Tài liệu Nghiên cứu ứng xử cầu treo thuận phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUỐC HÙNG C C NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN R L . T VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC U D LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG ĐÀ NẴNG, NĂM 2019 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN QUỐC HÙNG NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC C C R L . T Chuyên ngành Mã số U D : Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông : 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN LAN ĐÀ NẴNG, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Trần Quốc Hùng C C U D R L . T TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ DỮ LIỆU QUAN TRẮC Học viên: Trần Quốc Hùng. Chuyên ngành: Kỹ thuật XDCT giao thông Mã số: 85.80.205. Khóa: K36.XGT. Trường Đại học Bách Khoa – ĐHĐN Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường. Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn. Phân tích và thiết kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ thống. Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu. Luận văn này nghiên cứu ứng xử cầu do tải trọng nhiệt độ tác động đối với cầu thông qua dữ liệu thu thập từ hệ thống quan trắc. Đồng thời cũng để kiểm chứng và so sánh giữa mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc cũng như so sánh hiệu ứng tải trọng nhiệt độ theo các tiêu chuẩn 22TCN 18-79, AAHTO LRFD-07, TCVN 11823:2017, Eurocode EN 1991-1-5, China JTG D602004. Kết quả nghiên cứu cho thấy tải trọng nhiệt độ đối với kết cấu cầu Thuận Phước gây ứng suất, biến dạng tương đối lớn so với hiệu ứng do hoạt tải khai thác và kết quả quan trắc ứng suất phù hợp với kết quả phân tích trên mô hình phần tử hữu hạn (CSi).. Từ khóa: phần tử hữu hạn (PTHH); nhiệt độ thay đổi (TU); Hiệu ứng lực; Quan trắc sức khỏe kết cấu; Cảm biến nhiệt độ. C C R L . T U D RESEARCH TREATMENT APPROACHING PHUOC PHUOC BY TEMPERATURE ON THE PERFORMANCE PARAMETER MODEL AND MONITORING DATA Abstract: The suspension bridge structure is capable of long span but is sensitive to environmental impacts. Thuan Phuoc bridge, Da Nang city located in the Central Region has a relatively large temperature change amplitude, the main span structure is made of steel material so the greater the effect of temperature on the structural behavior. Analysis and design of suspension bridge structure is often very complicated due to the geometrical nonlinearity of the system. The long span length of the steel girder together with the super-static level of the system makes the effect of temperature on global behavior quite complicated and needs to be considered in the bridge evaluation. This thesis studies the behavior of bridges due to the temperature load affecting the bridge through data collected from the structural heath monitoring system. At the same time, it is also to verify and compare between finite element model and monitoring data as well as comparison between standards 22TCN 18-79, AAHTO LRFD-07, TCVN 11823: 2017, Eurocode EN 1991-1- 5, China JTG D60-2004. Research results show that the temperature load for Thuan Phuoc bridge structure causes stress due to temperature larger than actual live loads. Deformation and stress monitoring results are similar to the results of analysis on the finite element model (CSi). .. Keyword:The Finite element method (FEM); Temperature Uniform (TU); Force effects; Structural heath monitoring; Tempereture sensor. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN TÓM TẮT LUẬN VĂN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài...................................................................................................1 2. Mục tiêu đề tài ......................................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ........................