Bài giảng thiết kế cầu

c Bộ phận liên kết giữa các bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu các thanh dầm, dàn hoạc vòm được cấu tạo với mục đích liên kết các bộ phận chịu lực chính thành một kết cấu không gian cứ

MỤC LỤC

Chương 1: Tổng luận cầu 4

1.1. Công trình cầu 4

1.2. Các tài liệu khảo sát phục vụ thiết kế 13

1.3 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 14

1.4 Khổ giới hạn 29

1.5 Yêu cầu vật liệu trong thiết kế và xây dựng cầu 32

Chương 2: Mố, trụ và gối cầu dầm 40

2.1 Khái niệm chung về mố trụ cầu 40

2.2 Cấu tạo trụ cầu dầm 42

2.3 Cấu tạo mố cầu dầm 49

2.4 Cấu tạo gối cầu 60

2.5 Tính toán mố trụ cầu 64

Chương 3: Cầu dầm bê tông cốt thép 79

3.1 Cầu dầm bê tông cốt thép 79

3.2 Cầu dầm bê tông cốt thép nhịp giản đơn 88

3.3 Tính toán thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép 113

3.4 Cầu dầm bê tông cốt thép nhịp liên tục….………… ………… ……….….126

Chương 4: Cầu thép 148

4.1 Giới thiệu chung về cầu thép 148

4.2 Cầu dầm thép 152

Chương 5: Cầu dàn thép 177

5.1 Khái niệm chung 177

5.2 Các bộ phận chính của cầu dàn thép 178

5.3 Các sơ đồ chính của cầu dàn thép 179

5.4 Hệ mặt cầu 181

5.5 Cấu tạo các thanh dàn 182

5.6 Cấu tạo tiếp điểm (nút dàn) 186

Tài liệu tham khảo……….……………185  

Chương 1 TỔNG LUẬN CẦU

1.1 CÔNG TRÌNH CẦU

1.1.1 Các dạng công trình phục vụ giao thông trên đường

Để bảo đảm tuyến đường liên tục và xe cộ lưu thông được an toàn, người ta xây dựng cầu, cống, hầm, đường tràn và các công trình khác gọi là các công trình nhân tạo phục vụ giao thông trên đường

1 Công trình cầu: Cầu được định nghĩa là các công trình vượt qua các chướng ngại như

dòng nước, thung lũng, đường, các khu vực sản xuất hoạc các khu thương mại hoạc cũng có thể là vật cản bất kì Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272 – 05 thì Cầu là một kết cấu bất kì vượt khẩu độ không dưới 6m tạo thành một phần của con đường

Hinh 1.1: Một số dạng công trình cầu

a- Cầu qua sông, b- cầu vượt, c-cầu cao (viaduct), d- cầu cạn

2 Công trình thoát nước nhỏ: Đường tràn, Cầu tràn, Cống

Đường tràn là công trình vượt sông có mặt đường nằm sát cao độ đáy sông Hay nói cách

khác là độ chênh cao giữa cao độ đáy sông và cao độ mặt đường tràn là không lớn Thông

thường tại các khu vực này vào mùa khô nước cạn Vào mùa mưa, nước chảy tràn qua mặt đường nhưng xe cộ vẫn đi lại được Khi thiết kế cho phép một số ngày trong năm xe cộ không qua lại được

Hinh 1.2: Đường tràn

Cầu tràn là công trình được thiết kế dành một lối thoát nước phía dưới, đủ để dòng chảy

thông qua với 1 lượng nhất định Khi mực nước vượt quá lưu lượng này, nước sẽ tràn qua công trình Cầu tràn và đường tràn thường tạo nên chướng ngại vật trong lòng song nên cần chú ý chống xói lở cho công trình

Cống là một công trình thoát nước dành lối thoát nước ở phía dưới đường và không cho

phép nước chảy qua công trình khi lưu lượng lớn Cống thường được làm từ vật liệu có độ bền cao, có khả năng thoát nước có lưu lượng trung bình và tương đối lớn Cống có nhiều dạng mặt cắt khác nhau, thường thấy là dạng cống tròn và cống hộp

Trên thực tế có hai hình thức sử dụng cống, đó là cống dọc và cống ngang đường Cống dọc dẫn nước cần thoát theo dọc tuyến đường đến nơi xả nước nhất định; cống ngang đường thường được thiết kế để tuyến vượt qua các dòng nước nhỏ hoạc dùng để thoát nước theo ngang đường

Trên cống có đất đắp dày tối thiểu 0,5m để phân bố áp lực bánh xe và giảm lực xung kích

3 Tường chắn:

Là công trình được xây dựng để chắn đất Tường chắn thường được xây dựng trong các trường hợp như: khi xây dựng nền đường trong điều kiện không thể duy trì được độ dốc tự nhiên của mái taluy nền đường hay khi cần hạn chế việc chiếm dụng mặt bằng của nền đắp

4 Hầm là công trình nhân tạo nằm trong lòng đất hoạc dưới nước và có ít nhất một lối

thông ra bên ngoài

Hinh 1.3: Hầm Kim Liên – Hà Nội

Các công trình nhân tạo chiếm đến 10-15% giá thành xây dựng đường ô tô Tại những nơi tuyến đường qua miền núi cao, sông lớn, giá thành công trình còn tăng lên nhiều Vì vậy việc chọn loại công trình thích hợp, thiết kế đảm bảo các tiêu chuẩn kĩ thuật có ý nghĩa rất lớn

trong việc hạ thấp giá thành xây dựng Các công trình nhân tạo có tầm quan trọng trong việc phát triển kinh tế - xã hội, văn hóa và an ninh quốc phòng

1.1.2 Các bộ phận và kích thước cơ bản của công trình cầu

Công trình cầu bao gồm: Cầu, đường dẫn vào cầu, các công trình điều chỉnh dòng chảy

và gia cố bờ sông tại vị trí đặt cầu (nếu có) Các bộ phận cơ bản của Cầu gồm có kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới

Hình 1.4: 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

1 Kết cấu phần trên (Kết cấu nhịp cầu)

Kết cấu nhịp cầu: là bộ phận trực tiếp đỡ các tải trọng tác động trên cầu Kết cấu nhịp cầu

rất đa dạng và được phân loại theo sơ đồ tĩnh học, dạng mặt cắt ngang dầm và theo vật liệu Kết cấu nhịp cầu bao gồm các bộ phận cơ bản sau: bộ phận mặt cầu, bộ phận chịu lực chính, các bộ phận liên kết và gối cầu

a) Bộ phận mặt cầu: là tập hợp tất cả các bộ phận tiếp nhận tải trọng từ xe cộ lưu thông

trên cầu sau đó truyền tải trọng xuống bộ phận chịu lực chính Bộ phận mặt cầu bao gồm các

bộ phận chịu lực của mặt cầu, các lớp phủ mặt cầu, các bộ phận khác

Hình 1.5: Các bộ phận của mặt cầu: 1 – vỉa hè, 2 – lớp phủ mặt đường dành cho người đi bộ và xe

thô sơ, 3- lan can, 4- đèn chiếu sáng, 5- ống thoát nước, 6- lớp phủ mặt đường dành cho ô tô, 7- bộ phận chịu lực của mặt cầu, 8- bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu

+ Bộ phận chịu lực của mặt cầu tiếp nhận tải trọng từ phương tiện giao thông lưu thông

trên cầu và chuyền chúng xuống các kết cấu chịu lực của nhịp cầu Có 3 dạng bộ phận chịu lực của mặt cầu:

 Giá đỡ: tổng hợp của các dầm dọc và ngang tạo thành hệ mạng dầm

 Các tấm bản bê tông cốt thép hoặc gỗ, thép

 Bản mặt cầu thép: là kết cấu hàn từ bản thép với các sườn dọc và ngang

+ Các lớp phủ mặt cầu và các bộ phận khác tổng hợp của tất cả các bộ phận nằm phía

trên bản mặt cầu đảm bảo cho các phương tiện lưu thông được êm thuận cũng như đưa nước

ra khỏi mặt cầu nó bao gồm các lớp phủ mặt cầu, bó vỉa, lan can trên cầu, các hệ thống thoat nước, đèn chiếu sáng

b) Bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu chịu tải trọng bản thân của nhịp và tải trọng động

và truyền các tải trọng đó xuống trụ cầu thông qua các gối cầu, ví dụ như dầm, dàn, vòm…

c) Bộ phận liên kết giữa các bộ phận chịu lực chính của nhịp cầu (các thanh dầm, dàn

hoạc vòm) được cấu tạo với mục đích liên kết các bộ phận chịu lực chính thành một kết cấu không gian cứng, có khả năng tiếp nhận tiếp nhận tất cả các tải trọng đứng, ngang mà không phụ thuộc vào vị trí đặt tải trọng

Gối cầu là một bộ phận quan trọng của kết cấu phần trên, nó giúp truyền tải trọng từ kết

cấu nhịp xuống các kết cấu phần dưới, là hệ liên kết giữa các kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới của công trình cầu Ngoài ra gối cầu cho phép các chuyển vị góc và chuyển vị dọc ngang của dầm cầu khi dầm cầu chịu tác động của các tải trọng động và những chuyển vị gây

ra bởi sự thay đổi nhiệt độ

2 Kết cấu phần dưới

Kết cấu phần dưới là bộ phận tiếp nhận toàn bộ các tải trọng truyền xuống từ kết cấu phần trên và truyền lực trực tiếp tới địa tầng hoặc nước thông qua kết cấu móng Kết cấu phần dưới bao gồm: mố, trụ, nền móng

Trụ cầu tiếp nhận tải trọng bản thân nhịp, tải trọng động, tải trọng gió, va đập tầu thuyền

và lũ

Mố cầu được xây dựng tại các đầu cầu, là bộ phận chuyển tiếp giữa đường và cầu, bảo

đảm xe chạy êm thuận từ đường vào cầu, mố cầu ngoài tiếp nhận các tải trọng như trụ cầu,

Mố cầu còn làm việc như một thành chống, tiếp nhận các áp lực đẩy ngang của đất đầu cầu Các giải pháp thiết kế kết cấu cầu phụ thuộc nhiều vào chiều rộng, chiều sâu và vận tốc dòng chảy của sông hoạc các chướng ngại mà nó vượt qua, phụ thuộc vào tính chất của nền đất, các yêu cầu về thông thuyền và quan trọng nhất chính là mục đích sử dụng

3 Các kích thước cơ bản của cầu

Để nắm vững được nhiệm vụ cơ bản nhất của môn học quan trọng là phải hiểu được các kích thước cơ bản của cầu:

- Chiều dài toàn cầu L0: 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

Căn cứ vào chiều dài toàn cầu, phân biệt cầu nhỏ có tổng chiều dài cầu dưới 25m, cầu vừa

có tổng chiều dài từ 25 đến 100m, cầu lớn có tổng chiều dài lớn hơn 100m

Tuy nhiên, trong hồ sơ thiết kế lập cho các dự án có vốn vay nước ngoài, chiều dài cầu được tính từ đầu dầm trên mố này đến đầu dầm trên mố kia, không tính chiều dài trên mố

- Chiều dài nhịp cầu L: khoảng cách tim các trụ hoạc khoảng cách từ tim trụ đến đầu dầm trên mố;

