Nghiên cứu giải pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo dây võng

ThS. Phạm Quang Huy TS. Nguyễn Thị Cẩm Nhung Trường Ðại học Giao thông vận tải Ths. Hồ Khắc Hạnh Sở Giao thông vận tải Nghệ An Người phản biện: TS. Tạ Duy Hiển

TÓM TẮT: Cầu treo dây võng là giải pháp đảm bảo giao thông tương đối hiệu quả do chi phí đầu tư thấp, phù hợp với các vùng trung du, miền núi. Hiện nay, rất nhiều cầu treo đã đưa vào sử dụng và còn rất nhiều cầu đang triển khai xây dựng. Tuy nhiên, cầu treo là công trình có kết cấu mềm, nên qua một thời gian sử dụng, công trình thường bị xuống cấp nhanh do khai thác quá tải trọng thiết kế hoặc duy tu bảo dưỡng không kịp thời. Bên cạnh các hư hỏng thường gặp, chẳng hạn như rỉ sét kết cấu thép, hư hỏng mặt cầu bằng gỗ thì hư hỏng nghiêm trọng và khó xử lý nhất là cầu bị võng xuống sau một thời gian khai thác, sử dụng do chùng cáp và dây treo. Bài báo trình bày các giải pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo dây võng và khả năng áp dụng cho các cầu treo đang khai thác.

TỪ KHÓA: Độ cứng, cầu treo dây võng.

Abstract: Suspension bridge has proved an efficient solution for the provincial and rural road in the mountainous and highland areas of Vietnam. There have been many such bridges built recently and underconstruction. However, suspension bridge is flexible and can be deteriorated quickly after a relatively short time in operation because of the overloading and/or lack of proper maintenance. Beside normal defects such as rust and deck deficiency, the suspension bridge has excessive overall deflection due to the sagging of the cables and relaxation of the hangers. The paper summarizes different strengthening methods and proposes to apply for the exsiting suspension bridges.

KEYWORDS: Rigidity, suspension bridge.

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

Hiện nay, các công trình cầu treo dây võng ở nước ta thiết kế với tải trọng một xe 8 tấn hoặc 10 tấn bắc qua các sông lớn trên các trục đường tỉnh ở các địa phương. Các cầu này thường bị võng xuống sau một thời gian khai thác làm biến dạng sơ đồ kết cấu công trình, ảnh hưởng đến giao thông, làm cho việc đi lại của người dân bị hạn chế rất nhiều. Vì vậy, việc nghiên cứu sửa chữa, tăng cường cầu cũ đảm bảo khai thác với tải trọng ban đầu là rất cần thiết bởi phù hợp với tải trọng khai thác trong vùng, kinh phí đầu tư sửa chữa thấp. Bài báo giới thiệu một số giải pháp tăng cường độ cứng của cầu treo dây võng và giới thiệu biện pháp đã áp dụng cho cầu tại tỉnh Nghệ An.

2. CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG ĐỘ CỨNG CHO CẦU TREO

2.1. Biện pháp liên kết dây chủ vào giữa nhịp dầm cứng

Hình 2.1: Cầu treo parabol

Trên Hình 2.1 cho thấy, do tải trọng chỉ tác dụng lên một nửa nhịp, dây cáp chủ bị biến dạng, điểm giữa của dây bị dịch ngang về phía có tải trọng, làm cho đoạn bên phía kia có xu thế thẳng ra. Để khắc phục hiện tượng này, có thể neo chặt vào dầm cứng (Hình 2.2). Điểm neo này có tác dụng chia dây chủ ra làm hai nửa nhịp làm việc tương đối độc lập với nhau. Tải trọng tác dụng lên nửa nhịp bên nào thì nửa dây chủ bên đó chịu. Phần lớn lực căng sẽ truyền lên điểm neo vào dầm cứng mà ít gây ra nội lực trong nửa dây bên kia. Nhờ vậy mà hạn chế được sự thay đổi hình học của dây. Trong dầm, ngoài mô-men uốn còn có lực dọc tác dụng lên một nửa dầm.

Hình 2.2: Hệ có dây chủ neo vào dầm

Biện pháp này đã được ứng dụng trong cầu Tancarville qua sông Seine ở Pháp và cầu qua sông Tage ở Bồ Đào Nha. Các kết quả nghiên cứu sơ đồ cầu treo một nhịp có dạng này đã cho thấy rằng, độ võng do hoạt tải trên 1/4 nhịp của hệ giảm từ 1,5 đến 3 lần, còn mô-men uốn trong dầm cứng giảm 2 lần so với hệ bình thường có cùng nhịp. Tuy nhiên, liên kết dây vào dầm cứng không cải thiện được sự làm việc của hệ trong trường hợp hoạt tải đứng trên toàn nhịp.

