Nội dung cuốn sách bao gồm giới thiệu tổng quan về công nghệ thi công dầm SuperT, cấu tạo dầm SuperT, các ví dụ thiết kế dầm SuperT căng trước và dầm SuperT căng sau đã và đang được ứng dụng phổ biến trong các công trình cầu tại Việt Nam. Đặc biệt trong cuốn sách này giới thiệu ví dụ cầu dầm SuperT căng sau ứng dụng phần mềm RM trong phân tích tính toán kết cấu theo sơ đồ mạng dầm, hướng dẫn cách tính toán bán liên tục nhiệt theo quy trình cùa Liên Xô, hướng dẫn áp dụng chương trình CAST trong phân tích cục bộ đầu dầm SuperT có cắt khấc theo mô hình chống giằng.
Trang 1GS TS NGUYỄN VIẾT TRUNG (Chủ biên)
ThS NGUYỄN TRỌNG NGHĨA
THIẾT KÊ KẾT CẤU
THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272 - 05
(Tái bẳn)
NHÀ XUẤT BẢN XÂY DựNG
Trang 2LỜI NÓI ĐẦU
Cuốn sách “Thiết kế nhịp cầu dầm Super-T theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05” được biên soạn nhằm phục vụ độc già là các kỹ sư, cán bộ kỹ thuật, sinh viên Ngành xây dựng cầu và xảy dựng các công trình nhân tạo tương tự khác.
Nội dung cuốn sách bao gồm giới thiệu tống quan về công nghệ thi công dầm Super-T, cấu tạo dầm Super-T, các ví dụ thiết kế dầm Super-T căng trước và dầm Super-T căng sau đã và đang được ứng dụng phổ biến trong các công trình cầu tại Việt Nam Đặc biệt trong cuốn sách này giới thiệu ví dụ cầu dầm Super-T căng sau ímg dụng phần mềm RM trong phân tích tính toán kết cấu theo sơ đồ mạng dầm, hướng dân cách tính toán bán liên tục nhiệt theo quy trình cùa Liên Xô, hướng dân
áp dụng chương trình CAST trong phân tích cục bộ đầu dầm Super-T có cắt khấc theo mô hình chống - giằng.
Sách gồm 7 chương và 3 phụ lục:
Chương 1: Tổng quan về dầm Super-T.
Chương 2: Vật liệu và công nghệ thi công dầm Super-T.
Chương 3: Những cơ sở tính toán và thiết kế kết cấu dầm bê tông DƯL theo
trạng thái giới hạn.
Chương 4: Các yêu cầu cấu tạo dầm Super-T.
Chương 5: Ví dụ tính toán, kiểm toán dầm Super-T.
Chương 6: Tính toán bản Hên tục nhiệt.
Chương 7: Tính ỉoán, thiết kế chi tiết đầu dầm theo mô hình chông - giang.
Phụ lục 1: Ví dụ tính toán, kiếm toán dầm Sưper-T căng trước theo phương
pháp đơn giàn.
Phụ lục 2: Trình tự tính toán kết cấu nhịp dầm Super-T căng sau bằng phần
mềm RM íheo sơ đồ mạng dầm.
Phụ lục 3: Trình tự phân tích tính toán cục bộ chi tiết đầu dầm Super-T có cất
khấc bang phần mềm CAST.
