Nghiên cứu một số phương pháp và lựa chọn công nghệ thi công cầu dây văng

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 384 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP VÀ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU DÂY VĂNG STUDY ON SOME CONSTRUCTION METHOD AND CHOSING ERECTION TECHNOLOGY FOR CABLE STAYED BRIDGE NHÓM SVTH: BÙI THỊ XUÂN PHƯỢNG, NGUYỄN HỮU PHÚ, PHẠM VĂN PHONG Lớp 05XC1, 05XC2 Trường Cao Đẳng Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng GVHD: BẠCH QUỐC SĨ Khoa Kỹ thuật Xây dựng, Trường Cao đẳng Công nghệ, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Đề tài mô tả đặc điểm và trình bày một số phương pháp thi công cầu dây văng, qua đó đề xuất cách lựa chọn công nghệ thi công loại kết cấu này. ABSTRACT The document describe features and show some construction method for cable stayed bridge, by the way have comments for chosing erection technology. 1. Mở đầu Cầu dây văng là một kết cấu siêu tĩnh bậc cao, có dầm cứng bằng BTCT hoặc bằng thép được kê trên các gối cứng ở mố trụ và các gối đàn hồi là các điểm treo của dây văng, đầu còn lại của dây văng được liên kết vào đỉnh trụ tháp. Cầu dây văng là loại cầu có kiểu dáng kiến trúc thanh mãnh, tính thẩm mỹ cao. Bên cạnh đó loại kết cấu này có khả năng vượt nhịp lớn và tính kinh tế - kỹ thuật. Từ chiếc cầu đầu tiên, cầu Stromsund được xây dựng ở Thụy Điển năm 1955, đến nay cầu dây văng được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới và đạt được các thành tựu rực rỡ. Hiện đã thống kê được trên 600 cầu dây văng và số lượng này ngày càng tăng thêm nhanh chóng. Ở nước ta, việc áp dụng kết cấu cầu dây văng trong lĩnh vực xây dựng cầu còn rất hạn chế. Tuy nhiên trong khoảng 10 năm trở lại đây, với yêu cầu thực tiễn trong công tác xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng, cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ máy tính chúng ta đã tiếp cận và dần làm chủ công nghệ thiết kế và thi công. Hình 1.1: Cầu Mỹ thuận, Vĩnh Long, 2000 Hình 1.2: Thi công cầu Kiền, Hải Phòng, 2002 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 385 2. Thi công cầu dây văng 2.1. Thi công dầm chủ theo phương pháp đúc hẫng Phương pháp đúc hẫng là quá trình xây dựng kết cấu nhịp dần từng đốt theo sơ đồ hẫng cho tới khi nối liền thành các kết cấu nhịp cầu hoàn chỉnh bằng cách đúc các đốt dầm tại vị trí nhịp cầu trên hệ ván khuôn đã được lắp đặt trước. Qui trình công nghệ thi công dầm chủ theo phương pháp đúc hẫng (hình 2.1) được thực hiện như sau: - Lắp hệ đà giáo mở rộng trụ tháp để đúc khối dầm tại vị trí trụ (khối K0), bảo dưỡng để bêtông đạt cường độ yêu cầu. - Căng các dây văng để giữ các khối đúc K0. - Lắp đặt xe đúc hẫng, điều chỉnh vị trí, cao độ và neo cố vào khối vừa đúc. - Lắp đặt ván khuôn cốt thép, đúc khối tiếp theo, bảo dưỡng bêtông. - Căng dây văng. - Tháo ván khuôn, di chuyển xe đúc đến vị trí mới. a) b) Hình 2.1: Sơ đồ thi công theo phương pháp đúc hẫng a) Đúc đốt K0 b) Đúc đốt kế tiếp 2.2. Thi công dầm chủ theo phương pháp lắp hẫng Phương pháp lắp hẫng là quá trình xây dựng kết cấu nhịp dần từng đốt theo sơ đồ hẫng cho tới khi nối liền thành các kết cấu nhịp cầu hoàn chỉnh bằng cách lắp các đốt dầm