2.2. Biện pháp dùng hai dây chủ giao nhau

Biện pháp này do X.A. Txaplyn đề nghị năm 1932 và đã được áp dụng năm 1936 để xây dựng cầu qua vùng Altai (Liên Xô cũ). Hệ gồm hai dây riêng biệt 1 và 2 (Hình 2.3). Tại điểm giao nhau các dây có thể không liên kết với nhau thành nút chung.

Hình 2.3: Hệ có hai dây chủ giao nhau

Phần dây bên dưới là phần chịu lực, còn phần trên chỉ là để truyền lực qua tháp cầu vào mố neo. Nút giữa của dây có tác dụng như một gối đàn hồi chia hệ thành hai hệ một nhịp, có chiều dài bằng nửa nhịp chính. Hình dạng ban đầu của mỗi dây phù hợp với sơ đồ biến dạng của dây khi có tải trọng đứng trên nửa nhịp (đường nét đứt trên Hình 2.3). Khi tải trọng đứng bên phải thì chủ yếu do dây 1 chịu, ngược lại, khi tải trọng đứng bên trái, dây 2 sẽ chịu lực. Chuyển vị của hệ chỉ do biến dạng đàn hồi nên rất nhỏ. Mô-men uốn trong dầm cứng bé và hạn chế được biến dạng hình chữ S của cầu. Độ võng của hệ “Txaplyn” giảm tới 50 - 60% so với hệ bình thường, độ vồng ở nửa không xếp tải giảm 3 - 4 lần.

Nhược điểm chủ yếu của loại này là cấu tạo các nút dây phức tạp, tốn vật liệu hơn hệ một dây và tháp cầu cũng phải cao hơn.

2.3. Biện pháp dùng dây cong ngược căng trước

Sơ đồ cầu treo có dây cong ngược căng trước (Hình 2.4) lần đầu tiên được áp dụng ở Anh cho cầu La Rose Bernard vào năm 1823. Dây cong ngược được căng trước tạo cho toàn hệ chịu ứng suất trước. Khi chịu hoạt tải, nội lực trong dây cong ngược giảm đi, do đó làm giảm độ võng của dây chủ. Hệ hai dây căng trước không những có độ cứng lớn, mà còn cho phép điều chỉnh nội lực, điều chỉnh độ cứng bằng cách thay đổi lực căng trong dây dưới để tránh hiện tượng cộng hưởng với các trọng tải có chu kỳ.

So với các hệ nêu ở trên thì hệ hai dây căng trước chỉ cần dầm cứng bé hơn, nhưng phải tốn thêm vật liệu để làm hai mố neo cho dây cong ngược. Tuy nhiên, biện pháp này chỉ áp dụng được ở những nơi mà chiều cao kiến trúc của cầu không bị hạn chế.

Hình 2.4: Hệ có dây cong ngược căng trước

2.4. Biện pháp cấu tạo các dây treo nghiêng hình tam giác

Như đã phân tích ở trên, cầu treo mà các dây được bố trí theo phương thẳng đứng là hệ biến dạng hình học, nên có độ cứng nhỏ. Với cách bố trí các dây treo xiên, tạo với dây chủ và dầm cứng thành các hình tam giác, đồng thời có biện pháp đảm bảo cho tất cả các dây luôn luôn làm việc chịu kéo, đã làm cho hệ trở thành một giàn bất biến hình (Hình 2.5). Giải pháp này có tác dụng nâng cao độ cứng tổng thể của kết cấu, giảm biến dạng hình chữ S, đồng thời giảm đáng kể mô-men uốn trong dầm.

Hình 2.5: Hệ có dây treo nghiêng hình tam giác

 

Nhiều cầu treo thuộc dạng này đã được xây dựng với nhịp rất lớn, chẳng hạn cầu Humber ở Anh có nhịp chính dài 1.410m.

Nhược điểm của cầu treo có các dây treo nghiêng là cấu tạo và thi công phức tạp. Khi tỉ số giữa tĩnh tải và hoạt tải chưa đủ lớn, rất dễ xuất hiện nội lực nén trong dây chủ và một số dây treo.

2.5. Biện pháp tăng cường bằng các dây văng

Để giảm độ võng ở 1/4 nhịp của cầu treo còn có thể dùng các dây văng neo vào dầm ở một số điểm và treo lên đỉnh tháp cầu (Hình 2.6). Các dây này có tác dụng gánh đỡ bớt một phần tải trọng cho dây chủ, đồng thời giữ cho dầm khỏi bị võng lớn, cải thiện rất đáng kể điều kiện làm việc của cầu.

