Gối cầu bê tông cốt thép

Giáo trình Cầu BTCT 201 6. Gối cầu bê tông cốt thép 6.1. Khái niệm Gối cầu l bộ phận (hệ thống cơ học) nối giữa kết cấu phần trên v kết cấu phần dới (trụ, mố), với chức năng chính của chúng nh sau : 1. Truyền tải trọng từ kết cấu phần trên tới kết cấu phần dới. 2. Đảm bảo những chuyển vị tơng đối (thẳng, xoay) giữa kết cấu phần trên v kết cấu phần dới. Những lực chính tác dụng lên gối cầu bao gồm : trọng lợng bản thân của kết cấu phần trên, tải trọng xe, tải trọng gió v tải trọng động đất. Chuyển vị của gối bao gồm thẳng v xoay. Từ biến, co ngót v hiệu ứng của nhiệt độ l những nguyên nhân chính gây ra chuyển vị thẳng m có thể xảy ra ở cả hai hớng dọc v ngang. Tải trọng xe, sai số thi công v sự lún không đều của nền móng l nguyên nhân chính gây ra quay. Thông thờng gối cầu đợc nối với kết cấu phần trên thông qua tấm thép của dầm v đặt lên tấm thép của đá tảng. Tấm thép của dầm phân bố phản lực tập trung tới kết cấu phần trên. Đá tảng phân bố phản lực xuống kết cấu phần dới.Việc nối tấm thép trên với dầm có thể bằng bu lông hoặc hn đối với dầm thép còn đối với bê tông thì có thể gắn chặt vo bê tông bằng cốt thépTấm thép của đá tảng thông thờng đợc nối bằng bu lông. 6.2. Các dạng gối cầu Gối cầu có thể chia lm 2 loại chính : Cố định v di động. Gối cố định chỉ cho phép chuyển vị xoay, ngăn cản chuyển vị thẳng, gối di động cho phép cả chuyển vị thẳng v xoay. Sau đây l các loại gối thờng đợc sử dụng 6.2.1. Gối trợt Gối trợt đợc cấu tạo bằng cách cho một tấm thép trợt trên một tấm thép khác để đảm bảo chuyển vị dọc. Gối trợt gây ra lực ma sát tác dụng vo kết cấu phần trên, phần dới cũng nh vo chính bản thân nó. Để giảm lực ma sát ny lớp phủ PTFE (Polytetrafluoroethylene) thờng xuyên đợc sử dụng (vì l vật liệu có hệ số ma sát thấp). PTFE đôi khi đợc nhắc đến nh l Teflon, hoặc TFE trong tiêu chuẩn AASHTO v những tiêu chuẩn khác. Thông thờng nó bao gồm một tấm thép đợc phủ PTFE trợt trên một tấm thép khác m thờng l thép không gỉ. Gối trợt có thể sử dụng một mình hoặc nhiều khi sử dụng nh l thnh phần của dạng gối cầu khác. Gối trợt thuần tuý có thể chỉ đợc sử dụng khi chuyển vị quay có thể bỏ qua. Theo AASHTO loại gối ny có thể sử dụng cho nhịp có chiều di tối đa 15m. Hệ thống dẫn hớng có thể đợc thêm vo để kiểm soát hớng chuyển động. Nó có thể l gối cố định bằng cách đặt những cái chốt qua các tấm thép. 202 Loại gối trợt trên Hình 6-1 l kiểu đơn giản nhất, đợc chế tạo từ những thép tấm dy 20mm, áp dụng cho kết cấu nhịp 10m đến 12m. 132 6.2.2. Gối tiếp tuyến Gối tiếp tuyến bao gồm thớt trên phẳng tựa trên mặt trụ tròn của thớt dới. Vì thớt dới có mặt trụ do đó có thể thực hiện đợc chuyển vị xoay, chuyển vị thẳng nhờ sự trợt của thớt trên đối với thớt dới. Chúng đợc chế tạo từ các thép tấm dy 30-50mm. Gối di động: + Các kích thớc cơ bản: a=100-160mm; b=100-180mm; h=60-80mm; + Phạm vi áp dụng: Kết cấu nhịp giản đơn. liên tục, công xon nhịp