4.2.1. Cầu bản mố nặng:
Đây là dạng sơ đồ cầu bản xuất hiện rất sớm, để vượt qua khe hoặc đường bộ người ta thiết kế dạng mố nặng để chịu áp lực đất nền, hoặc đúc liền khối dạng chữ U để ngăn đất, phía
trên gác dầm bản nhịp nhỏ để các phương tiện lưu thông. Loại kết cấu này đơn giản, dễ thi công, ổn định chống lật tốt song khối lượng vật liệu làm mố lớn, vượt nhịp nhỏ, khơng kinh tế. Do đó, ngày nay ít sử dụng.
Hình 4.1 – Cầu bản mố nặng, a. Mố rời; b. Mố liền
4.2.2. Cầu bản mố nhẹ:
Khoảng những năm 60 thế kỷ XX xuất hiện một loại cầu bản một nhịp, cấu tạo như một khung bốn khớp. Cầu gồm một kết cấu bản kê trên hai mố dạng tường mỏng bê tơng có chiều dày khoảng 1/6 – 1/7,5 chiều cao, mố có kết cấu nhẹ vì làm việc theo sơ đồ kê trên hai gối tựa, nên ít tốn vật liệu, nhưng vì trọng lượng nhỏ nên có thể khơng chịu được lực đẩy ngang của áp lực đất sau mố. Để chống lại áp lực ngang, dưới móng bố trí các thanh chống bê tông cốt thép cách nhau 4 – 5m để cân bằng áp lực đất giữa hai móng, đảm bảo chống trượt. Trên đỉnh mố bố trí chốt để truyền áp lực ngang vào dầm (hình 4.2). Như vậy, mố trong cầu bàn 4 khớp làm việc như một dầm đơn giản có nhịp bằng chiều cao từ chốt đến thanh chống ngang. Kết cấu cầu bản 4 khớp cũng có thể dùng như một cống nếu đất đắp trên mặt bản dày hơn 600mm.
Hình 4.2 – Cầu bản mố nhẹ 4 khớp
Do cấu tạo dạng 4 khớp nên sơ đồ tính của hệ như sau:
Hình 4.3 – Sơ đồ tính cầu bản mố nhẹ
Do đặc điểm của cầu bản bốn khớp là cầu chỉ làm việc khi đã hình thành các khớp, nên khi thi công cần chú ý, chỉ được đắp đất đầu cầu sau khi đã thi công các thanh chống bên dưới và chốt bên trên. Trường hợp chưa hoàn thành kết cấu bản đã cần đắp đất thì có thể dùng các thanh chống tạm.
4.2.3. Cầu bản dạng mút thừa:
Loại kết cấu này tiết kiệm vật liệu hơn so với cầu bản đơn giản, có thể kê hai đầu dầm trực tiếp lên đất, không phải xây mố (tránh được áp lực đất lên mố). Tuy nhiên, lực xung kích ở đầu cơng xon lớn nên thường gây phá hoại nền đường đầu cầu.
Hình 4.4 – Cầu dầm bản dạng mút thừa
4.2.4. Cầu dầm bản liên tục:
Loại sơ đồ kết cấu này rất tiết kiệm vật liệu hơn so với cầu bản đơn giản, khắc phục được nhược điểm của cầu bản mút thừa. Tuy nhiên, việc thi cơng tương đối khó, định hình hóa kết cấu khó, khả năng vượt nhịp bị hạn chế (L<50m).
Hình 4.5 – Cầu dầm bản nhịp liên tục 4.3. Cấu tạo cầu bản bê tông cốt thép:
4.3.1. Cấu tạo cầu bản đúc tại chỗ:
Tiết diện thường là hình chữ nhật, khi bề rộng lớn có thể làm hình mui luyện hoặc bản dốc theo độ dốc ngang của mặt cầu.
Hình 4.6- Dạng bản đúc tại chỗ; a. bản hình chữ nhật, b. bản mui luyện
Kết cấu nhịp bản của cầu cạn đổ tại chỗ, mặt cắt đặc, chiều cao không thay đổi được kê trên suốt chiều rộng của xà mũ, trụ tường hoặc trên các cột trụ.
Nhịp giản đơn bê tơng cốt thép ứng suất trước L=(10÷15)m, h=(1/15÷1/20)L. Nhịp liên tục bê tơng cốt thép ứng suất trước L=(12÷25)m, h=(1/20÷1/30)L.
Chiều rộng tồn bộ của kết cấu bản < (15÷20)m để tránh biến dạng lớn theo phương ngang do nhiệt.
Theo phương ngang khoảng cách giữa các cột b=(8÷12)h; cơng xon của bản c=(4÷8)h; Đồng thời tuân theo tỷ số: b/l=(1/2÷1/4).