Trong quá trình biên soạn không thể tránh khỏi những nhầm lẫn hay sai sót Tác già mong nhận được các ý kiến đóng góp của bạn đọc đê có thể hoàn thiện cuốn sách này trong lcrn xuất bàn sau Mọi Ỷ kiến đóng góp xin già về địa chỉ hòm thư: ỉighiant hmct@gmail.com
Các tác giả
3
Trang 3Chưong 1
TỎNG QUAN VÈ DẦM SUPER-T
1.1 TỔNG QUAN VÊ CÔNG NGHỆ DẦM SUPER-T KÉO TRƯỚC
1.1.1 Tổng quan
Trong lịch sử phát triển và xây dựng cầu ờ Việt Nam, cùng với sự phát triển các ngành khoa học, kinh tế, xã hội, quốc phòng Sự phát triển của ngành khoa học cầu đường gắn liền với sự tăng trưởng về kinh tế, văn hoá Với mỗi một quốc gia, mạng lưới giao thông được coi như mạch máu nối liền các trung tâm kinh tế, chính trị, văn hoá và quốc phòng, nối liền giao thông trong nước với các nước trong khu vực
Sự phát triển đa dạng và thành tựu của các ngành khoa học nói chung đã tác động rất lớn đến tính đa dạng và thành tựu cùa công nghệ thiết kế và thi công cầu Đó là việc nghiên cứu, ứng dụng các tiến bộ khoa học kỹ thuật tiên tiến hiện đại, đồng bộ với việc cải tiến công nghệ cũ, lạc hậu và thuờng xuyên tổng kết kinh nghiệm cả về thiết kế và xây dựng góp phần đưa ngành khoa học cầu đường phát triển ngang tầm các nước trong khu vực Thời kỳ đất nước tăng cường mở rộng hợp tác về mọi mặt với các quốc gia khác trên thế giới, sự đầu tư lớn về nhiều mặt cùa các nước bạn, nhất là trong lĩnh vực giao thông đã tạo nên sự phát triển nhanh trong công tác tư vấn, thiết kế
và xây dựng cầu
Trong thời kỳ đầu tới thập niên những năm 1990, tiêu chuẩn thiết ké cầu của Việt Nam dựa trên nền tảng tiêu chuẩn thiết kế và các thiết kế điển hình của Liên Xô cũ Đối với các dạng kết cấu nhịp phổ biến, nhất là các cầu có nhịp giản đơn bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép ứng suất trước thường được sử dụng dầm có tiết diện kiểu chữ T, kể cả dầm được sản xuất tại Nhà máy bê tông Châu Thới theo tiêu chuẩn AASHTO cũng phần lớn là dầm có tiết diện kiểu chữ T, loại dầm này bàng bê tông côt thép ứng suất trước có thể chia làm 2 loại: Kéo trước và kéo sau; Loại kéo trước thực hiện phổ biến ờ nhà máy, loại kéo sau có thể thực hiện tại nhà máy hoặc tại công truờng tuỳ thuộc vào đặc thù vị trí xây dựng cầu, trong loại hình kéo sau có thể đúc dầm toàn khối hoặc đúc phân đoạn Các đồ án thiết kế điển hình được tiêu chuẩn hoá theo từng loại khâu độ, cấp đường và cấp tải trọng
Loại hình dầm giản đơn có mặt cắt dạng hộp cũng thường được sử dụng, nhất là trong các nhịp dẫn của các cầu dầm hộp liên tục, dầm khung T, vừa đảm bảo được tính
mỹ quan cao của công trinh và đạt yêu cầu vượt được khẩu độ tương đối lớn Ví dụ như
Trang 4đã sử dụng cho cầu Trần Phú, cầu Phú Lương, cầu Lạch Tray II, cầu Đáp cầu và gần đây sử dụng cho cầu Xuân Sơn thuộc dự án đường Hồ Chí Minh
Thời kỳ khoảng từ năm 1995 tói nay, sự tiến bộ về khoa học kỹ thuật cùng với việc
áp dụng các thành tựu và công nghệ mới, tiêu chuẩn mới (tiêu chuẩn AASHTO, tiêu chuẩn Úc, Nhật), cộng với sự đầu tư cho vay, tài trợ vốn của Ngân hàng thế giới (WB), Ngân hàng phát triển Châu Á (ADB), Quỹ tài trợ Nhật Bản (ODA), thông qua các Công
ty tư vấn Quốc tế như là PCI, Nippon Koei co., ltd Louis Berger and Cather Delew, Hider, SNW v.v các dự án cầu nói riêng được triển khai nhiều nhưng có sự chọn lọc Trong các dự án lớn như dự án cải tạo nâng cấp QL5, QL18, cải tạo và khôi phục các cầu trên QL1A đã đồng loạt sử dụng loại dầm bê tông cốt thép ứng suất trước có tiết diện kiểu chữ I kéo sau, chiều dài dầm thay đổi từ 15m ~ 33m