từ l=9-18m; nhịp treo l 12m; + Trọng lợng của gối tơng ứng với phản lực thẳng đứng 10, 20, 30, 50 (T) l: 8,5; 14,5; 17; 28 (kg) Gối cố định: + Các kích thớc cơ bản của gối tiếp tuyến cố định a=110-300mm; b=100-600mm; h=60-160mm; + Phạm vi áp dụng: Chiều di kết cấu nhịp đến 60m v lớn hơn; + Trọng lợng của gối tơng ứng với phản lực thẳng đứng 10, 20, 30, 50, 70, 100, 150, 200, 300 (T) l: 9,7; 15,6; 18,5; 30; 60; 100; 150; 205; 370 (kg) Hình 6-1. Gối bản thép của Liên Xô cũ (a- cố định; b di động) Hình 6-2. Cấu tạo gối tiếp tuyến (a. cố định; b. di động) Giáo trình Cầu BTCT 203 6.2.3. Gối con lăn di động v cố định đối xứng Giữa thớt trên v thớt dới có đặt con lăn tròn hoặc vát cạnh. Hình 6-3 thể hiện cấu tạo của gối Các kích thớc cơ bản a=200-300mm; b=500-700mm; h=350-500mm; Phạm vi áp dụng: Chiều di kết cấu nhịp đến 30-70m; Trọng lợng của gối tơng ứng với phản lực thẳng đứng 70, 100, 150, 200, 300, 400, 500(T) l: 310; 460; 600; 780; 1100; 1320; 1560 (kg). Khi chiều di nhịp lớn áp lực truyền lên gối lớn, gối di động một con lăn có thể sẽ trở lên rất cao vì đờng kính con lăn yêu cầu phải khá lớn. Khi đó có thể sử gối cầu gồm nhiều con lăn. + Các kích thớc cơ bản a=300-500mm; b=600-1000mm; h=500-800mm (di động) 400-500(cố định); + Phạm vi áp dụng: Hệ thống dầm liên tục v mút thừa, chiều di kết cấu nhịp đến 80- 140m; + Trọng lợng của gối di động tơng ứng với phản lực thẳng đứng 200, 300, 400, 500(T) l: 590, 890, 1060, 1250 (kg); Khi sử dụng loại gối di động nhiều con lăn Hình 6-4, tơng ứng có thể sử dụng loại gối cố định sau: Hình 6-5. Gối cố định đối xứng + Trọng lợng của gối cố định tơng ứng với phản lực thẳng đứng 300, 400, 500(T); 360, 450, 590, 740 (kg). 6.2.4. Gối cao su (elastomeric bearing) Gối cao su đợc chế tạo từ những vật liệu đn hồi (cao su tự nhiên hoặc nhân tạo). Nó đảm bảo cả chuyển vị thẳng v xoay nhờ biến dạng của vật liệu đn hồi. Hình 6-3. Gối một con lăn di động Hình 6-4. Gối di động nhiều sử dụng nhiều con lăn 204 Do tính chất đn hồi l mềm khi trợt nhng rất cứng chống lại sự thay đổi thể tích. Dới tác dụng của tải trọng nén gối bị nở hông. Để chịu đợc tải trọng lớn m không bị biến dạng quá mức, cốt thép đợc sử dụng để ngăn cản sự nở hông. Từ định hớng ny đã phát triển một vi kiểu tấm gối phẳng cao su đơn giản, có cốt sợi thuỷ tinh, cốt vải cotton v gối cao su có thép tăng cờng. Gối cao su đơn giản l yếu v mềm nhất bởi vì chúng chỉ ngăn cản sự phình ra bởi lực ma sát. Chúng thờng xuyên đợc sử dụng cho cầu nhịp ngắn v trung bình, nơi m ứng suất gối nhỏ. Gối cao su đợc tăng cờng sợi thuỷ tinh bao gồm nhiều lớp sợi thuỷ tinh tăng cờng v chất dẻo xen kẽ nhau. Sợi thuỷ tinh ngăn cản biến dạng hông của tấm dới tải trọng nén để có thể chịu đợc tải trọng lớn hơn. Tấm đợc tăng cờng sợi cotton bao gồm các lớp vải cotton rất gần nhau, chúng có cờng độ v độ cứng chịu nén cao nhng rất hạn chế khả năng xoay. Những lớp mỏng cũng dẫn tới độ cứng trợt cao