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG .........................2 1.1. Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng................................................2 1.2. Các dạng kết cấu cầu treo dây võng .......................................................................10 C C R L . T 1.2.1. Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang ............................................................ 13 1.2.2. Cầu treo một nhịp......................................................................................... 13 U D 1.2.3. Cầu treo ba nhịp ............................................................................................ 13 1.2.4. Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang.................................................14 1.2.5. Cầu treo nhiều nhịp .......................................................................................15 1.2.6. Cầu treo được tăng cường độ cứng ............................................................... 17 1.2.7. Cầu dàn dây...................................................................................................24 1.3. Kết cấu nhịp chính cầu treo dây võng Thuận Phước..............................................27 1.3.1. Vị trí xây dựng .............................................................................................. 27 1.3.2. Quy mô công trình ........................................................................................ 28 1.3.3. Cầu dẫn .........................................................................................................28 1.3.4. Cầu chính ......................................................................................................30 1.4. Kết luận Chương 1..................................................................................................32 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ ........................................................................................... 34 2.1. Cơ sở phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu ................................................34 2.2. Phân tích kết cấu cầu treo dây võng bằng phần mềm SAP2000 ............................ 36 2.2.1. Mô hình phần tử thanh không gian ............................................................... 37 2.2.2. Mô hình phần tử cáp .....................................................................................38 2.2.3. Mô hình phần tử liên kết/gối đỡ (link/support elements) ............................. 39 2.3. Mô phỏng tải trọng nhiệt độ khi thiết kế cầu ......................................................... 40 2.3.1. Theo 22TCN 18-79 .......................................................................................40 2.3.2. Theo AASHTO LRFD-07.............................................................................41 2.3.3. Theo TCVN 11823:2017 ..............................................................................41 2.3.4. Theo Eurocode EN 1991-1-5 ........................................................................42 2.3.5. Theo tiêu chuẩn China JTG D60-2004 ......................................................... 44 2.4. Kết luận Chương 2..................................................................................................44 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ QUAN TRẮC .....................45 3.1. Giới thiệu chung về cầu treo Cầu Thuận Phước.....................................................45 3.1.1. Sơ đồ cầu .......................................................................................................45 3.1.2. Mô tả kết cấu .................................................................................................45 3.1.3. Quy mô và