ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------ϥ-------------

TRẦN CƯỜNG BÁ ĐIỀN

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG TRONG CẦU VÒM MẠNG LƯỚI
Chuyên ngành : xây dựng cầu hầm

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2008


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN .............................
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. VŨ XUÂN HÒA ............................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. BÙI ĐỨC TÂN ..............................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày . . . . . tháng . . . . năm 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2008

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: TRẦN CƯỜNG BÁ ĐIỀN

Giới tính : Nam

Ngày, tháng, năm sinh : 30-05-1981

Nơi sinh : Hậu Giang

Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm

MSHV : 03806714

Khoá (Năm trúng tuyển) : 2006
1- TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
TRONG CẦU VÒM MẠNG LƯỚI
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
Nghiên cứu các thông số cơ bản của kết cấu ống thép nhồi bê tơng, kết cấu cầu
vịm mạng lưới. Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tơng trong cầu
vịm mạng lưới.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-02-2008
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 30-06-2008
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN


TS. PHÙNG MẠNH TIẾN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

TS. LÊ BÁ KHÁNH

Nội dung và đề cương luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng chuyên ngành thông qua.
Ngày ..….. tháng ….… năm 2008
TRƯỞNG PHÒNG ĐT - SĐH

TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH


LỜI CÁM ƠN
Xin trân trọng gởi lời cám ơn đến tất cả quý thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp;
những người đã khuyến khích, hỗ trợ, động viên và tạo điều kiện cho tôi trong
suốt thời gian qua, để ngày hôm nay tôi có thể hoàn thành chương trình học.
Bằng tất cả tấm lòng, xin gởi đến bố mẹ lòng biết ơn và những tình cảm
chân thành nhất.
Xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại Học Bách Khoa, Bộ Môn
Cầu Đường – Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng đã truyền đạt cho tôi nhiều kiến thức
bổ ích và kinh nghiệm quý báu trong suốt quá trình học tập tại trường.
Xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Tiến só Phùng Mạnh Tiến, người đã tận
tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình làm luận văn.
Xin chân thành cám ơn!


ABSTRACT


Bridge structures existing in Vietnam are very plentiful, from
conventional structures such as simple bridge, trusses, arch bridge, continuous
beam bridge… to modern structures like cable-stayed bridge, suspension bridge…
when building a bridge, beside loading capacity aspect, people have to consider
the aesthetic point of view.
The concrete filled steel tubular and the network arch bridge are new
structures with several advantages like good loading capacity, saving of cost and
aestheticism.
The thesis “Applied research of concrete filled steel tubular for the
network arch bridge” study on taking full advantage of the concrete filled steel
tubular and the network arch bridge, to find the structure is not only having good
loading capacity, but also getting a great efficient in economy.
The Master Thesis includes 4 Chapters :
Chapter 1: General introduction
Chapter 2: The theory of calculation
Chapter 3: Applied research of concrete filled steel tubular for the
network arch bridge
Chapter 4: Conclusion, recommendation and next researching plan


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Kết cấu cầu hiện hữu ở Việt Nam rất đa dạng, từ kết cấu nhịp giản đơn,
cầu dàn, cầu vòm, cầu nhịp liên tục… cho đến các kết cấu hiện đại như cầu treo
dây văng, cầu treo dây võng… Bên cạnh vấn đề về khả năng chịu lực của kết cấu,
độ thanh mảnh của cầu rất quan trọng nếu xét trên quan điểm kiến trúc.
Kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu cầu vòm mạng lưới thuộc dạng
kết cấu mới có nhiều ưu điểm về khả năng chịu lực, kinh tế và thẩm mỹ.
Đề tài “Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong cầu vòm

mạng lưới” mong muốn tận dụng được các ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê
tông cũng như kết cấu cầu vòm mạng lưới, nhằm tìm được giải pháp kết cấu
không những đạt yêu cầu về khả năng chịu lực mà còn kinh tế.
Luận văn gồm 4 chương :
Chương 1: Giới thiệu tổng quan
Chương 2: Lý thuyết tính toán
Chương 3: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong cầu
vòm mạng lưới
Chương 4: Kết luận và kiến nghị, hướng nghiên cứu tiếp của đề tài