kết cấu nhịp không chuyển vị trợt đợc tự do, dẫn đến những lực lớn trong cầu 133 . Vì thế đôi khi chúng đợc kết hợp với PTFE ở phía trên của tấm cao su để đảm bảo chuyển vị trợt (xem Hình 6-7 ). Tấm cao su tăng cờng thép đợc chế tạo bằng việc lu hoá cao su cùng với các tấm thép mỏng. Chúng có khả năng chịu tải trọng lớn nhất trong các kiểu gối cao su, m chỉ bị giới hạn bởi năng lực của nh chế tạo trong việc lu hoá thể tích của tấm cao su đồng nhất lớn. Tất cả những tấm cao su nói trên ngoại trừ tấm tăng cờng thép có thể đợc sản xuất thnh những tấm lớn v cắt theo kích thớc phụ thuộc vo các ứng dụng riêng biệt, tuy nhiên tấm tăng cờng thép phải đợc chế tạo theo đơn đặt hng cho mỗi một ứng dụng vì yêu cầu chiều dy bảo vệ của thép tránh bị ăn mòn. Tấm cao su thép rất đắt trong khi giá thnh của tấm cao su đơn giản l thấp nhất Gối cao su l dạng thích hợp cho gối cầu vì giá thnh của chúng thấp v hầu nh không phải duy tu bảo dỡng. Thêm nữa gối cao su có thể chấp nhận tải trọng v chuyển vị vợt qua giá trị thiết kế lớn. Sự h hỏng của gối cao su có thể do những yếu tố sau: + Chế tạo kém + Không đủ cốt tăng cờng + Không đủ kích thớc + Sự lm tròn các mép cạnh + Tác động của môi trờng Lực nén Trợt ngang Trợt ngang Lực ngang Trợt ngang Mô men Hình 6-6. Biến dạng của gối cao su khi chịu nén, trợt v quay Hình 6-7. Cấu tạo gối cao su có tấm thép tăng cờng v cấu tạo gối cầu bằng cao su Hình 6-8. Gối cao su có mặt nghiêng 205 + H hỏng liên kết giữa tấm đn hồi v tấm tăng cờng + Sự thay đổi của tính chất vật liệu theo thời gian + Tình trạng tải trọng vợt quá nhiều Khi đặt kết cấu nhịp trên độ dốc để giảm biến dạng v tiện lợi cho việc xây dựng, có thể sử dụng gối cầu có mặt nghiêng 1% ữ 4% để bề mặt của gối v tải trọng khít với nhau. Độ nghiêng của gối có thể đạt tới 6% ữ 8% theo những yêu cầu riêng. Loại ny lm việc tốt đối với biến dạng lớn của loại thông thờng do lực trợt tác dụng vo Trong trờng hợp cầu trên đờng cong có thể sử dụng gối cao su phía trên có hình cầu bởi vì nó có tính chất lm việc theo các hớng nh nhau, có thể thích hợp với tải trọng tác dụng vo. Loại gối ny không chỉ sử dụng cho dầm thông thờng m còn cho các loại cầu vợt v cầu cạn lớn có sơ đồ phức tạp. Có thể sử dụng lớp PTFE để giảm ma sát. Khả năng chịu tải trọng thẳng đứng có thể từ (150 ữ 7000)KN. Di chuyển dọc lớn nhất (4 ữ 69)mm 6.2.5. gối bán cố định (Lead rubber Bearing) Cấu tạo của nó bao gồm những tấm thép, cao su mỏng v lõi hình trụ (lead cylinder) thờng đặt ở trọng tâm của gối ( Hình 6-10 ) hoặc có 4 trụ chính Hình 6-11 , lõi trụ ny đợc kéo di trên suốt chiều cao của gối, Nhiệm vụ của phần cao su-thép l chịu tải trọng của kết cấu v dự phòng sau biến dạng đn hồi (post-yield elasticity). Lõi hình trụ đợc thiết kế cho biến dạng dẻo do đó lm nhiệm vụ tiêu hao năng lợng chấn động. Nó có hiệu quả thay đổi độ cứng của cấu trúc (gối cầu) v tính chất chống rung. Gối bán cố định lm việc trong vùng chịu tác