Bài giảng thiết kế cầu dễ hiểu nhất

1 Phần thứ nhất TỔNG LUẬN CẦU CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG 1.1 CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG Khi xây dựng tuyến đường sẽ gặp phải nhiều chướng ngại khác nhau như sông, suối, mương máng, núi cao v.v… Để vượt qua các chướng ngại đó, bảo đảm tuyến đường liên tục và chuyển động được an toàn, người ta xây dựng cầu, cống, hầm, đường tràn và các công trình khác gọi là các công trình nhân tạo trên đường. Cầu là công trình vượt qua phía trên chướng ngại vật như sông, suối, khe núi, thung lũng, hoặc vượt qua đường, qua nhà máy, chợ v.v… Cống là công trình nằm trong nền đắp của tuyến đường nhằm giải quyết cho dòng chảy lưu thông khi giao cắt với tuyến đường. Cống đặt dưới mặt đường tối thiểu 0.5m đối với đường ô tô và 1m đối với đường xe lửa, vì vậy qua vị trí cống tuyến đường vẫn liên tục. Cống chỉ có khả năng thoát một lượng nước nhỏ và vừa, vì vậy người ta xây dựng cống khi tuyến đường đi qua dòng nước nhỏ và vừa, hoặc dòng nước không thường xuyên, lưu lượng không lớn lắm như mương máng, khe rãnh. Cống được dùng làm phương án so sánh với cầu nhỏ. Hầm dùng để dẫn đường xuyên qua núi, trong lòng đất và có trường hợp xây dựng ở trong nước. Đường tràn được xây dựng khi tuyến đường cắt ngang dòng chảy có mức nước không lớn, lưu lượng có thể thoát qua kết cấu thân đường. Một năm chỉ có một vài giờ hoặc hãn hữu một vài ngày nước ngập và tràn qua mặt đường, song xe cộ vẫn qua lại được. Ngoài ra còn có các công trình khác như cầu tràn, tường chắn, bến phà v.v… Trong số các công trình nhân tạo trên, cầu là công trình phổ biến nhất, vừa phức tạp về cấu tạo, thiết kế và thi công, kinh phí đầu tư tương đối lớn. 1.2 CÔNG TRÌNH CẦU I- Các bộ phận và kích thước cơ bản của cầu 1. Các bộ phận cơ bản của cầu - Kết cấu nhịp: Bộ phận trực tiếp mang đỡ hoạt tải và vượt qua khoảng cách chướng ngại vật. Bộ phận chịu lực chính là dầm, dàn, vòm v.v…Kết cấu nhịp còn có phần xe chạy, 2 đường người đi và lan can, các bộ phận đỡ phần xe chạy, truyền tải trọng cho bộ phận chịu lực chính, giữa các bộ phận chịu lực chính còn có hệ liên kết để đảm bảo ổn định và độ cứng ngang cầu. Kết cấu nhịp được đặt lên gối cầu. Có kết cấu nhịp xe chạy trên, chạy giữa, chạy dưới. - Mố, trụ: bộ phận kê đỡ kết cấu nhịp, tiếp nhận toàn bộ tải trọng và truyền xuống nền đất thông qua kết cấu móng. Mố được xây dựng ở hai đầu cầu, mố còn có nhiệm vụ nối tiếp giữa đường với cầu. Trụ được xây dựng ở phía ngoài bờ phân chia cầu thành các nhịp. Như vậy, với cầu một nhịp sẽ không có trụ mà chỉ có hai mố, cũng có trường hợp cầu không có mố mà kết cấu nhịp được kéo dài một đoạn mút thừa để nối vào nền đường đắp đầu cầu. - Ngoài ra còn