Chương 5 : NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC pdf

Nguyên tắc chung của các biện pháp tạo DƯL là tìm cách nào đó tạo ra ứng suất kéo trong các cốt thép cường độ cao rồi sau đó lợi dụng tính dính bám của các cốt thép đó với bêtông hoặc dù

Chương 5 : NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

5.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ DẦM DỰ ỨNG LỰC :

5.1.1 Các phương pháp tạo dự ứng lực trong kết cấu :

Mục đích của việc tạo dự ứng lực (DƯL) nhằm điều chỉnh trị số ứng suất kéo trong bêtông bằng cách tạo ra ứng suất nén trước trong nó, nhờ đó mà kiểm soát được khả năng chống nứt của kết cấu

Nguyên tắc chung của các biện pháp tạo DƯL là tìm cách nào đó tạo ra ứng suất kéo trong các cốt thép cường độ cao rồi sau đó lợi dụng tính dính bám của các cốt thép đó với bêtông hoặc dùng mấu neo để truyền DƯL kéo trong cốt thép vào bêtông tạo thành dự ứng lực nén trong bêtông Có hai biện pháp cơ bản để tạo DƯL, cả hai đều đòi hỏi hệ thống thiết bị đồng bộ : bệ căng cáp, mấu neo, kích, cốt thép cường độ cao, thiết bị phụ trợ và các buớc công nghệ đồng bộ

1- Kéo căng cốt thép trước khi đổ bêtông ( kéo trên bệ ) :

Quá trình công nghệ được giới thiệu trên hình 5.1

Hình 5.1 Sơ đồ bệ cốt thép trước khi đổ bêtông

2- Kéo căng cốt thép sau khi đổ bêtông ( kéo trên bêtông ) :

Hình 5.2 Sơ đồ kéo căng cốt thép sau khi đổ bêtông

Ưu điểm : không cần bệ căng cố định và các neo

tạm thời Các cốt thép cường độ cao có thể đặt thẳng hay theo bất kỳ đường cong nào tùy theo dự kiến của người thiết kế nhằm mục đích triệt tiêu ứng suất kéo trong bêtông Kích thước, trọng lượng khối lắp ghép không bị hạn chế do chuyên chở

Phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa khi xây dựng các cầu BTCT DƯL nhịp lớn Các cốt thép dự ứng lực có thể được kéo căng vài lần tuỳ theo yêu cầu công nghệ, cũng có thể tháo ra một số cốt thép dự ứng lực nếu chúng chỉ là các cốt thép phục vụ thi công Ở một số cầu, việc tạo DƯL theo phương ngang cầu n cũng thực hiên theo phương pháp kéo sau

Khuyết điểm : không đảm bảo tính dính bám tốt

giữa cốt thép DƯL và bêtông, khó kiểm tra chất lượng vữa phun giữa ống chứa cốt thép và cốt thép DƯL sau khi đã kéo căng cốt thép

3- Sơ lược về BTCT dự ứng lực ngoài :

5.1.2 Các sơ đồ tạo ứng suất trước :

1- Dầm có cốt thép dự ứng được kéo căng trước trên bệ :

5.3 Các sơ đồ đặt cốt thép dự ứng lực

trong dầm kéo căng trước khi đổ bêtông

Hình 5.4 Mặt cắt ngang kết cấu nhịp cầu ôtô dài 33m

Hình 5.5 Bố trí cốt thép dự ứng lực

Hình 5.6 Bố trí cốt thép thường trong dầm

Cần lưu ý rằng, kiểu kết cấu nhịp không có dầm ngang

qua nhiều năm khai thác đã bộc lộ nhiều nhược điểm như :

bị rung, xuất hiện nhiều vết nứt mặt cầu Theo Tiêu chuẩn thiết kế mới 22 TCN 272-05, nên có ít nhất ba dầm ngang trên mỗi nhịp Hiện nay, kiểu dầm định hình này thường không được áp dụng trong các dự án cầu mới

2- Dầm có cốt thép dự ứng được kéo căng sau trên bêtông :

Hình 5.7 Bố trí cốt thép dự ứng lực trong dầm I 33m

Hình 5.8 Bố trí cốt thép dự ứng lực dầm T 33m (sử dụng 7 bó 12,7mm)

3- Cốt thép dự ứng lực ngang trong dầm giản đơn :

Hình 5.9 Bố trí cốt thép dự ứng lực ngang cầu

4- Cốt thép thường trong dầm dự ứng lực :

