Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo, tính toán, công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Nhiệm vụ: Nghiên cứu đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông, cấu tạo cầu vòm có thanh kéo, tính toán nội lực kết cấu, công nghệ thi công các bộ phận kết cấu cầu và điều chỉnh lực kéo tr

NGUYỄN DUY DƯƠNG

Đề tài luận văn thạc sĩ :

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO, TÍNH TOÁN, CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Chuyên ngành : Cầu, tuynen và các công trình xây dựng khác trên đường

ôtô và đường sắt

Mã số ngành : 2.15.10

(Khoá 14)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Hướng dẫn khoa học : TS LÊ THỊ BÍCH THUỶ

PGS.TS NGUYỄN VIẾT TRUNG

TP, HCM – THÁNG 6 NĂM 2005

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: NGUYỄN DUY DƯƠNG Phái : Nam

Chuyên ngành : Cầu, tuynen và các công trình

xây dựng khác trên đường ôtô và đường sắt

Mã số ngành: 2.15.10

I TÊN ĐỀ TÀI :

NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO, TÍNH TOÁN, CÔNG NGHỆ THI

CÔNG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

II.NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG LUẬN VĂN :

1 Nhiệm vụ:

Nghiên cứu đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông, cấu tạo cầu vòm có thanh kéo, tính toán nội lực kết cấu, công nghệ thi công các bộ phận kết cấu cầu và điều chỉnh lực kéo trong thi công kết cấu cầu vòm

2 Nội dung luận văn:

™ PHẦN A : NỘI DUNG ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU :

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CẦU VÀ VẬT LIỆU CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ

TÔNG

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH

TOÁN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN NỘI LỰC CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU VÒM ỐNG THÉP

NHỒI BÊTÔNG

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

™ PHẦN B : TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN VÀ TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC

- Tiến độ thực hiện

- Tóm tắt lý lịch khoa học

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 20-1-2005

IV NGÀY HOÀN THÀNH: 30-6-2005

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: TS LÊ THỊ BÍCH THUỶ

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: PGS.TS NGUYỄN VIẾT TRUNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CN BỘ MÔN

QL CHUYÊN NGÀNH

PGS.TS.Nguyễn Viết Trung

Nội dung đề cương luận văn đã được hội đồng chuyên ngành thông qua

TP.HCM, ngày tháng năm 2005

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU

TÓM TẮC LUẬN VĂN

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

1.1 Sự phát triển công trình cầu vòm trên thế giới 1

1.2 Sự phát triển công trình cầu vòm ở Việt Nam 7

1.3 Tổng kết các giai đoạn phát triển công nghệ xây dựng cầu vòm 8

1.4 Nhận xét .9

1.5 Vấn đề cần nghiên cứu 10

CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ VẬT LIỆU CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 2.1 Nghiên cứu sơ lược về các loại cầu vòm 11

2.1.1 Kiểu dáng cầu vòm ống thép nhồi bê tông 11

2.1.2 Phân loại cầu vòm dựa vào sơ đồ tĩnh học 12

2.1.3 Phân loại cầu vòm dựa vào độ cứng vòm - dầm 13

2.1.4 Kiểu dáng cầu vòm ống thép nhồi bê tông 14

2.2 Nghiên cứu về yêu cầu vật liệu 14

2.3 Cấu tạo các chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bê tông 15

2.4 Nhận xét kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông 21

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG 3.1 Những tiền đề ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông .22

3.2 Đặc điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông 23

3.2.1 So sánh với kết cấu bêtông cốt thép có bề mặt tiếp xúc với môi trường bên ngoài 24

3.2.2 So sánh với kết cấu thép dạng ống rỗng 25

3.2.3 So sánh với kết cấu thép hình có mặt cắt hở 25

3.2.4 So sánh với kết cấu BTCT cốt cứng 25

3.3 Nghiên cứu sự làm việc của ống thép nhồi bê tông 25

3.3.1 Khái quát 25

3.3.2 Kết cấu thép nhồi bêtông chịu tải dọc trục .27

3.4 Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tiêu chuẩn Trung Quốc - Hội tiêu chuẩn Trung Quốc CECS 28-90 33

3.5 Khả năng chịu lực của kết cấu ống thép nhồi bê tông theo tài liệu chỉ dẫn của Nga .38

CHƯƠNG 4: NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN NỘI LỰC CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG 4.1 Khái quát công trình cầu vòm với 2 sườn vòm song song 42

4.2 Phân tích kết cấu .43

4.2.1.Liên kết các bộ phận kết cấu của cầu 43

4.2.2.Tải trọng tác dụng 45

4.2.3.Phân bố hoạt tải trong kết cấu cầu vòm 45

4.2.4.Sơ đồ tính toán kết cấu 46

4.3 Tính toán nội lực cầu vòm theo cơ học kết cấu 47

4.3.1 Tính nội lực trong vòm có thanh kéo 48

4.3.2 Độ cứng của dầm dọc ảnh hưởng đến nội lực trong vòm 50

4.3.3 Kiểm tra ổn định sườn vòm 51

4.4 Tính toán kết cấu theo phương pháp PTHH (Sap 2000) 52

4.4.1 Mô hình hoá kết cấu 52

4.4.2 Chuẩn bị các dữ liệu đầu vào 53

4.4.3 Các thông số về vật liệu 54

4.4.4 Kết quả tính toán nhịp vòm L=97.6m 55

4.4.5 Kiểm toán mặt cắt sườn vòm 56

4.4.6 Kết quả tính toán nhịp vòm L=87.2m 58

4.4.7 Kết quả tính toán nhịp vòm L=76.8m 60

4.4.8 Kết quả tính toán nhịp vòm L=66.4m 62

4.4.9 Nhận xét 63

CHƯƠNG 5 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG. 5.1 Công tác chuẩn bị 65

5.2 Công nghệ nhồi bêtông vào ống 66

5.3 Lắp đặt chân vòm 68

5.4 Phương pháp cẩu lắp sườn vòm 69

5.5 Công tác bơm bêtông trong ống thép sườn vòm [13] 70

5.6 Trình tự các bước thi công cơ bản .71

5.7 Các vấn đề an toàn cần chú ý 73

5.8 Phân tích các từng giai đoạn chịu tải của tiết diện sườn vòm 74

5.9 Giới thiệu trình tự thi công lắp đặt và căng kéo cáp thanh kéo của cầu vòm nhịp L=76.8m 73

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận .83

6.1.1 Một số kết quả đạt được .83

6.1.2 Những hạn chế của luận văn .84

6.2 Kiến nghị 85

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC .87

-ÍÍÍ -

LỜI MỞ ĐẦU

Từ rất xa xưa nhân loại đã biết xây dựng những công trình giao thông nối các vùng bị chia cắt bởi địa hình tự nhiên (sông, suối, kênh, rạch …) với mục đích

đi lại giữa các vùng trao đổi hàng hoá, giao lưu kinh tế, văn hoá, chính trị …

Qua nhiều giai đoạn phát triển xã hội, tri thức của loài người ngày càng được bổ sung phong phú và nền khoa học kỹ thuật thế giới được phát triển hiện đại với nhiều lĩnh vực khác nhau Trong lĩnh vực giao thông, chúng ta dễ dàng nhận thấy sự phát triển kỹ thuật xây dựng các công trình cầu bằng việc điểm qua các công trình cầu trên thế giới Vật liệu xây dựng và kết cấu công trình không ngừng được

cải tiến và thay thế

Đối với Việt Nam việc kiến thiết cơ sở hạ tầng thật sự được quan tâm đúng mức từ sau ngày đất nước hoàn toàn thống nhất Với cơ sở hạ tầng ban đầu còn thiếu nhiều, lạc hậu và nền kinh tế chậm phát triển Do vậy trong thời kỳ đầu vấn