có các bộ phận: đường dẫn vào cầu, công trình dẫn dòng, công trình bảo vệ trụ khỏi bị tàu bè hoặc vật trôi va đập, gối cầu v.v… Hình 1-1 Các bộ phận cơ bản của công trình cầu 1- kết cấu nhịp; 2- trụ; 3- mố; 4- gối cầu; 5- móng; 6- mô đất đắp ¼ nón; 7- nền đường đầu cầu 2. Các kích thước cơ bản của cầu - Chiều dài toàn cầu L(m): là khoảng cách giữa đuôi của hai mố hay khoảng cách giữa các đầu mút của kết cấu nhịp tiếp xúc trực tiếp với đất đắp đầu cầu nếu như cầu không có mố như cầu mút thừa. - Chiều dài nhịp tính toán ltt: là khoảng cách giữa tim hai gối đỡ kết cấu nhịp - KhNu  cu L o : là chiu rng thoát nưc dưi cu, là tng chiu dài các nhp tĩnh L o = Σl oi ; l oi khong cách gia hai mép i din t mép tr này ti mép tr kia (hoc m) xác nh ti mc nưc cao nht (MNCN). Trưng hp cu có m vùi thì MNCN không tip xúc vi tưng thân m, do ó thay vì nhp tĩnh sát m khNu  thoát nưc s ưc ly trung bình cng ca hai tr s tương ng mc nưc cao nht và mc nưc thp nht. - Chiu cao cu H: là khong cách t mt xe chy (hoc áy ray) n mc nưc thp nht hay n im thp nht ca mt t nu là cu vưt hoc cu cn. 3 - Chiu cao kh gâm cu H o là khong cách t mc nưc cao nht n áy kt cu nhp,  m bo cây trôi không va p và mc nghn. Nu là cu vưt thì ưc tính t mt ưng bên dưi n áy kt cu nhp. Theo quy trình 79: i vi cu ô tô: nu không có cây trôi, á lăn H o ≥0.5m; nu có cây trôi, á lăn H o ≥ 1m N goài ra nu sông có thông thương ưng thy thì chiu cao kh gm cu phi m bo chiu cao kh thông thuyn cho các phương tin ưng thy qua li. - Chiu cao kin trúc h kt là khong cách t mt xe chy n im thp nht ca áy kt cu nhp. - Chiu rng tính toán ca kt cu nhp B là khong cách gia trc ca hai dm biên (hay dàn biên) trên mt ct ngang. Khái niệm về các mực nước: - MNLS - Mc nưc lch s, là mc nưc ln nht t trưc n nay mà ngưi ta iu tra ưc. - MNCN - Mc nưc cao nht, là kt qu tính toán ng vi tn sut ưc quy nh tùy theo loi công trình (1% hay 2%). Nu nói MNCN ng vi tn sut thit k 1% có nghĩa là mc nưc ca cơn lũ mà 100 năm mi xut hin mt ln. - MNTN - mc nưc thp nht, ưc o trong mùa cn và ng vi mt tn sut quy nh (1% hay 2%), căn c vào MNTN  b trí nhp thông thuyn. - MNTT - mc nưc thông thuyn, là mc nưc cao nht cho phép tàu bè qua li, thưng ly vi tn sut 5%, t mc nưc này xác nh chiu cao kh gm cu ca nhp thông thuyn. II- Phân loại công trình cầu Có nhiu cách khác nhau  phân loi công trình cu. Phân loại theo chướng ngại vật cầu phải vượt qua: - Cu qua sông, qua sui là loi cu ph bin - Cu qua ưng hay cu vưt, như cu vưt N gã Tư S, cu vưt ưng st v.v… - Cu cn hay cu dn, là cu ưc xây dng ngay trên mt t nhm dn lên mt cu chính hoc nâng cao  tuyn ưng lên  gii phóng không gian bên dưi như cu dn  hai u cu chính Thăng Long. - Cu cao, là loi cu có chiu cao tr rt ln ưc bc qua các thung