Giáo trình Cầu thép Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP 1.1 Những đặc điểm phạm vi sử dụng 1.1.1 Những đặc điểm a Những đặc điểm Cầu thép cầu có kết cấu nhịp thép Hình 1-1 Một số cầu thép Thép vật liệu hoàn chỉnh sử dụng rộng rãi ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt ngành xây dựng giao thông vận tải Đặc điểm bật là: - Có độ bền cao ứng với loại ứng suất kéo, nén, cắt, uốn, xoắn, … - Vật liệu có tính đồng nhất, đẳng hướng cao Do sử dụng để xây dựng tất loại cầu khác cầu dầm, cầu dàn, cầu treo, cầu vòng hệ liên hợp Thép có trọng lượng thân nhẹ số CthépR thép nhỏ (là tỉ số trọng lượng riêng cường độ tính tốn vật liệu) Do thép có khả vượt nhịp lớn mà vật liệu khác không thực Hiện nhịp lớn cầu dây văng dầm cứng BTCT vòm BTCT 500m cầu dàn thép đạt đến 550m, vầu dây văng dầm thép gần 1000m, cầu treo dây võng đạt đến 2000m có dự án lên đến 4500m Thép cịn có mơđun đàn hồi lớn nên độ cứng lớn, độ võng nhỏ nên cầu thép đáp ứng điều kiện khai thác bình thường, chịu ảnh hưởng loại tải trọng có tính chu kỳ động đất, gió bão Thép có độ dẻo cao Sự phá hoại thép thường diễn trạng thái dẻo tức kèm theo biến dạng lớn làm phân bố lại nội lực ứng suất Do thép chịu xung kích mỏi tốt Về mặt lý hố thép có tính đồng cao Dưới ảnh hưởng nhiệt độ, cường độ mơđun đàn hồi thay đổi nên thường làm việc tốt điều kiện nhiệt độ môi trường biến đổi Mô đun đàn hồi tốt tính chịu nhiệt cao ưu điểm thép so với loại vật liệu chất dẻo Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn dập, đúc cán, hàn nên tạo thành chi tiết, loại kết cấu thoả mãn yêu cầu hình dáng kiến trúc; đồng thời tạo khả cơng nghiệp hố, tự động hố chế tạo cơng xưởng, giới hố cao vận chuyển lắp ráp tạo điều kiện thi công nhanh sớm đưa cơng trình vào sử dụng Một đặc điểm quan trọng cầu thép có nhiều dạng liên kết tin cậy bulông, đinh tán, hàn dán Các loại liên kết đảm báo tính lắp ghép cao, dễ lắp, dễ tháo, dùng cơng trình vĩnh cửu, kết cấu phụ tạm cơng trình quốc phịng Thép q trình sử dụng bị gỉ tác dụng mơi trường ẩm, mặn, acid khí độc khác Hiện tượng gỉ ãn mòn thép làm giảm tiết diện chịu lực, hư hỏng liên kết giảm tuổi thọ cơng trình Hiện có nhiều biện pháp chống gỉ sơn, mạ dùng thép không gỉ nói chung cầu thép thường xuyên kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ sơn phủ định kỳ Mặc dù có nhược điểm khơng hạn chế việc sử dụng vật liệu thép cơng trình cầu vượt nhịp lớn đường ô tô, đường sắt, loại cầu tạm, cơng trình có u cầu thi cơng nhanh, vận chuyển dễ dàng cơng trình qn b Ưu điểm Thép loại vật liệu hoàn chỉnh Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén chịu kéo cao Théo có độ dự trữ biến dạng cường độ cao mà vật liệu khác khơng có chịu ổn định tải trọng tốt Thời gian xây dựng cầu thép nhanh cầu bê tơng Nó lắp dựng dễ dàng qua sống suối, thung lũng điều kiện môi trường khác nên giảm giá thành xây dựng Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu phần Điều có ý nghĩa gặp địa chất xấu Kết cấu nhịp cầu thép thiết kế chiều cao thấp cầu bê tông nên giảm chiều cao kiến trúc sử dụng cầu vượt, cầu đường cao tốc,… Cầu thép dễ sửa chữa sửa chữa nhanh cầu bê tông c Nhược điểm Thép kim loại dễ bị ăn mịn tác dụng mơi trường phải tốn nhiều cơng sức, chi phí để bảo dưỡng Hiện sử dụng loại thép chống gỉ không công bố nhà sản xuất Giá thành sơn cầu thép suốt thời gian phục vụ lớn Vấn đề cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường sức khỏe người Thép loại vật liệu khơng có sẵn tự nhiên, giá thành vật liệu làm cầu thép cao Chính nhược điểm mà làm giảm hấp dẫn so với cầu bê tơng ứng suất trước 1.1.2 Phạm vi ứng dụng Phạm vi chiều dài nhịp kinh tế áp dụng hệ thống cầu nói tham khảo bảng 1-1 Chiều dài nhịp hệ thông cầu thực tế lớn nhiều so với trị số ghi bảng 1-1, song theo nhà chuyên mơn phân tích khơng mang lại hiệu kinh tế nhiều trường hợp chi phí tốn nên cần cân nhắc kỹ lưỡng trước định lựa chọn phương án kết cấu cầu cho phù hợp với mục tiêu dự án Bảng 1-1 Phạm vi chiều dài nhịp kinh tế áp dụng hệ thống cầu Hệ thống cầu Cầu dầm nhịp đơn giản Cầu dầm liên tục có chiều cao khơng thay đổi Cầu dầm liên tục có biên gãy khúc cong Cầu dầm khung Cầu dầm hộp liên tục Cầu dàn đơn giản Cầu dàn liên tục Cầu dàn mút