Tổng quan thiết kế cầu thép

08/03/2016 NỘI DUNG CHÍNH: THIẾT KẾ CẦU THÉP Phần 1: Phân loại lịch sử phát triển Chương 1: Tổng quan Phần 2: Tính chất vật liệu thép Phần 3: Các đặc điểm cầu thép Phần 4: Xu phát triển cầu thép Khoa CTGT TS Nguyễn Tiến Thủy I Phân loại – theo cách thức chịu lực Phần 1: Phân loại lịch sử phát triển I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dầm (Girder bridge) Cầu dầm (Girder bridge) (1.1) Cầu dầm thép (steel plate girder bridge) • Được dùng nhiều chiều dài nhịp ngắn-vừa • Thường dùng tiết diện chữ I, H Nhịp liên tục Continuous spans Nhịp giản đơn Discontinuous spans • Sử dụng ràng buộc ngang để tăng cường ổn định cho cầu • Là loại cầu nhất, sở cho TK loại cầu khác Mút thừa Suspended-andcantilever spans 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dầm (Girder bridge) Cầu dầm (Girder bridge) (1.1) Cầu dầm thép (steel plate girder bridge) (1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge) • Thích hợp cho nhịp lớn • Độ cứng chịu xoắn cao, lượng tối ưu, thích hợp cho cầu cong • Mỹ thuật tốt, bền môi trường • Loại hộp chữ nhật (rectangular) hình thang (trapezodial) sections I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dầm (Girder bridge) Cầu dầm (Girder bridge) (1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge) (1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge) Dầm hộp thép với mặt cầu trực giao Cầu dầm hộp thép mặt cầu liên hợp Composite box girder bridge Full steel box girder 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dầm (Girder bridge) Cầu dầm (Girder bridge) (1.3) Cầu giàn thép (truss bridge) (1.3) Cầu giàn thép (truss bridge) • Trọng lượng nhẹ, độ cứng cao • Sử dụng rỗng rãi cầu đường sắt • Vật liệu sử dụng hiệu cầu dầm? • Chế tạo, bảo trì phức tạp • Sơ đồ: Đơn giản, liên tục, mút thừa • Bố trí Through trussbridge bridge Deck truss I Phân loại – theo cách thức chịu lực 10 I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dầm (Girder bridge) (1.3) Cầu giàn thép (truss bridge) Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge) • Khác biệt với cầu dầm ? • Kết cấu chịu lực vòm • Mỹ quan, chịu lực hợp lý, vượt nhịp lớn • Các vấn đề cần lưu ý: Thiết kế, thi công, ổn định, động lực học, mỏi • Phân loại: nhiều cách Cầu Long Biên, 1902 11 12 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge) Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge) Through arch bridge (chạy dưới) Sydney Harbour bridge, Úc New River Gorge Bridge, Mỹ (nhịp (nhịp 503,1932) 518.5,1977) Deck arch bridge vòm chạygiữa) trên) Half-through arch(cầu bridge (chạy 13 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dây văng thép (Steel cable-stayed bridge) • • • • • • 14 Cầu dây văng thép (Steel cable-stayed bridge) Vượt nhịp lớn Chịu lực: Dầm + Dây Dây treo có tác dụng gối đàn hồi Thi công đúc hẫng, lắp hẫng; không yêu cầu neo Khác cầu dầm? So với cầu dây văng BTCT? ( Thiết kế, chi tiết, chế tạo, thi công, vận hành, bảo dưỡng) Cầu Stromsund (Thụy Điển) - 1956 15 16 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dây văng (Steel cable-stayed bridge) Russky Island Bridge, Russian ( main span 1104 m), dài giới Cầu dây văng (cable-stayed bridge) 17 Sutong Bridge, China ( main span 1088 m) I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dây văng (cable-stayed bridge) Cầu dây văng (cable-stayed bridge) 18 Cầu Mỹ Thuận, cầu dây văng Việt Nam (350 m, 2000) Tatara Bridge, Japan ( main span 890 m, 1999) 19 (dầm BTCT DUL) 20 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dây văng (cable-stayed bridge) Cầu dây văng (cable-stayed bridge) Cầu Bính, Việt Nam (100 +260+100 m, 2005) Cầu Bãi cháy, cầu dây văng mp Việt Nam (nhịp 435 m, 2006) 21 I Phân loại – theo cách thức chịu lực 22 I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu dây văng (cable-stayed bridge) Cầu treo dây võng (suspension bridge) • Kết cấu chịu lực chủ yếu dây võng (cáp chủ) • Vượt nhịp lớn; thi công cản trở • Chịu tải động đất tốt • Thay mặt cầu • Phương thức chịu lực vs cầu vòm? • Phân loại: Self-anchored (tự neo) neo Cầu Nhật Tân, Việt Nam ( 150+4*300+150, 2015) 23 24 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu treo dây võng (suspension bridge) Cầu treo dây võng (suspension bridge) 25 I Phân loại – theo cách thức chịu lực Akashi-Kaikyo Bridge, Japan ( main span 1991 m), dài giới 26 I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu treo dây võng (suspension bridge) Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge) • Dầm trụ (hoặc mố) liên kết cứng với nhau, làm việc • Là cầu lai cầu dầm cầu vòm • Loại nhịp phân thành kiểu cổng hay kiểu chân xiên • Loại nhiều nhịp có cầu liên tục không liên tục Cầu Thuận Phước, Việt Nam ( nhịp 405 m, 2009, dài Việt Nam) 27 28 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge) Sfalassa bridge ( span 376 m) World longest rigid frame bridge Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge) 29 I Phân loại – theo cách thức chịu lực Jiang han bridge, China ( span 176 m) Chinese longest 30 I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu thép hệ liên hợp Cầu thép hệ liên hợp • Do hay nhiều loại kết cấu tạo thành • Có loại chủ yếu như: (1) Dầm vòm kết hợp; (2) dầm dây treo; (3) dầm dây văng; (4) dây treo dây văng 31 Dầm vòm kết hợp 32 08/03/2016 I Phân loại – theo cách thức chịu lực I Phân loại – theo cách thức chịu lực Cầu thép hệ liên hợp Cầu thép hệ liên hợp Dầm dây treo kết hợp Dầm dây văng kết hợp 33 34 II Lịch sử phát triển I Phân loại – theo cách thức chịu lực Tổng quan phát triển Cầu thép hệ liên hợp Dây treo dây văng kết hợp 35 • Từ năm 1820, đầu máy nước đời, đường sắt bắt đầu phát triển, cầu đường sắt phát triển từ Động đốt ô tô đời sau đầu máy xe lửa, cầu thép đường đời sau cầu đường sắt • Trước vật liệu thép đời, cầu làm gỗ, gạch, đá, gang (cast iron) Những cầu thép thời kỳ đầu làm gang sắt rèn (wrought iron) • 1870, thép xuất hiện, từ 1890 ứng dụng nhiều • Từ 1930, đường phát triển, cầu nhịp lớn đường sắt bị vượt nhịp cầu đường Từ sau chiến thứ 2, Đức Nhật xây dựng nhiều sau chiến tranh Lý thuyết thiết kế, kỹ thuật chế tạo hoàn thiện 36 08/03/2016 II Lịch sử phát triển II Lịch sử phát triển Các giai đoạn phát triển Một số công trình tiêu biểu 2.1 Trước 1890 • Nhịp 100 ft (30.5 m) • Chủ yếu cầu sắt, dùng vật liệu gang sắt rèn chủ yếu • Xây dựng 1777-1779 • Lýthuyết