Bài giảng Nhập môn cầu - Chương 1: Khái niệm về các công trình nhân tạo trên đường trình bày các nội dung: Định nghĩa và tầm quan trọng của các công trình nhân tạo trên tuyến đường, các bộ phận của công trình cầu, các kích thước cơ bản của công trình cầu, phân loại cầu cống,... Mời các bạn cùng tham khảo.
10/15/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ mơn Cầu Cơng trình ngầm Website: http://www.nuce.edu.vn Website: http://bomoncau.tk/ NHẬP MƠN CẦU TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website mơn học: http://nhapmoncau.tk/ Link dự phòng: https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐ vietnamese/nhap‐mon‐cau Hà Nội, 10‐2013 Tài liệu tham khảo Nguyễn Như Khải, Phạm Duy Hoà, Nguyễn Minh Hùng, “Những vấn đề chung và mố trụ cầu”, NXB Xây dựng, Hà Nội, 2000 Bộ GTVT, "Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272.05", NXB GTVT, Hà Nội, 2005 Wai Fan Chen and Lien Duan, “Bridge Engineering Handbook”, NXB CRC press, NewYork, 2000 10/15/2013 CHƯƠNG I Khái niệm cơng trình nhân tạo đường Nội dung chương • 1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của các cơng trình nhân tạo trên tuyến đường • 1.2. Các bộ phận của cơng trình cầu (CTC) • 1.3. Các kích thước cơ bản của cơng trình cầu • 1.4. Phân loại cầu cống • 1.5. Sơ lược về lịch sử ngành xây dựng cầu • 1.6. Phương hướng phát triển của ngành xây dựng cầu 10/15/2013 1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của CTNTTĐ • Cơng trình nhân tạo đường (CTNTTĐ): – Là sản phẩm do con người tạo nhằm đảm bảo liên tục tuyến đường để phương tiện giao thông qua lại thông suốt. Ví dụ: cầu, hầm, cống, đường tràn • Cầu – Là loại cơng trình vượt qua phía chướng ngại vật sơng suối, khe núi, Cầu Tiên Sơn – Đà Nẵng thung lũng sâu, các tuyến đường khác, khu vực cần trì bình thường hoạt động xã hội… Định nghĩa và tầm quan trọng (t.theo) • Hầm – Có nhiệm vụ cầu xây dựng lòng đất, xun qua núi, hoặc xây dựng ở dưới nước • Cống – Là cơng trình nằm đắp tuyến đường nhằm giải cho dòng chảy lưu thơng giao cắt với tuyến đường • Đường tràn – Được xây dựng tuyến đường cắt ngang dòng chảy có mức nước khơng lớn, lưu lượng nước qua kết cấu thân đường. 10/15/2013 Định nghĩa và tầm quan trọng (t.theo) Hầm Hải Vân Định nghĩa và tầm quan trọng (t.theo) Cống hai hộp 10/15/2013 Định nghĩa và tầm quan trọng (t.theo) • Tầm quan trọng cơng trình nhân tạo đường – CTNTTĐ đảm bảo thông suốt tuyến đường, phục vụ giao lưu vận tải hành khách hàng hóa Vai trò CTNTTĐ rất quan trọng phát triển kinh tế, văn hóa, xã hội đảm bảo an ninh quốc phòng Việc thiết kế, xây dựng tu bảo dưỡng CTNTTĐ phải đạt chất lượng cao đáp ứng đầy đủ tiêu kinh tế kỹ thuật đề 1.2. Các phận cơng trình cầu L l ltt MNCN MNTT MNTN l0 H hkt Hc • Một cơng trình cầu bao gồm 3 nhóm phận: – Kết cấu phần (kết cấu nhịp) – Kết cấu phần – Đường 2 đầu cầu cơng trình phụ trợ 10 10/15/2013 Các phận cơng trình cầu (t.theo) • Kết cấu phần (kết cấu nhịp) – Là phận trực tiếp mang đỡ hoạt tải vượt qua khoảng cách chướng ngại vật – Vị trí: tính từ gối cầu trở lên gọi kết cấu phần – Kết cấu phần gồm: (1) Hệ mặt cầu (2) Hệ dầm mặt cầu (1) Hệ mặt cầu • • • • • • • Lan can Đường hành Lớp phủ mặt cầu Hệ thống phòng nước Hệ thống nước Bản mặt cầu Khe biến dạng … 11 Các phận cơng trình cầu (t.theo) (2) Hệ dầm mặt cầu LOP PHU : 75MM Ban BTCT • Dầm chủ (giàn chủ) • Dầm ngang • Dầm dọc phụ DAM BTCT G1 G2 G3 G4 G5 G6 c) d) 12 10/15/2013 