thừa Cầu vòm Cầu dây văng Cầu treo dây võng Chiều dài nhịp kinh tế (m) đến 30 đến 120 50 – 200 40 – 200 100 -250 30-150 150-400 250 – 550 200 – 500 250 – 600 350 - 1300 1.2 Vật liệu dùng cầu thép 1.2.1 Các loại thép kết cấu Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05, cầu thép thường dùng loại thép sau: - Thép cácbon hay thép kết cấu M 270M cấp 250 - Thép hợp kim thấp cường độ cao M 270M cấp 345 345W - Thép hợp kim thấp gia nhiệt M 270M cấp 485W -Thép hợp kim thấp gia nhiệt với cường độ chảy dẻo cao M270M cấp 690 690W 1.2.1.1 Thép Cacbon Thép cacbon dùng phổ biến cầu thép, đặc điểm bật loại thép là: có hàm lượng cacbon thấp, dễ gia cơng khí Loại thép có mác CT3 cầu dùng cho phân chủ yếu kết cấu nhịp tán nối Ngoài cịn có loại M16C chun dùng cho cầu liên kết hàn Hai loại thép tương đương với thép C38/23 Nhật Bản Thép CT2 CT1 dùng cầu chủ yếu đinh tán mềm có độ dãn dài lớn thép CT3 cầu Thép M16C dùng mặt kinh tế khơng cạnh tranh với thép hợp kim thấp Một số đặc trưng học thép cacbon cho bảng 1-2 Bảng 1-2 Các đặc trưng thép Cácbon 1.2.1.2 Thép hợp kim thấp Trong trình luyện thép người ta đưa thêm số chất phụ gia làm tăng mt số tính chất tốt cuả thép loại kết cấu đòi hỏi Các chất thường là: Đồng (Cu) làm tăng độ dẻo khả chống gỉ thép; Crom (Cr) Mangan (Mn); Niken (Ni) Silic (Si) làm tăng cường độ thép Thép hợp kim thấp có cường độ lớn gấp 1,4 đến 1,5 lần thép CT3 cầu Với tính chất vậy, thép hợp kim thấp sử dụng rộng rãi Trong xây dựng cầu dùng loại thép có mác sau: 15XCНД; C50/35; 10XCНД; C55/40; 12ГМФТ; C60/45 1.2.1.3 Thép cường độ cao Do áp dụng tiến khoa học công nghệ luyện thép, sản xuất nhiều thép cường độ cao từ thép cacbon hay thép hợp kim cách xử lý nhiệt Thép cường độ cao thường có ứng suất kéo đứt lớn gấp đến lần thép hợp kim gấp đến lần thép cacbon Tuy nhiên giá thành loại thép thường cao địi hỏi cơng nghệ gia cơng phức tạp Thép cường độ cao có hàm lượng cacbon lớn thép cacbon 1,5 đến lần Vì tính dịn cao, khó gia cơng khí Loại thép chưa dùng rộng rãi phận chủ yếu kết cấu nhịp cầu mà làm bulông cường độ cao 1.2.1.4 Thép đúc Thép đúc chế tạo lò Mactanh, thép có chứa 0,22 - 0,30%C lượng nhỏ Silic Mangan Tính chất học thép có giới hạn bền 4000kG/cm2; giới hạn chảy 2400kG/cm2; độ dãn dài tương đối 19%; môđun đàn hồi Et = 2,1.106 kG/cm2 Thép đúc sử dụng dùng cho gối cầu, khớp vài phận đặt biệt khác Loại thép dùng loại thép có mác 25Л 1.2.1.5 Thép làm dây cáp, que hàn Trong cầu treo thường dùng loại cáp trịn khơng có lõi, bện sợi thép cán nguội có giới hạn bền từ 12000 đến 180000kG/cm2 Trong cầu dầm đặc liên kết hàn chất lượng que hàn ảnh hưởng lớn đến chất lượng mối hàn Khi hàn tự động hay bán tự động thép M16C thường dùng que hàn thép cacbon có số hiệu CB - 08A CB - 08RA Khi hàn thép hợp kim thấp dùng que hàn CB - 08RA; CB - 08RC; CB - 10R2 Khi hàn tay thép M16C dùng que hàn loại E - 42A, hàn thép hợp kim dùng loại E - 50A 1.2.1.6 Thép hình Trong xây dựng cầu thép, thường sử dụng số loại thép cán định hình sau: Thép góc, thép chữ I, thép hình máng, thép bản, thép ống số loại thép hình đặc biệt để làm mặt cầu (hình 1-2) a Thép (hình 1-2a) Thép có hai loại thép rộng thép vạn Thép rộng Liên xô cũ sản xuất có chiều dài - 12m, chiều rộng loại lớn 2000 - 3600mm, chiều rộng loại nhỏ 160 - 1050mm, chiều dày thép từ đến 60mm Trong cầu thép, thép sử dụng cho phận chịu lực chủ yếu với chiều dày 10 - 12mm, giằng liên kết chiều dày 8mm đệm chiều dày nhỏ 4mm b Thép góc (hình 1.2b 1.2c) Thép góc có hai loại thép góc cánh loại cánh khơng Thép góc cánh (hình 6.1b) có chiều rộng cánh Các cánh có mép song song, góc hai cánh có lượn trịn để dễ cán bảo đảm độ bền Chiều rộng cánh từ 20 đến 250mm, chiều dày cánh phụ thuộc vào chiều rộng có độ dày từ - 4mm đến 20 - 25mm Thép góc cánh khơng (hình 1-2c) có chiều rộng cánh khơng Cánh dài gấp khoảng 1,5 lần cánh ngắn Kích thước lớn thép góc khơng cánh 250x160x20mm Hình 1-2 Thép hình Bảng 1-3 cho đặc tính học tối thiểu thép, có cường độ chịu kéo nhỏ (Fu) cường độ nhỏ đứt thí nghiệm kéo thép cường độ chảy nhỏ (Fy) cường độ vật liệu giới hạn chảy thí nghiệm kéo thép Đối với tất loại thép thiết kế lấy môđun đàn hồi E = 200000 MPa hệ số giãn nở nhiệt 11,7 10-6 mm/mm/00C Trong