BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI NGỌC TÌNH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN
DẦM HỘP BTCT TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT
MẶT PHẲNG DÂY

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2020


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

BÙI NGỌC TÌNH

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN
DẦM HỘP BTCT TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT
MẶT PHẲNG DÂY

Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông
Mã số: 9580205

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. Nguyễn Ngọc Long
2. GS.TS. Nguyễn Viết Trung

HÀ NỘI- 2020


i
LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và
kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả
nào hay ở bất kỳ công trình nào khác.
Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2020
Tác giả

Bùi Ngọc Tình


ii
LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới
sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long và cố GS.TS Nguyễn Viết
Trung. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng
khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình
nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu
nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng
nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin
được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công
trình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn
tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận
án.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại

học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo
điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của
mình.
Cuối cùng là sự biết ơn đến gia đình vì đã liên tục động viên để duy trì nghị
lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía
cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án.
Tác giả


iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.....................................................................................................i
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................................... ii
MỤC LỤC..............................................................................................................iii
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................... vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU..........................................................................xii
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN...................................................................................5
1.1. Tổng quát về quá trình thiết kế các cầu dây văng...........................................5
1.2. Vấn đề neo cáp dây văng với dầm mặt cầu trong cầu dây văng (xem
(Gimsing and Georgakis 2011))........................................................................... 11
1.3. Kết luận chương 1........................................................................................ 18
CHƯƠNG 2. ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA
PHÂN ĐOẠN MẶT CẮT HÌNH HỘP CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG
DÂY CHỊU LỰC CĂNG DÂY............................................................................. 20
2.1. Mô hình được sử dụng trong các cầu hiện nay............................................. 20
2.2. Đề xuất mô hình “nứt theo tổng biên dạng” để phân tích ứng xử của mặt cầu dầm

hộp BTCT chịu lực căng dây trong cầu dây văng một mặt phẳng dây.................23
2.2.1. Tổng quan về các mô hình phân tích ứng xử của bản BTCT chịu lực

kéo, nén ngoài mặt phẳng bản...................................................................... 23
2.2.2. Mô hình nứt theo tổng biến dạng......................................................... 25
2.2.3. Thông số đầu vào của vật liệu bê tông trong mô hình “Nứt theo tổng
biến dạng”.................................................................................................... 28
2.3. Kết luận chương 2........................................................................................ 45
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHÂN
TÍCH “NỨT THEO TỔNG BIẾN DẠNG” CHO BÀI TOÁN BẢN MẶT CẦU
CHỊU LỰC KÉO/NÉN XIÊN NGOÀI MẶT PHẲNG BẢN..............................47
3.1. Mục đích thí nghiệm..................................................................................... 47
3.2. Thiết kế thí nghiệm....................................................................................... 47


iv
3.2.1. Mẫu thí nghiệm.................................................................................. 47
3.2.2. Bố trí điểm đo.................................................................................... 49
3.2.3. Vật liệu bê tông của bản thí nghiệm................................................... 51
3.3. Phân tích - tính toán ứng xử của mẫu thí nghiệm theo mô hình tính toán đề
xuất...................................................................................................................... 52
3.3.1. Mô hình kết cấu................................................................................. 52
3.3.2. Mô hình vật liệu................................................................................. 53
3.3.3. Mô hình vật liệu cốt thép thường....................................................... 54
3.3.4. Mô hình tải trọng............................................................................... 54
3.3.5. Kết quả mô hình phân tích bằng mô hình “nứt theo tổng biến dạng” 56
3.3.6. Chế tạo mẫu thí nghiệm bê tông........................................................ 63
3.3.7. Thiết bị và trình tự thí nghiệm:.......................................................... 64
3.3.8. Quy trình thí nghiệm:......................................................................... 66
3.3.9. Kết quả thí nghiệm nén mẫu bê tông.................................................... 67
3.4. So sánh kết quả thí nghiệm và kết quả mô hình............................................ 71
3.4.1. Kết quả phân tích và kết quả thực đo................................................. 71
3.5. Kết luận chương 3........................................................................................ 77

CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG MÔ HÌNH “TỔNG BIẾN DẠNG NỨT” PHÂN
TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA MẶT CẮT HÌNH HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP
CẦU DÂY MỘT MẶT PHẲNG DÂY ĐIỂN HÌNH VÀ SO SÁNH VỚI
KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC TẾ...................................................................... 78
4.1. Lựa chọn kết cấu phân tích - tính toán.......................................................... 78
4.1.1. Mô hình hóa kết cấu một phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng
một mặt phẳng dây chịu lực......................................................................... 78
4.1.2. Vật liệu sử dụng................................................................................. 79
4.1.3. Mô hình hóa điều kiện biên............................................................... 80
4.1.4. Tải trọng tác dụng.............................................................................. 80
4.2. Kết quả tính toán, phân tích.......................................................................... 82
4.2.1. Trường hợp không tăng cường ống thép tại vị trí ụ neo cáp dây văng
..................................................................................................................... 82


v
4.2.2. Trường hợp tăng cường ống thép tại vị trí ụ neo cáp dây văng..........98
4.3. Kết luận chương 4......................................................................................122
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................123
TÀI LIỆU THAM KHẢO...................................................................................125


vi
DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Cầu Millau - Pháp (nhịp chính dài 342m).................................................. 6
Hình 1-2 Cầu Tsurumi tsubasa - Nhật Bản................................................................ 6
Hình 1-3 Cầu Yiling - Trung Quốc............................................................................ 7
Hình 1-4 Cầu Skyway Sunshine................................................................................ 8
Hình 1-5 Cầu Bãi Cháy - Việt Nam......................................................................... 10