-1 -

MỤC LỤC
CHƯƠNG MỞ ĐẦU .............................................................................................. 3
TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .......................................... 3
CỦA ĐỀ TÀI ......................................................................................................... 3
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................................ 3
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI................................................................... 4
3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................................................. 4
4. HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI ............................................................................................. 5
CHƯƠNG 1 ............................................................................................................ 6
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ................................................................................. 6
1.1. KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG ................................................................. 6
1.1.1. Định nghóa .............................................................................................................. 6
1.1.2. Phân tích ưu khuyết điểm ....................................................................................... 7
1.1.3. Vật liệu................................................................................................................... 9
1.1.4. Cấu tạo ................................................................................................................. 10
1.1.5. Ứng dụng trong thực tiễn ...................................................................................... 12
1.2. KẾT CẤU CẦU VÒM MẠNG LƯỚI ..................................................................... 16

1.2.1. Định nghóa ............................................................................................................ 16
1.2.2. Phân tích ưu khuyết điểm ..................................................................................... 17
1.2.3. Vật liệu................................................................................................................. 21
1.2.4. Cấu tạo ................................................................................................................. 22
1.2.5. Một số cầu vòm mạng lưới trên thế giới............................................................... 31
CHƯƠNG 2 .......................................................................................................... 34
LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN................................................................................. 34
2.1. TÍNH TOÁN KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG ......................................... 34
2.1.1. Khái quát .............................................................................................................. 34
2.1.2. Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn thiết kế
cầu – 22TCN 272-05...................................................................................................... 34
2.1.3. Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn Trung
Quốc - Hội tiêu chuẩn Trung Quoác CECS 28-90 ........................................................... 36


-2 2.1.4. Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tài liệu của Nga........ 39
2.2. TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU VÒM MẠNG LƯỚI ............................................... 42
2.2.1. Giới thiệu chung các phương pháp tính toán nội lực ............................................ 42
2.2.2. Phương pháp phần tử hữu hạn .............................................................................. 43
2.2.3. Một số phần mềm tính toán .................................................................................. 49
CHƯƠNG 3 .......................................................................................................... 51
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG KẾT CẤU ỐNG THÉP ...................................... 51
NHỒI BÊ TÔNG TRONG CẦU VÒM MẠNG LƯỚI....................................... 51
3.1. CÁC TRƯỜNG HP NGHIÊN CỨU ..................................................................... 51
3.1.1. Bố trí chung .......................................................................................................... 51
3.1.2. Các kết cấu chính ................................................................................................ 52
3.1.3. Tải trọng và các tổ hợp tải trọng .......................................................................... 53
3.2. GIỚI THIỆU MÔ HÌNH TÍNH TOÁN.................................................................... 56
3.2.1. Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=100m .................................. 56
3.2.2. Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=150m .................................. 58

3.2.3. Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=200m .................................. 60
3.3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG............................................ 62
3.3.1. Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=100m .................................. 62
3.3.2. Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=150m .................................. 73
3.3.3. Mô hình tính toán cho trường hợp chiều dài nhịp L=200m .................................. 84
3.3.4. Tổng hợp kết quả cho các trường hợp nghiên cứu ................................................ 95
CHƯƠNG 4 .........................................................................................................103
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................103
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP CỦA ĐỀ TÀI ..................................................103
4.1. KẾT LUẬN ........................................................................................................... 103
4.2. KIẾN NGHỊ........................................................................................................... 104
4.3. HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP .............................................................................. 105


-3 -

CHƯƠNG MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT VÀ MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
CỦA ĐỀ TÀI
1. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Lịch sử phát triển của ngành xây dựng cầu trên thế giới đã trải qua nhiều
giai đoạn. Bắt đầu từ việc chặt những cành cây bắc qua các sông rạch nhỏ phục
vụ nhu cầu đi lại, cho đến ngày nay đã có những chiếc cầu đi vào lịch sử với
chiều dài nhịp lên đến 2 km với một kết cấu rất thanh mảnh.
Kết cấu cầu hiện hữu ở Việt Nam rất đa dạng, từ kết cấu nhịp giản đơn,
cầu dàn, cầu vòm, cầu nhịp liên tục… cho đến các kết cấu hiện đại như cầu treo
dây văng, cầu treo dây võng…. Vật liệu từ gỗ, đá, BTCT, thép đến bê tông cường
độ cao và thép cường độ cao. Bên cạnh vấn đề về khả năng chịu lực của kết cấu,
độ thanh mảnh của cầu rất quan trọng nếu xét trên quan điểm kiến trúc.
Với nhiệm vụ đáp ứng ngày càng cao nhu cầu của giao thông vận tải,

