BÀI GIẢNG CẦU EXTRADOSE - 123doc

Cầu Extradosed là một dạng đặc biệt của cầu bê tông cốt thép DƯL ngoài, trong đó cáp được đưa lên khỏi mặt cầu và liên kết với cột tháp có chiều cao thấp đặt ở đỉnh trụ.. Một phần tĩnh t

Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Bộ môn Công trình GTTP và Công Trình thủy

KHÁI QUÁT CHUNG

Năm 1988, J Mathivat đưa ra khái niệm cầu Extradosed và kiến trúc sư Charles Lavigne đã ứng dụng để thiết kế cầu Arrêt Darré ở vùng Tây Nam nước Pháp Cầu Extradosed là một dạng đặc biệt của cầu bê tông cốt thép DƯL ngoài, trong đó cáp được đưa lên khỏi mặt cầu và liên kết với cột tháp

có chiều cao thấp đặt ở đỉnh trụ Một phần tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp sẽ thông qua các cáp văng truyền vào cột tháp và theo trụ cầu

truyền tải trọng xuống nền móngCấu tạo gồm ba phần chính: hệ dầm cứng, hệ dây treo, tháp neo dây

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Đối với cầu BTCT dự ứng lực ngoài thông thường, độ lệch tâm của cáp bị hạn chế trong phạm vi chiều cao tiết diện của dầm

Để tăng độ lệch tâm của cáp, chúng được bố trí ra ngoài phạm

vi chiều cao tiết diện

CẦU EXTRADOSED CẦU EXTRADOSED NGUYÊN LÝ CẤU TẠO NGUYÊN LÝ CẤU TẠO

Biểu đồ mô men

Cáp căng ngoài

Cáp căng ngoài Cáp căng ngoài Cáp căng ngoài

Biểu Biểu đồ đồ mô mô men men

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

1- Cầu Extradosed là cầu dầm bêtông cốt thép dự ứng lực ngoài,trong đó các bó cáp CĐC được đưa lên trên mặt tiết diện tạo ra độ lệch tâm lớn.

Như vậy:

- hiệu quả hơn cho việc tạo dự ứng lực

- cáp văng có thể tiếp nhận một phần tải trọng ngay từ giai đoạn thi công

L L

VƯỢT NHỊP LỚN HƠN CẦU DẦM

2- Chiều cao dầm nhỏ hơn so với cầu liên tục Giảm tĩnh tải và chiều cao kiến trúc, thích hợp cho các cầu vượt trong đô thị.

SO SÁNH VỚI CẦU DẦM

L L

KHÁI QUÁT CHUNG

SO SÁNH VỚI CẦU DÂY VĂNG

1- Chiều cao tháp nhỏ hơn Có lợi khi thiết kế cầu vượt trong đô thị và tạo điều kiện thuận lợi cho việc lắp đặt cáp văng, cho công tác duy tu bảo dưỡng.

2- Do dầm có độ cứng lớn nên biến dạng nhỏ, việc kiểm soát độ võng trong quá trình thi công đơn giản hơn

3- Biên độ ứng suất trong cáp văng của cầu Extradosed gần giống như kết cấu cầu BTUST và nhỏ hơn nhiều so với CDV nên ảnh hưởng do mỏi giảm nhiều

vì vậy ứng suất kéo cho phép đối với cáp văng có thể lấy như cáp trong cầu

BTCTDUL thông thường (0,6 giá trị cường độ), lớn hơn so với CDV (0,4-0,45) Như vậy số lượng cáp văng có thể giảm xuống và kết cấu neo cũng đơn giản hơn, giá thành xây dựng giảm.

4- Vì cáp ngắn, độ võng bản thân nhỏ nên ảnh hưởng của dao động nhỏ.

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Hạng mục so sánh Cầu dầm Cầu Extradosed Cầu dây văng

1/18)L h=(1/30-1/35)L

Chiều cao tháp h(m) - H=(1/12-1/13)l H=(1/4-1/5)L

So sánh các thông số cơ bản của 3 loại cầu

dầm liên tục thì chiều cao dầm cầu Extradosed có thể giảm đi đáng kể.

