Bài giảng lập các phương án cầu

Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu Bài giảng lập các phương án cầu

CHƯƠNG 1:

KHÁI NIỆM VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG

1.1 CÁC LOẠI CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG:

- Khái niệm: Là một kết cấu do con người xây dựng trên đường cho phép vượt quacácchướng ngại vật để đảm bảo giao thông

- Công trình nhân tạo trên đường bao gồm:

+ Công trình vượt sông, suối, thung lũng,…: Cầu, hầm

Hình 1.1c: Cầu Nanpu (Trung Quốc) Hình 1.1b: Cầu Bixby (Hoa kỳ)

1.1.2 Các công trình thoát nước nhỏ:

- Đường tràn là công trình có mặt đường nằm sát cao độ đáy sông, vào mùa mưanướcchảy tràn qua mặt đường nhưng xe cộ vẫn đi lại được Có thể đặt cống bên dưới

để thoát nước

Hìn Hình 1.2b: Công trình đường tràn trong thực tế.

- Cầu tràn là công trình được thiết kế dành một lối thoát nước dưới đường, đủ đểdòng chảy thông qua với một lưu lượng nhất định Khi vượt quá lưu lượng này, nước sẽtràn qua đường

- Áp dụng: Cho những dòng chảy có lưu lượng nhỏ và trung bình tương đối kéodài trong năm

- Cống là công trình thoát nước chủ yếu qua các dòng nước nhỏ, có lưu lượng nhỏ (Q

≤40÷50 m3/s)

- Quy định: Chiều dày lớp đất đắp trên đỉnh cống ≥ 0.5m để phân bố áp lực bánh xe vàgiảm lực xung kích.

Hình 1.6b: Hầm Hải Vân (Việt Nam).

- Hầm vượt sông, eo biển: Khi vượt qua các sông lớn, các eo biển sâu, việc xây dựng trụcầu khó khăn hoặc cầu quá cao, khi đó ta có thể làm hầm

-Hình 1.7: Hầm Thủ Thiêm (Việt Nam).

- Hầm giao thông trong lòng đất: Trong các thành phố đông dân cư để đảm bảogiao thông nhanh chóng, có thể xây dựng các hầm cho người, xe cộ hoặc tàu điện đi qua

-Hình 1.8a: Mô hình hầm giao thông trong lòng đất.

Hình 1.8b: Công trình hầm giao thông trong lòng đất

Hình 1.8c: Mô hình xây dựng tàu điện ngầm ở Hà Nội trong tương lai.

- Hầm vượt đường (hầm chui): Tại các nút giao ta có thể xây dựng hầm chui

Hình 1.9: Công trình hầm vượt đường.

1.2 CÁC BỘ PHẬN VÀ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA CẦU:

1.2.1 Các bộ phận của công trình cầu:

- Công trình cầu bao gồm: Cầu, đường dẫn vào cầu, các công trình điều chỉnh dòngchảy và gia cố bờ sông

- Cầu bao gồm: Kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới

+ Kết cấu phần trên: Kết cấu nhịp

Tác dụng: Tạo ra bề mặt cho xe chạy và cho người đi bộ trên cầu, đảm bảo xe chạy êmthuận và an toàn trong quá trình chuyển động

+ Kết cấu phần dưới: Mố cầu, trụ cầu, nền móng

Tác dụng: Đỡ kết cấu phần trên và truyền tải trọng từ kết cấu phần trên xuống đất nền.Kết cấu phần dưới thường chiếm (40 ÷60)% tổng giá thành xây dựng công trình.

Hìn

h 1.10: Các bộ phận của cầu.

- Ngoài ra còn có các kết cấu phụ trợ khác như: Lớp phủ mặt cầu, lan can, hệ thống thoát nước,gối cầu, khe co giãn, …

1.2.2 Các kích thước cơ bản của cầu:

Hình 1.11: Các kích thước cơ bản của cầu.