- Chiều dài nhịp dầm tính toán Ltti : Khoảng cách giữa tim hai gối cầu tính từ tim gối cầu đầu này của dầm đến tim gối cầu đầu kia của dầm.;

- Khổ giới hạn (tịnh không): Khoảng không gian trống không có chướng ngại, được dành cho thông xe trên cầu hoặc thông xe dưới cầu hoặc thông thuyền dưới cầu;

- Chiều cao kiến trúc hkt: là khoảng cách từ mặt xe chạy đến điểm thấp nhất của đáy kết cấu nhịp

Hình 1.6: Các kích thước cơ bản của công trình cầu

- Chiều cao tĩnh không dưới cầu H0:

+ Đối với trường hợp sông không có thông thuyền : Chiều cao tĩnh không dưới cầu là khoảng cách tính từ đáy KCN đến MNCN, chiều cao này được lấy như sau:

 Không có cây trôi thì chiều cao này lấy ít nhất 0.5m

 Có cây trôi hoặc đá lăn, đá đổ thì đối với cầu ôtô thì lấy ít nhất bằng 1.0m và cầu đường sắt thì lấy bằng 1.5m

+ Đối với trường hợp sông có thông thuyền: Chiều cao tĩnh không dưới cầu là khoảng cách tính từ đáy KCN đến MNTT, chiều cao này phải được lấy theo qui định của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05, nó phụ thuộc vào cấp sông do Cục đường sông quy định

+ Đối với trường hợp phía dưới là đường giao thông: Chiều cao tĩnh không dưới cầu là khoảng cách tính từ đáy KCN đến cao độ tim mặt đường phía bên dưới Chiều cao này được quy định tùy theo cấp đường dưới cầu

- MNTN - mực nước thấp nhất, được xác định bằng cao độ mực nước thấp nhất vào mùa khô

- MNTT - mực nước thông thuyền, là mực nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại một cách an toàn, từ mực nước này xác định chiều cao tĩnh không thông thuyền của nhịp thông thuyền Trong các bản vẽ thiết kế người ta còn kí hiệu là H5%

- MNCN - Mực nước cao nhất, được xác định theo số liệu quan trắc thủy văn về mực nước lũ tính toán theo tần xuất quy định tùy theo công trình Trong các bản vẽ thiết kế người

ta còn kí hiệu là H1%

Phải thiết kế kích thước cầu phù hợp với lũ thiết kế khẩu độ cầu ứng với lũ 100 năm trừ khi được chủ đầu tư chỉ định khác Có thể chọn chu kì tái xuất hiện ít hơn 100 năm nếu có luận chứng kinh tế (như lũ 50 năm hoạc 25 năm cho các cầu trên đường cấp 2 hoạc cấp thấp hơn theo tiêu chuẩn thiết kế đường)

1.1.3 Phân loại công trình cầu

Có nhiều cách phân loại cầu khác nhau, một số cách phân loại chính sau:

1 Phân loại theo chướng ngại vật cầu phải vượt qua:

- Cầu qua sông, qua suối là loại cầu phổ biến

- Cầu qua đường hay cầu vượt, như cầu vượt Ngã Tư Sở, cầu vượt đường sắt v.v…

- Cầu cạn hay cầu dẫn, là cầu được xây dựng ngay trên mặt đất nhằm dẫn lên một cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng không gian bên dưới như cầu dẫn ở hai đầu cầu chính Thăng Long, cầu vượt vành đai 3 – Hà Nội

- Cầu cao (viaduct), là loại cầu có chiều cao trụ rất lớn được bắc qua các thung lũng sâu

- Cầu mở: là loại cầu có một hoạc hai nhịp sẽ được di động khỏi vị trí để tầu bè qua lại trong khoảng thời gian nhất định

- Cầu phao: ngoài việc sử dụng trong thời chiến để vượt sông, hoạc là dùng trong những nhu cầu đặc biệt, ví như khi thi công mặt đường cầu Thăng Long để giảm ùn tắc giao thông người ta đã lắp cầu phao qua sông Hồng, cầu phao còn được áp dụng khi xây dựng trụ vĩnh cửu quá đắt, phức tạp

2 Phân loại theo mục đích sử dụng:

- Cầu ô tô (cầu đường bộ)

- Cầu đường sắt

- Cầu cho người đi bộ

- Cầu hỗn hợp : dành cho cả đường bộ và đường sắt

- Cầu đặc biệt dùng để dẫn khí, dẫn dầu, dẫn nước, dẫn cáp điện v.v…

3 Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp

- Cầu gỗ

- Cầu đá

- Cầu bê tông, cầu BTCT

- Cầu thép

4 Phân loại theo cao độ đường xe chạy

- Cầu có đường xe chạy trên: Khi đường xe chạy đặt trên đỉnh kết cấu nhịp (hình 1.7 a)

Hình 1.7: Cao độ đường xe chạy

- Cầu có đường xe chạy dưới: Khi đường xe chạy bố trí dọc theo biên dưới của kết cấu

nhịp (hình 1.7b)

- Cầu có đường xe chạy giữa: khi đường xe chạy bố trí trong phạm vi chiều cao của kết

cấu nhịp (hình 1.7c)

5 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học:

Theo sơ đồ tĩnh học của kết cấu chịu lực chính có thể phân chia công trình cầu thành các

hệ thống sau:

- Cầu Dầm: dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng kết cấu nhịp làm việc chịu uốn và

chỉ truyền áp lực thẳng đứng xuống mố trụ Hệ thống cầu dầm bao gồm dầm giản đơn, dầm

liên tục và dầm mút thừa Theo cấu tạo của kết cấu chịu lực chính có thể phân thành cầu dầm

có sườn đặc và cầu dầm hộp

Hình 1.8: Một dạng cầu dầm (cầu vượt vành đai 3 - Hà Nội)

- Cầu Vòm: là kết cấu chịu lực chủ yếu là còm; vòm chịu nén và uốn là chủ yếu Sơ đồ

tính toán đối với kết cấu vòm theo các dạng vòm trong cơ học kết cấu đã được làm quen như

là: dạng vòm không chốt (hai đầu ngàm), dạng vòm 1 chốt trên đỉnh vòm, dạng vòm 2 chốt tại hai mố cầu, dạng vòm 3 chốt…

Hình 1.9: Một dạng sơ đồ cầu vòm (Nguyễn Văn Trỗi – Trần Thị Lý, Tp Hồ Chí Minh)

- Cầu Khung: là loại cầu mà mố, trụ được ngàm cứng với kết cấu nhịp tạo thành khung

cùng tham gia chịu lực Với loại cầu này, sơ đồ chịu lực là dạng khung, các lực tác dụng vào kết cấu sẽ được phân chia cho cả nhịp cầu và kết cấu mố trụ phía dưới Phản lực gối phía dưới gồm có lực thẳng đứng V và lực đẩy ngang H, nếu chân khung liên kết khớp thì không có

mômen M

Hình 1.10: Một dạng cầu khung (Cầu vượt xa lộ Hà Nội, Tp Hồ Chí Minh)

- Cầu Treo: thành phần chịu lực chủ yếu là dây cáp đỡ hệ mặt cầu Cầu gồm hệ thống

dây cáp chủ và hệ thống cáp treo hoạc thanh treo, hệ thống dây này tham gia đỡ kết cấu nhịp cầu

Hình 1.11: Cầu treoThuận Phước

- Cầu dây văng: là loại cầu có dầm cứng tựa trên các gối cứng là các mố trụ và các gối

đàn hồi là các điểm treo dây văng Dây văng là các dây xiên, một đầu neo vào tháp cầu, đầu kia neo vào kết cấu nhịp cầu để tạo thành các gối đàn hồi

Hình 1.13: Cầu dây văng Nhật Tân, Hà Nội

Ngoài ra còn có các cách phân loại theo trụ cầu, theo quy mô công trình, theo thời hạn sử dụng

1.2 CÁC TÀI LIỆU KHẢO SÁT PHỤC VỤ THIẾT KẾ

1.2.1 Lựa chọn vị trí cầu

Đối với cầu nhỏ, cầu trung nói chung vị trí cầu phụ thuộc vào tuyến đường, còn cầu lớn thì

vị trí cầu lại quyết định, cần lựa chọn cẩn thận để giá thành công trình rẻ nhất Yêu cầu khi lựa chọn vị trí cầu là:

- Không làm tăng kinh phí xây dựng đường quá mức

- Các tài liệu địa chất thủy văn khu vực định làm cầu phải ổn định

- Nơi dòng sông hẹp nhất và không có khả năng đổi hướng dòng chảy

- Tim cầu nên vuông góc với dòng chảy để dòng chảy êm thuận

- Bảo đảm giao thông đường thủy nếu có

- Phải phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế xã hội hiện tại và tương lai, phục vụ quốc phòng

1.2.2 Các tài liệu cần đo đạc điều tra khảo sát ở vị trí cầu

Sau khi lựa chọn được vị trí cầu hợp lý ta cần tiến hành thu thập các tài liệu sau đây tại vị trí cầu làm cơ sở cho thiết kế

- Đo vẽ bình đồ khu vực kể cả khu vực dự kiến bố trí công trường và đường đầu cầu, trắc ngang sông tại vị trí cầu Phạm vi đo đạc về phía thượng lưu bằng hoặc gấp rưỡi chiều rộng sông về mùa lũ, về phía thượng lưu bằng chiều rộng sông về mùa lũ

- Điều tra thủy văn: điều tra các mực nước MNCN, MNTN, MNTT, MNTC v.v…vận tốc dòng chảy, độ dốc lòng sông, bề rộng dòng sông, tình hình xói bồi, vật trôi cây trôi vào mùa lũ Các tài liệu này dùng để phục vụ tính toán khẩu độ cầu, đường xói lở, quyết định chiều cao đáy dầm, thiết kế các công trình bảo vệ và nắn dòng chảy

Ngoài ra phải xác định thông thương đường thủy, cấp sông, tải trọng tàu bè, các yêu cầu về luồng lạch

Nếu sông nằm trong khu vực gần biển cần điều tra về ảnh hưởng của thủy triều, khả năng xâm thực và các ảnh hưởng khác của hơi nước mặn

- Điều tra địa chất công trình: bao gồm công việc xác định vị trí các lỗ khoan và khoan thăm dò để biết địa chất chỗ xây dựng, lấy mẫu đất đá về thí nghiệm, xác định các chỉ tiêu cơ

lý của đất, cuối cùng vẽ được mặt cắt địa chất của sông tại vị trí cầu thể hiện chiều dày các lớp đất, loại đất, các tính năng cơ lý của đất v.v…nhằm phục vụ cho việc thiết kế nền móng, chọn loại móng và chiều sâu đặt móng Trong quá trình điều tra cần phát hiện có hiện tượng cát chảy, đất trượt, xói ngầm, nước xâm thực, phong hóa v.v…không Nhiều trường hợp phải thay đổi thiết kế kỹ thuật và phương pháp thi công do điều tra không chính xác không đầy đủ

- Điều tra khí tượng: bao gồm thời tiết, khí hậu, mùa khô, mùa mưa bão, hướng gió, tốc

độ gió, thời gian lũ, nhiệt độ cao nhất, thấp nhất v.v…Các tài liệu này rất cần cho việc bố trí công trường, vạch tiến độ thi công và cũng liên quan tới thiết kế kỹ thuật chẳng hạn như cần tính lực gió, tính ảnh hưởng biến dạng do nhiệt độ v.v…