đã được chế tạo sẵn tại vị trí nhịp cầu. Hình 2.2 là sơ đồ mô tả quá thi công lắp hẫng đốt dầm thứ N cho cầu treo dây văng có dầm chủ bằng thép nối Hong Kong và ShenZhen được khởi công từ 7-2004 và hoàn thành 12-2005. Nâng đốt dầm từ xà lan. Hàn đốt dầm thứ N với đốt dầm thứ (N-1) theo chu vi của tiết diện hộ. Kiểm tra mối hàn. Tạo lực nén trước ở bản mặt cầu. Lắp đặt và căng cáp nhịp chính (giai đoạn 1: 80%). Lắp đặt và căng cáp nhịp biên (căng 1 lần: 100%). , , Thực hiện mối hàn giữa hai đốt N và (N-1) ở phía trong. 3a 3a 3a 2c 2b 2a 1c 1b 1a Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 386 Giải phóng giá nâng và di chuyển đến vị trí mới. Căng cáp nhịp chính (giai đoạn 2: 100%). Kiểm tra lại công tác đã thực hiện. Giải phóng lực nén trước ở bản mặt cầu. Hình 2.2: Sơ đồ mô tả quá thi công lắp hẫng đốt dầm thứ N 2.3. Thi công dầm chủ theo phương pháp lao kéo dọc Phương pháp lao kéo dọc dầm chủ là phương pháp lao dầm bằng cách lao kéo dọc dầm chủ đã được lắp ráp trên bãi đầu cầu ra phía sông để đặt trên mố trụ. Trong quá trình lao dọc, dầm được kê trên các trụ tạm nhằm làm giảm độ võng và nội lực trong dầm trong quá trình thi công (hình 2.3). Dây cáp văng được lắp vào dầm và tháp, sau đó tiến hành căng các dây văng. Dáy caïp vàng âaî càng Dáy caïp vàng chæa càng Truû taûm Hình 2.3: Sơ đồ thi công dầm chủ theo phương pháp lao kéo dọc 2.4. Thi công dầm chủ theo phương pháp sử dụng dây thiên tuyến Phương pháp lao dầm sử dụng dây thiên tuyến thường được áp dụng nơi có địa hình phức tạp, sông sâu. Dây thiên tuyến được vắt qua đỉnh tháp và được neo hai đầu ở phía các mố cầu. Trên dây thiên tuyến có gắn con trượt. Con trượt có nhiệm vụ nâng dầm khi dầm được kéo ra phía sông bởi tời kéo (hình 2.4). Truû taûm tåìi keïo con træåüt dáy haîm dáy thiãn tuyãún 1/2 SÅ ÂÄÖ LAO DÁÖM 1/2 SÅ ÂÄÖ LÀÕP DÁY Hình 2.4: Sơ đồ thi công dầm chủ theo phương pháp sử dụng dây thiên tuyến 3. Điều chỉnh lực căng dây cáp văng trong thi công cầu dây văng 3.1. Đặc điểm chịu lực trong cầu dây văng Trong cầu treo dây văng, các bộ phận chịu lực chính (tháp, dầm chủ và cáp văng) liên kết với nhau dưới dạng các tam giác cơ bản tạo nên một kết cấu bền vững. Dầm chủ được xem làm việc như một dầm cứng liên tục tựa trên các gối đàn hồi (các nút treo dây cáp xiên) và một 6b 6a 5 4 Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 387 số gối cứng (đặt tại các mố trụ). Trong quá trình thi công, dầm chủ bị võng dưới tác dụng của tĩnh tải. Độ võng do tĩnh tải sẽ làm sai lệch trắc dọc thiết kế và có thể gây ra mô men uốn bất lợi trong dầm chủ. Vì vậy đối với cầu treo dây văng cần tiến hành căng các dây cáp văng nhằm điều chỉnh nội lực và chuyển vị cho dầm chủ. Có nhiều biện pháp và công nghệ điều chỉnh khác nhau để đạt được hoặc là biểu đồ biến dạng hoặc biểu đồ nội lực hợp lý hoặc cả hai. Hình 3.1 thể hiện kết qủa điều chỉnh lực căng trong dây cáp văng để đạt được hai mục tiêu khác nhau trong cầu dây văng ở trạng thái hoàn chỉnh. 3.2. Xác định lực căng trong dây cáp văng Phương trình xác định lực căng trong dây cáp văng khi mục tiêu điều chỉnh là mômen uốn tại các nút treo dây được viết như sau:        i PM . X M M  Trong đó:  iM : là ma trận ảnh hưởng mô men uốn. Phần tử ijm là mômen uốn tại nút i do lực căng dây đơn vị tại nút j gây ra.  