1.1. THỰC CHẤT CỦA BTCT.BTCT là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có tínhchất cơ học khác nhau là thép và bêtông cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lývà kinh tế.Bêtông là loại đá nhân tạo, thành phần bao gồm: cốt liệu (cát, đá) và chất kếtdính (nước, xi măng). Bêtông có khả năng chịu nén tốt nhưng chịu kéo rất kém.Thép là vật liệu chịu kéo và nén đều tốt. Do vậy người ta thường đặt cốt thép vàovùng chịu kéo trong bêtông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Æ hình thànhnên kết cấu BTCT.
CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP CHƯƠNG CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP NHỊP GIẢN ĐƠN §1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BTCT DỰ ỨNG LỰC 1.1 THỰC CHẤT CỦA BTCT BTCT loại vật liệu xây dựng hỗn hợp hai vật liệu thành phần có tính chất học khác thép bêtông cộng tác chịu lực với cách hợp lý kinh tế Bêtông loại đá nhân tạo, thành phần bao gồm: cốt liệu (cát, đá) chất kết dính (nước, xi măng) Bêtông có khả chịu nén tốt chịu kéo Thép vật liệu chịu kéo nén tốt Do người ta thường đặt cốt thép vào vùng chịu kéo bêtông để tăng cường khả chịu lực cho kết cấu Æ hình thành nên kết cấu BTCT Để thấy cộng tác chịu lực bêtông cốt thép, ta xem xét thí nghiệm sau: P P σn b [σ]k b σk b [σ]n b P P σn b fs Ft - [σ]n b Uốn dầm bêtông, dầm phân làm hai vùng rõ rệt vùng chịu kéo k vùng chịu nén Khi ứng suất kéo bêtông σ bt vượt cường độ chịu kéo bêtông vết nứt xuất Vết nứt dần lên phía dầm bị gãy n nhỏ so với cường độ chịu nén ứng suất bêtông vùng nén σ bt - bêtông Sức kháng uốn dầm nhỏ Với dầm sử dụng lượng cốt thép hợp lý vào vùng k vượt cường độ chịu kéo bêtông bêtông chịu kéo Khi ứng suất kéo σ bt vết nứt xuất Nhưng lúc dầm chưa bị phá hoại, tiết diện có vết nứt, lực kéo hoàn toàn cốt thép chịu Chính ta tăng tải trọng ứng suất cốt thép đạt tới giới hạn chảy bêtông vùng nén bị nén vỡ Dầm BTCT khai thác hết khả chịu nén tốt bêtông khả chịu kéo tốt thép Nhờ sức kháng uốn dầm BTCT lớn hang chục lần so với dầm bêtông Cốt thép chịu kéo nén tốt nên đặt vào cấu kiện chịu kéo, chịu nén, chịu uốn xoắn để tăng cường khả chịu lực, giảm kích thước tiết diện chịu lực kéo xuất ngẫu nhiên Bêtông thép cộng tác chịu lực nguyên nhân: - Trên bề mặt tiếp xúc bêtông thép có lực dính bám lớn nên lực truyền từ bêtông sang thép ngược lại Lực dính bám có tầm quan trọng kết cấu BTCT Nhờ có lực dính bám mà cường độ cốt thép CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [81] CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP khai thác, bề rộng vết nứt vùng kéo hạn chế Do người ta phải tìm cách để tăng cường lực dính bám bêtông cốt thép - Giữa bêtông thép không xảy phản ứng hóa học Bêtông bảo vệ tốt cho cốt thép chống lại tác dụng ăn mòn môi trường - Hệ số giãn nở nhiệt bêtông thép xấp xỉ (bêtông αbt=10.8x10-6/0C, thép αt=12x10-6/0C) Do nhiệt độ thay đổi phạm vi thông thường (dưới 1000C) nội ứng suất xuất không đáng kể, không làm phá hoại lực dính bám bêtông cốt thép 1.2 THỰC CHẤT CỦA BTCT DƯL Khi sử dụng dầm BTCT người ta thấy xuất nhược điểm: - Nứt sớm, giới hạn chống nứt thấp - Không cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao Khi ứng suất cốt thép chịu kéo fs=20 ÷ 30Mpa, khe nứt bêtông bắt đầu xuất Khi dùng thép cường độ cao, ứng suất cốt thép đạt tới trị số 1000 ÷ 2000Mpa lớn