Với mong muốn chế tạo một loại dầm mới có giá thành thấp hơn các dầm tiêu chuẩn,
áp dụng cho miền chiều đài nhịp trung bình, có thể dễ dàng sàn xuất và vận chuyển, và chỉ sử dụng một bộ khuôn đúc cho các chiều dài nhịp, Ban Công Trình c ầ u Lớn thuộc cục đường bộ Bang Victoria đã nghiên cứu cải tiến loại dầm máng hở tiêu chuẩn và kết hợp với đặc điểm của dầm T để cho ra đời loại dầm có tiết diện dạng hộp và đổ bê tông tại chỗ cho bản mặt cầu - gọi là dầm Super-T Sự phát triển của dầm Super-T kế thừa những ưu điểm có sẵn của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước đúc sẵn như tính trường tồn tuyệt vời Những ưu điểm của dầm Super-T được thống kê qua việc sừ dụng ở Autralian Dầm được định hình hoá gồm 2 loại mặt cắt: mặt cắt kín và mặt cắt hở với các chiều cao từ 750mm đến 1750mm cho các nhịp từ 20 đến 36m
Dầm Super-T có bốn dạng chiều dày tiêu chuần cùa dầm tương ứng với chiều dài
Bảng 1.1
(m)
Chiều cao (ram)
Chiều dày bàn cánh (mm)
Chiều dày bản đáy (mm)
Chiều dày sườn (mm)
Ở Việt Nam, lần đầu tiên dầm Super-T mặt cắt hở được đưa vào áp dụng cho phẩn cầu dẫn của dự án cầu Mỹ Thuận là một trong các dự án cầu hiện đại nhất nước ta Chiều dài của dầm Super-T được phát triển thành L = 40m và đặc biệt là đầu dầm cắt khấc để che phần nhô ra của xà mũ trụ, tạo mỹ quan đẹp cho tổng thể toàn bộ công trình Hơn nữa, nhịp chính của cầu Mỹ Thuận là dạng kết cấu hiện đại, khẩu độ lớn nên
sự lựa chọn dầm Super-T cho phần cầu dẫn là hoàn toàn họp lý Trong dự án cải tạo
6
Trang 5Đường 10 hiện nay đang được xây dựng, dầm Super-T được áp dụng cho các cầu Tân
Đệ, Quý C ao Các dự án cầu Rạch Miễu, cầu c ầ n Thơ đều có phần cầu dẫn dùng dầm Super-T, dự án đường cao tốc Sài Gòn - Trung Lương có hơn 10 km cầu dùng hoàn toàn dầm Super-T Dầm Super-T có nhiều ưu điểm trong việc chế tạo và thi công, có khả năng cạnh tranh với các loại dầm khác như dầm T, dầm I khi được sừ dụng rộng rãi Dầm Super-T cũng đang được sự chú ý của các nhà sản suất cấu kiện bê tông đúc sẵn quan tâm nghiên cứu phát triển Đến nay, dầm Super-T đang được ứng dụng rất thành công ờ nhiều nước và đã chứng minh được hiệu quả kinh tế kỹ thuật
Hĩnh 1.1: Các nhịp dầm Super-Tdài 42m Hình 1.2: Bệ đúc dầm Super-T
1.1.2 Ưu nhược điểm của dầm Super-T
1.1.2.1 ư u điểm
a) Tiết kiệm chi p h í
- Tốc độ xây dựng công trình nhanh, hiệu quả giá thành có thể đạt được bằng các tiêu
chuẩn hoá chi tiết dầm và cốt thép bàn mặt Xây dựng bản mặt liên quan đến lao động chân tay
- Ván khuôn cố định giảm giá thành xây lắp Giá chính thức sẽ được giảm dần sau khi đã sán xuất ra một số dầm
- Thời gian xây dựng giảm vì có thể nhấc dễ dàng dầm ra khỏi ván khuôn (tháo lắp ván khuôn nhanh)
- Giá thành thuê mặt bàng xây dựng giảm Giảm bớt được lượng ván khuôn của bản
và đẩy nhanh tốc độ xây dựng
khuôn đúc cố định cho tất cả các chiều dài dầm làm giảm chi phí xây dựng Chi phí xây dựng tại hiện trứờng giảm do phần lớn ván khuôn mặt cầu được loại bỏ
Trang 6- Một số chỉ tiêu kỹ thuật của dầm Super-T trong dự án cầu Mỹ Thỉận khii so sáárih với dầm I kiểu AASHTO cho trong bảng 1.2
Bảng 1.2
b) An toàn trong thi công