X : là là véctơ ẩn lực trong các dây văng.  PM : là véctơ mô men uốn do trọng lượng kết cấu và các ảnh hưởng thứ cấp gây ra trong hệ ở trạng thái hoàn chỉnh.  M : là véctơ mômen uốn của hệ cần đạt được sau điều chỉnh 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 0.00 0 1/2 BIÃØU ÂÄÖ ÂÄÜ VOÎNG DÁÖM CHUÍ ÅÍ TRAÛNG THAÏI HOAÌN CHÈNH 1/2 BIÃØU ÂÄÖ MÄMEN UÄÚN DÁÖM CHUÍ ÅÍ TRAÛNG THAÏI HOAÌN CHÈNH Y M Hình 4.1: Nội lực và biến dạng ở trạng thái hoàn chỉnh Phương trình xác định lực căng trong dây cáp văng khi mục tiêu điều chỉnh là chuyển tại các nút treo dây được viết như sau:        i PY . X Y Y  Trong đó:  iY : là ma trận ảnh hưởng độ võng của dầm. Phần tử ijy là độ võng tại nút i do lực căng dây đơn vị tại nút j gây ra.  X : là là véctơ ẩn lực trong các dây văng.  PY : là véctơ độ võng do trọng lượng kết cấu và các ảnh hưởng thứ cấp gây ra trong hệ ở trạng thái hoàn chỉnh.  Y : là véctơ độ võng của hệ cần đạt được sau điều chỉnh. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 388 4. Nhận xét, kết luận 4.1. Đặc điểm cầu dây văng - Cầu dây văng là kết cấu có nhiều ưu điểm nổi trội về kiểu dáng kiến trúc, khả năng vượt nhịp lớn và tính kinh tế kỹ thuật cao. - Cầu dây văng là loại kết cấu còn mới lạ trong thực tiễn áp dụng tại nước ta, tuy nhiên trong khoảng 10 năm trở lại đây loại kết cấu này đã được quan tâm nhiều trong ngành xây dựng cầu. 4.2. Công nghệ thi công cầu dây văng - Công nghệ thi công cầu dây văng cũng rất đa dạng. - Các công nghệ thi công cầu dây văng bao gồm: + Công nghệ thi công hẫng. + Công nghệ thi công trên đà giáo - trụ tạm. + Công nghệ thi công sử dụng hệ dây thiên tuyến. - Lựa chọn công nghệ thi công cầu dây văng phù hợp phụ thuộc vào trình độ công nghệ thi công tại địa phương, địa hình thi công và vật liệu xây dựng cầu. 4.3. Điều chỉnh lực căng dây cáp văng trong thi công: Điều chỉnh lực căng trong dây cáp văng trong quá trình thi công cầu có khả năng đạt được mục tiêu mong muốn về nội lực và chuyển vị của dầm chủ trong kết cấu cầu. 4.4. Một số đề suất về lựa chọn công nghệ thi công cầu dây văng ở nước ta: - Khi thi công cầu dây văng có dầm chủ bằng thép và địa hình không phức tạp nên áp dụng dụng công nghệ thi công trên đà giáo trụ tạm. - Khi thi công cầu dây văng có dầm chủ bằng thép và địa hình khó khăn nên áp dụng dụng công nghệ thi công có sử dụng hệ dây thiên tuyến hoặc lắp hẫng. - Khi thi công cầu dây văng có dầm chủ bằng bêtông cốt thép nên áp dụng dụng công nghệ thi công đúc hẫng hoặc lắp hẫng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Đình Tâm, Phạm Duy Hoà (2000), "Cầu dây văng", NXB Khoa Học và Kĩ Thuật, Hà Nội. [2] Lê Đình Tâm (2005), "Cầu bê tông cốt hép trên đường ô tô", NXB Xây Dựng, Hà Nội. [3] Lê Đình Tâm, Trần Ngọc Nhung (1998), "Phương pháp thi công cầu dây văng", Đề tài cấp Nhà nước KHCN 10-06), Hà Nội. [4] Dennis Jang, Claudia Mibelli, Austin Pan, Mark Chen, "Construction engineering for Hong Kong - ShenZhen cable stayed bridge", T. Y. Lin International , China. [5] Manabutto, Yorofuzino, Toshio Miyata, "Cable stayed bridgé recent development and their future", Elsevier Publisher, USA.