Bài giảng cầu thép f1 trần đức nhiệm đh GTVT

+Hệ dây cờng độ cao làm việc đến khi bị kéo đứt + Điều chỉnh nội lực của hệ : tĩnh tải do hệ dây chịu, hoạt tải do dầm chịu → vợt đợc nhịp lớn Dầm: có hai loại: + Dầm cứng + Dầm mềm: độ

Chơng 1 Những vấn đề chung1.1.Khái niệm

Công trình cầu – là một dạng công trình nhân tạo trên đờng

Các dạng công trình nhân tạo trên đờng sắt và đờng ô tô gồm có :

Mô tả cấu trúc kiến thức các học phần chung trong chuyên ngành /

Công trình cầu ( xem hình vẽ bố trí chung )bao gồm các bộ phận

- Kết cấu phần trên: phần thay thế nền đờng bị gián đoạn tạo nên điều kiện xe chạy nh trên ờng

đ-→ Bao gồm: Lớp phủ, kết cấu mặt cầu, dầm sàn đợc đặt trên hệ thống kết cấu chịu lực: dầm chủ, dàn chủ, vòm chủ

→ Tiếp nhận vàtruyền tải trọng qua các kết cấu trung gian: gối cầu ( nếu có) xuống kết cấu bên dới

→ Xây dựng bằng vật liệu thép, BTCT, kết cấu liên hợp

- Kết cấu phần d ới: Móng, Mố, Trụ cầu

→ Trụ- 2 bên có nhịp

→ Mố – 1 bên có nhịp, 1 bên có đờng dẫn vào cầu

- Đ ờng dẫn vào cầu: đảm bảo sự nối tiếp êm thuận với đờng ( thờng 10 m phía sau cầu đợc tính vào phạm vi cầu)

- Các công trình bảo vệ: trụ chống va, kè hớng dòng, chống xói

1.2.Cấu tạo chung một công trình có KCN Thép

Các bộ phận chính

1 Bộ phận mặt cầu

2 Hệ thống dàn mặt cầu

3 Kết cấu chịu lực chính và các hệ thống liên kết

4 Gối cầu

5 Lề ngời đi, lan can, khe co giãn

Theo thói quen,ngời ta thờng gọi cầu thép là những cầu có KCN làm bằng thép

+ Tải trọng P tác dụng thẳng đứng → phát sinh phản lực thẳng đứng

+ Kết cấu chịu uốn

- HÖ liªn hîp ( thÐp – BTCT )

+ Cïng chÞu lùc t¹o nªn 1 d¹ng kÕt cÊu chÞu lùc míi cã lîi h¬n

+ ↓ chiÒu cao dÇm däc →↓ chiÒu cao kiÕn tróc → ↑ kho¶ng tÜnh kh«ng díi cÇu

1.3.2 VÒ mÆt tæ chøc mÆt c¾t

- MiÕng cøng ha → tæ hîp kh«ng biÕn d¹ng cña c¸c thanh

→ tÝnh chÊt ph©n bè néi lùc kh¸c nhau, nhng lµm viÖc gièng nhau

* Cầu dầm dàn thép ( dàn hoa– cầu dàn)

Cầu Chơng Dơng, Cầu Long Biên, Cầu Thăng Long, Câu Hàm Rồng,

+Hệ dây cờng độ cao làm việc đến khi bị kéo đứt

+ Điều chỉnh nội lực của hệ : tĩnh tải do hệ dây chịu, hoạt tải do dầm chịu → vợt đợc nhịp lớn

Dầm: có hai loại:

+ Dầm cứng

+ Dầm mềm: độ võng lớn, → cảm giác kém an toàn cho các phơng tiện GT

độ nhạy cảm lớn đặc biệt là với tác động của gió

áp dụng :

+ Cầu vợt nhịp lớn

+ Điều kiện địa chất thuỷ văn phức tạp

+ Đặc điểm: cờng độ cao, tỷ trọng lớn

+ Ưu điểm: Kết cấu nhẹ, ổn định, hệ số đồng nhất cao

Làm việc tơng đối tin cậy, độ dai xung kích lớn → tốt để chịu tác dụng xungkích, dễ gia công, tạo hình