Kết cấu nhịp bản của cầu cạn được kê trên trụ tường hay là trên các cột chống, theo phương ngang trong nhiều trường hợp mặt cắt ngang có thể thay đổi giật cấp (Hình 2.8-a), thay đổi đều (Hình 2.8-b, c). Chiều cao tại phần kê h/l=(1/14÷1/25).
Kết cấu nhịp bản của cầu cạn được kê trên trụ tường hay là trên các cột chống, theo phương ngang trong nhiều trường hợp mặt cắt ngang có thể thay đổi giật cấp
Hình 4.7- Cầu bản mặt cắt thay đổi
Nếu chiều rộng toàn bộ của kết cấu nhịp bản nhỏ hơn chiều dài nhịp, ví dụ B/L < (0.3÷0.5) thì tại vị trí giữa nhịp sự làm việc của kết cấu chịu lực sẽ gần với sự làm việc của dầm và nội lực trong phương ngang của nhịp không lớn.
Điều kiện để kết cấu nhịp làm việc như tấm nếu B/h > 8÷10 và diện tích tồn bộ của lỗ rỗng nhỏ hơn 1/2 diện tích tồn bộ của mặt cắt ngang.
Khi chiều dài nhịp L=(30÷40)m áp dụng chiều cao khơng thay đổi dọc theo chiều dài nhịp là không hợp lý, trong trường hợp này làm chiều cao thay đổi đều (Hình 2.9). Trụ trong trường hợp này thường là cột được ngàm với kết cấu nhịp và móng.
Kết cấu nhịp như vậy được gọi là hình nấm, khi ngàm đường kính cột (3÷4)m theo phương dọc cho phép giảm đáng kể chiều cao tại giữa nhịp đến h ≤ (1/30÷1/50)L; H=(2÷5)h. Những khe biến dạng khơng nên cách nhau lớn hơn (50÷60)m.
Hình 4.8 – Cầu dầm bản có chiều cao thay đổi cả hai phương
40 16 1 ,1 14,89 1,2 12,90 10,5 1,2 1 ,0 8-7,5 1 ,0
Việc bố trí cốt thép thường trong kết cấu nhịp cầu bản chỉ kê trên các trụ dạng cột được thể hiện như trên hình 4.9 dưới đây, trịn đó D là ký hiệu lưới dưới và T là ký hiệu lưới trên.
Hình 4.9- Bố trí cốt thép cầu dầm bản trên các trụ cột
Đối với các cầu cong, do tính chất làm việc, nên cốt thép được bố trí phức tạp hơn so với cầu thẳng. Hình 4.10 thể hiện việc bố trí cốt thép thường trong cầu bản cong được kê lên các trụ cột.
Hình 4.10- Cốt thép cầu bản cong trên trụ cột
Đối với cầu chéo tuỳ vào việc kê lên kết cấu gối và cấu tạo cụ thể có thể bố trí cốt thép như sau:
Trên hình 4.11.a là khi bản được kê liên tục tại hai đầu, hình b là khi kê lên các cột, hình c là khi cầu thẳng nhưng các cột trụ bố trí khơng vng góc với tim tuyến.
4.3.2. Cấu tạo cầu bản lắp ghép và bán lắp ghép: 4.3.2.1. Cầu bản lắp ghép: 4.3.2.1. Cầu bản lắp ghép:
Kết cấu nhịp cầu bản lắp ghép thường được chia thành những khối theo chiều dài nhịp (phân khối theo chiều dọc), trong nhiều trường hợp cầu cạn nhịp lớn, khối lắp ghép còn được phân khối theo chiều ngang.
Trong cầu cạn chiều cao của khối lắp ghép h = (1/18÷1/25)L đối với nhịp giản đơn; h = (1/20÷1/35)L đối với hệ thống liên tục hoặc khung.
Chiều rộng của khối phụ thuộc vào thiết bị cẩu lắp. Với chiều dài nhịp L≤ 10÷12m, có thể liên kết các khối bằng cốt thép thường bao gồm những thanh riêng rẽ, tổ hợp hay là khung hàn. L > 12÷20m, liên kết bằng thép ƯST. Khi sơ đồ là liên tục hoặc khung chiều dài của nhịp có thể lớn hơn và lên tới 30÷40m.
Cốt thép cường độ cao (bó hoặc sợi căng trước) được bố trí riêng biệt trong các khối lắp ghép, chúng được kéo thẳng để đơn giản trong việc chế tạo, cốt thép được bố trí cả ở biên dưới và biên trên, cốt thép biên trên cơ bản để đảm bảo chịu kéo trong giai đoạn căng và lắp ghép kết cấu siêu tĩnh.