đề đặt ra là tăng số lượng công trình được ưu tiên lên hàng đầu

Sau 30 năm, đất nước đã có nhiều đổi thay Kinh tế phát triển, nhu cầu về mọi mặt đều phát triển Ngày nay việc thiết kế và xây dựng công trình cầu ở nước ta ngoài những việc tuân thủ các qui trình, qui phạm hiện hành còn phải quan tâm yếu tố mỹ quan công trình - Điều đó là xu thế tất yếu phù hợp với qui

luật phát triển thế giới

Trong khoảng 10 năm gần đây, Việt Nam đã có nhiều cây cầu thi công với công nghệ hiện đại: cầu dầm liên tục tiết diện hộp BTCT DƯL thi công đúc hẫng, đúc đẩy; cầu khung dầm BTCT DƯL; cầu treo có khớpï xoay ở trụ; cầu treo dây văng, dây võng; cầu vòm ống thép nhồi bêtông Với những công nghệ thi công hiện đại cho phép những cây cầu vượt được nhịp lớn và tạo nhiều kiểu dáng đẹp

phù hợp với môi trường tự nhiên trong vùng, tạo thành một quần thể kiến trúc

đẹp

Cầu vòm kết cấu ống thép nhồi bêtông có khả năng vượt nhịp vừa, vẽ đẹp kiến trúc thanh mảnh nhẹ nhàng Đối với Việt Nam loại kết cấu cầu này vẫn còn rất hiếm Việc nghiên cứu những đặc điểm về cấu tạo, tính toán kết cấu và công nghệ thi công loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông để từng bước tiếp cận và làm chủ thiết kế và thi công loại cầu này là rất thiết thực, phù hợp với phương hướng phát triển của đất nước trong công cuộc hoà nhập với thế giới

Trãi qua thời gian học tập và làm luận văn tại trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM, Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đối với sự định hướng nội dung nghiên cứu của TS Lê Thị Bích Thuỷ và PGS.TS Nguyễn Viết Trung Trân trọng cảm

ơn sự giúp đỡ nhiệt tình của những đồng nghiệp ở các đơn vị Tư Vấn Thiết Kế GTVT Miền Nam và Phân Viện Khoa Học Công Nghệ GTVT Phía Nam Bên cạnh đó tác giả cũng cảm ơn sự cổ vũ động viên từ phía gia đình và bạn bè trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

TP.HCM, ngày 30 tháng 60 năm 2005

Tác giả luận văn

Nguyễn Duy Dương

TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Đầu thế kỷ 21, loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông xe chạy dưới lần đầu tiên được xây dựng tại Việt Nam Với sự hợp tác thiết kế và thi công của các chuyên gia Trung Quốc, cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp tính toán 97.6m thiết kế tải trọng H30 đã được đưa vào khai thác cuối năm 2003 Loại kết cấu này tạo bước đột phá về công nghệ chế tạo – thi công cầu, nó góp phần làm đa dạng hoá các loại hình cầu nhịp lớn và nâng cao hiệu quả kiến trúc công trình

Công nghệ nhồi bê tông trong ống thép, tính toán và thi công kết cấu cầu vòm xe chạy dưới cần nghiên cứu để nắm vững về công nghệ mới này Trong phạm vi luận văn sẽ đề cập một số vấn đề: cơ chế làm việc ống thép nhồi bê tông; tính toán kết cấu cầu vòm; thi công cầu vòm; nhằm góp phần làm sáng tỏ loại cầu mới đối với ngành cầu đường Việt Nam

THE SUMMARY OF THE THESIS

At the beginning of the twentieth century, the concrete filled- steel tubular arch bridge under where motors run first built in Vietnam With the co-operation

of Chinese specialist in designing and executing , the concrete filled steel tubular arch bridge (span 97.6m,designed load H30) was put up to build at the end of

2003 This structure made a progress in producing – executing bridge procedure

It contributed to make multiform long span bridge and raise the architectual project effect

The procedure of filling concrete into steel tubular, the calculating and executing an arch bridge structure need to be studied to have though grasp of this new technology In the scope of the thesis, I would like to mention some problems: The working process of concrete filled- steel tubular, the calculating

an arch bridge structure, the executing an arch bridge All aims to add more useful knowledge about this new kind of bridge to road- bridge trades in Vietnam

Phần I:

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN

CHƯƠNG 1:

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

™ Mục tiêu nghiên cứu: để nhìn nhận một cách bao quát sự phát triển công

nghệ xây dựng cầu vòm trên thế giới cũng như tại Việt Nam Những tiến bộ khoa học đáng kể trong kết cấu cầu và sự cải tiến vật liệu thi công cầu vòm qua nhiều thập niên

™ Phương pháp nghiên cứu: bằng những tài liệu sẵn có như: sách tham khảo,

tạp chí, giáo trình, thông tin internet…tác giả hệ thống và thống kê các công trình tiêu biểu theo trình tự thời gian xây dựng công trình và những tiến bộ về kỹ thuật xây dựng, vật liệu xây dựng và khả năng vượt nhịp

™ Kết quả mong muốn: thấy rõ sự phát triển công nghệ thi công cầu vòm hiện

đại của thế giới Đánh giá trình độ tiếp cận về thiết kế và thi công cầu vòm tại Việt Nam hiện nay Sự cần thiết nghiên cứu kỹ thuật xây dựng cầu vòm hiện đại Xác định nội dung và phạm vi nghiên cứu của luận văn

1.1 Sự phát triển công trình cầu vòm trên thế giới

Cầu vòm xuất hiện từ rất sớm, có thể nói cầu vòm là một trong những dạng kết cấu đầu tiên trong lịch sử phát triển xây dựng công trình cầu nhờ vào đặc tính

ưu việt về khả năng chịu lực và vẻ đẹp kiến trúc Vật liệu xây dựng cầu được bắt đầu từ những khối đá lớn xếp chồng khít và đan xen nhau tạo thành khối vòm lớn hoặc những tản đá phẳng lớn được đặt trực tiếp qua khe suối Những chiếc cầu đá chủ yếu được xây dựng ở thời kỳ nguyên thuỷ, kết cấu cầu nặng nề, nhịp cầu nhỏ, bề rộng mặt cầu hẹp

1.Cầu Gard (hình 1-1) còn gọi là cống qua sông Gradon ở Avignon Pháp

Cầu được xây dựng vào năm 13 trước công nguyên, 3 tầng vòm chồng lên nhau

bằng các khối đá lớn không dùng đến vữa Cầu cao 49m dài 360m, vòm lớn nhất rộng 23m

Hình 1-1: Cầu Gard

2.Cầu Sommieres trên sông Vidourle do người La Mã xây dựng từ thế kỷ

thứ nhất sau công nguyên Cầu hoàn toàn bằng đá với các khối đá chữ nhật, rất ấn tượng về tính giản dị về kiến trúc

3.Cầu An Tế còn gọi là cầu Triệu Châu ở Trung Quốc được xây dựng vào

năm 605 sau công nguyên Cầu vượt nhịp 37.02m với 28 vòm đá theo chiều ngang Năm 1991 cầu này được công nhận là di sản thế giới

Trải qua hàng chục thế kỷ lao động và sáng tạo, nhân loại đã không ngừng hoàn thiện kỹ thuật xây dựng và nghiên cứu những vật liệu mới đáp ứng với những kết cấu phức tạp nhằm mục đích tăng khả năng vượt nhịp cho công trình

Vào cuối thế kỷ 18, nhờ cuộc cách mạng công nghiệp, sắt được thay thế vật liệu đá trong các công trình cầu Sự thành công của công nghệ luyện kim đã cho phép sản xuất những cấu kiện bằng sắt đúc để làm cầu

3.Cầu Dunlaps Creek nước Mỹ được thiết kế bởi một kỹ sư cầu đường

của quân đội Mỹ Cây cầu được xây dựng 1839, vòm chính dài 24m Kết cấu vòm chính gồm 9 đoạn cung, mỗi đoạn dài 4m và được chế tạo từ sắt đúc

4.Cầu Rio Cobre xây dựng

năm 1800, thuộc thị trấn Jamaica ở

Tây Ban Nha Đây là cây cầu sắt cổ

nhất Tây bán cầu, nó được làm bằng

những bản sắt đúc Để tăng thêm độ

cứng cho sườn vòm, người ta gắn

thêm vào sườn vòm những vòng tròn

Năm 1865, bắt đầu cho thời kỳ sử dụng bê tông làm vật liệu chủ yếu để xây dựng cầu Bêtông có ưu điểm chịu nén rất tốt do đó nhiều kết cấu cầu vòm không cốt thép đã được xây dựng Cuối thế kỷ 19 nhiều kỹ sư đã chứng minh sự phối hợp làm việc tốt của kết cấu bêtông cốt thép, cho phép kết cấu bêtông cốt thép có thể vừa chịu nén vừa chịu kéo tốt Châtellérault là cây cầu vòm bêtông cốt thép đầu

tiên của thế giới được xây dựng ở Pháp vào năm 1900, với một nhịp trung tâm dài 54m và hai nhịp biên dài 40m

5.Cầu Bixby Creek thuộc

bang California nước Mỹ, là cây cầu

vòm bêtông cốt thép với nhịp chính

110m, mặt cầu cách mặt mước 80m

Hình 1-3: Cầu Bixby Creek

Ngày nay kết cấu cầu vòm trên thế giới rất đa dạng về hình dáng cũng như vật liệu thi công Có nhiều kỷ lục mới về chiều dài vượt nhịp

