Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm

Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm Giáo trình thiết kế cầu bê tông cốt thép lê đình tâm

Trang 1

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1.ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP :

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, hơnnữa 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

cauduong.edu.vn

Trang 2

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com _ 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

1.2.TÓM TẮT SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP :

Bê tông bắt đầu được sử dụng trong xây dựng từ khi xi măng pooclang ra đời, khoảng những năm

20 của thế kỷ XIX

Thoạt đầu bê tông không cốt thép được sử dụng trong kết cấu chủ yếu chịu nén như móng mố trụ cầu, cầu vòm thay cho đá trước đây

Dần dần phát sinh ý tưởng tăng cường khả năng chịu uốn bằng cách bố trí cốt thép vào các khu vực chịu kéo do uốn Ngay từ khoảng thế kỷ XVI-XVII khi xây dựng các nhà thờ, lâu đài và lăng tẩm, ở Châu âu đã biết đặt các thanh thép chịu kéo vào các khối đá xây

Cuối thế kỷ XVIII đầu thế kỷ XIX cốt thép đã dùng trong kết cấu đá xây vào nhiều công trình xây dựng như mái nhà, tháp cầu treo và trong các đập thủy lợi…

Ứng dụng của BTCT là vào khoảng những năm 50 của thế kỷ XIX khi Anh, Mỹ và Pháp công bố các phát minh sáng chế Trong đó Monier một kỹ sư người Pháp đã dùng BTCT để chế tạo các bình chứa nước, bản và cuối cùng là cầu (1867-1873)

Năm 1875-1877, lần đầu tiên Monier dùng BTCT trong xây dựng cầu, đó là chiếc cầu vòm bản nhịp 16m rộng 4m dùng cho người đi bộ

Tuy đạt được kết quả bước đầu, nhưng thời kỳ này vật liệu thép đang thịnh hành trong xây dựng cầu,BTCT còn thiếu các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm nên chưa được áp dụng rộng rãi mà chỉ được dùng cho các kết cấu khối lớn chủ yếu chịu nén như móng, mố trụ và tháp cầu treo

Vào cuối thế kỷ XIX, hai giáo sư Ba-u-chin-gơ (Đức) và Be-le-lút-ski (Nga) (1886-1891) đã nghiên cứu tính chất cơ lý của BTCT, đã tiến hành nhiều thí nghiệm cho các công trình bản, dầm, vòm, bình chứa, xilô chứa ngũ cốc và cầu vòm nhịp tới 17m

Sau khi đã cò được các số liệu nghiên cứu lý thuyết, BTCT bắt đầu được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng cầu và các công trình dân dụng khác

Cầu BTCT vào cuối thế kỉ XIX hầu hết dưới dạng bản nhịp nhỏ hoặc vòm và cống, chủ yếu là các cầu vòm đặc theo dạng các cầu vòm đá cũ nên chưa đạt được hiệu quả kinh tế đáng kể do chưa tận dụng triệt để cốt thép trong bộ phận chịu uốn

Lý thuyết và thực nghiệm về BTCT chịu uốn được Gen-ne-bik (người Pháp) và Me-lan (người Áo) phát triển vào cuối thế kỉ XIX

Năm 1882 lần đầu tiên Gen-ne-bik áp dụng BTCT vào khung nhà và đã sử dụng tính làm việc không gian của BTCT Điều này cho phép triệt để sử dụng cường độ của bê tông và cốt thép, chuyển từ kết cấu bản và vòm sang kết cấu khung dầm có sườn, giảm trọng lượng bản thân kết cấu, nâng cao hiệu quả kinh tế và áp dụng cho các nhịp lớn hơn

Đồng thời với kết cấu BTCT mềm hệ Gen-ne-bik, cũng bắt đầu xuất hiện các cầu giàn BTCT cứng, trong đó cốt thép là một giàn thép hình (do Me-lan đề xuất) Cốt thép cứng có khả năng thay cho dàn giáo đỡ ván khuôn Bê tông cốt cứng được ứng dụng rộng rãi ở Mỹ

Sang đầu thế kỉ XX, BTCT trở thành loại vật liệu chính trong xây dựng cầu và lý thuyết tính toán kết cấu BTCT theo ứng suất cho phép cũng đã chính thức được công bố mà hiện nay nhiều nơi vẫn còn sử dụng

Thập kỉ đầu tiên của thế kỉ XX nhiều cầu hệ dầm và khung có sườn được xây dựng trên đường ôtô có nhịp đạt 20 – 25m

cauduong.edu.vn

Trang 3

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Năm 1908 ở Nga đã xuất hiện Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu BTCT Năm 1911 xuất bản giáo trình Cầu Bêtông cốt thép Những tài liệu góp phần thúc đẩy quá trình áp dụng BTCT trong xây dựng cầu

Năm 1935 đã xây dựng chiếc cầu vòm sườn cho 4 đường xe lửa nhịp 116m qua sông Maxcova

Năm 1937 xây chiếc cầu vòm BTCT có thanh kéo trên đường ôtô ở Saint-Peterbourg

Khoảng giữa 2 cuộc chiến tranh thế giới thứ nhất và thứ hai, cầu BTCT phát triển mạnh ở Pháp, Đức, Mỹ và các nước Châu Âu Ở Pháp thời kỳ này đã xây dựng thành công chiếc cầu vòm ba nhịp đường xe chạy trên, mỗi nhịp 186m ở Brest, cầu Stockhon nhịp 181m và cầu qua sông Es-la

ở Tây Ban Nha nhịp tới 205m

Ngoài các cầu vòm dạng cổ điển đường xe chạy trên theo kiểu cầu vòm đá cũng đã xuất hiện cầu vòm đường xe chạy dưới và ở Pháp đã xuất hiện cầu vòm đường xe chạy giữa qua sông Sen nhịp tới 161m

Ở Pháp thời kỳ này cũng đã đạt được nhiều thành tựu về kết cấu dầm Chiếc cầu dầm hẫng tiết diện hộp nhịp 78m đã được xây dựng thành công qua sông Sen ở Vin-nhep và cầu dạng dàn hẫng

ở I-vre nhịp 134m

Năm 1920 Freysinet, một chuyên gia người Pháp sáng chế ra bêtông dự ứng lực Từ đó và đặc biệt sau đại chiến thế giới lần 2, cầu bêtông dự ứng lực phát triển mạnh mẽ ở các nước Pháp, Đức và các nước chịu ảnh hưởng của chiến tranh

Do nhu cầu khôi phục giao thông sau chiến tranh, do sự áp dụng rộng rãi bêtông dự ứng lực vào hệ dầm và khung và do tình hình kinh tế của các nước khác nhau nên phương hướng phát triển cầu BTCT cũng mang màu sắc khác nhau Ở Liên Xô cũ và các nước trong phe XHCN (trong đó có Việt Nam), cầu BTCT nhịp nhỏ và vừa chủ yếu phát triển theo hướng áp dụng kết cấu lắp ghép toàn phần, thực hiện công nghiệp hoá chế tạo, cơ giới hoá thi công, cực tiểu hoá khích thước tiết diện, tối ưu hoá kết cấu Về mặt thi công, giảm đến tối thiểu các mối ướt đổ bê tông tại hiện trường, thực hiện cách phân khối nhỏ, giảm thiểu kích thước và trọng lượng các khối vận chuyển và cẩu lắp Hầu hết các cầu bản, cầu dầm trên đường ôtô nhịp dưới 40m đều được xây dựng theo mô hình này

Ở phương Tây và Mỹ, đặc biệt ở Pháp và Đức kết cấu đúc tại chỗ được ưa dùng hơn, kết cấu lắp ghép chỉ được thực hiện dưới dạng liên hợp, trong đó dầm được lắp ghép để làm đà giáo đỡ ván khuôn đúc tại chỗ bản mặt cầu

Cùng với việc áp dụng BTCT vào xây dựng hàng loạt các cầu nhỏ trên đường ôtô và đường sắt, các cầu nhịp lớn bằng BTCT và bê tông dự ứng lực cũng được nghiên cứu áp dụng

Cầu vòm bê tông cốt thép được nghiên cứu dưới dạng vòm sườn hay vòm bảnđặc.Ví dụ về cầu vòm sườn xây dựng vào thời sau chiến tranh có thể kể như sau:cầu vòm nhiều nhịp ở

Nga(hình1.6),cầu vòm nhịp 224m qua sông Đơ-Nhiép( 1952),cầu vòm qua sông An-gẻ-man ở Bỉ nhịp 260m(1943)