động của động đất do đặc tính của nó dới tác dụng của động đất gối bán cố định lm việc tốt hơn so với gối cao su truyền thống do việc giảm chuyển vị tơng ứng v số chu kỳ ở thời điểm xảy ra động đất lớn nhất. Dới tác dụng của tải trọng thông thờng lõi hình trụ ngăn cản tải trọng ngang, tuy nhiên khi động đất xảy ra cũng nh tải các trọng động lõi hình trụ v vật liệu đn hồi sẽ cùng lm việc để chịu tải trong động Hình 6-9. Gối cao su có mặt trên hình cầu Hình 6-10. Gối bán cố định tiết diện tròn bao gồm một lõi hình trụ 206 H×nh 6-11. Gèi b¸n cè ®Þnh tiÕt diÖn h×nh ch÷ nhËt bao gåm nhiÒu lâi h×nh trô H×nh 6-12. Tæng thÓ gèi cao su 207 6.2.6. Gối cong, gối hình cầu Gối cong bao gồm hai tấm cong vừa khít với nhau, với một tấm trợt trên một tấm khác để thoả mãn chuyển vị xoay. Bề mặt cong có thể l hình trụ tròn m cho phép quay chỉ theo một hớng hoặc hình cầu m cho phép gối quay theo một hớng bất kỳ. Những chuyển vị ngang bị ngăn cản do dạng cong v tải trọng. Để đảm bảo đợc chuyển vị ngang phủ lớp PTFE vo gối cầu. Tấm giữ thờng xuyên đợc sử dụng để giữ kết cấu phần trên di chuyển theo một hớng. Gối cong có thể dùng cho tải trọng v chuyển vị xoay lớn. Khả năng chịu tải thẳng đứng lớn chỉ bị giới hạn bởi kích thớc của nó m phụ thuộc rất lớn v năng lực gia công cơ khí. Tơng tự khả năng xoay phụ bị giới hạn bởi độ hở giữa các thnh phần. Hình thể hiện dạng của gối cong di động. Tấm thép cong lồi phía dới l thép không gỉ đợc liên kết với đá tảng. Tấm cong lõm bên trên với việc phủ lớp trợt PTFE đặt trên tấm lồi phía dới để xoay. Giữa tấm thép đế v mặt trên của tấm lõm có phủ lớp trợt PTFE phẳng để đảm bảo chuyển vị ngang. 6.2.7. Gối chậu (Pot Bearing) Pot bearing có thể chịu đợc tải trọng ngang v đứng lớn. Nó bao gồm Xilanh bằng thép nông (hoặc chậu) với đĩa bằng cao su (elastomeric) mỏng hơn so với hình trụ đợc đặt vừa khít bên trong. Tải trọng thẳng đứng đợc truyền qua Piston thép, Piston đợc chế tạo vừa khít với xilanh. Những vòng phẳng thờng đợc sử dụng để gắn cao su giữa Piston v Xilanh, Cao su lm việc nh chất lỏng nhớt trong khi gối xoay hoặc nghiêng (tơng tự nh chất lỏng chứa trong xilanh thuỷ lực). Bởi vì tấm cao su bị giữ chặt trong chậu có thể chịu tải trọng lớn hơn nhiều so với gối cao su thông thờng. Hình 6-13. Cấu tạo gối cong v hình cầu Hình 6-14. Cấu tạo tổng quát gối chậu 208 Chuyển vị thẳng bị ngăn cản bởi gối chậu thuần tuý (gối cố định), v tải trọng ngang đợc truyền qua piston thép tỳ trên thnh chậu. Nếu l gối di động tức l phải đảm bảo chuyển vị ngang ngời ta sử dụng mặt trợt PTFE (Teflon) thép không gỉ hoặc những vật liệu khác. Tấm giữ (keeper plates) thờng xuyên đợc sử dụng để giữ cho kết cấu bên trên chuyển vị theo một hớng. Hình 6-15. Cấu tạo gối chậu cố định Hình 6-16. Cấu tạo gối chậu di động một chiều 209 6.2.8. Gối đĩa Gối đĩa nh trên Hình 6-18 sử dụng tấm loại chất nhựa tổng hợp cứng (polyether urethane) để chịu tải trọng thẳng đứng v khoá