Các phận cơng trình cầu (t.theo) • Kết cấu phần – Vị trí: tính từ gối cầu trở xuống gọi kết cấu phần MNCN MNTT MNTN 4 – Kết cấu phần bao gồm: mố, trụ, móng mố, móng trụ … – Mố, trụ: • Là phận kê đỡ kết cấu nhịp, tiếp nhận toàn tải trọng truyền xuống đất qua kết cấu móng • Nếu xây dựng ở hai đầu cầu gọi mố, xây dựng ở phía gọi trụ • Mố có nhiệm vụ nối tiếp đường với cầu 13 Các bộ phận và các kích thước cơ bản (t.theo) Trường hợp cầu khơng có trụ: • Cầu có 1 nhịp khơng có trụ L M1 M2 Trường hợp cầu khơng có mố: • Cầu dầm mút thừa khơng có mố 14 10/15/2013 Các phận cơng trình cầu (t.theo) • Đường hai đầu cầu cơng trình phụ trợ – – – – Nền đường 10m sau mố (hai bên đầu cầu) Mặt đường Mơ đất ¼ nón Đất đắp trước mố, kè gia cố… L l l tt l0 H MNCN MNTT MNTN h kt Hc 15 Các bộ phận và các kích thước cơ bản (t.theo) – Liên quan đến cơng trình cầu có cơng trình phụ trợ khác, ví dụ: • Đường dẫn vào cầu • Cơng trình dẫn dòng • Cơng trình bảo vệ trụ khỏi bị tàu bè vật trôi va đập L l l tt l0 H MNCN MNTT MNTN h kt Hc 16 10/15/2013 Cầu dầm nhịp giản đơn Các phận cơng trình cầu (t.theo) Trên sơng có dòng nước chảy xiết có khả va đập tàu bè, cây trơi, cần cấu tạo phận chống va xô để bảo vệ cho trụ 17 1.3. Các kích thước cầu • Chiều dài toàn cầu L – Khoảng cách từ mố tới mố • Chiều dài nhịp l – Khoảng cách tim 2 trụ liền kề • Nhịp tính tốn ltt – Khoảng cách tim hai gối kê 2 đầu nhịp L l ltt l0 H MNCN MNTT MNTN hkt Hc 18 10/15/2013 Các kích thước cầu (t.theo) • Nhịp tĩnh lo – Khoảng cách từ mép trụ tới mép trụ (hoặc mố) xác định mức nước cao • Khẩu độ nước (khẩu độ cầu) – Là tổng nhịp tĩnh = Σlo L l ltt MNCN MNTT MNTN l0 H hkt Hc 19 Các kích thước cầu (t.theo) • Các mức nước – Mức nước lịch sử (MNLS) • Là mức nước lớn người ta điều tra – Mức nước cao (MNCN) • Là kết tính tốn ứng với tần suất quy định P = 1% hoặc 2% • Nếu nói: MNCN ứng với tần suất thiết kế 1% có nghĩa mức nước lũ mà 100 năm xuất 1 lần – Mức nước thơng thuyền (MNTT) • Là mức nước cao cho phép tàu bè qua lại thường lấy với P = 5% • Từ MNTT có thể xác định chiều cao khổ gầm cầu nhịp thông thuyền – Mức nước thấp (MNTN) • Được đo mùa cạn ứng với tần suất quy định P = 1% hoặc 2% • Căn vào MNTN để bố trí nhịp thơng thuyền 20 10 10/15/2013 Phân loại cơng trình cầu (t.theo) • Phân loại theo tiêu chí khác – Theo đặc điểm riêng cơng trình: • Cầu phao • Cầu quay • Cầu cất … – Theo quy mơ cơng trình • • • • • Cầu nhỏ (L ≤ 25m) Cầu trung (25 ≤ L ≤ 100m) Cầu lớn (L > 100m hoặc l ≥ 30m) Cầu vĩnh cửu Cầu bán vĩnh cửu … 43 1.5. Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu – Cầu cơng trình nhân tạo nên lịch sử phát triển gắn liền với phát triển xã hội • Thời kỳ sơ khai – Con người ban đầu dựa vào tự nhiên để vượt qua các con suối, khe sâu (nhờ thân đổ vắt ngang, dây leo, cây trôi mắc vào chướng ngại vật…) – Người cổ xưa bắt chước tượng tự nhiên để tạo phương tiện vượt sơng, suối – Di tích cầu cổ xưa cầu qua sông Euphrate ở Babylon, được làm thân cọ, nhịp dài 9m, tổng chiều dài 300m (khoảng 2000 năm trước công nguyên) 44 22 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) • Thời kỳ chiếm hữu nô lệ – Để phục vụ chiến tranh lạc => cần xây dựng tuyến đường cầu => hệ thống giao thông bắt đầu phát triển – Đầu tiên cầu gỗ xuất hiện, sau cầu đá 45 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) • Thời kỳ trước đầu công nguyên – Những cầu làm tre, gỗ cổ xưa xuất ở Trung Quốc Ấn Độ – Cầu