Vào thời kì này ở các nước phương tây cầu vòm bêtông cốt thép cũng giảm kích thước và tải trọng bản thân,nhằm đạt các nhịp lớn hơn.Theo thiết kế của Freyssinet ở Phapd và Châu Aâu đã xay dựng cầu vòm có nhịp tới 150 m.Hình1.7 Thể hiện một cầu loại này,cầu có nhịp 150m được xay dựng qua sông Vtalva ở cộng hòa Séc

cauduong.edu.vn

Trang 4

Cuối thế kỷ XX khi bê tông dự ứng lục trở thanhd vật liệu chinbhs trong xây dựng cầu Cùng vơéi sự tiến bộ của cơ học,của lí thuyết phần tử hữu hạn,sự phát triển của máy tính điện tử,sụ phát triển của các phương pháp thi công móng sâu,móng cọc,móng cọc đường kính lớn,các kết cấu tĩnh định giảm dần,thay băàng các kết cấu không gian,nhiều tiếp đát.Nhiều kết cấu mới được phát minh,nhiề công nghệ thi công mới được áp dụng,kết cấu lắp ghép,bán lắp ghép,và đổ toàn khối,thi công đẩy,thi công hẫng đều đồng loạt phát triển và đạt được nhiều thành tựu to lớn mà chúng ta có thể tóm tắt theo mấy hướng chính như sau:

-Đối với cầu nhỏ và vừu (dưới 50 m):Tiếp tục hòn thiệ hệ dầm,lắp ghép bán lắp ghép,đổ toàn khối,thực hiện các hệ liên tục bán lien tục,lien tục nhiệt khung,giảm thiểu mối nối và khe co giãn,nâng coa phẩm chất khai thác,giảm

tối đa công tác bảo quản sửa chữa.Triệt để sử dụng kết cấu toàn khối,bản có lỗ vào cầu cong,các nút gaio thông trong thành phố

Điển hình cho việc lắp đặt dầm bêtông cốt thép lắp ghép là việ áp dụng rộng rãi giá lắp ba chân.(hình 1.8)

cauduong.edu.vn

Trang 5

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com -Đối với cầu cạn,cầu vượt ,cầu trong các nút giao,cầu cong,vấn đề thẩm mỹ cầu đã trở thành nhu cầu thiết kế.Hình 1.9 thể hiện nút giao thông đầu càu Oma ở thành phố Gorki thuộc Liên Xô cũ và hình1.10 là các dạng trụ cầu cạn trong thành phố được áp dụng

Hình 1.9 Nút đầu cầu ở thành phố Gorki

-Đối với các nhịp lớn thì thường áp dụngdầm và khung liên tục tiết diện ngang dạng hộp,kết cấu giàn với công nghệ thi công hẫng(lắp hẫng,đúc hẫng),công nghệ đẩy và đúc trên đà giáo

treo.Với kết cấu và công nghệ thi công nhủ trên,cầu bêtông dụ ứng lực đã áp dụng cho nhịp từ 50-250m

Hình 1.11 giới thiệu chiếc cầu cạn qua thung lũng Bu-a-vrở¬ Pháp thi công theo công nghệ đẩy năm 1970

Hình 1.12 giới thiệu chiếc cầu dầm liên tục tiết diện hộp thicông hẫng,nhịp chính 260m qua sông Brisbane ở Australia,xây dựng năm 1986

cauduong.edu.vn

Trang 6

Hình 1.11 Sơ đồ cầu thi công theo phương pháp đẩy

Cũng với kết cấu dầm đặc tiết diện hộp,ở Nga và Pháp đã phát triển kết cấu giàn rỗng liên tục.Trên hình 1.13alà một ví dụ về cầu loại này.Cầu được xây dựng trên sông Vonga,có sơ đồ nhịp [106+(3x166)+106] m và phàn cầu dẫn gồm 28 nhịp dầm bê tông dự ứng lực nhịp 70 m.Hình 1.3b htể hiện sơ đồ lắp ráp đoạn giữa nhịp bằng phao nổi

cauduong.edu.vn

Trang 7

cauduong.edu.vn

Trang 8

Hình 1.15 Cầu dây văng dầm cứng bằng bê tông dự ứng lực qua sông Main ở Đức (1971) Ngoài các hệ dầm khung,vòm,các hệ liên hợp treo cũng được nghiên cứu áp dụng,chiếc cầu dây vâưng có dàm cứng bê tông cốt thép được xay dựng đầu tiên năm 1925 qua sông Tem-Bun ở Tây Ban Nha theo sơ đồ (20,1+60,3+20,1) m.Sau đó vào khoảng những năm 60 của thế kỷ XX,do ảnh hưởng của các cầu dây văng được xây dựng ở Đức,dâmg cứng bêtông cốt thép đã được áp dụng để tham gia chịu nén \.Cầu dây văng hầu như đã thiết kế thay thế cho cầu gàin thép trên đường ôtô.Hàng loạt cầu dây văng hiện đại dầm cứng bê tông cốt thép đã được xây dựngNamư 1962 xây dựng cầu Ma-ra-cai-bô oỉ Vênêduêla có nhịp 235 m(hình 1.14) Năm 1971 xây dựng cầu qua sông Mian ở Đức có nhịp chính 300m (hình 1.15)Càu Brotone (Pháp) 1977,nhịp 320m một mặt phẳng dây ,dầm chủ bằng bbêtông cốt thép dự ứng lực tiết diện hộp thi công theo phương pháp lắp hẫng;năm 11991 cầu Scarsundet,ở Nauy,nhịp chính 530 m,dàm cứng bê tông dự ứng lực tiết diên hộp.Hiệ nay nước ta đang xây dựng cầu bãi cháy ở Quảng Ninh nhịp chính 435m,sẽ là kỷ lục về chièu dài nhịpcàu dây văng một mặt phẳng dây có dầm cứng bê tông côt thép Hình 1.16

Ngoài cầu dây văng thuần túy các nhà thiết kế còn áp dụng dàm cứng vào dầm treo,cầu bê tông cốt thép dự ứng lực có côt thép ngaòi,nâng cao trên tháp (Extradose)

Ơû Việt nam cầu bêtông cốt thép dẫ bắt đâu được ứng dụng từ thời Pháp thuộc dưới dạng các càu nhỏ (dưới 15m)khổ hẹp (4m) ,tải trọng nhỏ,hệ tĩnh định dạng mút thừa chủ yếu ở đồng bằng sông cửu long.Một số cầu lớn được xây dựng dưới dạng giàn vòmn nhịp 30m (cầu Tâb Thuân).Các cầu này hiện nay không đủ khả năng chịu mật độ và tải trọng hiện đại nên đã và đang được thay thế

Trong thời kìu chiến tranh,ở khu vực miền nam dẫ áp duụng hàng loạt các cây cầu bê tông cốt thép đức sẵn trên đường ôtô dưới ba dạng kết cấu:

-Dầm bê tông côt thép dự ứng lực đức sẵn dạng bụng ù nhịp 12.5 ;15 m;18.6m -Dầm bê tông dự ứng lực nhịp 25.4 m có cốt thép căng ngang

cauduong.edu.vn

Trang 9

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Đặc điểm của các loại cầu này là cầu phan thành nhiều khối,chiều cao thấp,trọng lượng nhỏ,vận chuyển và lắp ráp nhanh và đơn giản nhưng mối nối cáp căng ngang nhanh bị đứt và làm suy yếu cầu

-Loại thứ ba là kết cấu dầm bêtông dự ứng lực tiết diện I bán lắp ghép nhịp 25.4 mvà 33m.Riêng loại dầm I 33m được xây dựng sau khi đất nước được hoàn toàn giả phóng(năm 1975)

Ơû miền bắc cầu bê tông cốt thép và bê tông dự ứng lực thực sự được phát triển sau khgáng chién chống pháp.Chiếc cầu bê tông dự ứng lực được xây dựng đầu tiên tại Phủ lỗ năm 1962.Hàng loạt càu bê tông cốt thép đúc sẵn nhịp 24-25m,các câud bê tông dự ứng lực nhịp 33-42 mđược xây dựng trên hầu hết các tuyến đường ôtô.Đặc điểm của các câut hời kì nàymang ảnh hưởng rõ rệt cua trường phaí Nga:các cầu dầm có tiết

cauduong.edu.vn

Trang 10

cauduong.edu.vn

Trang 11

diện T đúc sẵn toàn phần ,mối nối khô hàn tại dầm ngang,hoặc mối nối ướt tại bản mặt cầu,kết cấu mảnh,không dầm ngang Để thuận tiện cho việc vận chuyển đã áp dụng phương pháp phân khối dọc và ngang.Đã áp áp dụng tiết diện hộp vào kết cấu khung dàm nhịp từ 60-70 mnhư càu Rào,càu Niệm ,cầu An Dương…Đặc điểm cảu các kết câu này là đều là hệ tĩnh định