Tương tự nguyên tắc áp dụng cho dầm BTCT thường, nhưng không có cốt thép chủ và cốt thép xiên thường ( đã có cốt thép DƯL ) Đặc biệt, cần phải có các cốt thép chịu ứng lực cục bộ, được bố trí ở khu vực đầu dầm bên dưới các mấu neo

Thường có các kiểu cầu với mặt cắt liên hợp bao gồm phần dầm chủ DƯL dạng I hay chữ T được chế tạo

sản xuất trong nhà máy và phần bản đúc bêtông tại chỗ trên các dầm chủ đó

Hình 5.12 Mặt cắt

kết cấu nhịp liên hợp

gồm dầm I lắp ghép

và bản đúc bêtông tại chỗ

5.2 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ CHO DẦM DƯL :

5.2.1 Các loại cốt thép dự ứng lực :

1- Sợi đơn cường độ cao :

Các sợi cốt thép cường độ cao tròn nhẵn hoặc có gờ đường kính 3÷ 5mm được đặt phân bố đều trong kết cấu

nhịp bản DƯL Chúng được kéo căng trước khi đổ bêtông Cách bố trí như vậy còn gọi là đặt cốt thép kiểu dây đàn Việc truyền DƯL từ cốt thép vào bêtông nhờ lực dính bám đủ lớn mà không cần làm mấu neo ở đầu sợi cốt thép

2- Bó các sợi xoắn cường độ cao ( tao cáp ) :

Bó gồm các sợi xoắn lại thành bó b y hoặc nhiều sợi ảLoại bó xoắn b y sợi được dùng rộng rãi nhất ( còn gọi là ảtao cáp b y sợi xoắn ) Mỗi tao cáp có một sợi lõi thẳng ả

ở giữa, các sợi ngoài có đường kính giống nhau xếp thành một hay hai lớp Đường kính sợi ngoài bằng 1,5÷ 5mm, riêng sợi lõi có đường kính lớn hơn 10% Bước

xoắn tối ưu cho mỗi sợi ngoài bằng 12÷ 15 lần đường kính danh định của cả bó sợi Ưu điểm của tao xoắn b y sợi là ảdính bám tốt với bêtông, dễ uốn dễ cuộn thành cuộn lớn để vận chuyển và do đó có chiều dài lớn, được chế tạo sẵn trong nhà máy, có loại được mạ kẽm nên chống rỉ sét cao

3- Bó các sợi song song cường độ cao :

Những năm l990, ở miền Bắc nước ta thường dùng loại bó có 20÷ 24 sợi cốt thép tròn Φ 5mm xếp song song

thành một lớp bao quanh một lõi thép kiểu lò xo đã uốn sẵn từ sợi thép nhỏ có đường kính 1,5÷ 2,5mm

Bước của lò xo thường là 3cm trên đoạn thẳng và 1cm trên đoạn cong Nhiệm vụ của lõi lò xo là đảm bảo

vị trí chính xác của các sợi trong bó, lỗ rỗng bên trong lò xo đảm bảo khả năng bơm vữa hoặc đổ bêtông lấp kín lòng ống chứa cốt thép dự ứng lực Các sợi thép cường độ cao được buộc chặt, cứ cách 1÷ 2m lại buộc

một đoạn dài 10÷ 20cm Riêng ở đoạn gần neo 1m thì phải cách 20cm buộc một chỗ.

Hình 5.13 Các loại cốt thép DƯL

4- Thanh cốt thép cường độ cao :

Các thanh cốt thép cường độ cao có thể tròn nhẵn hoặc có gờ Để kéo căng chúng cần phải dùng loại kích đặc biệt hoặc dùng phương pháp nhiệt điện Có thể dùng các thanh này làm cốt đai DƯL hoặc cốt thép DƯL ngang cầu để nối các khối dầm lắp ghép với nhau

Khi làm cốt đai DƯL, các thanh này cần phải được đặt thẳng đứng hoặc nghiêng góc 75÷ 80o Chúng được phủ một lớp bitum và được quấn băng giấy ở ngoài để không bị dính bám với bêtông, rồi mới đặt vào trong ván khuôn Một đầu thanh có thể làm sẵn theo dạng mũ bulông, đầu kia có ren răng và bắt ê-cu, có thể dùng các loại kích riêng nhỏ và đặc biệt để kéo căng Đường kính các thanh cốt thép cường độ cao thường từ

5- Cầu bản dự ứng lực :

Các cầu bản DƯL nhịp giản đơn thường là dạng lắp ghép từ các khối nguyên dài với mối nối dọc cầu

Mỗi khối thường có bề rộng khoảng 100 cm để thuận

tiện ghép thành các bề rộng cầu khác nhau Chiều cao

mỗi khối chọn trong khoảng H = L/30 - L/25.

