Giáo trình Cầu bê tông: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Phần 1 của giáo trình Cầu bê tông cung cấp cho học viên những nội dung về: khái niệm cầu bê tông cốt thép; phân loại cầu bê tông cốt thép và phạm vi áp dụng; cầu bản bê tông cốt thép thường nhịp đơn giản; cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp đơn giản; khái niệm chung về kết cấu nhịp bê tông cốt thép dự ứng lực;... Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƢƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Khái niệm chung cầu bê tông cốt thép 1.1.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu bê tông cốt thép Ngay từ ngành sản xuất thép đời, ngƣời ta nghĩ đến việc đặt cốt thép bê tông để tận dụng khả loại vật liệu Năm 1850, ngƣời Pháp Lămbô làm thuyền BTCT Đến năm 1861 ông Kyanê, ngƣời Pháp khác, làm kết cấu mái che, vịm, ống cống dựa ngun tắc bê tơng chịu lực với cốt thép Tuy đến năm 1875 cầu BTCT đƣợc xây dựng Pháp theo đồ án Kỹ sƣ Mônlê, cầu có dạng vịm dài 16m, rộng 4m cho ngƣời Kết cấu nhịp vòm đƣợc ngàm chặt hai chân vòm vào mố nặng BTCT Trong năm đó, cầu BTCT khơng đƣợc phát triển rộng thiếu sở lý thuyết tính toán số liệu nghiên cứu thử nghiệm chịu lực kết cấu BTCT Đến năm 1884 thí nghiệm Vaixơ Bacsinge đƣợc thực nƣớc Đức nhằm xác định cƣờng độ, độ chịu lửa BTCT, dính bám cốt thép với bê tơng v.v Tiếp theo thí nghiệm Kenen phƣơng pháp tính tốn BTCT ông đề lần năm 1896 Cịn nƣớc Nga từ năm (18911896) có thí nghiệm bản, dầm, vịm Beleliuxki Năm 1892 kỹ sƣ Enkxơbicơ ngƣời Pháp đề xuất hệ thống kết cấu có sƣờn BTCT phƣơng pháp thi cơng kết cấu BTCT tồn khối khơng có dầm thép đỡ nhƣ trƣớc Ơng khơng dùng BTCT để làm dầm mà cịn làm cột, móng tƣờng chắn, cọc v.v Sau sáng kiến này, coi từ cuối kỷ 19 bắt đầu giai đoạn phát triển rộng rãi kết cấu BTCT áp dụng phƣơng pháp tính tốn theo lý thuyết ứng suất cho phép Sang đầu kỷ 20 cầu BTCT đƣợc phát triển ngang hàng với cầu thép, gỗ Trong giai đoạn đầu, cầu BTCT thƣờng có dạng kết cấu dầm vịm Đến trƣớc đại chiến giới I (1914 - 1918) phần lớn cầu BTCT thuộc hệ thống dầm đơn giản, dầm liên tục cầu khung với kết cấu có sƣờn, độ nhịp đến 30m, cá biệt đến 40m Dần dần, nhịp cầu BTCT dài đƣợc xây dựng, đặc biệt vào năm 1930 Có thể kể số cầu tiếng Cầu qua sông Maxcơva, năm 1935, dạng nhịp vòm dài 116m cho xe lửa, cầu Stốckhôm (Thụy Điển) với nhịp dài 181m, cầu Eooe (Pháp) có nhịp, nhịp dài 186m, cầu Esla (Tây Ban Nha) có nhịp cầu nhịp dài 205m Từ sau chiến tranh giới II, cầu BTCT dự ứng lực bắt đầu phát triển rộng rãi châu Âu Thực ý định tạo dự ứng lực kéo cho cốt thép đƣợc đề từ năm 1896 Măngđen (ngƣời áo) Dơdecxơn (ngƣời Mỹ) Nhƣng thử nghiệm lúc 35 đầu thất bại họ dùng loại cốt thép có cƣờng độ thấp (khoảng 600kG/cm2), dù có tạo đƣợc dự ứng suất kéo mát hết Mãi đến năm 1928 Kỹ sƣ Freyssinet (ngƣời Pháp) đề xuất đƣợc sở lý thuyết thực nghiệm ban đầu cho kết cấu BTCT dự ứng lực Ông chứng minh phải dùng bê tông mác cao cốt thép cƣờng độ cao, trị số dự ứng suất kéo cốt thép phải lớn 4000 kG/cm2, đồng thời phải xét đến mát dự ứng suất cốt thép co ngót từ biến bê tơng Công phục hồi phát triển kinh tế châu Âu sau chiến tranh giới II thúc đẩy khoa học kỹ thuật xây dựng cầu lên bƣớc mới: Sử dụng kết cấu lắp ghép kết cấu dự ứng lực đa dạng Số lƣợng cầu BTCT chiếm tỷ lệ đáng kể số cầu xây dựng Nhiều dạng sơ đồ kết cấu phƣơng pháp thi công khác đƣợc sáng chế áp dụng rộng rãi khắp giới Việc lựa chọn áp dụng sơ đồ hay áp dụng phƣơng pháp thi công thƣờng vào việc so sánh, xét tổng hợp nhiều yếu tố nhƣ: Các điều kiện địa lý, địa hình, địa chất, khí hậu, trình độ cơng nghiệp xây dựng, nhiều yếu tố kinh tế xã hội khác, thể đặc điểm riêng nƣớc, kinh tế Trƣớc đây, kết cấu BTCT dự ứng lực chƣa phát triển kết cấu vịm có lực đẩy ngang vào mố trụ kiểu cầu chủ yếu để vƣợt qua nhịp dài Tuy nhiên, phù hợp với số loại địa hình, địa chất tốt