thiết kế sơ khai, chưa có tiêu chuẩn, chủ yếu dựa kinh nghiệm Sự cố nhiều (trung bình vụ/ năm) i.e.: cầu Ashtabulam, US, va chạm mỏi, sập năm 1877, chết 92 người Cầu Tay River, UK, sập năm 1879, chết 75 người • Sử dụng 400 sắt • Tạo thành vòm sắt hình bán nguyệt • Thiết kế theo nguyên lýcủa cầu đá • Cầu sắt xây dựng năm 1777 (coalbrookdale bridge) Nay sử dụng cho số giao thông nhẹ người 37 38 II Lịch sử phát triển II Lịch sử phát triển Một số công trình tiêu biểu Một số công trình tiêu biểu • Royal Abert bridge, UK (xây dựng: 1854-1859) • Tổng chiều dài: 666.8 m • Nhịp chính: 138.7 m • Liên hợp: Vòm + Võng + dàn+ dầm • Forth bridge, UK (xây dựng: 1882-1890) • Tổng chiều dài: 2528.7 m • Thiết kế, thi công theo nguyên lýcầu dầm hẫng (cantilever) 39 40 10 CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.4 Các bước thiết kế Tính momen lớn tác dụng lên (4.6.2.7.1-2) WLb2 Mw  10 Kiểm tra US biên theo phương ngang fl  M w Sx CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.4 Các bước thiết kế Tính tổng lực ngang tác dụng lên hệ lk ngang Tính phần lực ngang tác dụng lên phần dầm ( bao gồm ½ chiều cao dầm phần lan can, BMC…) Pw,top Tổng lực ngang tác dụng lên hệ LK ngang: F  Pw,bot  Pw,top Giả thiết kích thước hệ lk ngang -Có thể tùy chọn tiết diện chữ C (đơn giản hơn), chữ I Với chiều cao không nhỏ ½ dầm chủ CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.4 Các bước thiết kế Tính sức kháng dọc trục (6.9.3) Giả thiết cấu kiện thứ yếu, liên kết khớp (pin-ended) đầu: CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.4 Các bước thiết kế Trong đó: Q hệ số triết giảm độ mảnh (A 6.9.4.2) Nếu Q =1 ( k =1.49) CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.2 Tải trọng tác dụng : Vídụ tính toán: Cho kc LH Như hình vẽ CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.2 Tải trọng tác dụng : Vídụ tính toán: Biết: k/c dầm 2286 mm; khoảng cách hệ LK ngang 3810 mm; hệ số tải trọng tính lực gió 1.4; hệ số điều chỉnh tải trọng lấy 1; E = 210 Gpa; Fy = 345 Mpa Thiết kế hệ LK ngang trung gian; sử dụng cấu kiện chữ C CHƢƠNG : HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU THÉP V.5 Hệ liên kết ngang : V.5.2 Tải trọng tác dụng : Vídụ tính toán: Biết: k/c dầm 2286 mm; khoảng cách hệ LK ngang 3810 mm; hệ số tải trọng tính lực gió 1.4; hệ số điều chỉnh tải trọng lấy 1; E = 210 Gpa; Fy = 345 MPa Sử dụng hệ liên kết ngang tiết diện chữ C (MC 18 x 42.7) có thông số hình học sau: d = 457.2 mm; A = 8129 mm2; tw = 11.4 mm; T (chiều dài bụng) = 384.2 mm; rx = 168.7 mm; ry = 27.2 mm ... (Girder bridge) Cầu dầm (Girder bridge) (1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge) (1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge) Dầm hộp thép với mặt cầu trực giao Cầu dầm hộp thép mặt cầu liên hợp... chịu lực Cầu thép hệ liên hợp Cầu thép hệ liên hợp Dầm dây treo kết hợp Dầm dây văng kết hợp 33 34 II Lịch sử phát triển I Phân loại – theo cách thức chịu lực Tổng quan phát triển Cầu thép hệ... thiết kế cầu thép phát triển mạnh 1923, nước Anh thành lập hội học cầu, sâu nghiên cứu vấn đề trội tk cầu 1929 ứng suất cho phép tăng 12% 1926, Đức có tiêu chuẩn kết cấu thép • 1931, Mỹ xây cầu