thép (chốt thép) ở tâm của gối để ngăn cản tải trọng ngang. Chuyển vị quay đợc đảm bảo qua biến dạng của tấm nhựa tổng hợp. Để đảm bảo chuyển vị ngang, lớp trợt PTFE đợc sử dụng. Trong dạng ny của gối đĩa polyether urethane phải đủ cứng để chịu tải trọng thẳng đứng lớn m không vợt quá độ biến dạng v đủ mềm để xoay đợc dễ dng 6.3. Bố trí v Tính toán gối cầu 6.3.1. Bố trí gối cầu Căn cứ vo vị trí, chức năng của gối để chọn loại gối cầu phù hợp: gối di động, gối cố định. Trong di động thì chọn loại gối cho phép di chuyển theo một phơng, hay hai phơng. Đối với gối cố định thì chọn loại cố định hon ton hay l bán cố định ví dụ đối với cầu chéo (Hình 6-19.a) sử dụng 3 loại gối: cố định, di động theo một phơng, di động theo hai phơng. Trờng hợp cầu cong đơn tuyến (Hình 6-19.b), bố trí gối cố định, v các gối di động với đặc điểm l sẽ có một phơng di chuyển đợc đặt sao cho nằm trên đờng thẳng nối gối cố định v tim gối đó. Việc bố trí gối tại điểm giao nhau của cầu cong đợc thể hiện trên (Hình 6-19.b). Hình 6-17. Cấu tạo gối chậu di động 2 chiều Hình 6-18. Cấu tạo gối đĩa 210 Hiện nay các gối cầu đợc chế tạo sẵn tại các nh máy, do đó ngời thiết kế hầu nh không phải tính toán chi tiết về khả năng chịu lực của gối cầu, công việc chính l phải đa ra các thông số kỹ thuật yêu cầu đối với gối cầu ví dụ: khả năng chịu tải trọng thẳng đứng, khả năng di chuyển ngang v căn cứ vo các mẫu có sẵn về gối cầu để chọn loại tơng ứng. 6.3.2. Tính gối thép v bê tông cốt thép Tấm thớt gối thép tính bằng công thức em aR A b = (6-1) Trong đó: A l phản lực gối do tải trọng tính toán (tính cả hệ số vợt tải v hệ số xung kích) b, a - kích thớc bản gối theo phơng dọc v ngang cầu R em Cờng độ chịu ép mặt tính toán của bê tông, ltem RR = R lt - Cờng độ chịu nén dọc trục của bê tông dầm cầu. F em Diện tích ép mặt, F em = a xb. F Diện tích tính toán chịu tải trọng, trọng tâm của nó trùng với trọng tâm diện tích F em , F em =a(b+2c) xem Hình 6-20 . Theo cấu tạo a v b không nhỏ hơn 18 ữ 20cm. Thông thờng a lấy bằng chiều dy sờn dầm Chiều dy thớt gối lấy =3 ữ 5 (cm). Kiểm tra chịu uốn coi nh ngm tại đờng tim v chịu tải trọng phân bố đều. Hình 6-19. Bố trí gối cầu trên mặt bằng (1. trụ cột; 2. mố cầu; 3. gối cố định ; 4. Gối chậu) b a b c c FF em Hình 6-20. Xác định F v F em [...]... Hình 6-22 Con lăn vát cạnh - Con lăn bê tông cốt thép đợc kiểm tra theo công thức: A RltFb + RtFt (6-4) Trong đó: Fb Diện tích tiết diện bê tông Ft Tiết diện cốt thép thẳng đứng của khung cốt thép hn Tại vị trí kê gối cầu lên đá tảng, cần phải kiểm tra điều kiện: A Rlt Fcb + k Ra Fl , (6-5) trong đó: A Rlt, Ra - cờng độ tính toán (lăng trụ) của bê tông v của cốt thép; S A Lực nén (ép mặt) do tải... v của cốt thép; S A Lực nén (ép mặt) do tải trọng tính toán gây ra ở đây l phản lực gối tính toán; b Fcb - diện tích chịu ép mặt (phạm vi bản đế gối áp lên đá tảng); l2 Fl - diện tích của phần bê tông nằm trong đờng viền của