Ngày kỹ thuật xây dựng cầu BTCT dự ứng lực đạt tới mức hồn thiện nên cầu vịm đƣợc xây dựng Hầu hết nhịp cầu BTCT dài từ 21m đến 200m kết cấu dự ứng lực có cấu tạo đa dạng hợp lý Kết cấu BTCT dự ứng lực đƣợc dùng kết cấu nhịp cầu mà mố trụ cần thiết Cùng với phƣơng pháp thi công đúc chỗ đà giáo lắp hẫng, lắp ghép nguyên dài, phƣơng pháp đúc hẫng, đúc đẩy,đúc đà giáo di động để thi công dạng cầu hệ khung liên tục, dầm liên tục nhịp lớn phát triển khắp giới Đôi phƣơng pháp chở đƣợc áp dụng Để đạt hiệu kinh tế cao giảm thời gian thiết kế, thi cơng, đồ án điển hình hố đồ án thống hoá đƣợc áp dụng rộng rãi khắp giới, đặc biệt hệ thống nhịp dầm giản đơn Hiện có khuynh hƣớng dùng bó cáp thép lớn cƣờng độ cao cho cầu lớn Nói chung cáp có sức kéo cỡ 200 đƣợc dùng rộng rãi Tại Việt Nam chia q trình phát triển cầu BTCT thành giai đoạn tƣơng ứng với giai đoạn lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nƣớc xây dựng đất nƣớc 1.1.1.1 Thời kỳ trước cách mạng tháng Vào thời kỳ này, có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thƣờng với nhịp đến 20m đƣợc xây dựng tuyến đƣờng sắt đƣờng Ví dụ tuyến đƣờng sắt Hà Nội - TP Hồ Chí Minh có khoảng 600 cầu BTCT nhịp từ đến 11m xây dựng từ 1927 - 1932, đến tận dụng 36 đƣợc sau gia cố sửa chữa nhiều đợt Trên tuyến đƣờng ô tô Nam nhiều cầu dầm hẫng, cầu vòm chạy dƣới thuộc loại đƣợc khai thác, miền Bắc hầu hết cầu BTCT Pháp xây dựng bị phá hoại bom Mỹ 1.1.1.2 Thời kỳ sau Cách mạng tháng 8-1945 đến năm 1954 Đây thời kỳ kháng chiến chống Pháp nên hầu nhƣ cầu BTCT đƣợc xây dựng 1.1.1.3 Thời kỳ từ 1954 đến 1975 Trong thời kỳ nƣớc ta bị chia làm hai miền phát triển cầu BTCT theo hai hƣớng khác Ở miền Bắc sau 1954 nhiều cầu BTCT thƣờng thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bê tông chỗ đƣợc xây dựng Các đề tài ứng dụng BTCT dự ứng lực xây dựng cầu lần Đại học Giao thông tiến hành năm 1961: Một số cầu giản đơn BTCT dự ứng lực đƣợc xây dựng nhƣ cầu Phủ lỗ, cầu Cửa tiền, cầu Tràng Thƣa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có chốt giữa), theo đồ án Việt Nam Các đồ án điển hình cầu mố nhẹ, dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang khơng có dầm ngang với nhịp - - - - 12 - 15 - 21 m đƣợc Viện Thiết kế Giao thông thiết kế đƣợc áp dụng rộng rãi tuyến đƣờng ô tô Trong trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, hệ thống cầu dẫn gồm khoảng km cầu đƣờng sắt km cầu ô tô dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc kéo sau đƣợc xây dựng với công nghệ Liên Xơ (cũ) Qua ngành cơng nghiệp xây dựng cầu BTCT dự ứng lực nƣớc ta tiến bƣớc Ở miền Nam số loại đồ án định hình cầu BTCT dự ứng lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO đƣợc sản xuất lắp ghép rộng rãi tuyến đƣờng trục độ nhịp dầm xấp xỉ 12 - 18 – 25 m Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc với loại cáp xoắn sợi, d = 12,7 mm Các dầm T đƣợc lắp ghép theo phƣơng ngang cầu cáp thép dự ứng lực kéo sau loại nói Dạng kết cấu đƣợc lắp ghép nguyên dài cần cẩu cỡ 40 - 60 tấn, bánh xích 1.1.1.4 Thời kỳ từ 1975 đến 1992 Đây thời kỳ đất nƣớc thống nhƣng chƣa có kiện Liên Xơ sụp đổ Mỹ phong toả kinh tế nƣớc ta Ở miền Bắc có trung tâm chế tạo dầm dự ứng lực nhịp đến 33 m Hà Nội, TP Vinh Ở miền Nam việc sản xuất dầm dự ứng lực theo mẫu AASHO cũ Mỹ xƣởng dầm Châu Thới gần TP Hồ Chí Minh Chúng ta tự thiết kế thi công đƣợc số cầu khung T dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60 - 70m (cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dƣơng, v.v ) với cốt thép dự ứng lực dạng bó 24 sợi  5mm 1.1.1.5 Thời kỳ 1992 đến Đây thời kỳ mà quan hệ đối ngoại rộng mở công nghệ tiên tiến giới đƣợc chuyển giao vào nƣớc ta Các dự án lớn cải tạo Quốc lộ 1, dự 37 án cầu Phú Lƣơng (hệ dầm liên tục), cầu Bình, cầu Gianh, cầu Nơng Tiến v.v khởi cơng hồn thành với công nghệ đúc hẫng đại Đến cuối năm 2006 có