mút thừa gỗ qua sông Jhelum ở Srinagar (Ấn Độ) xây dựng cách xếp gỗ vươn hẫng hai bên trụ – Cầu vòm đá loại kết cấu phổ biến ở Trung Đông, Ai Cập Châu Âu. 46 23 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu vòm đá Pont du Gard Aqueduct, France Xây dựng năm 19 trước Công nguyên Cầu cao 47.2m so với mặt nước – Tổng chiều dài cầu 270m 47 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) • Thời kỳ Phục hưng (Thế kỷ 14‐16 sau CN) – Các ngành khoa học bắt đầu phát triển bao gồm toán học, vật lý, kết cấu, vật liệu… nên tạo tiền đề sở lý luận tính tốn cho tính tốn thiết kế cầu • Thời kỳ Cách mạng công nghiệp (Thế kỷ 17‐18) – Các kiện có tác động lớn đến phát triển cầu bao gồm: • Kim loại sử dụng làm vật liệu kết cấu • Sự đời tàu hỏa • Sự đời loại máy công nghiệp – Năm 1741 người Anh xây dựng cầu treo dây xích sắt nhịp 22m qua sơng Tess. 48 24 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) – Năm 1776 một kỹ sư người Nga tên là Ku‐li‐bin đã thực hiện đồ án thiết kế chiếc cầu vòm gỗ nhịp 310m bắc qua sơng Nêva ở Pê‐téc‐bua. – Cũng trong thời kỳ này xuất hiện cầu kim loại, đầu tiên là chiếc cầu vòm bằng gang bắc qua sơng Severn (Anh), nhịp 31m vào năm 1776 ‐ 1779 49 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) • Thời kỳ đại (Thế kỷ 19 đến đầu TK 20) – Ngành xây dựng cầu phát triển mạnh mẽ và phong phú về mọi phương diện. – Ngành chế tạo thép phát triển mạnh. Các công nghệ chế tạo thép “giá rẻ” ra đời: Kelly (USA), Bessemer (England) – Thép đạt được cường độ cao hơn – Kết cấu giàn, giàn vòm vẫn được ưa chuộng – Cầu treo nhịp lớn bắt đầu phát triển rộng rãi – Cầu bê tơng cốt thép bắt đầu xuất hiện với những cơng trình được xây dựng ở Pháp, Đức – Năm 1875 Joseph Monier xây cầu BTCT đầu tiên dài 50ft (15,24m) rộng 13ft (3,96m). 50 25 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) – KS người Pháp Francois Hennebique đã phát triển MCN chữ T, ơng ta và những học trò của ơng ta như KS người Thuỵ Sĩ Robert Maillart đã xây dựng một vài cầu vòm BTCT nổi tiếng, Những cầu BTCT của Maillart được xem như là biểu tượng về thẩm mỹ – Giai đoạn cuối thế kỷ 19 cầu BTCT chủ yếu là cầu nhịp nhỏ ‐ cầu bản, dầm, vòm (năm 1896 xây dựng cầu vòm nhịp đến 45m) – Đầu thế kỷ 20, đã bắt đầu làm cầu liên tục, cầu khung, dầm cơng xon nhịp đến 30‐40m. Trong giai đoạn này cầu thường dùng phương pháp đổ BT liền khối và là BTCT thường nên nhịp nhỏ 51 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Eads Bridge, Missouri, hồn thành 1898, nhịp = 158m Firth of Forth Bridge, UK, hồn thành 1890, nhịp = 521m 52 26 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) • Lịch sử phát triển cầu treo dây võng dây văng – Ý tưởng hệ dây treo xuất từ vài kỷ trước ở rải rác số nơi giới – Một vài cầu treo cổ xưa tìm thấy ở Bắc Ấn độ, Burma và Peru có nhịp lên tới 33m – Do nhu cầu vượt nhịp lớn, cầu treo dây võng phát triển nhanh • Năm 1929 chiếc cầu treo có nhịp lớn cầu Ambassador (Mỹ vượt nhịp 564m) • Năm 1932 (chỉ 3 năm sau đó) cầu George Washington ở New York đã vượt nhịp dài tới 1067m 53 Sơ lược lịch sử phát triển công trình cầu (t.theo) Cầu treo cổ xưa có dây chủ 54 27 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo cổ xưa có mặt cầu đặt trực tiếp lên 2 dây chủ 55 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo cổ xưa có mặt cầu đặt trực tiếp lên 2 dây chủ tăng cứng 56 28 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo cổ xưa