Cầu bê tông cốt thep ở nước ta chỉ thực sự phát triển sau khi nươc ta thực hiện chính sách mở cửa,hòa nhậo vào thập niên cuối cùng của thế kỉ XX đầu XXI

Sau chính sách mở cửa quan điểm thiết kế chuyển theo hướng mới:

-Đặt mục tiêu chất lượng khai thấc,chất lượng và an toàn công trình lên hàng đầu thay cho tối ưu kinh tế

-Nâng cao độ tin cạy công trình bằng các hệ siêu tĩnh nhiều đường tiếp đất

- Aùp dụng các kết cấud mới và công nghệ thi công thich hợp (hinh vẽ) Theo quan điểm trên,cầu càu bê tông cốt thép đã được xây dựng hàng lạot theo các hướng sau:

a/Đối với các cầu nhỏ và trung (nhịp dưới 40 m):kết cấu lắp ghép tiết diện T cho các nhọp dưới

40 m tiếp tục được áp dụng;các kết cấu bán lắap ghép tiết diên I dùng cho các nhịp 20-30 m,để sử dụng rông rãi hơn;áp dunbgj các kết cấu lien tục nhiệt,bán lien tục và liên tục để nâng cao chất lượng khai thác;giảm công duy tu bảo quản.Bắt đầu áp dụng các cầu cong,cầu bản,càu dầm hộp trong các cầu vượt các nút giao.Trên hình 1.17 giới thiệu một cầu dầm bán lắp ghép thiết Iáp dụng trên quốc lộ I

b/Đối với các nhịp lớn (60-130) mđã dùng kết cáu dầm, khung liên tục bê tông dựï ứng lực tiết diên hộp thi công hẫng hoặc đẩy.Điển hình cho các loại cầu này có thể kể cầu Phú Lương,càu Gianh,Cầu Hiền Lương,cầu Phù Đổng,cầu Phả Lại,cầu Tân Đệ…

c/Các cầu đặc biệt lớn có thể kể : cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long )là cầu dây văng dầm cứng bê tông côt thép có nhịp chính 350 m(hình 1.19) cầu Kiền ở hải Phòng(nhịp 200 m)và hiện đang xây dựng cầu bãi Chạy nhịp chính dài 435 m

1.3.PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU BTCT

Trong các công trình giao thông trên đường ôtô thì cầu thuộc loại công trình phức tạp nhất vì có thể sử dụng nhiều phương án kết cấu, nhiều loại vật liệu, nhiều công nghệ xây dựng khác nhau

do đó cần luôn luôn xen xét nghiên cứu đưa khoa học kỹ thuật giải quyết các vấn đề thực tiễn trong nghành đặt ra

Nghiên cứu sự hình thành và phát triển cầu BTCT trong những năm gần đây nổi bật mấy hướng phát triển sau:

Hướng phát triển thứ nhất nhằm nâng cao chất lượng vật liệu (BTCT) Hiện nay người ta đã chế tạo được các loại BT có cường độ và phẩm chất cao, cường độ chịu nén có thể đạt 200 MPa, có tính chắt đặc chống thấm, các loại bêtông Polime, bêtông cốt sợi có cường độ chịu kéo cao

Về mặt cốt thép, hiện nay đối với cốt thép mềm (có cường độ chảy 400 MPa) dùng cho BTCT, vấn đề chủ yếu là chống ăn mòn Có thể nêu một số biện pháp chống ăn mòn cốt thép hiện nay: -Tạo lớp phủ mặt ngoài cốt thép Các lớp phủ có thể là mạ kẽm, phủ epốcxy Hiện nay Mỹ đã đưa vào sử dụng rộng rãi các loại cốt thép phủ êpốcxy

-Dùng thép không gỉ Vấn đề chế tạo thép không gỉ đã được nước Mỹ chế tạo thành công và đã được cho phép sử dụng vào cầu thép không sơn trong một số môi trường nhất định Thép không gỉ đang tiếp tục được nghiên cứu hoàn thiện

Aùp dụng bêtông và cốt thép phẩm chất cao (cường độ và tính chống thấm cao) làm giảm kích thước tiết diện ngang, giảm chiều dày lớp bảo vệ, giảm trọng lượng bản thân kết cấu, tăng chiều dài nhịp, giảm chi phí bảo quản sửa chữa, tăng tuổi thọ công trình

cauduong.edu.vn

Trang 12

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Trong lúc công nghệ chế tạo bêtông phẩm chất cao chưa được phổ biến rộng rãi và các tiêu chuẩn kỹ thuật chưa hoàn thành, với các vật liệu thông thường (bêtông cấp 28-70 MPa, cùng với cốt thép khoảng 1800 MPa) thì việc áp dụng BT DƯL là biện pháp hiệu quả về sử dụng thép cường độ cao, chống nứt, nâng cao phẩm chất công trình và vươn dài nhịp

Aùp dụng kết cấu BTCT DƯL thực chất làdùng cốt thép cường độ cao để biến bêtông từ một vật liệu chỉ chịu được nén trở thành vật liệu có khả năng chịu kéo và nén đều tốt Vậy BT DƯL là sự can thiệp của con người vào việc phân bố nội lực trọng hệ mà ta thường gọi là

“điều chỉnh nội lực” Khi xác định kích thước tiết diện của kết cấu BT DƯL, bằng biện pháp

thay đổi độ lệch tâm của bó cáp thì có thể không cần xét đến mômen do tải trọng bản thân,

hay còn nói “trong BT DƯL tĩnh tải được cho không”.Ví dụ, sau khi dung nội lực do hoạt tải, với tiết diện đã chọn ta xác định được lực căng cần thiết trong bó cốt thép là Pp’ để chịu thêm tính tải ta chỉ cần bố trí them độ lệch tâm e với độ lớn e= Mt/Pp Để bố trí bó cáp với độ lệch tâm e hoàn toàn là biện phaps không tốn kém

Cùng với bê tông dự ứng lực, nằm trong mục tiêu chung của ngành xây dựng cầu hiện đại là nâng cao phẩm chất khai thác, bảo đảm an toàn giao thong trên cầu, chú trọng tính thẩm mỹ, lien hợp về kết cấu, lien hiệp về vật liệu, có chỉ tiêu kinh tế kỹ thật tốt, vươn nhịp dài tiếp tục được nghiên cứu áp dụng Ví dụ kết cấu lien hợp dầm và dây trong cầu treo, cầu dây văng, những năm gần đây được phổ cập rộng rãi và đã hầu như hoàn toàn thay thế cho cầu giàn thép trên đường ô tô Các kết cấu lien hợp thường là hệ siêu tĩnh nhiều bậc, tạo độ dữ trữ an toàn khi chịu tải, tạo khả năng điều chỉnh theo hướng tối ưu hoá nội lực Nguyên tắc trong hệ treo, mô men jtrong dầm cứng được triệt tiêu, cũng hiện thực trong cầu dây văng

Về mặt tiết diện, chú trọng áp dụng các kết cấu không gian, đơn giản về chế tạo, hoàn thiện về chịu lực Một trong các tiết diện hiện đại đáp ứng được các phẩm chất trên là các tiết diện hộp Tiết diện hộp là tiết diện chịu nén uốn, xoắn đều tốt Khả năng chịu lực của tiết diện chịu uốn được đặc trưng bằng hệ số phẩm chất =I/Av1v2 , trong đó I- mô men quán tính, A- diện tích tiết diện và v1 v1 – khoảng cách từ trọng tân tiết diện đến thớ chịu kéo và nén xa nhất Trường hợp lý tưởng =1,0, đối với tiết diện chữ nhật =0,33, tiết diện hộp

=0,6

Phương hướng cuối cùng trong sự nghiệp phát triển cầu nói chung và cầu BTCT nói riêng là nghiên cứu các công nghệ thi công thích hợp Sự phát triển cầu BTCT gắn liền với sự phát triển công nghệ thi công cầu trên thế giới Các phương pháp thi công bêtông tại chỗ trên đà giáo cố định, dàn giáo treo, các phương pháp thi công phân đoạn như lắp hẫng, đúc hẫng, đúc đẩy đã lần lượt hình thành và góp phần thực thi các kết cấu mới ngày càng hiện đại hơn

1.4.VẬT LIỆU XÂY DỰNG CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP :

1.4.1.Bêêtông tươi

Bêtông 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

cauduong.edu.vn

Trang 13

- 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 1.1

Bảng 1.1 Cấp phối – Tính chất theo loại

Loại bê tông

Lượng XM tối thiểu (kg/m3)

Tỉ lệ N/X lớn nhất (kg/kg)

Lượng không khí (%)

Kích thước hạt

Cường độ chịu nén 28 ngày (MPa)

AASHTO LRFD Bảng C5.4.2.1.1

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 Vì vậy AASHTOA5.4.2.1*

cho dưới hạn trên là 475 kg/m3với tỉ lệ N/X chuẩn để hạn chế lượng nước trong hỗn hợp