thông số kỹ thuật công trình .......................................................46 C C 3.2. Tổng quan hệ thống quan trắc cầu Thuận Phước ...................................................46 3.3. Mô hình hóa kết cấu cầu treo thuận phước trong SAP2000...................................54 R L . T 3.3.1. Thông số mô hình hóa kết cấu: .....................................................................54 3.3.2. Một số kết quả phân tích nội lực:..................................................................57 3.4. Kết quả phân tích hiệu ứng tải trọng nhiệt độ cầu treo thuận phước. ....................63 3.4.1. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo TCVN 11823-2017. ...............63 3.4.2. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo 22TCN 18-79 : .......................64 3.4.3. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo AASHTO LRFD-07. ..............65 U D 3.4.4. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ Theo Eurocode EN 1991-1-5 .........66 3.4.5. Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo Tiêu chuẩn China JTG D602004 ............................................................................................................................... 67 3.5. Kết quả quan trắc nhiệt độ và biến dạng cầu treo thuận phước. ............................ 69 3.6. So sánh kết quả quan trắc - phân tích .....................................................................73 3.7. Tổng hợp kết quả ....................................................................................................74 3.7.1. Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất do nhiệt độ theo các tiêu chuẩn thiết kế ở bảng sau: ............................................................................................. 74 3.7.2. Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất theo quan trắc thực tế và phân tích trên mô hình FEM ..................................................................................................75 3.8. Kết luận chương .....................................................................................................75 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 77 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT AASHTO American Association of State Highway and Transportation Officials PTHH TCN TU Phần tử hữu hạn Tiêu chuẩn ngành Temperature Uniform C C U D R L . T DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng 1-1: 1-2: Tên bảng Trang Các tai nạn cầu treo 4 Các công trình cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong các thời kỳ khác nhau 8 2-1: Thay đổi nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07 41 2-2: Chênh nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07 46 2-3: Nhiệt độ thay đổi đều theo TCVN 11823:2017 41 2-4: Chênh nhiệt cơ sở theo TCVN 118232:2017 42 2-5: Chênh nhiệt đô tuyến tính các loại cầu theo Eurocode 43 C C U D R L . T DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1-1: Cầu qua vịnh Menai (Anh), nhịp 177m 3 1-2: Sự sụp đổ cầu Brighton Chain Pier sụp đổ năm 1836 3 1-3: Cầu Brooklyn (New-York,Mỹ)- 1883, nhịp 486m 5 1-4: Cầu G.Washington nhịp 1067m 5 1-5: Cầu Golden Gate nhịp 1280m 6 1-6: Cầu Tacoma Narrows 6 1-7: Cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)- 1998, nhịp 1991m 7 -18: Một số sơ đồ cầu treo nhịp lớn hiện đại 9 1-9: Cầu Severn (Anh) 1-10: a) Sơ đồ biến dạng của cầu treo khi hoạt tải đứng trên nửa nhịp; b) Cầu có khớp trên dầm cứng; c,d) Sơ đồ cầu treo dầm cứng 11 1-11: Biến dạng của cầu treo khi chịu tải trọng không đối xứng 12 1-12: Sơ đồ cầu treo một nhịp 1-13: Các sơ đồ cầu treo ba nhịp 1-14: Các sơ đồ cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang 15 1-15: U D 13 Các sơ đồ cầu treo nhiều nhịp 17 1-16: Các biện pháp tăng cường độ cứng của cầu treo 20 