có dạng 4 dây chủ song song 57 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo cổ xưa có dạng thùng kéo tay (được phát triển dựa cầu treo cổ xưa loại dây chủ) 58 29 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo dây võng George Washington – Hoa Kỳ Nhịp dài 1067m – Hồn thành 10/1931 59 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo dây võng Goden Gate – Hoa Kỳ Nhịp dài 1280m – Hoàn thành năm 1939 60 30 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Năm 1940 ở Mỹ xảy tai nạn cầu treo dây võng Tacoma nhịp 853m (công trình hồn thành 6 tháng) 61 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo dây võng Tacoma sau xây dựng lại đưa vào khai thác 14/10/1950 62 31 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu treo dây võng Akashi‐Kaikyo – Nhật Bản Chiều dài nhịp 1991m 63 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu dây văng Normandie – Pháp Cầu bắc qua sơng Seine – Hồn thành năm 1994 Nhịp dài 856m 64 32 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu dây văng Tatara – Nhật Bản Hai mặt phẳng dây – Hồn thành năm 1999 Nhịp dài 890m 65 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu dây văng Sutong – Trung Quốc Với chiều dài nhip đạt kỷ lục 1088m 66 33 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu Milau (Pháp) – là cầu dây văng liên tục 1 mặt phẳng dây Thi cơng phương pháp đúc đẩy – Hồn thành năm 2004 Milau cầu cao giới với đỉnh tháp cao tới 343m 67 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Cầu Seri Wawasan (Malaysia) Cầu dây văng có kiến trúc con thuyền hùng vĩ lướt sóng 68 34 10/15/2013 Sơ lược lịch sử phát triển cơng trình cầu (t.theo) Tồn cảnh cầu Seri Wawasan (Malaysia) 69 1.6. Một số phương hướng phát triển • Về vật liệu – Sử dụng vật liệu có cường độ cao (thép cường độ cao, thép hợp kim, bê tông cường độ cao) – Dùng vật liệu nhẹ (bê tông cốt liệu nhẹ, hợp kim nhơm) Nhằm mục đích giảm khối lượng vật liệu giảm trọng lượng thân kết cấu • Về liên kết ghép nối – Sử dụng biện pháp liên kết ghép nối có chất lượng cao, thực đơn giản, tiết kiệm chi phí ví dụ như: • Bu lơng cường độ cao cho kết cấu thép • Keo dán epoxy cho kết cấu bê tông 70 35 10/15/2013 Một số phương hướng phát triển (t.theo) • Về kết cấu – Sử dụng kết cấu hợp lý áp dụng biện pháp điều chỉnh ứng suất nhằm tiết kiệm vật liệu • Kết cấu trực giao • Kết cấu Thép‐BTCT liên hợp • Kết cấu ứng suất trước • Kết cấu dầm tiết diện hộp • Cầu khung‐dầm BTCT ứng suất trước • Các sơ đồ cầu treo với biện pháp tăng cường độ cứng 71 Một số phương hướng phát triển (t.theo) • Về cơng nghệ thi cơng – Tiến cơng nghệ thi cơng đóng vai trò đặc biệt quan trọng phát triển ngành xây dựng cầu thời gian gần đây. – Các cơng nghệ thi cơng tiên tiến bao gồm: • Lắp hẫng • Đúc hẫng • Lắp đẩy • Đúc đẩy 72 36 ... (CTC) • 1. 3. Các kích thước cơ bản của cơng trình cầu • 1. 4. Phân loại cầu cống • 1. 5. Sơ lược về lịch sử ngành xây dựng cầu • 1. 6. Phương hướng phát triển của ngành xây dựng cầu 10 /15 /2 013 1. 1. Định nghĩa và tầm quan trọng của CTNTTĐ... P = 10 % • Chiều rộng cầu khổ cầu – Ví dụ, với khổ cầu K = 11 + 0.5 x 2 tức là: • Bề rộng đường xe chạy Bxe = 11 m, • Bề rộng chân lan can Blc = 0.5m Chiều rộng tồn cầu: B = 11 + 0.5 x 2 B = 12 m.. .10 /15 /2 013 CHƯƠNG I Khái niệm cơng trình nhân tạo đường Nội dung chương • 1. 1. Định nghĩa và tầm quan trọng của các cơng trình nhân tạo trên tuyến đường • 1. 2. Các bộ phận của