3. Giải pháp bê tông được thiết kế từ những ý tưởng này và trên cơ sở dự án ban đầu của SETRA không có chỉnh sửa lớn. Việc dựng bằng phương pháp đúc hẫng là không đơn giản vì cần phải nâng bên bê tông và cốt thép từ đáy của trụ, và để vận chuyển chúng dọc theo cantilever, nhưng việc này không gặp trở ngại nào lớn ngoại trừ tác động của gió trong quá trình đúc hẫng. Trường hợp dùng phương án thép thì sẽ rất khá. Vì không thể nâng từ bản mặt cầu những kết cấu liên tục vì không có đường tiếp cận từ mặt đất. Đó là lý do tại sao mà chúng tôi đề xuất lắp các kết cấu thep từ hai đầu với sự hỗ trợ tạm tại phần giữa của từng nhịp ngoại trừ nhịp bắc qua sông Tarn. Nhưng khi đánh giá thời gian cần cho công tác xây dựng thì cho thấy rằng khong thể thiết kế bản mặt cầu composít và các cột tháp bê tông: sau khi lắp đặt kết cấu thép, thời gian dài là cần thiết để dựng các cột tháp bê tông và việc đổ bêtông có thể tiến hành sau khi lắp đặt các dây văng. Đó là lý do tại sao chúng tôi đã quyết định sử dụng dầm hộp thẳng đứng đối với bản mặt cầu, và các cột tháp thép mà nó có thể dược lắp đặt cùng với thời điểm dựng bản mặt cầu. Chúng tôi phải thừa nhận rằng chúng tôi đã không kiểm tra tại thời điểm đó là liệu nếu có sự hiện diện của các cột tháp thì khi lực gió tăng thì có thể sẽ dẫn tới có vấn đề hay không? 7.4. Bồi thẩm đoàn đã gặp nhau vào ngày 8-9 tháng 7 năm 1996 và chọn dự án này. Quyết định chính thức do Bộ trưởng đưa ra ngày 15/7/1996. 8. Hoàn thành dự án vào 1998 8.1. Sau khi thống nhất hợp đồng, dự án đã được triển khai bởi chính đội ngũ mà đã cùng làm việc với nhau trước đây. Ban đầu được thiết lập giữa tháng 7 và tháng 12 năm 1997 và chỉ kết thúc vào tháng 9 năm 1998 vì các vấn đề về khí động lực 8.2. Một số ý kiến bình luận của các cơ quan có thẩm quyền về dự án năm 1996 qua lựa chọn và rất nhiều sửa đổi và cải tiến đã được đề nghị. Ví dụ lý trình của đường được điều chỉnh nhỏ để tránh đường nhỏ sâu dưới thung lũng bên bờ trái của sông Tarn tại sườn dốc đứng của Cao nguyên Pháp. Bán kính cong cũng giảm từ 30000 mét xuống 20000 mét. Đối với lý trình, các nhịp cầu vẫn là 204-6x342 và 204 mét. Xem xét các nhịp biên dài và các vấn đề có thể phát sinh, chúng tôi đã chuẩn bị sửa đổi sự phân bố nhịp thành 193-6x346 và 193 mét, nhưng Georges Gillet đã hoàn thành tất cả các thí nghiệm về đất tại những nơi đặt trụ cầu và quyết định duy trì các nhịp như đã đề xuất trước đây. Các tường chống cũng được thiết kế; những kết cấu bê tông này được làm hình chữ nhật hẹp với phần nhô ra trên mỗi cạnh để kéo dài hình dáng của bản mặt cầu. Tường phía trước hướng về phía thung lũng để ấn tượng về động lực học. 8.3. Nhưng những nỗ lực to lớn đã được thực hiện để cải tiến hình dáng của các trụ và kết nối chúng với bản mặt cầu. Từ hình dáng cong hơi yếu của thiết kế năm 1996, các nhà thiết kế đã cải tiến sự sắp xếp kiểu hình tam giác, sau nhiều trao đổi, đã quyết định bản mặt cầu cũng có hình tam giác để cho đồng nhất, và các cột tháp có thông số thích hợp để tương thích với phần còn lại của kết cấu. 8.4. Vì hình dáng mới của cột tháp không được ưa thích lắm nhưng xem xét độ cong của cầu và sự ảnh hưởng của lực gió, độ rộng cuối cùng đã được tăng từ 3 đến 3,5 mét. Việc thiết kế sau đó được triển khai lại với bản cầu hình thang ( đáy cánh gà hẹp hơn tại dự án 1996, sát với hình chữ nhật và về mặt khí động học thanh mảnh hơn ), và nhà kiến trúc đã tạo ra một mặt cắt mới cho các trụ phù hợp hoàn hảo với bản mặt cầu. Thí nghiệm hầm gió cuối cùng xác định rằng những hình dáng mới đều thanh mảnh hơn, không liên quan tới độ phẳng của mặt cắt. Hình 20: So sánh hình dáng 1996, 1997 và dự án cuối cùng ( phương án bê tông ) Hình 21: Hệ số khí động học năm 1997 và dự án cuối cùng (các dòng em thuận và gió động) Điều cần nêu ở đây Geoge Gillet đã cho thực hiện lại phân tích số học về các mặt cắt, một phân tích ONERA và phân tích thứ 2 là EDF, theo đó đã đưa ra các kết quả rất thú vị nhưng không thể kết luận. Cách tiếp cận số học mới này – thay đổi rất nhanh – không thể thay thế thí nghiệm hầm gió kinh điển nhưng có thể được sử dụng để so sánh các mặt cắt hoặc đánh giá hiệu ứng cân bằng hoặc ảnh hưởng của điều kiện thí nghiệm. Tóm lại, điều đáng nêu ở đây là do tính dẻo rất lớn về lực dọc ở phía trên các trụ, chia đều cho hai trụ kép, lực gió tạo ra các mô men dọc lớn của bản mặt cầu và tạo các lực uốn ở phía trên của các trụ kép được nối cứng với bản mặt cầu bằng bê tông (trừ hai trụ đầu cầu đã nêu ở phần trên). Emmanuel Bôuchn, người đã chứng kiến vấn đề khi kiểm tra dự án, gợi ý rằng việc lắp đặt các bộ giảm xóc thuỷ lực tại mố cầu, một giải pháp có thể được áp dụng và cải tiến bằng cách bổ sung lò xo cho những bộ giảm xóc này. 8.6 Từ điểm này, việc thiết kế bê tông dự ứng lực có thể được triển khai thuận lợi (Hình 22) mà không gặp phải vấn đề gì ngoài tính ổn định của dầm hẫng khi lao lắp: do cường độ gió tại bản mặt cầu, và độ dẻo lớn của kết cấu trong các tình huống thi công, điều cần thiết là phải lắp đặt 3 chuỗi cáp để kiểm soát 4 hình thái chính tạo ra tác động của gió: xoắn vặn của trụ, dịch chuyển dọc và ngang tạo bởi tính dẻo của trụ kép ở phần trên của trụ, uốn ngang của trụ và cuối cùng là dao động của mặt cầu.