1-17: Cầu Tancarville 21 1-18: Cầu Mamberamo có 2 dây cáp chủ 22 1-19: Cầu Severn (Anh) 23 1-20: Cầu có dây cong ngược căng trước 24 1-21: Cầu có sơ đồ dàn dây đơn giản 25 1-22: Cầu có sơ đồ dàn dây kiểu Gisclard 25 1-23: Các biện pháp đảm bảo duỗi thẳng của dây 26 1-24: Dàn dây kiểu Rabinovich 26 1-25: Dàn dây có thanh cứng chịu nén 27 1-26: Dàn dây tam giác 27 1-27: Cầu Thuận Phước 28 1-28: Bố trí chung và mặt cắt ngang cầu Thuận Phước 29 1-29: Cấu tạo cáp chủ 30 C C R L . T 10 14 Số hiệu hình Tên hình Trang 1-30: Cáp treo 31 1-31: Tháp cầu 31 1-32: Mố neo 32 2-1: Qui ước dấu các thành phần nội lực phần tử thanh trong SAP2000 37 2-2: Mô hình phần tử cable trong SAP2000 38 2-3: Hộp thoại vẽ phần tử cable trong SAP2000 39 2-4: Hộp thoại định nghĩa trường hợp phân tích phi tuyến trong SAP2000 39 2-5: Sơ đồ một số loại phần tử liên kết trong SAP2000 39 2-6: Hộp thoại định nghĩa tính chất phần tử liên kết trong SAP2000 40 2-7: Biểu đồ chênh nhiệt theo TCVN 118232:2017 42 2-8: C C R L . Hiệu chỉnh nhiệt độ thay đổi cho các cấu kiện cầu theo nhiệt độ không khí 43 2-9: Hộp thoại mô tả tải chênh nhiệt độ theo JTG D60 trong SAP2000. 44 3-1: T U Mô hình rời rạc hóa phần tử - Frames 57 3-2: Mô hình tổng thể không gian 3D 57 3-3: Mô hình tổng thể dầm bằng các phần tử tấm (shell) 58 3-4: Biểu đồ lực căng trong cáp chủ do tĩnh tải 58 3-5: Biểu đồ lực dây treo do tĩnh tải 59 3-6: Biểu đồ lực căng trong cáp chủ do hoạt tải 59 3-7: Biểu đồ lực căng dây treo do hoạt tải 60 3-8: Chuyển vị do hoạt tải vị trí L/2 60 3-9: Biểu đồ bao momen do hoạt tải tại vị trí L/2 61 3-10: Kết quả phân tích mode dao động: Mode1 f=0,162Hz 61 3-11: Kết quả phân tích mode dao động: Mode2 f=0,267Hz 62 3-12: Kết quả phân tích mode dao động: Mode3 f=0,278Hz 62 3-13: Mô hình cầu Thuận Phước, dầm được mô phỏng bằng phần tử shell 63 3-14: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (TCVN 118232017) 64 D Số hiệu hình Tên hình Trang 3-15: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (TCVN 118232017) 64 3-16: 3-17: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (22TCN 1879) Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (22TCN 1879) 65 65 3-18: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (AASHTO LRFD-07) 66 3-19: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (AASHTO LRFD-07) 66 3-20: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (EN 19911-5) 67 3-21: 3-22: C C R L . Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (EN 19911-5) T U Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (JTG D602004) D 67 68 3-23: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (JTG D602004) 68 3-24: Kết quả quan trắc Nhiệt độ chênh ngày 5/6/2018 69 3-25: Kết quả quan trắc ứng suất ngày 5/6/2018 69 3-26: 3-27: Ứng suất thớ trên dầm trên mô hình khoảng thời gian 11h12h30. Ứng suất thớ trên dầm trên mô hình khoảng thời gian 13h-21h 73 74 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường. Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn. Phân tích và thiết kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ thống. Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu. Hiện tại cầu Thuận phước đã được lắp đặt xong hệ thống quan trắc bao gồm nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm biến nhiệt độ. Việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ từ dữ liệu quan trắc đến các ứng xử của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, …) làm cơ sở cho C C phân tích đánh giá sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn. R L . T Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết. U D 2. Mục tiêu đề tài - Đánh giá ứng xử kết cấu nhịp chính cầu treo thuận phước do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế. - Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn kết cấu nhịp chính phù hợp với ứng xử thực tế làm cơ sở cho đánh giá cầu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Ứng suất, chuyển vị do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế lên kết cấu nhịp chính cầu treo Thuận Phước. 