Môi trờng: u việt ( tận dụng , tái chế)+ Nhợc điểm: Giá thành cao

( thoả mãn các Tiêu chuẩn quy định của Tiêu chuẩn Vật liệu tơng ứng )

+ Tính chất cơ học của thép xây dựng

Quan tâm: giới hạn chảy σy, giới hạn bền σb, Mô đuyn đàn hồi E, biến dạng tơng đối ε

Thông số của thép có độ lệch tiêu chuẩn thấp

- Các loại thép sử dụng: Thép than / Cacbon cần R0(fs) = 190 MPa

Thép hợp kim thấp : R0(fs) = 270 MPaTrên thế giới sử dụng thép chất lợng cao ( cờng độ cao, khả năng tự chống gỉ)

Hiện nay t ∼ 120 , 150 mm+ Các loại thép cờng độ cao.

Bó sợi: song song → cờng độ kéo đứt cao fs = 18.000 - 20.000 MPa

xoắn+ Thép đúc

+ Thép cho liên kết

1.5.Xu hớng phát triển của cầu Thép hiện đại

Yếu tố cấu tạo nên cầu thép: Vật liệu

Kết cấu ( cấu tạo, phân tích, tính toán)Công nghệ

→ Xu hớng phát triển cầu thép phụ thuộc vào 3 yếu tố trên

1.5.1.Vật liệu cho cầu thép hiện đại

- Đặc điểm: Vật liệu thép chất lợng cao

+ Thép cờng độ cao

+ Thép tính năng cao ( chất lợng cao HPS)

+ Cờng độ vật liệu fs = 800 – 1200 MPa ( thép cũ fs = 270 – 280 MPa )

→ cờng độ thép cao → khẩu độ cầu vợt đợc nhịp lớn

( cầu dầm liên tục ∼ 160 – 200 m)

+ Khắc phục nhợc điểm của thép – bị ảnh hởng bởi gỉ bằng thép thời tiết

- Vật liệu cho liên kết : tăng cờng kiểm soát chất lợng, độ tin cậy cao ổn định chất lợng

→ Xu hớng: loại bỏ vật liệu xây dựng kết cấu

+ Không kiểm soát đợc chất lợng

+ Không có độ tin cậy cao

vd: Liên kết thép

+ Bằng đinh tán – phụ thuộc trình độ ngời thợ, chất lợng đinh, nhiệt độ khi đóng đinh+ Bằng hàn thủ công – tơng tự ( ảnh hởng của chiều cao đờng hàn, vết nứt, xỉ)

→ thay thế:Bu lông cờng độ cao

Hàn ( tự động hoặc bán tự động)Keo dán

1.5.2.Kết cấu

- Đề xuất các loại kết cấu:

+ Tơng đối đơn giản về mặt chế tạo

+ Làm việc hợp lý, hiệu quả

+ Sử dụng vật liệu kết cấu nhiều loại khácnhau → kết cấu liên hợp → tiết kiệm chi phí,phát huy tính năng chịu lực

Chơng 2: Cấu tạo kết cấu nhịp cầu Dầm thép2.1 Những vấn đề chung:

Vai trò: đảm bảo độ cúng cho kết cấu dới tác dụng của các

loại tải trọng

5 Gối cầu :

Nếu không có gối, dầm chủ bị hạn chế dịch chuyển → phát sinh mô men uốn → gây nứt dầm

6 Lan can, lề ngời đi, dải phân cách, hệ thống thoát nớc, khe biến dạng, chiếu sáng

- Theo tính chất sử dụng:

+ Cầu có xe chạy giữa

+ Cầu có xe chạy dới

2.2 Cấu tạo bộ phận mặt cắt trong KCN cầu dầm thép

Cấu tạo, phạm vi áp dụng linh động

Kết cấu bản mặt cầu: bộ phận chịu lực của mặt cầu

- Nội dung nghiên cứu:

Kết cấu uốn phẳng dới tác động của hoạt tải ( nh) và tĩnh tải ( nt)

- Các căn cứ:

