bài giảng cầu bê tông f1

- Trọng lượng bản thân lớn → vượt nhịp không lớn bằng cầu thép nhưng ít chịu ảnh hưởng xung kích của hoạt tải, ít gây tiếng ồn - Khó tránh khỏi nứt trong quá trình sử dụng → dùng các biệ

Khoa C«ng Tr×nh

Bé m«n CÇu HÇm

Bµi gi¶ng cÇu bª t«ng F1

(Theo 22 tcn 272 – 05)

Biªn So¹n : Hå Xu©n Nam

Hµ Néi – 2007

§Þa chØ: P 203 - A6 - §HGTVT

§iÖn tho¹i: 04-7668029

Chương mở đầu: khái quát về cầu Bê tông cốt thép

I Phân loại cầu bê tông cốt thép

- Theo vị trí cầu: cầu qua sông, suối, cầu vượt đường, cầu cạn, cầu cao,

- Theo tải trọng qua cầu: cầu ôtô, cầu đường sắt, cầu thành phố, cầu đi bộ, cầu đi chung ôtô - đường sắt,

- Theo cao độ tương đối của mặt xe chạy: cầu chạy trên, chạy dưới, chạy giữa

- Theo sơ đồ tĩnh học trong giai đoạn khai thác của KCN chính: cầu hệ dầm, khung, vòm, hỗn hợp (cầu khung - dầm, cầu vòm - dầm, cầu treo )

- Theo dạng mặt cắt ngang của KCN chính: cầu bản, cầu dầm có sườn, cầu dầm hộp,

- Theo phương pháp thi công KCN chính: cầu đúc tại chỗ, lắp ghép, bán lắp ghép, cầu đúc (lắp) hẫng, cầu đúc (lắp) đẩy, cầu thi công trên đà giáo di

động, cầu thi công bằng phương pháp đặc biệt (quay, chở nổi),

II Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng

2.1 ưu điểm:

- Vật liệu địa phương: cát, đá, xi măng, cốt thép,

- Độ bền, độ cứng, tuổi thọ cao

- Hình dáng, hệ thống thuận tiện cho việc tạo dáng kiến trúc và khai thác

- Tính liền khối cao

- ít rung và ồn trong quá trình khai thác

- Chi phí duy tu bảo dưỡng thấp hơn so với cầu thép

2.2 Nhược điểm

- Trọng lượng bản thân lớn → vượt nhịp không lớn bằng cầu thép nhưng ít chịu ảnh hưởng xung kích của hoạt tải, ít gây tiếng ồn

- Khó tránh khỏi nứt trong quá trình sử dụng → dùng các biện pháp công nghệ và cấu tạo để hạn chế nguy cơ xuất hiện và mở rộng vết nứt: tạo DƯL, ĐCNL, bố trí CT cấu tạo,

- Chi phí cho móng lớn hơn so với cầu thép

2.3 Phạm vi áp dụng

- Theo tải trọng: cầu đường sắt, cầu ôtô

- Theo loại kết cấu: cầu dầm (giản đơn, hẫng, liên tục), khung, vòm, hệ hỗn hợp, hệ treo

- Theo dạng cấu tạo mặt cắt KCN: cầu bản, dầm có sườn, dầm hộp, cầu dàn

- Theo vật liệu làm KCN: BTCT thường, BTDƯL

III Vật liệu cầu BTCT

+ Khi không có thông tin chính xác có thể xác định ks theo Hình

- Co ngót:

+ BT được bảo dưỡng ẩm, cốt liệu không co ngót:

+ BT được bảo dưỡng bằng hơi nước, cốt liệu không co ngót:

+ Khi không có số liệu chính xác: lấy bằng 0,0002 sau 28 ngày và 0,0005 sau 1 năm khô

- Mô đun đàn hồi: với BT có tỷ trọng từ 1440 đến 2500kg/m3:

- Hệ số Poisson: = 0,2 Với cấu kiện cho phép nứt có thể không xét đến

- Cường độ chịu kéo khi uốn:

= 0,63.(f’c)0,5 với BT thường

= 0,45.(f’c)0,5 hoặc 0,52.(f’c)0,5 với BT nhẹ

´ c f

1,5 c 0,043.y c

E =

- Cường độ chịu kéo: = 0,62.(f’c)0,5 hoặc xác định theo ASTM C900 hoặc AASHTO T198 (ASTM C496)

3.2 Cốt thép:

3.2.1 Cốt thép thường

- Gồm CT thanh, thép tròn, thép có gờ, thép sợi kéo nguội

- Giới hạn chảy: = (420ữ520) MPa

- Mô đun đàn hồi: Es = 200000 MPa

- Các đặc tính khác: tính dẻo, tính hàn (ASTM A706M)

Ep = 197000 MPa với tao thép

Ep = 207000 MPa với thép thanh 3.3 Các thiết bị khác: neo, bộ nối, ống gen

3.3.1 Neo

Tính chất của neo và mối nối cáp được qui định trong Tiêu chuẩn thi công cầu „AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications“

3.3.2 ống bọc cáp

- Bằng thép mạ kẽm, nhựa hoặc tạo lỗ bên

trong bằng lõi lấy ra được

- Bán kính cong của ống bọc: ≥ 6000mm, ở vùng neo ≥ 3600mm, với ống nhựa ≥ 9000mm

- Thép thanh DƯL: đường kính ống bọc cáp lớn hơn đường kính thanh thép DƯL ít nhất 6mm

- DƯL nhiều thanh và bó cáp DƯL: diện tích mặt cắt ống bọc lớn hơn diện tích thực của bó thép DƯL ít nhất 2 lần, với bó cáp kéo sau ít nhất 2,5 lần

- Kích thước của ống bọc không vượt quá 0,4 lần kích thước bao bê tông nhỏ nhất tại vị trí đặt ống

- Tại vị trí neo chuyển hướng phải là ống thép mạ phù hợp với tiêu chuẩn ASTM A53, loại E, cấp B ðộ dày danh định của thành ống > 3mm

IV Lịch sử phát triển cầu BTCT

Cầu BTCT đầu tiên, L=16,5m (Monier 1875)

Cầu BTDƯL đúc hẫng đầu tiên, L=62m (Finsterwalder 1951)

V Phương hướng phát triển:

5.1 Nâng cao chất lượng vật liệu

- Hieọn nay ngửụứi ta ủaừ cheỏ taùo ủửụùc caực loaùi BT coự cửụứng ủoọ vaứ phaồm chaỏt cao, cửụứng ủoọ chũu neựn coự theồ ủaùt 200 MPa, coự tớnh chaột ủaởc choỏng thaỏm,

- Về mặt cốt thép, hiện nay đối với cốt thép mềm (có cường độ chảy 400 MPa) dùng cho BTCT, vấn đề chủ yếu là chống ăn mòn Có thể nêu một số biện pháp chống ăn mòn cốt thép hiện nay:

+ Tạo lớp phủ mặt ngoài cốt thép Các lớp phủ có thể là mạ kẽm, phủ epốcxy Hiện nay Mỹ đã đưa vào sử dụng rộng rãi các loại cốt thép phủ êpốcxy

+ Dùng thép không gỉ Vấn đề chế tạo thép không gỉ đã được nước Mỹ chế tạo thành công và đã được cho phép sử dụng vào cầu thép không sơn trong một số môi trường nhất định Thép không gỉ đang tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện

- Aùp dụng bêtông và cốt thép phẩm chất cao (cường độ và tính chống thấm cao) làm giảm kích thước tiết diện ngang, giảm chiều dày lớp bảo vệ, giảm trọng lượng bản thân kết cấu, tăng chiều dài nhịp, giảm chi phí bảo quản sửa chữa, tăng tuổi thọ công trình