Hình 1-6 Cầu Trần Thị Lý - Việt Nam.................................................................... 10
Hình 1-7 Các loại thanh cứng và mặt cắt dầm

cho phép điều chỉnh hướng của cáp

11
Hình 1-8 Các loại bản liên kết không trực tiểp với cáp văng................................... 11
Hình 1-9 Liên kết giữa bó cáp lớn với bản mặt cầu một hộp................................... 12
Hình 1-10 Liên kết giữa bó cáp đơn và dầm hộp đơn.............................................. 12
Hình 1-11 Liên kết đơn giản giữa bó cáp đơn và dầm với tấm vách.......................13
Hình 1-12 Liên kết néo dầm truyền lực từ bản bụng của dầm cầu đến dây cáp.......14
Hình 1-13 Neo cáp vào dầm trong cầu Maracaibo.................................................. 14
Hình 1-14 Liên kết giữa hộp dầm và các cáp đơn được neo

tại các cạnh của bản

mặt cầu.................................................................................................................... 14
Hình 1-15 Thành phần cáp thẳng đứng xuyên ngang dầm từ các cạnh neo đến giữa
hộp dầm (cầu Tjorn)................................................................................................ 15
Hình 1-16 Neo cáp dây văng hình tam giác bên ngoài

hệ giàn chủ trong cầu

Oresund................................................................................................................... 15
Hình 1-17 Phân bố ứng suất trong bản do lực tập trung ΔN ở khu vực giữa bản cho
bản thép................................................................................................................... 16
Hình 1-18 Sự thay đổi ứng suất dọc trục giả sử rằng phân bố theo 2 cách..............17


vii

Hình 1-19 Lí tưởng hóa sự thay đổi của ứng suất dọc trục trong bản đến 2 lực tập
trung ΔN/2 gần các cạnh dầm................................................................................. 17
Hình 2-1 Mô hình dầm chủ bằng các phần tử tấm, vỏ............................................. 21
Hình 2-2 Biểu đồ bao ứng suất của bản mặt cầu dầm chủ....................................... 21
Hình 2-3 Mô hình nứt bê tông................................................................................. 25
Hình 2-4 Trạng thái ứng suất - biến dạng cho một phân tố bê tông cốt thép...........26
Hình 2-5 Tăng tải - dỡ tải....................................................................................... 30
Hình 2-6 Mô hình nén............................................................................................. 40
Hình 2-7 Đường cong nén Erik Thorenfeldt............................................................ 40
Hình 2-8 Mô hình kéo............................................................................................. 44
Hình 2-9 Ứng xử nứt giòn Brittle............................................................................ 45
Hình 3-1. Góc nghiêng cáp dây văng...................................................................... 48
Hình 3-2. Kích thước mẫu....................................................................................... 48
Hình 3-3. Mẫu thí nghiệm....................................................................................... 49
Hình 3-4. Sơ đồ bố trí điểm đo LVDT dưới đáy dầm.............................................. 49
Hình 3-5. Bố trí điểm đo biến dạng......................................................................... 50
Hình 3-6. Bố trí điểm đo biến dạng trong cốt thép.................................................. 50
Hình 3-7. Mô hình tấm bản bê tông với các góc nghiêng khác nhau.......................52
Hình 3-8. Mô hình cốt thép thường trong bản......................................................... 52
Hình 3-9. Mô hình hình điều kiện biên................................................................... 53
Hình 3-10. Mô hình vật liệu của bê tông................................................................. 54
Hình 3-11. Mô hình thí nghiệm 3 mẫu bê tông........................................................ 55
Hình 3-12. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 0...............56
Hình 3-13. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 1...............56
Hình 3-14. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 2...............57
Hình 3-15. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 3...............57


viii
Hình 3-16. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 4...............58

Hình 3-17. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 5...............58
Hình 3-18. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 6...............59
Hình 3-19. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 7...............59
Hình 3-20. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 8...............60
Hình 3-21. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 9...............60
Hình 3-22. Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 10.............61
Hình 3-23. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng............................................ 62
Hình 3-24. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và ứng suất bê tông...............................62
Hình 3-25. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và ứng suất cốt thép.............................. 63
Hình 3-26. Mẫu ván khuôn để đúc mẫu thí nghiệm................................................ 63
Hình 3-27. Gán lá điện trở để đo ứng suất cốt thép và đổ bê tông mẫu...................64
0

0

0

Hình 3-28. Mẫu thí nghiệm các góc 25 , 45 , 70 ................................................... 64
Hình 3-29. Thiết bị gia tải....................................................................................... 65
Hình 3-30. Thiết lập thí nghiệm.............................................................................. 66
0