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

cauduong.edu.vn

Trang 14

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com 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

1.4.2.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 kìm 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

1.4.2.1.Tính chất tức thời của bê tông

Các tính chất của bê tông xác định theo thi thí nghiệm thể hiện các ứng xử ngắn hạn khi chịu tải

vì các thí nghiệm này thường được hoàn thành trong vòng một phút, khác với trường hợp tải trọng tác dụng lên công trình kéo dài hàng tháng thậm chí hàng năm.Các tính chất tức thời này thường được dùng để đánh giá phẩm chất của bê tông và các ứng xử khi chịu tải trọng ngắn hạn như hoạt tải chẳng hạn Tuy nhiên các tính chất này cần thay đổi khi ứng xử với tải trọng tĩnh thường xuyên như tải trọng bản thân kết cấu, bản mặt cầu và lan can

1.4.2.1.1.Cường độ chịu nén của bê tông và các tính chất

a) Cường độ chịu nén 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 Bản mặt cầu có cường độ chịu nén ít nhất 28 Mpa

Khi nói về tính chất của bê tông chịu nén cần phân biệt giữa 3 trạng thái ứng suất: một trục 2 trục và 3 trục Trên hình 1.20 biểu diễn 3 trạng thái ứng suất này

Trạng thái ứng suất một trục trên hình 1.20a đại diện cho thí ngiệm nén chuẩn không kiềm chế được dùng để xác dịnh cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông

Trạng thái ứng suất hai trục trên hình 1.20b xuất hiện trong vách dầm có cốt thép khi chịu cắt, uốn, và lực dọc trục

Trạng thái ứng suất ba trục trên hình 1.20c xuất hiện trong lõi của một cột có cốt đai xoắn ốc chịu tải trọng dọc

Tính chất của bê tông chịu nén một trục(hình 1.20a) có thể mô tả bằng quan hệ giữa ứng suất pháp và biến dạng Quan hệ của bê tông có cường độ dưới 40Mpa thể hiện bằng dường parabol như sau:

cauduong.edu.vn

Trang 15

2

c c c

c c

c f f

Trong đó: fc- ứng suất chịu nén ứng với biến dạng nén là c;

f’c – ứng suất lớn nhất khi thí ngiệm mẫu hình tru;

’c- biến dạng tương ứng với f’c Quan hệ này thể hiện trên hình 1.21, quy ước dấu của biến dạng và ứng suất nén là âm

b) Mô đun đàn hồi Môdun đàn hồi theo 22 TCN 272.01[A5.4.2.4] là độ nghiêng của đường thẳng tính từ gốc toạ độ tới điểm trên đường cong ứng suất biến dạng tại 0,4f’c Môdun cát tuyến này tính bằng

megapascal(MPa) như trình bày trên hình 1.21 và biểu diễn bằng biểu thức:

'

5 , 1

043,

c

f c

2 max 2

c c

f f

Trang 16

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Trong ñoù: f2- öùng suaẫt chính neùn töông öùng vôùi 2 vaø f2max laø öùng suaât lôùn nhaât ñaõ giạm xaùc ñònh theo:

' 1

' max

2

1708,

c)Heô soâ daõn nôû nhieôt heô soâ daõn nôû nhieôt ñöôïc xaùc ñònh trong phoøng theo beđ tođng coù caâp phoâi khaùc nhau Khi thieâu caùc soâ lieôu chính xaùc, heô soâ giaõn nôû nhieôt coù theơ laây nhö sau:

beđ tođng coù tư tróng thođng thöôøng: 10,8x10-6/0C beđ tođng coù tư tróng thaâp: 9x 10-6/0C

d)Heô soâ poisson khi thieâu caùc soâ lieôu thí nghieôm, heô soâ poisson coù theơ laây baỉng 0,2 Ñoâi vôùi caùc boô phaôn cho pheùp nöùt, coù theơ khođng xeùt ñeân hieôu öùng nôû ngang

1.4.2.1.2.Beđ tođng cöôøng ñoô cao

Beđ tođng ñöôïc gói laø cöôøng doô cao neâu cöôøng ñoô chòu neùn trú vöôït quaù 41,4Mpa Ñoâi vôùi beđ tođng coù cöôøng ñoô chòu neùn töø 42-84Mpa, bieơu thöùc cụa modun ñaøn hoăi coù dáng:

232032

Trong ñoù: f’c-cöôøng ñoô chòu neùn cụa beđ tođng,MPa

c – khoâi löôïng ñôn vò, kG/m3

cauduong.edu.vn

Trang 17

Hiện nay có thể dễ dàng đạt được cường độ bê tông tới 140 Mpa bằng cách sử dụng đá cỡ nhỏ(9,5mm) và xi măng puzzolan có thêm tro silic Cường độ trên có thể đạt được ngay tại hiện trường với sự kiềm tra chất lượng nghiêm ngặt và môi trường đảm bảo Đối với các cường độ 138-206 Mpa cần têm các cốt liệu khác như mạt thép hoặc sợi cacbon Trường hợp này cần thí nghiệm cấp phối để dễ đúc

Mẫu để thí nghiệm cường độ chịu nén của bê tông cường độ cao là mẫu hình trụ đường kính 101,6mm cao 103,12mm

1.4.2.1.3.Cường độ chịu nén của bê tông kiềm chế và các tính chất

Hình 1.23 thể hiện so sónh giữa đường cong điển hình giữa bê tông kiềm chế được thể hiêïn bằng vỏ ngoài của cốt thép ngang, nó bị phá vỡ khi biến dạng nén tương đối thấp Bê tông kiềm chế thể hiện ứng suất đỉnh f’cc cao hơn và biến dạng tương ứng cc lớn hơn cường độ không kiềm chế

f’co và biến dạng không kiềm chế tương ứng co’

Mô hình dể thể hiện cường độ của bê tông kiềm chế tương tự như tiêu chuẩn phá hoại cắt Coulomb đối với đá:

f’cc = f’c o+k1fr(1.6)Trong đó : f’cc - ứng suất đỉnh của bê tông kiềm chế;

f’c o – cường dộ của bê tông không kiềm chế

k1 – hệ số phụ thuộc vào cấ phối của bê tông và áp lực ngang

fr - áp lực kiềm chế ngang Từ thí nghiệm, người ta đã xác định trị số trung bình của k1 = 4 và đề nghị có thể dùng trị số thấp

k1 =3 cho bê tông kiềm chế có cường độ thấp hơn 120Mpa

Richart (1928) cũng kiến nghị một quan hệ đơn giản giữa biến dạng cc tương ứng với f’cc như sau:

f’r = kcfrcauduong.edu.vn

Trang 18

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com trong đó : kc = Ac/Acc

trong đó :Ac – diện tích có hiệu của bê tông kiềm chế

Acc = Ac - Ast = Ac(1-pcc) trong đó :Ac – diện tích lõi bọc bởi tim cố đai vòng tròn ;

Ast – tổng dịen tích cố thép dọc và :

Pcc = Ast/Ac

Ví dụ 1.1

Xác định hệ số kiềm chế có hiệu kc cho 1 cột tròn có đai xoắn ốc đường kính ds giữa tim cốt đai

Nếu hiệu ứng vòm giữa đai xoắn ốc với khoảng cách tĩnh đứng s’ có độ lõm s’/4 (hình 1.24)

Diện tích đoạn giữa các cốt đai Ac có trị số nhỏ nhất khi đường kính ds – s’/4 nghĩa là :

2 2

4

'2

'144

s d

d

s d

c

d

s d

A

2

'14

)2/'(1

p

d s k

(Nhớ rằng quan niệm của ds trong mô hình này khác với đường kính ngoài của lõi dc thường dùng khi chọn cốt đai xoắn ốc)

Nếu ta xét một nửa tiết diện có chiều cao s trên hình 1.25 bị kiềm chế bởi cốt đai kéo chịu áp lực ngang phân bố đều fr (kéo ký hiệu là dương) lên lõi bê tông, sự cân bằng lực yêu cầu :

2Aspfyh + frsds = 0 Trong đó:Asp – diện tích của đai xoắn ốc;

fyh – cường độ chảy của đai;

s – khoảng cách từ tim đến tim đai

cauduong.edu.vn

Trang 19

Hình 1.24 Lõi kiềm chế có hiệ cho cố đai xoắn ốc hình tròn Hình 1.25 Biểu đồ cắt nửa của mặt trong giữa cốt đai và lõi bê tông