khoảng 60 cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục đƣợc đúc hẫng thành công Công nghệ đúc đẩy đƣợc áp dụng thi công cầu Mẹt (Bắc Giang), Hiền-Lƣơng., Quán-hầu, Sảo-Phong, Hà-nha Công nghệ đúc đà giáo di đông đƣợc áp dụng cho phần cầu dẫn cầu Thanh-trì (Hà nội), cầu Bãi Cháy (Quảng ninh) Công nghệ đúc hẫng dầm cứng cầu dây văng-dầm cứng BTCT áp dụng thành công cầu Mỹ thuận (Tiền Giang),cầu Bãi Cháy (Quảng ninh-2006) Công nghệ lắp hẫng cầu dây văng-dầm cứng BTCT áp dụng thành cơng cầu Kiền (Hải-Phịng-2003) 1.1.2 Đặc điểm cầu BTCT 1.1.2.1 Vật liệu: - Làm BTCT  Sử dụng vật liệu địa phƣơng, cát, đá, XM chủ yếu - Thép & BT làm việc: Thép chịu kéo chủ yếu, có chịu nén 1.1.2.2 Ưu điểm: Sử dụng vật liệu rẻ tiền so với sử dụng thép Độ bền cao: - Sử dụng đƣợc lâu năm - Cƣờng độ bê tông tăng theo thời gian - Ít chịu ảnh hƣởng mơi trƣờng, chịu lửa, khơng mục, khơng gỉ, bị ăn mịn Có độ cứng lớn, bị ảnh hƣởng xung kích hoạt tải, tiếng ồn nhỏ, dao động Có thể đúc kết cấu thành hình dáng thoả mãn yêu cầu kiến trúc, mỹ thuật Tính tồn khối (kết cấu nhịp đúc chỗ) tốt Chi phí tu bảo dƣỡng thấp 1.1.2.3 Nhược điểm Trọng lƣợng thân lớn, cấu tạo nặng nề, vận chuyển lao lắp khó khăn (khơng vƣợt đƣợc kỷ lục nhịp cầu thép) Bê tông chịu kéo dễ bị nứt: Nhất BTCT thƣờng hay bị nứt làm gỉ cốt thép làm hạn chế phạm vi sử dụng Thi công phức tạp: Chất lƣợng bị ảnh hƣởng phƣơng pháp thi công, thời tiết; thêm vật liệu làm ván khuôn Khó kiểm tra chất lƣợng cơng trình 1.1.3 Về Quy trình, tiêu chuẩn cho thiết kế thi cơng, nghiệm thu Quy trình thiết kế cầu 22TCN 18-79, thƣờng đƣợc gọi tắt Quy trình 1979 để thiết kế cầu Bộ Giao thông ban hành năm 1979 đƣợc biên soạn dựa vào nội dung Quy trình năm 1962, 1967 Liên Xơ (cũ) Quy trình cầu đƣờng sắt 1958 Trung Quốc Nội dung Quy trình 1979 so với điều kiện nƣớc ta có nhiều chỗ lạc hậu thiếu Đối với dự án cầu đƣợc thiết kế từ năm 38 2005, Bộ GTVT quy định bỏ Quy trình 1979 mà thay Tiêu chuẩn 22TCN 27205 thiết kế cầu ơ-tơ, ngồi ra, cầu đặc biệt cần phải tham khảo thêm Tiêu chuẩn nƣớc nhƣ Nga, Mỹ, Nhật, Auxtrailia Pháp Tuy nhiên thiết kế cầu đƣờng sắt, vào thời điểm nay, năm 2006, thảo Tiêu chuẩn đƣợc biên soạn nên mặt pháp lý, phải thiết kế theo Quy trình cũ năm 1979 Tiêu chuẩn thiết kế cầu mang ký hiệu 22TCN 272-05 Tiêu chuẩn đại dựa nội dung Tiêu chuẩn AASHTO LRFD năm 1998 Vì góp phần đẩy nhanh q trình hội nhập kinh tế Việt nam với nƣớc ASEAN khu vƣc Nhiều nội dung Tiêu chuẩn chƣa quen thuộc với kỹ sƣ nên cần nhiều năm để tìm hiểu áp dụng dần 1.1.4 Phương hướng phát triển Nghiên cứu sử dụng vật liệu mới: Bê tông chất lƣợng cao (High Performance Concrete-HPC) Thép chất lƣợng cao (High Performance Steel - HPS), fiberreinforced polymer (FRP) Kết cấu mới, kết cấu tối ƣu Nghiên cứu phƣơng pháp tính tốn truyền thống để tính tốn cho kết cấu phƣơng pháp tính tốn Áp dụng mạnh mẽ công nghệ thông tin: Thiết kế tối ƣu, tự động hoá thiết kế Nghiên cứu, áp dụng cơng nghệ thi cơng tiên tiến Định hình hố (Dầm, mố, trụ), cơng nghiệp hố sản xuất giới hố thi cơng 1.2 Phân loại cầu Bê tông cốt thép phạm vi áp dụng 1.2.1 Phân loại cầu bê tơng cốt thép Các cầu BTCT đƣợc phân loại theo tiêu chuẩn khác Sau số phân loại thông dụng: 1.2.1.1 Phân loại theo vị trí cầu: Tuỳ theo loại chƣớng ngại cần phải vƣợt qua mà gọi là: - Cầu qua sông, suối; - Cầu vƣợt đƣờng; - Cầu cạn; - Cầu có trụ cao để vƣợt qua thung lũng, hẻm núi 1.2.1.2 Phân loại theo tải trọng qua cầu: - Cầu đƣờng ô tô; - Cầu đƣờng sắt; - Cầu thành phố; - Cầu bộ; - Cầu chung đƣờng sắt, đƣờng ô tô; - Cầu máng dẫn nƣớc; - Cầu dành cho đƣờng ống dẫn nƣớc, hay dẫn dầu, dẫn khí đốt 39 1.2.1.3 Phân loại theo cao độ tương đối mặt xe chạy: - Cầu chạy trên; - Cầu chạy dƣới; - Cầu chạy 1.2.1.4 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học giai đoạn khai thác kết cấu chịu lực chính: Hình 1- Các sơ đồ tĩnh học dầm