loại thép bảng 1-3 M 270M ký hiệu thép cịn cấp loại thép cường độ chảy tính MPa Thí dụ thép cấp 345 cường độ chảy thép 345MPa, chữ W sau cấp thép thép chống gỉ, thí dụ thép cấp 690W thép chống gỉ có cường độ chảy 690MPa Tất loại thép cho bảng 1-3 thép hàn Chiều dày nhỏ thép cầu thép quy định điều 6.7.3 sau: - Thép kết cấu bao gồm liên kết ngang, liên kết dọc loại nút trừ sườn dầm thép hình, sườn tăng cường kín mặt cầu có trực hướng (bản orthotrope), đệm thép lan can phải có chiều dày tối thiểu 8mm - Chiều dày sườn thép hình, sườn tăng cường kín mặt cầu có trực hướng phải có chiều dày tối thiểu 7mm - Với kết cấu phận kết cấu chịu ảnh hưởng ăn mịn nghiêm trọng phải bảo vệ đặc biệt chống ăn mòn phải quy định chiều dày bị ăn mòn để tăng thêm chiều dày thép thiết kế Bảng 1-3 Các đặc tính tối thiểu thép kết cấu theo hình dáng, cường độ chiều dày Ký hiệu Thép kết AASHTO cấu Thép hợp kim thấp cường độ cao Thép hợp kim thấp Thép hợp kim gia nhiệt cường độ gia nhiệt chảy cao M 270M cấp 250 M 270M cấp 345 M 270M cấp 345W M 270M cấp 485W M 270M cấp 690/690W Kí hiệu ASTM tương đương A 709M cấp 250 A 709M cấp 345 A 709M cấp 345W A 709M cấp 485W A 709M cấp 690/690W Chiều dày thép, mm Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65 đến 100 áp Không áp dụng 690 Tấtcả Tất Tất Khơng áp Khơng nhóm nhóm dụng dụng nhóm Cường độ chịu 400 450 485 620 760 kéo nhỏ Fu (Mpa) Điểm chảy 250 345 345 485 690 620 nhỏ cường độ chảy nhỏ Fy (Mpa) 1.2.2 Liên kết bulông Bulông dùng cầu bulơng thường bulơng cường độ cao Bulông thường dùng chủ yếu phận phụ lan can, ống thoát nước v.v Bulông cường độ cao dùng phổ biến cầu mối nối thực công trường Liên kết bulơng cường độ cao làm việc theo ma sát hay theo ép tựa Thép hình Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu, tải trọng va chạm mạnh, chấn động lớn… phải dùng liên kết ma sát, cụ thể là: - Các mối ghép chịu tải trọng mỏi - Các mối nối chịu cắt với bulông lắp vào lỗ cỡ - Các mối nối chịu cắt với bulông lắp vào lỗ ôvan ngắn dài, lực tác dụng lên mối nối khác với phương thẳng góc với trục dài lỗ ơvan - Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu - Các mối nối bulơng tham gia truyền tải trọng bề mặt tạo nhám - Các mối nối kéo dọc trục kéo dọc trục đồng thời cắt - Các mối nối chịu nén dọc trục với lỗ tiêu chuẩn lỗ ôvan lớp liên kết, phương tải trọng thẳng góc với phương trục dài lỗ ơvan Các liên kết chịu ép tựa dùng cho mối nối chịu nén dọc trục mối nối hệ liên kết với điều kiện phải thỏa mãn sức kháng tính tốn trạng thái giới hạn cường độ 1.2.3 Liên kết hàn Liên kết hàn dùng phổ biến kết cấu thép mối nối cơng xưởng liên kết hàn đơn giản mặt cấu tạo, tiết kiệm vật liệu, nhiên mối hàn lớn cần quan tâm đặc biệt đến biến dạng ứng suất dư Để giảm biến dạng ứng suất dư cần phải quan tâm đến cơng nghệ hàn trình tự hàn, thí dụ hàn dầm chữ I trình tự hàn thực theo thứ tự 1, 2, (hình 1-3) mối hàn nhiều lớp lớp sau hàn theo hướng ngược lại với lớp trước v.v… Hình 1-3 Trình tự hàn ghép Khi hàn kim loại bản, kim loại hàn phải tuân theo yêu cầu quy chuẩn Phải sử dụng kim loại hàn (kim loại que hàn, dây hàn) phù hợp với kim loại (kim loại vật liệu hàn) trừ trường hợp có quy định riêng 1.3 Phân loại cầu thép 1.3.1 Cầu dầm Khi nghiên cứu cầu thép theo quy trình Thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn xét ba loại cầu dầm: - Cầu dầm hay cầu dầm đặc cầu mà dầm thép mặt cầu (có thể bê tơng, gỗ hay thép) có liên kết để chống xê dịch tương đối, khơng có liên kết chống trượt (neo) Ở cầu dầm mặt cầu không tham gia chịu uốn với dầm chủ Hiện cầu dùng làm cầu tạm để phục vụ thi công cầu có thời gian khai thác ngắn a) b) Hình 1-4 Cầu dầm thép a) Cầu dầm giản đơn b) Cầu dầm liên tục - Cầu liên hợp dầm thép – bê tông cốt thép (gọi tắt cầu liên hợp) gồm có mặt cầu bê tông cốt thép, dầm chủ thép, dầm có neo liên kết chắn để tạo thành kết cấu liền khối Trong cầu liên hợp mặt cầu tham gia làm việc với dầm chủ Hiện với cầu có bề rộng khơng q lớn (hơn 20m) điều kiện tịnh không thông thuyền cho phép người ta hay áp dụng cầu liên hợp hai dầm chủ, khoảng cách hai dầm chủ từ 3m đến 14m, dầm ngang với khoảng cách khoảng 4m đẩy lên cao ngang với mặt cánh dầm chủ Neo liên kết bố trí dầm chủ dầm