Chiều cao nớc dâng → chiều dài toàn cầu Lo → mặt cắt kiểu gì,

Điều kiện địa chất thuỷ văn trên mặt cắt có bao nhiêu dầm (trong điều kiện khống chế và ràng buộc) → giải pháp lực chọn: tốt nhất về kỹ thuật

Đồng thời bản mặt cầu làm việc nhiều hơn → tăng chiều dày bản mặt cầu, bổ sung cốt thép làm việc → tĩnh tải tăng,

Ưu điểm: Tổng chi phí cho dầm chủ ít nhất

Giảm các chi tiết liên kết

Giảm kích thớc kết cấu bên dới,

Kích thớc khác nhau ảnh hởng đến chiều năng lực chịu tải là khác nhau

h – yếu tố quan trọng nhất quyết định khả năng chịu uốn của dầm

I – (mô men quán tính của mặt cắt )

I ∼ hα (α > 1)

M – giá trị mô men uốn lớn nhất

R – cờng độ vật liệu kết cấu

f ≤ [f]

3 Chiều dày bản bụng dầm tw = ?

- Chức năng bản bụng – liên kết cánh dầm - đối với mặt cắt tổ hợp

- Làm việc:

→ truyền biến dạng uốn từ trục trung hoà ra xa

→ xuất hiện ứng suất cắt → làm việc chủ yếu chịu cắt, ngoài ra còn tham gia 1 phần chịu mô men

→ phá hoại: - do ứng suất cắt τ

- mất ổn định cục bộ ( tw – mỏng)

( có thể ↓ tw nhng cần sơng tăng cờng → xu hớng ↑ tw)

- Lựa chọn: Bảo đảm s liên kết

định cục bộ, phụ thuộc vào chiều cao dầm ( bị phồng, xoắn) → tw ↓ dự trữ chịu lực của bản cánh còn nhiều nhung dầm đã bị phá hoại

Thép cacbon : ngợclại

+ Ngoài ra: δ ≥ 10 mm đối với dầm: tán nối

δ ≥ 12 mm đối với dầm hàn nối

R A N

h

M kN N

f

f f f

chú ý: tf bf cần thoả mãn các tiêu chuẩn thiết kế, xây dựng

'15

thép góc ≥ 100 x 100 x 10

chiều dày một tấm : 10 mm ≤ tf ≤ 20 mm

∑δ’t + tg ≤ 4.5 d tán 1 một búa ; d - đờng kính đinh tán

1

ữ

=

l h

Cầu đờng bộ

12

120

1 ữ

=

l h

Dầm liên tục

15

120

1 ữ

=

l h

+Nhịp liên tục có khẩu độ lớn

→ Mặt cắt dầm có h ≠ const

20

130

+ Nguyên tắc giảm chiều dày:

Chuyển tiếp tf1 → tf2 → 1: m = 1/8 – cánh chịu kéo

1: m = 1/4 – cánh chịu nén

∆f = ?, lấy theo bề dày tối thiểu tiêu chuẩn

∆f = ∆tf x ∆bf

+ Nếu cánh dầm làm bằng các lớp ban thép liên kết chồng → ↓ bớt số bản lớp thép

+ Nếu tf đủ dày → giảm bớt chiều rộng bản.bf1 → bf2

1: m = 1/8 – cánh chịu kéo1: m = 1/4 – cánh chịu nén

Chú ý: điểm cắt thực tế kéo dài 1 đoạn so với điểm cắt lý thuyết

5 Các chi tiết gắn sẵn vào dầm chủ ( s ờn tăng c ờng)

- Các sờn tăng cờng của dầm chủ:

-+ Sờn đứng trong mặt phẳng đứng: bố trí dày ở gối, tha ở giữa nhịp

+ Sờn ngang ở nơi có chiều cao lớn, đảm bảo cho bản bụng không bị mất ổn định ( cục bộ)

→ Vị trí, số lợng các sờn phải tính toán

- Cấu tạo:

+ Các sờn chủ yếu cấu tạo bằng thép bản

+ Do ở cánh kéo có phá hoại do mỏi, do ứng suất d → ít khi hàn ( tập trung ứng suất) →hoặc tỳ qua hoặc mài phẳng tỳ sát vào con đềm hàn với sờn cánh kéo