Chiều cao của dầm chủ có thể lấy bằng (1/30~1/35)L đối với tiết diện trên trụ

và (1/60~1/65)L đối với tiết diện ở giữa nhịp, trong đó L là chiều dài nhịp lớp nhất

Chiều dài nhịp biên bằng (0.6~0.7)L, được xác định trên cơ sở phân phối hài hoà mômen giữa nhịp biên và giữa nhịp giữa

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Hệ dầm cứng

C U T O

Hệ dầm cứng

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Hệ dây văng giống hệ dây treo của cầu dây văng, bao gồm các dây treo và

hệ neo cáp Các dây treo được coi như là các bó cáp cường độ cao có độ lệch tâm lớn sử dụng trong cầu dầm cứng được tạo ứng suất trước bằng công nghệ dự ứng lực ngoài Các dây treo này được liên kết cứng với cột tháp hoặc được luồn qua kết cấu yên ngựa đặt trên đỉnh cột tháp và được liên kết với dầm chủ bằng hệ neo cáp tạo thành các gối đàn hồi Hệ neo cáp

có thể sử dụng hệ neo cho các bó cáp CĐC thông thường

Vị trí dây treo phụ thuộc vào tỷ số a/L = 0.2; 0.24 và 0.14

Ở đây a là khoảng cách từ tim trụ đến điểm neo dây đầu tiên, L là chiều dài nhịp chính

CẤU TẠO

0.14 0.20 0.24 2000

Trªn trô

Mômen dương của dầm giảm xuống vàmômen âm tăng lên khi khoảng cách neocáp văng càng xa trụ

Tuy nhiên mức độ giảm mômen dương củanhịp giữa sẽ lớn hơn ở nhịp biên

Mặt khác khi điểm neo cáp văng đầu tiên

tăng lên từ a/L=0.14 đến a/L=0.24, thì giá trị

mômen âm trên trụ tăng lên đột ngột,khoảng 48% so với giá trị ban đầu Khi giátrị mômen âm càng tăng thì giá thành thicông lắp hẫng cũng tăng

Do đó, các cáp văng sẽ được bố trí sao cho

có thể giảm mômen âm ở trụ giữa, và giáthành thi công lắp hẫng sẽ giảm xuống khigiá trị mômen âm càng giảm Do đó vị tríneo cáp văng có thể được lựa chọn bằng

a/L=0.14. Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết TrinhQuan hệ giữa M dầm và vị trí neo cáp

Kiểu liên kết điển hình tại đỉnh tháp:

- Cáp giao nhau trong bê tông Kiểu bố trí này cũng được dùng trong cầu dây văng vì lắp đặt đơn giản và trong trường hợp cần thiết có thể thay thế, có thể sử dụng hệ neo dùng cho cáp ứng suất trước nằm ngoài bê tông Tuy nhiên kết cấu neo giao cắt cũng có nhược điểm là phải bố trí

tháp cao hơn, tiết diện tháp phải rộng hơn so với kiểu neo “yên ngựa” để

đủ khoảng không gian bố trí neo

-Cáp xuyên qua đỉnh tháp Đây là kiểu liên kết thường dùng trong kết cấu cầu Extradosed, Nếu dự tính thay thế cáp trong tương lai thì tại vị trí yên ngựa cũng phải cấu tạo ống gen đúp

CẤU TẠO

Sơ đồ cáp văng

Cầu Extradosed là một hệ kết cấu liên hợp giữa dầm cứng và cáp văng Do

đó, sơ đồ và sự phân bố cáp văng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu

Vì cột tháp của cầu Extradosed có chiều cao thấp nên thông thường phương

phân bố trên tháp cầu với khoảng cách nhỏ nhất để có thể cấu tạo, lắp đặt dây trong quá trình thi công và duy tu bảo dưỡng sau này

Khả năng chịu lực của cầu Extradosed còn phụ thuộc vào khoảng cách neo dây trên dầm cứng Khi số lượng cáp văng tăng thì chiều dài khoang sẽ giảm

và kết quả là trị số mômen uốn cục bộ trong phạm vi khoang cũng giảm và ngược lại

Cầu Extradosed mới được phát triển trong những năm gần đây, nên xu

phù hợp với công nghệ thi công bằng phương pháp đúc hẫng hay lắp hẫng với chiều dài mỗi đốt thay đổi từ 3-6mPrepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Trị số lực căng trong cáp văng được xác định chủ yếu theo điều kiện sử dụng (khống chế ứng suất),