- Các chiều dài cầu:

+ Khẩu độ thoát nước dưới cầu (L0):Là khoảng cách tính từ mép trong mố bên này đến méptrong của mố bên kia Khẩu độ thoát nước dưới cầu được xác định trên cơ sở tínhtoánthủy văn dưới cầu theo tần suất thiết kế P%, đảm bảo sau khi xây dựng cầu không phátsinh ra hiện tượng xói chung và xói cục bộ quá lớn hoặc không tạo nên mực nước dềnh quálớn trước cầu

+ Chiều dài nhịp (Lnh): Là khoảng cách tính từ đầu dầm bên này đến đầu dầm bên kia.+ Chiều dài nhịp tính toán (Ltt): Là chiều dài đoạn dầm mà tại đó biểu đồ mômen không đổidấu

+ Chiều dài toàn cầu (Lcau): Là chiều dài tính từ đuôi mố bên này đến đuôi mố bên kia

Trong đó:

•Lnh: Là chiều dài của một nhịp

•a: Khe hở giữa các đầu dầm

•Lmo: Chiều dài của mố cầu

- Các chiều cao thiết kế cầu:

+ Mực nước thấp nhất (MNTN): Là mực nước thấp nhất xuất hiện trên sông ứng với tần suất lũthiết kế P%

Dựa vào MNTN để biết vị trí chỗ lòng sông nước sâu trong mùa cạn, căn cứ vào đó để xácđịnh vị trí các nhịp thông thuyền

Ngoài ra còn xác định cao độ đỉnh bệ móng của trụ giữa sông

Mực nước cao nhất và mực nước thấp nhất được xác định theo các số liệu quan trắcthủy văn về mực nước lũ, được tính toán theo tần suất P% quy định đối với các cầu và đườngkhác nhau

+ Mực nước thông thuyền (MNTT): Là mực nước cao nhất cho phép tàu bè đi lại dưới cầu antoàn Dựa vào MNTT và chiều cao thông thuyền để xác định cao độ đáy dầm Theo Tiêu chuẩn22TCN18-79, tần suất thiết kế để tính MNCN, MNTN cho cầu vừa, cầu lớn là 1%, MNTT

+ Cao độ đáy dầm phải cao hơn hoặc bằng MNTT cộng với chiều cao thông thuyền

+ Đỉnh xà mũ của mố trụ phải cao hơn MNCN tối thiểu là 0.25m

1.3 PHÂN LOẠI CẦU:

1.3.1 Phân loại theo mục đích sử dụng:

Tùy theo mục đích sử dụng, có thể phân thành các loại cầu:

- Cầu ôtô: Là công trình cầu cho tất cả các phương tiện giao thông trên đường ôtô như: xetải, xegắn máy, xe thô sơ và đoàn người bộ hành,

- Cầu đường sắt: Được xây dựng dành riêng cho tàu hỏa

- Cầu đi bộ: Phục vụ dành riêng cho người đi bộ

- Cầu thành phố: Là cầu cho ô tô, tàu điện, người đi bộ,

- Cầu chạy chung: Là cầu cho cả ô tô, xe lửa, người đi bộ,

- Cầu đặc biệt: Là các cầu phục vụ cho các ống dẫn nước, ống dẫn khí,

1.3.2 Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp:

- Cầu gỗ

- Cầu đá

- Cầu bê tông

- Cầu bê tông cốt thép

- Cầu thép

1.3.3 Phân loại theo chướng ngại vật:

- Cầu thông thường (vượt sông): Là các công trình cầu được xây dựng vượt qua các dòng nướcnhư: sông, suối, khe sâu,

Hìn

h 1.12a: Mô hình cầu thông thường.

Hình 1.12b: Công trình cầu thông thường.

- Cầu vượt (cầu qua đường): Là các công trình cầu được thiết kế cho các nút giaonhaukhác mức trên đường ôtô hoặc đường sắt

Hì

nh 1.13a: Mô hình cầu vượt đường.

h 1.13b: Công trình cầu vượt đường.

- Cầu cạn: Là các công trình cầu được xây dựng ngay trên mặt đất để làm cầu dẫn vào cầu chínhhoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng không gian bên dưới

Hình 1.15b: Công trình cầu cao.

- Cầu phao: Là các công trình cầu được xây dựng bằng hệ nổi nhằm phục vụ cho mục đích quân

sự hoặc phục vụ giao thông trong một thời gian ngắn

Hìn

h 1.16a: Mô hình cầu phao.

Hìn

h 1.16b: Công trình cầu phao.

- Cầu mở: Cầu mở là cầu có 1 hoặc 2 nhịp sẽ được di động khỏi vị trí để tàu bèqua lại trong khoảng thời gian nhất định

- Có các loại cầu mở sau:

+ Cầu cất: KCN có thể mở về 1 phía hoặc 2 phía theo góc 700÷800 so với phương nằm ngang

Hình 1.17a: Mô hình cầu cất.

Hình 1.17b: Công trình cầu cất.

+ Cầu nâng: KCN được nâng hạ theo phương thẳng đứng

Hình 1.18a: Mô hình cầu nâng.

Hình 1.18b: Công trình cầu nâng.