6.Cầu Ounoura

(hình 1-2) xây dựng năm

1973, là cầu vòm thép

nhịp 196.6m - dài nhất

nước Nhật Dầm cầu

được chế tạo sẵn trong

nhà máy, việc lắp ghép

được thực hiện trên một

cảng biển, lắp đặt vào vị

7.Cầu Felipe-II được hoàn thành vào năm 1987 để nối các phố chính ở

Barcelona Nhịp cầu 68m, kết cấu vòm gồm 2 cặp vòm thép Đường ôtô nằm giữa 2 cặp vòm, đường người đi bộ nằm giữa mỗi cặp vòm

8.Một trong những công trình giao thông sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông đầu tiên trên thế giới là chiếc cầu vòm nhịp 9m ở vùng ngoại ô phía

Đông Pari được xây dựng năm 1931, người ta sử dụng các bó nhiều ống thép nhồi bêtông Mặt cắt ngang cầu có 2 vòm, mỗi vòm gồm 6 ống đường kính 60x 3,5mm nhồi bêtông

9.Năm 1936, dưới sự chỉ đạo của viện sĩ G.P Pêrêdêri, chiếc cầu vượt

sông Nêva ở thành phố Xanh Pêterbua (Nga) nhịp 101m, trong đó đã ứng dụng sơ đồ nổi tiếng giàn không thanh xiên Tổ hợp của 40 ống thép Þ140x5mm đã cấu tạo nên cánh trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu Thời gian sau đó hệ bó ống nhồi bêtông không được sử dụng nữa vì việc sản xuất nó phức tạp

10.Trong thập niên cuối của thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21, ở Trung Quốc

phát triển rất mạnh về loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Tiết diện kết cấu sườn vòm

Đường xe chạy

Chiều dài vượt nhịp

3 Cầu vượt sông

Huangbai và sông

Sialao tỉnh Hubei

Tổ hợp 2 ống thép (đường kính 1000, dày 12mm)

Mặt cầu chạy giữa nhịp chính 360m

7 Cầu Wuhan thứ 3

vượt sông

Hanjiang

2000 Mỗi sườn vòm 2 ống

theo công nghệ ống thép nhồi bê tông

Mặt cầu chạy dưới

Nhịp chính dài 280m

Mặt cầu chạy giữa

Nhịp chính 175m

Meixi ở tỉnh

11 Cầu bắc qua sông

Beipanjiang gần

thành phố

Luipanshui

2001 Mỗi vòm cấu tạo từ 4

ống thép Þ1000 dày 16mm, 2 vòm nghiêng vào nhau

Nhịp

chính dài 236m

Xem bảng 1-1 ta thấy công nghệ cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã nhanh chóng phát triển tại Trung Quốc Khả năng vượt nhịp phụ thuộc vào số lượng ống

thép nhồi bê tông tổ hợp tạo sườn vòm và phụ thuộc vào đường kính ống thép Ngoài ra khả năng vượt nhịp còn phụ thuộc vào kết cấu vòm (vòm 2 khớp, vòm 3

khớp, vòm không khớp, vòm hẫng colson…) Trong số cầu vòm sử dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông ở Trung Quốc đã sử dụng, loại phổ biến nhất là mặt cầu chạy giữa Vòm 1 ống thép đơn có thể sử dụng vượt nhịp khoảng 80m, cầu Yiwu Yuan-huang Vòm 2 ống thép kết hợp có thể dùng cho những nhịp lớn hơn Tiết diện vòm tổ hợp từ 3 ống thép trở lên có thể sử dụng cho những nhịp lớn hơn

100m như: cầu Yilan Mundanjiang, Cầu Wuzhu thứ 3 bắc qua sông Gujiang, Cầu Yajisha bắc qua sông Zhujiang tỉnh Guangzhou

Ngoài ra còn nhiều nước khác trên thế giới đang sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong nhiều lĩnh vực xây dựng Những năm gần đây Pháp, Canađa, Italia, Mỹ, Nga và nhiều nước khác đã quan tâm đến loại cầu kết cấu này

Như vậy trên thế giới có rất nhiều dạng cầu vòm đã được xây dựng Vật liệu

sử dụng rất đa dạng: đá khối, sắt đúc, thép hình, bê tông cốt thép, ống thép nhồi bê tông; dạng cầu vòm có đường xe chạy trên, đường xe chạy dưới và đường xe chạy giữa; kết cấu loại không có thanh kéo và loại có thanh kéo; kết cấu vòm 2 khớp, vòm 3 khớp, vòm không khớp, vòm hẫng colson

1.2 Sự phát triển công trình cầu vòm ở Việt Nam

Cùng với sự phát triển của thế giới, ở nước ta một số công trình cầu sử dụng kết cấu vòm đã được xây dựng từ đầu thế kỷ 20 Cầu Hàm Rồng được hoàn thành 1904 với vòm thép 3 khớp dài 160m

Cầu Ròn (hình 1-3) hoàn

thành 1985 trên tuyến QL1A

thuộc địa phận tỉnh Quảng Bình

– là dạng cầu vòm bê tông

Hình 1-3: Cầu Ròn Trong những năm đầu thế kỷ 21, trên đại lộ Nguyễn Văn Linh địa bàn quận 7 thành phố Hồ Chí Minh đươc sự trợ giúp của các chuyên gia Trung Quốc đã thiết kế, thi công một số cầu vòm với công nghệ ống thép nhồi bê tông như : cầu Oâng Lớn, cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc với chiều dài nhịp 99m đã được đưa vào sử dụng năm 2003 Thiết kế cho tải trọng H30 với 3 làn xe, kiểm toán với tải trọng đặc biệt HK80 Vòm thép có tiết diện hình quả tạ là 2 ống thép tròn đường kính Þ =1000, dày 12mm nối với nhau bằng bản thép, bê tông nhồi trong ống là loại mác 500 Chiều cao vòm thép 20.291m, chiều dài nhịp tính toán 97.6m với bản mặt cầu xe chạy dưới

Hình 1-4: Cầu Oâng Lớn

Hiện nay Việt Nam là nước đang phát triển, chúng ta đang trong giai đoạn vươn lên hoà nhập với thế giới Trong lĩnh vực xây dựng cầu, chúng ta đang từng bước tiếp nhận chuyển giao các công nghệ thi công hiện đại để thực hiện mục đích xây dựng một đất nước phát triển về mọi mặt

1.3 Tổng kết các giai đoạn phát triển công nghệ xây dựng cầu vòm: căn cứ theo

vật liệu chủ yếu sử dụng làm cầu thì ta có mấy giai đoạn phát triển như sau:

Cầu vòm đá: đã xuất hiện từ rất sớm trong lịch sử phát triển xây dựng cầu

Cầu vòm đá được xây tạo từ những khối đá lớn khai thác từ thiên nhiên Cầu vòm đá không có khả năng vượt nhịp lớn, kết cấu nặng nề, không có tính chuyên nghiệp hoá trong thi công Do vậy ngày nay ta chỉ thấy cầu vòm đá được thiết kế cho người đi bộ hoặc xe thô sơ, thường xây dựng trong những khu di tích văn hoá hoặc khu vui chơi giải trí Dựa vào đặc tính chịu nén của vòm, người ta xây dựng những khối vòm lớn bằng đá và tải trọng sẽ tác dụng trực tiếp trên vòm

Cầu vòm bê tông cốt thép: thường gặp những vùng địa chất tốt có khả năng

chịu được lực đẩy ngang rất lớn từ mố Kết cấu cầu vòm bêtông cốt thép thường là có đường xe chạy trên nên vòm bê tông cốt thép trong kết cấu cầu chịu lực nén từ các thanh chống bên trên truyền xuống rất phù hợp với đặc tính của bêtông cốt

thép Về hình dáng thì cầu vòm bêtông cốt thép trông thanh mảnh hơn cầu dầm bêtông cốt thép thông thường Về khả năng thông thuyền thì kém thuận lợi hơn cầu dầm Do vậy cầu vòm bêtông cốt thép thường được xây dựng ở những địa hình đặc biệt hoặc khi có yêu cầu về kiến trúc, mỹ thuật cho vùng xây dựng

Cầu vòm thép: rất ít gặp trên đường sắt cũng như đường bộ vì kết cấu nhịp

vòm không dễ tiêu chuẩn hoá như nhịp dầm và giàn Kết cấu vòm tuy có tiết kiệm vật liệu hơn cầu dầm và cầu giàn nhưng do có lực đẩy ngang nên đòi hỏi mố trụ phải lớn và đắt tiền do vậy giá thành vẫn cao hơn cầu dầm và cầu giàn Tuy nhiên trong những trường hợp yêu cầu về hình dáng bên ngoài ,kiến trúc mỹ thuật, chẳng hạn như đối với công trình cầu thành phố hay các vùng danh lam thắng cảnh thì phương án cầu vòm thường được xét đến Ngoài ra cầu vòm thép có thể kinh tế khi địa hình vị trí xây dựng là khe núi hoặc thung lũng sâu