sau khi dầm được đặt vào vị trí, tạo nên sự an toàn cho công nhân tại công ttrườngỉ sẽ tăng lên khi so sánh với các loại dầm khác, bởi vì mặt bàng làm việc sẽ được tạo ra nịgay khi lắp dựng dầm Thêm nữa, cạnh ván khuôn và tay vịn được liên kết với phía trcong dầm khi lắp dựng, tăng độ an toàn trong thi công Đặc tính trên làm cho dầm Supeĩr-T trở nên lý tưởng đối với cầu có mật độ giao thông cao, đường sắt và cầu qua sông
c) Hình dáng đẹp
Dầm có mặt đáy dạng dầm hộp với ít góc cạnh nên được xem như t jơ ng đương 'V(ri các dầm hộp hay bản có lồ đúc tại chỗ đang được ưa chuộng Đáy các nhịp và xà mũ liên tục tạo hiệu quả cao về mỹ quan
d) Hiệu quả kết cấu
Do có độ cứng chống xoắn cao nên tải trọng tác dụng lên dầm sẽ phân bố nhiều hhơn cho các dầm lán cận Chiều dài làm việc của bản mặt cầu ngắn nên tiết kiệm thép ỈĐổi với tiết diện Super-T qua tính toán và thực tế cho thấy sự phân phối ứng suất trên rmặt cắt trong các giai đoạn đã phát huy triệt đề tính năng của vật liệu, điều đó chứng miinh rằng dầm Super-T đã phản ánh ưu điểm nổi bật nhất về kỹ thuật
e) Ồn định
Khi cẩu lắp, dầm không cần bất cứ liên kết ngoài giữ ổn định khi mà sự mất ổn đtịnh theo phương ngang do uốn kết hợp xoắn đối với các dầm dài là mối lo ngại khi thi côrng
8
Trang 7f ) Tốc độ xây dựng
- Do không cần giàn giáo cho thi công bản mặt cầu, cốt thép có thể được lắp đặt ngay sau khi đặt dầm Sau khi truyền lực căng, dầm tự tách khỏi ván khuôn và được nhấc khỏi bệ căng ma không cần phải tháo ván khuôn
- Loại dầm Super-T hiện đang được sử dụng ở công trình cầu Mỹ Thuận là loại dầm Super-T cải tiến (Super-T Roff) với tiết diện ngang dạng hộp mở và với chiều dài lớn hơn nhịp tiêu chuẩn đang được sử dụng ở ú c Tuy giống nhau về kích thước nhưng ván khuôn trang lòng hộp của loại Tee Roff có thể tháo ra, do vậy có thể sử dụng lại Hai vách ngàn bên trong lòng hộp có tác dụng tăng cường ổn định cho dầm trong quá trình vận chuyển và lắp dựng Dầm Super-T dạng hộp mờ nhẹ hơn dầm Super-T thường
dầm để tảo đảm không có hiện tượng bê tông bị rỗ tổ ong và tiết kiệm chi phí do không cần sử dmg ván khuôn trong lòng hộp bằng vật liệu Polystyrene
g) Đảnh giá
- Dầir Super-T là loại dầm bê tông cốt thép dự ứng lực hiện đại mới bắt đầu được áp
dụng ở nrớc ta, nó kế thừa những ưu điểm có sẵn của dầm bê tông cốt thép ứng suất trước đúc sẵn, cấu tạo đom giản, tính công nghiệp hoá cao
- Dần Super-T được áp dụng trong các công trình mà yếu tố kiến trúc đóng vai ừò quan troig Hiệu quả kinh tế cao nhất đạt được trong các cầu có nhịp giản đơn từ 30 tới 40m và chi cho phép chế tạo dầm trong công xưởng hoặc đúc dầm với số lượng lớn, dầm Supr-T cũng là giải pháp so sánh với các loại dầm khác khi lựa chọn loại hình kết cấu nhịp
- Dần Super-T có một số ưu điểm quan trọng so với các loại dầm hiện tại, các ưu điểm đó dẫn tới hạ giá thành cầu Bộ ván khuôn cố định với tấm trượt di động được sử dụng với các loại dầm trong khoảng từ 20m~40m Nó dẫn tói giảm giá thành xây dựng, bao gồm sự đầu tư vào bộ ván khuôn và giảm thời gian xây dựng, tiết kiệm thời gian và tiền bạc Igay cả trên công trường bằng cách giảm ván khuôn, bỏ dầm ngang, sử dụng lao động đơn giản Chiều rộng của bản cánh có thể thay đổi để phù hợp với chiều rộng của cầu 'à sơ đồ hình học An toàn cho công nhân xây dựng được tăng lên