Giải phương trình (1.13)cho áp lực ngang kiềm chế:

yh s s

yh sp

sd

f A

f  2 0.5 (1.14) Trong đó: ps – tỉ số thể tích của thép ngang kiềm chế trên thể tích của lõi kiềm chế, nghĩa là:

s sp s

sd

A sd

d A

s = 50 mm, s’ = 50 – 11 = 39 mm

ds = 500 – 2(38) – 2(1/2)(11) = 413 mm

2 2

2

134000)

413(4

0373,0134000

)500(10

A

A p

0194,0)423(50

)100(44



s d

A p

s

sp s

cauduong.edu.vn

Trang 20

990,00373.01

)413(2

3911

2

'1

p d s k

f’r = -0,5kcpsfyh = -0,5(0,990)(0,0194)(400) = -3,8MPa = 3,8 – MPa, nén f’cc = f’co + ktf’r = 0,85(-28) + 3(-3,8) = -35,2MPa = 35,2 – MPa, nén

0068,00068,08,23

8,3151002,0'

cc

f

f k



Ghi chú :dấu âm chỉ nén

Các nhà nghiên cứu đã phát triển quan hệ ứng suất – biến dạng cho ứng xử của bê bông kiềm chế chịu nén thích hợp với các số liệu thí nghiệm

Mô hình ứng suất – biến dạng do Mander (1988) kiến nghị do tải trọng nén đều cho đến khi đai dầu tiên phá hoại là một phương trình đơn, liên quan đến ứng suất nén dọc trục fc là hàm số của biến dạng nén dọc tương ứng  c

'1

')(

x r

rx f x

E r

f E



'

sec Đường cong này tiếp tục đến khi trị số biến dạng của bê tông kiềm chế đạt trị số  cu đủ lớn dể gây phá hoại đai vòng hoặc đai xoắn ốc đầu tiên Dựa trên sự cân bằng năng lượng và kết quả thí nghiệm, Mander (1988) đưa ra một phương trình tích phân có thể giải bằng số cho  cu

Ví dụ 1.3

Xác định các tham số và biểu đồ đường cong ứng suất – biến dạng cho 1 cột bằng bê tông kiềm chế và không kiềm chế có tiết diện ở ví dụ 1.2 Giả thiết biến dạng khi đai đầu tiên bị phá hoại là  cu= 8 cc=8(-0,0068)= -0,0544

GPa f

E c 0,043 c1 , 5 c' 0,043(2300)1 , 5 2825

GPa

f E

cc

0068,0

2,35

E r

c c

26 , 1 '

)/(26,0

)/(26

,1)(

cc c

cc c cc

cauduong.edu.vn

Trang 21

' c f 63 , 0 r

f 

' c f 52 , 0 r

f 

' c f 45 , 0 r

f 

1.4.2.1.4.Cường độ chịu kéo của bê tông và các tính chất

Cường độ chịu kéo của bêtông có thể đo trực tiếp hoặc gián tiếp Thí nghiệm kéo trực tiếp(

hình 1.26a) thường dung để xác định cường độ nứt của bêtông nhưng yêu cầu thiết bị đặc biệt

Do đó thường dùng thí nghiệm gián tiếp, như thí nghiệm uốn phá hoại và thí ngiệm vỡ lăng trụ

Các thí nghiệm này trình bày trên hình 1.26

Thí nghiệm uốn phá hoại(hình 1.26) để đo cường độ chịu kéo khi uốn của một dầm bêtông đơn giản chịu tải như trên hình vẽ

Ứng suất kéo theo chiều cao của tiết diện phân bố không đều và cực đại ở thớ đáy Ứng suất kéo uốn xác định theo lí thuyết cơ bản của dầm chịu tải trọng đến khi nứt Ứng suất kéo do uốn gọi là ứng suất phá hoại do uốn Đối với bêtông trọng lượng các loại, AASHTO (A5.4.2.6) đưa công thức sau đây cho fr (MPa):

Đối với bêtông tỷ trọng trung bình:

(1.20)

Đối với bêtông cát tỷ lệ thấp:

Đối với bêtông tỷ trọng thấp các loại:

Trong đó: fc' – trị số tuyệt đối của cường dộ nén trụ của bêtông(MPa)

Trong thí nghiệm ép vỡ trụ ( hình1.26c), một mẫu trụ chuẩn đặt nằm ngang chất tải phân bố đều Ứng suất kéo gần như phân bố đều xuất hiện vuông góc với ứng suất nén gây ra do tải trọng đứng Khi ứng suất kéo đạt cường độ max hình trụ bị vỡ làm đôi dọc theo đường kính chịu tải Lời giải của lí thuyết đàn hồi (Timoshenko và Goodier,1951) cho ứng kéo khi vỡ fspnhư sau:

sp

f =

D

L / cr P 2

 (1.21)

cauduong.edu.vn

Trang 22

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Trong đó : Pcr - toàn bộ tải trọng làm vỡ hình trụ;

L - chiều dài hình trụ;

D - đường kính hình trụ

Cả ứng suất phá hoại khi uốn frvà ứng suất nứt vỡ fspđược kiểm chứng qua ứng suất kéo nứtfcrxác dịnh bằng thí nghiệm kéo trực tiếp ( hình 1.26a) Đối với bêtông trọng lượng trung bình Collin và Mitchell, đề nghị xác định cường độ nứt vỡ fcrtrực tiếp bằng công thức sau:

cr

f =0,33 fc' (1.22)

Trong đó : fc' là cường độ chịu nén trụ (MPa)

Đường cong ứng suất biến dạng kéo trực tiếp (hình1.27) giả thuyết tiếp tuyến cho đến ứng suất nén gãy fcrcó cường độ dốc Ectrong phương trình (1.2) Sau nứt , nếu có cốt thép, ứng suất kéo giảm nhưng không về không, nội liên kết giữa các hạt còn tồn tại và có thể truyền ứng suất cắt qua vết nứt Hiện tượng này rất quan trọng khi dự tính ứng suất kéo trong cốt thép dọc và cường độ chịu cắt của dầm bêtong cốt thép Collins và Mitchell (1991) đã cho các biểu thức sau đây về

đường cong ứng suất- biến dạng kéo trực tiếp thể hiện trên hình 1.27 (không thấy hình vẽ)

??????????????

Hình 1.27 Ứng suất trung bình theo biến dạng trung bình của bêtông chịu kéo Nhánh lên : ( 1  cr  fcr / Ec)

1 c

f   (1.23) Trong đó: 1 biến dạng kéo trung bình của bêtông và f1 là ứng suất trung bình chịu kéo

Nhánh xuống : (1  cr)

1

cr 2 1 c

500 1

f f

 =0,70 đối với tải trọng thường xuyên và/hoặc tải trọng lặp

Nếu không có cốt thép sẽ không có nhánh xuống và ứng suất kéo của bêtông sau nứt bằng không Tuy nhiên nếu bêtông có dính kết với cốt thép, ứng suất kéo của bêtông còn tồn tại Một lần nữa thấy rõ tính chất của bêtông cốt thép khác hẳn bêtông

cauduong.edu.vn

Trang 23

1.4.2.2.Tính chất lâu dài của bêtông:

Nếu tải trọng nén tác dụng lên bêtông trong một thời gian dài, khả năng chịu tải thường giảm

Thông thường bêtông tăng cường độ cùng với tuổi thọ trừ khi bị phá hỏng cơ học, ví dụ do sự xâm nhập của ion clo làm giảm cường độ Và nếu không có tác động nào khác, bêtông vẫn bị co ngót và nứt Nhưng ngay cả tính chất này được loại trừ bằng cách ngâm trong nước, làm đầy lỗ rỗng và khép các vết nứt Bêtông chẳng bao giờ khô hoàn toàn luôn có các vật liệu nhão không đông cứng, tạo tính đàn dẻo giữa các hạt Các tính chất phụ thuộc thời gian của bêtông bị ảnh hưởng bởi các điều kiện khi đúc và môi trường xung quanh suốt trong quá trình phục vụ Rất khó dự đoán ảnh hưởng chính xác của mọi điều kiện, nhưng có thể đánh giá xu hướng và các thay đổi tính chất

1.4.2.2.1.Cường độ chịu nén của bêtông theo thời gian:

Tính chất của bêtông được đặc trưng bằng cường độ chịu nén sau 28 ngày, tuy nhiên trong bêtông dự ứng lực vấn đề quan trọng là xác định cường độ chịu nén của bêtông fci' cũng như modun đàn hồi Eckhi căng cốt thép cũng như ở các gian đoạn khác nhau trong lịch sử chất tải của kết cấu

Thông thường cường độ chịu nén của bêtông có khuynh hướng tăng theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều tham số ( loại ximăng và điều kiện bão dưỡng) Hiệp hội quốc tế Bêtông dự ứng lực (FIP) kiến nghị xác định cường độ chịu nén của bêtông theo tuổi theo biểu đồ hình 1.28, ( biểu đồ thành lập cho hai loại ximăng pooclăng)