- Điều tra khả năng cung cấp nhân lực, nguyên vật liệu địa phương, các xí nghiệp công nghiệp có liên quan cung ứng vật tư, máy móc, thiết bị, năng lượng, phương tiện vận chuyển, đường giao thông sắt, thủy bộ, tình hình cung cấp lương thực, thực phẩm, chất đốt

phục vụ sinh hoạt, tình hình an ninh chính trị và phong tục tập quán địa phương Các tài liệu này rất cần cho thiết kế tổ chức thi công nhằm rút ngắn thời hạn xây dựng và hạ giá thành công trình

1.3 TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU

1.3.1 Khái quát về thiết kế cầu đường bộ theo trạng thái giới hạn

1 Các phương pháp tính toán kết cấu

Quan điểm chung về thiết kế

Trong thiết kế các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi đã được chọn Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có trách nhiệm thấy rằng mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thoã mãn

Để đảm bảo độ an toàn của một công trình thì:

Hiệu ứng của tải trọng ≤ Sức kháng của vật liệu phải

Quan hệ của bất đẳng thức này phải được xét trên mọi bộ phận và vật liệu của kết cấu Khi nói về sức kháng của vật liệu, ta xét khả năng làm việc tối đa của vật liệu mà ta gọi là trạng thái giới hạn

Một trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một bộ phận nào

đó không hoàn thành được nhiệm vụ của thiết kế đề ra

Mục tiêu là không vượt quá trạng thái giới hạn Tuy nhiên, đó không phải là mục đích duy nhất, mà cần xét đến các mục đích quan trọng khác, như chức năng, thẩm mỹ, tác động đến môi trường và yếu tố kinh tế Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cây cầu mà chẳng có bộ phận nào, chẳng bao giờ hư hỏng Do đó cần xác định đâu là chấp nhận được trong rủi ro của xác suất phá huỷ Việc xác định một miền an toàn chấp nhận được (cường độ lớn hơn bao nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) không dựa trên ý kiến của một cá nhân nào mà dựa trên kinh nghiệm của một tập thể Tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22TCN 272 – 05 có thể đáp ứng được các yêu cầu trên

2 Sự phát triển của quá trình thiết kế:

Qua nhiều năm, quá trình thiết kế được các kỹ sư phát triển nhằm tạo dựng một miền an toàn hợp lí Quá trình này dựa trên những phân tích kỹ về hiệu ứng của tải trọng và độ bền của vật liệu áp dụng

a) Thiết kế theo ứng suất cho phép

Trước đây (trước 1969) các tiêu chuẩn thiết kế được soạn ưu tiên hàng đầu cho kết cấu thép Vật liệu thép thường có quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng khi xác đinh đúng cường độ chảy và độ an toàn thường thấp hơn cường độ chảy của vật liệu

Độ an toàn được xác định bằng cách cho rằng hiệu ứng của tải trọng sẽ gây ra ứng suất chỉ bằng một phần của giới hạn chảy

F=Cường độ vật liệu R/Hiệu ứng tải trọng Q (1.1)

Vì tiêu chuẩn đặt dưới dạng ứng suất nên gọi là thiết kế theo ứng suất cho phép (ASD) Khi ứng suất cho phép ra đời, hầu hết các cầu được xác định đều là tĩnh định dạng đơn giản hoặc vòm, nội lực chủ yếu chỉ chịu kéo hoặc nén Với giả thuyết ứng suất phân bố đều

trên toàn tiết diện Sau này, các kết cấu này vẫn được xây dựng nhưng nó không còn là tĩnh định nữa (bỏ liên kết chốt) Kết quả là ứng suất trong tiết diện không còn là phân bố đều nữa

Ẩn ý trong ứng suất cho phép là giả thiết ứng suất trong phần tử bằng không trước khi có tác động của tải trọng, nghĩa là không có ứng suất dư khi chế tạo các phần tử Giả thiết trên không hoàn toàn chính xác Thực tế, trong thép cán tồn tại ứng suất dư Các ứng suất này không những phân bố không đều mà còn rất khó dự đoán trước Một khó khăn khác trong việc

áp dụng ứng suất cho phép cho kết cấu thép là khi chịu uốn thường kéo theo lực cắt và hai ứng suất này tương tác với nhau Do đó, sẽ không hoàn toàn chính xác khi xác định mẫu thí nghiệm chịu kéo để xác định cường độ chảy cho dầm chịu uốn

Như vậy phương pháp ứng suất cho phép được soạn thảo để thiết kế cho kết cấu thép hệ tĩnh định, nó không nhất thiết được áp dụng một cách cứng nhắc cho các loại vật liệu khác hoặc kết cấu siêu tĩnh

Các nhà thiết kế bêtông cốt thép ban đầu đã thực hiện phương pháp này và sau cùng đã chấp nhận thiết kế theo sức kháng Các nhà thiết kế gỗ cũng đã hướng về thiết kế theo sức kháng Cả bêtông và gỗ đều là vật liệu không tuyến tính, tính chất của vật liệu thay đổi theo thời gian và theo sự thay đổi của môI trường

Trong bêtông không biết được ứng suất ban đầu vì nó thay đổi theo phương pháp đúc, phương pháp bảo dưỡng, gradien nhiệt, biến dạng do từ biến, co ngót, lượng nước và mức độ đông cứng Chỉ có một trị số duy nhất có thể xác định chính xác là cường độ bêtông tại các trạng thái giới hạn Cường độ cực hạn độc lập với các biến dạng trước và ứng suất gây ra trong quá trình chế tạo và xây dựng Tóm lại là cường độ giới hạn dễ dự đoán và có độ tin cậy cao hơn các tính chất ở mức cường độ thấp Như vậy chấp nhận phương pháp thiết kế theo sức kháng hợp lý hơn

- Tính thay đổi của tải trọng

Khi xem xét về tính thất thường của tải trọng Thiết kế theo ứng suất cho phép không công nhận là tải trọng khác nhau có mức độ khác nhau về độ thất thường Tải trọng tĩnh, hoạt tải và gió được đối xử như nhau trong ứng suất cho phép Hệ số an toàn được áp dụng về mặt độ bền của bất đẳng thức thiết kế, còn về tải trọng không có hệ số

Đối với ứng suất cho phép chỉ cần chọn giá trị cố định của tải trọng thiết kế Mức độ thay đổi dự báo trước của các loại tải trọng không được xem xét

Các khiếm khuyết của ứng suất cho phép

Như vậy ứng suất cho phép không thích hợp để thiết kế các kết cấu hiện đại, các nhược điểm cơ bản có thể kể như sau:

+ Quan niệm về độ bền dựa trên tính đàn hồi của vật liệu đẳng hướng, đồng nhất

+ Không biểu hiện được một cách hợp lý về cường độ giới hạn là chỉ tiêu cơ bản về khả năng chịu lực hơn là ứng suất cho phép

+ Hệ số an toàn chỉ áp dụng riêng cho cường độ, tải trọng được coi như cố định (không thay đổi)

+ Việc chọn hệ số an toàn dựa trên ý kiến chủ quan và không có cơ sở tin cậy về xác suất

hư hỏng

Để khắc phục những thiếu sót này cần có một phương pháp cụ thể:

- Dựa trên cơ sở cường độ giới hạn của vật liệu;

- Xét tới sự thay đổi không những ở vật liệu mà còn cả ở hiệu ứng của tải trọng;

- Đánh giá độ an toàn liên quan đến xác suất phá hoại

Phương pháp trên như được kết hợp trong Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO-LRFD 1998

và được chọn làm cơ sở biên soạn Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05 của Bộ Giao thông Vận tảI nước ta

b) Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD Load and resistance factors design)

Để xét tới sự thay đổi ở cả hai phía của bất đẳng thức trong phương trình (1.1), phía cường

độ vật liệu được nhân với một hệ số trên cơ sở thống kê cường độ của vật liệu  , có giá trị thường nhỏ hơn 1, và phía tải trọng nhân với một hệ số trên cơ sở thống kê tải trọng, có giá trị thường lớn hơn 1 Vì hiệu ứng tải trọng trong trạng thái giới hạn bao gồm một tổ hợp của nhiều loại tải trọng ở nhiều mức độ khác nhau có thể dự đoán trước được Phía tải trọng được thể hiện bằng tổng số của giá trị

Hiệu ứng của  i Qi ≤  Rn (1.2)

Vì bất đẳng thức (2.2) chứa cả hệ số tải trọng và hệ số sức kháng nên phương pháp thiết kế được gọi là thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD) Hệ số cường độ  cho trạng thái giới hạn cần xét tới tính phân tán của:

Tính chất vật liệu;

Phương trình dự tính cường độ;

Tay nghề của công nhân;

Chất lượng kiểm tra;

Tình huống hư hỏng

Hệ số tảI trọng  dùng cho các loại tải trọng đặc biệt cần xét tới độ phân tán của:

Độ lớn của tải trọng;

Sự xắp xếp tải trọng;

Tổ hợp tải trọng có thể xảy ra

Bằng cách chọn hệ số tải trọng và sức kháng cho cầu đã áp dụng lý thuyết xác suất cho cường độ vật liệu và lý thuyết thống kê cho khối lượng vật liệu và trọng lượng xe

Các Ưu và nhược điểm của phương pháp LRFD có thể kể như sau:

Ưu điểm:

Có xét tới sự khác biệt về cả cường độ và tải trọng;

Đạt được mức an toàn đồng đều cho các trạng thái giới hạn khác nhau và các loại cầu mà không cần phân tích xác suất và thống kê phức tạp;

Phương pháp thiết kế thích hợp và ổn định

Nhược điểm:

Yêu cầu thay đổi tư duy thiết kế (so với tiêu chuẩn cũ);

Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê;

Yêu cầu có các số liệu đầy đủ về thống kê và thuật toán tính xác suất để chỉnh lý hệ số sức kháng trong trường hợp đặc biệt

1.3.2 Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 - thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng

Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng của Việt Nam được xây dựng dựa trên tham khảo Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998

Triết lý thiết kế

Khi tính toán kết cấu thiết kế theo 22TCN 272 -05 tuân theo triết lý chung là: Khi có tải trọng tác động vào kết cấu, nó sẽ gây ra một hiệu ứng trong kết cấu và hiệu ứng đó không được lớn hơn khả năng chịu lực của kết cấu

Đặc điểm khai thác vật liệu

 Khi thiết kế theo 22TCN 272-05 khai thác vật liệu làm việc cho đến khi đạt đến giới hạn chảy, cụ thể:

 Đối với thép thì khai thác đến giới hạn chảy fy

 Đối với bê tông thì khai thác đến cường độ chịu nén phá hoại mẫu: fc

 Không những thế, khi tính toán theo 22TCN 272-05 cũn khai thác sự làm việc của mặt cắt đến khi toàn bộ mặt cắt đạt đến giới hạn chảy, điều đó có thể thấy trong biểu đồ phân tích phát triển ứng suất trong mặt cắt dầm

 Như vậy tính toán thiết kế theo 22TCN 272-05 đó tận dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu cũng như khản năng làm việc của tiết diện kết cấu (mặt cắt dầm chủ) Do đó,nếu xét điều kiện kiểm toán về mặt cường độ thì tính toán thiết kế theo 22TCN 272-05 sẽ tiết kiệm vật liệu tối đa