+ Cầu quay: KCN quay trên mặt bằng một góc 900

Hình 1.19a: Mô hình cầu quay.

h 1.19b: Công trình cầu quay.

1.3.4 Phân loại theo cao độ đường xe chạy:

Tùy theo việc bố trí cao độ đường xe chạy, có thể phân thành:

- Cầu có đường xe chạy trên: Khi đường xe chạy đặt trên đỉnh kết cấu nhịp

Hình 1.20: Cầu có đường xe chạy trên.

- Cầu có đường xe chạy dưới: Khi đường xe chạy bố trí dọc theo biên dưới KCN

Hình 1.21: Cầu có đường xe chạy dưới.

- Cầu có đường xe chạy giữa: Khi đường xe chạy bố trí giữa phạm vi của KCN

1.3.5 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học:

- Sơ đồ dầm giản đơn:

+ Phân bố nội lực: Biểu đồ momen chỉ códấu (+) và giá trị lớn nhất tại giữa nhịp

+ Phân bố vật liệu: Vật liệu tập trung chủyếu ở khu vực giữa nhịp do đó nội lực dotĩnhtải lớn, dự trữ khả năng chịu hoạt tải kém nênkhả năng vượt nhịp thấp

Hình 1.23 Sơ đồ dầm giản đơn.

Hình 1.25 Sơ đồ dầm hẫng nhịp đeo.

+ KCN có dầm đeo thường khai thác không êm thuận, lực xung kích lớn, khe co giãnphải cấu tạo phức tạp do đó hiện nay ít dùng

- Sơ đồ dầm liên tục:

Hình 1.26 Sơ đồ dầm liên tục.

+ Giá trị M(-) tại mặt cắt gối lớn hơn M(+) ở mặt cắt giữa nhịp do đó phát huy được hếtkhả nănglàm việc của vật liệu

+ Kết cấu liên tục còn giảm được số lượng khe co giãn trên cầu, do đó đảm bảo êmthuận cho xe chạy

+ Khả năng vượt nhịp:

•KCN dầm thép: L ≤ 90m

•KCN dàn thép: L ≤ 120m

•KCN dầm BTCT DƯL: L ≤ 150m

•KCN cầu treo, cầu dây văng: L≈ 150 ÷ 450m

1.3.6 Phân loại theo sơ đồ cấu tạo:

- Cầu dầm:

+ Bộ phận chịu lực chủ yếu là dầm, làm việc chịu uốn

+ Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng tại gối chỉ phát sinh phản lực thẳng đứng V

Hình 1.27a Mô hình KCN cầu dầm.

Hình 1.27b Công trình cầu dầm.

- Cầu vòm:

+ Bộ phận chịu lực chủ yếu là vòm, vòm làm việc chịu nén và chịu uốn

+ Phản lực gối ở vòm (trong vòm không chốt) gồm có lực thẳng đứng V, momen uốn M vàlực đẩy ngang H

+ Nếu có thanh giằng để chịu lực đẩy ngang H thì phản lực gối của vòm sẽ chỉ gồmphản lực thẳng đứng V giống như cầu dầm Khi đó ta có hệ thống cầu dầm - vòm tổhợp

Hình 1.28b Công trình cầu vòm.

- Cầu dàn:

+ Kết cấu chịu lực chính của kết cấu nhịp cầu dàn là các mặt phẳng dàn, với các thanhdànchỉ chịu lực dọc trục (kéo hoặc nén) Chiều cao dàn lớn nên khả năng chịu lực vàvượtnhịp của kết cấu nhịp cầu dàn lớn hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm

Nhược điểm chính củakết cấu nhịp cầu dàn là cấu tạo và thi công phức tạp

+ KCN cầu dàn thường áp dụng cho các cầu chịu tải trọng lớn như cầu đường sắt

+ Trụ và dầm được liên kết cứng với nhau để chịu lực.

+ Phản lực gối gồm có phản lực thẳngđứng V và lực đẩy ngang H, nếu chân khung liênkết khớp thì sẽ không có momen M

Hình 1.30a Mô hình KCN cầu khung.

Hìn

h 1.30b Công trình cầu khung.

- Cầu treo:

h 1.31a: Mô hình KCN cầu dây văng Hình 1.31b: Công trình cầu dây văng.

•Cầu treo dây võng (cầu treo): Trong cầu treo, dây làm việc chủ yếu chịu kéo và tại chỗ neo cáp

có phản lực thẳng đứng (lực nhổ) và phản lực ngang rất lớn do đó trong kết cấunhịp cầu treo tại vịtrí mố ta phải cấu tạo hố neo rất lớn và rất phức tạp

Hình 1.32a: Mô hình KCN cầu treo dây võng.