- Dần Super-T có hình dáng đẹp, vượt được khẩu độ lớn (nếu so sánh các dầm cùng khẩu độ thì dầm Super-T có chiều cao thấp hơn Hơn nữa dầm Super-T có tính an toàn cao tron; xây dựng Do vậy loại dầm này áp dụng thích hợp cho các cầu vượt trong thành ptó, cầu vượt đường giao thông và các cầu nhiều nhịp
1.1.22 N h ư ợ c điểm
- Do ánh dầm rộng nên khi áp dụng cho các cầu trên đường cong, có siêu cao cần phải có tiện pháp xử lý bề rộng cánh và tránh tạo bản mặt cầu quá dầy
Trang 8- Dầm được chế tạo theo phương pháp căng trước thích hợp với chế tạo trong công xưởng Nếu đúc tại công trường sẽ tốn kém thêm phần xây dựng bệ đúc và giá căng cáp DƯL Kết cấu dầm Super-T chỉ thích hợp với cầu sử dụng nhiều dầm
- Kết cấu bê tông thành mỏng đòi hỏi cao về công tác quản lý chất lượng
- Một trong những vấn đề nảy sinh sớm nhất là vết nứt dọc tại đầu dầm lúc thả kích sau khi đã xử lý hơi nước bảo dưỡng Điều ưu điểm ta nghiên cứu đã chỉ ra rằng tổ họp các ứng xuất nhỏ trong suốt quá trình căng kéo đã gây ra ứng xuất lớn cùng với nó còn
do nguyên nhân do Gradient nhiệt độ tại đầu dầm lúc căng kéo, gradient nhiệt phát triển nhanh do nhiệt độ lạnh của các phần ngoài của dầm so với các phần bên trong được xử
lý hơi nước dẫn tới việc tăng ứng xuất kéo Để giảm bớt vết nứt tại đầu dầm thi phải tăng cốt thép tại đuôi dầm tại bề mặt của đầu dầm
- Việc gối nghiêng dầm dẫn tới một sổ vấn đề nảy sinh lực cắt tại gối gây ra bởi trọng lượng kết cấu
• Đánh giá:
- Bộ ván khuôn cố định dẫn tới việc sản xuất dầm chỉ thực hiện trong công xưởng
hoặc trên các công trường cầu lớn mà số lượng dầm Super-T đáng kể, các cầu nhỏ, đơn chiếc hoặc ở xa công xưởng mà đường vận chuyển khó khăn thì việc sử dụng dầm Super-T là hạn chế
- Do đặc trưng hình học của mặt cát (thành mông) cho nên bất lợi trong quá trình chế tạo, vật liệu nhất là bê tông đòi hỏi eườns độ cao (M500), tuy nhiên hiện nay việc sản xuất bê tông mác cao đã trở nên dễ dàng, do vậy vấn đề này có thể khắc phục được
- Dầm Super-T sử dụng hợp lý cho các cầu lớn có nhiều nhịp dẫn, các cầu vượt đường ôtô và cầu vượt thành phố Chiều dài sử dụng ưu việt nhất là từ 30m đến 40m Trong tương lai gần, dầm Super-T cần được định hình hoá như các loại hình dầm trước đây và nên phát triển bởi vì đây là dạng kết cấu hiện đại và có n._;ju un điểm trong kết' cấu dầm bê tông cốt thép dự ứng lực giản đơn
1.1.3 Cấu tạo dầm Super*-T căng trước
Đặc điểm của dầm Supei -T minh hoạ ờ hình 1.3a, 1,3b có thể lông kết như sau:
- Chiều rộng bản cánh có thể thay đổi từ ] 120mm đến 2500mm để phù họp chiều rộng cầu và chiều cong tuyến Chiều rộng này có thể lên tới 3000mm đối với đường người đi bộ
- Chiều dày bản cánh ít n h 't là 75mm
- Chiều dày sườn tối thiểu là 90mm
- Sợi cáp dự ứng lực thẳng
10
Trang 9- Các dầm được đặt lên các gổi có cao độ khác nhau tuỳ theo dốc ngang của bản mặt cầu.
- Gối cầu có thể chuyển vị ngang được theo 2 phương
- Chiều dày bản phía trên có kích thước tối thiểu là 140mm với 2 lớp cốt thép
- Không cần các dầm ngang Có các dầm ngang tại đầu dầm khi bố trí các khe co giãn để giảm chiều dày của bản xuống dưới 140mm
- Bản mặt cầu có thể liên tục tại trụ để bỏ qua khe co giãn Dầm liên tục được hoàn thành phía trên trụ theo cách tương tự như đối với các dầm khác
Hình 1.3a cấu tạo dầm Super-T có mặt cắt kin
Trang 10PC CABLE ARRANGEMENT FOR INNER SPANS