1 Bất đẳng thức cơ bản của tiêu chuẩn 22TCN 272-05

i i Qi   Rn = Rr (1.3) Trong đó :

Qi = các hiệu ứng do tải trọng gây ra trong kết cấu; Qi có thể là moment, lực cắt, lực dọc,

HIỆU ỨNG TRÊN KẾT CẤU DO

1 , 0

η η η



I R D i

Độ dẻo của vật liệu rất quan trọng cho độ an toàn của cầu Nếu vật liệu dẻo,khi một

bộ phận chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang các phần tử khác do đó có độ bền

dự trữ

Nếu một phần tử của kết cấu được thiết kế để có thể xuất hiện biến dạng dẻo thì phần tử đó bị quá tải Nếu là bê tông cốt thép vết nứt sẽ phát triển vàphần tử đó sẽ là nguy hiểm Nếu là kết cấu thép ,vật liệu đạt tới giới hạn chảy và biến dạng sẽ tăng Cần tránh tính ròn của vật liệu vì nó gây ra hiện tượng mất khả năng chịu lực một cách đột ngột khi vượt qua giai đoạn đàn hồi Có thể biến kết cấu bê tông cốt thép thành dẻo nếu cốt thép chịu uốn được bao trong cốt đai và cốt giá

Thật ra khi thiết kế cầu,nếu tuân theo các điều khoản trong tiêu chuẩn, thì kinh nghiệm cho thấy các phần tử chịu lực có tính dẻo

Các trị số dùng cho giới hạn bền là:

ηD =1,05 cho các bộ phận và liên kết không dẻo

ηD =0,95 cho các bộ phận có tính dẻo, hoặc dùng các biện pháp tăng cường tính dẻo

ηD =1 cho các kết cấu thông thường theo đúng yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế

Hệ số dư thừa ηR

Độ dư thừa có liên quan đến miền an toàn của cầu Một kết cấu siêu tĩnh được xem là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học cần thiết Khái niệm về nhiều đường dẫn tải (nhiều đường tiếp đất) cũng giống như khái niện dư thừa

Độ dư thừa trong cầu sẽ làm tăng miền an toàn và điều này được phản ánh trong hệ số an toàn ở trạng thái giới hạn cường độ:

quan trọng nếu tránh được các đường vòng vèo, tiết kiệm được thời gian và xăng dầu trên đương đi làm và về nhà.Thực tế rất khó tìm được vị trí mà cầu trở thành không quan trọng, vì cầu cần được xây dựng trên cơ sở các nhu cầu xã hội và an toàn, đã đủ luận chứng để được đặt vào vị trí xác đáng

Một ví dụ cề cầu không quan trọng có thể nằm trên một con đường phụ dẫn tới một vùng nghỉ hẻo lánh, không được khai thác quanh năm Nhưng khi ban là người đi cắm trại hoặc là khách du lịch ba lô va đang bị ốm thì bạn sẽ cho rằng bất kỳ chiếc cầu nào nối bạn với thế giới văn minh hơn đều là quan trọng

Trong trường hợp động đất, vấn đề quan trọng là sau động đất cầu vẫn hoạt động được.Do

đó η l chỉ áp dụng cho các trạng thái giới hạn đặc biệt cũng như trạmg thái giới hạn cường độ

ηI ≥1,05 đối với cầu quan trọng;

ηI ≥0,95 đối với cầu không quan trọng;

ηI ≥1 đối với tất cả các trạng thái giới hạn khác và các cầu định hình;

2 Hệ số tải trọng và các trạng thái giới hạn (TTGH)

Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 quy định ký hiệu các tải trọng bằng cách sử dụng hai chữ cái được chỉ rõ để nói về các loại tải trọng thường xuyên hay tức thời Những loại tải trọng đưa ra bao gồm:

Tải trọng thường xuyên:

DD : Tải trọng kéo xuống (xét ma sát âm)

DC : Tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và các thiết bị phi kết cấu

DW : Tải trọng bản thân của lớp phủ và các tiện ích công cộng

LS : Hoạt tải chất thêm

PL : Tải trọng người đi

SE : Lún

SH : Co ngót

TG : Gradien nhiệt độ

TU : Nhiệt độ đều

WA : Tải trọng nước và áp lực dòng chảy

WL : Gió trên hoạt tải

WS : Tải trọng gió trên kết cấu

Các Trạng thái giới hạn

Như đã thảo luận ở trên, phương pháp luận theo trạng thái giới hạn dựa trên cường độ và khả năng phục vụ hiện có của kết cấu theo trạng thái giới hạn Tiêu chuẩn thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng của 22TCN 272-05 xác định 3 trạng thái giới hạn cường độ và 1 trạng thái giới hạn sử dụng Thêm vào đó nó còn có hai trạng thái giới hạn đặc biệt và một trạng thái giới hạn mỏi

Tổ hợp tải trọng bao gồm các nhóm tải trọng tác dụng lên kết cấu Các nhóm này là tổ hợp các tải trọng có thể tác dụng lên kết cấu cùng một thời điểm Mọi cấu kiện của kết cấu phải được thiết kế sao cho chịu được mọi tổ hợp tải trọng có thể tác dụng lên kết cấu Trong thiết

kế cầu đường bộ, tổ hợp tải trọng được lựa chọn với khả năng nguy hiểm cho kết cấu

a) Trạng thái giới hạn cường độ

- Là TTGH đảm bảo về cường độ và ổn định của các bộ phận kết cấu khi chịu tác dụng của các tổ hợp tải trọng tính toán theo kinh nghiệm có thể xảy ra trong thời gian sử dụng Các tải trọng này có thể dẫn đến tình trạng nguy hiểm và hư hỏng kết cấu nhưng toàn bộ kết cấu vẫn còn

+ TTGH cường độ I: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi có xe chạy bình thường và trên cầu không có gió

+ TTGH cường độ II: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi trên cầu có gió với vận tốc gió V>25m/s và với vận tốc gió như vậy thì trên cầu không cho phép có xe chạy

+ TTGH cường độ III: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi cú xe chạy bình thường và trên cầu có gió với vận tốc V = 25m/s

- Tính toán theo TTGH cường độ bao gồm việc kiểm toán về độ bền chịu uốn, chịu cắt, chịu xoắn và chịu lực doc trục Hệ số sức kháng  được xác định theo thống kê và thường lấy nhỏ hơn 1 và có giá trị khác nhau đối với các vật liệu và TTGH cường độ khác nhau

- Tải trọng khi tính theo TTGH cường độ là tải trọng tính toán, tức là có xét đến hệ số vượt tải và hệ số xung kích, các hệ số này được qui định cụ thể trong bảng

b) Trạng thái giới hạn sử dụng

- Là TTGH nhằm hạn chế ứng suất, biến dạng và độ mở rộng vết nứt trong điều kiện sử dụng bình thường Mục đích của TTGH này để đảm bảo thực hiện chức năng của cầu trước tuổi thọ sử dụng

- TTGH sử dụng: Là tổ hợp tải trọng tính toán khi có xe chạy bình thường và 2 trên cầu

có gió với vận tốc V = 25 m/s

- Tải trọng khi tính theo TTGH sử dụng là tải trọng tiêu chuẩn, tức là không xét đến hệ

số vượt tải và hệ số xung kích

c) Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy do mỏi

- Là TTGH nhằm hạn chế sự phát triển vết nứt và tránh hiện tượng đứt gãy do xe tải thiết kế Xe tải thiết kế để tính mỏi là một xe tải đơn, có khoảng cách các trục xe cố định

- Trạng thái giới hạn phá hoại giòn phải được xét đến như một số yêu cầu về tính bền

của vật liệu theo Tiêu chuẩn vật liệu

d) Trạng thái giới hạn đặc biệt

- Là TTGH đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau những dưới tác dụng của các tải trọng bình

thường phát sinh cùng với các tải trọng đặc biệt như: lực động đất, lực va xe tàu thuyền, tải

trọng thi công…

- Tải trọng khi tính theo TTGH cường độ là tải trọng tính toán, tức là có xét đến hệ số

vượt tải và hệ số xung kích, các hệ số này được qui định cụ thể trong bảng

Các hệ số tải trọng cho các tổ hợp khác nhau và tĩnh tải được trình bày trong bảng 1.1 và 1.2

Bảng 1.2: Hệ số tải trọng cho tĩnh tải thường xuyên, γp

Loại tải trọng Hệ số tải trọng

Max Min

EH: Áp lực ngang của đất

+ Chủ động

+ Bị động

1,5 1,35

0,9 0,9

KAD 1,00 0,9 0,9 0,9 0,9

6) Để kiểm tra kết cấu thép ở trạng thái giới hạn sử dụng thì hệ số tải trọng của hoạt tải phải tăng lên 1,30

7) Các hệ số lớn của hệ số tải trọng trong TU,CR và SH để tính biến dạng, giá trị nhỏ hơn để tính các hiệu ứng khác

8) Hệ số tải trọng với tải trọng nhiệt TG lấy như sau:

- bằng 0,0 tại trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt

- bằng 1,0 tại trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải

- bằng 0,5 tại trạng thái giới hạn sử dụng khi có hoạt tải

Đối với cầu thi công phân đoạn phải xét tổ hợp sau đây ở TTGH sử dụng:

DC+DW+EH+EV+ES+WA+CR+SH+TG+EL

Hệ số tải trọng thi công:

Hệ số tải trọng dùng cho tĩnh tải không được nhỏ hơn 1,25 Hệ số tải trọng cho các thiết bị

và tác động xung kích không được nhỏ hơn 1,50.Hệ số tải trọng gió trong thi công không nhỏ hơn 1,25

Tải trọng thường xuyên

Các tải trọng đó bao gồm tĩnh tải và tải trọng đất Tĩnh tải lên kết cấu là toàn bộ trọng lượng của kết cấu, nó bao gồm bản mặt cầu, lớp phủ mặt cầu, kết cấu đổ tại chỗ, lan can, lề người đi bộ, cấu kiện ban đầu, cấu kiện lần hai (bao gồm các phần gia cường, bản nối ) Một trong các bước đầu tiên của việc thiết kế cầu trên đường cao tốc là thu thập các nhân tố tạo nên tĩnh tải

Tải trọng đất là những loại tải trọng bao gồm áp lực đất, đất đắp phụ thêm và tải trọng kéo xuống Trong khi các tải trọng đó ảnh hưởng chính đến các cấu kiện bên dưới, chúng có khả

năng ảnh hưởng đến các cấu kiện bên trên cũng như các vị trí mà có hai mặt chung (ví dụ ở tường thân mố)

Tải trọng tức thời

Là tải trọng khai thác tác dụng bất kỳ theo không gian và thời gian, khác nhau về độ lớn và tính chất … Tải trọng thiết kế không giống bất kỳ loại xe cộ nào trên thực tế, nhưng nó đủ đảm bảo có hiệu ứng phủ toàn bộ các loại xe cộ hiện hành thông thường Trên thế giới đã có nhiều nỗ lực, nhiều bàn bạc để thống nhất tải trọng thiết kế trên toàn thế giới nhưng không thành Mỗi nước có một quan niệm riêng về tải trọng thiết kế

