Theo định nghĩa trước đây, cầu được hiểu là công trình vượt qua các chướng ngại vật. chướng ngại vật có thể là: eo biển, sông, suối, khe núi, thung lũng, nhà máy, chợ, vượt đường hoặc đi dọc trên đường khác, … Mục đích chính yếu của công trình cầu là phục vụ sự qua lại của các phương tiện giao thông. Ngoài ra, có loại cầu còn được dùng vào mục đích khác như dẫn nước, dầu, khí, … Theo định nghĩa của 22TCN27205 và mới đây nhất là TCVN118232017, Cầu được hiểu là một kết cấu bất kỳ vượt khẩu độ không dưới 6,1m tạo thành một phần của một con đường.
Chương – Giới thiệu chung BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG - KHOA XÂY DỰNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC VINH BÀI GIẢNG THIẾT KẾ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THIẾT KẾ THEO TCVN 11823-2017 Đặng Huy Khánh Bộ môn cầu đường _ VUNI Vinh, 2018 MỤC LỤC CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Định nghĩa cơng trình cầu: 1.2 Các phận cơng trình cầu: 1.3 Phân loại cơng trình cầu: 1.3.1 Phân loại theo vật liệu: 1.3.2 Phân loại theo tải trọng sử dụng: 1.3.3.Phân loại theo sơ đồ kết cấu: 1.4 Lịch sử phương hướng phát triển: 12 1.4.1 Sơ lược lịch sử phát triển cầu BTCT: 12 1.4.2 Sơ lược lịch sử phát triển cầu Việt Nam: 14 1.4.3 Phương hướng phát triển: 15 1.5 Quan điểm tiêu chuẩn thiết kế cầu: 15 1.5.1 Tiêu chuẩn thiết kế: .15 1.5.2 Quan điểm, triết lý thiết kế: 16 1.5.3 Các trạng thái giới hạn: .16 1.6 Ví dụ thiết kế phương án cầu: 17 CHƯƠNG 19 VẬT LIỆU TRONG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 19 2.1 Khái niệm chung bê tông cốt thép: .19 2.2 Bê tông: .19 2.2.1 Yêu cầu chung bê tông: 19 2.2.2 Bê tông chất lượng cao: .20 2.2.3 Cường độ đặc trưng lý bê tông: 22 2.3 Cốt thép: .26 2.3.1 Yêu cầu chung: 26 2.3.2 Cốt thép thường: 27 2.3.3 Cốt thép dự ứng lực: 28 2.4 Phân bố ứng suất tiết diện bê tông cốt thép: .28 CHƯƠNG 31 TẢI TRỌNG, TỔ HỢP TẢI TRỌNG 31 3.1 Khái niệm chung: .31 3.2 Tải trọng: 32 3.3 Hệ số tải trọng tổ hợp tải trọng: .42 3.3.1 Tổng quan: 42 3.3.2 Hệ số tải trọng tổ hợp tải trọng: 43 3.3.3 Hệ số tải trọng dùng thi công: 45 3.3.4 Các phương pháp phân tích kết cấu chấp nhận: 45 CHƯƠNG 47 CẦU BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP .47 4.1 Đặc điểm cầu bê tông cốt thép: 47 4.2 Các sơ đồ thiết kế cầu bản: 47 4.2.1 Cầu mố nặng: 47 4.2.2 Cầu mố nhẹ: 48 4.2.3 Cầu dạng mút thừa: .49 4.2.4 Cầu dầm liên tục: 49 4.3 Cấu tạo cầu bê tông cốt thép: .49 4.3.1 Cấu tạo cầu đúc chỗ: 49 4.3.2 Cấu tạo cầu lắp ghép bán lắp ghép: 52 4.4 Nguyên lý tính tốn kết cấu nhịp cầu bản: 56 4.4.1 Chiều cao bản: .56 4.4.2 Chiều rộng làm việc cầu bản: (Mục 6.2.3, phần 4) 56 4.4.3 Nguyên tắc xác định nội lực mặt cầu toàn khối: 58 CHƯƠNG 60 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP 60 5.1 Khái niệm cầu dầm BTCT: 60 5.2 Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép đổ chỗ: .61 5.2.1 Tổng thể: 61 5.2.2 Bản mặt cầu: 62 5.2.3 Dầm chủ: .62 5.2.4 Dầm ngang: 62 5.2.5 Dầm dọc phụ: 62 5.3 Cấu tạo dầm bê tông cốt thép lắp ghép: .63 5.3.1 Tổng thể: 63 5.3.2 Một số loại mặt cắt ngang phổ biến nay: .63 5.3.3 Nguyên tắc phân khối: 64 5.3.4 Các phương pháp phân khối: .65 5.3.5 Cấu tạo mối nối: 66 5.3.6 Các kích thước bản: 67 5.3.7 Bố trí cốt thép (mục 10, phần 5, TCVN11823-2017): 69 5.4 Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép: 74 5.5 Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước: .75 5.5.1 Nguyên lý cấu tạo: .75 5.5.2 Mặt cắt điển hình: 75 5.5.3 Bố trí cốt thép ứng suất trước: .80 5.5.4 Cốt thép thường dầm bê tông cốt thép ứng suất trước: 82 5.5.5 Các hệ thống bố trí cốt thép ứng suất trước dầm giản đơn: .83 5.5.6 Cấu tạo neo - kích - cốt thép cường độ cao: 85 5.6 Bản liên tục nhiệt: .87 5.6.1 Cấu tạo sơ đồ kết cấu nhịp liên tục nhiệt: 87 5.6.2 Kết cấu nối liên tục nhiệt: .89 5.7 Kết cấu nhịp bán liên tục: 90 CHƯƠNG 94 THIẾT KẾ, TÍNH TỐN CẦU DẦM BÊ TƠNG CỐT THÉP 94 6.1 Khái niệm chung: .94 6.2 Tính tốn thiết kế mặt cầu bê tông cốt thép: 95 6.2.1 Xác định kích thước mặt cầu: .95 6.2.2 Tính tốn nội lực mặt cầu: 96 6.3 Tính hệ số phân phối ngang: 108 6.3.1 Khái niệm hệ số phân phối ngang tải trọng: 108 6.3.2 Tính hệ số phân phối ngang theo nguyên lý đòn bẩy: .109 6.3.3 Tính hệ số phân phối ngang theo phương pháp nén lệch tâm: 110 6.3.4 Tính hệ số phân phối ngang theo phương pháp dầm liên tục gối đàn hồi: .112 6.3.5 Tính hệ số phân phối ngang theo tiêu chuẩn: 112 6.4 Tính nội lực dầm chủ: .115 6.4.1 Khái niệm: 115 6.4.2 Trình tự tính tốn nội lực dầm chủ: 115 6.5 Tính tốn dầm bê tông cốt thép ứng suất trước: .120 6.5.1 Xác định đặc trưng hình học tiết diện dầm: 120 6.5.2 Thiết kế tiết diện dầm bê tông cốt thép dự ứng lực: 124 6.5.3 Kiểm toán dầm theo trạng thái giới hạn: .132 CHƯƠNG 145 CẦU DẦM THI CƠNG PHÂN ĐOẠN VÀ CẦU VỊM BTCT 145 7.1 Cầu dầm thi công phân đoạn: 145 7.1.1 Khái niệm chung: 145 7.1.2 Một số biện pháp thi công cầu dầm phân đoạn phổ biến: 145 7.1.3 Các kích thước .146 7.2 Cầu vịm bê tơng cốt thép: 147 7.2.1 Các sơ đồ cầu vịm bê tơng cốt thép: 147 7.2.2 Các dạng cấu tạo cầu vịm bê tơng cốt thép: .148 7.2.3 Cấu tạo mố trụ cầu vòm: 150 PHỤ LỤC 153 ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG PHẢN LỰC VÀ NỘI LỰC DẦM LIÊN TỤC 153 Chương – Giới thiệu chung CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CHUNG * Mục tiêu: - Nhớ khái niệm cơng trình cầu, phân biệt với dạng kết cấu cơng trình bê tơng cốt thép khác - Phân biệt loại cầu bê tông cốt thép, cấu tạo cách phân loại kết cấu cơng trình cầu bê tơng cốt thép - Hiểu biết lịch phát triển công nghệ cầu, mục tiêu nhiệm vụ tương lai * Nội dung: 1.1 Định nghĩa cơng trình cầu: - Theo