1.4.2.2.2

Hình 1.28 Sự thay đổi của bêtông theo thời gian

Theo Branson (1977), biểu thức chung để xác định cường độ của bêtông theo thời gian là:

' c '

t

t f







 (1.25a) Trong đó :fc' - cường độ chịu nén 28 ngày;

t- thời gian tính theo ngày;

Bêtông ximăng pooclăng đông cứng Bêtông ximăng pooclăng thông thường

Tuổi bêtông tính hằng ngày

0,5 1,0

1,5

28 c

c / f f

cauduong.edu.vn

Trang 24

- hệ số phụ thuộc vào loại ximăng và điều kiện bão dưỡng

=4,00 đối với ximăng loại I , bão dưỡng ẩm

=2.30 đối với ximăng loại III bão dưỡng ẩm

=1,00 đối với ximăng loại I, bão dưỡng hơi nước

=0,70 đối với ximăng loại III, bão dưỡng hơi nước

- hệ số phụ thuộc vào các tham số trên theo  tương ứng với 0,85; 0,92; 0,95; và 0,98 Như vậy đối với ximăng loại I ,bão dưỡng ẩm ta có:

(1.25b)

' c '

t 85 , 0 00 , 4

t f



Mođun đàn hồi có hiệu của bêtông theo thời gian E'c là:

(1.25c)

Và mođun đàn hồi có hiệu cuối cùng cho bởi biểu thức:

t

c cn

1

E E

Trong đó: H- độ ẩm trung bình theo phần trăm

Các biểu thức trên chỉ để tham khảo vì trị số mođun đàn hồi còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như độ ẩm trong mẫu, tỉ lệ N/X, tuổi của bêtông và nhiệt độ Do đó đối với các kết cấu đặc biệt như vòm, hầm, bể chứa phải xác định mođun đàn hồi bằng thí nghiệm

ứng suất Biến dạng đàn hối + biến dạng từ



' c

Trang 25

1.4.2.2.3.Co ngót của bêtông :

Co ngót là hiện tượng giảm thể tích khi nhiệt độ không đổi do nước bốc hơi sau khi bêtông khô cứng Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào lượng nước của bêtông tươi, loại ximăng, cốt liệu được dung và điều kiện môi trường ( nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đúc, quá trình bão dưỡng, lượng cốt thép và tỉ lệ thể tích/diện tích mặt

Về căn bản có thể phân biệt hai loại co ngót : co ngót dẻo va co ngót khô Co ngót dẻo xuất hiện trong vòng ít giờ đầu tiên sau khi đúc bêtông tươi trong khuôn Diện tích lộ thiên như bản mặt cầu nhanh chóng tiếp xúc với môi trường không khí khô ráo, khi đó hơi nước thoát nhanh hơn khỏi bêtong nên thường gây các vết nứt bề mặt và nước ở các lớp trong thoát rat hay thế cho nước bị bốc hơi Co ngót khô xuất hiện sau khi bêtông đã hoàn toàn ninh kết và các phản ứng hóa học đã hoàn thành

Co ngót khô chính là sự giảm thể tích bêtông trong quá trình nước bay hơi Cũng có hiện tượng ngược lại, thể tích bêtông tăng do nước thấm vào bêtông, hiện tượng này gọi là nở ướt Nói cách khác, co ngót và nở ướt thể hiện hành trình của nước ra khỏi hoặc vào bêtông do độ ẩm môi trường khác nhau và do tuổi bêtông

Co ngót và nở ướt không hẳn là quá trình hai chiều Nếu bêtông hoàn toàn bão hòa nước sau ninh kết, sẽ không có hiện tượng nở ướt AASHTO (A5.4.2.2.3) kiến nghị một phương trình kinh nghiệm để tính biến dạng do co ngót sh dựa vào thời gian khô, độ ẩm tương đối và tỉ lệ thể tích/ diện tích mặt

Đối với bêtông được bão dưỡng ẩm, cốt liệu không co ngót, biến dạng do co ngót tại thời điểm t có thể xác định theo:

3 h

s

t 35

t k

s

t 0 , 55

t k

cauduong.edu.vn

Trang 26

Từ hình 1.29, với t=5năm (=2000 ngày) ks= 0,73 và từ bảng 1.2 với H=70 0, ks=1,0 do đó phương trình (1.28) cho:

00037 ,

0 10

51 , 0 2000 35

2000 )

0 , 1 )(

73 , 0

50mm 75mm 40mm

1,4 1,2

1 0,8 0,6 0,4 0,2

Trang 27

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Hình 1.29 Hệ số ks phụ thuộc vào tỉ số thể hiện diện tích mặt (AASHTO 5.4.2.3.3.2)

Bảng 1.2 Hệ số kh theo độ ẩm tương đối H

Độ ẩm tương đối trung bình của môi trường, H% Kh

Sự thay đổi biến dạng co ngót theo thời gian trong các điều kiện trên trình bày trên hình 1.30

±Vì biểu thức thực nghiệm trên không bao gồm tất cả các biến số ảnh hưởng đến co ngót, AASHTO cho rằng sai số có thể đến 50 0 và biến dạng thực tế có thể lớn hơn -0,0008 Ngay cả khi các trị số không chính xác, khuynh hướng tăng biến dạng co ngót thể hiện trên hình 1.30

ở mức độ thấp hơn ( đường cong thoải) theo thời gian là đúng Khi không có số liệu về môi trường, có thể lấy biến dạng co ngót là – 0,0002 sau 28 ngày và -0,0005 sau một năm (AASHTO (A5.4.2.3.1))

Có nhiều biện pháp có thể dùnng để khống chế co ngót trong kết cấu bê tông : -Thành phần hạt.Thành phần hạt có tác dụng kiềm chế co ngót của vữa xi măng ;do đó bê tông có thành phần hạt tốt kém nhạy cảm với co ngót Cốt liệu có cường độ,mô đun đàn hồi cao ,mặt nhám làm giảm co ngót

-Tỉ lệ nước /xi măng Biện pháp hiệu quả nhất là giảm lượng nước trong hỗn hợp ,vì lượng nước thừa bốc hơi gây co ngót Người thiết kế có thể khống chế lượng nước bằng cách quy định cảtỉ lệ N/X tối đa và cả lượng xi măng tối đa

-Dùng cốt liệu chắc,đặc ít hút nước sẽ cho co ngót thấp vì nó cần ít ẩm trong hỗn hợp để làm ướt mặt cốt liệu

-Một biện pháp có hiệu quả khác là khống chế nhiệt độ trong bê tông trước khi đông cứng để thể tích bắt đầu co ngót không bị tăng nhiệt quá lớn.Khống chế nhiệt độ có thể dùng xi măng toả nhiệt và làm nguội vật liệu trong hỗn hợp Nhiệt độ bên ngoài cao vào mùa hè phải được làm nguội bằng cách để cốt liệu trong kho có bóng mát và làm lạnh nước bằng nước đá

Môi trường Độ ẩm trung bình của môi trường ,co ngót giảm khi độ ẩm lớn và ổn định ở nhiệt độ thấp

-Lượng cốt thép Cốt thép làm giảm hiện tượng co ngót -Các phụ gia.Tuỳ theo loại phụ gia có ảnh hưởng khác nhau đến co ngót Ví dụ :phụ gia đông cứng nhanh loại clorua canxi làm tăng co ngót ,puzolan làm tăng co ngót khô,trong khi bê tông bọt làm giảm co ngót

-Loại xi măng Xi măng đông cứng nhanh có co ngót lớn hơn các loại khác

cauduong.edu.vn

Trang 28

2000 1500

1000 500

Hình 1.30 Sự thay đổi của co ngót theo thời gian (ví dụ 1.4)

1.4.2.2.4.Từ biến của bê tông

Từ biến của bê tông là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian khi tải trọng không đổi Trong một dầm bê tông cốt thép ,độ võng tiếp tục tăng khi chịu tải trọng thường xuyên Trong một dầm cột bê tông cốt thép ,biến dạng dọc trục và độ cong tăng dưới tác dụng của tải trọng tĩnh không đổi.Dầm dự ứng lực mất một phần lực nén trước vì bê tông ảnh hưởng đến tương tác giữa các bộ phận kết cấu ,do đó hiểu về các tính chất của từ biến có ý nghĩa quan trọng

Từ biền trong bê tông liện quan đến thay đổi biến dạng theo thời gian trong các vùng của dầm và cột chịu ứng suất nén thường xuyên Từ biến phụ thuộc cảvào độ lớn và độ dài lâu của ứng suất nén ,cường độ chịu nén và tuổi của bê tông khi chịu tác dụng lực lâu dài