Làn thiết kế

Số lượng làn thiết kế trên cầu là tiêu chuẩn thiết kế quan trọng Khi thiết kế làn trên cầu, ta dùng hai loại làn là làn giao thông và làn thiết kế Làn giao thông là số lượng làn do người thiết kế đưa ra để giao thông đi trên cầu Bề rộng làn liên quan đến làn giao thông và thường lấy chuẩn 3500mm Làn thiết kế là làn được dành cho hoạt tải Bề rộng làn thiết kế có thể bằng hoạc không bằng làn giao thông Ở đây, ta dùng làn thiết kế là 3000 mm và xe tải phải được đặt trong làn để gây hiệu ứng lớn nhất

Số làn thiết kế được xác định bằng cách lấy số nguyên của chiều rộng phần xe chạy chia cho 3500mm

Hoạt tải xe ô tô:LL

Hoạt tại thiết kế HL-93 gồm tổ hợp của:

- Xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng làn hoặc

- Xe hai trục kết hợp với tải trọng làn

Xe tải thiết kế

Trọng lượng và khoảng cách giữa các trục và bánh xe của xe tải thiết kế (hình 1 14).Cự

li giữa hai trục 145 KN thay đổi từ 4300mm và 9000mm để gay ra ứng lực lớn nhất

Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thể xác định tải trọng trục của xe tải thiết kế (hình 1.14) nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65

600 mm nãi chung 300mm mót thõa cña mÆt cÇu

Lμn thiÕt kÕ 3600 mm

Hình 1.14: Xe tải thiết kế

Xe hai trục thiết kế (xe tandem)

Xe đặc biệt gồm hai trục, mỗi trục 110kN cách nhau 1200mm Cự ly phương ngang của

các bánh xe là 1800mm Xe hai trục cũng chỉ xếp một chiếc trên mỗi làn xe

Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IVvà thấp hơn,chủ đầu tư có thể xác định tải trọng

trục của xe tải hai trục nhân với hệ số 0,5 hoặc 0,65

Tải trọng làn

Tải trọng làn thiết kế là tải trọng 9,3N/mm phân bố đều chiều dọc cầu Theo phương ngang

cầu ,tải trọng này được phân bố theo chiều rộng 3000mm.Tải trọng làn phải xê dịch theo

chiều ngang đề gây hiệu ứng lớn nhất Tải trọng làn không xét đến hệ số xung kích

 Hệ số làn xe

Các xe tải đều đi trên các làn bố trí trên cầu nhưng không chắc chắn rằng tất cả các làn đều

đồng thời có xe tải Vì vậy, cần thiết phải điều chỉnh tải trọng thiết kế, nghĩa là đưa ra hệ số

điều chỉnh làn xe hay còn gọi là hệ số làn xe (bảng 1.3)

Hình 1.15 thể hiện cách xác định lực ly tâm tác dụng lên xe khi vào đường cong Lực ly tâm CE tác dụng theo phương ngang cầu hướng vào tâm đường cong và cách mặt cầu 1800

mm và được tính bởi

 

Hình 1.15: Sơ đồ tính lực ly tâm

W C

Các lực tác dụng lên xe khi hãm được thể hiện ở hình 1.16 Lực hãm FB được xác định bởi

Hình 1.16: Sơ đồ tính lực hãm xe

FB = bW (1.8) Với

Theo AASHTO 1998 để xác định lực hãm xe tải chạy với vận tốc 90km/h (=25m/s) và

chiều dài hãm xe là 122m Khi đó, giá trị b được tính bằng (1/2)[252/(9,81x122)]≈25% Chính

vì vậy, lực hãm lấy bằng 25% trọng lượng các trục xe tải hoặc xe đặc biệt trên tất cả các làn

xe chạy cùng một hướng Lực lãm nằm ngang theo phương dọc cầu cách mặt cầu 1800mm

Lực va xô của tàu thuyền

Tất cả các cầu vượt qua đường giao thông thuỷ phải được thiết kế xét tàu thuyền va với kết

cấu phần dưới

 Lực va đâm thẳng đầu tàu vào trụ phải được lấy như sau

PS = 1,2.105 V DWT (1.10)

Trong đó:

Ps = lực va tàu tĩnh tương đương (N)

DWT = tấn trọng tải của tàu (Mg)

V = vận tốc va tàu (m/s)

 Lực va của xà lan vào trụ

PV= 6.104.aB nếu aB < 100mm = 6.106.aB + 1600.aB nếu aB ≥ 100mm Trong đó aB là chiều dài hư hỏng của mũi xà lan (mm)

 Chú ý

 Lực va tàu theo phương dọc cầu lấy bằng 50% Lực va tàu thiết kế, theo phương

ngang cầu lấy bằng 100% Lực va thiết kế

 Lực va tàu được tính là một lực tập trung, tác dụng tại MNTT khi tính ổn định chống

lật và chống trượt

 Trong trường hợp kiểm toán về mặt cường độ, coi là một lực rải đều theo phương

dọc và ngang cầu nhưng vẫn đặt ở MNTT

Tải trọng gió WL và WS

Tốc độ gió thiết kế V phải xác định theo công thức

V =VBS (m/s) (1.11)

Trong đó :

VB- Tốc độ giĩ giật cơ bản trong 3 giây với chu kì xuất hiện 100 năm thích hợp với vùng

tính giĩ cĩ đặt cầu ( bảng 1.5)

S – Hệ số điều chỉnh đối với khu đất chịu giĩ và độ cao mặt cầu.(bảng 1.6 )

Bảng 1.5: Các giá trị của V B cho các vùng tính giĩ ở Việt Nam

Vùng tính giĩ theo TCVN 2737-1995

VB(m/s)

I 38

II 45 III 53

Khu vực rừng cây ,cĩ nhà cửa với cây cối, nhà cao tối đa khỏang10m

Khu vực co nhà cửa với đa số nha cao với

Tải trọng giĩ tác động nên cơng trình WS

 Tải trọng giĩ ngang

Tải trọng giĩ ngang PD phải được lấy theo chiều tác dụng name ngang và đặt tại trọng của

các phần diện tích thích hợp và đưiợc lấy như sau

PD = 0,0006 V2At Cd≥ 1,8 At(kN) (1.12)

Trong đĩ: V- Tốc độ giĩ thiết kế xác định theo phương trình (1.8), (m/s )

At - Diện tích kết cấu hay cấu kiện phải tính tải trọng giĩ ngang (m2)

Cd - Hệ số cản (hình 1.17)

tỷ số b/d

hệ số cản hệ số tối thiểu đối với mặt cấu trên dầm với trên 4 dầm hoặc dầm hộp

30 26

2 6 10 14 18 22

Giới hạn mỏi

2.0 1.6 1.2 0.8 0.4

2.8 2.4 2.0 1.6 1.2 0.8 0.4 0

Hình 1.17: Hệ số cản C d dùng cho kết cấu phần trên cĩ mặt hứng giĩ đặc

Ghi chú:

1) Các giá trị cho trên hình dựa trên giả thiết mặt hứng gió thẳng đứng và gió tác dụng ngang 2) Nếu mặt hứng gió xiên so với mặt đứng , hệ số cả C d có thể giảm 0,5% cứ mỗi độ xiên so với mặt đường và tối đa được giảm 30%

3) Nếu mặt hứng gió có cả phần đứng và phần dốc hoặc hai phần dốc nghiêng với góc khác nhau tải trọng gió phai lấy như sau:

-Hệ số cơ bản C d tính với chiều cao với toan bộ kết cấu

-Đối với từng mặt, hệ số giam theo ghi chú 2

-Tính tải trọng gió tổng cộng bằng cách dùng hệ số cản thích hợp cho từng diện tương ứng 4) Nếu kết cấu có chiều cao thay đổi , C d lấy tăng 3 % cho mỗi độ nghiêng so

với phương ngang , nhưnng không quá 25%

5) Nếu kết cấu phần trên chịu gió xiên không quá 5 0 C so với phương ngang, C d sẽ tăng 15% nếu góc xiên vượt qúa 5 0 hệ số cản phải lấy theo thí nghiệm

6) Khi kết cấu có chiều cao thay đổi chịu lực gió xiên , hệ số cản phải được nghiên cứu đặc biệt

Diện tích kết cấu chắn gió phải là diện tích đặc chiếu nên mặt vuông góc với hướng gió không có hoạt tải , với các điều kiện sau

- Đối với kết cấu phần trên có lan can đặc , diện tích bao gồm diên tích lan can đặt đầu gió , không xét ảnh hưởng của lan can cuối gió

- Đối với kết cấu phần trên có lan can hở , tải trọng toàn phần sẽ bằng tổng tải trọng tác dụng nên kết cấu phần trên , lan can đầu gió và cuối gió tính riêng Khi có hơn hai lan can , chỉ xét hail an can có ảnh hưởng lớn nhất về phương diện chắn gió

- Đối với kết cấu nhịp giàn , lực gió tính cho từng bộ phận riêng cả đầu và cuối gió không xét đến che chắn

- Đối với trụ cầu phải , không xét đến ảnh hưởng che chắn

Hệ số cản Cd sẽ tính theo các phương pháp sau:

- Đối với kết cấu phần trên , có mặt chính đặc , mép dốc đứng , không có góc vuốt thoát gió đáng kể Cd lấy theo hình 1.17 trong đó:

b- Chiều rộng toàn cầu giữa hai mặt lan can (mm)

d- Chiều cao kết cấu phần trên bao gồm cả lan can đặc nếu có (mm)

- Đối với kết cấu nhịp giàn , lan can và kết cấu phần dưới, lực gió tính cho từng bộ phận riêng với các giá trị Cd theo TCVN 2730-1995(bảng 6) hoặc theo các số liệu khác được chủ đầu tư duyệt

- Đối với mọi kết cấu khác phải xác định Cd theo thí nghiệm trong ống thổi gió

 Tải trọng gió thẳng đứng

Tải trọng gió thẳng đứng Pv tác dụng vào trọng tâm của tiết diện tính theo công thức :

Pv= 0,00045V2Av (KN) (1.13) Trong đó:

V- Tốc độ gió thiết kế xác định theo phương trình (1.11)

Av - Diện tích phẳng của mặt cầu hay bộ phận dùng để tính tải trọng gió thẳng đứng (m2) Chỉ tính tải trọng gió thẳng đứng trong các trạng thái giới hạn không có gió tác dụng lên xe

cộ , và chỉ khi hướng gió vuông góc với tim cầu Lực gió này tác dụng cùng với lực gió ngang

Phương trình (1.13) dùng cho góc tác dụng của gió nhỏ hơn 50 Nếu lớn hơn 50 lực gió thẳng đứng phải xác định theo thí nghiệm

Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ WL

Khi tính tổ hợp tải trọng cường độ III , phải xét tải trọng gió tác dụng vào cả kết cấu và xe

cộ Tải trọng ngang của gió tác dụng vào xe cộ là tải trọng phân bố 1,5 KN/m , tác dụng theo hướng nằm ngang và đặt ở 1800mm trên mặt đường

Tải trọng gió dọc lên xe cộ là tải trọng phân bố 0,75KN/m tác dụng nằm ngang, dọc theo kết cấu và đặt ở 1800mn trên mặt đường