Lu ý: Với dầm thép kiểu cũ hoặc tổ hợp bằng đinh tán, sờn tăng cờng có thể bằng thép góc hoặc tổ hợp thép góc với thép bản

ở vị trí bụng dầm chịu lực cắt tập trung lớn, thờng bố trí sờn tăng cờng đứng

Tại vị trí đặt hệ thống liên kết ngang ( gọi là sờn liên kết), sờn liên kết nhất thiết phải có

Bố trí sờn tăng cờng tại vị trí: lực P lớn, đặt hệ liên kết ngang

2.3.3 Mói nối dầm chủ

- Khái niệm: là mối nối giữa các đoạn dầm ( khác mối nối can)

- Sự cần thiết: do - Hạn chế về kích thớc ( chiều dài mỗi đoạn dầm = 10 – 12 m)

- Hạn chế khi thi công ( điều kiện vận chuyển, chuyên chở, lắp ráp)

- Do yêu cầu của đặc điểm kết cấu và công nghệ( Đổ bê tông phải phân đoạn để tránh biến dạng đà giáo ván khuôn do phần

bê tông đổ trớc đó đã đông cứng )

- Vị trí mối nối:

+Mối nối sờn: sờn dầm làm việc chủ yếu chịu cắt, 1 phần chịu mô men

Thờng nối theo kiểu đối đầu

→ Hạn chế mối nối ở vị trí có lực cắt lớn

→ Hai bản ghép nối đối xứng → ↓ số lợng đợc nối chồng → tránh truyền lực lệch tâm và ↑ số lợng đinh → truyền lực êm thuận

+Mối nối bản cánh:

Đặc điểm chịu lực: chịu mô men → tránh nối tại các mặt cắt có mô men lớn

Hình thức nối: Đối đầu, so le, kết hợp cả hai

Cấu tạo cánh dầm:

Thép bản → nối bằng thép bản

Thép góc → nối bằng thép bản hoặc thép góc

Bản táp không phủ lên bản cánh → thép góc làm việc quá tải

Chú ý: trên mặt cắt ngang có nhiều dầm tốt nhất nên bố trí mối nối không trùng nhau

Bản táp phủ lên bản cánh → thép góc làm việc không quá tải, giảm số đinh vì các số đinh ở xalàm việc nhiều hơn (bản đệm có chiều dày bằng cánh đứng của thép góc)

- Các yếu tố mối nối:

+ Kích thớc:

+ Số lợng liên kết: ( đinh, bu lông, bu lông cờng độ cao)

→ lựa chọn dựa trên khả năng chịu tải của mối nối ≥ sức kháng của dầm ngoài mối nối hoặc nội lực lớn nhất tại mối nối

- Cấu tạo các loại mối nối:

( cố gắng tối đa để có dạng mối nối đối đầu ở các chi tiết của cánh và bụng dầm)

1/2 II – II 1/2 III – III I - I+ Mối nối đối đầu

Đặc điểm: Đơn giản

Tốn nhiều bản tápTải trọng tác dụng lớn → mối nối không phù hợp+ Mối nối so le

Đặc điểm: Bản cánh và thép góc cánh gián đoạn ở nhiều vị trí khác nhau

Yêu cầu ít bản tápVận chuyển khó khăn do chiều dày bản táp mỏng → dễ bị cong vênhThi công khó khăn – vì các khối dầm chỉ thuận tiện cầu, nâng , hạ theo ph-

ơng thẳng đứng+ Mối nối hỗn hợp

- Trờng hợp nhiều lớp trong bản cánh → nên áp dụng mối nối so le

2.3.4 Cách tạo độ vồng bằng mối nối

→ chênh lệch cao độ giữa biên dạng không có độ vồng và sau khi tạo độ vồng là độ vồng tại mặt cắt k.

+ Thờng xét theo mặt phẳng thẳng đứng, dới tác dụng của các lực do tĩnh tải, hoạt tải →

xuất hiện ứng suất, biến dạng chung → độ võng.