Từ biến quan hệ chặt chẽ với co ngót ,và theo quy luật chung ,bê tông chịu co ngót tốt thì chịu từ biến cũng tốt vì cả hai hiện tượng đều liên quan đến hiện tượng thuỷ hóa vữa xi măng Do đó từ biến chịu ảnh hưởng của cấp phối bê tông ,điều kiện môi trường ,nhưng chủ yếu phụ thuộc vào độ lớn và độ dài lâu của tải trọng.Bíên dạng do từ biến  CRxác định bằng cách nhân biến dạng nén đàn hồi tức thời do tải trọng lâu dài  CI với hệ số từ biến nghĩa là:

 CR(t,t i)(t,t i) ci (1.29) Trong đó :t-tuổi của bê tông theo ngày tính từ lúc đúc thành khuôn ;

ti -tuổi của bê tông theo ngày từ khi tác dụng tải trọng thường xuyên AASHTO [A5.4.2.3.2]kíên nghị hệ số từ biến xác định bởi :

0

)(10

)(120

58.15.3),(

i

i i

f c i

t t

t t t

H k

k t

f

k



 (1 13) Trong đó :H-độ ẩm tương đối (%);

k -hệ só6 từ biến xét tới ảnh hưởng của tỉ lệ thể tích trên diện tích mặt lấy theo hình c

1.13;

c

f -trị số tuyệt đối của cường độ chịu nén 28 ngày của bê tông (MPA)

t  t i-thời gian chịu tải (ngày )

Để xác định tuổi của bê tông từ lúc đặt tải ,t i,một ngày bảo dưỡng nhanh bằng hơi nước hoặc bức xạ nhiệt tính bằng 7 ngày bảo dưỡng thông thường

cauduong.edu.vn

Trang 29

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Diện tích mặt dùng để tính tỉ số thể tích trên diện tích mặt chỉ gồm diện tích phơi bày ra không khhi khô ráo Đối với tiết diện hộp kín thông gió kém ,chỉ lấy 50% diện tích trong khi tính diện tích mặt

Hệ số H có thể cao hơn môi trường do vùng lân cận của cầu có nước bốc hơi

(t-t i ) thời gian chất tải (ngày)

10000 1000

100 10

5 2 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4

= Thể tích Diện tích mặt

Hình 1.31(A5.4.3.2-1) Hệ số kc phụ thuộc vào tỉ lệ thể tích / diện tích bề mặt

Ví dụ 1.5 Tính biến dạng do từ biến của một cầu bản ở ví dụ 1.4.sau 1 năm nếu ứng suất nén do tải trọng thường xuyên là 10MPA,cường độ chịu nén 28 ngày là 31MPAvàt i=15 ngày Môđun đàn hồi theo công thức (1.2)là:

E c 0,043(2300)1 , 5 31 26,4GPa



 Và biến dạng nén ban đầu là :

35015

120

7058,1)85,0)(

68,0(5,3)15,365

6 , 0 118

, 0

 c(t,t i) ci  CR(t,t i)1(t,t i) ci (1.32) Trong ví dụ này biến dạng nén toàn phần sau một năm là:

 c365,1511,130,000380,00081vượt quá hai lần biến dạng dàn hồi

cauduong.edu.vn

Trang 30

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Có thể giảm bớt biến dạng do từ biến ,cũng bằng biện pháp như đối với co ngót,nghĩa là dùng lượng nước thấp trong cấp phối và giữ nhiệt độ tương đối thấp Cũng có thể giảm biến dạng từ biến bằng cách dùng cốt thép trong vùng chịu nén vì một phần của lực nén do thép nhận không lên bê tông Bằng cách trì hoãn thời gian tác động tải trọng tĩnh ,biến dạng do từ biến giảm vì bê tông càng trưởng thành ,càng khô thì càng bị co

fc=31MPa,ti=15 ngày

20001500

1000500

Hình 1.32.Sự thay đổi của biến dạng do từ biến theo thời gian (ví dụ 1.5) Khuynh hướng này được phản ánh trong phương trình (1.30) trong đó trị số lớn hơn của t i cho một tuổi đã định của bê tông t làm giảm hệ số từ biến (t,t i)

Cuối cùng không phải mọi ảnh hưởng của từ biến đều có hại Khi xuất hiện lún khác nhau theo thời gian trong cầu bê tông cốt thép ,từ biến của bê tông giảm đáng kể ứng suất trong kết cấu tính theo đàn hồi

1.4.2.2.4 Môđun đàn hồi cho tải trọng thường xuyên có thể xác định được môđun đàn hồi dài hạn c, LTnhư sau :

LT c,

,

i

c LT

c

t t

181010

181015

120

7058,1)85,0)(

75,0(5,315,

6 , 0 0118

, 0

Trang 31

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Khi tính toán theo trạng thái giới hạn sử dụng và mỏi ,giả thiết môđun đàn hồi có hiệu quả cho tải trọng thường xuyên là 2n [A 5.7.1].Trong AASHTO (A 5.7.3.6.2) khi tính độ võng và độ vồng ngược ,độ võng dài hạn được tính như độ võng tức thời nhân với hệ số :

4,0 –nếu độ võng tức thời theo Ig

3,0 1,2 1,6

' ' 

1 (1.37) (A5.7.3.6.2-1)

t

g r cr

y

I f



 (1.38) (A5.7.3.6.2-2) Trong đó :Mcr- mômen nứt (N.mn);

fr-cường độ chịu kéo khi uốn (MPA) (A5.4.2.6);

yt-khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo ngoài cùng (mm);

Ma-mômen lớn nhất của kết cấu khi tínnh biến dạng (N.mm);

As-diện tích cốt thép chịu nén (mm2);

As –diện tíach cốt thép thường chịu kéo (mm2)

Hệ số này cơ bản là t , t1 và nếu A’s=0, phương trình (1.35) cho giá trị nLT=3n Dựa trên các nhận xét trên có thể dùng đơn giản để tính môđun đàn hồi dài hạn cho tải trọng thường xuyên ;

3

,

c LT c





1.4.3.Tính chất của cốt thép

Bê tông cốt thép là bê tông có bố trí cốt thép ,thường là thép thanh hay bó cường độ cao Cốt thép được đặt trong kết cấu tại nơi có hiệu quả nhất ,thường dùng để chịu kéo nhưng cũng dùng để chịu lực kéo xiên

Tính chất của cốt thép thường đặc trưng bởi đường cong ứng suất –biến dạng của một thanh thép tròn trơn Với bó có6t thép dự lực thì cần phân biệt bó thép có dính ké6t hay không dính kết

1.4.3.1.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 1.3

cauduong.edu.vn

Trang 32

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Bảng 1.3

danh định (mm)

Diện tích danh định (mm2 )

Khối lượng danh định (kg/m)

Các kỹ sư có thể sử dụng các loại cốt thép có đường kính tùy theo các cơ sở sản xuất , miền đảm bảo các cho tiêu cơ lí trình bày dưới đây :

1.4.3.1.1.Ứng xử của cốt thép thường

Đường cong ứng suất – biến dạng điển hình cho cốt thép thường trình bày trên hình 1.33 cho thép cấp 280, 420, và 520 Ứng xử của thanh thép trần có thể chia thành ba phần, đàn hồi, dẻo, và hóa cứng Đọan đàn hồi AB của đường cong gần như một đọan thẳng có modun đàn hồi không đổi Es = 200000 MPa cho đến khi biến dạng chảy y = fy / Es Đọan chả dẻo BC đại diện cho thềm chảy với ứng suất không đổi fy cho đến khi hóa cứng Chiều dài của thềm chảy là do tính dẻo dai và thay đổi theo cấp thép Đọan hóa cứng CDE bắt đầu từ biến dạng h và sẽ đạt ứng suất max fu tại biến dạng  u trứơc khi đi xuống đột ngột ở biến dạng đứt gãy b Ba đọan của đường cong ứn suất biến dạng cho thanh cốt thép tròn trơn có thể đặc trưng bằng :

Đọan đàn hồi AB :

fs = s Es 0   s  y (1.40) Đọan chảy dẻo BC :

fs = fy ys   h (1.41) Đọan hóa cứng CDE :

Trị số thực tế của ứng suất chảy theo thí nghiệm kéo trung bình lớn hơn khỏang 15 % Đường cong tương tự giả thiết đúng cho cả kéo và nén Khi các thanh cốt thép chôn trong bê tông, tính chất thếp sẽ khác hẳn so cốt thép trần Sự khác nhau là so thực tế bê tông cũng chịu kéo mặc dù nhỏ

cauduong.edu.vn

Trang 33

Do ma sát với cốt thép va do cường độ chịu kéo còn tồn tại trong các phần tử nằm giữa các vết nứt, và bê tông nứt giảm một phần độ giãn của cốt thép