Hình 2.6: Hệ có các dây văng tăng cường

Theo các kết quả nghiên cứu được công bố thì độ võng tại 1/4 nhịp giảm 2 đến 3,5 lần và độ vồng bên phía không đặt tải giảm 4 - 5 lần. Mô-men uốn trong dầm cứng khi hoạt tải đứng trên nửa nhịp cũng giảm đến 2 lần.

Cầu treo có các dây văng tăng cường là hệ liên hợp gồm ba bộ phận cùng tham gia chịu lực (dầm cứng, dây chủ và dây văng). Trong hệ này, có thể lựa chọn độ cứng của từng bộ phận; số lượng dây văng và vị trí neo dây, thay đổi lực căng trước trong dây để đạt được trạng thái ứng suất biến dạng mong muốn.

Hệ có dây văng tăng cường còn có ưu điểm là chiều cao kiến trúc nhỏ, cấu tạo tương đối đơn giản, dễ thi công kể cả trong trường hợp làm cầu mới cũng như để gia cố, nâng cấp cầu cũ. Biện pháp tăng cường này đã được áp dụng trong cầu qua sông Oraio, cầu Bruclin ở Hoa Kỳ và cầu Tage ở Bồ Đào Nha.

2.6. Các biện pháp tăng cường khác

Ngoài các biện pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo đã đựơc giới thiệu ở trên, cũng cần phải chú ý đến một số sơ đồ cầu, tuy hiện nay chưa được áp dụng vào thực tế, nhưng có nhiều nét khá đặc biệt về mặt kết cấu, và rất có triển vọng trong tương lai.

Trên Hình 2.7 giới thiệu một kiểu cầu, trong đó sự biến dạng hình học được hạn chế bằng cách dùng các dây văng ngược neo từ chân tháp lên một số điểm của dây chủ. Các dây văng có tác dụng giữ cho nửa dây chủ phía không có hoạt tải đứng trên nhịp không bị vồng lên.

Người ta đã áp dụng biện pháp này trong thiết kế cầu qua vịnh Akashi ở Nhật Bản và trong thiết kế cầu qua vịnh Mexin ở Italia (Hình 2.8). Cầu có các dây văng bố trí theo kiểu này có cấu tạo và thi công phức tạp.

Hình 2.7: Hệ có dây văng ngược

Hình 2.8: Phương án cầu qua vịnh Menxin (Italia)

Một sơ đồ cầu có độ cứng khá cao là sử dụng giàn cứng có chiều cao thay đổi. Trong sơ đồ này có những đoạn dây chủ đồng thời cũng là biên trên của giàn. Nội lực kéo trong dây do tĩnh tải phải lớn hơn nội lực nén lớn nhất do hoạt tải gây ra. Cầu treo Florianopolis ở Brazil (Hình 2.9) và thiết kế cầu qua vịnh Mexin ở Italia (Hình 2.8) là những ví dụ cho loại cầu này.

Hình 2.9: Cầu Florianopolis ở Brazil

Người ta cũng đã đề nghị sử dụng hệ liên hợp, trong đó kết cấu tăng cường là vòm mềm cho thiết kế cầu qua sông Bắc Laprentia ở Quebec, Canada (Hình 2.10).

Hình 2.10: Thiết kế cầu qua Bắc Laprentia (Canada)

3. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Ví dụ nghiên cứu thực nghiệm là cầu treo sông Giăng bắc qua sông Giăng tại Km13+100, trên tỉnh lộ 533, thuộc huyện Thanh Chương, tỉnh Nghệ An. Cầu được xây dựng và đưa vào khai thác tháng 01/1987. Cầu gồm 01 nhịp treo khẩu độ 120m, chiều rộng cầu B = 4m+2x0,15m, cầu được thiết kế cho tải trọng một xe 10 tấn trên cầu và đoàn người 50kg/m² hoặc tải trọng đoàn người đi bộ 150 kg/m² khi không có xe ô tô trên cầu.