giản đơn, dầm liên tục, dầm hẫng có dầm đeo biểu đồ Moomen tương ứng tĩnh tải - Cầu dầm: dầm giản đơn, dầm liên tục, dầm hẫng (hình 1) - Cầu khung: khung T có dầm đeo, khung T có chốt, khung T liên tục nhiều nhịp, khung chân xiên khung kiểu cống v.v (hình 2) - Cầu vịm (hình 3); - Cầu giàn; - Cầu có kết cấu liên hợp: + Cầu dầm – vòm; + Cầu giàn – vòm; + Cầu dầm - dây (cầu treo dây xiên - dầm cứng BTCT) (hình 4) 1.2.1.5 Phân loại theo hình dạng mặt cắt ngang kết cấu chịu lực chính: - Kết cấu nhịp bản; - Kết cấu nhịp có sƣờn; - Kết cấu nhịp mặt cắt hình hộp 1.2.1.6 Phân loại theo phương pháp thi công kết cấu nhịp: - Với nhịp nhỏ trung bình (L < 25m với cầu nhịp Lcầu < 100m với cầu nhiều nhịp) + Cầu đúc chỗ + Cầu lắp ghép toàn nhịp + Cầu nửa lắp ghép (sƣờn dầm lắp ghép, phần đúc chỗ) - Với cầu BTCT có nhịp lớn: 40 + Cầu đúc chỗ đà giáo cố định; + Cầu đúc chỗ với đà giáo di động; + Cầu thi công theo phƣơng pháp hẫng; + Cầu thi công theo phƣơng pháp đẩy; + Cầu thi công theo phƣơng pháp đặc biệt (quay chở nổi) Hình 1- Một số sơ đồ cầu khung a) Cầu khung liên tục; b) Khung T: dầm đeo; c, d, e, g) Một số dạng mặt cắt ngang nhịp Hình 1- Hình 2b Cầu khung 41 Hình 1- Hình 3a: Một số sơ đồ cầu vịm Cột vịm ; Vịm chính; Phần xe chạy; Thanh treo Vòm cứng; Dầm mềm; Vòm mềm; Dầm cứng a) Thanh treo xiên; b) Cầu vòm chạy giữa; c) Vòm cứng - dầm mềm d) Vòm mềm - dầm cứng; e) Cầu vịm chạy dƣới có treo xiên Hình 1- Hình 3b Cầu vịm chạy 42 Hình 1- Hình 3c Cầu vịm chạy (đang thi cơng) Hình 1- Hình Một số sơ đồ cầu dây xiên - dầm cứng eDây xiên; Cột tháp; Dầm cứng; Dầm ngang khung cột tháp để giữ dầm cứng 43 Hình 4.7: Giả thiết Sơ đồ phương pháp nén lệch tâm Giả sử dầm chủ có mơ men qn tính J nhƣ nhau, kết cấu nhịp có tải trọng P = đặt lệch tâm theo chiều ngang đoạn e ( hình 4.7a ).Vì giả thiết dầm ngang có độ cứng vơ lớn nên áp dụng ngun tắc mơn Cơ học lý thuyết để chuyển tải trọng P = vị trí tim mặt cắt ngang nhịp cầu thêm vào ngẫu lực có mơ men P.e = e Bây tách sơ đồ ban đầu thành hai sơ đồ tƣơng đƣơng với nó, mà sơ đồ thứ có tải trọng P = đặt tâm, sơ đồ thứ hai có M tác dụng Dƣới tác dụng tải trọng P = (hình 4.7b) dầm chủ có chuyển vị thẳng đứng nhƣ phản lực dầm nhau: A0P= A 1P= = A5P = n Trong : n- số dầm chủ, n = Dƣới tác dụng ngẫu lực M = e (hình 4.7c) dầm ngang bị xoay Theo điều kiện cân mô men ta có: a0A0M + a1A1M + = e (a) Mặt khác theo tam giác đồng dạng ta có : A0M a0  A1M a1  A2M a2  (b) Từ (b) rút ra: AiM  A0M a (c) Thay AiM (c) vào (a) rút đƣợc: A0M  Tƣơng tự ta có : 120 e.a  (d) A jM  e.a j (e)  Do kết cấu nhịp đồng thời chịu tác dụng P = M = e nên ta có cơng thức tính hệ số phân bố ngang cho dầm thứ j là: Kj  e.a j  n  (4.5a) Trong công thức (4.5a) trƣớc số hạng thứ hai lấy dấu (+) hay (-) tuỳ theo dầm chủ nằm phía đặt lực lệch tâm hay ngƣợc lại Công thức (4.5a) đƣợc áp dụng dầm chủ có mơ men qn tính J nhƣ Với kết cấu nhịp dầm chủ có mơ men qn tính khác ta dùng công thức (4.5b): Kj  e.a j J i Ji   J i  J i (4.5b) 5.4.3 Trình tự tính tốn - Trƣớc hết cần xét điều kiện áp dụng phƣơng pháp, là: B  0,5 l  1,28.d J l J n  0,005 (4.6) Trong công thức (4.6) : B - Bề rộng đƣờng xe chạy l - Khẩu độ tính tốn d - Khoảng cách hai dầm chủ J - Mơ men qn tính dầm chủ Jn - Mơ men qn tính kết cấu ngang tính chia cho 1m dài dọc nhịp dầm chủ - Nếu thoả mãn điều kiện dùng phƣơng pháp nén lệch tâm chấp nhận đƣợc độ xác so với thực tế - Đặt tải trọng lệch tâm tối đa để xác định độ lệch tâm e tải trọng - Dùng công thức (4.5a) (4.5b) để tính hệ số phân bố ngang 5.4.4 Ưu, khuyết điểm: - Ưu điểm: Dùng thuận tiện tính hệ số phân bố ngang trực tiếp dƣới dạng công thức mà không cần vẽ đƣờng ảnh hƣởng Chỉ cần tính cho dầm chủ ngồi phía lực đặt lệch tâm dầm tiêu chuẩn hoá, đƣợc thiết kế nhƣ Với tổ hợp tải trọng số xe sử dụng chung công thức, cần thay đổi độ lệch tâm e tổng hợp lực - Khuyết điểm: Giả thiết