Hình 3-31. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng thực đo trên tấm 25 ...........68
0

Hình 3-32. Kết quả chung của 3 mẫu nén tấm góc 25 ........................................... 68
0

Hình 3-33. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng thực đo trên tấm 45 ..........69
0


Hình 3-34. Kết quả chung của 3 mẫu nén tấm góc 45 ...........................................69
0

Hình 3-35. Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng thực đo trên tấm 70 ...........70
0

Hình 3-36. Kết quả chung của 3 mẫu nén tấm góc 70 ...........................................70
Hình 3-37. Vùng phát triển vết nứt trên mẫu thí nghiệm điển hình.........................71
Hình 3-38. Dạng phá hoại dưới tấm bản bê tông..................................................... 71
Hình 3-39. Các vết nứt xuất hiện trên mặt trên bản bê tông.................................... 72
Hình 3-40. Biểu đồ lực - độ võng giữa lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm lần 1 . 73
Hình 3-41. Biểu đồ lực - độ võng giữa lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm lần 2 . 73


ix
Hình 3-42. Biểu đồ lực - độ võng giữa lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm lần 3 . 74

Hình 3-43. Biểu đồ lực - ứng suất trong cốt thép.................................................... 75
Hình 3-44. Biểu đồ lực - ứng suất bê tông............................................................... 75
Hình 4-1 Mô hình đốt dầm hộp............................................................................... 79
Hình 4-2 Mô hình điều kiện biên............................................................................ 80
Hình 4-3 Chi tiết vị trí neo cáp................................................................................ 81
Hình 4-4 Kết quả chuyển vị theo phương Z............................................................ 83
Hình 4-5 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X............................................ 83
Hình 4-6 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y............................................ 84
Hình 4-7 Kết quả ứng suất kéo và nén.................................................................... 84
Hình 4-8 Kết quả nứt............................................................................................... 85
Hình 4-9 Kết quả chuyển vị theo phương Z............................................................ 85
Hình 4-10 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X.......................................... 86

Hình 4-11 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y.......................................... 86
Hình 4-12 Kết quả ứng suất kéo và nén.................................................................. 87
Hình 4-13 Kết quả nứt............................................................................................. 87
Hình 4-14 Kết quả chuyển vị theo phương Z.......................................................... 88
Hình 4-15 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X.......................................... 88
Hình 4-16 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y.......................................... 89
Hình 4-17 Kết quả ứng suất kéo và nén.................................................................. 89
Hình 4-18 Kết quả nứt............................................................................................. 90
Hình 4-19 Kết quả chuyển vị theo phương Z.......................................................... 90
Hình 4-20 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X.......................................... 91
Hình 4-21 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y.......................................... 91
Hình 4-22 Kết quả ứng suất kéo và nén.................................................................. 92
Hình 4-23 Kết quả nứt............................................................................................. 92


x
Hình 4-24 Kết quả chuyển vị theo phương Z.......................................................... 93
Hình 4-25 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X.......................................... 93
Hình 4-26 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y.......................................... 94
Hình 4-27 Kết quả ứng suất kéo và nén.................................................................. 94
Hình 4-28 Kết quả nứt............................................................................................. 95
Hình 4-29 Kết quả chuyển vị theo phương Z.......................................................... 95
Hình 4-30 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X.......................................... 96
Hình 4-31 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y.......................................... 96
Hình 4-32 Kết quả ứng suất kéo và nén.................................................................. 97
Hình 4-33 Kết quả nứt............................................................................................. 97
Hình 4-34 Kết quả chuyển vị theo phương Z.......................................................... 98
Hình 4-35 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X.......................................... 99
Hình 4-36 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y.......................................... 99
Hình 4-37 Kết quả ứng suất kéo............................................................................ 100

Hình 4-38 Kết quả ứng suất kéo và nén................................................................. 100
Hình 4-39 Kết quả nứt........................................................................................... 101
Hình 4-40 Kết quả chuyển vị theo phương Z........................................................ 101
Hình 4-41 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X........................................ 102
Hình 4-42 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y........................................ 102
Hình 4-43 Kết quả ứng suất kéo............................................................................ 103
Hình 4-44 Kết quả ứng suất kéo và nén................................................................. 103
Hình 4-45 Kết quả nứt........................................................................................... 104
Hình 4-46 Kết quả chuyển vị theo phương Z........................................................ 104
Hình 4-47 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X........................................ 105
Hình 4-48 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y........................................ 105
Hình 4-49 Kết quả ứng suất kéo............................................................................ 106


xi
Hình 4-50 Kết quả ứng suất kéo và nén................................................................. 106
Hình 4-51 Kết quả nứt........................................................................................... 107
Hình 4-52 Kết quả chuyển vị theo phương Z........................................................ 107
Hình 4-53 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X........................................ 108
Hình 4-54 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y........................................ 108
Hình 4-55 Kết quả ứng suất kéo............................................................................ 109
Hình 4-56 Kết quả ứng suất kéo và nén................................................................. 109
Hình 4-57 Kết quả nứt........................................................................................... 110
Hình 4-58 Kết quả chuyển vị theo phương Z........................................................ 110
Hình 4-59 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X........................................ 111
Hình 4-60 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y........................................ 111
Hình 4-61 Kết quả ứng suất kéo............................................................................ 112
Hình 4-62 Kết quả ứng suất kéo và nén................................................................. 112
Hình 4-63 Kết quả nứt........................................................................................... 113
Hình 4-64 Kết quả chuyển vị theo phương Z........................................................ 113