Hình 1.32b: Công trình cầu treo dây võng.

1.4 CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN ĐỐI VỚI CẦU:

1.4.1 Yêu cầu về mặt xây dựng và khai thác:

- Đảm bảo xe chạy thuận tiện, an toàn và không bị giảm tốc độ trên tuyến đường

- Chiều rộng đường xe chạy phải phù hợp với lưu lượng và loại xe tính toán Mặt cầu tốt, bằngphẳng, đủ độ nhám và thoát nước nhanh chóng

- Sơ đồ cầu, chiều dài nhịp và chiều dài cầu phải đảm bảo khẩu độ thoát nước yêu cầu, tàu bè đilại dưới sông thuận lợi và an toàn

- Kết cấu cầu phải đảm bảo khả năng thi công, phù hợp với các công nghệ thi công.Cầu phải có kết cấu hiện đại, đảm bảo tính công nghiệp hóa trong chế tạo và xây dựng.Đồng thời kết cấu phải có đủ độ bền, độ cứng, độ ổn định của toàn cầu và của từng bộ phận

1.4.2 Yêu cầu về mặt kinh tế:

- Đảm bảo chi phí thiết bị, vật liệu rẻ nhất, giảm sức lao động, giảm giá thành xâydựng đến mức tối đa

- Khi tính giá thành của công trình cầu, phải xét đến giá thành duy tu, sửa chữa; đồng thới phảitính đến sự phát triển của nền kinh tế quốc dân khi lựa chọn các phương án cầu

1.4.3 Yêu cầu về mặt mỹ quan:

Cầu phải có hình dáng đẹp, phù hợp với quang cảnh địa phương đặc biệt là các công trìnhnằmtrong thành phố hoặc các khu danh lam thắng cảnh, di tích lịch sử

1.4.4 Yêu cầu về mặt an ninh quốc phòng:

Ngoài mục đích giao thông còn phải xét đến tính thiết thực cho các hoạt động an ninhquốc phòng Khi có chiến tranh bất chợt xảy ra thì các cây cầu có thể chuyển sangphục vụ cho các loại xe đặc chủng của quân đội

1.5 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN NGÀNH XÂY DỰNG CẦU:1.5.1 Sơ lược lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu:

1.5.1.1 Cầu gỗ:

- Cầu gỗ là loại cầu được xây dựng lâu đời nhất

- Gỗ là loại vật liệu tự nhiên tương đối tốt, tuy nhiên khi dùng trong xây dựng cầu thì phảichọnloại gỗ tốt như lim, gụ, sến, táu… và phải có biện pháp phòng mục

Hình 1.33: Cầu gỗ.

1.5.1.2 Cầu đá:

- Được xây dựng từ hàng ngàn năm về trước, đến ngày nay vẫn tồn tại và sử dụng được

- Hầu hết cầu đá được xây dựng theo dạng cầu vòm để phù hợp với tính chất chịu nén củađá

- Cầu vòm đá có thể vượt khẩu độ nhịp đến 100m

- Cầu đá xây dựng khó khăn nên ít có khả năng xây dựng công nghiệp hoá

- Hiện nay chỉ áp dụng ở các vùng miền núi, nơi có thể khai thác đá trực tiếp tại chỗ hoặcđể làmcác công trình kiến trúc nghệ thuật ở những danh lam thắng cảnh

Hình 1.34: Cầu đá.

1.5.1.3 Cầu thép:

- Cầu thép xuất hiện vào nửa cuối của thế kỷ 19

- Cầu kim loại đầu tiên được làm bằng gang, tiếp đến là sự ra đời của cầu treo dây xích

- Để vượt qua các sông rất lớn với nhịp rất lớn, người ta dùng cầu thép

- Ưu điểm nổi bật của cầu thép là hoàn toàn công nghiệp hoá chế tạo và lắp ráp, dễdàng lắp ráp bằng phương pháp hẫng do đó dễ xây dựng qua sông sâu, thung lũng sâu và quasông có nhiều tàu bè đi lại

- Nhược điểm của cầu thép là gỉ, do đó tốn công bảo dưỡng

- Sự ra đời và phát triển của cầu vòm và cầu dây văng đang là bước tiến mới của cầu thép.

Hình 1.35: Cầu thép.