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông: là dạng kết cấu biến thể từ bê tông cốt thép

thông thường và cầu treo Trong kết cấu cầu vòm, thanh treo là những bó cáp liên kết hệ mặt cầu với sườn vòm Hoạt tải trên mặt cầu truyền qua thanh treo tác dụng lên sườn vòm gây ra lực xô ngang tại chân vòm Thanh kéo tại chân vòm sẽ cân bằng lực xô ngang do tải trọng gây ra trong sườn vòm Toàn bộ hệ cầu vòm

sẽ truyền tải trọng lên mố trụ như dầm giản đơn

- Nước ta trong công cuộc hoà nhập kinh tế với thế giới rất cần thiết cơ sở hạ tầng hiện đại, do vậy ngành xây dựng cầu đường đang từng bước nghiên cứu và học

hỏi các công nghệ thi công cầu hiện đại của thế giới Kết cấu ống thép nhồi bê tông ứng dụng trong công nghệ thi công cầu vòm đối với Việt Nam thật sự chưa được quan tâm nghiên cứu một cách thoả đáng

1.5 Vấn đề cần nghiên cứu

Qua những thông tin nghiên cứu tổng quan chúng ta thấy lịch sử phát triển của kết cấu ống thép nhồi bê tông trong lĩnh vực xây dựng cầu giao thông trên thế giới đã trải qua gần 100 năm, nhưng đối với Việt Nam còn rất mới mẻ

Theo tài liệu tham khảo của tác giả, trước đây đã có đề tài thạc sĩ trong nước: Nghiên cứu ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông trong điều kiện Việt Nam (2000); Nghiên cứu dao động của kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Trong khuôn khổ luận văn, tác giả sẽ đề cập một số vấn đề về cấu tạo,

tính toán và thi công loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông có thanh kéo và đường

xe chạy dưới nhằm góp phần thúc đẩy sự phổ biến và bổ sung thông tin về kết

cấu ống thép nhồi bê tông tại Việt Nam trong lĩnh vực xây dựng cầu giao thông Nội dung nghiên cứu gồm :

) Nghiên cứu đặc điểm cấu tạo và vật liệu cầu vòm ống thép nhồi bê tông ) Nghiên cứu sự làm việc và cơ sở lý thuyết tính toán ống thép nhồi bê tông ) Nghiên cứu phương pháp tính toán nội lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông ) Nghiên cứu công nghệ thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông

ÌÌÌÌÌ

CHƯƠNG 2:

NGHIÊN CỨU CẤU TẠO VÀ VẬT LIỆU CẦU VÒM

ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

™ Mục tiêu nghiên cứu: tìm hiểu đặc điểm cấu tạo loại cầu vòm ống thép

nhồi bê tông: sơ đồ cấu tạo chung; cấu tạo sườn vòm; hệ dầm và mặt cầu; hệ cáp treo và cáp căng; hệ giằng ngang Tìm hiểu các vật liệu chế tạo các bộ phận cầu vòm ống thép nhồi bê tông

™ Phương pháp nghiên cứu: tham khảo từ những tư liệu về các cầu vòm

ống thép nhồi bê tông đã được xây dựng trên thế giới và tại Việt Nam

™ Kết quả mong muốn: có được những thông số cơ bản về cấu tạo cho việc

chọn thiết kế sơ bộ cầu vòm ống thép nhồi bê tông và các loại vật liệu thường sử dụng thiết kế cho cầu vòm

2.1 Nghiên cứu sơ lược về các loại cầu vòm: có nhiều cách phân loại cầu tuỳ

theo đặc điểm, dưới đây tác giả giới thiệu một vài cách phân loại cơ bản để

thấy tính đa dạng của cầu vòm

2.1.1 Phân loại cầu vòm dựa vào liên kết vòm – mố (trụ):

Trong thực tế các cầu đã xây dựng trên thế giới sử dụng sơ đồ kết cấu rất đa dạng: vòm không chốt, vòm hai chốt, vòm 3 chốt

Sơ đồ vòm không chốt: hai đầu vòm được ngàm vào mố (trụ) Đây là sơ đồ kết

cấu siêu tĩnh bật 3 nên có xuất hiện các lực phụ do co ngót từ biến của bê tông,

do thay đổi nhiệt độ, đặc biệt là do lún mố trụ khi nền đất không đủ vững chắc

Sơ đồ vòm hai chốt: là sơ đồ kết cấu siêu tĩnh bật 1, các nội lực phụ sinh ra

trong kết cấu cũng tương tự sơ đồ vòm không chốt nhưng với trị số nhỏ hơn Khi mố trụ lún thẳng đứng thì trong không xuất hiện mômen phụ

Sơ đồ vòm ba chốt: là sơ đồ kết cấu tĩnh định nên không có các nội lực phụ nói

trên Sơ đồ vòm ba khớp không đòi hỏi điều kiện địa chất thật vững chắc, khi có hiện tượng lún của mố (trụ) cũng không gây ra nội lực trong vòm

h)

g) e) d)

Hình 2-1: a,d) vòm không chốt; b,e,h) vòm hai chốt; c,g) vòm ba chốt

2.1.2 Phân loại cầu vòm dựa vào sơ đồ tĩnh học:

Cầu vòm có lực đẩy ngang: khi điều kiện địa chất đủ thuận lợi có thể chọn

kết cấu vòm có lực đẩy ngang Hiện nay thông thường người ta xây dựng kết cấu vòm hai khớp hoặc ba khớp có lực đẩy ngang

Cầu vòm có thanh kéo (cầu vòm không có lực đẩy ngang): trong điều kiện

hiện nay, kết cấu vòm có thanh kéo với cốt thép ứng suất trước có thể dùng tương đối hợp lý với các khẩu độ nhịp 60 – 80 – 100m Ưu điểm quan trọng của kết cấu vòm có thanh kéo là tự cân bằng lực đẩy ngang, vì vậy có thể cấu tạo vòm thoải nên chiều cao kiến trúc nhỏ Cầu vòm có thanh kéo có thể xây dựng ở những vùng địa chất không thuận lợi cho kết cấu cầu vòm có lực đẩy ngang

Cầu vòm mút thừa: trong những năm gần đây, trong các loại cầu ba nhịp đã

thấy sử dụng những kết cấu vòm mút thừa có thanh kéo phía trên Để khắc phục lực đẩy ngang, người ta sử dụng thanh kéo phía trên cấu tạo bởi các bộ phận mặt cầu ghép xít lại với nhau bằng cốt thép ứng suất trước

lf

l

cao độ mặt cầu

cao độ mặt cầu a)

b)

Hình 2-2: a) Cầu vòm có thanh kéo; b) Cầu vòm mút thừa

2.1.3 Phân loại cầu vòm dựa vào độ cứng vòm - dầm:

Vòm cứng - dầm cứng (EJ v ≈ EJ d ): trong kết cấu này vòm và dầm đóng vai

trò chịu lực ngang nhau và hỗ trợ nhau Dầm và vòm liên kết tạo thành hệ cứng trong mặt phẳng thẳng đứng, mỗi mặt phẳng vòm giống như một dầm chủ

Vòm mềm - dầm cứng (EJ v ≤ EJ d /80): vòm mềm là những đoạn cong liên

kết khớp với nhau chỉ chịu lực nén dọc trục và truyền tải trọng lên dầm cứng

Vòm cứng - dầm mềm (EJ v /80 ≥ EJ d ): dầm mềm không gánh chịu một phần

nào nội lực cho vòm mà chỉ tham gia tạo liên kết và ổn định kết cấu Toàn bộ tải trọng cầu chỉ có vòm gánh chịu

a) Vòm cứng - dầm mềm b) Vòm mềm - dầm cứng a) Vòm cứng - dầm cứng

Hình 2-3: phân loại dựa vào độ cứng dầm – vòm

2.1.4 Kiểu dáng cầu vòm ống thép nhồi bê tông: kiểu dáng kiến trúc của

loại cầu này khá đa dạng

™ Kiểu dáng mặt phẳng vòm:

-Dạng một mặt phẳng vòm thẳng đứng, vuông góc với mặt cầu

-Dạng hai mặt phẳng vòm song song, thẳng đứng và liên kết giằng bởi hệ giằng ngang trên