định nghĩa trước đây, cầu hiểu cơng trình vượt qua chướng ngại vật chướng ngại vật là: eo biển, sông, suối, khe núi, thung lũng, nhà máy, chợ, vượt đường dọc đường khác, … Mục đích yếu cơng trình cầu phục vụ qua lại phương tiện giao thông Ngồi ra, có loại cầu cịn dùng vào mục đích khác dẫn nước, dầu, khí, … - Theo định nghĩa 22TCN272-05 TCVN11823-2017, Cầu hiểu kết cấu vượt độ không 6,1m tạo thành phần đường 1.2 Các phận cơng trình cầu: Cầu cơng trình nhân tạo để nối liền đường, vượt qua chướng ngại mà tuyến đường không vịng tránh Các phận cơng trình cầu gồm có: Kết cấu nhịp mố trụ, kết cấu nhịp mố trụ gối cầu (hình 1.1) ngồi phận cịn có số cơng trình phụ khác như: đường đầu cầu, phần tứ nón, cơng trình điều chỉnh dịng sơng, thiết bị chiếu sáng, chống sét, v.v mà tuỳ theo cơng trình có bố trí hay khơng L 10m li 10m li li MNCN MNTT MNTN Hình 1.1 – Sơ đồ cầu BTCT 1- Móng; 2- Bệ móng; 3- Mố; 4- Trụ; 5- Gối; 6- Kết cấu nhịp 1.2.1 Các phận cơng trình cầu chức năng: - Kết cấu phần dưới: Gồm có móng (1), bệ móng (2), thân mố (3), thân trụ (4) hình 1.1; Đây phận liên kết cơng trình với đất, có chức đảm bảo cho cơng trình cầu ổn định, vững trình khai thác Đặng Huy Khánh_VUNI Chương – Giới thiệu chung - Kết cấu phần trên: Gồm có hệ dầm chủ (6), phận tiện ích khác mặt cầu, lớp phủ mặt cầu, lan can, khe giãn, chiếu sáng, Đây phận phục vụ mục tiêu khai thác cơng trình, có chức mang tải trọng khai thác để truyền xuống kết cấu phần - Gối cầu: Bộ phận liên kết kết cấu phần kết cấu phần dưới, điểm truyền lực chuyển đổi tải trọng với tác động khác Có nhiều loại gối cầu, tùy nhu cầu khai thác cơng trình loại cơng trình cầu để sử dụng loại gối cầu phù hợp cơng trình - Đường hai đầu cầu: 10m đường hai đầu cầu thuộc phạm vi cơng trình cầu, phận chuyển tiếp kết cấu cứng mềm nhằm chuyển tiếp tải trọng khai thác từ đường vào cầu cách êm thuận Tứ nón sử dụng để bảo vệ đường đầu cầu 1.2.2 Các kích thước bản: Li Ld Hkt Htt H Ltt MNCN Lo MNTT MNTN Hình 1.2- Các kích thước - Trên hình 1.1 ta có L tổng chiều dài cơng trình cầu, kích thước tính từ tường cánh mố bên sang mố bên cầu 10m đường đầu cầu tính từ tường cánh mố phía đường dẫn hai đầu cầu 10m tính khối lượng cơng trình cầu - Trên hình 1.2 kích thước cơng trình cầu gồm: Li chiều dài nhịp cầu thứ i tính từ tim trụ cầu đến tim trụ cầu từ mép tường đỉnh mố cầu đến tim trụ cầu, sử dụng để thiết kế tổng chiều dài cơng trình cầu Ld chiều dài sở dầm, tính từ mép đầu dầm cầu đến mép cuối dầm, sử dụng để chế tạo phiến dầm Ltt chiều dài tính tốn, tính từ tim gối cầu trụ cầu đến trụ cầu kia, kích thước đặc trưng phục vụ tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu L0 độ nước, tính từ mép ngồi trụ than mố cầu đến mép than trụ đối diện Nếu cầu có nhiều nhịp L0 = ∑L0i với i = 1,2, n số nhịp cầu, Khẩu độ thoát nước sử dụng để tính