Tức là trong quá trình thi công các đốt dầm hẫng được đảm bảo bằng cáp

dự ứng lực trong, cáp văng sẽ được căng sau để cải thiện mômen âm trên trụ và cùng tham gia chịu lực ở giai đoạn tiếp theo

Với trường hợp nhịp lớn, khi thi công hẫng đến một độ dài nhất định có thể lắp đặt và căng cáp trước khi tiếp tục thi công hẫng các đốt tiếp theo Trị

số lực căng tổng cộng trong cáp sẽ được khống chế theo trị số cho phép

CẤU TẠO

Tháp neo dây được cấu tạo bằng BTCT, BTCT liên hợp và có chiều cao thấp hơn so với chiều cao của trụ tháp trong cầu dây văng

Vì chiều cao tháp neo dây thấp nên tháp neo dây không nhất thiết liên kết cứng với trụ cầu Tháp neo dây có thể liên kết cứng với trụ cầu tạo thành khung cứng hoặc liên kết cứng với dầm cứng và đặt lên trên trụ

Chiều cao tháp liên quan đến nội lực trong

hệ dầm cứng và cáp văng

Mômen uốn dưới tác dụng của tải trọng khai thác (ΣD+L) sẽ giảm xuống khi tăng chiều cao cột tháp Tuy nhiêu chiều cao cột tháp vượt quá 15m bằng 1/8 chiều dài nhịp giữa, thì tốc độ giảm mômen chậm và có thể coi như là không đổi H=(1/12- 1/8)L

-25000 -20000 -15000 -10000 -5000 0

Do tÜnh t¶i Do ho¹t t¶i

5 10 15 17.5 2000

4000 6000

Quan hệ giữa M dầm và chiều cao tháp

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Thay đổi độ cứng của tháp cầu tương ứng với 0,25 và 0,50 lần độ cứng chuẩn đã

chọnKết quả khảo sát cho thấy độ cứng của tháp cầu hầu như không ảnh hưởng đến mômen, độ võng trong dầm chủ Cũng như vậy biến động lực căng trong cáp văng

cũng rất nhỏ

Quan hệ giữa độ cứng tháp với M uốn

và độ võng của dầm chủ

0.25 0.50 1.00 4000

8000

-4000

-12000 -8000

M (Tm)

NhÞp biªn NhÞp gi÷a

Trªn trô -10000

EIth¸ p

CẤU TẠO

Các sơ đồ cầu

Cầu Extradosed hai nhịp : Dành cho các cầu vượt qua đường, vượt qua

sông hay thung lũng không lớn lắm

Thông thường cột tháp được đặt ở giữa nhịp, các cáp văng được bố trí đối xứng qua cột tháp tạo ra sự cân đối cho toàn cầu

Tùy theo vị trí cột tháp, sơ đồ bố trí cáp văng trên nhịp nhỏ có thể bố trí giống hoặc khác so với sơ đồ bố trí cáp văng trên nhịp lớn về số lượng dây cũng như khoảng cách giữa các cáp văng

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Các sơ đồ cầu

Cầu Extradosed ba nhịp : Phần lớn cầu Extradosed được thiết kế theo kiểu

hệ ba nhịpChiều dài nhịp biên thường thay đổi rất lớn và phụ thuộc vào chiều dài nhịp giữa, thông thường được lấy bằng (0.3 - 0.7)L, và thường là (0.6 - 0.7)L

CẤU TẠO

Các sơ đồ cầu

Cầu Extradosed nhiều nhịp : là loại cầu có khẩu độ lớn và vừa Khẩu độ

trung bình từ 90-200m Theo giáo sư Micheal Virgoluex thì khẩu độ hợp lý nhất đối với cầu Extradosed là 180m Tuy nhiên, nếu kết cấu dầm chủ của nhịp chính kết hợp giữa dầm BTCT dự ứng lực và dầm thép thì khẩu độ nhịp

có thể lên đến 300m

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Kisogawa and Ibigawa Bridge

CẤU TẠO

Các dạng cột tháp

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Các dạng cột tháp

Vì chiều cao cột tháp tương đối thấp, nên cấu tạo và hình dáng cột tháp cũng đơn giản Thông thường cột tháp có dạng thẳng đứng độc lập và được liên kết với trụ cầu

Tùy theo sự liên kết cột tháp với trụ cầu có thể phân biệt ra hai loại: cột tháp cứng và cột tháp mềm