lũng sâu như cu Châu Âu  Áo. Phân loại theo mục đích sử dụng: - Cu ô tô (cu ưng b) 4 - Cu xe la (cu ưng st) - Cu ngưi i b (cu b hành) - Cu hn hp - Cu thành ph - Cu tàu (dùng  các bn cng) - Cu c bit dùng  dn khí, dn du, dn nưc, dn cáp in v.v… Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp - Cu g - Cu á - Cu bê tông, cu BTCT - Cu thép Phân loại theo cao độ mặt đường xe chạy - Cu có ưng xe chy trên - Cu có ưng xe chy dưi - Cu có ưng xe chy gia Phân loại theo sơ đồ tĩnh học: Theo sơ  tĩnh hc ca kt cu chu lc chính có th phân chia công trình cu thành các h thng sau: - Cu dm: dưi tác dng ca ti trng thng ng kt cu nhp làm vic chu un và ch truyn áp lc thng ng xung m tr. H thng cu dm bao gm dm gin ơn, dm liên tc và dm mút tha. Theo cu to ca kt cu chu lc chính có th phân thành cu dm có sưn c và cu dàn. - Cu vòm: c im cơ bn ca h vòm là ti v trí chân vòm luôn xut hin thành phn phn lc theo phương nm ngang (lc xô). - Cu khung: là loi cu mà m, tr ưc ngàm cng vi kt cu nhp to thành khung cùng tham gia chu lc. - Cu liên hp: là loi cu ưc kt hp t các h ơn gin hoc h ơn gin ưc tăng cưng các b phn chu lc. Bng cách ó ngưi ta có th to ra nhng kt cu chu lc hp lý và có hiu qu v các phương din kính t, k thut c bit trong các trưng hp nhp ln. - Cu treo: là loi kt cu trong ó b phn chu lc chính là các dây làm vic chu kéo. Dưi tác dng ca hot ti h dm mt cu và dây làm vic như mt h liên hp. Cu treo gm có cu treo parabol còn gi là cu treo và cu dây văng Theo quy mô công trình 5 - Cu nh: L≤ 25m - Cu trung L = 25-100m - Cu ln: L> 100m hoc có nhp l≥30m Theo đặc điểm công trình Cu phao, cu quay, cu nâng Theo thời hạn sử dụng Cu tm dưi 5 năm, cu bán vĩnh cu 10-50 năm, cu vĩnh cu trên 50 năm 6 Hình 1-2 Các sơ đồ cầu a,b,c- cu dm gin ơn, liên tc, mút tha; d- cu dàn; e- cu khung; f, g- cu vòm có ưng xe chy trên và xe chy gia; h- cu liên hp dm-vòm; i- cu treo; k- cu dây văng III- Lịch sử tóm tắt và phương hướng phát triển ngành xây dựng cầu 1. Lịch sử tóm tắt Cu là công trình nhân to, vì vy lch s phát trin ca nó gn lin vi s phát trin ca xã hi. Vào thi kỳ khai sơ ca loài ngưi, con ngưi da vào t nhiên  vưt qua các con sui, khe sâu nh nhng thân cây  vt ngang, nhng dàn dây leo hoc nhng cây trôi ni mc vào các vt chưng ngi. Có th coi ó là nhng hình nh u tiên ca cNu dm, cu treo và cu phao ngày nay. Ngưi c xưa bt chưc các hin tưng t nhiên  to ra các phương tin  vưt qua các dòng sông, con sui. Di tích ca chic cu c xưa nht là cu qua sông Euphrate  Babylon ưc làm bng thân cây c, nhp dài 9m vi tng chiu dài là 300m (khong 2000 năm trưc công nguyên). Thi kỳ chim hu nô l,  phc v các cuc chin tranh gia các b lc cn thit phi xây dng nhng tuyn ưng và các cây cu, h thng giao thông vn ti bt u phát trin. u tiên là cu