Để giảm trọng lượng của khối người ta tạo những lỗ hình trịn, ơ van và dạng chữ I...(Hình 4.12) dưới đây.
Hình 4.12 – Một số dạng mặt cắt ngang dầm bản lắp ghép phổ biến
Trong mặt cắt ngang của kết cấu nhịp các phân tố lắp ghép được đặt liền kề hay cách nhau, khoảng cách của chúng phụ thuộc vào sự làm việc của kết cấu nhịp và phương pháp liên kết chúng với nhau (Hình 4.13).
Đối với kết cấu nhịp có chiều dài đến 8m có thể lắp đặt trên trụ mà không cần liên kết theo phương ngang, đảm bảo sự làm việc đồng thời của chúng thơng qua lớp áo đường.
Hình 4.13- Phương pháp liên kết ngang các khối của kết cấu nhịp lắp ghép
(1. cấu kiện lắp ghép; 2. mối nối bằng BT đổ tại chỗ; 3. Cốt thép lò xo; 4. Mối nối bằng cốt thép chờ; 5. Bản BT; 6. Cốt thép UST theo phương ngang; 7. Neo; 8. Liên kết ngang đổ
tại chỗ trên trụ; 9. Cốt thép vòng; 10. Cốt thép dọc)
Để đảm bảo sự làm việc đồng thời của các khối riêng rẽ có thể dùng cấu tạo khớp bằng bê tơng có lị xo thép (Hình 4.13.b) hoặc liên kết bằng bản thép hàn:
Liên kết khớp bê tơng: Khớp có hình trịn, hình thang hay hình quạt, khe nối dùng bê tơng cốt liệu nhỏ (B20-B25), liên kết này truyền lực cắt tốt và dễ thi công.
Liên kết bằng thép hàn: Dùng liên kết khớp bằng BT phải đổ BT tại chỗ và chờ cho đến khi đạt cường độ mới khai thác được. Để khắc phục có thể dùng liên kết bằng bản thép hàn bố trí cách nhau theo chiều dọc khoảng 80-150cm, ở giữa nhịp bố trí dày ở gối bố trí thưa hơn.
Theo phương dọc các khối đúc sẵn sau khi đặt lên gối cầu tại vị trí làm việc được nối với nhau bằng mối nối ướt (Hình 4.13.a), trường hợp này tồn bộ xà mũ của trụ nằm bên dưới, giải pháp này thi công đơn giản nhưng không thẩm mỹ đặc biệt là cho các cầu thành phố. Để giảm chiều cao xà mũ nằm bên dưới cầu có thể đưa một phần xà mũ vào trong khoảng giữa hai đầu kết cấu nhịp, sử dụng bản liên tục nhiệt hoặc khe co dãn để nối hai đầu của chúng (Hình 4.14.e), khi xà mũ cần có chiều cao lớn hơn nên đặt cao độ đỉnh của xà mũ bằng cao độ đỉnh của kết cấu nhịp và đỉnh của xà mũ là một phần của đường xe chạy (Hình 4.14.d). Trong trường hợp khơng muốn để lộ xà mũ, có thể đưa tồn bộ chiều cao của xà mũ trụ nằm trong chiều cao của dầm, các khối lắp ghép được nối vào hai phía của xà mũ (Hình 4.14.b), hoặc sử dụng mối nối ướt để liên kết trụ và kết cấu nhịp (Hình 4.14.c) tạo thành kết cấu khung dầm liên tục.
Sử dụng cáp ứng suất trước trên toàn bộ chiều dài kết cấu nhịp để nối các khối lắp ghép thể hiện trên Hình 4.14.f, g, trường hợp thứ nhất các kết cấu nhịp được nối tại vị trí trụ (Hình 4.14.f), trường hợp thứ hai mối nối bố trí trong nhịp (Hình 4.14.g). Ưu điểm của giải pháp này là cáp ứng suất trước được bố trên toàn bộ kết cấu nhịp, nhưng một trong những nhược điểm là thi cơng khó khăn, có thể chọn phương án sử dụng cáp ứng suất trước cục bộ tại vị trí mối nối trong nhịp (Hình 4.14.h) hoặc sử dụng phương án như trên Hình 4.14.i. Mặt cắt ngang của cầu bản lắp ghép và khối lắp ghép có lỗ hình ơ van phương án này trước tiên tiến hành thi công khung T và căng cốt thép ứng suất trước chịu mơ men âm, sau đó đặt phần kết cấu nhịp bê tông
ứng suất trước đúc sẵn khác kê trên đầu hẫng của cánh T và cuối cùng là thi công mối nối ướt liên kết giữa hai phần đúc sẵn.