nhiều đề tài đã nghiên cứu các vật liệu mới và kết cấu mới nhằm xây dựng được
những công trình không những đạt yêu cầu kỹ thuật mà còn hiệu quả về kinh tế
và mỹ thuật. Kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu cầu vòm mạng lưới thuộc
dạng kết cấu mới.
Kết cấu ống thép nhồi bê tông có nhiều ưu điểm như: giảm giá thành được
2 – 3 lần so với kết cấu bê tông cốt thép. So với kết cấu thép, giá thành hạ đến
khoảng 40%, giảm lượng thép tiêu hao được 2 – 3 lần. Lõi bê tông trong ống làm
tăng cường độ của kết cấu chịu nén gấp 1.5 – 2 lần, lượng thép để làm ống cũng
chỉ bằng trọng lượng cốt thép trong kết cấu bê tông cốt thép. Viêïc nhồi bêtông
vào ống thép đã nâng cao được độ bền chống ăn mòn, chống rỉ mặt trong, không


-4 cần phải sơn mạ mặt trong của ống thép; làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm
tăng độ ổn định cục bộ của thành ống.
Kết cấu cầu vòm mạng lưới có khả năng chịu lực tốt hơn nhiều so với một
số dạng kết cấu khác có cùng khẩu độ nhịp. Đặc biệt độ thanh mảnh của kết cấu
giúp cho cầu vòm mạng lưới vượt trội hơn so với những cầu khác về mặt kinh tế
và thẩm mỹ.
Do đó, nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong cầu vòm
mạng lưới cần phải được quan tâm nhằm mục đích đa dạng hóa kết cấu công
trình cầu, phát huy được các ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bê tông cũng như
kết cấu cầu vòm mạng lưới, tìm được giải pháp kết cấu không những đạt yêu cầu
về khả năng chịu lực mà còn kinh tế.
2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Nội dung luận văn tập trung giải quyết hai mục tiêu chính sau:
-

Phân tích các thông số kỹ thuật cơ bản và các ưu điểm của kết cấu
ống thép nhồi bê tông, kết cấu cầu vòm mạng lưới.


-

Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong cầu vòm
mạng lưới.

3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Nội dung nghiên cứu của luận văn được giải quyết thông qua một số
phương pháp nghiên cứu chính sau:
-

Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến
kết cấu ống thép nhồi bê tông và cầu vòm mạng lưới.

-

Phân tích lý thuyết tính toán kết cấu ống thép nhồi bê tông và cầu
vòm mạng lưới, đặc biệt nghiên cứu sâu về phương pháp phần tử
hữu haïn.


-5 -

-

Lựa chọn một số trường hợp nghiên cứu, tiến hành xây dựng mô
hình kết cấu các trường hợp nghiên cứu, tính toán phân tích các mô
hình theo phương pháp phần tử hữu hạn nhờ phần mềm Midas/Civil.

-


Tổng hợp, phân tích, so sánh kết quả nội lực và biến dạng trong các
trường hợp nghiên cứu dưới dạng biểu đồ và đồ thị.

4. HẠN CHẾ CỦA ĐỀ TÀI
Trong phạm vi của luận văn thạc só, đề tài chưa thực hiện kiểm toán khả
năng chịu tải của tiết diện, không nghiên cứu về bài toán ổn định và bài toán
động lực học công trình cũng như công nghệ và trình tự thi coâng.


-6 -

CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU TỔNG QUAN
Kết cấu ống thép nhồi bê tông và kết cấu cầu vòm mạng lưới đã được ứng
dụng nhiều trên thế giới. Phần giới thiệu tổng quan nhằm mục đích trình bày
những khái niệm, định nghóa, ưu khuyết điểm, ứng dụng trong thực tế, chi tiết cấu
tạo ống thép nhồi bê tông và kết cấu cầu vòm mạng lưới, nhằm mục đích làm rõ
hơn về phương diện cấu tạo giúp xác định được kích thước của các hạng mục kết
cấu chính phục vụ cho đề tài nghiên cứu.
1.1. KẾT CẤU ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
1.1.1. Định nghóa
Ống thép nhồi bê tông là dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê
tông cùng làm việc. Thông thường dùng ống tròn, nhưng các ống vuông cũng có
thể được áp dụng. Kết cấu như vậy có những ưu điểm về độ cứng, cường độ, khả
năng chống biến dạng và khả năng chống cháy. Nói chung, loại kết cấu này có
thể nghiên cứu áp dụng cho rất nhiều loại công trình xây dựng nhà, xưởng và các
công trình cầu đường. Một số dạng mặt cắt ống thép nhồi bê tông cơ bản được thể
hiện trên hình 1.1.