Hình 4-65 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X........................................ 114
Hình 4-66 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y........................................ 114
Hình 4-67 Kết quả ứng suất kéo............................................................................ 115
Hình 4-68 Kết quả ứng suất kéo và nén................................................................. 115
Hình 4-69 Kết quả nứt........................................................................................... 116
o

Hình 4-70 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 22 ...................120
o

Hình 4-71 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 45 ...................120
o

Hình 4-72 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 50 ...................121


xii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách các cầu dây văng ở Việt Nam.................................................... 9
Bảng 2.1 Giá trị Gfo tương đương với Dmax............................................................ 29
Bảng 3.1. Góc nghiêng dây..................................................................................... 48
Bảng 3.2. Kích thước chân giá kê............................................................................ 49
Bảng 3.3. Khối lượng thiết bị đo............................................................................. 51
Bảng 3.4. Tải trọng phá hoại bản BTCT theo kết quả PTHH.................................. 55
Bảng 3.5. Cấp tải trọng thí nghiệm.......................................................................... 55
Bảng 3.6. Tóm tắt kết quả trên mô hình phân tích................................................... 61
Bảng 3.7. Bảng kết quả thí nghiệm độ võng............................................................ 67
Bảng 4.1 Thông số kích thước dầm hộp.................................................................. 79
Bảng 4.2 Các cấp tải trọng do cáp dây văng tác dụng vào bát neo..........................82

Bảng 4.3 Các trường hợp góc nghiêng của cáp dây văng với tim cầu.....................82
Bảng 4.4 Bảng tổng hợp kết quả so sánh khi có và không có giải pháp tăng cường
bằng hệ ống thép................................................................................................... 116
Bảng 4.5 Bảng tổng hợp kết quả so sánh khi có và không có giải pháp tăng cường
o

bằng hệ ống thép trường hợp góc nghiêng cáp dây văng là 22 .............................118
Bảng 4.6 Bảng tổng hợp kết quả so sánh khi có và không có giải pháp tăng cường
o

bằng hệ ống thép trường hợp góc nghiêng cáp dây văng là 50 .............................119


1
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Kết cấu nhịp dây văng trên đường bộ bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam từ
năm 1998 với cầu đầu tiên là cầu Mỹ Thuận (hoàn thành năm 2000). Từ đó đến nay,
gần hai mươi cầu dây văng đã được thiết kế, thi công xây dựng.
Thống kê cho thấy các cầu dây văng đã được xây dựng ở Việt Nam phần lớn
sử dụng kết cấu hai mặt phẳng dây và thường sử dụng dạng mặt cắt chữ I, chữ Pi có
vát xiên để đảm bảo ổn định khí động lực học, tăng cường độ cứng theo phương
ngang và do đó đảm bảo được khả năng vượt nhịp lớn hơn.
So sánh với dạng kết cấu cầu dây văng hai mặt phẳng dây, kêt cấu cầu dây
văng một mặt phẳng dây giúp phân tách luồng xe chạy trên cầu do dây văng thường
được bố trí ở chính giữa mặt cắt ngang (vị trí giải phân cách giữa). Cách bố trí này
tạo ra góc nhìn thông thoáng cho cầu khi quan sát từ xa cũng như khi quan sát với tư
cách là một người đi trên cầu, đem lại hiệu quả thẩm mĩ tốt hơn so với kết cấu nhịp
cầu dây văng hai mặt phẳng dây. Tuy nhiên, do mặt phẳng dây được bố trí vào đúng
vị trí giữa dầm cầu nên chủ yếu tham gia chịu tải thẳng đứng mà không hỗ trợ tăng

cường khả năng chống xoắn cho kết cấu nhịp. Trong kết cấu nhịp cầu dạng này,
mômen xoắn do xe chạy lệch tâm và tải trọng gió tác dụng lên cầu chủ yếu do dầm
chủ chịu. Do đó, thiết kế các dầm chủ sử dụng một mặt phẳng dây ở Việt Nam cũng
như trên thế giới có chiều dài vượt nhịp nhỏ hơn dạng kết cấu nhịp sử dụng hai mặt
phẳng dây và thường có dạng mặt cắt hình hộp để tăng cường khả năng ổn định khí
động lực học.
Tính đến nay ở Việt Nam đã có cầu dây văng Bãi Cháy và một nhịp của cầu
vượt Ngã ba Huế là sử dụng dạng mặt cắt hình hộp một mặt phẳng dây. Trong đó,
cầu dây văng Bãi Cháy là cầu dây văng một mặt phẳng dây có chiều dài nhịp chính
lớn nhất thế giới (435m) tại thời điểm hoàn thành năm 2006.
Bên cạnh vẫn đề ổn định khí động lực học, thiết kế cầu dây văng một mặt
phẳng dây do sử dụng mặt cắt hình hộp nên đầu neo dây thường đặt tại vị trí giữa
bản mặt cầu. Dẫn đến việc bản mặt cầu phải chịu lực kéo nhổ lớn trong mặt phẳng


