Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương 1: Khái niệm chung về cầu thép cung cấp cho người học các kiến thức: Những đặc điểm cơ bản và phạm vi sử dụng, vật liệu dùng trong cầu thép, các hệ thống chính của cầu thép,... Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
4/18/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU THÉP NGUYỄN NGỌC TUYỂN Bộ môn Cầu Công trình ngầm website: http://48cdhn2.tk/ 4‐2012 TÀI LIỆU THAM KHẢO • 1. Lê Đình Tâm, “Cầu thép”, NXB Giao thơng vận tải, Hà Nội, 2004 • 2. Lê Đình Tâm, Nguyễn Tiến Oanh, Nguyễn Trâm, “Xây dựng cầu thép”, NXB Xây dựng, Hà Nội, 1996 • 3. Bộ GTVT, “Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272.05”, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội 2007 • 4. Wai Fan Chen and Lien Duan, “Bridge Engineering Handbook”, NXB CRC press, NewYork, 2000 • 5. Richard M.Baker, Jay A.Pucket, “Design of highway bridge”, NXB MC Graw Hill, 1997 2 4/18/2012 CHƯƠNG I Khái niệm chung cầu thép 3 1.1. Những đặc điểm phạm vi sử dụng • Ưu điểm: – “Độ nhẹ” của vật liệu thép nhỏ vật liệu khác bê tông, gỗ… • Trong “độ nhẹ” được đánh giá hệ số c là tỉ số tỉ trọng cường độ vật liệu c = γ / F • Ví dụ “độ nhẹ” của BTCT c = 240x10‐5(m‐1), của gỗ c=45x10‐5(m‐1) trong thép là c = 37x10‐5(m‐1); – Do độ nhẹ vật liệu thép nhỏ nên kết cấu thép có khả chịu lực lớn mà khơng cần có mặt cắt chịu lực lớn => kết cấu thép có hình dáng mảnh – Việc tính tốn kết cấu thép có độ tin cậy cao. Vật liệu thép có cấu trúc đồng đều, có mơ đun đàn hồi lớn phạm vi làm việc đàn hồi kết cấu thép phù hợp với giả thiết sức bền vật liệu (đồng nhất, đẳng hướng, tiết diện phẳng…) – Tính chịu lực cao với loại ứng suất: kéo, nén, uốn, cắt, xoắn 4 4/18/2012 Những đặc điểm (t.theo) – Thép có modun đàn hồi cao, độ cứng lớn, độ võng nhỏ đảm bảo điều kiện khai thác bình thường tác động đặc biệt động đất, gió bão – Thép có tính dẻo cao, trạng thái phá hoại thường ở trạng thái dẻo tức trạng thái phá hoại có kèm theo biến dạng lớn tạo điều kiện phân bố lại nội lực ứng suất đồng thời cảnh báo sớm tình trạng nguy hiểm kết cấu trước bị sụp đổ do quá tải – Phù hợp với thi công lắp ghép, khả giới hóa cao do các cấu kiện sản xuất hàng loạt xưởng với độ xác cao – Kết cấu thép dễ kiểm tra, sửa chữa, gia cố, tăng cường • Nhược điểm – Kết cấu thép dễ bị han gỉ đặc biệt môi trường có độ xâm thực lớn do đó địi hỏi phải có biện pháp phòng chống gỉ bảo dưỡng kết cấu thép => công tác tu bảo dưỡng tốn 5 6 1.2. Vật liệu dùng cầu thép • Đặc điểm cơng trình cầu – Nằm ngồi trời, chịu ảnh hưởng trực tiếp môi trường – Tải trọng tác động lên cơng trình lớn cường độ có tính chất “động lặp” • u cầu vật liệu – Do đặc điểm cơng trình cầu nói trên, vật liệu thép dùng làm cầu cần phải