Hình 1.1 - Một số dạng mặt cắt ống thép nhồi bê toâng



-7 1.1.2. Phân tích ưu khuyết điểm
Kết cấu ống thép nhồi bê tông có nhiều ưu điểm như cường độ cao, tính
mềm dẻo, khả năng chịu nhiệt lớn, giảm thời gian xây dựng, tăng độ an toàn và
sử dụng các kiểu liên kết đơn giản được tiêu chuẩn hóa.
Khi so sánh với kết cấu thép, bê tông cốt thép… kết cấu ống thép nhồi bê
tông có nhiều ưu điểm cụ thể như sau:
ü So sánh với kết cấu bêtông cốt thép có bề mặt tiếp xúc với môi trường
bên ngoài [9]:
- Độ bền của lõi bê tông có lớp vỏ thép làm áo bọc chặt tăng lên
khoảng 2 lần so với lõi bê tông thông thường.
- Bê tông trong ống thép không bị co ngót mà xảy ra sự trương nở vì
không có sự trao đổi độ ẩm giữa bêtông với môi trường bên ngoài.
Sự trương nở của bê tông được duy trì trong nhiều năm nên tạo điều
kiện thuận lợi cho sự làm việc của bê tông.
- Sự cách li của bê tông với môi trường xung quanh tạo ra những điều
kiện tốt hơn cho sự làm việc của bê tông chịu tải trọng. Trong bê
tông không bị cách li, các vết nứt rất nhỏ ngày càng nhiều, còn trong
bê tông bị cách li khi chịu cùng một ứng suất như bê tông không
được cách li thì hoàn toàn không nứt thêm nữa sau 2-3 ngày tuổi.
- Trong mẫu bê tông không bị cách li, tính phi tuyến của biến dạng từ
biến có thể quan sát được trong 20-30 ngày, còn trong bê tông được
cách li tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày
tuổi khi chúng chịu ứng suất như nhau.
- Ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn bêtông cốt thép vì không cần ván
khuôn khi thi công, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn.


-8 - Kết cấu ống thép nhồi bê tông có sức chịu tải tốt hơn, ít bị hư hỏng

do va đập.
- Giảm khối lượng thép so với kết cấu BTCT thường có cùng khả
năng chịu tải.
- Khối lượng của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn so với kết cấu
bê tông cốt thép do đó việc vận chuyển và lắp ráp dễ dàng hơn.
- Khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu BTCT thường, nhờ
vào tính dẻo của kết cấu và khả năng giảm trọng lượng bản thân.
- Kết cấu ống thép nhồi bê tông không có cốt thép dọc và cốt thép đai
do đó tiết kiệm được thời gian thi công và quá trình đầm nén bê tông
cũng dễ dàng.
ü So sánh với kết cấu thép dạng ống rỗng [9]:
- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép, nhờ vào lõi bê tông.
- Độ bền chống ăn mòn và chống rỉ của mặt trong ống thép cao hơn.
- Giảm độ mảnh của cấu kiện.
- Tăng độ ổn định cục bộ của thành ống, làm tăng sức chống móp của
vỏ ở các chỗ nối khi bị va đập trong quá trình vận chuyển và lắp ráp.
ü So sánh với kết cấu thép hình có mặt cắt hở [9]:
- Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí
sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn.
- Độ bền chống gỉ cao hơn. Khi sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông
không cần phải sơn phủ, mạ kim loại hoặc bít kín mặt trong của ống.
- Các thanh tiết diện tròn có tính ổn định đều khi chiều dài tính toán
như nhau.
- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió nhờ cải thiện được các tính
chất khí động học.