4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. 2 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG 1.1. Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng Cầu treo là loại công trình xuất hiện sớm và nhanh chóng được áp dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm về các phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật. Với việc sử dụng dây làm kết cấu chịu lực chính, từ thời xa xưa con người làm những chiếc cầu treo đầu tiên dùng cho người đi bộ. Cấu tạo của những chiếc cầu treo cổ xưa rất đơn giản, chỉ gồm các tấm ván lát trực tiếp lên các dây được buộc cố định hai đầu. Các cầu treo kiểu này không có khả năng chịu tải trọng lớn, bị lắc ngang rung động mạnh và khả năng chịu gió bão rất kém. Chiếc cầu treo đầu tiên mang dáng vẻ gần với cầu treo hiện đại là cầu qua sông Tess được xây dựng năm 1741 ở Anh, cầu có chiều dài nhịp 21m dùng cho công nhân mỏ đi lại. Sự tiến bộ của chiếc cầu này là ở chỗ cấu tạo phần mặt cầu riêng biệt và được treo lên dây chủ thông qua các dây treo đứng. Cho tới những năm đầu thế kỷ XIX cầu treo bắt đầu được quan tâm do những ưu điểm về khả năng vượt nhịp và tính kinh tế so với cầu đá, cầu gỗ là loại đang được áp C C R L . T dụng phổ biến. Năm 1820 khi xây dựng cầu treo qua sông Tweed (Anh) có nhịp 137m, người ta đã so sánh và thấy rằng giá thành chỉ bằng một phần tư so với phương án cầu đá. Ngoài nước Anh, các nước Pháp, Mỹ và một số nước châu Âu khác các công trình cầu treo nối tiếp được xây dựng, tuy nhiên vẫn chưa vượt được nhịp lớn. Chiếc cầu treo điển hình và có chiều dài nhịp lớn nhất ở giai đoạn này là cầu Menai, được xây dựng năm 1826 ở xứ Wales với chiều dài nhịp 177m (Hình 1.1), cầu phục vụ được trong thời U D gian gần một trăm năm. Đặc điểm của các công trình cầu treo trong thời kỳ này là các dây chủ có cấu tạo dạng dây xích. Sự xuất hiện của cáp vào những năm 30 của thế kỷ XIX đánh dấu một bước tiến quan trọng trong quá trình phát triển của cầu treo, vì độ bền của cáp lớn hơn nhiều so với dây xích do đó cho phép nâng cao khả năng vượt nhịp của cầu treo. Vào năm 1834, lần đầu tiên với việc sử dụng dây cáp khi xây dựng cầu treo ở Fribourg (Thụy Sĩ) với chiều dài nhịp đã được nâng lên đến 265m, tiếp đó là cầu Wheeling (Virginia-Mỹ), năm 1849 với nhịp 308m. 3 Hình 1-1: Cầu qua vịnh Menai (Anh), nhịp 177m Trong nửa đầu thế kỷ XIX mặc dù cầu treo được áp dụng mạnh và đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể, song do cơ sở lý luận chưa hoàn chỉnh nên nhiều công trình không đảm bảo yêu cầu về độ cứng đặc biệt là khả năng chịu tác động của các nguyên nhân gây ra dao động như gió, bão... Những tồn tại trên đây đã dẫn đến hàng loạt các sự cố nghiêm trọng của cầu treo trong thời kỳ này. Bảng 1-1 thống kê một số tai nạn cầu treo điển hình trong thế kỷ XIX do các nguyên nhân nói trên. C C R L . T U D Hình 1-2: Sự sụp đổ cầu Brighton Chain Pier sụp đổ năm 1836 4 Bảng 1-1: Các tai nạn cầu treo Cầu Địa điểm Chiều dài nhịp (m) Năm xảy ra tai nạn Nguyên nhân Schuykill Falls Hoa Kỳ 47/124 1811/1816 Do một đàn gia xúc qua cầu/ tích tụ băng tuyết trên cầu. Dryburgh Abbey Scottland 79 1818 Do bão Tweed/Union Anh 137 1821 Do bão Menai Anh 177 1839 Do bão Men Pháp Vilen Pháp 198 1852 Do bão La Roche-Bernard Pháp 196 1852/1871 Do gió Wheeling Hoa Kỳ 308 1854 Lewiston Hoa Kỳ 318 1869 Do bão Clifton Hoa Kỳ 386 C C Do bão 1889 Do bão 1850 R L . T Do đội quân đi đều qua cầu khi có gió Các sự cố sụp đổ cầu treo đã ảnh hưởng lớn đến định hướng phát triển của cầu treo trong thời kỳ sau đó. Thêm vào đó, do đòi hỏi của thực tiễn về sự gia tăng tải trọng của các