g xut hin, sau ó là cu á. Rt nhiu nhng công trình cu c xưa ưc xây dng cách ây hàng ngàn năm còn tn ti  các khu vc Babylon, Iran, La Mã. 7 Hình 1-3 Cầu vòm gang qua sông Severn-Anh năm 1776-1779 Trong xã hi phong kin,  giai on sau khi ch nghĩa tư bn xut hin, nhu cu giao lưu buôn bán ngày càng tăng ã tr thành ng lc thúc Ny s phát trin mnh m ca giao thông vn ti. Tuy vy  thi kỳ này vn ch có cu á và cu g, lý lun tính toán chưa có. Sang thi kỳ tư bn ch nghĩa giao thông vn ti phát trin. Cu cng không ch tăng v mt s lưng mà có nhiu thay i v dng kt cu và vt liu. Bên cnh cu á, cu g bt u xut hin cu gang, cu thép và sau ó là cu BTCT. V hình dng kt cu ã xut hin cu dm, cu dàn và cu treo Nh các ngành toán hc và cơ hc phát trin mnh, các công trình cu ưc xây dng da trên cơ s lý lun tính toán kt cu và thit k vi ti trng nng hơn (u máy hơi nưc ra i) ng thi vưt nhp ln hơn. Năm 1776 mt k sư ngưi Nga tên là Ku-li-bin ã thc hin  án thit k chic cu vòm g nhp 310m bc qua sông Nêva  Pê-téc-bua. Cũng trong thi kỳ này, xut hin cu kim loi, u tiên là chic cu bng gang bc qua sông Severn (Anh), nhp 31m vào năm 1776-1779. Bng dây xích st, năm 1741 ngưi Anh ã xây dng cu treo u tiên nhp 22m qua sông Tess. Cu treo có ưu im là vưt nhp ln và có hiu qu kinh t cao. Vào năm 1820 khi xây dng chic cu treo qua sông Tvid (Anh) nhp dài 110m ngưi ta ã so sánh và thy giá thành r hơn 4 ln so vi phương án cu á. Do có nhiu ưu im nên sau khi ra i cu treo ã phát trin mnh, ch trong mt thi gian ngn ã ưc ng dng nhiu và t ti nhp hàng trăm mét. Năm 1834  Thy S xây dng chic cu treo dây cáp nhp 265m và n năm 1848 cu Virginia (M) ã t ưc nhp 308m. Tuy nhiên  thi kỳ này v lý thuyt tính toán c bit v n nh ng hc còn nhiu vn  chưa ưc gii quyt, do ó ã xy ra mt s tai nn i vi cu treo, như cu qua sông Meine (Pháp) ã b sp khi có mt oàn quân i u qua cu làm cht 226 ngưi. Nhng tai nn cùng vi s hn ch v kh năng chu hot ti năng so vi các loi cu khác khin vic áp dng cu treo có xu hưng chng li và chuyn sang nhng h thng cu cng như dm, dàn, vòm. 8 Hình 1-4 Cầu dàn mút thừa qua vịnh Forth-năm 1890 Nhng năm cui ca th k XIX, u th k XX ngành xây dng cu phát trin mnh m và phong phú v mi phương din, cu BTCT bt u xut hin vi nhng công trình ưc xây dng  Pháp, c. Hàng lot các cu kim loi (ch yu là thép) ưc xây dng vi các dng dàn, vòm và t nhp hàng trăm mét trong cuc chy ua rt sôi ng v chiu dài nhp k lc. V cu dàn thép có cu qua vnh Forth (Scotland) dng mút tha nhp 521m ưc sây dng năm 1890 và cu Quebec (Canada) vưt nhp 549m (1917), năm 1931 cu vòm thép qua vnh Sydney (Australia) t nhp 503m và bn tháng sau ti New York ngưi ta thông xe cu Bayonne có nhp 504 m, tip n là cu Kyll-wan-koul (New York) nhp 511m. Hình 1-5 Cầu vòm qua vịnh Sydney – năm 1931 