lới cốt thép tính đến mép thanh cốt thép; - hệ số, kể đến sự tăng khả năng chịu lực của bê tông do ép mặt trên diện tích nhỏ hơn diện tích chịu lực, đợc xác định nh sau: F =... phẳng lới cốt thép tăng cờng dới cùng, do phản lực A phân bố xuống dới một góc 45 (trên Hình 6-23, b l bề rộng ứng với một cạnh của F) k - hm lợng cốt thép lới tính theo thể tích bê tông bọc lới: n f l +n f l k = 1 a1 1 2 a 2 2 l1l 2 S (6-6) n1 , fa1 , l1 , n2 , fa2 , l2 - số lợng, diện tích v chiều di thanh cốt thép trong một lới theo hai phơng; S - khoảng cách giữa các lới thép 6.3.3 Tính gối cao... tấm thép bên trong 6.3.3.1 cs = Kiểm tra ứng suất nén trong cao su A Rcs mcs F (6-7) Trong đó: F diện tích mặt bằng của gối Rcs Cờng độ tính toán trung bình của cao su, với gối có lá thép lấy bằng 100kg/cm2, với gối cao su đặt trong ổ thép: 250kg/cm2 mcs hệ số trung bình lấy mcs=0,75 cs không đợc lớn hơn cờng độ chịu ép mặt của bê tông 6.3.3.2 hc = Tính chiều dy ton bộ của phần cao su hc trong gối. .. (mm) Kiểm tra ổn định trợt của gối cầu Lực ngang T không đợc lớn hơn lực ma sát giữa gối v bê tông T f.A (6-12) Trong đó: f hệ số ma sát bằng 0,2 ữ 0,3 Trong dầm giản đơn có thể lm hai gối đơn giản ở hai đầu l di động hoặc 1 đầu l cố định, đầu kia l di động Phơng án đầu chuyển vị ngang n v phản lực ngang phân bố cho cả hai gối, phơng án thứ hai n cho gối di động, lực T cho gối cố định ... chịu uốn của thép (CT3 cầu Ru=2000kg/cm ) W Mô men kháng uốn của tiết diện, W = b Hình 6-21 Xác định chiều dy thớt gối a 2 6 Con lăn đợc tính chịu ép (quy ớc) của tiết diện cắt qua đờng kính: A=Rc2ra1 Trong đó: 2r Rc=0,04R0 Cờng độ tính toán R0 Cờng độ dọc trục v 0,04 l hệ số quy đổi chịu ép theo đờng kính khi tiếp xúc tự do r bán kính con lăn, b a1: chiều di tiếp xúc của con lăn với thớt gối, Nếu r... chiều dy của các lớp cao su xen kẽ quy định bằng 1 1 ữ kích thớc nhỏ 25 55 nhất theo mặt bằng 6.3.3.4 Kiểm tra độ lún (thẳng đứng) đ của gối Độ lún không đợc lớn quá 5% chiều dy của cao su của gối d = A hi 3GF 0,05 hc (6-10) Trong đó - hệ số do ảnh hởng của tấm lá thép, nó phụ thuộc vo hệ số hình dạng của tiết diện ab = (6-11) 2(a + b )hi Trong đó: a, b kích thớc mặt bằng (cm) hi chiều dy các lớp... nhịp do thay đổi nhiệt độ Nếu hai gối ở hai đầu dầm nh nhau thì n bằng nửa chuyển vị của dầm do nhiệt độ lớn nhất gây ra tg -tang của góc trợt cho phép trong cao su khi có biến dạng nhiệt phụ thuộc vo vùng khí hậu (trong khoảng 0,2ữ0,35 theo số liệu của nớc Nga) 6.3.3.3 tg t = T FG Tính góc trợt do phản lực ngang T (do lực hãm) (6-9) Trong đó: G mô đun đn hồi trợt của gối cao su với nhiệt độ dơng G=7ữ14 . gối cầu để chọn loại tơng ứng. 6.3.2. Tính gối thép v bê tông cốt thép Tấm thớt gối thép tính bằng công thức em aR A b = (6-1) Trong đó: A l phản lực gối. gối cầu 6.3.1. Bố trí gối cầu Căn cứ vo vị trí, chức năng của gối để chọn loại gối cầu phù hợp: gối di động, gối cố định. Trong di động thì chọn loại gối