Phải đặt lực gió ngang và dọc lên xe cộ cho từng trường hợp tải trọng riêng rẽ, nếu cần phải kiểm tóan hợp lực theo góc tác dụng thực của gió

Mất ổn định khí động

a) Tổng quát

Hiệu ứng khí động học phải được tính tóan trong thiết kế các cầu, hoặc các bộ phận nhạy cảm với gió Các cầu vàcác bộ phận kết cấu có tỉ lệ giữa dài/rộng trên 30 lần được xem là nhạy cảm với gió

Phải xét dao động của cáp do tương tác của gió và mưa

1.4 KHỔ GIỚI HẠN

1.4.1 Tĩnh không thông thuyền

Là khổ giới hạn tối thiểu dưới cầu qua sông để đảm bảo thông thuyền dưới cầu tự do theo từng cấp đường sông Dựa trên các thông số về khổ thông thuyền có thể xác định được các phương án phân chiều dài nhịp tối thiểu cần phải đảm bảo Chiều dài nhịp tĩnh không là khoảng cách giữa hai mép trong của giữa các mố hoạc trụ Chiều cao tĩnh không dưới cầu là khoảng cách tính từ đáy kết cấu nhịp đến mực nước thông thuyền

Khổ giới hạn thông thuyền phải tuân theo Bảng 1.7, lấy từ TCVN 5664-1992

Bản 1.7: Khổ giới hạn thông thuyền trên các song có thông thuyền

1.4.2 Tĩnh không thông xe dưới cầu

1 Khổ giới hạn đứng của đường bộ

Khổ giới hạn đứng của các kết cấu đường bộ phải phù hợp với Tiêu chuẩn Thiết kế Đường TCVN 4054:2005 Cần nghiên cứu khả năng giảm khổ giới hạn đứng do lún của kết cấu cầu vượt Nếu độ lún dự kiến vượt quá 25 mm thì cần được cộng thêm vào khổ giới hạn đã được quy định

Kích thước tính bằng mét

a) Đường V tk 80 km/h có dải phân cách giữa;

b) Đường các cấp không có dải phân cách giữa;

M - Chiều rộng dải phân cách;

H - chiều cao tĩnh không, tính từ điểm cao nhất của phần xe chạy (chiều cao tĩnh không này chưa xét đến chiều cao dự trữ nâng cao mặt đường khi sửa chữa, cải tạo, nâng cấp);

h - phần cao tĩnh không ở mép ngoài của lề

H = 4,75 m, h = 4,00 m với đường cấp I,II,III

H = 4,50 m, h = 4,00 m với đường các cấp còn lại

Hình 1.18: Tĩnh không của đường

Khổ giới hạn đứng của các giá đỡ biển báo và các cầu vượt cho người đi bộ phải lớn hơn khổ giới hạn kết cấu của đường 300mm, và khổ giới hạn đứng từ mặt đường đến thanh giằng của kết cấu dàn vượt qua ở phía trên không được nhỏ hơn 5300mm

2 Khổ giới hạn ngang của đường bộ

- Đối với đường đồng bằng: chiều cao tĩnh không không được nhỏ hơn 4,5 m, chiều rộng không nhỏ hơn 6,0 m, nhưng không được lấy tăng hơn 1,0 m so chiều rộng của các xe phục

vụ nông nghiệp có thể qua lại trên tuyến;

- Chiều rộng cầu W: được thiết kế dựa trên tần xuất và lưu lượng xe sẽ chạy trên cầu,

được tính bằng chiều rộng giữa hai mép ngoài cùng của lan can, nó bao gồm chiều rộng đường xe chạy, làn an toàn, giải phân cách, vỉa hè, đá vỉa và lan can,

- Chiều rộng khổ cầu xe chạy W R : bằng tích của số làn xe với chiều rộng của mỗi làn xe

cộng với chiều rộng làn an toàn chiều rộng làn xe phụ thuộc vào cấp đường , thông thường được lấy từ 3,5 m – 3,75m

- Chiều rộng làn an toàn phụ thuộc vào từng cấp đường và công trình được lấy từ 0,5m-2m

- Chiều rộng vỉa hè T: thường được lấy từ 1m đến 2,5m

3 Khổ giới hạn của đườn sắt Các kết cấu cầu vượt đường sắt phải phù hợp với khổ giới

hạn:

Cho các công trình vượt phía trên đường sắt dùng sức kéo hơi nước và điezen

- Cho các công trình vượt phía trên đường sắt dùng sức kéo điện xoay chiều

Số trong ngoặc đơn dùng khi có khó khăn về chiều cao

Hình 1.19: Khổ giới hạn đường sắt (khổ 1000)

Các kết cấu được thiết kế để vượt đường sắt phải phù hợp với khổ giới hạn được quy định ở các hình 1.19 và 1.20 và tuân theo các yêu cầu đặc biệt của Chủ đầu tư và tổng công ty đường sắt Việt Nam

Cho các công trình vượt phía trên đường sắt dùng sức kéo hơi nước và điezen

- Cho các công trình vượt phía trên đường sắt dùng sức kéo điện xoay chiều

Số trong ngoặc đơn dùng khi có khó khăn về chiều cao

- Khối lượng riêng nhỏ

- Dễ chế tạo và dễ thi công

Nhược điểm:

- Hay bị hư hỏng do mục, mọt, hà và dễ bị cháy

- Gỗ là vật liệu có tính cơ học không đồng nhất và không đẳng hướng nên việc sử dụng phải có chọn lọc thích hợp

Để khắc phục những sự cố trên của gỗ thiên nhiên người ta đã áp dụng các biện pháp để bảo quản sử lý gỗ như phòng chống mục, mọt…

Gỗ sử dụng trong kết cấu chịu lực chính của cầu như cọc, dầm cầu…thường dùng các loại

gỗ có tính cơ học cao như đinh, lim, sến, táu, nghiến, trai, kiền kiền…

Gỗ làm cầu cần phải lựa chọn loại cây có thân thẳng và đều (giữa gốc và ngọn không chênh lệch quá 1%) càng ít cành nhánh càng tốt, độ đàn hồi và độ dẻo dai tốt

Trong điều kiện tự nhiên bản thân cây gỗ đã chịu nén chịu uốn dọc và uốn ngang do đoá

gỗ có thể làm dầm chịu uốn làm vì giá cọc chịu nén rất phù hợp ,đó là các bộ phận cơ bản của cầu gỗ

Bộ phận chịu lực chủ yếu của cầu như :dầm ,cọc nên dùng gỗ tròn tự nhiên vì nếu cưa thì mất đi một phần gỗ chịu lực đáng kể,nên bóc vỏ và phòng mục bên ngoài

1.5.2 Thép

Thép là một loại vật liệu xây dựng lý tưởng, cường độ cao, làm việc đẳng hướng (kéo, nén đều tốt) Thép xây dựng chính là một thành tựu to lớn của ngành công nghiệp luyện kim, đã tạo ra khối lượng thép lớn có tính chất cơ học và tính công nghệ đảm bảo các yêu cầu đặt ra

và do vậy không ngừng mở rộng phạm vi sử dụng kim loại trong ngành xây dựng cầu trên thế giới

Hiện nay công nghiệp thép Việt nam đã có thể cung cấp các loại thép tròn và một số thép hình chữ I, chữ C, thép góc ,thép ống có kích cỡ nhỏ, chủ yếu dùng trong xây dựng dân dụng Thép để làm cầu vẫn thường được nhập khẩu, vì vậy các Tiêu chuẩn vật liệu thép của các nước khác nhau đều được tham khảo sử dụng Trong đó chủ yếu vẫn là các Tiêu chuẩn Mỹ như ASTM, AASHTO, Tiêu chuẩn Nhật bản JIS và Tiêu chuẩn Nga GOST

Trong tài liệu này giới thiệu vật liệu thép theo Quy trình thiết kế cầu theo các trạng thái giới hạn 22TCN 18-79 (ban hành năm 1979) và Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 (ban hành năm 2005)

Vật liệu kim loại nói chung được chia làm 2 loại:

Kim loại đen: bao gồm sắt và các hợp kim của sắt với các bon cùng một số nguyên tố khác

như: Mn, S, Si, P, Theo hàm lượng Cácbon, trong kim loại đen còn được chia làm: thép và gang:

Thép: là hợp kim của sắt và cácbon với hàm lượng cácbon <2%

Thép còn được phân loại: thép cacbon và thép hợp kim

Thép cácbon: chủ yếu là Fe và C, ngoài ra còn có các nguyên tố khác như: Mn, Si, P, S

nhưng các nguyên tố này đều là các tạp chất ít nhiều có ảnh hưởng đến tính chất của thép và không thể loại bỏ được trong quá trình luyện thép

Theo hàm lượng cácbon thép cacbon được chia ra:

Thép cácbon thấp: C  0.25%

Thép cácbon trung bình: C = 0.25  0.6%

Thép cácbon cao: C = 0.6  2%

Thép hợp kim: để tăng cường các tính chất kỹ thuật của thép người ta cho thêm vào thép

những nguyên tố kim loại khác như: Mn, Cr, Ni, Al, Cu Các nguyên tố này gọi là các nguyên tố hợp kim hoá

Theo hàm lượng các nguyên tố hợp kim thép hợp kim được chia ra:

Thép hợp kim thấp: hàm lượng các nguyên tố hợp kim < 2.5%

Thép hợp kim trung bình: hàm lượng hợp kim 2.5  10%

Thép hợp kim cao: hàm lượng hợp kim > 10%

Gang: có hàm lượng cácbon  2% Gang thường có C  6%

Gang được chia ra: gang xám (trên bề mặt có màu xám của than chì); gang trắng; gang cầu; gang biến tính

Kim loại màu: bao gồm các kim loại còn lại và hợp kim của chúng Theo khối lượng riêng,

kim loại màu được chia làm:

Kim loại màu nặng:  > 5 g/cm3 (Cu, Sn )

Kim loại màu nhẹ:  < 5 g/cm3.(Al, Mg )

Có bốn loại vật liệu cho kết cấu thép (Kết cấu thép carbon, thép hợp kim thấp cường độ cao, thép hợp kim thấp gia công nhiệt và thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao) thường được sử dụng cho các công trình cầu Thiết kế tính toán phải dựa trên các tính chất nhỏ nhất chẳng hạn như trong Bảng 1.8 Tiêu chuẩn tính chất vật liệu ASTM khác với AASHTO trong các yêu cầu về độ dẻo và hàn Các yêu cầu của AASHTO-M về thép là đạt đủ phẩm chất để dùng cho các mối hàn cầu

Bê tông với cường độ nén tại thời điểm 28 ngày f’c = 16 đến 41 MPa thông thường được

sử dụng để làm kết cấu bản liên hợp Sự thay đổi diện tích bê tông thường được sử dụng để tính toán đặc trưng tính chất của mặt cắt tổ hợp Hệ số giới hạn ngắn n thường được sử dụng cho tải trọng tạm thời và hệ số giới hạn dài 3n cho các loại tải trọng lâu dài Đối với bê tông

tỷ trọng thông thường thì hệ số giới hạn ngắn của mô đun đàn hồi của thép để thay đổi thành

bê tông được đưa ra bởi AASHTO - LRFD :

cho

MPa f

cho

MPa f

cho

Mpa f

cho

Mpa f

cho

n

c c c c c

41 ' 6

41 ' 32 7

32 ' 25 8

25 ' 20 9

20 ' 16 10

Bảng 1.8: Đặc tính cơ học tối thiểu của thép kết cấu theo hình dáng, cường độ, chiều dày