ngang, tùy khoảng cách hai dầm chủ khoảng cách dầm ngang mà mặt cầu làm việc kê cạnh hai cạnh (hai dầm ngang) Cầu liên hợp hai dầm chủ tiết kiệm thép, giảm thời gian thi cơng có giá thành thấp nên dùng phổ biến cho kết cấu nhịp giản đơn liên tục - Cầu có trực hướng cầu có mặt thép tăng cường sườn tăng cường dọc ngang Bản mặt cầu tham gia chịu uốn với dầm chủ Ưu điểm cầu có trực hướng trọng lượng mặt cầu nhẹ nên thường dùng cho cầu có độ lớn Cầu dầm thường có ba phận chính: mặt cầu, dầm chủ hệ liên kết Mặt cầu nghiên cứu môn học Tổng quan cầu mố trụ cầu, xét cấu tạo dầm chủ hệ liên kết, khái niệm nghiên cứu phần trước không nhắc lại 1.3.2 Cầu dàn Ở nước ta cầu dàn dùng nhiều cầu đường sắt, thiết kế cầu dàn dùng quy trình 22TCN-18-79 chưa có quy trình cho cầu đường sắt Phần đầu nghiên cứu tính cầu thép theo quy trình cũ nghiên cứu kỹ cấu tạo, giới thiệu vấn đề khác với quy trình cũ vấn đề mà quy trình cũ chưa đề cập đến Quy định chung: Các cấu kiện dàn phải bố trí đối xứng qua mặt phẳng trung tâm dàn Nếu hình dạng dàn cho phép nên bố trí biên chịu nén liên tục Khi bụng (thanh xiên đứng) chịu ứng suất đổi dấu, liên kết đầu chúng không chốt Nên tránh dùng xiên phụ a) b) Hình 1-5 Cầu dàn thép a) Dàn giản đơn b) Dàn liên tục 1.3.3 Cầu thép kiểu vòm Đối với đoạn nhịp gần bờ dùng cần cẩu đứng đường tạm khu vực bãi sông để cẩu lắp cụm dầm đặt lên nhịp Đối với đoạn nhịp khu vực ngập nước dùng cần cẩu đứng hệ để cẩu lắp cụm dầm Tiến hành sàng ngang liên kết cụm dầm hệ liên kết dọc, ngang Hạ kết cấu nhịp xuống gối Làm kết cấu mặt cầu hoàn thiện cầu d Nguyên tắc sử dụng trụ tạm thi công lắp ráp chỗ KCN - Vị trí: Trụ tạm bố trí mối nối thi công - Cấu tạo: Trụ tạm làm kết cấu vạn UYKM MYK - Số trụ tạm: Nếu trụ thấp từ 4-6m nên bố trí dầm trụ tạm làm việc độc lập, trường hợp trụ cao 6m nên sử dụng trụ tạm có xà mũ để giảm tối đa số lượng móng trụ tạm phải xây dựng đồng thời làm tăng tính ổn định trụ Hình 3-24 Cấu tạo đà giáo trụ tạm - Móng trụ: cạn ta sử dụng móng rọ đá đặt đá dăm đệm cịn nơi ngập nước ta sử dụng móng cọc thép từ thép định hình I [ , - Biến dạng trụ tạm gồm thành phần: Biến dạng dư biến dạng đàn hồi Biến dạng dư lún không đàn hồi nền, co ép điểm kê độ rơ rão liên kết trụ tạm bu lông thi công Biến dạng khó kiểm sốt nên phải khử biện pháp chất tải đồng thời kết hợp với công tác thử tải trụ tạm trước lắp ráp kết cấu nhịp Biến dạng đàn hồi độ lún móng xác định theo lý thuyết tính tốn sức bền vật liệu móng 3.2.5.2 Biện pháp lắp chỗ theo phương pháp lắp hẫng a Nguyên tắc chung - Dầm chủ chia thành nhiều đốt thực mối nối công trường - Phạm vi áp dụng: Cầu dầm liên tục có chiều cao thay đổi Cầu cao Sông thông thuyền 68 b Tổ chức thi công lắp hẫng - Sơ đồ tổ chức thi công Hình 3-25 Sơ đồ thi cơng lắp hẫng - Trình tự thi cơng: Trên đỉnh trụ chính, dựng kết cấu đà giáo mở rộng trụ Trên đà giáo mở rộng trụ lắp đốt K0 K1 tạo mặt cho lắp hẫng Neo tạm đốt đỉnh trụ vào trụ trụ tạm kết cấu đà giáo Đưa cần cẩu lắp hẫng lên mặt đốt đỉnh trụ Dùng cần cẩu lắp hẫng lắp đốt dầm (hoặc đốt cụm dầm) nối dài hai phía trụ Hợp long nhịp Lắp hẫng tiếp hai phía nhịp biên gối lên trụ biên Tháo liên kết tạm - Kết cấu đà giáo mở rộng trụ: dạng dầm gác trụ tạm dạng chống xiên Hình 3-26 Cấu tạo đà giáo mở rộng trụ - Cần cẩu chân cứng cho lắp hẫng: 69 Hình 3-27 Cần cẩu chân cứng dùng lắp hẫng nhịp cầu thép 3.2.6 Biện pháp sàng ngang dầm 3.2.6.1 Đặc điểm công tác sàng ngang - Công tác sàng ngang thi công kết cấu nhịp cầu di chuyển kết cấu nhịp nhóm dầm theo phương ngang phạm vi đỉnh trụ, mố - Trong q trình thi cơng lao kéo dọc ta phải sàng ngang nhằm đưa cụm dầm từ đường trượt sang vị trí kê gối Ngồi ra, biện pháp thi công lắp đặt khác, kết cấu nhịp bị lệch khỏi vị trí tim gối phải áp dụng biện pháp sàng ngang để đưa vị trí điểm kê - Do phải di chuyển cự ly ngắn điều kiện mặt thi công chật hẹp nên biện pháp thi công phải gọn xác với tốc độ di chuyển chậm 3.2.6.2 Cấu tạo đường trượt ngang - Đường trượt dưới: Được cấu tạo từ đoạn ray đôi ngắn nối với để tháo rời cách dễ dàng Đường trượt bố trí đỉnh trụ nối từ vị trí đường trượt lao dọc đến hết chiều dài xà mũ trụ Cao độ đường trượt ngang với cao độ đường trượt lao dọc - Đường trượt trên: gọi “Bàn