2
vuông góc với bản. Lực kéo nhổ này có giá trị thiết kế bằng lực căng lớn nhất xuất
hiện trong các dây văng trong giai đoạn từ thi công đến khai thác; và thường nằm
trong giới hạn từ 0.4fpy đến 0.6fpy, với fpy là giới hạn kéo chảy của cáp dây văng
(xem [4]).
Lực căng dây tác dụng bản nắp của kết cấu nhịp dầm hộp gây ra hiệu ứng
nén dọc trên kết cấu nhịp (do dây xiên), uốn dọc toàn bộ dầm (hiệu ứng tổng thể),
uốn ngang trên bản mặt cầu và gây ra hiệu ứng kéo cục bộ trên bản mặt cầu (hiệu
ứng cục bộ); tạo ra trạng thái ứng suất - biến dạng rất phực tạp trên bản mặt cầu, đặc
biệt là tại vị trí cục bộ quanh khu vực đầu neo dây văng. Do đó, như sẽ giới thiệu
trong chương 1, các cầu dây văng một mặt phẳng dây trên thế giới khi vượt nhịp lớn
thường có xu hướng dầm hộp thép hoặc thép liên hợp; ví dụ như cầu Rama VIII,
vượt qua sông Chao Phraya ở Bangkok, Thái Lan. Tuy nhiên, bản mặt cầu bằng
thép tuy có khả năng chịu lực lớn và khối lượng nhẹ nhưng do bề dày mỏng nên có
độ cứng chịu lực nhỏ và biến dạng dưới tác dụng của lực căng dây lớn, dẫn đến các

hư hỏng trên lớp phủ mặt cầu và gặp vấn đề về độ bền mỏi.
Sử dụng mặt cắt dầm hộp bằng bê tông về cơ bản giúp giải quyết vấn đề độ
bền mỏi và vấn đề biến dạng lớn khó kiểm soát trên mặt cầu. Tuy nhiên hiện tại
chưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn phân tích đánh giá bản mặt cầu chịu lực kéo cục
bộ (chịu lực bên ngoài mặt phẳng bản bê tông); nhất là khi bản mặt cầu bên cạnh
chịu lực cục bộ còn phải đồng thời chịu các hiệu ứng tổng thể về uốn dọc và uốn
ngang như đã phân tích ở trên. Để xử lý vấn đề hư hỏng cục bộ có thể xảy ra trên
bản mặt cầu bê tông khi chịu lực neo cục bộ, giải pháp đã được sử dụng ở cầu Bãi
Cháy (Việt Nam) là sử dụng các ống thép chịu kéo liên kết trực tiếp với đầu neo để
truyền lực xuống vị trí liên kết giữa sườn dầm và bản đáy. Giải pháp này giúp thay
thế việc phải để bản mặt cầu bê tông chịu lực cục bộ bằng việc truyền lực thông qua
thanh chịu kéo xuống đáy sườn dầm và như vậy sườn dầm thành vách bê tông chịu
nén thay cho bản mặt cầu phải chịu lực cục bộ vuông góc với bản mặt cầu. Đây là
giải pháp về lý thuyết là khả thi về mặt chịu lực, tuy nhiên gây khó khăn lớn cho
công tác thi công; trong khi hiệu quả thực tế là chưa rõ ràng do chưa đề xuất được


3
mô hình tính toán phù hợp để phân tích sự làm việc cục bộ của bản mặt cầu bê tông
chịu lực vuông góp mặt phẳng của bản và bản thân với những vị trí góc nghiêng dây
so với bản mặt cầu nhỏ thì hệ ống thép chịu lực vẫn gần như vuông góc với lực căng
dây - rất khó phát huy hiệu quả chịu lực. Tại cầu Trần Thị Lý, giải pháp tăng cường
cho bản mặt cầu là sử dụng các dầm ngang tại đúng vị trí đặt đầu neo. Giải pháp này
cũng gây khó khăn cho việc chế tạo các ván khuôn đổ bê tông bản mặt cầu. Từ đó
có thể thấy được nhu cầu cần có một mô hình tính toán, phân tích được ứng xử của
phân đoạn dầm hộp, đặc biệt là khu vực bản mặt cầu chịu lực kéo xiên, có khả năng
phân tích được trạng thái ứng suất – biến dạng của dầm hộp, có xét đến bố trí cốt
thép chịu lực cục bộ tại vị trí này và phân tích được độ mở rộng vết nứt ở bê tông
mặt cầu; làm căn cứ cho bài toán phân tích thiết kế, lựa chọn giải pháp mặt cắt
ngang phù hợp với yêu cầu chịu lực đối với cầu dây văng một mặt phẳng dây.

Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Phân tích ứng
xử cơ học của phân đoạn dầm hộp BTCT trong cầu dây văng một mặt phẳng
dây” để góp phần đề xuất mô hình tính toán lý thuyết, có kiểm chứng qua thực
nghiệm để phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng
một mặt phẳng dây. Đồng thời, trên cơ sở phân tích lý thuyết tìm được đánh giá hiệu
quả của các giải pháp tăng cường mặt cắt chịu lực căng dây đã được sử dụng.
Trong đó, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận án
được tóm tắt như sau:
2. Mục tiêu của luận án:
1. Phân tích, lựa chọn mô hình toán học phân tích ứng xử cục bộ của bản mặt
cầu chịu lực kéo xiên ngoài mặt phẳng của bản;
2. Nghiên cứu thí nghiệm để khẳng định khả năng áp dụng của mô hình toán
học đề xuất; và xác định hiệu quả của giải pháp thiết kế đề xuất;
3. Ứng dụng mô hình đề xuất để phân tích, đánh giá ứng xử cơ học của phân
đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây.


4
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:
1. Về kết cấu: Phân đoạn kết cấu dầm hộp chịu lực kéo tại vị trí giữa hộp
trong cầu dây văng một mặt phẳng dây.
2. Về vật liệu: Giới hạn nghiên cứu cho dầm hộp bằng bê tông cốt thép, bê
tông cốt thép dự ứng lực. Trong vật liệu bê tông, xét đến giai đoạn vật liệu bê tông
làm việc ngoài miền đàn hồi.
3. Về tải trọng: Giới hạn tải trọng nghiên cứu là bài toán tải trọng đặt tĩnh.
4. Cấu trúc của luận án: Luận án được cấu trúc thành năm phần bao gồm:
- Phần Mở đầu
- Chương 1: Tổng quan
- Chương 2: Nghiên cứu đề xuất mô hình toán học phân tích trạng thái ứng
suất - biến dạng của phân đoạn kết cấu nhịp dầm hộp BTCT của cầu dây văng một

mặt phẳng dây chịu lực căng dây.
- Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm áp dụng mô hình phân tích “nứt theo
tổng biên dạng” cho bài toán bản mặt cầu chịu lực kéo/nén xiên ngoài mặt phẳng
bản
- Chương 4: Ứng dụng mô hình “nứt theo tổng biến dạng” phân tích ứng xử
cơ học của mặt cắt hình hộp BTCT cầu dây văng một mặt phẳng dây điển hình
- Kết luận - Kiến nghị
Ngoài ra là các phần Tài liệu tham khảo và danh mục công bố của Tác giả.
5. Những đóng góp mới của luận án
-

-

Đã xây dựng được mô hình phi tuyến tổng biến dạng nứt để phân tích kết cấu
phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng một mặt phẳng dây.
Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy của mô
hình phân tích số (với lý thuyết về vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn
phân tích kết cấu).
Đã phân tích được ứng xử cơ học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép của
cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực tập trung đầu neo, cho phép đánh
giá vai trò, hiệu quả của các giải pháp xử lý kết cấu.


5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quát về quá
trình thiết kế các cầu dây văng
Cầu dây văng đã được biết đến từ thế kỷ 16 và được sử dụng rộng rãi từ thế
kỉ 19. Những cây cầu đầu tiên thường được thiết kế kết hợp giữa hệ thống dây văng
và hệ thống dây treo chịu lực (ví dụ như cầu Brooklyn).
Bắt đầu từ thế kỷ 20, các thiết kế cầu dây văng độc lập bắt đầu xuất hiện; ví

dụ sớm nhất là cầu Cassagnes do A. Gisclard thiết kế năm 1899, trong đó bố trí cáp
nối ngang để giúp cân bẳng lực căng trong dây văng, giúp giảm đáng kể lực nén
trong bản mặt cầu. Tiếp đó là các cầu G. Leinekugel le Coq tại Lézardrieux ở
Brittany (1924), cầu Tempul do Eduardo Torroja thiết kế năm 1926. Cầu dây văng
với bản mặt cầu bằng bê tông của Albert Caquot năm 1952 bắc qua kênh DonzèreMondragon tại Pierrelatte là một trong những cầu đầu tiên của loại cầu hiện đại,
nhưng có rất ít ảnh hưởng đến sự phát triển sau này. Trong khi, cầu thường được
trích dẫn như cầu dây văng hiện đại đầu tiên là cầu Stromsund với bản mặt cầu bằng
thép thiết kế bởi Franz Dischinger (1955).
Những cầu dây vặng hiện đại đầu tiên thường sử dụng ít dây văng (ví dụ như
cầu Heuss Theodor xây dựng năm 1958). Tuy nhiên, việc này thường làm tăng chi
phí thi công. Do đó, kết cấu hiện đại có xu hướng sử dụng nhiều cáp để đảm bảo
hiệu quả kinh tế [33].
Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đã ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn
mặt phẳng dây. Tuy nhiên thiết kế ba mặt phẳng dây do nhược điểm là rất khó kiểm
soát sự phân phối chịu lực giữa các mặt phẳng dây nên hiện nay hầu như không còn
được sử dụng. Được sử dụng nhiều nhất là hệ thống cầu hai mặt phẳng dây, tuy nhiên
có nhược điểm là thường tạo ra cảm giác không thoáng về mặt mỹ quan và trong nhiều
trường hợp cũng gây khó khăn cho việc bố trí, tổ chức giao thông trên mặt cầu.