Trưc nhu cu vưt qua các con sông rng, sâu và các eo bin ln, vào nhng năm na u th k XX cu treo ưc chp nhn tr li trên cơ s hoàn thin hơn nhng nghiên cu lý thuyt và thc nghim, chính thi kỳ này ã có bưc nhy vt v kh năng vưt nhp ca cu treo: năm 1929 cu treo có nhp ln nht th gii – cu Ambassasdor (M) vưt nhp 564m, 3 năm sau cu G. Washington  NewYork (1932) ã vưt nhp dài 1067m và tip theo là Golden Gate nhp 1280m  San Francisco (1937). 9 Năm 1940  M ã xy ra v tai nn sp cu treo Tacoma nhp 853m (công trình mi hoàn thành ưc 6 tháng). ây là v tai nn gây nhiu chú ý và ã thu thp ưc nhiu s liu liên quan, c bit ngưi ta ã quay phim ưc toàn b din bin ca tai nn. Hình 1-6 Tai nạn cầu Tacoma năm 1940 V  cu Tacoma không làm các nhà xây dng lng tránh cu treo mà ngưc li ã b sung cho ngành xây dng cu nhng vn  cn nghiên cu hoàn thin. Vi các phương hưng chính là tăng cưng  cng cho dm ch và tin hành nghiên cu thc nghim  tìm ra các dng tit din thoát gió, các công trình cu treo nhp ln vn ưc tip tc xây dng như cu Verrazano-Narrow  NewYork nhp 1298.45m (1964), cu Humber  Anh nhp 1410 (1981) và k lc v nhp cui cùng ca th k XX thuc v cu treo Akashi- Kaikyo (Nht Bn) vi nhp chính dài 1991m, công trình ưc hoàn thành năm 1998. Hình 1-7 Cầu treo Tacoma sau khi xây dựng lại 10 Hình 1-8 Cầu treo Golden Gate Mt dng cu treo na là cu dây văng dm cng ưc áp dng khá ph bin  các nưc châu Âu bt u t gia th k XX và hin ang ưc ưa chung. Vào khong nhng năm 70 ca th k này nhng nghiên cu cho thy cu dây văng có các ch tiêu kinh t k thut rt tt i vi nhp 200-300. Tuy nhiên n nay vi nhng thay i v quan nim kt cu cũng như công ngh thi công, tính ưu vit ca cu dây văng còn th hin vi c các nhp có chiu dài ln hơn: cu Normandie bc qua sông Seine (Pháp) xây dng xong năm 1994, nhp chính dài 856m, cu Tatara (Nht Bn) nhp 890m hoàn thành năm 1999 là nhp ln nht th k i vi cu dây văng. Hình 1-9 Cầu dây văng Normandie - Pháp Song song vi cu thép, cu bê tông ct thép ng sut trưc trong nhng năm na cui th k này ã chim lĩnh mt v trí quan trng. Vi vic s dng vt liu có cưng  cao cùng vi s phát trin ca công ngh thi công, kt cu nhp bê tông ct thép ng sut trưc n nay ã t ưc nhp hàng trăm mét.  nưc ta t năm 1960 tr li ây, nht là sau khi gii phóng min Nam 1975, t quc thng nht, nhiu cu thép và BTCT hin i ưc xây dng trong c nưc. áng chú ý là [...]... chn Tr cu cú tỏc dng phõn chia nhp, truyn phn lc gi t hai u kt cu nhp, hỡnh dỏng tr cu i xng theo dc v ngang cu v phi m bo cỏc yờu cu v: + M quan + Thụng truyn + Va xụ tu thuyn 35 + Tỏc ng ca dũng chy Kết cấu nhịp Mố Mố Trụ Hỡnh 3.2 B trớ chung V mt kớnh t, m tr cu chim 1 t l ỏng k, ụi khi n 50% vn u t xõy dng cụng trỡnh M tr l kt cu phn di, nm trong vựng Nm t, d b xõm thc, xúi l, bo mũn vic xõy dng,