EJn =  nhiều trƣờng hợp không phù hợp với thực 121 tế 5.4.5 Phạm vi áp dụng: - Sử dụng rộng rãi thiết kế sơ - Nên dùng cho cầu hẹp dài B  0,5 Trƣờng hợp cầu có nhiều dầm chủ liên l kết nhiều dầm ngang dầm ngang cứng phƣơng pháp cho kết tƣơng đối phù hợp với thực tế - Thích hợp cho cầu dầm liên hợp dầm thép BTCT 5.4.6 Cách tính tốn mà có vẽ đường ảnh hưởng Cách tính nói dùng để tính hệ số phân bố ngang dầm chủ nhanh mà không cần vẽ đƣờng ảnh hƣởng áp lực dầm ngang lên dầm dọc chủ Tuy nhiên sau tính tốn dầm ngang,vẫn cần vẽ đƣờng ảnh hƣởng Sau trình bầy cách tính vẽ theo đƣờng ảnh hƣởng Đƣờng ảnh hƣởng áp lực dầm chủ thứ i đƣờng thẳng, cần tính tung độ biên trái biên phải, rối nối thành đƣờng thẳng Các tung độ vị trí dầm biên trái vị trí dầm biên phải đƣợc tính theo cơng thức có dạng sau: y tri ¸ i  e.a i e.a ¶i ; y ph    i i n n  a 2j  a 2j m 122 m (4-7a) Hình 4.8: Các đường ảnh hưởng để tính tốn theo phương pháp nén lệch tâm Trong đó: n - Số lƣợng dầm chủ mặt cắt ngang kết cấu nhịp e - Khoảng cách từ điểm đặt lực đơn vị P = (từ vị trí tung độ cần tính) đến trục mặt cắt ngang nhịp Khi tính ytrái yphải lấy : e = a1/ aj - Khoảng cách đôi dầm đối xứng thứ j (ví dụ hình 4-2 có j lần lƣợt 1, 2,3) m - Số lƣợng đôi dầm đối xứng (ví dụ hình 4-8 có m = 3) Nếu dầm chủ có độ cứng J khác cơng thức đƣợc sửa là: 123 y tri ¸ i  Ii a a I  i2 i ;  I j 2. a i I j ¶i y ph  i Ii a a I  i2 i  I j 2. a i I j (4-7b) Trong đó: Ii - Mơmen qn tính dầm chủ thứ i Sau lập đƣợc đƣờng ảnh hƣởng áp lực, việc xác định hệ số phân bố ngang ứng với cách đặt tải bất lợi cho dầm chủ mặt cắt ngang kết cấu nhịp làm giống nhƣ phƣơng pháp địn bẩy Cơng thức tổng qt là: K= yi (4-4a) Cần lƣu ý để tính đƣợc hệ số phân bố ngang K cho dầm ứng với loại tải trọng (ô tô, xe lửa, xe xích, ngƣời bộ, xe bánh nặng) phải vào đƣờng ảnh hƣởng áp lực cụ thể lên dầm mà xếp tải cho đặt đƣợc hệ số K lớn nhất, nghĩa là: y i lớn Chẳng hạn dầm A hình 4-8 phải xếp tải lệch hết mức sang trái (nhƣng không đƣợc để thùng xe lấn vào phần vỉa hè ngƣời bộ) 5.5 Phƣơng pháp tính gần theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 Qua thực tế áp dụng phiên AASHTO liên tục cải tiến điều khoản dẫn tính tốn thiết kế cầu, có nội dung tính tốn hệ số phân bố tải trọng Theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN-272-05 (dựa sở AASHTOLRFD -98) đƣa hệ thống cơng thức tính tốn hệ số phân bố tải trọng cụ thể hơn, nhiên kèm theo qui định điều kiện áp dụng chặt chẽ dƣới 5.5.1 Điều kiện áp dụng Các công thức thông thƣờng qui định điều 4.6.2 áp dụng cho cầu dầm Các cầu gồm nhiều hộp thép có mặt cầu BTCT có cơng thức tính riêng Điều kiện áp dụng cần thỏa mãn yêu cầu sau: + Bề rộng mặt cầu không đổi Nhƣ ý tƣởng TC -2005 phân tích thống kê vị trí bất lợi cho dầm mặt cắt ngang Các kỹ sƣ thiết kế không cần xếp tải mặt cắt ngang để chọn vị trí bất lợi tính hệ số phân bố ngang + Số lƣợng dầm chủ mặt cắt ngang lớn Mục tiêu khoảng cách dầm đủ nhỏ Khi số dầm nhỏ thƣờng áp dụng phƣơng pháp đòn bẩy + Các dầm song song với độ cứng xấp xỉ + Phần hẫng đƣờng xe chạy không 0.91 m + Độ cong mặt có góc tâm nhỏ 120 + Mặt cắt ngang phù hợp với loại dầm sau 5.5.2 Cơng thức tính Hệ số phân bố dùng cho mơ men lực cắt Trong Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 nêu 11 dạng mặt cắt ngang điển hình 124 dạng cầu dầm cầu đánh số từ (a) đến (k) Các mặt cắt bao hàm hầu hết dạng mặt cắt dầm gặp thực tế (Bảng 4.6.2.2.1.1; trang 98 22TCN 272-05) Tuy nhiên phân thành nhóm nhƣ sau: Các nhóm dầm có sƣờn dạng chữ T, chữ I, thép bê tơng có mặt cầu đổ chỗ, dầm BTCT đúc chỗ ( có tính liền khối cao) hình -16: Hình -16: Các dạng mặt cắt ngang kiểu mạng dầm Dầm dạng hộp rỗng kín hở BTCT thép có mặt cầu đúc chỗ Đặc điểm chịu lực có khả chống xoắn tốt so với hệ mạng dầm (hình -17) Hình -17 Hộp bê tơng đúc sẵn có nhiều ngăn Hình 4-18 Bản hộp rỗng lắp ghép có