máp” Được cấu tạo từ đoạn thép chữ U, uốn cong hai đầu thuyền, lòng chữ U úp xuống mặt ray Trên bề mặt tiếp xúc với mặt ray bôi mỡ để giảm ma sát Trên lưng đoạn thép chữ U hàn đoạn thép góc làm điểm chặn giữ đoạn tà vẹt kê giữ kết cấu nhịp lên - Đường trượt ngang bố trí hai đầu nhịp 3.2.6.3 Thi cơng sàng ngang kết cấu nhịp - Sơ đồ bố trí thi cơng: 1- Cụm dầm lao kéo; 2- Tà vẹt gỗ; 3- Bàn máp; 4- Đường ray ngang; 5- Xã mũ mố trụ; 6-Chồng nề đỡ dầm biên Hình 3-28 Cấu tạo đường sàng ngang dầm 70 - Trình tự thi cơng: Lao kéo dọc cụm dầm hệ đường trượt, lăn Lắp dựng hệ đường trượt ngang Dùng kích đặt xà mũ trụ, mố để kích nâng dầm lên Lắp tà vẹt kê bàn máp vào đáy dầm biên cụm dầm Hạ kết cấu nhịp xuống đường trượt ngang Dùng palăng xích để kéo cụm dầm Một đầu palăng móc vào móc kéo bàn máp, đầu móc vào điểm neo cố định liên kết với kết cấu mở rộng trụ Phải tiến hành kéo đầu KCN lúc Khi sàng ngang đến vị trí, dùng kích thuỷ lực đặt dầm ngang kích nâng dầm kê lên chồng nề đặt phía đáy dầm biên Tiến hành tháo bỏ đoạn ray ngang nằm phía cụm dầm 71 Chương 4: TÍNH TỐN CẦU DẦM THÉP, CẦU DẦM THÉP BÊ TÔNG LIÊN HỢP 4.1 Tải trọng trạng thái giới hạn 4.1.1 Tải trọng 4.1.1.1 Tải trọng thường xuyên Tải trọng thường xuyên tải trọng lực tác động không đổi xem khơng đổi sau hồn thành việc xây dựng cầu Tải trọng thường xuyên cầu nói chung bao gồm tĩnh tải tải trọng đất Đối với kết cấu nhịp tải trọng thường xuyên tĩnh tải bao gồm trọng lượng tất cấu kiện kết cấu, phụ kiện tiện ích cơng cộng kèm theo, trọng lượng mặt cầu, dự phòng phủ bù mở rộng Khi khơng có đủ số liệu xác lấy khối lượng riêng bảng 4-1 để tính tĩnh tải Bảng 4-1 Khối lượng riêng vật liệu 4.1.1.2 Hoạt tải hệ số a) Xe tải thiết kế Xe tải thiết kế (LL) xe gồm trục có thơng số sau (hình 4-1): Hình 4-1 Xe tải thiết kế Tải trọng trục trước 35kN Tải trọng trục trục sau 145kN 72 Tải trọng tổng cộng 325kN Khoảng cách từ trục trước đến trục 4300mm Khoảng cách từ trục đến trục sau (4300 ÷ 9000)mm Khoảng cách tim hai bánh theo chiều ngang 1800mm b) Xe hai trục thiết kế Xe hai trục thiết kế xe gồm hai trục có thơng số sau: Tải trọng trục 110kN Tải trọng tổng cộng 220kN Khoảng cách từ trục trước đến trục sau 1200mm Khoảng cách tim hai bánh theo chiều ngang 1800mm Ghi chú: Đối với xe tải xe hai trục thiết kế, đường cấp IV thấp hơn, tải trọng xe lấy tải trọng trục nhân với 0,5 0,65 khoảng cách trục xe bánh xe không thay đổi c) Tải trọng thiết kế Tải trọng thiết kế gồm tải trọng 9,30N/mm phân bố theo chiều dọc cầu Theo chiều ngang cầu tải trọng xem phân bố chiều rộng 3000mm Khơng tính hệ số xung kích với tải trọng d) Tải trọng người Tải trọng người cầu ô tô lề người rộng 600mm lấy 3.10-3 MPa Đối với cầu dành riêng cho người xe đạp tải trọng người lấy 4,1.10-3MPa Khơng tính hệ số xung kích cho tải trọng người e) Hoạt tải thiết kế HL - 93 Hoạt tải thiết kế HL – 93 tổ hợp của: - Xe tải tải trọng thiết kế - Xe hai trục tải trọng thiết kế Trong xe tải trọng HL - 93 xếp chồng xe tải xe hai trục với tải trọng Trên có xe tải xe hai trục trừ trường hợp có quy định riêng (xem điều 3.6.1.3.1 quy trình) f) Hệ số xe Khi cầu đồng thời có số xe cần phải nhân với hệ số để xét đến xác suất xảy hiệu ứng cực trị * Số xe thiết kế: Số xe thiết kế xác định phần số nguyên tỷ số w/3500, w bề rộng khoảng trống lòng đường hai đá vỉa hai rào chắn, đơn vị mm Cần xét đến khả thay đổi chiều rộng phạm vi xe chạy tương lai Trong trường hợp bề rộng xe nhỏ 3500mm số xe thiết kế lấy số giao thông bề rộng xe thiết kế phải lấy bề rộng giao thơng Lịng đường rộng từ 6000mm đến 7200mm phải có xe thiết kế, nửa bề rộng lòng đường * Hệ số làn: Nội lực cực trị hoạt tải xác định cách xét tổ hợp số chịu tải nhân với hệ số xe bảng 4-2 Không áp dụng hệ số cho trạng thái giới hạn mỏi tính mỏi dùng xe tải thiết kế số xe Không áp dụng hệ số kết hợp với hệ số phân bố tải trọng trừ dùng quy tắc đòn bẩy hay có u cầu riêng cho dầm ngồi cầu dầm - 73 Bảng 4-2 Hệ số xe g) Hệ số xung kích Để xét đến tác dụng động tải trọng, tác dụng tĩnh xe tải xe hai trục thiết kế (không kể lực ly tâm lực hãm phanh) phải nhân thêm với hệ số xung kích 1+IM/100, lực xung kích IM tính theo phần trăm lực tác dụng lấy theo bảng 4-3 Không áp dụng hệ xung kích cho tải trọng thiết kế tải trọng người đi, tường chắn không chịu lực thẳng đứng từ kết cấu phần phần móng nằm hồn tồn mặt đất Bảng 4-3 Lực xung kích IM h) Lực ly tâm Lực ly tâm xuất xe chạy đường cong Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang phía cách mặt đường 1800mm, có độ lớn tích số trọng lượng trục xe tải hay xe hai trục với hệ số C: C 34gRV đó: V – vận tốc thiết kế (m/s); g – gia tốc trọng trường, lấy 9,807 (m/s2); R – bán kính cong xe (m) Khi tính lực ly tâm phải áp dụng hệ số i) Lực hãm xe Lực hãm xe lấy 25% trọng lượng trục xe tải xe hai trục thiết kế đặt lên cho tất Các lực xem tác dụng theo phương nằm ngang cách phía mặt đường 1800mm theo hướng dọc cầu để gây nội lực lớn Đối với cầu trở thành chiều tương lai phải chất tải đồng thời tất thiết kế Khi tính lực hãm phải áp dụng hệ số j) Lực va xe Khơng cần tính lực va xe cộ tầu hỏa cơng trình bảo vệ bởi: - Nền đắp 74 - Rào chắn độc lập chôn đất, chịu va chạm, cao 1370mm, đặt cách phận cần bảo vệ phạm vi 3000mm - Rào chắn cao 1070m đặt cách phận cần bảo vệ 3000mm * Xe cộ, tầu hỏa va vào kết cấu: Nếu khơng bảo vệ mố, trụ đặt phạm vi cách lòng đường 9000mm hay phạm vi 15000mm đến tim đường sắt phải tính với lực tĩnh tương đương đặt mặt phẳng nằm ngang, cách mặt đất 1200mm với trị số 1800kN * Xe cộ va vào rào chắn, lan can (hình 4-1): Các lực thiết kế lan can tiêu chuẩn hình học phải quy định bảng 4-4 minh họa hình 4-1 Các mức độ ngăn chặn lan can lấy theo dẫn sau: L1 Mức cấp một, áp dụng cho khu vực công trường với tốc độ xe cộ thấp đường phố địa phương có lưu lượng nhỏ, tốc độ thấp L2 Mức cấp hai, áp dụng cho khu vực công trường, hầu hết đường địa phương đường thu gom có điều kiện tốt nơi có xe nặng tốc độ giảm L3 Mức cấp ba, áp dụng cho đường có hỗn hợp xe tải xe nặng L4 Mức cấp bốn, áp dụng cho đường cao tốc với tốc độ cao, lưu lượng giao thông lớn với tỷ lệ cao xe nặng cho đường với điều kiện chỗ xấu L5 Mức cấp năm, áp dụng cho đường giống mức cấp bốn có điều kiện chỗ chứng minh cần mức độ ngăn chặn cao Bảng 4-4 Lực thiết kế thông số tác dụng lan can đường ô tô Hình 4-1 Các lực va vào rào chắn, lan can 75 k) Tải trọng gió * Tốc độ gió thiết kế: Ở xét tốc độ gió nằm ngang tác dụng vào cơng trình cầu thơng thường, kết cấu nhịp lớn hay kết cấu nhạy cảm với gió cầu treo dây võng, cầu dây văng…, cần có khảo sát, nghiên cứu riêng thí nghiệm hầm thổi gió để xác định tác động gió Tốc độ gió thiết kế xác định theo cơng thức: V VB.S đó: V – tốc độ gió thiết kế (m/s); VB – tốc độ gió giật giây với chu kỳ xuất 100 năm (p =1%) lấy theo bảng 4-5; S – hệ số hiệu chỉnh theo địa hình cao độ, lấy theo bảng 4-6 Bảng 4-5 Các giá trị VB cho vùng Ghi bảng 4-5: Khi tính gió q trình lắp ráp nhân tốc độ gió giật VB cho bảng với hệ số 0,85 Bảng 4-6 Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió theo địa hình cao độ * Tải trọng gió tác dụng lên cầu: * Gió ngang Tải trọng gió ngang PD có phương nằm ngang, đặt trọng tâm diện tích chắn gió có trị số (kN): PD 0, 0006V At C d1, 8At đó: V – tốc độ gió thiết kế (m/s); At – diện tích chắn gió (m2); Cd – hệ số chắn gió lấy theo đồ thị hình 4-2 76 Hình 4-2 Hệ số cản Cd dùng cho kết cấu phần có mặt hứng gió đặc Diện tích chắn gió At phải diện tích đặc chiếu lên mặt trước vng góc với hướng gió, trạng thái khơng có hoạt tải tác dụng với điều kiện sau: + Đối với kết cấu phần có lan can đặc, diện tích At phải bao gồm diện tích lan can đặc hứng gió (lan can đầu gió), khơng cần xét ảnh hưởng lan can khơng hứng gió (lan can cuối gió hay lan can phía sau) + Đối với kết cấu phần có lan can hở, phải lấy tổng tải trọng tác dụng lên phần bao gồm lan can đầu gió lan can cuối gió xem lan can khơng ảnh hưởng đến lan can Khi số lan can lớn hai xét hai lan can có diện tích chắn gió lớn + Đối với cầu dàn tải trọng gió tính riêng cho dàn, khơng xét tác dụng chắn gió dàn dàn + Đối với trụ không xét đến ảnh hưởng mặt che chắn Hệ số cản gió Cd lấy theo hình 4-2, trục hồnh tỷ số b/d với b chiều rộng cầu hai mặt lan can d chiều cao kết cấu phần bao gồm lan can đặc có với ý sau: + Khi kết cấu phần có mặt đặc, mép dốc đứng, khơng có góc vuốt gió đáng kể Cd lấy hình 4-2 + Trong cầu dàn, lan can, kết cấu phần tính riêng, phận có hệ số Cdtương ứng + Mọi kết cấu phần khác, Cd xác định theo thí nghiệm hầm thổi gió + Giá trị Cd cho hình 4-2 ứng với mặt chắn gió thẳng đứng gió tác dụng nằm ngang + Nếu mặt chắn gió xiên với mặt phẳng thẳng đứng, Cd giảm 0,5% cho độ xiên giảm tối đa 30% + Nếu mặt chắn gió có phần đứng phần xiên hai phần xiên với góc nghiêng khác thì: Hệ số cản Cd tính với chiều cao tồn kết cấu Đối với phần hệ số cản Cd giảm theo ghi Tải trọng gió tổng cộng tính theo tải trọng gió lên phần với hệ số cản gió Cd tương ứng + Nếu kết cấu phần có độ dốc phải lấy Cd tăng thêm 3% cho độ nghiêng so với đường nằm ngang không 25% 77 + Nếu kết cấu phần chịu gió xiên khơng q 5% so với phương nằm ngang phải tăng Cd lên 15%, góc xiên vượt q 5% phải có thí nghiệm riêng để xác định Cd + Nếu kết cấu phần dốc đồng thời chịu gió xiên phải lấy Cd theo kết khảo sát riêng * Gió dọc: Đối với mố, trụ, kết cấu phần có bề mặt cản gió song song với tim dọc kết cấu lớn phải tính tải trọng gió dọc cầu Cách tính tải trọng gió dọc tương tự cách tính tải trọng gió ngang Đối với kết cấu phần có mặt trước đặc, tải trọng gió dọc lấy 0,25 tải trọng gió ngang tính phần Các tải trọng gió dọc ngang phải tính riêng rẽ, trường hợp cần thiết cần kiểm tốn theo hợp lực khơng lấy hai trường hợp riêng rẽ mà phải tính theo hướng thực gió * Gió thẳng đứng: Tải trọng gió thẳng đứng PV tác dụng vào trọng tâm diện tích chắn gió thích hợp có giá trị (kN): P 0, 00045V A V V V tốc độ gió thiết kế lấy theo cơng thức trên, AV diện tích phẳng mặt cầu hay cấu kiện dùng để tính tải trọng gió thẳng đứng (m2) Tải trọng gió thẳng đứng tính trạng thái giới hạn không liên quan đến gió tác dụng lên hoạt tải, tính lấy hướng gió vng góc với trục dọc cầu Tải trọng gió thẳng đứng tác dụng gió nằm ngang Cơng thức tải trọng gió thẳng đứng áp dụng với điều kiện góc nghiêng gió tác dụng vào kết cấu nhỏ 50, lớn cần xác định thí nghiệm * Tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải WL: Trong trạng thái giới hạn cường độ III phải xét tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải Tải trọng gió ngang lên hoạt tải lấy lực rải hướng ngang cầu có trị số 1,5N/mm đặt độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy Tải trọng gió dọc lên hoạt tải lực rải nằm ngang đặt độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy, phân bố dọc cầu có cường độ 0,75N/mm Tải trọng gió ngang cầu dọc cầu tính riêng rẽ, cần kiểm tốn theo hợp lực phải tính theo hướng thực gió 4.1.2 Các trạng thái giới hạn Về tổng quát có ba trạng thái giới hạn: - Trạng thái giới hạn cường độ trạng thái giới hạn có liên quan đến cường độ ổn định - Trạng thái giới hạn sử dụng trạng thái giới hạn liên quan đến ứng suất, biến dạng vết nứt điều kiện khai thác bình thường - Trạng thái giới hạn đặc biệt trạng thái giới hạn liên quan đến cố động đất, va xô tàu bè, xe cộ vào cơng trình, điều kiện xói lở Do trạng thái giới hạn cường độ chia làm nhiều trường hợp khác nên tính tốn cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiệnii Qi Rn = Rr trạng thái giới hạn cụ thể sau đây: - Trạng thái giới hạn cường độ I trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng cầu có xe khơng có gió - Trạng thái giới hạn cường độ II trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng cầu khơng có xe có gió với tốc độ gió lớn 25m/s 78 Bài giảng: Cầu thép - Trạng thái giới hạn cường độ III trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng cầu có xe có gió với vận tốc 25m/s - Trạng thái giới hạn mỏi trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng gây mỏi đứt gãy liên quan đến tác dụng lặp lặp lại xung kích xe tải với khoảng cách trục cố định (khoảng cách trục trục sau 9m) - Trạng thái giới hạn sử dụng tải trọng giới hạn tính với tổ hợp tải trọng liên quan đến khai thác bình thường cầu với gió vận tốc 25m/s với tất tải trọng lấy theo giá trị danh định (trong quy trình cũ gọi tải trọng tiêu chuẩn) dùng để kiểm tra độ võng, bề rộng vết nứt kết cấu bê tông cốt thép bê tông cốt thép dự ứng lực, chảy dẻo kết cấu thép trượt liên kết có nguy trượt tác dụng hoạt tải xe - Trạng thái giới hạn đặc biệt trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng có liên quan đến động đất, lực va tầu thuyền, xe cộ 4.2 Sự phân