Hình 3.1: Cầu treo sông Giăng, tỉnh nghệ An

Cầu gồm 01 nhịp dây võng khẩu độ 120m. Hệ dầm mặt cầu: Dầm dọc dùng thép hình I200, mặt cắt ngang gồm 11 dầm, dầm ngang dùng thép I400 khoảng cách giữa các dầm ngang a = 4m; dây đeo dùng thép tròn 2 Æ32mm; hệ dầm mặt cầu bằng tấm bản BTCT lắp ghép (bản Robinson) dày 5cm trên tấm bản thép 0,4cm; cáp chủ bằng loại cáp mềm Æ47,5 lõi thực vật. Toàn cầu gồm 8 bó cáp  Æ47,5mm, mỗi bên dây treo gồm 4 bó xếp theo một mặt phẳng, cường độ kéo đứt của một bó cáp là 103 tấn. Khung cổng cầu bằng thép hình I450 liên kết với nhau thành dạng hình hộp bằng các tấm thép bản. Chiều cao cổng cầu H = 12,5m. Hệ giằng gió bằng cáp mềm Æ47,5mm liên kết với hệ dầm ngang bằng các đai thép. Hai mố neo dạng mố trọng lực BTCT mác M200 (theo tiêu chuẩn vật liệu cũ), thanh neo bằng thép hình I 350. Hai trụ cổng cầu dạng trụ cột hình vuông bằng BTCT M250, đặt trên hệ cọc bằng BTCT tiết diện cọc 30 x 30cm.

3.1. Các nguyên nhân gây võng trên cầu

Kết cấu cầu bị võng do các nguyên nhân sau:

- Cáp chủ  Æ47,5mm dạng cáp mềm, lõi thực vật nên bị giãn dài theo thời gian;

- Mặt cầu làm bằng các tấm bản BTCT làm tăng tải trọng bản thân;

- Dây đeo cũng bị giãn dài, bu-lông lỏng cũng tham gia vào nguyên nhân gây võng;

- Tháp chủ bị nghiêng vào phía trong nhịp chính nhiều hơn;

- Mật độ xe tải trọng nặng chạy nhiều.

Để đảm bảo an toàn, ổn định công trình, kéo dài tuổi thọ cầu, giảm chi phí đầu tư xây dựng cầu mới, cần có giải pháp tăng cường độ cứng cho cầu sông Giăng.

3.2.  Giải pháp tăng cường cho cầu  sông Giăng

Giải pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo sông Giăng được lựa chọn trên cơ sở các giải pháp tăng cường độ cứng đã trình bày ở trên, phù hợp với cấu tạo cầu treo sông Giăng và công nghệ thi công cầu treo trong nước hiện nay. Qua nghiên cứu, phân tích cho thấy biện pháp tăng cường độ cứng bằng dây văng là khả thi nhất bởi các lý do sau:

- Phù hợp với cấu tạo của cầu do dây văng có thể văng xuống từ cổng cầu, chiều cao của cổng cầu phù hợp, hệ thống dầm dọc, dầm ngang có thể đảm bảo về mặt cấu tạo để tăng cường hệ dầm dọc cứng và dây văng vào cầu.

- Cấu tạo tương đối đơn giản, phù hợp với việc gia cố, nâng cấp cầu cũ.

- Dễ thi công phù hợp với tình độ thi công hiện nay của địa phương.

Tuy nhiên, do cấu tạo của cầu treo hiện nay là dầm mềm nên việc đưa dây văng vào để tăng độ cứng thì phải cứng hóa hệ dầm dọc, nếu không tăng cường thêm dầm dọc liên tục và đủ cứng vào cầu thì không thể liên kết dây văng với dầm chủ do cầu sẽ có biến dạng rất lớn.

Có 2 giải pháp để cứng hóa hệ dầm cầu:

- Với hệ thống dầm dọc như hiện nay, tiến hành cứng hóa tại các mối nối dầm dọc. Tuy nhiên, giải pháp này không khả thi do dầm dọc hiện trạng nhỏ bằng I200 nên không đảm bảo độ cứng dọc cầu.

- Tăng cường thêm các dầm dọc mới vào cầu để cứng hóa hệ dầm nhưng sẽ làm cho tải trọng bản thân công trình tăng lên. Do đó, phải có biện pháp giảm tải trọng cầu. Có thể thay thế hệ mặt cầu bằng BTCT sang hệ mặt cầu bằng thép chống trượt.

Như vậy, để tăng cường độ cứng cho cầu treo sông Giăng cần tiến hành các bước sau:

lThay thế các dầm dọc, thay thế hệ mặt cầu;

lCăng lại hệ cáp chủ theo đường tên mới để khôi phục độ vồng;

lTăng cường dầm dọc I 400 x 150 cứng vào hai bên cầu bằng cách liên kết vào các dầm ngang;

lĐưa dây văng liên kết một đầu vào gần đỉnh cổng cầu, một đầu vào dầm dọc vừa được tăng cường. Số lượng và vị trí dây văng sẽ được bố trí theo tính toán phù hợp, đảm bảo hiệu quả và đơn giản nhất.