phương tiện vận tải đã thúc đẩy các nhà xây dựng nghiên cứu sâu sắc hơn đặc điểm làm việc của cầu treo để tìm kiếm các giải pháp nhằm nâng cao độ cứng và cải thiện sự làm việc của công trình. Từ nửa cuối thế kỷ XIX đã hình thành hai hướng phát triển của cầu treo như sau: U D - Hướng thứ nhất: Tăng cường độ cứng của cầu bằng cách chuyển từ dầm mềm sang dầm cứng. Mặc dù cho đến thời gian này lý thuyết tính toán hệ treo dầm cứng chưa hình thành nhưng bằng kinh nghiệm thực tế và qua các kết quả thí nghiệm người ta thấy rõ vai trò của dầm cứng trong việc nâng cao độ cứng chung của hệ. Những vấn đề về lý thuyết đối với cầu treo dầm cứng dần được hoàn thiện trong những năm sau đó. - Hướng thứ hai: Sử dụng hệ giàn dây thay cho dây võng nhằm giảm biến dạng hình học từ đó nâng cao độ cứng của cầu. Loại cầu này được áp dụng nhiều ở Pháp với các sơ đồ do Gisclard đề xuất. Tại các nước Cộng hoà thuộc Liên Xô cũ trong khoảng thời gian sau chiến tranh thế giới thứ nhất cho tới những năm giữa thế kỷ XX dạng cầu giàn dây vẫn còn tiếp tục được áp dụng với các sơ đồ được cải tiến từ hệ Gisclard. Tuy nhiên do có cấu tạo phức tạp, trong những năm sau đó cầu dàn dây hầu như không được 5 áp dụng mà người ta chuyển sang hệ thống cầu dây văng dầm cứng. Cuối thế kỷ XIX chiều dài nhịp của cầu treo đã tiến gần tới mức 500m. Cầu Brooklyn (New York, Hoa Kỳ) xây dựng năm 1883 với biện pháp dùng các dây văng phụ tăng cường độ cứng đã vượt được nhịp 486m (Hình 1-3). C C Hình 1-3: Cầu Brooklyn (New-York, Mỹ)- 1883, nhịp 486m R L . T Sang thế kỷ XX, với nhịp độ phát triển nhanh của các ngành kho a học kỹ thuật cho phép hoàn thiện hơn những nghiên cứu lý thuyết cộng với những kinh nghiệm tích lũy được trong quá trình xây dựng đã tạo nên bước nhảy vọt về khả năng vượt nhịp của cầu treo vào những năm 30 của thế kỷ này. Mở đầu là cầu G. Washington (New York, U D Hoa Kỳ) nhịp 1067m (Hình 1-4) xây dựng năm 1931; tiếp sau đó là cầu Golden Gate (San Francisco, Hoa Kỳ) năm 1937 với nhịp 1280m (Hình 1-5) Hình 1-4: Cầu G. Washington nhịp 1067m 6 Hình 1-5: Cầu Golden Gate nhịp 1280m Trong khi các công trình cầu treo nhịp lớn đang nối tiếp được xây dựng thì vào năm 1940 xảy ra vụ đổ cầu Tacoma Narrows (Hoa Kỳ). Tai nạn này đã thu hút sự quan tâm của nhiều người vì đây là công trình cầu treo nhịp lớn và đặc biệt là toàn bộ diễn C C biến của tai nạn đã quay được phim (Hình 1.6a). Cầu Tacoma có nhịp chính dài 853m, chiều rộng mặt cầu 11,9m, dầm chủ dạng dầm đặc cao 2,45m và dây chủ có đường kính 45,8cm được treo với mũi tên võng bằng 79,70m. Xét về tương quan giữa chiều rộng R L . T mặt cầu và chiều cao dầm chủ so với chiều dài nhịp thì cả hai chỉ tiêu này đều đạt kỷ lục về độ mảnh vào thời điểm bấy giờ. Sau khi thông xe được 6 tháng cầu đã bị đổ khi gió thổi với vận tốc khoảng 70km/h. U D a) Tai nạn cầu Tacoma, năm 1940 b) Cầu treo Tacoma xây dựng lại- 1950 Hình 1-6: Cầu Tacoma Narrows Sau vụ đổ cầu Tacoma Narrows người ta đã quan tâm đặc biệt tới nghiên cứu thực nghiệm về tác dụng của gió đối với cầu treo và tìm các biện pháp khắc phục. Sự kiện Tacoma chỉ làm cho các nhà thiết kế thận trọng hơn chứ không làm hạn chế bước phát triển của cầu treo. Đặc biệt, thời kỳ sau chiến tranh thế giới lần thứ hai do nhu cầu cấp bách của việc khôi phục kinh tế, cầu treo được áp dụng rộng rãi hơn với kỹ thuật ngày càng tiến bộ. 7 Có thể nêu lên một số công trình cầu treo hiện đại được xây dựng vào nửa sau thế kỉ XX như cầu Tancarville bắc qua sông Seine (Pháp, năm 1959) áp dụng biện pháp neo dây chủ vào điểm giữa nhịp dầm cứng, cầu có nhịp chính dài 608m; cầu Verrazano Narrows (Mỹ, 1964) với nhịp 1298m; cầu Severn (Anh, 1966) với nhịp 988m là chiếc cầu treo nhịp lớn đầu tiên áp dụng giải pháp cấu tạo các dây treo xiên hình tam giác và dầm cứng có tiết diện hình hộp; cầu Humber (Anh-1981)- nhịp 1410m; cầu Great Belt (Đan mạch-1997) nhịp 1624m và năm 1998 Nhật Bản đã hoàn thành việc xây dựng cầu treo Akashi Kaikyo gồm 3 nhịp bố trí theo sơ đồ 960+1991+960m, đây là công trình cầu treo vượt nhịp lớn nhất hiện nay (Hình 1-7). Để thấy rõ hơn quá trình phát triển của cầu treo, bảng 1.2 thống kê các cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong từng giai đoạn từ trước đến nay và hình 1.8 giới thiệu một số công trình cầu treo nhịp lớn hiện đại được sắp xếp theo thứ tự chiều dài nhịp. C C R L . T U D Hình 1-7: Cầu Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)- 1998, nhịp 1991m Về quan điểm chống lại ảnh hưởng của lực gió tác động lên công trình, sau sự cố của cầu Tacoma đã hình thành hai trường phái khác nhau. Các chuyên gia Mỹ và Nhật Bản theo hướng sử dụng các kết cấu đủ cứng để đảm bảo ổn định khí động và chống lại hiện tượng flutter của gió. Do đó dầm cứng cần được tăng cường độ cứng theo cả phương dọc và phương ngang đủ khả năng chịu lực thẳng đứng và lực gió ngang, đồng thời tăng khả năng chống xoắn của tiết diện để chống lại các dao động uốn-xoắn đồng thời. Dựa trên nguyên tắc đó hầu hết các cầu treo ở Mỹ và Nhật Bản đều sử dụng dàn cứng không gian thay cho hệ dầm cứng cổ điển. Cầu Tacoma được xây dựng lại và hoàn thành năm 1950 với chiều dài nhịp giữ nguyên như cũ (835m) và dầm cứng được thay bằng giàn không gian cao 10,1m, rộng 18,3m (hình 1.6b). Năm 1957 khi xây dựng cầu qua vịnh Mackinac (Mỹ) nhịp chính dài 1158m, để tăng cường độ cứng ngang và độ cứng chống 8 xoắn người ta đã sử dụng một dàn không gian rộng 20,7m trong khi chiều rộng hữu ích của phần xe chạy chỉ là 15m. Các công trình tiếp theo như cầu Verrazano Narrows (Hoa Kỳ, 1964) và Akashi Kaikyo (Nhật Bản, 1998) đều áp dụng hệ dàn cứng không gian. Bảng 1-2: Các công trình cầu treo giữ kỷ lục nhịp trong các thời kỳ khác nhau Năm xây Chiều dài nhịp dựng (m) Anh 1741 21 Cầu qua sông Loan Đức 1785 38 Cầu qua sông Potomac Mỹ 1807 40 Cầu Masachusetts Mỹ 1809 74 Cầu Schuylkill Falls Philadelphia, Mỹ 1816 124 Cầu Tweet/Union Berwick, Anh 1820 137 Cầu qua vịnh Menai Wales, Anh 1826 177 Cầu Fribourg Thuỵ sĩ Cầu Wheeling Virginia, Mỹ Cầu Lewiston Niagara, Mỹ Cầu Cincinnati Ohio, Mỹ Cầu Địa điểm Cầu qua sông Tess C C 1834 265 1849 308 1851 318 1867 322 Niagara, Mỹ 1869 386 New york, Mỹ 1883 486 New york, Mỹ 1903 488 Philadelphia, Mỹ 1926 533 Cầu Ambassador Detroit, Mỹ 1929 564 Cầu G. Washington New york, Mỹ 1931 1067 Cầu Golden Gate San Francisco, Mỹ 1937 1280 Cầu Verrazano-Narrows New york, Mỹ 1964 1298 Cầu Humber Anh 1981 1410 Cầu Great Belt Đan Mạch 1997 1624 Cầu Akashi Kaikyo Nhật Bản 1998 1991 Cầu Clifton Cầu Brooklyn Cầu Williamsburg Cầu Delaware R L . T U D 9 tancarville (ph¸p) 1959 608 Bosporus (thæ nhÜ k×) 1973 1074 Golden gate (mü) 1937 1280 humber (anh) 1981 1410 C C grand beld (®an m ¹ch) 1981 1624 R L . T U D akashi-kaikyo (nhËt b¶n) 1998 1991 Hình -18: Một số sơ đồ cầu treo nhịp lớn hiện đại Trong khi đó ở Châu Âu lại có xu hướng dùng kết có chiều cao thấp, hình dạng thoát gió để giảm ảnh hưởng của gió tác dụng lên công trình. Năm 1966 lần đầu tiên người ta áp dụng dầm cứng tiết diện hình hộp dạng thoát gió vào công trình cầu Severn (Anh), cầu có nhịp chính dài 988m và tiết diện hình hộp thép cao 3,0m rộng 22,9m (Hình 1.9). Mặc dù sau ít năm sử dụng công trình xuất hiện một số hư hỏng (dây treo bị đứt, các mối hàn của dầm chủ bị nứt) nhưng quan điểm trên vẫn tiếp tục được nghiên cứu, hoàn thiện và áp dụng cho nhiều công trình tiếp theo như cầu Bosporus (Thổ Nhĩ Kỳ, 1973) nhịp 1074m có dầm hộp thép cao 3,0m rộng 28,0m; Cầu Humber (Anh, 1981) nhịp 1410m và dầm hộp thép cao 4,5m rộng 22,0m; Cầu Hga Kusten (Thụy Điển, 1997) nhịp 1210m, dầm thép hình hộp cao 4m rộng 22m; Cầu Great Belt (Đan Mạch, 1997) nhịp 1624m, dầm hộp thép cao 4m rộng 31,0m.