mặt cầu BTCT đổ chỗ hộp rỗng lắp ghép Hình 4-19 125 Mặt cắt lịng máng lắp ghép có mặt cầu đổ chỗ Hình -20 5.5.3 Các điểm cần lưu ý áp dụng hệ số phân bố tải trọng Các cơng thức tính tốn hệ số phân bố tải trọng khơng áp dụng cho mặt cắt ngang có nhiều hộp thép liên hợp BTCT Nhƣ có dạng mặt cắt (a) dùng cho cầu thép, dạng mặt cắt lại dùng cho cầu BTCT, mặt cắt nhiều hộp thép cần bổ sung thêm yêu cầu bảng điều 4.6.2.2.2b Cơng thức tính tốn phức tạp tùy thuộc vào nhiều yếu tố ràng buộc nhƣ loại dầm, dạng mặt cắt ngang, vị trí dầm hay biên, hiệu ứng lực cần tính tốn mơ men hay lực cắt, kích thƣớc chi tiết cấu tạo mặt cắt ngang Có bảng cơng thƣc tính hệ số phân bố cho dầm chủ:  Bảng 4.6.2.2.2a.1: Phân bố hoạt tải theo mô men cho dầm  Bảng 4.6.2.2.2b.1: Phân bố hoạt tải theo mô men cho dầm với mặt cầu thép lƣợn sóng  Bảng 4.6.2.2.2c.1: Phân bố hoạt tải theo mô men dầm dọc biên  Bảng 4.6.2.2.2d.1: Độ giảm hệ số phân bố tải trọng mô men dầm dọc gối tựa chéo  Bảng 4.6.2.2.2e.1: Phân bố hoạt tải theo mô men lực cắt cho dầm ngang  Bảng 4.6.2.2.3a.1: Phân bố hoạt tải theo lực cắt cho dầm  Bảng 4.6.2.2.3b.1: Phân bố hoạt tải theo lực cắt dầm dọc biên  Bảng 4.6.2.2.3c.1: Hệ số điều chỉnh cho hệ số phân bố tải trọng lực cắt góc tù Các bảng tính có qui định chặt chẽ cự ly tim dầm chủ, khoảng cách bị vƣợt q phải dùng ngun lý địn bẩy để tính tốn hệ số phân bố ngang ( điều 4.6.2.2.1) Khi áp dụng công thức bảng tính tốn cho trƣờng hợp xe ứng lực tính tốn phải chia cho 1.2 D/- Trình tự tính tốn hệ số phân bố tải trọng Xem xét cấu tạo thực tế để chọn dạng mặt cắt ngang phù hợp theo bảng 4.6.2.2.1.1 Căn khoảng cách dầm chủ thực tế so sánh với khoảng cách dầm chủ S bảng từ điều 4.6.2.2.2a1 đến điều 4.6.2.2.2d.1 để xác định phƣơng pháp 126 tính tốn, theo cơng thức hay theo ngun lý địn bẩy Nếu S thỏa mãn qui định áp dụng công thức bảng nêu trên, không thỏa mãn tính theo ngun lý địn bẩy  Kg  I Tính tham số Kg; tỷ số     Chú ý thiết kế sơ  Lt  J  s tham số cấu tạo chƣa có nên chọn tham số Đƣa vào cơng thức tính tốn Các ký hiệu công thức nhƣ sau: L- Chiều dài nhịp Kg- Tham số độ cứng dọc: K g  n ( I  A e g2 ) đó: n EB ED tỷ số mô đun đàn hồi dầm mơ đun đàn hồi I- mơmen qn tính dầm ( khơng tính liên hợp) A- diện tích mặt cắt ngang dầm eg - khoảng cách trọng tâm dầm chủ trọng tâm J mô men quán tính chống xoắn ts - chiều dày bê tông mặt cầu (mm) t - chiều dày cánh mặt cầu thép trực hƣớng (mm) (theo điều 4.6.2.6.4) - chiều dày lƣới thép thép hình lƣợn sóng (mm) (điều 4.6.2.1.1) t0 - chiều dày lớp phủ kết cấu (mm) (điều 4.6.2.2.1) Nb- số dầm, dầm dọc phụ hay dầm tổ hợp (dàn) (điều 4.6.2.2.1) N0- số ô dầm hộp bê tông (điều 4.6.2.2.1) NL- số xe thiết kế (điều 4.6.2.2.1) S - khoảng cách cấu kiện đỡ (mm); khoảng cách dầm chủ bụng dầm (mm); độ xiên gối đỡ đo từ đƣờng thẳng vng góc với nhịp (DGE) (điều 4.6.2.1.3);( điều 4.6.2.2.1); (điều 4.7.4.4) Sb - khoảng cách mạng dầm (mm) (điều 4.6.2.1.3) Sb- khoảng cách mạng dầm (mm) (điều 4.6.2.1.3) r - hệ số chiết giảm tác dụng lực dọc cầu chéo (điều 4.6.2.3)  - góc chéo cầu (độ) (điều 4.6.2.2.1) W - tổng bề rộng cầu (mép tới mép) (mm) We- nửa khoảng cách bụng dầm cộng với tổng phần hẫng (mm) (điều 4.6.2.2.1) Wi- bề rộng mép tới mép điều chỉnh cầu lấy giá trị nhỏ hai giá trị bề rộng thực tế cầu 18000 mm de - chiều dài hẫng phần đƣờng xe chạy (hình 2-22) Giá trị de âm, phạm vi áp dụng de khơng thỏa mãn phải tính theo phƣơng pháp địn bẩy 127 hình g hệ số phân bố ngang Cơng thức tính tốn cho bảng sau: Bảng 4.6.2.2.2A.1: Phân bố Hoạt tải theo MÔ MEN dầm bên Dạng mặt cắt Phạm vi áp dụng Loại dầm thích hợp lấy Các hệ số phân bố (g) từ bảng 4.6.2.2.1.1 Mặt bê tông mặt cầu kiểu mạng dầm lấp đầy; kiểu mạng dầm lấp đầy phần dầm thép dầm bê tông, dầm BT chữ T, mặt cắt chữ T chữ T kép Dầm hộp bê tông nhiều ngăn Cho a, e, k Một thiết kế chịu tải: 0.1 Cũng cho i,j  S   S   K