→ khi làm việc dầm võng tiếp 1/2 độ võng hoạt tải → làm việc êm thuận

+ Xử lý tại các mối nối dầm: thay vì đặt các đầu nối song song nhau ta bẻ 2 dầu dầm cầnnối 1 góc γ

Trờng hợp 1 mối nối:

1

+ +

∆

i

i

l h

→ Khoảng cách giữa các cột đinh, ở dới nhỏ hơn ở trên theo nguyên tắc hình học

+ Kết hợp việc bố trí đờng cong đứng và tạo độ vồng

Thay vì bố trí chiều dày bản mặt cầu thay đổi, ta bố trí các dầm có cao độ khác nhau

ví dụ: cầu dẫn vào cầu Hoàng Long cao độ đáy dầm phụ thuộc MNTT, khổ thông thuyền

→ Đảm bảo an toàn và thoát nớc → id → bố trí cầu trên đờng cong đứng

bán kính đờng cong đứng và chiều dai đoạn cong phải đảm bảo tầm nhìn

( Càng dốc→ chiều dài cầu giảm → giảm chi phí nhng sử dụng bất lợi → Nên dừng cầu ở vị trí nào ? ( nền ổn định, ít tốn kém))

→ Tổ chức bố trí mối nối dầm phải bám theo đờng cong ở trạng thái không chịu tải đòng congchế tạo dầm có dạng

Khi có hoạt tải kết cấu nhịp võng xuống → phải chia đoạn xét 2 yếu tố:

+ Tạo độ võng riêng biệt

+ Tạo độ võng theo đờng cong đứng

yM = yM( yêu cầu tạo độ cong đứng) + yM( yêu cầu độ võng)

2.4 Cấu tạo hệ thống liên kết.

- Trong giai đoạn chế tạo cần tính đến khả năng bố trí hệ liên kết dọc tạm bổ sung

Ngoài chức năng liên kết thì hệ liên kết dọc ( vĩnh cửu và tạm thời) còn nhiệm vụ đảm bảo ổn

định của cánh dầm

- Các hệ liên kết:

+ Hệ liên kết dọc – liên kết ngang cánh dầm

+ Hệ liên kết ngang – nằm trong mặt phẳng thẳng đứng vuông góc với trục dầm- Tác dụng của hệ liên kết: liên kết các dầm chủ hình thành hệ thống mạng dầm

+Giảm chiều dài tự do cánh nén của dầm

- Cấu tạo: +Một phần của dầm chủ ( phần cánh hoặc khu vực cánh ), các cánh đóng vai trò

nh biên của hệ liên kết dọc

+Bổ sung bởi các thanh chéo, thanh chống ngang → tạo ra dàn phẳng trong mặt phẳng ngang

- Yêu cầu: Không biến dạng hình học, đủ độ cứng cần thiết

- Bố trí tổng thể:

Trên tất cả các cặp dầm kế tiếp

Chỉ ở một số cặp dầm

Hoặc chỉ ở những cặp dầm ngoài cùng

- Vấn đề: phân bố tác động của tải trọng phân bố ngang cho các mặt phẳng liên kết

- Sơ đồ các thanh bụng cho hệ liên kết dọc

- Cấu tạo chi tiết liên kết dọc.

( Nhịp nhỏ: Hệ liên kết dọc liên kết trực tiếp với cánh dầm.)

- Vị trí: là những mặt phẳng kết cấu thuộc mặt phẳng thẳng đứng, vuông góc với trục dầm đợc

đặt ở vị trí các gối, vị trí trung gian Khoảng cách 3 - 5 (7)m tuỳ theo quy mô nhịp, khoảng cách dầm chủ

- Vai trò: tạo độ cúng theo phơng ngang ( giống dầm ngang)

- Tác dụng: + Liên kết các hệ dầm thành hệ thống kết cấu không biến hình

+Tham gia phân bố tải trọng theo phơng ngang cho tất cả các dầm chủ cũng

nh tham gia chịu lực

- Các loại liên kết ngang:

+ Kết cấu hệ thanh: ( bố trí ngoài gối)

Gồm: 2 sờn dầm, các thanh ngang, thanh chéo đảm bảo nguyên tắc:

Hạn chế sự làm việc bất lợi của các thanh

Tiết diện thanh ko quá nhỏ để đảm bảo độ mảnh

+ Kết cấu mặt cắt đặc [, I ( thép hình hoặc tổ hợp thép bản)