1.5.1.4 Cầu bêtông cốt thép:

- Cuối thế kỷ 19, trong xây dựng cầu đã sử dụng một loại vật liệu mới là BTCT

- Trong giai đoạn đầu, các cầu BTCT thường có dạng cầu bản, dầm và vòm có khẩu độnhỏ hơn 30m

- Đến những năm 30 của thế kỷ 20, sau khi kỹ sư Freyssinet nghiên cứu thành công BTCT ứngsuất trước thì cầu BTCT bắt đầu phát triển mạnh mẽ

- Sau đại chiến thế giới lần thứ 2, các kết cấu nhịp lắp ghép, kết cấu bán lắp ghép bằngBTCT DƯL được sử dụng hàng loạt

- Hiện nay, cầu BTCT ngày càng được phát triển mở ra kỷ nguyên mới trong việc sử dụng KCNBTCT thay thế cho KCN cầu thép Cầu BTCT đã vượt được khẩu độ đến 200÷300m và sự hìnhthành các kết cấu liên hợp như dàn - dây, dầm - dây, … chắc chắn sẽ xuất hiện nhữngcây cầu cókhẩu độ nhịp lớn hơn 400÷500m

Hình 1.36: Cầu bêtông cốt thép.

Lịch sử phát triển ngành cầu Việt Nam:

- So với các nước trên thế giới, ngành xâydựng cầu Việt Nam vẫn cònnon trẻ Trước cách mạng tháng 8, trên các tuyến đường ôtô chủ yếu có các cầuBTCT nhịp nhỏ từ 3 - 20m, khổ hẹp, một làn xe, tải trọng nhỏ thuộc các hệthống cầu bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, khung

- Từ năm 1975 đến nay chúng ta đã xây dựng hàng loạt các cầu mới trên tuyếnđườngsắt và ôtô Sau đây là một số cầu điển hình:

+ Cầu Thăng Long qua sông Hồng cho đường sắt và ôtô được xây dựng xongnăm1982, các nhịp chính là dàn thép liên tục, nhịp lớn nhất 112m, cầu dẫn là các nhịp dầmgiảnđơn BTCTDUL nhịp 33m, chiều dài toàn cầu 1680m

Hình 1.37: Cầu Thăng Long (Hà Nội).

+ Cầu Chương Dương qua sông Hồng (1985), có các nhịp chính là dàn thép, nhịp lớn nhất97.6m, chiều dài toàn cầu 1211m

+ Cầu Đò Quan (Nam Định), năm 1994, nhịp chính là dầm thép liên hợp bản BTCT, liên tục, có

sơ đồ 42 + 63 + 42 (m)

Hình 1.38: Cầu Chương Dương (Hà Nội) Hình 1.39: Cầu Đò Quan (Nam Định).

+ Cầu Phú Lương (Hải Dương), năm 1996, cầu khung dầm BTCTDUL, thi công bằngphương pháp đúc hẫng, nhịp lớn nhất 102m.

+ Cầu Sông Gianh (Quảng Bình), năm 1998, dầm liên tục BTCTDUL có nhịp lớn nhất120m

Hình 1.40: Cầu Phú Lương (Hải Dương) Hình 1.41: Cầu Sông Gianh (Quảng Bình).

Hình 1.42: Cầu Hiền Lương (Quảng Trị) Hình 1.43: Cầu Bính (Hải Phòng).

+ Cầu Hoàng Long (Thanh Hóa), cầu khung dầm BTCTDUL có nhịp lớn nhất 130m

+ Cầu Hiền Lương (Quảng Trị), năm 1999, sơ đồ 30.75 + (4x42) + 30.75 (m)

+ Hàng loạt các cầu dây văng đã được xây dựng như: Cầu Đakrông (Quảng Trị), cầuquay SôngHàn (Đà Nẵng), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long), cầu Bính (Hải Phòng), cầu Bãi Cháy(Quảng Ninh),cầu Cần Thơ, …

1.5.2 Một số xu hướng phát triển khoa học kỹ thuật trong ngành xây dựng cầu:

1.5.2.1 Về vật liệu:

- Các loại vật liệu có cường độ cao sẽ sớm được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu:

Bêtông mác cao, bê tông siêu dẻo có cường độ sớm, thép cường độ cao, thép hợp kim thấp

- Để giảm trọng lượng bản thân kết cấu, đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng các loại vậtliệunhẹ, hợp kim nhôm, bê tông cốt thép hoặc sợi thuỷ tinh, …

1.5.2.2 Về kết cấu:

Các kết cấu hợp lý sẽ được áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu như:

- Kết cấu thép - BTCT liên hợp, BTCT DƯL, …