hơn, điều làm xuất khe nứt lớn vượt trị số giới hạn cho phép Để khắc phục hai nhược điểm trên, người ta đưa kết cấu BTCT Dự ứng lực Trước chịu lực hình minh họa trên, người ta tạo cấu kiện trạng thái ứng suất ngược với trạng thái ứng suất chịu tải kết cấu nứt nhỏ không nứt P P [σ]k σt b b + Fd−l N N Ft σ P + σ d−l = σd [σ]n b b Với BTCT, chủ yếu người ta tạo ứng suất nén trước cho vùng tiết diện mà sau tác dụng tải trọng sử dụng phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén có tác dụng làm giảm triệt tiêu ứng suất kéo tải trọng sinh Nhờ mà cấu kiện nứt nhỏ không nứt Ta tạo trạng thái ứng suất ban đầu khác hai cách: - Thay đổi vị trí lực nén trước - Thay đổi trị số lực nén trước Ưu điểm kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường: - Nâng cao giới hạn chống nứt có tính chống thấm cao - Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bêtông cường độ cao - Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm xuống, vượt nhịp lớn so với BTCT thường - Chịu tải đổi dấu tốt nên sức kháng mỏi tốt - Nhờ có ứng suất nén trước mà phạm vi sử dụng kết cấu BTCT lắp ghép phân đoạn mở rộng nhiều Người ta sử dụng biện pháp ứng lực trước nối cấu kiện đúc sắn kết cấu lại với Nhược điểm kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường: - Ứng lực trước gây ứng suất nén mà gây ứng suất phía đối diện làm cho bêtông bị nứt - Chế tạo phức tạp nên yêu cầu kiểm soát chặt chẽ kỹ thuật để đạt chất lượng thiết kế đề 1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO DỰ ỨNG LỰC 1.3.1 KÉO CĂNG CỐT THÉP TRƯỚC KHI ĐỔ BÊTÔNG CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [82] CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP Các cốt thép DƯL kéo căng trước biện pháp khí phương pháp nhiệt Dưới tác dụng lực kéo N, cốt thép kéo giới hạn đàn hồi dãn dài đoạn ΔL tương ứng với ứng suất kéo thiết kế xuất cốt thép Sau căng, cốt thép DƯL liên kết chặt chẽ vào bệ cố định nhờ mấu neo tạm thời Sau người ta cố định đầu cốt thép vào bệ Tiếp người ta lắp đặt cốt thép thường, dựng ván khuốn đổ bêtông dầm Khi bêtông cấu kiện đủ cường độ cần thiết, người ta tháo bỏ mấu neo tạm thời, tiến hành buông cốt thép Lúc cốt thép DƯL có xu hướng co lại khôi phục chiều dài ban đầu sinh nén bêtông Các đoạn cốt thép thừa bị cắt bỏ, neo tạm thời sử dụng lại để chế tạo dầm khác 3 6 Sơ đồ kéo căng cốt thép trước đổ bêtông Bộ kẹp di động để giữ chặt đầu cốt thép Đầu bệ cố định Cốt thép căng kéo Bộ kẹp định vị điểm uốn cốt thép Dầm BTCT DƯL đổ bêtông Thân bệ cố định Ưu, nhược điểm: - Thích hợp với điều kiện sản xuất cấu kiện BTCT DƯL nhà máy đảm bảo chất lượng cao dầm - Đòi hỏi phải có nhiều thiết bị kéo căng cốt thép theo sơ đồ cốt thép thẳng hay sơ đồ gãy khúc - Do điều kiện vận chuyển từ nhà máy tới công trường phức tạp nên cấu kiện BTCT DƯL chế tạo theo phương pháp phải hạn chế kích thước trọng lượng Chiều dài lớn cấu kiện xấp xỉ 33m Do phù hợp với kết cấu dầm hay giản đơn 1.3.2 KÉO CĂNG CỐT THÉP SAU KHI ĐỔ BÊTÔNG Trong trình đổ bêtông dầm, người ta tạo đường ống rỗng lòng khối bêtông theo dạng đường cong hay đường thẳng dự kiến Sau bêtông đủ cường độ cần thiết, người ta luồn cốt thép dự ứng lực vào ống rỗng dùng kích thủy lực để kéo căng cốt thép, chân kích tỳ trực tiếp lên bề mặt bêtông đầu dầm mỏ cặp kích kẹp chặt lấy neo đầu cốt thép mà kéo căng Sau đạt đủ dự ứng suất kéo cần có cốt thép theo tính toán thiết kế tiến hành cố định neo vĩnh cửu để giữ đầu cốt thép vào bề mặt bêtông đầu dầm tháo kích Đoạn cốt thép thừa cắt bỏ Tiếp theo người ta tiến hành bơm vữa vào ống chứa cáp để lấp kín phần rỗng lại cốt thép đường ống Các neo đổ bêtông bịt kín để chống gỉ CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [83] CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP 4 hs hb hvd Hd hvt ht Sơ đồ kéo căng cốt thép sau đổ bêtông Giá treo kích đặt máy bơm dầu kích Neo Ống ghen (luồn cáp dự ứng lực) Dầm BTCT đổ bêtông Ưu điểm: - Không cần bệ căng cố định neo tạm thời - Các cốt thép cường độ cao đặt thẳng hay theo đường cong tùy theo dự kiến người thiết kế nhằm mục đích triệt tiêu ứng suất kéo bêtông - Kích thước, trọng lượng khối lắp ghép không bị hạn chế chuyên chở đặc biệt có ý nghĩa xây dựng cầu BTCT DƯL nhịp lớn - Các cốt thép dự ứng lực kéo căng vài lần tùy theo yêu cầu công nghệ, tháo số cốt thép dự ứng lực chúng cốt thép phục vụ thi công Nhược điểm: - Không đảm bảo tính dính bám tốt cốt thép bêtông, khó kiểm tra chất lượng vữa phun ống chứa cốt thép cốt thép dự ứng lực sau kéo căng cốt thép 1.4 CÁC DẠNG MẶT CẮT NGANG CẦU DẦM BTCT DƯL NHỊP GIẢN ĐƠN 1.4.1 MẶT CẮT CHỮ T Btb Ưu điểm: bk - Rất tiện lợi cho loại nhịp với kích thước từ 18 đến 33m - Ván khuôn đơn giản, dễ chế tạo lắp ráp bvt bvt - Có thể đúc công trường - Với dầm có độ lệch tâm trọng tâm dầm trọng tâm bs bó cáp lớn, mặt cắt chữ T kinh tế bố trí cốt thép Nhược điểm: - Đối với dầm khác nhau, phải có nhiều ván khuôn bb Mặt cắt chữ T CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [84] CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP Khi độ lệch tâm trọng tâm dầm trọng tâm bó cáp nhỏ, mặt cắt chữ T không hiệu kinh tế bố trí cốt thép, trọng tâm cốt thép căng kéo nằm phía dưới, gây lên ứng suất kéo cánh - Cầu rung mạnh chịu hoạt tải - Có thể xuất vết nứt dọc mối nối dọc mặt cầu 1.4.2 MẶT CẮT CHỮ I b7 Ưu điểm: b3 - Rất thuận tiện cho loại nhịp từ 20 ÷ 33m b4 - Ván khuôn đơn giản, dễ chế tạo, sử dụng ván khuôn cho nhiều loại dầm b6 b6 - Mặt cắt chữ I có trọng tâm mặt cắt gần với trọng tâm cốt thép dự ứng lực, hiệu b5 b2 b5 phân phối lực, trọng căng kéo giai đoạn sử dụng - Độ cứng ngang lớn nên hoạt tải phân bố tương đối cho b1 dầm, rung Mặt cắt chữ I trình khai thác - Bản mặt cầu đổ bêtông chỗ với dầm ngang, liên hợp với dầm chủ qua cốt thép chờ, khắc phục triệt để vết nứt dọc so với mối nối dầm T Nhược điểm: - Khi độ lệch tâm trọng tâm bó cáp dự ứng lực mặt cắt lớn, xuất vết nứt thớ dầm - Tĩnh tải dầm lớn, khối lượng bêtông thép nhiều - Bản ván khuôn dày 8cm gây thêm phần tĩnh tải tốn 1.4.3 MẶT CẮT SUPER – T 2140 Ưu điểm: 675 395 395 675 - Rất thuận tiện cho loại nhịp từ 20 ÷ 40m - Ván khuôn cố định, giảm giá thành xây lắp - Hình dáng đẹp Dầm có đáy dạng hình hộp với góc cạnh nên xem dầm 100 hộp hay dầm lỗ rỗng ưa chuộng 306 306 - Độ cứng chống xoắn cao Sự phân phối ứng suất mặt 226 226 cắt qua giai đoạn phát huy triệt để tính vật liệu 1750 75 50 50 75 h1 h2 h3 h4 h5 h6 h7 - 700 Mặt cắt Super – T Nhược điểm: - Dầm chế tạo theo phương pháp căng trước nên thích hợp với chế tạo công xưởng Nếu đúc công trường tốn thêm phần xây dựng bệ đúc giá căng cáp dự ứng lực Chỉ thích hợp với cầu sử dụng nhiều dầm CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [85] CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP - Kết cấu bêtông thành mỏng đòi hỏi cao công tác quản lý chất lượng 1.4.4 MẶT CẮT HÌNH HỘP 1394 1700 806 1800 2% 00 R5 R5 00 1 7358/2 2 SECTION S16 mÆt c¾t s16 6.889 2200 6.889 1400 300 2% 250 3900 1800 300 250 1400 SECTION mÆt c¾t S15 s15 Mặt cắt hình hộp Ưu điểm: - Mặt cắt hộp có đáy rộng nên diện tích bêtông hoàn toàn cân với khả lực cáp dự ứng lực, giá trị cánh tay đòn lớn - Ổn định đàn hồi kết cấu tốt giai đoạn thi công giai đoạn khai thác độ cứng chống xoắn lớn - Hình dạng hộp đẹp, phù hợp với kết cấu nhịp - Có thể vượt nhịp tương đối lớn Nhược điểm: - Giá thành xây dựng nhịp lớn - Đòi hỏi phải có thiết bị thi công công nghệ cao - Yêu cầu công nhân có trình độ cao 1.4.5 XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA MẶT CẮT DẦM BTCT DƯL 1.4.5.1 Chiều cao dầm chủ Dựa vào tính toán lý thuyết kết hợp với số liệu thực tế, xác định chiều cao dầm theo công thức: Trong đó: Hdc: Chiều cao dầm chủ M hdc = α: Hệ số, lấy 0.7 ÷ 0.9 b R α (1 − 0.5α ) c u b c: Bề rộng cánh hữu hiệu dầm chủ Ru: Cường độ chịu uốn tính toán bêtông dầm M: Momen uốn tính toán mặt cắt nhịp Ngoài xác định chiều cao dầm chủ theo kinh nghiệm sau đây, dựa chiều dài nhịp: ⎞ ⎛ ÷ hdc = ⎜ ⎟L 25 17 ⎝ ⎠ Theo AASHTO 2007: hmin = 0.045L 1.4.5.2 Bề rộng cánh hữu hiệu Đối với dầm giữa, bề rộng cánh hữu hiệu bc không lấy trị số nhỏ của: - ¼ chiều dài nhịp hữu hiệu - Khoảng cách tim hai dầm chủ - 12 bề dày cánh hb cộng với bề rộng sườn dầm bs Đối với dầm biên, bề rộng cánh hữu hiệu bc lấy ½ bể rộng hữu hiệu dầm cộng với trị số nhỏ của: - 1/8 chiều dài nhịp hữu hiệu CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [86] CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP - Bề rộng phần hẫng.chủ bề dày cánh hb cộng với nửa bề rộng sườn dầm bs hs bs hb Hdc hc bc bb Các kích thước mặt cắt dầm chủ 1.4.5.3 Bề rộng sườn dầm Chiều dày sườn dầm thường lấy: Trong đó: bs: Bề dày sườn dầm bs ≥ h hs: Chiều cao sườn dầm 15 s Ngoài chiều dày sườn dầm không lấy nhỏ giá trị sau đây: - Trong dầm toàn khối: bsmin = 12cm - Trong dầm lắp ghép: bsmin = 8cm Thông thường bề dày sườn dầm nằm khoảng bs = 15 ÷ 25cm 1.4.5.4 Bề dày cánh Lấy theo yêu cầu cấu tạo mặt cầu Chiều dày xe chạy không lấy nhỏ 10cm Ngoài cần ý yêu cầu độ cứng bản, chiều dày không nhỏ lb , lb chiều dài nhịp tính toán hc ≥ 25 Thông thường bề dày sườn dầm nằm khoảng bc = 15 ÷ 25cm 1.4.5.5 Bề rộng chiều cao bầu dầm Kích thước phần bầu dầm chọn vào việc bố trí cốt thép dự ứng lực mặt cắt dầm Thông thường bề rộng bầu dầm nằm khoảng bb = 55 ÷ 65cm Thông thường chiều cao bầu dầm nằm khoảng hb = 15 ÷ 25cm CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1 [87] ... xuất không đáng kể, không làm phá hoại lực dính bám bêtông cốt thép 1.2 THỰC CHẤT CỦA BTCT DƯL Khi sử dụng dầm BTCT người ta thấy xuất nhược điểm: - Nứt sớm, giới hạn chống nứt thấp - Không cho... hai cách: - Thay đổi vị trí lực nén trước - Thay đổi trị số lực nén trước Ưu điểm kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường: - Nâng cao giới hạn chống nứt có tính chống thấm cao - Cho phép sử dụng hợp... độ võng giảm xuống, vượt nhịp lớn so với BTCT thường - Chịu tải đổi dấu tốt nên sức kháng mỏi tốt - Nhờ có ứng suất nén trước mà phạm vi sử dụng kết cấu BTCT lắp ghép phân đoạn mở rộng nhiều Người