Cốt thép DƯL thường được bố trí theo kiểu cốt thép dây đàn nghĩa là gồm nhiều sợi đơn có gờ hoặc tao cáp ( bó xoắn bảy sợi ) riêng rẽ đặt song song thành một hàng gần biên dưới mặt cắt Nếu số sợi quá nhiều thì có thể thêm một hàng nữa phía trên Sau khi lắp ghép các khối bản cạnh nhau, thực hiện các mối nối dọc cầu dạng chốt hoặc dạng nối cứng, cũng có thể bố trí thêm các sợi cáp DƯL kéo sau theo hướng ngang cầu

Hiện nay, đang phát triển nhiều dạng dầm bản DƯL có chiều dài 8÷ 20m, chiều cao bản từ 25÷ 65cm Ví dụ

ở Việt Nam có cầu Phố Mới - Lào Cai có chiều

dài dầm bản L = 20m, mặt cắt ngang cầu gồm 10 bản, mỗi bản rộng 100cm, chiều cao bản 65cm, bản mặt cầu dày 20cm Kết cấu bản dùng công nghệ

căng kéo trước

Hình 5.14 Mặt cắt ngang điển hình dầm bản DƯL 15m

5.2.2 Một số mấu neo kiểu Nga :

Mấu neo có nhiệm vụ truyền lực từ đầu cốt thép DƯL vào bêtông để tạo ra DƯL nén trong bêtông Có nhiều kiểu mấu neo phù hợp với từng kiểu cốt thép và phù hợp với kiểu kích được dùng

1- Neo quả chám :

Trong dầm kéo trước thường dùng các neo ngầm hình quả chám cho các bó sợi song song như hình 5.16 Neo gồm một lõi thép tròn được hàn vào một tấm ngăn có xẻ rãnh để luồn các sợi cốt thép qua rănh đó Các sợi cốt thép được buộc giữ chặt ở hai đầu thanh lõi Đầu thanh lõi có các mấu giữ sợi cốt thép liên tục đi qua neo ; vì vậy, nếu một neo chưa đủ truyền lực thì có thể đặt hai neo liên tiếp nhau Neo quả chám được dùng trong các bó có số lượng sợi song song từ l6÷ 56 sợi Với bó 24 sợi 5mm thường có đường kính bản ngăn 80mm, dày 8÷ 10 mm, đường kính thanh lõi 14mm, chiều dài thanh lõi 270 mm.

Hình 5.16 Neo quả chám

2- Neo hình chóp cụt kiểu Nga :

Để neo các đầu bó sợi song song khi kéo căng trên bêtông thì có thể dùng mấu neo hình chóp cụt (H.5.17) Vỏ neo bằng thép có khoét lỗ thủng hình chóp cụt có ren răng phù hợp với kích thước lỗ thủng ở vỏ neo Các đầu sợi cốt thép được luồn qua lỗ thủng ở vỏ neo và sau khi đã kéo căng xong bằng loại kích hai tác dụng thì đóng lõi neo vào để giữ sợi thép cố định trong vỏ neo Vì bề mặt lõi neo có ren răng nên tác dụng nêm chặt tăng lên Trong lõi neo có khoan lỗ dọc để nối với vòi máy để bơm vữa XM lấp lòng ống chứa bó cáp DƯL

Mấu neo hình chóp cụt cũng còn được dùng làm mấu neo tạm thời để kéo căng các cốt thép trên bệ Sau khi cốt thép đã truyền lực nén vào bêtông dầm thì tháo bỏ các neo này

3- Neo tổ ong kiểu Nga :

Các đầu sợi cốt thép có thể được chèn cho to ra rồi lồng vào các lỗ chờ sẵn trên mấu neo tổ ong Có thể làm neo kiểu liền khối hoặc kiểu lắp ghép cố định (H.5.18) Neo kiểu liền khối dạng hình trụ thép với nhiều lỗ khoan để luồn các sợi cốt thép Trên bề mặt bên trong của vỏ neo hình trụ được ren răng để bắt giữ vào đầu kích Kiểu neo lắp ghép cố định thường được đặt ở đầu bó phía đối diện với kích Mấu neo này gồm các tập bản thép Khi ghép các tập lại sẽ tạo ra các lỗ để luồn sợi cốt thép

Hình 5.17 Neo hình chóp cụt

Hình 5.18 Maáu neo kieåu toå ong

a) Maáu neo kieåu lieàn khoái; b) Maáu neo kieåu laép gheùp

5.2.3 Kích để kéo căng cốt thép :

1- Kích đơn động kiểu Nga :