-Dạng hai mặt phẳng vòm xiên tựa vào nhau tại đỉnh vòm

-Dạng ba mặt phẳng vòm thẳng đứng, song song và giằng ngang trên

™ Kiểu dáng hệ thanh treo :

-Thanh treo có thể cấu tạo từ thép thanh có cường độ cao hoặc các bó cáp -Thanh treo có dạng thẳng đứng, xiên hình kim cương hoặc kết hợp vừa thẳng vừa xiên

™ Kiểu dáng thanh giằng:

-Ống thép thẳng hoặc tổ hợp từ nhiều ống thép theo dạng giàn phẳng -Thép hình hoặc tổ hợp từ nhiều thép hình tạo thành dàn phẳng

2.2 Nghiên cứu về yêu cầu vật liệu

Nói chung yêu cầu về vật liệu cho cầu vòm ống thép nhồi bê tông cũng rất phổ thông và dễ sản xuất

Đối với ống thép thì có thể dùng ống thép chế tạo sẵn hoặc là ống cuốn từ

thép tấm Đối với ống cuốn thì mạch hàn xoắn hoặc hàn thẳng phải có yêu cầu về cường độ đường hàn cùng với thép bản làm ống Vật liệu thép có thể là thép cacbon hoặc thép hợp kim trong xây dựng, thông thường sử dụng thép có giới hạn chảy fy= 225~450 N/mm2 Thép chế tạo ống phải phẳng, không bị rỉ sét hay đã bị

va đập mạnh đồng thời phải có giấy xuất xưởng hoặc báo cáo thí nghiệm Oáng thép được chế tạo phải tuân thủ theo qui phạm thi công và nghiệm thu kết cấu

thép Thành trong của ống không được dính dầu mỡ để đảm bảo lõi bê tông liên kết chặt với ống thép.[10]

Đối với bê tông nhồi trong ống thép thì nhiều tài liệu khuyên dùng bêtông có

cường độ nén tiêu chuẩn 28 ngày fc≥ 300 KN/cm2 (đối với mẫu lập phương 150x150x150mm) Trong các công trình chịu tải trọng lớn thì nên dùng bêtông có

fc=400, 500, 600, 700 KN/cm2 Trong điều kiện Việt Nam hiện nay việc sản xuất bêtông thương phẩm có fc= 300, 400 KN/cm2 thậm chí tới 500 KN/cm2 là điều có thể thực hiện được.[10]

Cáp cường độ cao cấu tạo từ những sợi thép cường độ cao có đường kính từ

2.5~7mm, được mạ chống ăn mòn, thường mạ kẽm Có mấy loại cáp cơ bản [6]: +Cáp xoắn: có các sợi thép nhỏ xếp thành nhiều lớp, có thể 8÷9 sợi Phía ngoài được bảo vệ bằng lớp mỡ chống rỉ công nghiệp

+Cáp kín: có mặt cắt tròn hoặc mặt cắt dẹt, phần lõi là một tao dây cáp tạo thành từ các sợi thép tròn Phía ngoài lõi là một vài lớp dây thép có tiết diện hình nêm hay hình chữ Z Khi chịu lực các sợi thép tiết diện hình nêm hay chữ Z ép chặc vào nhau không cho nước và không khí ẩm xâm nhập vào phía trong dây cáp Loại này thường có môdul đàn hồi lớn và chống rỉ tốt hơn loại cáp xoắn Đường kính lớn nhất của cáp kín là 120mm, sức chịu tải lên đến 1400T

+Cáp nhiều tao: được tạo thành từ nhiều tao thép có kích thước nhỏ Thông thường bố trí một tao ở lõi, các tao còn lại bố trí xung quanh theo đường xoắn Khi chịu lực các tao thép có khuynh hướng duỗi thẳng làm tăng biến dạng Vì vậy môdul đàn hồi nhỏ và kém ổn định Loại cáp này chỉ sử dụng cho các cầu có tải trọng nho û[6]

2.3 Cấu tạo các chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Để hiểu rõ về cấu tạo các chi tiết của cầu vòm có thanh kéo trong luận văn sẽ phân tích thêm về vai trò chịu lực của chi tiết trong kết cấu

- Cấu tạo sườn vòm: tuỳ theo cường độ tải trọng tác dụng sườn vòm có cấu tạo

từ một ống thép hay nhiều ống thép tròn liên kết nhau thông qua bản thép tăng cường Các ống thép thường dùng có đường kính ngoài từ 30-120cm, chiều dày thành ống từ 5-20mm Oáng thép được chế tạo từ thép tấm cuốn tròn có đường kính tuỳ thuộc vào công trình thiết kế Có 2 cách cuốn ống thép: cuốn tròn hàn dọc, cuốn dạng lò xo Loại cuốn tròn hàn dọc phải có thiết bị chuyên dụng mới cuốn được, việc hàn và cuốn phải thực hiện trong nhà máy và làm từng đốt, sau khi mang ra công trường sẽ nối bằng đường hàn đối đầu cường độ cao hay hàn mặt bích Loại ống này có nhược điểm là năng lực chịu tải của đường hàn có thể kém hơn nên kết cấu bị phá hoại thường xảy ra ở những đường hàn, các đốt ống thường làm thẳng nên việc uốn cong cho đúng đường trục vòm là khó khăn Loại ống hàn bằng các giải bản cuốn lò xo thì việc chế tạo có thể làm ở cômg trường, việc cuốn ống theo các đường kính khác nhau có thể lấy có thể lấy bất kỳ theo thiết kế và có thể hàn ống cong theo đường cong trục vòm, có thể làm những đốt dài tuỳ ý, thậm chí có thể dài bằng cả nhịp, hàn theo đường lò xo thì mối hàn chịu lực cắt là chính nên khả năng chịu tải của ống là tốt hơn

Hình 2-4: Các dạng mặt cắt ngang sườn vòm

Trong trường hợp vòm chịu tải trọng lớn, người ta có thể tổ hợp nhiều ống thép đơn tạo nên mặt cắt ngang sườn vòm Trên bản liên kết sườn vòm có bố trí các cửa sổ để hàn mặt trong khi nối các đoạn ống thành vòm liên tục, kích thước cửa sổ dạng hình vuông hoặc hình chữ nhật với chiều dài cạnh 1.0-1.5m Sau khi nối xong các đoạn vòm sẽ hàn đậy các vị trí cửa sổ và hoàn thiện sườn vòm

Dọc theo sườn vòm bố trí lỗ bơm bê tông tại các vị trí hàn nối các đoạn ống vòm hoặc cứ 2 vị trí nối ống bố trí 1 lỗ bơm bê tông

Liên kết sườn vòm với hệ giằng ngang bằng đường hàn dọc theo chu vi tiếp xúc giữa ống thép sườn vòm và ống thép hệ giằng ngang Để thuận tiện trong thi công người ta có thể tạo liên kết ngang chờ trên sườn vòm với đoạn chờ dài 0.3-0.5m, kích thước ống thép chờ giống kích thước ống thép giằng ngang Để tăng khả năng chịu lực cắt cho liên kết ngang ta thường bố trí các thanh thép cường độ cao đường kính 20-25mm dài 40-60cm xuyên qua vỏ ống thép sườn vòm trong phạm vi vòng tròn tiếp xúc giằng ngang với sườn vòm Một nữa chiều dài thanh thép chống cắt nằm trong sườn vòm và nữa còn lại nằm trong giằng ngang

Thép tăng cườngD=20-25

Hệ giằng ngang

Hình 2-5: Thép tăng cường liên kết giằng ngang

Tại những vị trí thiết kế bố trí cáp treo cần tạo lỗ luồn cáp trên sườn vòm Lỗ luồn cáp cấu tạo bởi 1 đoạn ống thép đi xuyên trong ống thép sườn vòm với bề dày 5-10mm và đường kính trong của ống lớn hơn đường kính ngoài của bó cáp treo từ 2-4cm Để tăng cường khả năng chịu lực cục bộ vùng xung quanh lỗ có thể bố trí thép tăng cường bằng thép bản hoặc thép góc Đối với thép góc, dùng loại có bề dày cánh 8-10mm, bố trí 4 đoạn đối xứng qua tâm lỗ và liên kết hàn

Đối với thép bản, bề dày 8-10mm và bề rộng 20-30cm, bố trí đối xứng qua tâm lỗ và vuông góc với trục tim dọc sườn vòm, cạnh dưới bản chống lên ống sườn vòm phải được vát cong theo đường kính trong của ống và liên kết hàn