Bê tông dính kết với cốt thép không nứt làm giảm biến dạng kéo trong cốt thép Hiện tượng này gọi là “ tăng cứng kéo “ ( tension stiffenning)

Nghiên cứu thực nghiệm của nhiều tác giả đã khẳng định độ biến dạng kéo trong cốt thép liên quan giữa các vết nứt trong bê tông Để đo biến dạng trong cốt thép không liên quan đến kết dính bề mặt thanh thép , đã đặt các biến điện ( gauge ) bên trong thanh thép Việc đặt biến điện bên trong bê tông bằng cách cưa thành các nửa thanh tạo một rãnh để đặt biến điện và dây dẫn và sau đó dán 2 nửa lại Chôn mẫu vào bê tông, trù 1 đọan chiều dài 2 đầu để gá vào máy kéo

Sau đó dụng tải trọng kéo và ghi lại biến dạng dọc theo thanh cách nhau 12,5 mm Hình 1.34 trình bày biến dạng của một trong các thanh có chiềi dài trên 1000 mm trong đó tăng cấp tải trọng kéo

Bảng 1.4 Trị số giới hạn danh định cho đường cong ứng suất – biến dạng của thanh thép trần

cauduong.edu.vn

Trang 34

Đường cong đút nét trên hình 1.35 thể hiện gần đúng ứng xử tuyến tính của ứng suất – biến dạng trung bình của thép thanh mềm chôn trong bê tông Các phuơng trình của 2 đường thẳng này được cho bởi :

Đọan đàn hồi :

fs = Es s khi fs < f’y (1.43) Đọan sau chảy :

fs = (0.91 – 2B) fy + (0.02 + 0.25B) Es s khi fs > f’y (1.44) Trong đó

f’y – ứng suất tại điểm giao nhau, f’y = (0.93 – 2B) fy (1.45)

P – tỉ số cốt thép dựa trên tiết diện thực của bê tông, p = As / ( Ag – As );

fcr - cường độ kéo nứt của bê tông, lấy bằng 0,33 f c (MPa); '

fy – ứng suất chảy của thanh cốt thép trần (MPa) Hình 1.36 so sánh đường cong ứng suất – biến dạng trung bình tuyến tính hóa ( p = 0.01, Pcr 2 MPa, fy = 400 Mpa ) với 1 thanh thép trần Biểu đồ này thể hiện cốt thép chôn trong bê tông ứng xử thế nào và sự khác biệt với ứng xử của thanh cốt thép trần

1.4.3.1.2.Môdun đàn hồi

Môđun đàn hồi của cốt thép thường Es lấy bằng độ dốc của đường cong ứng suất – biến dạng trong miền đàn hồi :

Es = 200 000 Mpa

1.4.3.2.Thép dự ứng lực

cauduong.edu.vn

Trang 35

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com 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 AASHTO 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 350 o C và giarm 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 Hình 1.37 so sánh ứng xử suất – biến dạng của tao 7 sợi chế tạo theo các quá trình khác nhau

Cũng có thể dùùng thanh thép có gờ cường độ cao làm thép dự ứng lực.Cường độ kéo cực hạn của thép thanh vào khoảng 1000 Mpa

Tiêu chuẩn điển hình về tính chất của các taodự ứng lực và thép thanhtrình bày trong bảng1.5

cauduong.edu.vn

Trang 36

Bảng 1.5

Loại

Đường kính danh đđịnh (mm)

Đường kính danh đđịnh (mm2)

Đường kính danh đđịnh (kg/m)

Tao 7 sợi (cấp 250)

6,35 7,94 9,53 11,11 12,7 15,24

23,22 37,42 51,61 69,68 92,90 139,35

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

Th ép sợi

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

18,7 19,4

32

39

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

Thanh tròn trơn

cauduong.edu.vn

Trang 37

Các tính chất của tao cáp thường dùng có thể tham khảo bảng 1.6

Bảng 1.6 Các đặc trưng của tao cáp

Eurocode 138-79 BS5896:1980

ASTM A416-85 Cấp 270

Eurocode 138-79 BS2896:1980

ASTM A416-85 Cấp 270 Đường kính danh

Chùng sau 1000 h ở

1.4.3.2.1.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

1.4.3.2.2.Ứng xử của thép cường độ cao

Đường cong ứng suất – biến dạng của tao cáp dự ứng lực trần trình bày trên hình 1.37 được xác định bằng một phương trình cho phép chuyển tiếp hài hoà giữa hai đường thẳng thể hiện tính đàn hồi và dẻo Độ dốc đã chọn hằng số vì vậy đường cong đi qua điểm có biến dạng 0,01 khi đạt cường độ chảy ở bảng 1.7 collin và Mitchell(1991) đã cho biểu thức sau đây đối với các tao độ chùng thấp với fpu = 1860 Mpa

975,0025

,0

97,003

,0

)106(1

103

.0

Trang 38

độ chùng thấp

0.03 0.02

0.01 0

Hình 1.37 ứng xử ứng suất – biến dạng của các tao 7 sợi chế tạo bằng các phương pháp khác nhau

Bó cáp có thể là một tao đơn, thanh đơn hoặc có thể là một nhóm nhiều tao, nhiều thanh, nhiều sợi Khi bó cốt thép dính kết với bêtông, sự thay đổi biến dạng của thép dự ứng lực bằng sự thay đổi biến dạng của bêtông Điều này tồn tại trong các dầm kéo trước, khi đổ bêtông bọc quanh bó và trong dầm kéo sau khi ống đã được bơm vữa sau khi căng Khi đổ bêtông hay bơm vữa, bó cốt thép dự ứng lực đã được kéo căng và có biến dạng  petrước khi hai loại vật liệu dính kết với nhau Biến dạng trong bó cốt thép  ps có thể xác định tại bất kỳ giai đoạn nào của tảI trọng theo biến dạng của bêtông bao quanh  cp như sau:

pe cp

Trong đó:  cp- biến dạng của bêtông tại vị trí bó cốt thép và là:

ce pe

pe ps cc

A E

f A

Trang 39

Creat by Nguyen Ha Huanwebsite : http://hahuan.netfirms.com Vật

)

Tao chùng thấp

Trong trường hợp cốt thép không dính kết, cốt thép sẽ trượt trên bêtông và biến dạng trong bó thép trở nên phân bố đều trong khoảng giữa hai neo Sự thay đổi chiều dàI của bó phảI bằng tổng thay đổi chiều dàI bêtông cũng trong khoảng giữa hai neo, nghĩa là:

pe cp

Tuỳ theo diện tích yêu cầu, bó cáp có thể là tập hợp của một tao đơn, nhiều tao hoặc nhiều sợi

Số tao trong bó thường chọn phù hợp với hệ kích kéo cốt thép Các chỉ tiêu của bó cáp và ống bọc được thương mại hoá trên thị trường có thể tham khảo bảng 1.8

cauduong.edu.vn

Trang 40

Tao 12,7 mm(0,5’’)

Kí hiệu

5-1 5-2

5 5-4 5-6 5-7 5-12 5/18 5/19 5/22 5/31 5/37 5/43 5/55

đường kính ngoài (mm) 25/30 40/45 40/45 45/50 50/55 55/60 65/72 80/87 80/87 85/92 100/107 120/127 130/137 140/150

Lực kéo đứt nhỏ nhất Theo eurocode

128-79 hoặc BS5896:1980(KN)

6-2 6-3 6-4 6-6 6-7 6-12 6-18 6-19 6-22 6-31 6-37 6-43 6-55

1.4.3.2.4.Gỉ và hư hỏng của tao cáp

Chống gỉ cho thép dự ứng lực có tầm quan trọng hơn so với cốt thép thường, vì cường độ của kết cấu bêtông dự ứng lực phụ thuộc vào lực kéo trước, mà lực kéo trước lại phụ thuộc vào diện tích bó cốt thép Giảm tiết diện cốt dự ứng lực do gỉ có thể làm giảm đáng kể cường độ chịu mômen của bó cốt thép gây hư hỏng công trình Trong kết cấu kéo trước, việc chống gỉ thực hiện bằng bêtông quanh cốt thép, trong đó lớp bảo vệ được chọn thích hợp Trong kết cấu căng sau, việc chống gỉ được thực hiện bằng bơm đầy vữa hoặc mỡ vào ống bọc sau khi đã căng cốt thép

Một dạng phá hỏng dây hoặc tao thép khác là gỉ ứng suất, là sự hình thành các vi nứt trong cốt thép làm thép trở nên giòn và bị phá hoại Loại hư hỏng này thường chỉ xuất hiện khi chịu ứng suất rất cao và rất khó bảo vệ

cauduong.edu.vn

Định dạng
Số trang	346
Dung lượng	41,74 MB