Cầu dây văng một mặt phẳng dây có ưu điểm về mặt mỹ thuật cầu thông
thoáng và kích thước móng không cần lớn. Tuy nhiên đối với loại cầu này, vấn đề
lớn nhất xảy ra là do chỉ có một mặt phẳng dây ở chính giữa nên không giúp hỗ trợ
chịu xoắn và vấn đề dao động cho kết cấu dầm chủ [18], [26]. Do đó, cầu dây văng


6
một mặt phẳng dây hiện đang có khẩu độ vượt nhịp kinh tế nhỏ hơn so với các cầu
dây văng hai mặt phẳng dây.
Để khắc phục và tăng cường khả năng chịu xoắn và ổn định khí động lực học
trong cầu dây văng một mặt phẳng dây, thiết kế hợp lý cho dầm mặt cầu là dạng mặt

cắt hình hộp bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép.
Các cầu dầm hộp thép
Một trong các cầu dây văng một mặt phẳng dây có dầm mặt cầu dạng hộp
thép nổi tiếng nhất là cầu Millau (CH Pháp) có sơ đồ nhịp chính
204m+6x342m+204m, tổng chiều dài cầu cả phần nhịp dẫn là 2460m [34];

Hình 1-1 Cầu Millau - Pháp (nhịp chính dài 342m)
Cầu Tsurumi tsubasa là cây cầu dây văng nằm ở phía tây của Yokohama Bay và
là một phần của tuyến đường cao tốc trên cảng Yokohama, tỉnh Kanagawa Nhật
Bản. Cây cầu có nhịp chính 510m (1.670ft) và hai nhịp bên của 255m (837ft) [40].

Hình 1-2 Cầu Tsurumi tsubasa - Nhật Bản


7
Cầu Rama VIII là cầu dây văng bắc qua sông Chao Phraya ở Bangkok, Thái
Lan. Cầu được hình thành để giảm bớt tắc nghẽn giao thông trên cầu Phra Pinklao
gần đó. Cầu được xây dựng từ năm 1999 và khánh thành vào ngày 07 tháng 5 năm
2002, là ngày kỷ niệm sinh của đức vua Ananda Mahidol (Rama VIII). Cầu có thiết
kế không đối xứng, với một trụ tháp dạng Y ngược nằm trên bờ phía Tây của sông.
Cầu sử dụng 84 dây văng được bố trí theo thành 2 mặt phẳng ở nhịp biên ngắn và
thành một măt phẳng dây trên nhịp còn lại. Cây cầu có nhịp chính dài 300m và là
một trong những cây cầu dây văng không đối xứng có nhịp lớn nhất thế giới tại thời
điểm hoàn thành [28].
Các cầu dây văng một mặt phẳng dây dầm hộp bê tông
Với tổng chiều dài 3246m, Cầu Yiling qua sông Dương Tử là cầu có một trong
ba trụ tháp một mặt phẳng dây với dầm hộp cứng bằng bê tông cốt thép với nhịp
chính dài 238m. Các dầm chính được đúc sẵn và lắp hẫng cân bằng. Cầu đã được
trao giải thưởng Luban cho dự án xây dựng Trung Quốc và giải Zhantianyou cho dự
án dân sự Trung Quốc. Cây cầu được bắt đầu xây dựng vào tháng 1 năm 1991 và

hoàn thành vào tháng 12 năm 2001 [37].

Hình 1-3 Cầu Yiling - Trung Quốc
Cầu Skyway Sunshine là cầu dây văng một mặt phẳng gồm 21 dây văng. Dây
văng sử dụng loại bó sợi song song PWS (mối bó từ 38 đến 80 sợi) và được đặt
trong ống thép có đường kính 0.2286m (9in). Bề rộng cầu là 28.65m bằng dầm hộp
đúc sẵn. Nhịp chính dài 365.76m.


8

Hình 1-4 Cầu Skyway Sunshine
Cầu dây văng một mặt phẳng dây Bãi Cháy ở Việt Nam (xây dựng năm 2005)
có chiều dài nhịp chính đến 435m vẫn là cầu dây văng một mặt phẳng dây sử dụng
mặt cắt hình hộp bê tông dài nhất thế giới.
So sánh dầm hộp thép và dầm hộp bê tông
Thống kê các cầu một mặt phẳng dây trên thế giới cho thấy khả năng vượt
nhịp của dầm hộp thép và dầm hộp bằng bê tông là tương đương nhau. Đối với cầu
dầm bằng thép, do khối lượng của dầm chủ nhỏ và bề dày bản mỏng nên khi chiều
dài nhịp lớn dầm cầu thường xuyên bị rung lắc gây hư hỏng phủ mặt Asphalt mặt
cầu (ví dụ như đã xảy ra ở cầu Rama VIII với kết cấu nhịp dầm bằng thép có nhịp
chính 450m) [28]. Đối với cầu dầm bằng bê tông, việc sử dụng mặt cắt hình hộp
nhưng dây neo ở vị trí giữa hộp tạo ra một bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép vừa
chịu nén trong phương của bản vừa chịu lực kéo (nén) ngoài phương mặt phẳng bản
[18] và [7]. Đây là một trạng thái chịu lực phức tạp, và sẽ là chủ đề nghiên cứu
chính của luận án này.
Các cầu dây văng ở Việt Nam
Tính đến nay (2019), ở Việt Nam đã hoàn thành gần hai mươi cầu dây văng,
và một số cầu dây trên đường bộ đang được tiến hành xây dựng (xem Bảng 1).