CẤU TẠO

Các dạng cột tháp

Cột tháp cứng là cột tháp được ngàm chặt vào trụ cầu tạo thành một khối

Để hạn chế chuyển vị đỉnh tháp do toàn bộ lực ngang của các cáp văng truyền vào, thông thường cột tháp có kích thước và độ cứng theo phương dọc cầu lớn Theo phương ngang, tùy theo bề rộng mặt cầu mà bố trí một, hai, hoặc ba mặt phẳng dây Các cột tháp thường là dạng cột đứng độc lập liên kết cứng với trụ cầu Vì cột tháp có chiều cao thấp nên không nhất thiết phải có liên kết ngang, tuy nhiên tùy theo khẩu độ cầu và mục đích để tăng cường độ ổn định ngang, các cột tháp được bố trí thêm dầm ngang tạo thành khung cứng

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Các dạng cột tháp

Cột tháp mềm là cột tháp đặt trên hệ dầm chủ được kê trên gối ở đỉnh trụ cầu Đối với loại cột tháp này, khi có hoạt tải tác dụng thì cột tháp chịu biến dạng xoay cùng với tiết diện dầm chủ trên gối, do vậy chuyển vị đỉnh tháp sẽ lớn gây ra ứng suất trong cáp văng cũng lớn Phạm vi biến thiên ứng suất trong cáp văng cũng gần giống như sự biến thiên ứng suất trong dây văng

Do vậy tiêu chuẩn tính toán thiết kế cáp văng cũng gần với CDV hơn là cầu dầm cứng

THI CÔNG

Phương pháp thi công phổ biến là phương pháp lắp hẫng cân bằng Ưuđiểm của phương pháp này là thời gian thi công rất nhanh, các đốt dầmđược chế tạo ở bãi đúc nên dễ dàng kiểm tra chất lượng chế tạo cũng nhưkích thước hình học tổng thể của đốt dầm

Chiều dài nhịp trung bình, trong khoảng 50-60m thích hợp với công nghệ đúc đẩy Tuy nhiên có nhiều nhược điểm như cần nhiều trụ tạm và cáp CĐC phụ trợ cho quá trình thi công

Đối với các công trình nhịp nhỏ, chiều cao cầu thấp có điều kiện bố trí hệ thống dàn giáo cố định thì giải pháp thi công dầm tại chỗ được ưu vì đơn giản về công nghệ và khả năng đảm bảo chất lượng cao cho công tác bê tông dầm

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

THI CÔNG

Thi công trụ tháp và khối KO

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

THI CÔNG

Xe lắp hẫng

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

THI CÔNG

Hoàn thành thi công

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Trình tự thi công Ngã Tư Sở

ĐẶC ĐiỂM THIẾT KẾ

Lực căng trong dây xiên (văng) khi kết thúc căng

kéo (maximum)

Phương pháp kiểm tra diễn biến bình lọc trong

quá trình thi công

-Kiểm tra độ vồng dầm -Kiểm tra lực

- Kiểm tra lực trong dây văng

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Biên độ ứng suất trong cầu Extradosed gần giống như kết cấu cầu bê tông dự ứng lực toàn phần do đó cầu được thiết kế theo kết cấu bê tông dự ứng lực toàn phần

ĐẶC ĐiỂM THIẾT KẾ

Đặc điểm chịu lực: Trong cầu dây văng việc điều chỉnh diễn biến hình học của dầm và việc điều chỉnh ứng lực pháp tuyến chỉ phụ thuộc vào tĩnh tải Khi có hoạt tải sẽ làm tăng đáng kể lực kéo trong dây văng Phải xét đến hiện tượng mỏi cáp

Trong kết cấu cầu Extradosed lực ứng suất trước và tĩnh tải tạo nên một trạng thái lực (N+M) có hướng ngược với trạng thái lực do hoạt tải gây ra Do vậy lực tăng thêm lực kéo trong bó cáp rất nhỏ và thường không phải xét tới hiện tượng mỏi cáp

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

a) Ứng suất cho phép

Giống như thiết kế cầu dây văng, một trong số những yếu tố quan trọngnhất là ứng suất cho phép đối với cáp, yếu tố này liên quan trực tiếp tới độcứng của cáp Extradosed và độ cứng của toàn hệ kết cấu