Ký hiệu AASHTO

Thép kết cấu

Thép hợp kim thấp cường

độ cao

Thép hợp kim thấp tôi và ram

Thép hợp kim tôi & ram, cường độ chảy dẻo cao M270M

Cấp 250

M270M Cấp 345

M270M Cấp 345W

M270M Cấp 485W

M270M Các cấp 690/690 W

Ký hiệu ASTM

tương đương

A 709M Cấp 250

A 709M Cấp 345

A 709M Cấp 345W

A 709M Cấp 485W

A 709M Các cấp 690/690 W Chiều dày của các

bản, mm đến 100 đến 100 đến 100 đến 100 đến 65

Trên 65 đến 100 Thép hình các nhóm Tất cả Tất cả các nhóm Tất cả các nhóm áp dụng Không áp dụng Không áp dụng Không Cường độ chịu kéo

1.5.3 Bê tông cốt thép

AASHTO LRFD [A5.4.2.1] quy định, đối với công trình, cường độ chịu nén 28 ngày tối thiểu nên dùng 16Mpa và cường độ lớn nhất là 70Mpa trừ trường hợp tiến hành thêm các thí ngiệm trong phòng Cường độ chịu nén quy định đối với bê tông dự ứng lực và bản mặt cầu không được thấp hơn 28 Mpa

Bê tông cốt thép (BTCT) là sự kết hợp hài hòa giữa hai loại vật liệu có tính chất khác nhau

Bê tông là một loại đá nhân tạo có tính chất của vật liệ địa phương dễ kiếm và rẻ tiền, gồm cát, đá, nước và xi măng có thể tìm thấy ở mọi nơi Sau khi đông cứng bê tông chịu nén tốt Cốt thép là một sản phẩm công nghiệp, chịu kéo và nén đều tốt, nhưng là vật liệu quý, đắt tiền, đắt tiền, hơn nữa thép bị ăn mòn trong môi trường không khí Trong kết cấu, bê tông được đặt vào khu vực chịu nén, thép đặt vào khu vực chịu kéo Bê tông còn có tác dụng bao bọc cốt thép, không cho tiếp xúc với môi trường tạo điều kiện chống gỉ Bê tông và thép có

hệ số giãn nở nhiệt gần như nhau, đặc điểm này làm cho hai lọai vật liệu có thể cùng nhau tồn tại và làm việc có hiệu quả khi nhiệt độ môi trường thay đổi, do đó :

- BTCT là loại vật liệu rất phù hợp với ngành xây dựng các công trình xây dựng dân dụng, giao thông và công nghiệp

- Bê tông là một loại vật liệu xây dựng đa dạng, có thể được tạo hình dạng thích hợp cho hầu hết kết cấu Cầu làm bằng bê tông và bê tông dự ứng lực có thể là loại kết cấu duy nhất có thể xây dựng tại hiện trường hoặc có thể chế tạo trước thành từng khối dầm trong xưởng ở gần nơi xây dựng

- Cầu BTCT có thể tạo mọi hình dạng một cách dễ dàng, cầu thẳng, cầu cong, cong trong không gian

- Cầu dầm hộp BTCT đúc tại chỗ rất thích hợp cho cầu cong vì có tính chống xoắn cao

và có thể tạo dáng thích hợp với mọi đường cong

- Đối với các cầu thẳng có thể dùng các dầm đúc sẵn bằng BTCT thường hoặc bê tông

dự ứng lực Đối với các cầu nhiều nhịp, có thể dùng dầm liên tục rất có lợi khi chịu hoạt tải

- BTCT có thể thích hợp với với nhiều loại cầu, đối với các cầu tương đối ngắn (nhỏ hơn 12m), cầu bản tỏ ra có nhiều ưu điểm về kinh tế, đặc biệt là về thi công Dầm tiết diện T

có thể dùng có lợi cho nhịp đến 20m, hoặc có thể dài hơn nếu dùng hệ liên tục

- Cầu dầm bê tông dự ứng lực tạo khả năng chốg nứt, nâng cao tuổi thọ của kết cấu, có thể sử dụng được vật liệu cường độ cao (thép và bê tông) và có thể đạt được các nhịp tới 250m

- BTCT có thể thích hợp với nhiều loại kết cấu như dầm, vòm khung và treo, BTCT, bê tông dự ứng lực có thể cạnh tranh được với kết cấu thép đặc biệt về chống ăn mòn và tính kinh tế

- Nhược điểm của bê tông là tính dòn, khả năng chịu cắt và kéo kém nên thường bị nứt Nứt trong cầu BTCT là nỗi day dứt dai dẳng và thường xuyên cho các nhà khoa học, quản lý

và thi công Vết nứt là nguyên nhân thấm nhập nước và khí, làm ăn mòn cốt thép và bê tông, giảm tiết diện chịu lực giảm tuổi thọ cầu BTCT là loại vật liệu chế tạo tại chỗ, trong đó chất lượng bê tông thường kém đồng nhất, không đều vì phụ thuộc vào nhiều yếu tố :

+ Loại xi măng

+ Kích thước, thành phần và phẩm chất cốt liệu + Lượng nước, lượng xi măng và tỉ lệ N/X

+ Phương pháp bảo dưỡng

+ Nhiệt độ môi trường, tính co ngót và từ biến

- Bê tông là loại vật liệu mà chất lượng chủ yếu phụ thuộc vào công việc của tập thể, từ thiết kế, chọn vật liệu, thi công, bảo dưỡng, thí gnhiệm và kiểm tra Tất cả các công tác này cần được giám sát quản lý nghiêm ngặt thì bê tông mới đạt phẩm chất mong muốn

1 Bê tông tươi

Bê tông là một loại đá nhân tạo, là hỗn hợp của nhiều phần tử nhỏ gắn kết với nhau bằng vữa ximăng mà sau này sẽ đông cứng và có hình dạng theo khuôn đúc Tỷ lệ của cốt liệu lớn, nhỏ, ximăng Pooclăng và nước trong hỗn hợp ảnh tới tính chất của bê tông đông cứng Cấp phối để xác định các thành phần hạt có thể tìm trong các tài liệu về vật liệu xây dựng Thông thường người kỹ sư cần chọn cấp phối cuă bê tông theo một loạt các cấp phối định trước, trên

cơ sở của cường độ chịu nén sau 28 ngày fc’ Tiêu chuẩn điển hình cho các cấp khác nhau của

bê tông trình bày trong bảng 1.1

- Bê tông loại A thường dung cho mọi kết cấu, đặc biệt bê tông trong nước mặn

- Bê tông loại B thường dung cho móng, bệ cột, mố trụ nặng và các tường trọng lực

- Bê tông loại C dung cho các tiết diện có chiều dày nhỏ hơn 100 mm, như lan can bằng bê tông cốt thép, và để lắp đầy sàn lưới thép

- Bê tông loại P dùng khi cường độ yêu cầu lớn hơn 28 MPa Đối với bê tông dự ứng lực, cần hạn chế kích thướt cốt liệu danh định dưới 20 mm

Tỷ lệ cấp phối và ảnh hưởng của chúng đến chất lượng bê tông có thể tham khảo bảng 1.9

Bảng 1.9: Cấp phối – Tính chất theo loại

Loại bê tông

Lượng XM tối thiểu (kg/m 3 ) Tỉ lệ N/X lớn

nhất (kg/kg)

Lượng không khí (%)

Kích thước hạt

Cường độ chịu nén 28 ngày (MPa)

61,5

51,5

71,5 Quy định riêng Quy định trong hồ sơ thầu

25-4,75 25-4.75 50-25 25-4,75 12,5-4,75 12,5-4,75 25-4,75 hoặc19-4,75

Bê tông bọt (AE) nâng cao độ bền vững khi chịu lạnh Bê tông bọt được chế tạo bằng cách thêm vào hỗn hợp một phụ gia dẻo để tạo ra sự phân bố đều các lỗ rỗng rất nhỏ Sự phân bố

đều các lỗ rỗng nhỏ này trong bê tông tránh hình thành các lỗ rỗng lớn và cắt đức đường mao dẫn từ mặt ngoài vào cốt thép

Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X)theo trọng lượng và hàm tham số quan trọng nhất ảnh hưởng đến cường độ bê tông Tỉ lệ N/X càng gần mức tối thiểu, cường độ càng tăng Rõ ràng là nâng cao hàm lượng xi măng sẽ năng cao cường độ với một lượng nước nhất định trong hỗn hợp Mỗi loại bê tông đều có quy định lượng xi măng tối thiểu theo kg/m3 Tăng lượng xi măng trên mức tối thiểu có thể tăng lượng nước và vẫn giữ nguyên tỉ lệ N/X Việc tăng lượng nước có thể không tốt vì lượng nước thừa, không cần cho phản ứng hóa học với xi măng và làm ướt bề mặt cốt liệu, tất nhiên sẽ bốc hơi gây hiện tượng co ngót và làm bê tông kém đặc

Để có được bê tông tốt, tức là cường độ cao và chắc đặc, cần hạn chế lượng nước, ngược lại nước làm cho bê tông dễ gia công, đặc biệt là dễ đúc trong khuôn, có thể tăng tính dễ gia công của bê tông, không cần tăng nước bằng cách thêm các chất phụ da dẻo Tuy nhiên khi dùng phụ gia cần thận trọng vì có thể có các tác dụng phụ không mong muốn như đông cứng nhanh Vì vậy trước khi sử dụng cần làm thí nghiệm để đảm bảo chất lượng của bê tông ướt lẫn bê tông đông cứng

Trong vài năm gần đây người ta đã chế tạo được bê tông cường độ rất cao, co cường độ chịu nén tới 200MPa Mấu chốt của việc đạt cường độ cao này, cũng như độ chắc đặc là đảm bảo cấp phối tốt nhất, sao cho tất cả các lỗ rỗng được lấp đầy bằng các hạt mịn đến khi không còn lỗ rỗng nữa Trước đây người ta chi chú ý đến cấp phối tốt nhất của đá và các cốt liệu nhỏ sao cho khoảng cách giữa cá hạt lớn được chèn bằng đá nhỏ hơn, rồi đến lượt khe hở giữa các

đá nhỏ lại được chèn bằng cốt liệu nhỏ hơn như cát chẳng hạn Việc lấp đầy khe hở giữa các hạt nhỏ có thể là các hạt ximăng pooclăng, mà sau này phản ứng với nước tạo lực dính và gắn kết thành khối Trong bê tông cường độ cao và rất cao, người ta còn tiến thêm một bước nữa

là chèn thêm vào khe hở giữa các hạt ximăng pooclăng Các loại vật liệu mịn để chèn này có thể là đất puzolan hạt nhỏ, cho bay, hạt muội silic Chúng có thể thay thế một phần cho ximăng pooclăng và vẫn giữ lượng ximăng tối thiểu và vẫn giữ nguyên tỉ lệ N/X

Tính chất của bê tông khô cứng

Cường độ chịu nén 28 ngày fc’ là tham số đầu tiên ảnh hưởng đến một loạt các tính chất khác của bê tông khô cứng như cường độ chịu kéo, cường độ chịu cắt và môdun đàn hồi Cường độ chịu nén fc’ là cường độ của một mẫu chuẩn hình trụ đường kính 150 mm, cao