g  đƣợc liên 0.06      4300    L   Lt s  kết đủ để làm việc nhƣ Hai hai thiết kế chịu tải: khối 0.1 0.6 0.2  S   S   K g  0.075       2900   L   Lt s3  Dùng giá trị nhỏ hai giá trị tính từ cơng thức với Nb =3 tính phân bố tải trọng theo nguyên tắc đòn bẩy Một thiết kế chịu tải: d S  300   1.75    1100  L   0.35   N      0.45 Hai hai thiết kế chịu tải:  13   S          N    430   L  Mặt bê tông dầm hộp bê tông mở rộng  S     910  b,c 0.35  Sd   2 L  0.25 0.28 Hai hai lần thiết kế chịu tải  S   Sd   o,6   910   L  128 1100  S  4900 110  ts  300 6000  L  73000 Nb  0.128 Nb = 2100  S  4000 110  ts  300 18000  L  73000 N0  Nếu N0 lấy N0= 1800  S  3500 6000  L  43000 450  d  1700 Nb  S  3500 Dùng nguyên tắc đòn bẩy Một thiết kế chịu tải Dầm bê f tông đƣợc g dùng đƣợc liên mặt cầu nhiều kết đủ để làm dầm việc nhƣ khối  b  k   2.8L  0, 900  b  1500 6000  L  37000  Nc  20 0.28 Trong đó: K= 2,5  N b  0.2  1,5 Hai hai lần chịu tải  b  k   7600  h I   J 0, 0.2 h  I       L  J  Số chịu tải bất kỳ: S/D đó: C  K W / L  0.06 g,i,j Nếu đƣợc liên kết đầy đủ D  300 11.5  N c  1.4 N L 1  0.2C  để ngăn chặn D  30011.5  N L  chuyển dịch 1   I K thẳng đứng J tƣơng đối Để thiết kế sơ chọn các mặt tiếp xúc giá trị sau K Loại dầm K Dầm chữ nhật không khoét lỗ 0.7 Dầm chữ nhật có lỗ trịn 0.8 Dầm mặt cắt hộp 1.0 Dầm hình máng 2.2 Dầm T 2.0 Dầm T kép 2.0 Mặt cầu thiết kế chịu tải: dạng lƣới a S/2300 tg  100 mm thép đặt S/3050 tg < 100 MM dầm thép thiết kế chịu tải: S/2400 tg  100 mm S/3050 tg # 100 MM Số chịu tải bất kỳ: b,c N 0.425 0.5  0.85 L  Nb NL   S < 1800 mm S < 3200 mm 0.5  NL  1.50 Nb Bảng 4.6.2.2.2b-1 - Phân bố hoạt tải mô men dầm với mặt cầu thép lƣợn sóng thiết kế chịu tải thiết kế chịu Phạm vi áp tải dụng S/2800 S/2700 S # 1700 TG # 50 129 Bảng 4.6.2.2.2c-1 Phân bố hoạt tải theo mô men dầm dọc biên Loại kết Mặt cắt làn Phạm vi áp cấu nhịp thích hợp chịu tải chịu tải thiết kế dụng lấy từ Bảng thiết kế 2.4.6.2.21-1 Mặt cầu bê tông, mặt cầu dạng lƣới lấp đầy lấp phần dầm bê tông thép; Dầm bê tông chữ T, mặt cầu T T kép Dầm hộp bê tông nhiều ngăn, dầm hộp Mặt cầu bê tông dầm hộp bê tông mở rộng Cho a, e, Quy g= e gdầm k tắc đòn -300  de  d e  0.77  e dùng cho i, j bẩy 1700 2800 đƣợc liên kết đủ chặt Nb  chẽ để làm Dùng giá trị nhỏ Nb = việc nhƣ hai giá trị tính từ khối cơng thức với Nb =3 tính phân bố tải trọng theo nguyên tắc đòn bẩy d b, c g We 4300 Quy tắc đòn bẩy W#S We 4300 g= e gdầm g e  0.97  de 8700 -300  de  1400 1800 # S# 3500 S  3500 Dùng quy tắc địn bẩy Dầm hộp bê tơng sử dụng kết cấu nhịp nhiều dầm e, f Dầm bê tông, h trừ dầm hộp đƣợc i, j sử dụng liên kết mặt cắt cầu nhiều đủ để ngăn dầm chặn chuyển vị thẳng đứng tƣơng đối mặt tiếp xúc Mặt cầu dạng lƣới dầm a thép Mặt cầu bê tông dầm b,c thép nhiều hộp 130 Quy tắc đòn bẩy g= e gdầm Quy tắc đòn bẩy Quy tắc đòn bẩy Khơng áp dụng Quy tắc địn bẩy Quy tắc địn bẩy Không áp dụng e  1.04  de 7600 -300  de  1700 Nhƣ bảng 4.6.2.2.2b-1 Bảng 4.6.2.2.2d-1 Độ giảm hệ số phân bố tải trọng mô men dầm dọc gối tựa chéo Dạng kết cấu nhịp Mặt cắt Số chịu tải Phạm vi áp thích hợp lấy dụng từ Bảng 2.4.6.2.2.1-1 Mặt cầu bê tông, mặt cầu dạng lƣới lấp đầy lấp phần dầm bê tông thép; Dầm bê tông chữ T, mặt cầu T T kép Mặt cầu bê tông dầm hộp bê tông mở rộng Dầm hộp bê tông mặt cắt T kép sử dụng kết cấu nhiều nhịp Cho a, e, k dùng cho i, j đƣợc liên kết đủ chặt chẽ để làm việc nhƣ khối b, c, f, g 1-c1 (tan )1,5  K  c1  0,25 s2   LI   Ý 0, 25 S   L 0.5 Nếu  < 300 c1=0,0 Nếu  > 600 sử dụng =600 1.05 - 0.25 tg  1.0  > 600 sử dụng  = 600 300    600 1100  S  4900 6000  L  73000 Nc #    600 Bảng 4.6.2.2.2e-1- Phân bố tải trọng theo mô men lực cắt cho dầm ngang Loại mặt cầu Phân số tải trọng Phạm vi áp dụng bánh xe cho dầm sàn Bê tông S # 1800 S 1800 Lƣới thép tg # 100 S S # 1500 1400 Lƣới thép tg # 100 S S # 1800 1800 Tấm mặt cầu thép lƣợn sóng tg # 50 