- Trong lúc công nghệ chế tạo bêtông phẩm chất cao chưa được phổ biến rộng rãi và các tiêu chuẩn kỹ thuật chưa hoàn thành, với các vật liệu thông thường (bêtông cấp 28-70 MPa, cùng với cốt thép khoảng 1800 MPa) thì việc áp dụng BT DƯL là biện pháp hiệu quả về sử dụng thép cường độ cao, chống nứt, nâng cao phẩm chất công trình và vươn dài nhịp

5.2 Chú trọng tính thẩm mỹ, lien hợp về kết cấu, lien hiệp về vật liệu

5.3 áp dụng các kết cấu không gian, đơn giản về chế tạo, hoàn thiện về chịu

lực

5.4 Nghiên cứu các công nghệ thi công thích hợp

Các phương pháp thi công bêtông tại chỗ trên đà giáo cố định, dàn giáo treo, các phương pháp thi công phân đoạn như lắp hẫng, đúc hẫng, đúc đẩy đã lần lượt hình thành và góp phần thực thi các kết cấu mới ngày càng hiện đại hơn

CHươNG I: cầu bản, cầu dầm giản đơn BTCT thường đổ tại chỗ

I Cầu bản đúc tại chỗ

1.1 Đặc điểm và phạm vi áp dụng

- Đặc điểm

+ Kết cấu đơn giản, dễ thi công

+ Chiều cao kiến trúc thấp, tăng tầm nhìn

+ Thuận tiện cho việc tạo hình dáng kiến

trúc

- Phạm vi áp dụng

+ Thường dùng cho nhịp nhỏ hơn 6m

+ Chiều cao từ đáy móng lên thấp

+ Nơi phương tiện vận chuyển và cẩu lắp khó khăn

+ Yêu cầu chiều cao kiến trúc thấp

+ Sơ đồ KC 4 khớp biến dạng hình học → khi thi công phải đắp đất đối xứng để cân bằng áp lực 2 bên

+ Liên kết KCN với mố bằng các chốt thép cách nhau 0,5ữ1m được chôn sẵn

- Cấu tạo mố nhẹ

+ Bằng đá xây, BT hoặc BTCT

+ Chiều dày mố = (1/6ữ1/7) chiều cao mố

+ Hai tường cánh xiên 100ữ200 để hướng dòng và ngăn chặn đất 2 bên taluy nền đường đầu cầu

+ Móng tường cánh tách khỏi tường trước 2cm

- Cấu tạo thanh chống dọc : Bằng BTCT 40x40cm đặt cách nhau 3ữ5m và gác lên bậc móng của 2 mố để tránh chân 2 mố bị xô về phía dòng chảy

II CÇu dÇm cã s−ên

2.1 CÇu dÇm cã s−ên trªn ®−êng «t«

- Cã thÓ cÊu t¹o 4 s−ên hoÆc 2 s−ên cã

thªm dÇm däc phô tuú theo khæ cÇu

vµ chiÒu cao kiÕn tróc

- H/L=(1/7÷1/20) tuú theo t¶i träng, cù ly

- Bản mặt cầu chịu lực nh− bản hẫng và bản kê trên 2 cạnh

- Dầm ngang đ−ợc bố trí tại vị trí trên gối và có thể cả trong nhịp

- ống thoát đặt sát mép máng balát

CHươNG II: cầu bản, cầu dầm giản đơn BTCT thường lắp ghép

+ Chiều cao nền đường đầu mố: 2ữ5m

+ Cấu tạo mố nhẹ, bản quá độ và thanh chống giống cầu bản đổ tại chỗ

- Cấu tạo

+ Mặt cắt bản thường có dạng chữ nhật có khoét lõm 2 bên để cấu tạo

+ ChiÒu réng mçi khèi b¶n 1÷1,5m tuú thiÕt bÞ cÈu l¾p, vËn chuyÓn Sè l−îng b¶n phô thuéc vµo khæ cÇu