Sơ đồ kích như hình 5.19a Xilanh là vỏ kích được tỳ lên đầu dầm BTCT Piston có ngàm 2 để kẹp giữ chặt lấy mấu neo hình cốc Khi bơm dầu vào xilanh, piston dịch sang trái và kéo căng cốt thép Người ta chêm nêm 4 vào khe hở giữa đầu dầm BTCT và đáy mấu neo Sau đó dùng tay quay để xả dầu, đưa piston dịch sang phải, gỡ ngàm 2 khỏi mấu neo và tháo kích

2- Kích song động kiểu Nga :

Sơ đồ kích như hình 5.19b Vỏ kích 6 là xylanh ngoài, thân kích 7 là piston trong vỏ kích 6 và có chân tỳ vào đầu dầm BTCT, đồng thời nó cũng là xylanh chứa piston để đóng lõi neo Trên vỏ kích 6 có bộ ngàm 8 giữ các sợi thép cường độ cao đến mức dự kiến Sau đó bơm dầu vào xylanh 7 làm cho piston dịch sang phải và đóng chặt lõi neo của neo chóp cụt Sau đó xả hết dầu và tháo kích

Hình 5.19 Các kích thuỷ lực để căng bó sợi cốt thép

a) Kích đơn động; b) Kích song động

1- Xilanh 2- Kiểu ngàm kẹp mấu neo 3- Mấu neo 4- Nêm 5- Bó sợi cốt thép 6- Xilanh ngoài 7- Xilanh trong 8- Ngàm giữ sợi cốt thép 9- Vỏ neo chóp cụt

10- Lõi neo chóp cụt

5.2.4 Các hệ thống DƯL của công ty Freyssinet :

Công ty Freyssinet ( Cộng hoà Pháp ) đã chế tạo và áp dụng thành công với những cải tiến liên tục các hệ thống DƯL khác nhau đâây, chỉ giới thiệu hệ Ởthống tiên tiến nhất và đã áp dụng ở Việt Nam ( cầu chữ

Y, cầu Tân Thuận, cầu Niệm, cầu Gianh, cầu Sài Gòn )

Hệ thống K dùng cho trường hợp tạo DƯL trong Hệ thống l và hệ thống 2 dùng cho trường hợp tạo DƯL ngoài Ngoài hệ thống K còn hệ thống C hiện nay đang được sử dụng rất phổ biến ( xem phần phụ lục )

1- Hệ thống K :

a) Các thành phần cấu tạo chung :

Hệ thống này thỏa mãn mọi yêu cầu khắt khe nhất của các tiêu chuẩn Châu Âu và tiêu chuẩn Hoa Kỳ,

có thể tạo ra các DƯL lớn đến 10200kN Hệ thống này

cho phép lựa chọn các số lượng cáp tùy mức cần thiết Các cáp có thể được kéo căng chỉ bằng một loại thao tác lặp lại nhiều lần và thuận tiện cho mọi kết cấu DƯL

b) Bộ neo chủ động :

Hình 5.20 Bộ neo chủ động

c) Bộ nối các mấu neo :

Hình 5.21 Bộ nối các mấu neo

Hình 5.22 Neo chủ động kiểu A, A'

Hình 5.23 Các bộ nối kiểu C, C' và CI, CI'

d) Bộ neo thụ động : ( bộ neo chết )

Hình 5.25 Bộ neo thụ động

Hình 5.24 Giới thiệu kiểu B, B'

và kiểu NE của bộ neo thụ động

e) Kích để kéo căng cáp DƯL : (H.5.26)

• Các kích thuộc hệ thống K là loại kích hai tác động ( song động ) thuỷ lực, có phần piston di động được làm rỗng lòng để luồn cáp qua đó Mỗi bó sợi xoắn được ngàm kẹp giữ trong kích nhờ các bộ chêm đặc biệt

• Bộ phận ngàm giữ các bộ neo chủ động có cấu tạo hoặc là gồm một bản phân bố hoặc gồm các lò xo cao su cho phép giảm sự tụt cáp trong neo đến mức tối thiểu

Hình 5.26 Kích thuộc hệ thống K

f) Bố trí mấu neo và cốt thép cục bộ quanh neo :

Hình 5.28 Bố trí cốt thép cục bộ quanh neo

Hình 5.27 Bố trí mấu neo trên kết cấu

k) Kích thước của kích và cách hoạt động :

Tại Việt Nam cho đến nay thường quen dùng loại kích

có cốt thép d = 5mm đi qua bên ngoài và dọc theo thân kích Trong hệ thống K của công ty Freyssinet, các kích