-9 - Tăng độ cứng chống xoắn.
Trở ngại lớn đối với việc sử dụng phổ biến kết cấu ống thép nhồi bê tông
là sự hiểu biết hạn chế về sự làm việc của loại kết cấu này. Khác với ống thép

thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén. Khi chịu kéo
khả năng chịu lực của nó nhỏ hơn nhiều. Về mặt này kết cấu ống thép nhồi bê
tông tương tự kết cấu bê tông cốt thép. Do đó trong một hệ thống kết cấu chịu lực
nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông chỉ cho các cấu kiện chịu nén. Về
nguyên tắc không nên dùng kết cấu ống thép nhồi bê tông làm cấu kiện chịu kéo.
Tuy nhiên trong một số trường hợp cũng có thể dùng ống thép nhồi bê tông làm
cấu kiện chịu kéo vì các lý do đặc biệt như: để chống gỉ cho bề mặt trong ống, để
tăng độ cứng chống uốn hay tăng trọng lượng bản thân. Cơ chế phá hoại kết cấu
phụ thuộc đáng kể vào hình dạng, chiều dài, đường kính, bề dày ống thép, cường
độ bê tông và thép. Các thông số như: độ dính bám, sự cài xen lẫn nhau ở mặt
phân cách, ma sát, ứng suất dư, từ biến, co ngót và các dạng tải trọng cũng ảnh
hưởng đến sự làm việc của ống thép nhồi bê tông.
1.1.3. Vật liệu
Nói chung yêu cầu về vật liệu cho kết cấu ống thép nhồi bê tông cũng rất
phổ thông và phù hợp với điều kiện Việt Nam. Các yêu cầu cụ thể đối với ống
thép và bê tông nhồi trong ống thép như sau:
Đối với ống thép: vật liệu thép có thể là thép cacbon hoặc thép hợp kim
trong xây dựng, thông thường sử dụng thép có giới hạn chảy fy= 225 ¸ 450 MPa.
Thép chế tạo ống phải phẳng, không bị rỉ sét hay đã bị va đập mạnh đồng thời
phải có giấy xuất xưởng hoặc báo cáo thí nghiệm các thông số và chỉ tiêu kỹ
thuật theo yêu cầu. Ống thép được chế tạo phải tuân thủ qui phạm thi công và
nghiệm thu kết cấu thép. Thành trong của ống không được dính dầu mỡ để đảm
bảo lõi bê tông liên kết chặt với ống thép.[11]


-10 Đối với bê tông nhồi trong ống thép: nhiều tài liệu khuyên dùng bêtông
có cường độ nén tiêu chuẩn 28 ngày đạt f’c ³ 30 MPa. Trong các công trình chịu
tải trọng lớn nên dùng bêtông có f’c=40, 50, 60, 70 MPa. Trong điều kiện Việt
Nam hiện nay việc sản xuất bêtông thương phẩm có f’c= 30, 40 MPa thậm chí tới
50 MPa là điều có thể thực hiện được [11]. Nói chung để chọn cấp bê tông làm

lõi bê tông trong kết cấu ống thép nhồi bê tông thì cần tuân theo giá trị nên trong
hợp đồng của dự án cụ thể và cần có thí nghiệm kiểm chứng cụ thể cho mỗi công
trình. Ngoài yêu cầu về cường độ chịu nén, bê tông trong ống thép cần đạt được
các yêu cầu về độ sụt, thành phần cấp phối hạt, tỷ lệ nước trên xi măng… phù hợp
với các phương pháp nhồi bê tông vào trong ống thép.
1.1.4. Cấu tạo
Kết cấu ống thép nhồi bê tông thường được áp dụng cho các cấu kiện chịu
lực nén rất lớn, yêu cầu cường độ cao. Cấu tạo kết cấu ống thép nhồi bê tông
trong cầu vòm và trong các công trình khác như sau:
Cấu tạo trong cầu vòm: kết cấu ống thép nhồi bê tông thường được cấu
tạo làm sườn vòm. Tuỳ theo cường độ tải trọng tác dụng, sườn vòm có cấu tạo từ
một ống thép hay nhiều ống thép tròn liên kết với nhau thông qua bản thép tăng
cường. Các ống thép thường dùng có đường kính ngoài từ 30-120cm, chiều dày
thành ống từ 5-20mm. Ống thép được chế tạo từ thép tấm cuốn tròn có đường
kính tuỳ thuộc vào công trình thiết kế. Có 2 cách cuốn ống thép: cuốn tròn hàn
dọc và cuốn dạng lò xo. Loại cuốn tròn hàn dọc phải có thiết bị chuyên dụng mới
cuốn được, việc hàn và cuốn phải thực hiện trong nhà máy và làm từng đốt, sau
khi mang ra công trường sẽ nối bằng đường hàn đối đầu cường độ cao hay hàn
mặt bích. Loại ống này có nhược điểm là năng lực chịu tải của đường hàn có thể
kém hơn nên kết cấu bị phá hoại thường xảy ra ở những đường hàn, các đốt ống
thường làm thẳng nên việc uốn cong cho đúng đường trục vòm là khó khăn. Loại