có chất lượng cao – Thỏa mãn yêu cầu, quy định đặc trưng lý, thành phần hóa học cơng nghệ chế tạo 4/18/2012 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) • Cấu tạo thành phần thép – Vật liệu thép hợp chất sắt (Fe), cácbon (C) và nhiều thành phần phụ gia khác nhôm (Al), Bo (B), Crôm (Cr), đồng (Cu), mangan (Mn), niken (Ni), phốt pho (P), lưu huỳnh (S), silic (Si), titan (Ti) – Các phụ gia kể cho thêm vào theo tỷ lệ định để tạo loại thép có đặc tính khác nhau. Các ảnh hưởng phụ gia tới tính chất thép liệt kê ở Bảng 1.1 – Ngồi ra, đặc tính thép cịn phụ thuộc vào phương pháp cơng nghệ chế tạo. Ví dụ, thép cán nóng làm nguội chậm làm tăng tính dẻo độ bền nứt vỡ lại làm giảm độ cứng ứng suất dư. Với thép làm nguội nhanh dạng nước dầu làm tăng độ cứng cường độ 7 Bảng 1.1. Ảnh hưởng phụ gia đến tính chất thép Hợp kim Tác dụng Nhôm (Al) Tăng cường độ độ bền thép, khử bọt Bo (B) Tỷ lệ nhỏ (0.0005%), tăng độ cứng cho thép Cacbon (Ca) Tăng cường độ độ cứng; giảm độ dẻo, độ bền tính hàn Crôm (Cr) Tăng cường độ khả chống chịu ăn mòn Đồng (Cu) Tăng khả chống chịu ăn mòn Mangan (Mn) Tăng cường độ, khử ảnh hưởng xấu lưu huỳnh (S) Moly (Mo) Tăng khả chịu kéo nhiệt độ cao, giảm ảnh hưởng từ biến Niken (Ni) Tăng cường độ độ bền Nitơ (N) Tăng cường độ độ cứng Phốtpho (P) Tăng cường độ độ cứng; giảm độ dẻo độ bền; tăng khả chống chịu ăn mòn Lưu huỳnh (S) Đây thành phần có hại; giảm độ dẻo, độ bền khả hàn Titan (Ti) Giảm ảnh hưởng từ biến; tăng độ cứng cường độ phá hoại 8 4/18/2012 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) • Phân loại thép – Việc phân loại đặt tên mã hiệu thép theo quy định riêng nước. Mã hiệu thép có chữ số để thành phần kim loại có thép đặc trưng học thép – Ví dụ số loại thép Liên Xơ (cũ): • Thép cacbon: CT3M, M16C, st37, A37 • Thép hợp kim thấp: 15XCHÄ,10XCHÄ, ST52, A52 – Giới hạn chảy bền tối thiểu thép than là 240MPa và 380MPa; của thép hợp kim thấp 340MPa và 490MPa – Một số loại thép Mỹ : • Thép cacbon: Grade 250 (có giới hạn chảy fy = 250MPa và giới hạn bền fu = 400MPa; chiều dày đạt tới 100mm) 9 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) • Thép hợp kim thấp: Grade 345 (có giới hạn chảy fy = 345MPa và giới hạn bền fu = 450MPa; chiều dày đạt tới 100mm) • Thép hợp kim thấp có qua xử lý nhiệt: Grade 485 (có giới hạn chảy fy = 485MPa và giới hạn bền fu = 620MPa; chiều dày đạt tới 100mm) • … • => Chi tiết liệt kê ở Bảng 1.2 (cấp thép có có ký hiệu “W” là thép có khả chống gỉ cao thép cacbon sử dụng nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ) • Hai thuộc tính tất cấp thép coi không đổi: Mô đun đàn hồi Es = 200 GPa, và Hệ số giãn nở nhiệt α = 11.7x10‐6 10 10 4/18/2012 Bảng 1.2. Đặc trưng học thép cán dùng cho cơng trình cầu theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ Thép Cacbon Thép hợp kim thấp cường độ cao Ký hiệu theo AASHTO M270 Grade 250 M270 Grade 345 M270 Grade 345W M270 Grade 485W M270 Grade 690/690W Ký hiệu tương đương theo ASTM A709M Grade 250 A709M Grade 345 A709M Grade 345W A709M Grade 485W A709M Grade 690/690W Chiều dày (mm) Tới 100mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 65mm Trên 65mm tới 100mm Tất nhóm Tất nhóm Tất nhóm Khơng áp dụng Không áp dụng Không áp dụng Cường độ bền kéo nhỏ Fu (MPa) 400 450 485 620 760 690 Cường độ chảy nhỏ Fy (MPa) 250 345 345 485 690 620 Thép hình Thép hợp kim Thép hợp kim thấp thấp nhúng nhúng cường độ cao 11 11 12 12 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) Các thuộc tính học 4 cấp thép điển hình biểu diễn 4 đường cong Ứng suất – Biến dạng Các cấp thép khác có ứng xử khác ngoại trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc tọa độ Bốn cấp thép có đặc tính khác do sự khác thành phần hóa học cách gia công xử lý nhiệt 4/18/2012 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) Grade 250 là thép cacbon Thềm chảy loại thép rộng, có nghĩa độ dẻo cao, cho phép phân phối lại ứng suất mà kết cấu không bị phá hoại Grade 345 là thép hợp kim thấp cường độ cao. Đây loại thép cán nóng có điểm chảy rõ có tính dẻo cao, có thể chế tạo nhiều hình dạng. Loại có tính hàn lựa chọn ưu tiên nhà thiết kế cho cầu nhịp nhỏ nhịp trung Grade 458 là thép hợp kim thấp qua xử lý nhiệt có thành phần hóa học giống thép Grade 345. Gia cơng nhiệt nhúng nóng làm thay đổi cấu trúc thép nâng cao cường độ, độ cứng độ dai. Thép hàn sản xuất dạng Grade 690 là thép hợp kim gia cơng nhiệt cường độ cao. Q trình tơi, nhúng giống với thép Grade 345 nhưng có thành phần hợp kim khác hẳn để nâng cao cường độ chảy, độ dai ở nhiệt độ thấp. Loại có độ dẻo có ở dạng cho cơng trình cầu 13 13 14 14 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) • Ứng suất dư Ứng suất dư phát sinh do sự nguội lạnh không q trình gia cơng nhiệt, do biến dạng dẻo khơng bị cán con lăn trình gia công học, hoặc thay đổi kết cấu vi phân tử thép trình luyện thép (a) Mặt cắt thép hình H cán nóng (b) Mặt cắt hình hộp hàn (c) Bản thép cán nóng (d) Bản thép cắt mép lửa (e) Mặt cắt dầm I tổ hợp hàn cắt mép lửa 4/18/2012 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) • Hiện tượng mỏi – Khi xe cộ chạy lặp lặp lại cầu trình sử dụng, cấu kiện thép xuất ứng suất lặp. – Các ứng suất gia tăng vị trí mà vật liệu kích thước hình học cấu kiện không liên tục. – Mặc dù ứng suất nhỏ cường độ thép lặp lại nhiều lần, các hỏng hóc tích lũy, các vết nứt hình thành phá hoại kết cấu xảy – Mỏi dạng phá hoại phổ biến kết cấu thép. Như người thiết kế phải ý chọn phần tử liên kết có khả chịu mỏi cao 15 15 Vật liệu dùng cầu thép (t.theo) • Hiện tượng gỉ – Thép cầu phải thỏa mãn điều kiện chống gỉ q trình khai thác. Do đó, bắt buộc phải dùng sơn chống gỉ dùng loại thép chống gỉ. – Việc áp dụng thép chống gỉ phải phù hợp với nghiên cứu độ gỉ mơi trường. Ngồi phải ý về yêu cầu chiều dày tối thiểu cấu kiện để đảm bảo tuổi thọ điều kiện bị gỉ (tính đến hao mịn do bị gỉ). 