Đối với mặt cắt gối bao giờ cũng bố trí kiểu đặc

+ Một kiểu kích dầm đối với cầu đờng sắt

+ Một số dạng liên kết ngang dạng đặc biệt

- Trờng hợp thông thờng: ( thi công hệ dầm theo sơ đồ giản đơn)

Chế tạo phần dầm thép của phần dầm liên hợp ( sẵn neo) → Vận chuyển ra công trờng

→ lắp đặt → lắp dựng ván khuôn ( cho công tác đổ bê tông) → thi công bản bê tông → tháo

dỡ ván khuôn + thi công lớp phủ mặt cầu + thiết bị khác → đa vào khai thác

+ Giai đoạn 1: mặt cắt làm việc: dầm thép → đặc trng hình học giai đoạn 1 - đặc trng hình họccủa dầm thép

Tải trọng: trọng lợng bản thân dầm thép

hệ liên kếtLàm việc: giống dầm giản đơn

+ Giai đoạn 2: mặt cắt làm việc: dầm thép → đặc trng hình học giai đoạn 2 - đặc trng hình học của dầm thép

Tải trọng: cộng thêm tĩnh tải bản bê tông, và các bộ phận đỡ bản

Làm việc: dầm thép

+ Giai đoạn 3: Neo liên kết chặt chẽ giữa bê tông và dầm thép → hình thành mặt cắt liênhợp

Mặt cắt làm việc: Dầm thép + bản BTCT

Tải trọng: Tĩnh tải phần 2

Hoạt tảiVậy dầm thép làm việc từ đầu, còn bản bê tông làm việc từ giai đoạn 3

- Trờng hợp khác: Thi công hệ dầm trên hệ thống đà giáo liên tục.

Lắp đặt hệ dầm → thi công bản Bê tông + Tháo dỡ đà giáo sau khi bê tông đã đủ độ cứng → Thi công tiếp phần 2 + hoàn thiện, đa vào khai thác

+ Giai đoạn 1.2: – dầm thép + bản bê tông cha làm việc, không làm việc theo sơ đồ chịu uốn → mặt cắt không có nội lực của dầm thép chịu uốn, chỉ chịu lực ép cục bộ

+ Giai đoạn 3: - mặt cắt liên hợp - dầm chịu tĩnh tải giai đoạn 1 ( trọng lợng bản thân dầm và bản bê tông) - Tĩnh tải giai đoạn 1

- Tĩnh tải giai đoạn 2

- Hoạt tải

So sánh: Khác nhau:

Thành phần tham gia làm việc tại các giai đoạn

Nhận xét: Mức độ huy động bản bê tông vào làm việc 2 > 1 → hiệu quả: giảm tải tiết kiệm thép cho dầm thép 2 > 1, do sự hình thành kết cấu trong giai đoạn làm việc,

TH2 - Bản bê tông sớm đợc đa vào và là một phần của dầm liên hợp → thamgia chịu lực với dầm thép

- Trờng hợp khác: Nếu không dùng đà giáo liên tục mà chỉ dùng các trụ tạm kết hợp điều chỉnh nội lực → bản bê tông cũng đợc đa vào 1 phần mặt cắt liên hợp để chịu tĩnh tải giai

đoạn 1

→ Vậy công nghệ thi công quyết định quá trình thiết kế tính toán

2.5.3 Vấn đề điều chỉnh nội lực dầm liên hợp

Điều chỉnh nội lực: là động tác can thiệp vào kết cấu ( trong quá trình thi công) nhằm tạo hiệu ứng phân phối lại ứng suất ( nội lực)

áp dụng với dầm liên hợp:

Mục đích: Dầm giản đơn: sớm đa bản BTCT tham gia làm việc cùng với dầm thép

Dầm liên tục: tạo lực nén trong bản tại các vị trí gối tựa ( chịu mô men âm trong giai đoạn khai thác)

Giải pháp: Chủ động tạo ra rãnh ngang vuông góc với trục dầm

→ loại bỏ hiệu ứng liên hợp

Tạo ứng lực gây nén thớ trênTạo dự ứng lực

* Dầm giản đơn: