I. GIỚI THIỆU
Cầu dây võng thuần túy
Cầu hybrid
Trong số các loại cầu nhịp lớn truyền thống như cầu dây văng và cầu dây võng thì cầu kết hợp dây võng và dây văng là một sự lựa chọn mới cho các kỹ sư thiết kế. Đây là loại cầu có lịch sử lâu đời, trên thế giới các cầu dạng này được xây dựng ở Mỹ như cầu Brooklyn, cầu Niagara, cầu Covington-Cincinnati… Gần đây ở Nhật Bản và Trung Quốc một số nhà khoa học nghiên cứu về dạng cầu này. Cầu kết hợp dây võng và dây văng phát huy các ưu điểm vượt trội hơn cầu dây võng và cầu dây văng truyền thống như khả năng vượt nhịp lớn, thời gian thi công ngắn, cũng như khả năng ổn định khí động học cao… Bài viết này dựa trên bài báo của tác giả với mục đích là phân tích ứng xử kết cấu của cầu kết hợp dây võng và dây văng so với các cầu dây võng và dây văng truyền thống thông qua các mô hình tính toán để chứng minh những ưu điểm của loại cầu này.
(Besides conventional large span bridges such as cable stayed bridges and suspension bridges, a hybrid bridge has a cable system that is combined cable stayed and suspension, is a new selection for design engineers. These bridges have a long history, and they were built in USA, such as Brooklyn Bridge, Niagara Bridge, Covington-Cincinnati Bridge, etc. Recently, in Japan and China, some structural researchers have mentioned about this type of bridge. The hybrid bridge will be given exceeded advantages more than conventional large span bridges, especially long span length, short construction period as well as ability of aerodynamic stability. The aim of this paper is to analyze structural behavior of the hybrid bridge in comparing with other large span bridges by numerical calculations to emphasize the benefits of this type of bridge).
Cầu dây văng và cầu dây võng là những loại cầu có khả năng vượt nhịp rất lớn. Tuy nhiên khi chiều dài nhịp tăng cao thì những loại cầu này có những mặt hạn chế nhất định. Với cầu dây văng thì lực căng cáp nâng đỡ dầm ở phạm vi giữa nhịp lớn, còn lực căng cáp nâng đỡ dầm ở phạm vi gần trụ tháp thì rất nhỏ, điều này dẫn đến độ võng của dầm chủ ở phạm vi giữa nhịp cầu rất lớn. Mặt khác tháp cầu cao sẽ gây nhiều khó khăn trong quá trình thi công. Còn đối với cầu dây võng thì lực căng trong cáp chủ rất lớn, mômen dầm chủ hai bên trụ tháp lớn gây nhiều khó khăn cho việc ổn định trụ tháp trong suốt quá trình thi công. Các mố neo có kích thước lớn, quá trình thi công phức tạp.
Trong phương án cầu dây võng sẽ phát huy được khả năng nâng đỡ dầm ở khu vực giữa nhịp và trong phương án cầu dây văng sẽ ổn định được trụ tháp trong quá trình thi công nhờ công nghệ lắp hẫng cân bằng.
Trong phương án cầu dây võng sẽ phát huy được khả năng nâng đỡ dầm ở khu vực giữa nhịp và trong phương án cầu dây văng sẽ ổn định được trụ tháp trong quá trình thi công nhờ công nghệ lắp hẫng cân bằng.
Do đó việc đề xuất một mô hình cầu nhịp lớn khắc phục các nhược điểm của cầu dây văng và cầu dây võng truyền thống là cần thiết. Đó là loại cầu kết hợp dây võng và dây văng, gọi tắt là cầu hybrid. Loại cầu này đã được nghiên cứu rộng rãi ở Nhật, Trung Quốc trong những năm gần đây.
Cầu hybrid có các đặc điểm của cầu dây văng và cầu dây võng. Cụ thể:
– Về mặt kết cấu: cầu hybrid là một hệ thống cầu bao gồm các dây văng bố trí qua hai bên trụ tháp, cáp chủ và hệ dây treo ở phạm vi giữa nhịp.
– Về mặt chịu lực: nhờ sự kết hợp giữa các dây văng và dây võng nên cầu hybrid có các ưu điểm của cầu dây văng và cầu dây võng.
- Độ võng ở giữa nhịp được giảm nhờ sự nâng đỡ dầm chủ ở phạm vi giữa nhịp bởi cáp chủ.
- Vì hệ dây văng được bố trí đối xứng qua trụ tháp nên lực căng dây văng trong cầu được phân bố tốt hơn. Giá trị lực căng trong cầu hybrid nhỏ hơn cầu dây văng.
- Phản lực mố neo giảm bớt do một phần dầm chủ được đỡ bởi hệ dây văng.
– Về hình dáng kiến trúc: việc kết hợp dây võng và dây văng sẽ tạo ra sự đa dạng kết cấu và kết cấu có tính mỹ quan cao. Với cầu hybrid sẽ giảm được chiều cao của tháp và giảm được kích thước của các mố neo.