tốn thiết kế tổng chiều dài cầu số lượng nhịp cầu đảm bảo không xâm phạm độ thoát nước quy định H chiều cao thơng thủy, tính từ mực nước cao đến đáy dầm cầu, chiều cao tối thiểu cho phép 0,5m nhằm đảm bảo đủ khoảng không cho vật thể trôi song mù nước lũ giảm tác động bất lợi đến cơng trình cầu Đặng Huy Khánh_VUNI Chương – Giới thiệu chung Hkt chiều cao kiến trúc, tính từ đáy dầm đến mặt đường xe chạy, sử dụng để thiết kế kiến trúc chung cơng trình Htt chiều cao mực nước thông thuyền, chiều cao tính từ mặt nước thơng thuyền đến cao độ đáy dầm cầu, đảm bảo đủ khoảng không theo quy định thông thuyền cho loại cấp sông, sử dụng kết hợp với H để thiết kế tổng thể chiều cao cơng trình Theo quy định TCVN 11823-2017, khổ thông thuyền quy định bảng sau: Bảng 1.1-Khổ giới hạn thơng thuyền sơng có thông thuyền - Mực nước: Mực nước cao (MNCN): mực nước lũ xác định theo lịch sử lũ dịng sơng nơi đặt cơng trình cầu theo tần suất thiết kế P1% P2% Mực nước sử dụng để thiết kế chiều cao tổng thể cơng trình cầu đảm bảo an tồn tối thiểu Mực nước thông thuyền (MNTT): mực nước xác định trung bình hàng năm theo số liệu đo đạc trung tâm khí tượng thủy văn địa phương với tần suất thiết kế trung bình P5% Mực nước sử dụng để thiết kế chiều cao tối thiểu cơng trình cầu đảm bảo cho phương tiện đường thủy lại thuận tiện theo quy định cấp sông Mực nước thấp (MNTN): mực nước thấp xác định trung bình hàng năm theo số liệu thống kê địa phương với tần suất P1% P2%, sử dụng để tính tốn xói lở xác định sơ thời điểm thi công phù hợp Đặng Huy Khánh_VUNI Chương – Giới thiệu chung - Chiều rộng khổ cầu: Blc Bng B Bng Blc Hình 1.3- Mặt cắt ngang cầu Chiều rộng cầu (có nơi gọi khổ cầu) tồn chiều rộng cơng trình cầu tính từ mép lan can bên đến mép lan can bên cầu Bcầu = B + 2xBng + 2xBlc, đó: B chiều rộng xe chạy, bao gồm giải phân cách có Bng chiều rộng phần lề người Blc chiều rộng chân lan can cầu Khổ giới hạn cầu đường bộ: Khổ giới hạn đứng: khoảng không gian theo phương đứng đảm bảo cho phương tiện lưu thông cầu đủ không gian di chuyển theo quy định tối thiểu điều 4.10.2 TCVN 4054-2005 Đối với cầu cấp I, II, III khổ giới hạn đứng tối thiểu 4,75m cấp lại 4,5m Khổ giới hạn ngang: Chiều rộng cầu không nhỏ chiều rộng đoạn đường đầu cầu bao gồm lề bó vỉa, rãnh nước đường người Đảm bảo đủ khơng gian an tồn cho phương tiện lưu thơng bảo vệ kết cấu cầu theo quy định điều 3.2.2 TCVN 11823-2017, vật thể rào chắn hay kết cấu khác phải đặt cách mép xe tối thiểu 600mm - Các loại cao độ cầu: Cao độ hiểu vị trí kết cấu cơng trình xét mặt độ cao so với mực nước thủy chuẩn (cao động thủy chuẩn 0m tính mốc Hịn Dấu), cơng trình cầu cần ghi rõ loại cao độ sau: Cao độ đáy dầm Cao độ mặt đường xe chạy Cao độ đỉnh xà mũ đáy trụ Cao độ đáy bệ móng đáy móng 1.3 Phân loại cơng trình cầu: 1.3.1 Phân loại theo vật liệu: - Cầu gỗ: Loại cơng trình cầu thiết kế thi cơng tồn gỗ có có kết cấu nhịp vật liệu gỗ Loại cầu nhẹ, đẹp song phục vụ tải trọng nhỏ người bộ, Đặng Huy Khánh_VUNI Chương – Giới thiệu chung nhịp cầu nhỏ, độ bền không cao, tốn chi phí tu bảo dưỡng Ở Việt Nam có cầu điển cầu Thê Húc (Nà Nội), cầu Chùa (Quảng Nam), … - Cầu đá: Loại cơng trình cầu thiết kế xây dựng hoàn toàn đá ghép nguyên khối, loại cầu có trọng lượng lớn, đồ sộ, vượt nhịp nhỏ Loại cầu thường xuất từ xa xưa đến bị thảo dỡ thay làm kỷ niệm khơng cịn phổ biến giao thông - Cầu thép: Loại công tình cầu thiết kế xây dựng hồn tồn thép có kết cấu nhịp cầu làm thép Đây loại cơng trình phát triển kỷ 15-17 Nhiều cơng trình cầu thép xây dựng có khả vượt nhịp đáng kể, kết hợp với dây treo cho đời cơng trình cầu lớn, kỷ lục giới Tuy nhiên, nhược điểm lớn loại cầu chi phí đắt đỏ, tốn vật liệu chi phí tu bảo dưỡng hàng năm tốn - Cầu bê tông, bê tông cốt thép, bê tơng cốt thép dự ứng lực: Loại cơng trình cầu thiết kế xây dựng vật liệu bê tơng, bê tơng cốt thép có khơng có dự ứng lực Đây loại cơng trình phát triển mạnh mẽ từ kỷ 18 đến mà chưa có vật liệu tối ưu thay Cầu có độ bền theo thời gian, khơng tốn chi phí bảo dưỡng kết cấu đồ sộ thiếu mỹ quan, trọng lượng nặng nên khả vượt nhịp chưa lớn 1.3.2 Phân loại theo tải trọng sử dụng: - Cầu cho người bộ: Cầu thiết kế thi công để phục vụ cho người bộ, phổ biến thành phố lớn, làm kết cấu kết nối tịa nhà, cơng trình nhà ga, … - Cầu đường ô tô: Cầu thiết kế xây dựng phục vụ giao thông phương tiện tuyến đường bộ, loại cơng trình cầu phổ biến xây dựng nhiều - Cầu đường sắt: Cầu thiết kế xây dựng để phục vụ giao thông đường sắt, tuyến tàu hỏa qua địa hình khó khan không kết nối với tuyến đường - Cầu chung: Cầu thiết kế xây dựng để phục vụ loại phương tiện giao thông kể đường sắt, đường bộ, người cầu Long Biên Hà Nội, cầu Hàm Rồng Thanh Hóa, … - Cầu đặc biệt: Cầu thiết kế xây dựng mục đích đặc biệt, để phục vụ giải trí, lưu giữ kỷ niệm, phụ vụ quân sự, chiến tranh, cầu phao, cầu cất, … 1.3.3.Phân loại theo sơ đồ kết cấu: a Hệ thống cấu dầm: - Đặc điểm: tác dụng tải trọng thẳng đứng gối tựa phát sinh thành phần lực thẳng đứng - Các loại cầu dầm: Dầm đơn giản: Dầm mút thừa: Dầm liên tục: Đặng Huy Khánh_VUNI ... tiêu chuẩn thiết kế cầu: 1.5.1 Tiêu chuẩn thiết kế: - Tiêu chuẩn Việt nam TCVN 11823 – 1:2017 Thiết kế cầu đường - Tiêu chuẩn ngành 22-TCN272-05 Tiêu chuẩn thiết kế cầu Đặng Huy Khánh_VUNI 15 Chương... trình cầu Nội dung chương học cung cấp thông tin loại tải trọng tác dụng lên cơng trình cầu theo quy định Tiêu chuẩn quốc gia số TCVN1 1823-2017 ? ?Thiết kế cầu đường bộ” dựa tiêu chuẩn thiết kế cầu. .. điểm tiêu chuẩn thiết kế cầu: 15 1.5.1 Tiêu chuẩn thiết kế: .15 1.5.2 Quan điểm, triết lý thiết kế: 16 1.5.3 Các trạng thái giới hạn: .16 1.6 Ví dụ thiết kế phương