đều rỗng lòng để cáp chui qua bên trong thân kích Các bước hoạt động của hai loại kích này như sau :

• Bước 1 : Đặt, lắp kích vào vị trí theo trình tự sau :

- Đối với loại kích có bộ ngàm giữ cốt thép ở phía trước :a) Đặt khối neo và các nút chêm b) Đặt chụp đỡ

c) Đặt tâm neo d) Đặt lõi định hướng cho các bó xoắn.e) Đặt lược định vị các bó xoắn f) Đặt kích

- Đối với loại kích có bó ngàm giữ cốt thép ở phía sau :

a) Đặt khối neo và các nút chêm b) Đặt các lò xo cao su

c) Đặt tấm định vị các tao xoắn d) Đặt kích

e) Đặt khối neo sau kích với các nút chêm của nó

• Bước 2 : Chuẩn bị kéo căng cốt thép :

Cố định các tao xoắn của cáp vào khối neo phía sau

• Bước 3 : Kéo căng cốt thép :

- Bơm dầu kích vào khoảng trống P ( xem hình vẽ ) cho piston di chuyển và kéo căng các tao xoắn của cáp đến mức dự kiến cần thiết

- Đối với bộ kích có bộ ngàm giữ cốt thép ở phía trước thì dùng tác động thủy lực để đóng chặt các nút chêm

- Đối với loại kích có bộ ngàm giữ cốt thép ở phía sau thì chỉnh các lò xo cao su để chèn chặt đều các nút chêm

• Bước 4 : Tháo dỡ kích :

- Bơm dầu kích vào khoảng trống P để đưa piston về

vị trí ban đầu - Tháo dỡ kích và các phụ kiện

Hình 5.29 Bố trí kích

l) Tiêm vữa lấp lòng ống chứa cáp DƯL :

• Các đầu vòi tiêm đều được nối vào ống loa dẫn hướng của bộ neo Có hai kiểu chính là kiểu dùng chụp che kín khối neo rồi tiêm vữa và kiểu dùng một đoạn ống ngắn nối thẳng vào ống loa của bộ neo

• Nếu dùng loại chụp che tạm thời cho khối neo thì có thể dùng lại nhiều lần chụp này, có thể tiêm vữa trước mà không chờ đến sau khi đã lấp xong hốc đặt neo bằng BT Nếu dùng loại chụp vĩnh cửu thì bảo vệ vĩnh cửu được khối neo và các đầu sợi cáp trong các trường hợp sau : không lấp kín hốc chứa neo, dùng loại neo đặc biệt cho các môi trường ăn mòn mạnh ( như cầu ở gần biển ), khi có tính tạo dáng trang trí bề mặt

• Ống chứa cáp có thể làm từ lá thép mỏng cuốn lại trên máy chuyên dụng để tạo ra loại ống có bề mặt lượn sóng với đường kính chỗ to nhất thường lớn hơn đường kính

chỗ nhỏ nhất chừng 6mm để ống có đủ độ cứng vừa mức

Cũng có thể dùng loại ống bằng chất dẻo Phụ lục 1 cho kích thước các loại ống chứa cáp, và khối lượng vữa XM

2- Sơ lược về hệ thống thanh DƯL ngoài : (H.5.30)

a) Hệ thống 1 : Hệ này có các tao xoắn bảy sợi

cường độ cao đặt trong ống chứa bằng vật liệu Polyethylene mật độ cao ( ký hiệu là HPPE ) Ống này đặt liên tục từ neo này đến neo khác, tại những chỗ mà ống phải tiếp giáp với bêtông kết cấu thì phải có thêm các đoạn ống thép lớn hơn, chôn sẵn trong bêtông, làm nhiệm vụ bộ đổi hướng cáp

b) Hệ thống 2 : Hệ này có từng tao xoắn bảy sợi đã

được bọc chất dẻo Polyethylene mật độ cao từ trong nhà máy chế tạo Thông thường sau khi đặt các tao này thành bó cáp lớn trong ống chứa Polyethylene mật độ cao và kéo căng xong thì lại bơm vữa lấp lòng ống chứa Tuy nhiên, kỹ thuật do công ty Freyssinet sáng chế thì có đặc điểm là tiêm vữa lấp lòng ống chứa trước khi kéo căng cáp Các tao xoắn trong một cáp sẽ được kéo căng lần lượt từng tao xoắn nhờ loại kích

đơn ( monojack ) để kéo từng tao xoắn hoặc được kéo căng đồng thời nhờ loại kích lớn ( multijack )