-11 ống hàn bằng các dải bản cuốn theo hình xoắn ốc thì việc chế tạo có thể làm ở
công trường, việc cuốn ống theo các đường kính khác nhau có thể lấy bất kỳ theo
thiết kế và có thể hàn ống cong theo đường cong trục vòm, có thể làm những đốt
dài tuỳ ý, thậm chí có thể dài bằng cả nhịp, hàn theo đường xoắn ốc thì mối hàn
chịu lực cắt là chính nên khả năng chịu tải của ống sẽ tốt hơn. Hình 1.2 thể hiện
một số dạng mặt cắt ngang sườn vòm.


Hình 1.2 - Các dạng mặt cắt ngang sườn vòm phổ biến
Trong trường hợp vòm chịu tải trọng lớn, người ta có thể tổ hợp nhiều ống
thép đơn tạo nên mặt cắt ngang sườn vòm. Trên bản liên kết sườn vòm có bố trí
các cửa sổ để hàn mặt trong khi nối các đoạn ống thành vòm liên tục, kích thước
cửa sổ dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật với chiều dài cạnh 1.0-1.5m. Sau khi
nối xong các đoạn vòm sẽ hàn đậy các vị trí cửa sổ và hoàn thiện sườn vòm.
Cấu tạo trong các công trình khác: kết cấu ống thép nhồi bê tông được
ứng dụng hiệu quả trong các công trình khác như : cột điện, cấu tạo cột của nhà
cao tầng, hệ giằng cho kết cấu nhà cao tầng… Đối với cấu kiện chịu nén lệch tâm
thì có thể sử dụng tấm thép thường, thép góc hoặc thép chữ I làm chức năng phần
chịu kéo của tiết diện, ống nhồi bê tông ở đây chịu nén là chủ yếu.
Trong các kết cấu dàn cầu, kết cấu ống thép nhồi bê tông thường được ứng
dụng làm các thanh chịu nén thì lượng thép giảm đáng kể so với khi dùng thép
thông thường.


-12 Do nâng cao được độ cứng chống uốn của các ống thép nhồi bê tông nên
các công trình có thể chế tạo từ một số ít các cấu kiện có độ dài lớn. Khi đó sơ đồ
bố trí các thanh giàn và kết cấu ghép nút sẽ đơn giản hơn.
Người ta thường dùng các ống trụ tròn hoặc các ống lăng trụ (tiết diện hình
vuông hoặc hình chữ nhật) để chế tạo ống nhồi bê tông. Trong một số trường hợp,
trong lõi bê tông có đặt cốt thép: cốt mềm dưới dạng thanh hoặc cốt cứng bằng
thép góc, thép chữ I… Kết cấu dạng này thường được dùng cho cọc là những vỏ
thép hình trụ đường kính 1.6m có lõi bê tông cốt thép. Cốt thép của lõi cho phép
giảm đường kính của vỏ và do đó giảm được kích thước ngang của kết cấu, đó là
điều có ý nghóa lớn.
Một số dạng mặt cắt ngang cơ bản được thể hiện trên hình 1.3

Hình 1.3 - Các dạng mặt cắt ngang ống thép nhồi bê tông kết hợp với tấm thép
1.1.5. Ứng dụng trong thực tiễn

Nhiều nước trên thế giới đang sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cho
nhiều kết cấu công trình khác nhau như : cấu tạo cột của nhà cao tầng, hệ giằng
cho kết cấu nhà cao tầng, móng cọc cầu, kết cấu thượng bộ cầu. Ngoài ra còn có
thể chế tạo những cột có độ cứng lớn trong vùng động đất.
Trong các công trình đầu tiên có sử dụng ống thép nhồi bê tông người ta đã
thiết kế cấu kiện chịu lực là một bó các thanh ống nhỏ nhồi bê tông. Chiếc caàu