300 mm đặt lên máy nén và chất tải đến phá hoại Cần lưu ý rằng đây là thí nghiệm chịu nén không kiềm chế Khi nằm trong cột hoặc dầm có cốt thép dọc, giằng và đai, thì bê tông ở trong trạng thái chịu ứng suất ba chiều hoặc bị kiềm chế Trạng thái bị kiềm chế của bê tông làm tăng cường độ chịu nén và biến dạng so với không kiềm chế Cần quan tâm đến độ tăng tiêu hao năng lượng hoặc độ dẻo dai này khi nghiên cứu cường độ của tiết diện ngang bằng bê tông cốt thép

2 Cốt thép thường

Trong cầu bê tông cốt thép ,thường các loại cốt thép dạng thanh tròn ,thép có gờ thép sợi ,lưới cốt thép hàn được sản xuất theo tiêu chuẩn ASTM.Các tính chất quan trọng nhất của cốt thép là :Môđun đàn hồi Es ,cường độ chảy fy , cường độ phá hoại fu ,cấp thép và kích thước cơ bản của thanh hoặc sợi số liệu về các thanh cốt thép dùng trong cầu có thể bảng 1.10

Bảng 1.10: Cốt thép thường

danh định (mm)

Diện tích danh định (mm2)

Khối lượng danh định (kg/m) N10 11,3 100 1,785 N15 16,0 200 1,870 N20 19,5 300 2,356 N25 25,2 500 3,925 N30 29,9 700 5,495 N35 35,7 1000 7,850

Để tăng cường dính bám giữa bê tông và cốt thép ,thường tạo gờ quanh thanh thép (gọi là

cốt có gờ ).Trừ tường hợp đại xoắn ốc trong cột ,các cốt thép trong bê tông cốt thép đều dùng

thép thanh sợi có gờ

3 Cốt thép Dự ứng lực

Thép dự ứng lực có thể dưới dạng dây đơn, bao gồm 1 số sợi bện xoắn với nhau gọi là tao

cáp, và thanh thép cường độ cao Theo tiêu chuẩn TCN 272-05 thường dùng 3 loại cốt thép

cường độ cao :

- Thép sợi không bọc khử ứng suất dư hoặc chùng thấp

- Tao cáp không bọc khử ứng suất dư hoặc chùng thấp

- Thép thanh cường độ cao không bọc

Tao hoặc cáp không khử ứng suất dư có mất mát do chùng cốt thép cao hơn nên không

được sử dụng trong cầu

Thép dự ứng lực thông dụng nhất là tao cáp 7 sợi vì có cường độ tương đối cao và ít

chùng Khi chế tạo sợi người ta dùng thanh thép nhiều cacbon kéo liên tục qua các khuôn có

đường kính nhỏ dần nhằm sắp xếp thẳng hàng các phân tử theo 1 chiều và nâng cao cường độ

của sợi lên trên 1700 Mpa Sau đó 6 sợi bện quanh 1 sợi trung tâm (có đường kính lớn hơn 1

chút) theo hình xoắn ốc với bước từ 12 dến 16 lần đường kính để tạo thành 1 sợi tao Phương

pháp kéo nguội và bện các sợi tạo nên ứng suất dư trong các tao Ứng suất này làm cho ứng

xử suất – biến dạng trở nên tròn hơn và có thể có ứng suất chảy thấp hơn Có thể tăng ứng

suất chảy bằng cách đốt nóng tao lên khỏang 350oC và giảm nhiệt độ từ từ Quá trình này gọi

là khử ứng suất dư ( stress relieving ) Để giảm chùng người ta đặt tao ở trạng thái căng trong

quá trình đốt nóng và làm lạnh Quá trình này gọi là tôi và tạo ra được tao có độ chùng thấp

Tiêu chuẩn điển hình về tính chất của các taodự ứng lực và thép thanh trình bày dưới đây:

23,22 37,42 51,61 69,68

0,182 0,294 0,405 0,548

12,7 15,24

92,90 139,35

0,730 1,094

Tao 7 sợi

(cấp 270)

9,53 11,11 12,70 15,24

54,84 74,19 98,71 140,00

0,432 0,582 0,775 1,102 Thép sợi

4,88 4,98 6,35 7,01

18,7 19,4

32

39

0,146 0,149 0,253 0,298

Bảng 1.12: Các đặc trưng của tao cáp

Eurocode 138-79 BS5896:1980

ASTM A416-85 Cấp 270

Eurocode 138-79 BS2896:198

0

ASTM A416-85 Cấp 270

Khối lượng danh định (kg/m) 0,785 0,775 1,18 1,10

Chùng sau 1000 h ở 20 0 Cvà

Mô đun đàn hồi

Trị số môđun đàn hồi kiến nghị EP của thép dự ứng lực lấy như sau :

Đối với tao cáp : EP = 197000 Mpa

Đối với thép thanh : EP = 207000 Mp

Mố cầu có nhiều loại: mố chữ U, mố vùi, mố có tường cánh xiên

Hình 2.1: Các bộ phận cơ bản của mố cầu:

1- Tường đỉnh; 2- Mũ mố; 3- Tường trước; 4- Tường cánh; 5- Móng mố; 6- Đất đắp nón mố

Tường đỉnh là bộ phận chắn đất sau dầm chủ hoặc dầm mặt cầu, có chiều cao tính từ mặt cầu đến mặt kê gối

Mũ mố là bộ phận để kê gối cầu, chịu áp lực trực tiếp từ kết cấu nhịp truyền xuống

Tường thân là bộ phận đỡ tường đỉnh và mũ mố

Tường cánh là tường chắn đất chống sụt lở của nền đường theo phương ngang cầu

Móng mố là bộ phận đỡ tường trước hoặc tường thân và tường cánh

Nón mố là công trình chống sói lở, lún sụt ta luy nền đường taị vị trí đầu cầu đồng thời có tác dụng như một công trình dẫn dòng chảy, tuỳ theo độ dốc taluy, vận tốc nước, nón mố có thể đắp đất gia cố cỏ, gia cố đá hộc hoặc làm dưới dạng tường chắn

2.1.2 Trụ cầu

Trụ cầu là một bộ phận quan trọng trong công trình cầu, có chức năng đỡ kết cấu nhịp và truyền tải trọng đó xuống nền móng Trụ cầu có hình dáng đối xứng và làm việc theo phương dọc và phương ngang cầu

Mố trụ cầu là kết cấu phần dưới, nằm trong vùng ẩm ướt, dễ bị xâm thực, xói lở, bào mòn

do vậy việc xây dựng, thay đổi, sửa chữa rất khó khăn nên khi thiết kế cần chú ý sao cho phù hợp với địa hình, địa chất, các điều kiện kỹ thuật khác và dự đoán được trước sự phát triển của tải trọng Vì vậy, mố trụ cầu phải đảm bảo những yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật, xây dựng

và khai thác Đảm bảo yêu cầu về kinh tế, kỹ thuật nghĩa là mố trụ sử dụng vật liệu một cách hợp lý, có kích thước cơ bản được chọn sao cho có trị số nhỏ nhất mà vẫn đảm bảo về cường

độ, độ cứng, độ ổn định không bị xói lở, lún, sụt Đảm bảo về yêu cầu xây dựng nghĩa là sử dụng những kết cấu lắp ghép, chế tạo sẵn trong công xưởng, cơ giới hoá thi công Đảm bảo yêu cầu về khai thác: cho phép thoát nước êm thuận dưới cầu, bảo đảm mỹ quan của cầu, không cản trở sự đi lại dưới cầu trong cầu vượt, chống bào mòn bề mặt mố trụ

Phân loại mố trụ cầu

+ Mố trụ cứng: Có kích thước và trọng lượng lớn Mỗi mố trụ có khả năng chịu toàn

bộ tải trọng ngang theo phương dọc cầu từ kết cấu nhịp truyền đến và tải trọng ngang do áp lực đất gây ra Loại mố trụ này áp dụng cho cầu nhỏ, cầu trung và cầu lớn

Mè

TrôKÕt cÊu nhÞp

Mè

+ Mố trụ dẻo: Là mố trụ có độ cứng tương đối nhỏ, đầu KCN không được chuyển dịch tịnh tiến (trượt hoặc lăn trên xà mũ), kích thước thanh mảnh Trên mố trụ chỉ có gối cố định hoặc không cần gối Khi chịu lực ngang theo phương dọc cầu toàn bộ kết cấu nhịp và trụ sẽ làm việc như 1 khung (trên khớp – dưới ngàm) và khi đó lực tác dụng ngang sẽ truyền cho các trụ theo tỷ lệ độ cứng của chúng

Loại mố trụ này cho phép sử dụng vật liệu hợp lý hơn nên giảm được kích thước mố trụ

Áp dụng cho cầu nhịp nhỏ và chiều cao H < 6 m và ltt < 20 m Dùng ở nơi không có thông thuyền, cây trôi, đá lăn

- Theo vật liệu:

+ Bê tông, đá xây

+ Bê tông cốt thép, (BTCT)

- Theo phương pháp xây dựng:

+ Toàn khối (đổ tại chỗ)

+ Lắp ghép và bán lắp ghép

2.2 CẤU TẠO TRỤ CẦU DẦM

2.2.1 Cấu tạo các bộ phận trụ cầu

- Tấm kê các loại gối di động có thể đặt chìm trong mũ trụ, nếu gối cầu có chiều cao lớn Trường hợp trên mũ trụ bố trí hai dãy gối cố định và di động có chiều cao khác nhau, có thể cấu tạo tấm BTCT để kê cao gối cố định

- Trên mặt bằng, kích thước mũ trụ thường lớn hơn kích thước thân trụ về mỗi bên khoảng 10cm để tạo ra những gờ đảm bảo cho nước ở mũ trụ không chảy xuống và thấm vào chỗ tiếp giáp giữa mũ trụ và thân trụ

- Nếu thân trụ tiết diện đặc thì mũ trụ chỉ chịu ép cục bộ, khi đó chiều dày mũ trụ không nên nhỏ hơn 40cm và phải bố trí lưới thép chịu lực cục bộ ở vị trí kê gối Lưới cốt thép bằng các thanh thép D8D12, mắt lưới từ 512cm, khoảng cách giữa các lưới từ 812cm Mũ trụ

có đặt các cốt thép cấu tạo D10D14, cách nhau một khoảng S =1520cm Bê tông mũ trụ có cường độ  25MPa

- Nếu thân trụ hẹp hoặc cấu tạo bởi một hoặc nhiều cột thì mũ trụ có dạng như một dầm mút thừa hoặc liên tục chịu uốn dưới tác dụng của trọng lượng bản thân mũ trụ và phản lực gối từ KCN Do đó, việc bố trí cốt thép mũ trụ phức tạp hơn

- Trong nhiều trường hợp trên mũ trụ (và cả mũ mố) còn cấu tạo các tấm BTCT có chiều cao tới đáy dầm ngang, bố trí giữa hai tấm kê gối, có chốt thép liên kết với dầm ngang để chống lực đẩy ngang theo phương ngang cầu Một số trường hợp mũ trụ còn có cấu tạo tường tai ở hai bên để chống lực đẩy ngang và che chắn gối cầu