9
Bảng 1.1 Danh sách các cầu dây văng ở Việt Nam
T
T

Tên

Chiều dài nhịp

Vật liệu

Mặt

chính (m)

chính

cắt

Số mặt

Năm

phẳng

hoàn

dây


thành

1

Mỹ Thuận

250+350+250

Bê tông

chữ Π

2

2000

2

Sông Hàn

122.7

Thép

Chữ I

2

2000


3

Kiền

85+200+85

Bê tông

chữ Π

2

2003

4

Bính

100+260+100

Thép

Dầm I

2

2005

5


Bãi Cháy

435

Bê tông

Hộp

1

2006

6

Cầu Rạch Miễu

117+150+117

Bê tông

Chữ Π

2

2009

7

Cầu Phú Mỹ


380

Bê tông

Chữ Π

2

2009

8

Cần Thơ

150+550+150

Hỗn hợp

Hộp

2

2010

9

Rào 2

2×120


Thép

Dầm I

2

2012

10

Trần Thị Lý

230

Bê tông

Hộp

1

2013

11

Nhật Tân

Thép

Dầm I


2

2015

12

Ngã Ba Huế

180

Bê tông

chữ Π

2

2015

13

Nhật Lệ 2

2×150

14

Cao Lãnh

350


Thép

Dầm I

2

2018

15

Cầu Bạch Đằng

110+2×240+110

Bê tông

chữ Π

2

2018

16

Vàm Cống

Thép

Dầm I


2

2019

17

Bình Khánh

Bê tông

Hộp

2

18

Phước Khánh

Bê tông

Hộp

2

19

Thủ Thiêm 2

Thép


I

2

148.5+4 ×
300+148.5

450
187.25 + 375 +
187.25
149,5 + 300
+ 149,5
200

chữ Π

đang xây
dựng
đang xây
dựng
đang xây
dựng

Trong các cầu này, có hai cầu sử dụng thiết kế một mặt phẳng dây là cầu Bãi
Cháy và cầu Trần Thị Lý.


10
Cầu Bãi Cháy điểm đầu dự án xây dựng là km113+400 thuộc quốc lộ 18 và
kết thúc tại Ngã ba Lê Lợi - Thành phố Hạ Long: Chiều dài: 903 m; chiều rộng:

25.3 m (4 làn xe cơ giới và 2 làn xe thô sơ); số nhịp: 5 nhịp, nhịp chính dài 435 m;
tĩnh không thông thuyền: 50 m; tải trọng: loại A theo tiêu chuẩn Nhật Bản [1].

Hình 1-5 Cầu Bãi Cháy - Việt Nam
Cầu Trần Thị Lý có nhịp liên tục với tổng chiều dài khoảng 731m từ mố S1
đến mố S13. Các nhịp cầu được bố trí như sau: 4 nhịp đầu của cầu chính từ mố S1
phía Tây đến Trụ S5 (50m mỗi nhịp) với tổng chiều dài là 200m, nhịp chính (nhịp
dây văng) từ trụ S5 đến S6 với tổng chiều dài là 230m.

Hình 1-6 Cầu Trần Thị Lý - Việt Nam


11
1.2. Vấn đề neo cáp dây văng với dầm mặt cầu trong cầu dây văng
Trong thiết kế cầu dây văng, việc thiết kế đường truyền lực từ cáp văng vào
bản mặt cầu là rất quan trọng [33].
Hình 1-7 (a đến d) giới thiệu các giải pháp liên kết trực tiếp dây văng vào dầm
chủ trong trường hợp cầu 2 mặt phẳng dây. Tại những vị trí neo cáp này, người thiết kế
sẽ bổ sung vách ngang, ống thép hoặc khung liên kết để tăng cường độ cứng ngang của
mặt cắt; đảm bảo quá trình truyền lực từ các dây cáp đến các bộ phận chính của dầm.

Hình 1-7 Các loại thanh cứng và mặt cắt dầm
cho phép điều chỉnh hướng của cáp
Cũng có thể không liên kết trực tiếp cáp văng vào dầm chủ mà liên kết vào
một kết cấu phụ khác, trước khi kết cấu phụ này truyền lực vào dầm chính ( xem
Hình 1-8 (e), (f) và (g)). Khi đó, cáp văng sẽ chỉ tiếp xúc với các yếu tố kết cấu thứ
cấp như các dầm ngang hoặc dầm cạnh trước khi lực được truyền từ dầm ngang,
dầm cạnh biên vào dầm chính.

Hình 1-8 Các loại bản liên kết không trực tiểp với cáp văng