Độ lớn của ứng suất cho phép sẽ quyết định liệu cáp có bị phá hoại do mỏihay không khi chịu tải trọng bình thường (không xét hệ số tải trọng) và đảmbảo cáp vẫn làm việc trong miền đàn hồi khi chịu tải trọng cực hạn (xét hệ

số tải trọng)

Hiện tượng mỏi cáp thể hiện dưới hai dạng: dạng thứ nhất là mỏi sinh rabởi sự biến đổi có tính chu kì của ứng suất dọc trục do hoạt tải; dạng thứhai xuất hiện tại điểm neo và do gió rung cáp Extradosed gây nên

Đối với hiện tượng mỏi dọc trục có thể khống chế được bằng cách giảmứng suất kéo do tải trọng gây mỏi, còn đối với dạng mỏi do gió, các nhàthiết kế thường xử lý bằng cách ứng dụng thiết bị giảm chấn (giảm chấn

ĐẶC ĐiỂM THIẾT KẾ

Đặc điểm thiết kế cáp Extradosed

b) Chùng ứng suất trong cáp Extradosed

Trong cáp Extradosed sự biến đổi lực kéo do từ biến và co ngót sẽ lớn hơn

so với sự biến đổi lực kéo sinh ra do tĩnh tải phần hai và hoạt tải, nên để xác định tỉ số chùng biểu kiến của cáp Extradosed phải xem xét tác động của từ biến và co ngót bê tông

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

c) Điều chỉnh lực căng trong quá trình thi công

Điểm khác biệt cơ bản giữa cáp Extradosed và cáp dây văng là trong quá trình căng kéo chỉ phải kéo một lần, trong khi đó đối với cáp dây văng phải thực hiện căng điều chỉnh làm nhiều lần Kết luận này đã được các nhà thiết

kế nước ngoài rút sau khi đã thi công nhiều cầu dây văng và cầu Extradosed trên thế giới

ĐẶC ĐiỂM THIẾT KẾ

Đặc điểm thiết kế cáp Extradosed

d) Sự truyền lực của cáp vào kết cấu

Với nguyên lí tương tự cầu dây văng, việc truyền lực từ bó cáp vào kết cấu thường thông qua đầu mút cáp có gắn đầu neo giống như kết cấu DƯL kéo sau hoặc trong một số trường hợp lực cáp được truyền trực tiếp dọc phần

cong của đoạn cáp tì trên tháp như vẫn thường gọi là “yên ngựa”.

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Trong quá trình xảy ra mưa kết hợp gió sẽ hình thành hai đường nước chảy dọc đỉnh và đáy ống bọc cáp Extradosed tạo nên hiện tượng lắc lư cáp và làm mất đi tính ổn định khí động Cho nên khi nghiên cứu hiện tượng rung do mưa và gió phải đặc biệt quan tâm tới biên độ dao động giới hạn xảy ra ứng

phía trên và dưới ống Một vấn đề khác cũng phải xét tới đó là với những bó cáp có tần số dao động riêng nhỏ hơn 3Hz thì hiện tượng mất ổn định khí động nói trên cũng hay xảy ra

ĐẶC ĐiỂM THIẾT KẾ

f) Hiện tượng rung cáp do gió xoáy quẩn

Các thí nghiệm khí động đã cho thấy khi bó cáp nằm trên hướng gió và tần

số gió xoáy trùng với tần số riêng của bó cáp sẽ xảy ra hiện tượng rung cáp

do gió xoáy quẩn Thông thường ở dạng dao động bậc nhất xảy ra do gió xoáy quẩn tốc độ gió rất thấp, trái lại ở vùng có dạng dao động bậc cao cũng

có thể xảy ra hiện tượng xoáy do gió quẩn nhưng lực rung do gió cực kì nhỏ

Prepaired by Nguyễn Thị Tuyết Trinh

Đây là hiện tượng hay xảy ra khi bố trí hai mặt phẳng dây thượng và hạ lưu song song với nhau Cáp thuộc mặt phẳng bị khuất gió sẽ bị chao đảo do các

bó cáp ở mặt phẳng phía trước choán gió Hiện tượng này chịu ảnh hưởng của cự li phân bố giữa hai mặt phẳng cáp, khi khoảng cách đó bằng 10 đến

20 lần đường kính bó cáp, hiện tượng cáp rung chao đảo dạng elíp xảy ra dữ dội, còn khi khoảng cách đó bằng 2 đến 5 lần đường kính bó cáp, hiện tượng nêu trên không quan sát thấy