-13 vòm nhịp 9m ở vùng ngoại ô phía Đông Paris được xây dựng năm 1931 là một ví
dụ về việc sử dụng các bó nhiều ống thép nhồi bêtông. Mặt cắt ngang cầu có 2
vòm, mỗi vòm gồm 6 ống đường kính 60x 3,5mm nhồi bêtông.
Những năm gần đây Pháp, Cana, Italia, Mỹ, Nga, Bỉ và nhiều nước khác
đã quan tâm đến loại kết cấu này.
Ở Pháp người ta đã dùng ống thép nhồi bê tông làm cột của khung nhà ở
và nhà công cộng nhiều tầng. Ở thành phố Rôma (Italia) người ta đã xây dựng
một khách sạn 8 tầng với cột khung chịu lực bằng ống thép nhồi bê tông có tiết
diện thay đổi, nhỏ dần về phía trên. Ở Bỉ, khi xây dựng ụ tàu người ta đã sử dụng
ống thép nhồi bê tông làm cánh trên và các cột của kết cấu giàn chịu lực.
Trong thập niên cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, ở Trung Quốc phát
triển rất mạnh về loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông. Bảng 1-1 thống kê một số
kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã được xây dựng tại Trung Quốc.
Bảng 1-1. Một số cầu vòm ống thép nhồi bê tông ở Trung Quốc
STT

1

2

3


Tên cầu

Cầu Yiwu
Yuanhuang

Năm
xây
dựng

Tiết diện kết cấu
sườn vòm

1990

Một ống đơn
Þ=800mm, dày 18mm

Cầu Yilan
Mundanjiang tỉnh
Heilongjiang

Tổ hợp tam giác gồm
3 ống thép (đường
kính 600mm, dày
12mm)

Cầu vượt sông
Huangbai và
sông Sialao tỉnh
Hubei


Tổ hợp 2 ống thép
(đường kính 1000mm,
dày 12mm)

Đường xe Chiều dài
chạy
vượt nhịp

80m

100m

160m


-14 -

4

Cầu Yajisha bắc
qua sông
Zhujiang tỉnh
Guangzhou.

2000
2000

5


Cầu Wuhan thứ 3
vượt sông
Hanjiang

6

Cầu Wuzhu thứ 3
bắc qua sông
Gujiang

7

Cầu Fengije
Meixi ở tỉnh
Sichuan

8

Cầu bắc qua sông 2001
Beipanjiang gần
thành phố
Luipanshui

Với 6 ống, ống giữa
Þ750mm, dày 20mm;
hai ống bên Þ750mm,
dày18mm

Mặt cầu
chạy giữa


Nhịp
chính
360m

Mỗi sườn vòm 2 ống
theo công nghệ ống
thép nhồi bê tông

Mặt cầu
chạy dưới

Nhịp
chính
280m

Mỗi sườn vòm 4 ống
theo công nghệ ống
thép nhồi bê tông

Mặt cầu
chạy giữa

Nhịp
chính
175m

Mặt cầu
chạy trên


Nhịp
chính
288m

Mỗi vòm cấu tạo từ 4
ống thép Þ1000mm
dày 16mm, 2 vòm
nghiêng vào nhau

Nhịp
chính
236m

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây một số cầu vòm với công nghệ
ống thép nhồi bê tông đã được xây dựng như : cầu Ông Lớn, cầu Xóm Củi, cầu
Cần Giuộc – Quận 7 – Tp. HCM. Chiều cao vòm thép 20.29m, chiều dài nhịp
tính toán 97.6m với bản mặt cầu xe chạy dưới (hình 1.4). Trên cơ sở ứng dụng
thành công trên đường Nguyễn Văn Linh, nhiều đơn vị tư vấn tại Việt Nam đã
mạnh dạn kiến nghị áp dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông cho một số công trình
khác như cầu Hùng Vương – Phú Yên (hình 1.5), cầu Đông Trù – Hà Nội, cầu
Hàn – Hải Dương, cầu Đồng Điền – Tp. HCM (hình 1.6)…


-15 -

Hình 1.4 – Cầu Ông Lớn

Hình 1.5 – Cầu Hùng Vương – Phú Yên



-16 -

Hình 1.6 – Cầu Đồng Điền – Tp. HCM
1.2. KẾT CẤU CẦU VÒM MẠNG LƯỚI
1.2.1. Định nghóa
Kết cấu được gọi là “cầu vòm mạng lưới” (“The network arch
bridge”) do phát minh của Giáo sư Tiến só Per Tveit, người Na Uy. Ông định
nghóa nó là cầu vòm có dây treo xiên cắt ít nhất 2 dây treo khác (Hình 1.7).[4]

Hình 1.7 - Mô hình vòm mạng lưới - PhD thesis, Tveit 1959.