S 1700 Bảng 4.6.2.2.3a.1- Phân bố hoạt tải theo lực cắt dầm Dạng mặt Các hệ số phân bố (g) cắt thích Phạm vi áp hợp lấy Một xe Hai dụng Loại dầm từ bảng thiết kế hai xe thiết kế 4.6.2.2.1 131 Mặt bê tông mặt cầu kiểu mạng dầm lấp đầy; kiểu mạng dầm lấp đầy phần dầm thép dầm bê tông, dầm BT chữ T, mặt cắt chữ T chữ T kép Phần hộp bê tông nhiều ngăn, dầm hộp Mặt cầu bê tông dầm hộp bê tông mở rộng Cho a, e, k Cũng cho i,j đƣợc liên kết đủ để làm việc nhƣ khối d b, c 0.36  S 7600 0.20  Quy tắc đòn bẩy Quy tắc đòn bẩy  S  d       3050   L   S  d       3050   L   S     2200  Dầm bê tông, trừ dầm hộp đƣợc sử dụng mặt cắt cầu nhiều dầm Mặt cầu dạng lƣới dầm thép Mặt cầu bê tông dầm thép nhiều hộp f,g h i, j liên kết đủ để ngăn chặn chuyển vị thẳng đứng tƣơng đối mặt tiếp xúc a b,c b 0.70    L 0.15 I   J d    L 0.8  S  d       2250   L  Quy tắc địn bẩy Dầm hộp bê tơng kết cấu nhịp nhiều dầm S  S    7600  10700  2.0 Nb = 0.1 Quy tắc đòn bẩy 0.05  b     4000  0.4 b   L I   J 1100 S  4900 110  ts  300 6000L  73000 Nb  0.05 1800 S  4000 890  d  2800 6000  L  73000 Nb  1800 S  3500 450  d  1700 6000L  43000 Nb  S 3500 900 # b # 1500 6000#L # 37000 # Nb # 20 1.0 x 1010 # J # 2.5 x 1011 1.7 x 1010 # I # 2.5 x 1011 Quy tắc đòn bẩy Quy tắc địn bẩy Khơng áp dụng Quy tắc địn bẩy Quy tắc địn bẩy Khơng áp dụng Nhƣ bảng 4.6.2.2.2a-1 Bảng 4.6.2.2.3b-1 - Sự phân bố hoạt tải theo lực cắt dầm biên Dạng kết Mặt cắt thiết Phạm vi cấu nhịp thích hợp lấy kế chịu tải thiết kế chịu áp dụng 132 Mặt cầu bê tông, mặt cầu dạng lƣới lấp đầy lấp phần dầm bê tông thép; dầm T bê tông, mặt cắt T T kép Dầm hộp bê tông nhiều ngăn, dầm hộp từ bảng 4.6.2.2.1-1 Cho a, e, k cho i, j đƣợc liên kết chắn để làm việc nhƣ khối tải Quy tắc đòn bẩy G=e.g bên d e  0,6   e 3000 Quy tắc đòn bẩy -300de1700 G=e.g bên d e  0,64   e 3800 G=e.g bên d e  0,8   e 3050 Quy tắc đòn bẩy G=e.g bên de e  1,02   15000 -600de 1500 Nb=3 d Quy tắc địn bẩy Mặt cắt bê tơng dầm hộp bê tơng mở rộng b, c Quy tắc địn bẩy Dầm bê tông đƣợc sử dụng kết cấu cầu nhiều dầm Dầm bê tông trừ dầm hộp đƣợc sử dụng kết cấu nhịp nhiều dầm f, g Quy tắc đòn bẩy h i, j Nếu liên kết đủ để ngăn chặn chuyển vị tƣơng đối thẳng đứng mặt tiếp xúc a Quy tắc đòn bẩy Quy tắc địn bẩy Khơng áp dụng Quy tắc địn bẩy Quy tắc địn bẩy Khơng áp dụng Mặt cầu lƣới thép dầm thép Mặt cầu bê tông dầm thép nhiều hộp b,c 0de  1400 S >3500 300de  600 Nhƣ bảng 4.6.2.2.2a-1 Bảng 4.6.2.2.3c-1 Hệ số điều chỉnh cho hệ số phân bố tải trọng lực cắt góc tù 133 Dạng kết cấu nhịp Mặt cắt thích hợp lấy từ bảng 4.6.2.2.1-1 Mặt cầu bê tông mặt cầu dạng lƣới lấp đầy phần dầm bê tông thép; dầm bê tông dạng chữ T, mặt cắt T T kép Dầm hộp bê tông nhiều ngăn, dầm hộp Cho a, e, k dùng cho i,j liên kết đủ chặt chẽ để làm việc nhƣ khối Dầm hộp bê tông dầm hộp bê tông mở rộng b,c Dầm hộp bê tông sử dụng kết cấu nhịp nhiều dầm f,g 134 d Hệ số điều chỉnh  LI 1.0  0,20 s  Ks      Phạm vi áp dụng 00   600 0.3 tan  1800 S  4900 6000 L  73000 NB # L   1.0   0.25   tan  70d   00   600 1800 S  4000 900 d  2700 6000 L  73000 NB # 1.0  Ld tan  6S L tan  1.0  90d 00   600 1800 S  3500 450 d  1700 6000L  43000 NB # 00   600 900 b  1500 430 d  1500 6000L  37000 # NB # 20 ... 325 365 400 A B C D E 5-4 5-7 5 -1 2 5 -1 9 13 5 16 5 215 265 60 60 60 70 85 11 0 15 0 18 0 10 0 10 0 16 0 210 5-2 2 290 77 200 5-2 7 5- 31 315 315 92 10 0 5-3 7 370 5-4 2 5-4 8 5-5 5 6-3 6-4 G Hình Neo bó cáp ứng... 200 11 7 305 390 430 465 13 5 16 5 11 2 12 2 15 0 60 60 290 290 320 90 11 0 340 340 340 10 0 10 0 217 235 250 58 85 12 7 13 7 14 2 39 54 325 365 400 95 12 5 6-7 215 60 15 0 16 0 12 0 72 15 0 6 -1 2 6 -1 9 6-2 2 6-2 7... 6-2 2 6-2 7 6- 31 6-3 7 6-4 2 265 315 315 370 390 430 465 75 92 10 0 11 2 12 2 14 2 14 5 18 0 220 13 0 250 270 330 320 210 300 300 320 340 340 340 14 5 17 5 17 5 200 217 235 250 87 10 7 10 7 11 7 12 7 13 7 14 2 200