II. LỊCH SỬ CẦU HYBRID
Trích dẫn: http://en.wikipedia.org/wiki/Brooklyn_Bridge
Trước khi bắt đầu xây dựng cầu Blooklyn, John A. Roebling đã tham gia thiết kế các cầu treo khác rất ấn tượng, trong số những cầu này có cầu đường sắt Niagara với nhịp chính 250m (Hình 2). Cầu Niagara được thông xe vào năm 1855. Đây là một kết cấu cầu kết hợp giữa dây võng và dây văng.
Tiếp theo đó là cầu kết hợp dây võng và dây văng Covington-Cincinnati bắt qua sông Ohio của Mỹ với chiều dài nhịp chính 322m, được xếp là cầu có chiều dài nhịp lớn nhất trong số các cầu qua sông miền Đông. Cầu Covington-Cincinnati được xây dựng năm 1867 (Hình 3)
Hình 3. Cầu Covington-Cincinnati ở Mỹ
Sau thảm họa sụp cầu Tacoma do gió vào năm 1940, các nghiên cứu về khí động học đã trở thành một phần quan trọng của quá trình thiết kế cho hầu hết các cầu dây võng. Và đặc biệt đối với các cầu dây võng đã xây dựng cũng được quan tâm khảo sát vấn đề ổn định khí động học. Một trong những cầu được khảo sát đó là cầu Bronx-Whitestone (Hình 4) ở New York và được quyết định tăng cường vào năm 1946. Cầu này được thiết kế bởi O.H. Amman và được khánh thành vào năm 1939. Trong số các công việc tăng cường cho cầu này có việc tăng cường các dây văng nối ở đỉnh tháp với dầm cứng gần tháp. Theo quan điểm của Roebling thì việc kết hợp hệ thống cầu treo với các dây văng sẽ tăng khả năng chống dao động.
Hình 4. Cầu Bronx-Whitestone ở Mỹ
Cùng thời với John A. Roebling có Charles Ellet đã thiết kế cầu kết hợp dây võng và dây văng Wheeling (Hình 5), cầu Wheeling có chiều dài nhịp chính 308m được khởi công năm 1847 và hoàn thành năm 1849.
Hình 5. Cầu Wheeling
Ý tưởng kết hợp hệ thống dây võng và hệ thống dây văng đạt được hệ thống kết cấu hiệu quả hơn không hoàn toàn bị lãng quên sau những ngày của cầu Brooklyn. Cho đến năm 1938 Dischinger đã đề xuất một phương án cầu mà ở giữa nhịp được đỡ bởi hệ thống dây treo trong khi các phần ngoài được đỡ bởi các dây văng nối với đỉnh tháp. Nhịp chính của cầu được đề nghị là 750m qua sông Elbe ở Hamburg – Đức.
Để thi công lại cầu German sau chiến tranh, hệ thống Dischinger được đề nghị cho vài trường hợp nhưng nó không được thi công (Hình 6). Một trong những lý do chắc chắn đó là do sự không kết hợp của cả hai hệ thống cầu (dây võng và dây văng) đối với sự ứng xử kết cấu và hình dáng cầu.
Mặt dù, Dischinger được chấp thuận ý tưởng phương án kết hợp cầu dây võng và dây văng nhưng ông không đánh giá đúng giải pháp ban đầu của Roebling với sơ đồ bố trí liên tục hơn. Trong lần công bố hệ thống của mình Dischinger đã phát biểu rằng các dây văng trong cầu Roebling đã được chứng minh hoàn toàn không có hiệu quả. Mặt dù hệ thống đã đề nghị bởi Dischinger chưa bao giờ được chấp thuận vì thực tế thi công, chắc chắn nó có một ảnh hưởng đáng kể đến thiết kế cầu dây văng thuần túy.
Hình 6. Phương án cầu do Dischinger đề nghị
Năm 1873 nước Anh khánh thành cầu Albert (Hình 1.87) qua sông Thames thuộc Luân Đôn. Đây là một hệ thống cầu kết hợp dây võng và dây văng với nhịp chính dài 117.27m.
Hình 7. Cầu Albert ở Luân Đôn
Đến năm 1977, hệ thống kết hợp cầu dây võng và dây văng được đề nghị trong thiết kế sơ bộ cầu qua Great Belt ở Đan Mạch. Nhịp chính của cầu này lên đến 1500m.
Trải qua một quá trình lâu dài, đến nay loại cầu kết hợp dây võng và dây văng đã được nghiên cứu và ứng dụng trở lại. Ở Nhật Bản cầu cạn Nagisa (Hình 8) là một cầu một nhịp với kết cấu kết hợp dây võng và dây văng đã được xây dựng và hoàn thành vào tháng 12 năm 2002 tại quận Aomori. Đây là một kết cấu cầu kết hợp, gồm 2 trụ tháp ở hai đầu cầu, phần nhịp cầu gần các trụ tháp có dầm chủ được làm bằng kết cấu bêtông dự ứng lực và được đỡ bởi các dây văng, phần giữa nhịp có dầm chủ được làm bằng dầm hộp thép và được đỡ bởi các dây treo.
Hình 8. Cầu cạn Nagisa ở Nhật
Dự án kết cấu cầu kết hợp dây võng và dây văng sẽ được xây dựng trong tương lai băng qua eo biển Tsugaru, Nhật Bản. Đó là một cây cầu kết hợp vừa cầu treo dây võng vừa cầu treo dây văng với 2 nhịp chính liên tiếp nhau khoảng 4 km.
0 Nhận xét