II CÇu dÇm cã s−ên l¾p ghÐp

2.1 CÇu dÇm cã s−ên trªn ®−êng «t«

• §é cøng ngang lín h¬n so víi lo¹i kh«ng cã dÇm ngang

• Mỗi khối tự ổn định khi chế tạo, vận chuyển và lao lắp

• Tốn vật liệu hơn, kích thớc mố trụ lớn hơn so với dầm mặt cắt chữ T

2.2 CÇu dÇm cã s−ên trªn ®−êng s¾t

• Dïng phæ biÕn nhÊt, chiÒu dµi nhÞp 5÷20m

• Mçi dÇm cã c¸c nöa dÇm ngang, mèi nèi thi c«ng t¹i c«ng tr−êng

• B¶n cña 2 dÇm th−êng kh«ng nèi víi nhau mµ dïng tÊm thÐp T ®Ëy lªn khe hë däc cÇu gi÷a 2 b¶n

• ít được áp dụng ở Việt nam

III Các loại mối nối

3.1 Các loại mối nối ở dầm

- Mối nối chịu cắt

+ Không cần hàn nối ở công trường mà chỉ đổ vữa xi măng chèn khe nối + Độ cứng ngang cầu không lớn → thường dùng cho cầu ôtô

- Mối nối chịu cắt và mô men

+ Mối nối có cốt thép chờ hàn rồi đổ bê

tông bịt khe nối

+ Mối nối có bản thép chờ hàn, sau đó trát vữa để bảo vệ chống rỉ cho các chi tiết thép

3.2 Các loại mối nối ở bản

- Mối nối chốt

+ Đơn giản, dễ thi công

+ Chỉ truyền đ−ợc lực cắt → phân bố ngang tải trọng kém hơn → tốn vật liệu hơn, độ cứng ngang giảm

+ Biến dạng xoay ở khe nối có thể làm xuất hiện vết nứt dọc theo khe nối trên bề mặt bê tông nhựa

- Mối nối cứng

+ Đặt cốt thép chờ hoặc bản thép chờ

+ Chiều dày bản phải lớn hơn để đặt cốt thép và chịu uốn

+ Tốn thời gian hơn để hàn thép và đổ bê tông khe nối

3.3 Các loại mối nối ở dầm ngang

- Mối nối có bản thép chờ

+ Sau khi hàn phải đánh sạch rỉ, sơn bảo vệ các chi tiết thép rồi trát vữa

xi măng che kín

+ Thi công nhanh, có thể kiểm tra chất lượng mối nối

+ Xe có thể qua được ngay sau khi hàn xong bản thép

- Mối nối có cốt thép chờ

+ Chắc chắn, đảm bảo tính liền khối của cả kết cấu nhịp

+ Thời gian thi công kéo dài do phải hàn nối cốt thép và đổ bê tông mối nối tại công trường

- Mối nối bằng dầm ngang đổ tại công trường

+ Phải để chừa các lỗ ở sườn dầm để luồn cốt thép theo hướng ngang cầu

+ Kéo dài thời gian thi công do phải lắp đặt cốt thép và ván khuôn đổ bê tông dầm ngang

+ Được kéo căng sau trong các ống đặt sẵn trong sườn dầm ngang hoặc trong bản mặt cầu

+ Thường sử dụng CT thanh CĐC hoặc bó xoắn 7 sợi

IV Bố trí cốt thép: CT chủ, CT đai, CT nghiêng, CT bản mặt cầu, CT dọc phụ, CT chịu lực cục bộ, cốt thép viền theo biên dầm,

4.1 Bố trí cốt thép chủ

- Đặt rời rạc từng thanh

+ Dính bám giữa BT và CT tốt hơn

+ Khoảng cách giữa các thanh phảI đảm bảo:

• > 1,5 lần đường kính cốt thép và > 1,5 lần cốt liệu lớn nhất (đúc tại chỗ) hay >38mm

• > 1,0 lần đường kính cốt thép và > 1,33 lần cốt liệu lớn nhất (đúc sẵn) hay >25mm

dựng vào ván khuôn dễ dàng

+ Sườn dầm nhỏ tiết kiệm vật liệu và giảm trọng lượng cẩu lắp mỗi phiến dầm

+ Khi có nhiều tầng cốt thép tạo ra sự ngăn cách lớp BT bên trong với

BT bên ngoài → tạo ra 1 tầng CT gián đoạn → dễ xuất hiện các vết nứt nhỏ

4.2 Bố trí cốt thép đai và cốt thép nghiêng

- Bố trí cốt thép đai

+ Cùng với CT chủ và CT dọc phụ tạo thành khung CT không gian đủ cứng

+ Cùng chịu lực cắt với bê tông và CT nghiêng (nếu có)

+ Bố trí dày ở những nơi có lực cắt lớn (đầu dầm, trên gối trung gian, nơi

có lực tập trung, ) và tuân theo qui định của qui trình

- Bố trí cốt thép nghiêng

+ Bố trí khi cốt đai không đủ chịu lực cắt

+ Được uốn lên từ các CT chủ chịu kéo căn cứ vào đường bao mômen

và lực cắt hoặc đặt rời từng thanh được buộc hoặc hàn vào CT chủ + Góc nghiêng thường là 450 hoặc nhỏ hơn

+ Bán kính uốn cong phảI tuân theo qui định của qui trình để tránh ứng suất ép cục bộ lớn lên bê tông tại chỗ uốn

+ Đặt trên toàn chiều cao khu vực chịu kéo của dầm đến sát bản cánh chịu nén, những nơi có ứng suất cục bộ và ứng suất kéo do tải trọng tập trung,

- Cốt thép chịu ứng suất cục bộ

+ Ngăn ngừa nứt do biến dạng nở ngang của bê tông khi bị nén mạnh theo 1 phương

+ Thường đặt thành các lớp lưới CT cục bộ hoặc CT dạng lò xo

4.4 Ví dụ cấu tạo

CHươNG III: cầu bản và cầu dầm giản đơn Bê tông dự ứng lực

I Các phương pháp tạo dự ứng lực trong cầu dầm giản đơn

- Nguyên tắc chung

Tạo ra ứng suất kéo trong cốt thép CĐC rồi lợi dụng tính dính bám của cốt thép với bê tông hoặc dùng mấu neo để truyền ứng lực kéo trong cốt thép vào bê tông tạo lực nén trước trong bê tông

• Đòi hỏi nhiều thiết bị thi công

• Chỉ căng kéo được theo sơ đồ thẳng hoặc gấp khúc

+ Phạm vi áp dụng

• Thích hợp với điều kiện SX trong nhà máy đảm bảo chất lượng cao

• Phù hợp với kết cấu bản hoặc dầm giản đơn

- C¨ng sau

+ Ưu điểm

• Không cần bệ căng cố định và các neo tạm thời

• Có thể căng CTDƯL theo sơ đồ thẳng hoặc cong

• Có thể áp dụng cho KC đổ tại chỗ

• Kích thước, trưọng lượng khối lắp ghép không bị hạn chế do điều kiện chuyên chở

II HÖ thèng vËt t−, thiÕt bÞ t¹o dù øng lùc

2.4 Kích

- Kích đơn động

- Kích song động

2.5 Bé nèi

Dïng khi thi c«ng theo ph−¬ng ph¸p ph©n ®o¹n vµ CTD¦L ph¶i neo ë c¸c ph©n ®o¹n kh¸c nhau trªn chiÒu dµi

- Có thể làm giảm nhưng không triệt tiêu được toàn bộ ứng suất kéo chủ

3.2 Bố trí CTDƯL theo sơ đồ cong hoặc gãy khúc

- Nếu bố trí hợp lý có thể không còn xuất hiện ứng suất kéo ở thớ trên và dưới mặt cắt trong giai đoạn sử dụng