ống thépThép góc

Thanh cáp treo

Sườn vòm

Sườn vòm

Thép góc tăng cường

Lỗ luồn cáp treoThép bản

Hình 2-6: Bố trí thép tăng cường lỗ luồn cáp treo

Trục vòm cũng ảnh hưởng đến khả năng chịu lực của vòm Nếu trục vòm trùng với đường cong áp lực thì hầu như có thể tránh được mômen uốn trong sườn vòm dưới bất kỳ tĩnh tải nào, như vậy sẽ tiết kiệm được vật liệu Tuy nhiên trong thực tế trên cầu luôn có hoạt tải chạy qua nên đường cong áp lực luôn thay đổi tuỳ theo vị trí hoạt tải tác dụng lên nhịp, hơn nữa nếu vòm siêu tĩnh thì không thể tránh được sự phát sinh mômen do sự nén đàn hồi của vòm Vậy chỉ có thể chọn trục vòm gần với dạng đường cong áp lực tổng quát để sao cho momen phát sinh trong vòm là nhỏ nhất

Ưùng với tải trọng phân bố đều trên toàn chiều dài nhịp thì đường cong áp lực của vòm là đường parabol bật 2 như sau:

) (

4

2 x l x l

f

y= − f: chiều cao đường tên của vòm; l: chiều dài nhịp vòm

Đối với một số loại cầu vòm có kết cấu bên trên nhẹ (vòm thép, vòm ống thép nhồi bê tông, …), phần tĩnh tải do hệ bản mặt cầu chiếm phần khá lớn và phân bố đều trên toàn bộ chiều dài cầu, vì thế đường trục vòm thiết kế theo parabol bật 2

được coi là hợp lý Nhưng nếu làm trục vòm theo dạng parabol bật 2 sẽ gặp khó khăn trong việc tiêu chuẩn hoá kích thước các thanh, cho nên trong nhiều cầu vòm người ta đã chọn trục vòm là dạng cung tròn để chế tạo thuận lợi, mặc dù vật liệu sử dụng có đôi phần tốn kém Hơn nữa đối với cầu vòm thoải thì cung tròn cũng rất gần với đường cong parabol bật 2

Trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông, chiều dài đường tên nằm trong khoảng

- Cấu tạo hệ thanh giằng: khi cầu có 2 hay nhiều vòm, để chịu lực gió đẩy

ngang cầu, giữa các vòm bố trí các thanh giằng ngang Các thanh giằng cũng làm bằng ống thép nhồi bê tông liên thông với sườn vòm hoặc thép hình liên kết hàn với sườn vòm Các ống của thanh giằng thường làm bằng các ống thép cuốn dọc đường kính nhỏ, bề dày ống thép khoảng 5mm Khi bố trí vòm nằm trong mặt phẳng xiên ngoài cách bố trí các thành giằng, người ta có thể dùng liên kết hàn ở đỉnh vòm để nối 2 vòm (vòm tựa trực tiếp vào nhau)

- Cấu tạo hệ thanh buộc: là các bó cáp nối liền 2 chân vòm để chịu lực đẩy

ngang của vòm Cáp thanh buộc bố trí 2 bên hệ mặt cầu song song với trục dọc cầu Hệ thanh buộc nằm tự do trên mặt dầm ngang và dầm dọc biên, sau khi căng cáp xử lý nội lực xong sẽ đậy kín bằng hộp bê tông để bảo vệ dây cáp tránh chịu ảnh hưởng của môi trường Dây cáp thanh buộc được neo vào chân vòm như các bó cáp được neo trong dầm bê tông dự ứng lực Tất cả các bó cáp đều được đặt trong các ống nhựa, sau khi căng xong phải bơm vữa bảo vệ Cáp thanh buộc cũng dùng loại có vỏ bọc như cáp dùng trong dầm bê tông dự ứng lực căng ngoài

- Thanh treo: là những bó cáp DƯL, đầu trên được neo vào sườn vòm thông

qua lỗ neo và đầu dưới neo vào dầm ngang Liên kết thanh treo vào sườn vòm có thể dùng nhiều cách, dưới đây sẽ giới thiệu một vài cách phổ biến

+Neo qua lỗ: trên sườn vòm tạo sẵn lỗ có kích thước đúng loại đầu neo thiết kế, sau khi cáp treo được luồn qua lỗ sẽ được khoá giữ bởi khoá neo Theo cách neo này thì tiết diện ngang sườn vòm tại vị trí lỗ neo bị thu hẹp

+Neo bằng pát đỡ: pát đỡ được chế tạo từ dãi thép bản rộng khoảng 20÷40cm, ôm tròn theo mặt cắt ngang sườn vòm và dây cáp treo được khoá chặt vào pát đỡ thông qua chốt nằm ngang Với các neo này thì tiết diện sườn vòm không bị thu hẹp nhưng công tác bảo dưỡng liên kết khá phức tạp

+Neo trực tiếp: dây cáp treo được vòng quanh sườn vòm và khoá lại Trên sườn vòm được hàn miếng thép bản hoặc thanh thép tròn đóng vai trò định vị và dẫn hướng cho cáp treo Cách neo này không làm giảm tiết diện ngang sườn vòm nhưng bảo dưỡng liên kết phức tạp và sự ma sát của cáp với sườn vòm cũng làm giảm yếu liên kết qua thời gian khai thác

- Dầm ngang: dầm ngang bằng BTCT dự ứng lực M500 với chiều dài nhịp

phụ thuộc bề rộng mặt cầu Dầm ngang được bố trí tại vị trí các cáp treo Dầm ngang liên kết với sườn vòm thông qua cáp treo tại mỗi đầu dầm Riêng 2 dầm ngang ngoài cùng (tại đầu vòm) được liên kết ngàm với sườn vòm để thực hiện chức năng liên kết ngang dưới giữa 2 sườn vòm Việc chế tạo dầm ngang BTCT DƯL tương tự các loại dầm BTCT DƯL 24,5m hoặc 33m thông thường

Cấu tạo chi tiết ngàm dầm ngang vào chân vòm: tại chân vòm có chờ các bản thép cấy sẵn thép tròn (tăng độ ngàm cứng cho liên kết) Dầm ngang đặt vào đúng vị trí và đổ bê tông liên kết

- Dầm dọc: dầm dọc bằng BTCT thường M400 đúc sẵn với chiều dài phụ

thuộc vào khoảng cách giữa các dầm ngang Dầm dọc được kê 2 đầu lên dầm

ngang Trên mặt dầm dọc và dầm ngang là lớp BTCT mặt cầu M300 đổ tại chỗ tạo đồng khối mặt cầu và hiệu chỉnh cao độ mặt cầu Dầm dọc ngoài chức năng phân bố tải trọng còn phải định vị cho các dầm ngang trong quá trình chịu tải

- Chân vòm: là nơi bố trí đầu neo các thanh buộc và cũng là nơi bố trí các gối

cầu để truyền tải trọng xuống mố trụ cầu Độ cứng không gian của vòm tăng đáng kể là nhờ liên kết bởi dầm ngang tại vị trí chân vòm Chân vòm được cấu tạo từ thép bản dày 12÷15mm, bên trong được lấp đầy bê tông cốt thép Chân vòm phải đủ khả năng chịu được lực ép ngang của thanh buộc, lực nén của toàn bộ kết cấu cầu; và cũng đủ cứng để giữ ổn định không gian cho cả kết cấu vòm

2.4 Nhận xét kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông:

- Kiểu dáng của loại cầu này rất thanh mảnh, nhẹ nhàng so với các loại cầu vòm (thép, bê tông cốt thép, …) có khả năng vượt nhịp tương đương khác Nó góp phần làm đa dạng hoá các loại hình kết cấu cầu khẩu độ nhịp lớn và nâng cao hiệu quả kiến trúc công trình

- Kết cấu cầu vòm có thanh kéo không truyền lực đẩy ngang vào mố nên việc thiết kế mố trụ không phức tạp Toàn bộ lực đẩy ngang sinh ra trong sườn vòm được cân bằng nhờ thanh cáp kéo đặt tự do trên mặt phẳng dầm dọc và dầm ngang

- So với kết cấu cầu bêtông cốt thép có khẩu độ vượt nhịp tương đương(cầu khung, cầu dầm liên tục …) thì chiều cao dầm của cầu vòm ống thép nhồi bê tông thấp hơn rất nhiều, do vậy chiều cao và chiều dài đắp đường đầu cầu sẽ giảm đi nhiều Yếu tố này phần nào làm giảm chi phí đầu tư xây dựng đường đầu cầu

ÌÌÌÌÌ

Phần II :

NGHIÊN CỨU ĐI SÂU

CHƯƠNG 3:

NGHIÊN CỨU SỰ LÀM VIỆC VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

TÍNH TOÁN ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

™ Mục tiêu nghiên cứu: xem xét những ưu và nhược điểm của ống thép nhồi bê

tông với những kết cấu bêtông, thép độc lập hoặc bêtông cốt thép thông thường Nghiên cứu nguyên lý làm việc của vỏ thép và lõi bê tông Nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán cho kết cấu ống thép nhồi bê tông khi chịu kéo, nén hoặc uốn

™ Phương pháp nghiên cứu: dựa vào đặc điểm cấu tạo, những kết quả nghiên

cứu từ thực nghiệm (trong nước và nước ngoài), những tài liệu lý thuyết đã được công bố trên thế giới

™ Kết quả mong muốn: thông qua những đặc điểm của kết cấu chúng ta có thể

nhận thấy tính ưu việt của loại kết cấu mới này Dựa vào Lý thuyết tính toán của loại kết cấu này tìm ra sự ảnh hưởng tương quan của cường độ bêtông và cường độ thép sử dụng kết hợp để tạo ra cấu kiện

3.1 Những tiền đề ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông

Oáng thép nhồi bê tông là dạng kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc Kết cấu như vậy có những ưu điểm hơn hẳn so với kết cấu BTCT thông thường Các nghiên cứu đã chứng tỏ rằng đáng lẽ có sự co ngót thì đã xảy

ra sự trương nở của bê tông trong ống và sự trương nở của nó được duy trì trong nhiều năm nên tạo điều kiện thuận lợi cho sự làm việc của bêtông Sự trương nở của bê tông khi được cách li với môi trường xung quanh bằng bất kỳ phương tiện nào đã được xác nhận bởi thí nghiệm nổi tiếng của O.Ya.Berg [1 ]

Viêïc nhồi bêtông vào ống thép đã nâng cao được độ bền ăn mòn, chống rỉ mặt trong, không cần phải sơn mạ mặt trong của ống thép; làm giảm độ mảnh của cấu kiện, làm tăng độ ổn định cục bộ của thành ống, làm tăng sức chống móp của vỏ

ở các chỗ nối của ống thép và khi bị va đập trong quá trình vận chuyển lắp ráp[1]

Sử dụng những thanh hình trụ trong các công trình chịu tải trọng gió sẽ cho phép giảm được tải trọng nhờ tính chất khí động học được cải thiện Các thanh có tiết diện tròn có tính ổn định dọc theo suốt chiều dài Độ cứng chống xoắn của các thanh loại này cao hơn rất nhiều so với các thanh có mặt cắt hở [1 ]

Khối lượng của các cấu kiện ống thép nhồi bê tông thường nhỏ hơn cấu kiện bê tông cốt thép (trong cùng điều kiện làm việc và cùng khả năng chịu tải) làm cho việc vận chuyển lắp ráp được dể dàng hơn Kết cấu ống thép nhồi bê tông kinh tế hơn bê tông cốt thép thông thường vì không cần cốt pha, giá vòm, đai kẹp và các chi tiết đặt sẵn Do không có cốt chịu lực và cốt ngang nên việc đổ bê tông sẽ có chất lượng cao hơn [1 ]

Người ta thường dùng các ống thép có tiết diện tròn hoặc lăng trụ (đa giác đều, hình vuông, hình chữ nhật) để chế tạo ống thép nhồi bê tông Trong một số trường hợp đặc biệt để tăng độ cứng nhằm giảm tiết diện bao kết cấu, trong lõi bê tông có đặt cốt thép: cốt mềm dưới dạng thanh và cốt cứng bằng thép góc hoặc thép hình Trong phạm vi luận văn chủ yếu nghiên cứu dạng ống thép tiết diện tròn nhồi bêtông không đặt cốt thép

3.2 Đặc điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông

Khác với ống thép thông thường, ống thép nhồi bê tông chỉ làm việc hiệu quả khi chịu nén Khi chịu kéo khả năng chịu tải của nó nhỏ hơn nhiều so với chịu nén So sánh kết cấu ống thép nhồi bê tông với kết cấu thép, bê tông cốt thép, bê tông cốt cứng tương đương ta sẽ thấy nhiều ưu điểm rõ rệt:

3.2.1 So sánh với kết cấu bêtông cốt thép có bề mặt tiếp xúc với môi trường

- Trong mẫu bê tông không bị cách li thì tính phi tuyến của biến dạng từ biến có thể quan sát được trong 20-30 ngày, còn trong bê tông bị cách li tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi [1]

- Do khả năng chịu lực tốt hơn nên có thể giảm kích thước tiết diện chịu lực Vì vậy trọng lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép [3]

- Không cần cốt pha khi thi công

- Giảm khối lượng thép so với kết cấu BTCT thường có cùng khả năng chịu tải [3]

- Kết cấu ống thép nhồi bê tông có tính chịu mỏi, chịu va đập tốt hơn hẳn kết cấu BTCT thường [3]

- Khả năng vượt nhịp lớn hơn nhiều so với kết cấu BTCT thường, nhờ vào tính dẻo của kết cấu và khả năng giảm trọng lượng bản thân

- Kết cấu ống thép nhồi bê tông không có cốt thép dọc và cốt thép đai do đó tiết kiệm được thời gian thi công và quá trình đầm nén bê tông cũng dễ dàng

3.2.2 So sánh với kết cấu thép dạng ống rỗng[9]:

- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép, nhờ vào lõi bê tông

- Độ bền ăn mòn và chống rỉ của mặt trong ống thép cao hơn

- Giảm độ mảnh của cấu kiện

3.2.3 So sánh với kết cấu thép hình có mặt cắt hở [9]:

- Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng thấp hơn

- Độ bền chống gỉ cao hơn

- Khả năng ổn định đều hơn

- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió

- Tăng độ cứng chống xoắn

3.2.4 So sánh với kết cấu BTCT cốt cứng [3]:

- Kết cấu BTCT cốt cứng lõi thép hình đặt giữa tiết diện bê tông nên không phát huy được khả năng chịu uốn Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ thép nằm bao bên ngoài nên có khả năng chịu uốn cao hơn

- Lượng thép trong kết cấu BTCT cốt cứng cao gấp đôi và việc thi công cũng phức tạp hơn so với kết cấu ống thép nhồi bê tông

3.3 Nghiên cứu sự làm việc của ống thép nhồi bê tông:

3.3.1 Khái quát:

Ngày nay trên thế giới ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông vào nhiều kết cấu công trình khác nhau như : cấu tạo cột của nhà cao tầng, hệ giằng cho kết cấu nhà cao tầng, móng cọc cầu, kết cấu thượng bộ cầu Ngoài ra còn có thể chế tạo những cột có độ cứng lớn trong vùng động đất

Sự thích ứng của thép và bêtông trong mặt cắt ngang đã tối ưu hoá về cường độ và độ cứng của mặt cắt ngang kết cấu Vỏ thép ở chu vi ngoài sẽ tiếp nhận lực ép và kháng lại mômen uốn Lõi bê tông bên trong ống thép chịu tải

trọng nén và nó ngăn cản sự oằn cục bộ của ống thép, đặc biệt là ống thép tiết diện chữ nhật Ngoài ra người ta đã chứng minh rằng ống thép bó chặt lõi bê tông sẽ làm tăng cường độ chịu nén đối với ống thép nhồi bê tông tiết diện tròn và tăng tính mềm đối với ống thép nhồi bê tông tiết diện chữ nhật Nhiều ứng dụng gần đây đã cho thấy việc sử dụng bê tông cường độ cao kết hợp với ống thép vỏ dày cường độ cao là rất thành công Khi bêtông cường độ cao và ống thép cường độ cao làm việc cùng nhau sẽ làm tính dòn của bêtông giảm xuống nhờ sự gò chặt của ống thép, và sự oằn cục bộ của ống thép cũng được hạn chế nhờ sự chống đỡ của lõi bêtông

Trở ngại lớn đối với việc sử dụng phổ biến kết cấu ống thép nhồi bê tông là sự hiểu biết hạn chế về sự làm việc của loại kết cấu này Một số nhân tố làm phức tạp đến sự phân tích và thiết kế kết cấu ống thép nhồi bê tông Cấu kiện ống thép nhồi bê tông chứa 2 loại vật liệu với 2 đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng (σ-ε) khác nhau và những ứng xử khác biệt nhau rõ rệt Sự phối hợp hai loại vật liệu đặt ra một vấn đề khó khăn trong việc xác định đặc trưng tổng hợp như mômen quán tính mặt cắt và môđun đàn hồi vật liệu Cơ chế phá hoại kết cấu phụ thuộc đáng kể vào hình dạng, chiều dài, đường kính, bề dày ống thép, cường độ bê tông và thép Các thông số như: độ dính bám, độ gò chặt bêtông, ứng suất dư, từ biến, co ngót và các dạng tải trọng cũng ảnh hưởng đến sự làm việc của ống thép nhồi bê tông Trong những thập niên gần đây, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu phạm vi ứng dụng và các thông số nêu trên để đưa ra cách tính toán hoàn chỉnh cho loại kết cấu này Tuy nhiên vẫn còn nhiều chủ đề đang được tiếp tục nghiên cứu như: ảnh hưởng độ dính bám, độ oằn cục bộ, tỉ lệ ảnh hưởng ứng suất, ảnh hưởng lửa đối với kết cấu, …