16 16 4/18/2012 1.3. Các hệ thống cầu thép Về mặt kết cấu phân loại cầu thép sau: • 1.3.1. Cầu dầm – Được sử dụng phổ biến trước nay vẫn cịn áp dụng tương đối nhiều. Cầu dầm có đặc điểm: • Chỉ truyền áp lực thẳng đứng (dưới tác dụng tải trọng thẳng đứng) lên mố, trụ • Với cầu dầm phẳng: cấu tạo đơn giản, dễ tiêu chuẩn hóa định hình hóa do đó thi cơng tương đối đơn giản – Cầu dầm là: cầm dầm giản đơn, dầm liên tục, hoặc dầm mút thừa (dầm mút thừa dùng) 17 17 Các hệ thống cầu thép (t.theo) – Với nhịp giản đơn, cầu dầm phẳng thép vượt nhịp lên tới 61m. – Với nhịp liên tục, cầu dầm hộp thép vượt nhịp lên tới 200‐300m • Cầu PonteCosta E Silva ở Brazil xây dựng năm 1974 có nhịp 300m • Cầu Neckartalbruecke‐1 ở Đức xây dựng năm 1978 có nhịp 263m • 1.3.2. Cầu giàn – Cầu giàn thép sử dụng tương đối rộng rãi cầu đường sắt – Khi nhịp lớn, cầu giàn tiết kiệm vật liệu cầu dầm. Trong cầu giàn, các giàn chịu lực dọc chủ yếu nên tận dụng tối đa khả làm việc toàn tiết diện 18 18 4/18/2012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) – Tương tự cầu dầm, cầu giàn truyền áp lực thẳng đứng lên mố, trụ tác dụng tải trọng thẳng đứng – Dễ tiêu chuẩn hóa định hình kết cấu – Thi cơng đơn giản, có thể áp dụng công nghệ lắp hẫng không cần giàn giáo – Sơ đồ kết cấu đơn giản, liên tục, hoặc mút thừa – Trong cầu giàn, mặt cầu bố trí dưới. Chiều dài nhịp thơng thường từ 50m đến 150m và đạt nhịp tới 500m • Cầu Forth (1890) ở Scottland (L = 521m) • Cầu Quebec (1917) ở Canada (L = 549m) • Cầu Minata Ohashi (1975) ở Nhật (L = 510m) 19 19 20 20 Các hệ thống cầu thép (t.theo) 10 4/18/2012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) • 1.3.3. Cầu vịm – Cầu vòm thép thường dùng để vượt nhịp lớn. Trong cầu vịm có lực đẩy ngang nên mố, trụ thường có kích thước lớn. – Ở những nơi địa hình địa chất thích hợp cầu vượt khe núi cấu tạo chân vịm chống lực xơ ngang cầu vịm kinh tế – Kết cấu cầu vịm thép khó định hình hóa tiêu chuẩn hóa kích thước – Cầu vịm hệ vịm khơng khớp phổ biến vịm có 2 hoặc 3 khớp – Mặt cầu trên, đi tùy theo địa hình 21 21 22 22 Các hệ thống cầu thép (t.theo) – Chiều dài nhịp vịm lên tới 500m – Ví dụ số cầu vịm thép: • Cầu qua vịnh Sydney (1931) ở Australia (L = 503m) • Cầu Bayonne (1931) ở Mỹ (L = 500m) • Cầu Fayetteville (1977) ở West Virginia Mỹ (L = 518m) 11 4/18/2012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) • 