phối tải trọng 4.2.1 Phân bố ngang tải trọng Cầu kết cấu khơng gian Có nhiều phương pháp để tính nội lực, chuyển vị vị trí kết cấu, phương pháp thể phần mềm tính tốn mà thiết kế người kỹ sư dùng để tính tốn Tuy nhiên nhiều trường hợp người ta đưa tốn khơng gian tốn phẳng thông qua hệ số phân bố ngang tải trọng Có nhiều phương pháp tính hệ số phân bố ngang nghiên cứu, xét phương pháp chấp nhận quy trình 22TCN-272-05 So với phương pháp khác, phương pháp tính hệ số phân bố ngang theo quy trình 22TCN-272-05 có đặc điểm sau: - Tính hệ số phân bố ngang riêng cho lực cắt, riêng cho mơmen uốn - Có hệ số phân bố ngang riêng cho dầm biên cho dầm - Có hệ số hiệu chỉnh cầu xiên - Cầu dầm cầu tiết diện hộp có phương pháp tính khác 4.2.1.1 Tính hệ số phân bố ngang cho cầu dầm - Cầu dầm - loại cầu hay gặp nhất, dầm chủ thép, gỗ, bê tơng, mặt cầu thép, gỗ, bê tơng Tuy nhiên phạm vi cầu thép dầm chủ thép cịn mặt cầu gỗ, thép bê tơng Nếu mặt cầu khơng liên hợp với dầm chủ tạo thành cầu dầm thép kê Nếu mặt cầu bê tông liên kết cứng với dầm thép tạo thành cầu dầm thép liên hợp với bê tông cốt thép Nếu mặt cầu thép cấu tạo cho làm việc với dầm thép tạo thành cầu dầm có trực hướng Phương pháp tính hệ số phân bố ngang cho cầu dầm - (từ gọi tắt cầu dầm) quy trình 22TCN-272-05 áp dụng cho cầu thỏa mãn điều kiện sau: - Bề rộng mặt cầu không đổi suốt chiều dài nhịp - Số dầm khơng nhỏ trừ có quy định khác - Các dầm song song với có độ cứng xấp xỉ - Phần hẫng đường xe chạy khơng vượt q 910mm trừ có quy định khác - Độ cong mặt nhỏ - Mặt cắt ngang cầu phù hợp với quy định bảng 4-7 79 Khi thỏa mãn điều kiện trên, tải trọng thường xuyên mặt cầu mặt cầu xem phân bố cho dầm chủ phân bố cho dầm chủ dầm dọc phân bố cho dầm dọc cầu dàn Để tính hệ số phân bố ngang hoạt tải cần thực theo trình tự: Đầu tiên tính tham số độ cứng dọc, sau từ tham số độ cứng dọc tra bảng để xác định hệ số phân bố ngang Hệ số phân bố ngang hoạt tải sử dụng cho loại xe mà bề rộng chúng tương đương với bề rộng xe tải thiết kế a) Tính tham số độ cứng dọc Tham số độ cứng dọc Kg tính theo cơng thức: K g nI Aeg2 E n B E D đó: EB – mô đun đàn hồi vật liệu chế tạo dầm (MPa); ED – mô đun đàn hồi vật liệu (MPa); I – mơmen qn tính dầm (mm4); A – diện tích tiết diện dầm chủ hay dầm dọc phụ (mm2); eg – khoảng cách từ trọng tâm dầm đến trọng tâm (mm) Các thông số I A công thức phải lấy theo dầm không liên hợp Bảng 4-7 Các loại mặt cắt ngang kết cấu nhịp b) Xác định cơng thức tính hệ số phân bố ngang Căn vào loại kết cấu dầm, mặt cắt thích hợp (a b c bảng 47), phạm vi áp dụng, tra bảng 4-8 để tìm cơng thức tính hệ số phân bố ngang, sau thay giá trị tương ứng vào để tìm giá trị hệ số phân bố ngang Với cầu có hai dầm, hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp địn bẩy Hệ số phân bố ngang tính theo cơng thức bảng nhân với 80 hệ số xe m Khi tính theo phương pháp địn bẩy cần phải nhân thêm với hệ số xe m Ghi bảng 4-8: S – khoảng cách dầm (mm) L – chiều dài nhịp (mm) ts – chiều dày bê tông (mm) tg – chiều dày lưới thép thép lượn sóng (mm) NL – số xe thiết kế Nb – số dầm, dầm dọc phụ de – khoảng cách từ tim dầm đến mép đá vỉa lan can g – hệ số phân bố Bảng 4-8 Hệ số phân bố tải trọng theo 81 Bảng 4-8 Hệ số phân bố tải trọng theo (Tiếp) c) Tính hệ số phân bố ngang cho cầu dầm hộp Với cầu dầm hộp kể hộp đơn hộp có hai nhiều ngăn tốt tính nội lực phương pháp không gian phương pháp phần tử hữu hạn, dải hữu hạn… phần mềm tính tốn có sẵn Với cầu nhiều hộp (hình b c bảng 4-7) người học tính theo cơng thức cho quy trình, khơng nêu cơng thức tính trường hợp chưa gặp Việt Nam 82 ... TẠO CẦU DẦM THÉP 2.1 Khái niệm chung Khi nghiên cứu cầu thép theo quy trình Thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn xét ba loại cầu dầm: - Cầu dầm hay cầu dầm đặc cầu mà dầm thép mặt cầu (có... Khi nghiên cứu cầu thép theo quy trình Thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn xét ba loại cầu dầm: - Cầu dầm hay cầu dầm đặc cầu mà dầm thép mặt cầu (có thể bê tơng, gỗ hay thép) có liên kết... 1.2.1.6 Thép hình Trong xây dựng cầu thép, thường sử dụng số loại thép cán định hình sau: Thép góc, thép chữ I, thép hình máng, thép bản, thép ống số loại thép hình đặc biệt để làm mặt cầu (hình