Dưới đây chúng ta lần lượt phân tích tóm tắc sự làm việc của kết cấu ống thép nhồi bê tông với từng loại tải trọng riêng biệt để có những thông tin rõ ràng hơn về sự làm việc của kết cấu

3.3.2 Kết cấu thép nhồi bêtông chịu tải dọc trục:[16]

Cột ống thép nhồi bê tông chịu nén (đúng tâm và lệch tâm) sẽ làm việc theo một trong hai cách rõ ràng Cột với tỷ lệ L/D nhỏ(L chiều dài cột, D đường kính ngoài ống thép) – cột ngắn, loại cột này có khả năng chịu tải cho đến khi cả vỏ thép và lõi bê tông đạt đến cường độ giới hạn Tải trọng lệch tâm ít ảnh hưởng đến cột ngắn Cột với tỷ lệ L/D lớn – cột dài, độ ổn định loại cột này phụ thuộc vào độ võng đàn hồi hay không đàn hồi của cột Tải trọng lệch tâm sẽ làm cho cột võng sớm hơn so với tải trọng đúng tâm tương đương Trong thực tế rất khó gặp trường hợp tải trọng đúng tâm, mà chủ yếu là tải trọng lệch tâm do tải trọng tác dụng lệch tâm hoặc do tiết diện không đều về mặt hình học

3.3.2.1 Cột thép ngắn nhồi bê tông:[16] khi tải trọng dọc trục tác dụng

lên ống thép nhồi bê tông ngắn (giả sử tải trọng tác dụng đều trên cả 2 lớp vật liệu), cả thép và bêtông bắt đầu biến dạng dọc Tại lúc bắt đầu biến dạng hệ số Poisson của thép lớn hơn nhiều so với bêtông Điều này dẫn đến độ nỡ ngang của thép lớn hơn, và xuất hiện sự ảnh hưởng lẫn nhau nhỏ giữa hai lớp vật liệu Trong giai đoạn này vỏ thép và lõi bêtông chịu tải độc lập nhau Vì vậy ứng suất dọc trong ống thép gần như không đổi, lúc này biến dạng xấp xỉ 0.001 Tiếp tục gia tải thì những vết nứt li ti trong bêtông bắt đầu xuất hiện và độ nở ngang của bêtông tăng lên xấp xỉ với độ nở ngang của thép Sự giản nở của bêtông bắt đầu tác động ảnh hưởng đến hai lớp vật liệu, điều đó gây ra ứng suất dính bám giữa bêtông và thép phát triển, và dẫn đến xuất hiện ứng suất 2 trục trong ống thép và ứng suất 3 trục trong bêtông Điều này gây ra ứng suất dọc trong ống thép thay đổi như một hàm số của lực dính giữa lõi bêtông và ống thép Knowles và Park

(1970) phát biểu rằng sự gò chặc xuất hiện bất thình lình ngay khi độ nở thể tích bêtông đạt 0.002 Còn một số tác giả khác cho rằng sự gò chặc lõi bêtông xuất hiện từ khi biến dạng đạt 0.001 và tăng lên từ từ đạt độ gò chặc tối đa khi biến

dạng đạt đến 0.002

Khi sử dụng bêtông cường độ cao để nhồi vào ống thép, độ giãn nở thấp của bêtông cường độ cao làm giảm đáng kể hiệu quả gò chặc lõi bêtông Do đó trong các nghiên cứu thực nghiệm, khả năng mang tải dọc trục của cột ngắn với bêtông cường độ cao là thường nhỏ hơn cường độ mặt cắt ngang danh định của chúng, trừ khi tỷ lệ D/t nhỏ Điều này đã giải thích một thí nghiệm [3] với 3 tổ mẫu chỉ thay đổi cường độ bêtông không thay đổi cường độ vỏ thép, kết quả cho thấy: khi tăng cường độ bê tông từ 436kg/cm2 lên 525kg/cm2 thì khả năng chịu lực của ống tăng 20%, trong khi đó tăng cường độ bêtông từ 525kg/cm2 đến 626kg/cm2 thì khả năng chịu lực của ống tăng 2% Trong tài liệu “Some

realization and problem in Design of Concrete Filled Steel Tubular Columns in Tall buildings No12, Dec, 1995, China, pp 9÷13” cho rằng chỉ số gò chặt từ 0,5÷

1,0 là kinh tế nhất trong bài toán thiết kế

Trong các thí nghiệm cột thép ngắn nhồi bê tông được chia làm 2 loại dựa vào tỷ lệ D/t (tỷ lệ đường ngoài kính ống và chiều dày vỏ ống): ống thép nhồi bê tông vỏ ống mỏng và vỏ ống dày

• Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ ống mỏng: lõi bê tông trở nên bị gò chặt khi biến dạng dọc đạt xấp xỉ 0.002 và độ bền nén dọc trục của lõi bê tông đạt hoàn toàn Sự gò chặt làm cho lõi bê tông tiếp tục chịu được tải trọng cho đến khi ống thép bị phá huỷ Sự phá huỷ ống thép thường xảy ra tại giữa cột thép, ống thép bị phình to hình củ tỏi

• Đối với ống thép nhồi bê tông vỏ dày: các mẫu thí nghiệm cho thấy khi cột thép bị phá huỷ kéo theo cột thép bị oằn cục bộ Biến dạng dọc trong lõi bêtông

và trong vỏ thép không đủ lớn để xuất hiện sự gò ép lõi bêtông Vì vậy khả năng tăng sức chịu tải trong lõi bê tong không được phát huy Tuy nhiên sự oằn cục bộ của vỏ thép cũng được cản trở nhờ lõi bêtông

• Tận dụng sự gò chặt lõi bê tông trong vỏ thép để tăng khả năng chịu tải đối với ống thép nhồi bê tông vỏ ống mỏng thì: Luksha và Nesterovich (1991) cho rằng tỷ lệ hợp lý D/t trong khoảng 54÷104; Một số nhà khoa học khác (1979) đưa

ra công thức ràng buộc như sau:

y

f

E 8 t

D ≤

E: môđun đàn hồi của thép; fy: giới hạn chảy của thép

3.3.2.2 Cột thép dài nhồi bê tông:[16] nếu cột thép nhồi bê tông có độ

mảnh lớn thì sự ổn định là yếu tố quyết định khả năng chịu tải của cột (thay vì yếu tố cường độ trong cột thép ngắn) Sự oằn cong cột thép sẽ xuất hiện trước khi biến dạng dọc cột thép đủ lớn để kéo theo sự dãn nở thể tích lõi bêtông Cột thép oằn cong sẽ bị phá huỷ với sự gò chặt lõi bêtông rất nhỏ Có rất nhiều tác giả đưa

ra tỷ lệ L/D (L: chiều dài cột thép; D đường kính cột thép) ranh giới giứa cột dài và cột ngắn Tuy nhiên Zhong và các đồng nghiệp (1991) chỉ ra L/D ≤ 5 là cột ngắn Theo tiêu chuẩn CECS 28-90 của Trung Quốc thì L/D ≤ 4 là cột ngắn Đối

với cột thép dài nhồi bê tông thì xem như không xuất hiện sự gò chặt bêtông

3.3.2.3 Độ cứng của cột thép nhồi bêtông chịu tải dọc trục:[16] độ cứng

của ống thép nhồi bê tông rất phức tạp bởi lõi bêtông và những ảnh hưởng qua lại giữa 2 lớp vật liệu Môđun đàn hồi, mômen quán tính là quen thuộc đối với thép, nhưng những tính chất này khó dự đoán đối với ống thép nhồi bêtông vì tính không đồng nhất của nó Chúng thay đổi tuỳ thuộc vào cường độ bêtông, sự mở rộng các vết nứt, ảnh hưởng của tải trọng dài hạn, và một số vấn đề khác Năm

1979, môđun đàn hồi hiệu chỉnh được đề nghị bằng tổng môđun đàn hồi của thép và bêtông, với hệ số suy giảm bằng 0,4 giá trị độ cứng ban đầu của bê tông Một