- Có thể kết hợp cả sơ đồ thẳng và cong sao cho không xuất hiện ứng suất kéo và nén lớn trong dầm

- ưu điểm

+ Điều chỉnh ứng suất có hiệu quả hơn

+ Tránh tập trung các mấu neo gây tập trung ứng suất ở đầu dầm

- Nhược điểm

+ Gây ứng suất cục bộ tại chỗ uốn

+ Mất mát do ma sát lớn hơn

+ Thi công phức tạp hơn

IV Một số dạng mặt cắt dầm DƯL nhịp giản đơn

4.1 Khối bản lắp ghép

- Thường phân khối theo

chiều ngang, chiều

lõm 2 bên để cấu tạo

mối nối ngang dạng

chốt

- Bản nhịp giản đơn:

P Ag

P

ec 2 Ig

c 1

c 2

Truùc troùng taõm

h = 0,03L≥ 165mm

- B¶n nhÞp liªn tôc:

h = 0,027L ≥ 165mm

4.2 C¸c d¹ng cã s−ên: I T, Π…

+ Cùng bản mặt cầu tạo nên tiết diện liên hợp và chống xoắn tốt

+ Sử dụng bộ ván khuôn cố định cho các chiều dài khác nhau

+ Sau khi truyền lực căng, dầm có độ vồng và tự tách khỏi ván khuôn

- Nh−ợc điểm

+ Mặt cắt liên hợp nên chịu lực theo 2 giai đoạn

+ Kết cấu mỏng nên yêu cầu về vật liệu cao hơn

Haứng E

42 41

Haứng D Haứng B

V Mèi nèi trong dÇm D¦L

VI Dù øng lùc ngang vµ D¦L ngoµi

- Các bó CTDƯL được bố trí bên ngoài tiết diện bê tông

- CTDƯL được luồn vào ống thép hoặc nhựa và được bơm đầy vữa xi măng hoặc mỡ công nghiệp để chống rỉ

- CTDƯL được neo vào các ụ neo truyền lực được đúc liền hoặc áp chặt vào khối bê tông bằng bu lông CĐC và keo dán

- Khi cần bố trí CTDƯL theo đường gấp khúc cần bố trí các ụ chuyển hướng

- Khi không bố trí được đủ CTDƯL trong mặt cắt bê tông

- Khi sửa chữa, tăng cường cầu cũ

- Khi cần bố trí CTDƯL tạm thời phục vụ thi công

CHươNG IV: tính toán phân bố tải trọng cho các bộ phận kết

cấu cầu

1.1 Phân loại theo phương pháp mô hình hóa

- Giả thiết vật liệu đàn hồi tuyến tính

- Là kết cấu không gian bao gồm các bộ phận: bản mặt cầu, dầm ngang, dầm chủ cùng tham gia chịu lực

- Dựa trên nguyên lý cân bằng lực và tương thích biến dạng

- Hoạt tải theo phương ngang cầu và dọc cầu di chuyển ở vị trí bất kỳ

- Phân bố tải trọng giữa các bộ phận phụ thuộc vào độ cứng và liên kết giữa các bộ phận

- Người ta chia làm 4 nhóm:

+ Nhóm 1

• Giả thiết KCN là hệ thanh

• Các phần bản coi như chỉ chịu lực cục bộ và truyền lực lên dầm dọc và dầm ngang

• Giả thiết KCN gần với kết cấu thực

• Dùng các phương pháp phức tạp và có độ chính xác cao sử dụng các phần mềm máy tính để tính toán

1.2 Phân loại theo phạm vi áp dụng

+ Phương pháp dầm đơn áp dụng cho cầu dầm

+ Phương pháp tuyến dầm áp dụng cho dầm hộp nhiều ngăn