1.3.4. Cầu hệ liên hợp – Cầu hệ liên hợp kết hợp hệ đơn giản ghép lại với – Hệ liên hợp hệ siêu tĩnh nên thường điều chỉnh tạo nội lực ngược dấu với nội lực do tải trọng tác dụng – Trong cầu thép, thường áp dụng hệ dầm cứng vịm dẻo, dầm cứng có biên phụ đỡ – Hệ liên hợp ngày nay có thể sử dụng cho cầu xây dựng để gia cố tăng cường khả chịu lực cầu cũ, chiều dài nhịp đạt tới 150‐200m 23 23 Các hệ thống cầu thép (t.theo) • 1.3.5. Cầu treo – Cầu treo thực chất dạng liên hợp dầm (hoặc giàn) dây đó, dầm cứng (hoặc giàn) được dây treo đỡ – Cầu treo dây parabon hay còn gọi cầu treo dây võng vượt nhịp lớn (tới hàng ngàn mét) – Cầu treo chia làm 2 loại: • Có lực ngang truyền xuống đất (qua mố hầm neo) • Khơng có lực ngang truyền xuống đất (lực ngang truyền vào dầm cứng) – Trong cầu treo, kết cấu chịu lực chủ yếu dây – Dây chịu kéo làm thép sợi cường độ cao (lên tới 1800‐2000 MPa) – Cầu treo thường vượt nhịp lớn từ 500 đến 1600m hoặc 24 24 12 4/18/2012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) – Một số cầu treo tiếng chiều dài nhịp như: • • • • Cầu Golden Gate (1937) ở Mỹ (L = 1280m) Cầu Great Belt (1997) ở Đan Mạch (L = 1624m) Cầu AkashiKaikyo (1998) ở Nhật (L = 1991m) Cầu Ải Trại (Aizhai 31‐3‐2012) ở Trung Quốc (L = 1146m) – Chiều cao tĩnh khơng lớn 350m – Ở Việt Nam • Cầu Thuận Phước sông Hàn (Đà Nẵng) xây dựng năm 2008 có chiều dài nhịp (L = 405m) 25 25 26 26 Các hệ thống cầu thép (t.theo) Cầu Ải Trại – Trung Quốc 13 4/18/2012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) • 1.3.6. Cầu dây văng – Cầu dây văng xuất từ nửa sau kỷ 20 và sử dụng phổ biến ngày – Trong cầu dây văng, các dây bố trí xiên có tác dụng gối tựa đàn hồi cho dầm cứng – Trước cầu dây văng thường xây dựng với nhịp khoảng 150m và ngày nay có thể đạt tới nhịp hàng ngàn mét – Một số cầu tiếng giới bao gồm: • • • • Cầu Tatara (1999) ở Nhật (L = 890m) Cầu Normandie (1995) ở Pháp (L = 856m) Cầu Stonecutter ở Hồng Kông (L = 1018m) Cầu Suton vượt sơng Dương Tử ở Trung Quốc (L = 1088m) – Ở Việt Nam có • Cầu Cần Thơ (L = 500m); Cầu Bãi Cháy (L = 435m) 27 27 14 ... • Cầu Quebec (19 17) ở Canada (L = 549m) • Cầu Minata Ohashi (19 75) ở Nhật (L = 510 m) 19 19 20 20 Các hệ thống cầu thép (t.theo) 10 4 /18 /2 012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) • 1. 3.3.? ?Cầu vịm – Cầu. .. Cầu qua vịnh Sydney (19 31) ở Australia (L = 503m) • Cầu Bayonne (19 31) ở Mỹ (L = 500m) • Cầu Fayetteville (19 77) ở West Virginia Mỹ (L = 518 m) 11 4 /18 /2 012 Các hệ thống cầu thép (t.theo) • 1. 3.4.? ?Cầu. .. cầu chiều dày tối thiểu cấu kiện để đảm bảo tuổi thọ điều kiện bị gỉ (tính đến hao mịn do bị gỉ). 16 16 4 /18 /2 012 1. 3. Các hệ thống cầu thép Về mặt kết cấu phân loại cầu thép sau: • 1. 3 .1. Cầu