-17 Cầu vòm mạng lưới cũng là một dạng kết cấu biến thể từ cầu vòm thông
thường và cầu treo, trong cầu vòm mạng lưới các dây treo là một hệ thanh không
chịu nén đan chéo nhau.
Cầu vòm mạng lưới được áp dụng nhiều cho các nhịp cầu từ 80m đến170m
và được xem là cầu vòm có độ thanh mảnh lớn nhất trên thế giới. Công trình cầu
có độ thanh mảnh càng cao thì kết cấu càng đẹp và càng giảm cảm giác nặng nề
của kết cấu.
Vì kết cấu vòm có độ mảnh lớn trong khi phải chịu lực rất lớn, do đó việc
áp dụng thép cường độ cao trong cầu vòm mạng lưới là rất phù hợp. Cầu vòm
mạng lưới tạo thành hệ kết cấu có độ cứng lớn, điều này rất quan trọng khi cầu
vòm được sử dụng cho các cầu đường sắt, đặc biệt là đường sắt cao tốc.
1.2.2. Phân tích ưu khuyết điểm
So sánh với cầu vòm có dây treo thẳng đứng, các bộ phận của cầu vòm
mạng lưới chỉ chịu uốn rất nhỏ. Cầu làm việc như dầm giản đơn, có độ cứng lớn
hơn và biến dạng nhỏ hơn. Hình 1.8 và hình 1.9 giúp giải thích lý do này.[4]

Hình 1.8 - Vòm dây thẳng làm việc khi tải trên nửa nhịp


Hình 1.9 - Vòm dây xiên làm việc khi tải trên nửa nhịp


-18 Hình 1.8, 1.9 thể hiện biến dạng của hệ vòm, dầm chủ trong cầu vòm dây
thẳng và cầu vòm dây xiên khi chịu tải phân bố đặt trên nửa nhịp. Trong cầu vòm
dây treo thẳng đứng khi tải trọng phân bố đặt trên nửa nhịp sẽ gây biến dạng lớn
trong kết cấu vòm và phần dưới của kết cấu nhịp. Điều này gây mô men uốn lớn
và như vậy tiết diện ngang của vòm cũng như hệ dầm phải lớn. Trong cầu vòm
mạng lưới, dây xiên sẽ hạn chế biến dạng này và uốn chỉ xảy ra khi chịu tải cục
bộ, do đó vòm và hệ dầm hầu như chỉ chịu lực dọc. [4]
Với độ cứng lớn nhờ mạng lưới dây, kết cấu ít chịu uốn theo phương dọc
cầu, cầu vòm dây xiên sẽ thanh mảnh hơn cầu vòm dây thẳng. Khi sử dụng số
lượng day treo nhiều, tiết diện dây treo có thể rất nhỏ.
Trong cầu vòm mạng lưới, kết cấu bên dưới dạng bản bằng bê tông cốt
thép dự ứng lực hoạt động như cầu dầm giản đơn. Mô men uốn xuất hiện trong
bản theo phương ngang lớn hơn theo phương dọc, do đó tiết diện của dầm chủ
không cần lớn. Dây treo được thiết kế bằng những thanh thép cường độ cao. Vòm
được thiết kế dạng cung tròn với chiều cao vòm khoảng 15% chiều dài nhịp.
Hệ kết cấu bên dưới của cầu vòm mạng lưới nên làm bằng bê tông cốt
thép, bởi vì trọng lượng của nó sẽ hạn chế sự chùng trong các dây treo; đối với
cầu vòm dây treo thẳng đứng hệ kết cấu bên dưới thường được thiết kế bằng thép
hình, thép tấm và kết cấu bản trực hướng. Trong hai cầu vòm có tiết diện mặt cắt
ngang và độ cứng xấp xỉ nhau thì độ cứng của hệ kết cấu bên dưới trong cầu vòm
mạng lưới chỉ cần đạt phân nửa so với cầu vòm dây treo thẳng đứng [4].
Tất cả các bộ phận trong kết cấu đều dễ dàng sử dụng vật liệu cường độ
cao, ứng dụng được công nghệ hiện đại vào công trình xây dựng.
Hình 1.10 thể hiện sự so sánh đường ảnh hưởng mômen uốn trong kết cấu
vòm, hệ dầm chủ giữa cầu vòm mạng lưới và cầu vòm dây treo thẳng đứng.



-19 -

Hình 1.10 - Diện tích, độ cứng và đường ảnh hưởng trong 2 cầu Vòm