Theo lý thuyết, chúng ta thấy rằng, khi tăng cường dầm cứng vào cầu treo, nếu dầm tăng cường có độ cứng càng lớn, thì cầu càng cứng, độ võng càng bé. Tuy nhiên, nếu dầm cứng có độ cứng lớn thì khối lượng tĩnh tải của cầu sẽ tăng, do đó để đảm bảo sức chịu tải của dây chủ không bị ảnh hưởng, nằm trong giới hạn cho phép, kiến nghị dùng 4 dầm I400 x 150, tổ hợp thành 2 dầm cứng, mỗi bên 2 dầm. Việc đưa dầm I400 vào chủ yếu là để dây văng có thể liên kết với dầm chủ mà không gây biến dạng công trình, riêng độ cứng dầm I400 x 150 có tham gia vào việc tăng độ cứng của cầu nhưng rất bé.

Hình 3.2: Hệ dầm dọc, dầm ngang và cáp chống rung lắc

Trên cơ sở tăng cường bằng phương pháp dây văng như đã phân tích ở trên, tiến hành tính toán cho 4 trường hợp kết cấu sau:

Sơ đồ 1: Độ võng và sức chịu tải kết cấu dây võng dầm mềm ban đầu của cầu treo sông Giăng khi chưa tăng cường.

Sơ đồ 2: Độ võng và sức chịu tải của cầu treo Sông Giăng khi thay bản mặt cầu từ bản BTCT sang bản thép và tăng cường thêm 4 dầm cứng I400.

Sơ đồ 3: Độ võng và sức chịu tải của cầu treo sông Giăng khi thay bản mặt cầu từ bản BTCT sang bản thép và tăng cường thêm 4 dầm cứng I400 và tăng cường 2 dây văng tại vị trí ¼ nhịp.

Sơ đồ 4: Độ võng và sức chịu tải của cầu treo sông Giăng khi thay bản mặt cầu từ bản BTCT sang bản thép và tăng cường thêm 4 dầm cứng I400 và tăng cường 4 dây văng tại hai bên vị trí ¼ nhịp.

Mô hình hóa và tính toán kết cấu bằng phần mềm Midas/Civil ta được kết quả:

Hình 3.3: Biểu đồ độ võng khi chỉ có tải trọng bản thân

Hình 3.4: Biểu đồ độ võng khi tải trọng gồm xe 10T và đoàn người 50kg/m2

Hình 3.5: Biểu đồ độ võng khi có tải trọng gồm đoàn người 150kg/m2

Từ các kết quả trên cho thấy giải pháp tăng cường dây văng hai bên vị trí ¼ nhịp đạt hiệu quả cao hơn giải pháp chỉ tăng cường một dây văng tại vị trí ¼ nhịp, cụ thể: Phương án tăng cường 2 dây văng giảm được 53% so với độ võng ban đầu; phương án tăng cường 4 dây văng giảm được 65% so với độ võng ban đầu.

4. KẾT LUẬN

Bài báo đã trình bày tổng quan các giải pháp tăng cường độ cứng cho cầu treo dây võng tải trọng nhỏ trên các tuyến đường tỉnh miền núi. Biện pháp tăng cường cho cầu treo sông Giăng bằng cách bổ sung dây văng là khả thi và hiệu quả. Kiến nghị đưa vào áp dụng để tăng cường cho cầu này cũng như đối với các cầu khác bị hư hỏng tương tự. Đối với các cầu treo thiết kế mới có sơ đồ một nhịp nên nghiên cứu áp dụng giải pháp này để tăng cường độ cứng cho công trình.

Tài liệu tham khảo

[1]. Lều Thọ Trình (1985), Cách tính hệ treo theo sơ đồ biến dạng, NXB. Khoa học và kỹ thuật.

[2]. Lều Thọ Trình (2003), Cách tính hệ treo theo sơ đồ biến dạng, NXB. Xây dựng.

[3]. Nguyễn Viết Trung (2003), Chẩn đoán công trình cầu, NXB. Xây dựng.

[4]. Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà (2004), Thiết kế cầu treo dây võng, NXB. Xây dựng.

[5]. Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Trọng Nghĩa (2010), Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với MIDAS/Civil, tập 1, NXB. Xây dựng.

[6]. Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Bùi Công Độ, Nguyễn Việt Anh (2012), Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với MIDAS/Civil, tập 2, NXB. Xây dựng.

[7]. Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79.