Hình 4.14- Các dạng liên kết dọc nhịp cầu bản
3.4.2. Cầu bản bán lắp ghép:
Kết cấu bán lắp ghép là kết cấu mà tiết diện của nó có một phần được đúc sẵn thường bố trí phía dưới có tiết diện hình chữ nhật hoặc chữ T ngược... bằng bê tông cốt thép hoặc bê tông cốt thép ứng suất trước và một phần được đổ tại chỗ bằng bê tông cốt thép thường ở bên trên có mục đích liên kết các khối lại với nhau để cùng chịu tải trọng giai đoạn II, tiết diện hình thành theo hai giai đoạn, một số mặt cắt ngang điển hình khối đúc sẵn như hình 4.15
Hình 4.15- Các dạng mặt cắt ngang phần đúc sẵn
(1. Cốt thép cường độ cao; 2. Cốt thép thường; 3, 4. Cốt thép chờ liên kết ngang) Sau khi đặt các khối đúc sẵn vào đúng vị trí, đổ bê tông cốt thép tại chỗ để liên kết các khối lại với nhau tạo thành kết cấu nhịp có tiết diện bán lắp ghép và một kiểu mặt cắt ngang kết cấu nhịp được thể hiện trên Hình 4.16.
Hình 4.16- Mặt cắt ngang kết cấu nhịp bản lắp ghép
(1. bê tông đổ tại chỗ; 2. lưới cốt thép; 3. cốt thép chờ; 4. tấm BTCT đúc sẵn làm ván khuôn; 5. thanh cốt thép dọc; 6. liên kết hàn cốt thép; 7. thanh cốt thép xuyên qua các khối đúc sẵn; 8. tấm lắp ghép; 9. lỗ ngang để luồn cốt thép; 10. ván khuôn thép; 11. cốt thép ứng
suất trước; 12. tấm bê tông cốt thép làm cốp pha)
Các khối được ghép lại với nhau với yêu cầu khe hở giữa các khối theo chiều ngang khơng lớn hơn (10÷20mm). Mặt cắt ngang trên Hình 4.16.a thường được dùng cho kết cấu nhịp có chiều dài L=6÷10m, trên Hình 4.16.b dùng cho kết cấu nhịp có chiều dài L=10÷15m, để tăng sự làm việc không gian của kết cấu nhịp sử dụng lưới cốt thép hoặc cốt thép chờ (Hình 4.16.c), mối nối vịng (Hình 4.16.d), sử dụng mối nối buộc hoặc hàn để liên kết giữa cốt thép với nhau (Hình 4.16.e). Khi kết cấu nhịp lớn hơn nữa sử dụng khối lắp ghép có dạng bản rỗng, tiết diện T hoặc hộp và có thể chỉ đổ bê tơng liên kết theo phương ngang trên một phần chiều cao của tiết diện nhằm mục đích giảm trọng lượng của kết cấu phần trên, phần bê tông đổ tại chỗ này bao phủ cốt thép thường hoặc cốt thép ứng suất trước tại những lỗ để sẵn trong sườn của phần tử lắp ghép. Phía trên của khối lắp ghép đặt những tấm bê tông cốt thép đúc sẵn làm cốp pha để đổ bê tơng mặt đường (Hình 4.16.c, e) hoặc rải trực tiếp lớp phủ của phần đường xe chạy (Hình 4.16.g), do tấm bê tông cốt thép đúc sẵn làm ván khn nặng nề nên có thể thay thế bằng các tấm thép có dạng vịm (Hình 4.16.h). Khi có thể đặt những khối lắp ghép cách xa nhau, giữa các khối này bố trí những tấm bê tơng cốt thép phẳng hoặc đa giác làm cốp pha đặt ở vùng biên dưới của kết cấu phần trên (Hình 4.16.i, k).
Cốt thép ứng suất trước của mặt cắt ngang được đặt vào những rãnh ngang của phần tử lắp ghép và được kéo trước hoặc kéo sau trước khi bê tông đông cứng. Đặc điểm tiết diện bán lắp ghép là làm việc theo hai giai đoạn:
Giai đoạn1: Khối lắp ghép làm việc độc lập, chịu trọng lượng bản thân của chính nó và trọng lượng của phần bê tơng đổ tại chỗ.
Giai đoạn 2: Cả kết cấu nhịp cùng làm việc, chịu tĩnh tải phần 2 (lớp mặt đường, lan can, bộ hành) và hoạt tải.
Ưu điểm của kết cấu bán lắp ghép:
Tính tồn khối tốt hơn so với lắp ghép.
Phần bê tơng đổ tại chỗ ít và khơng phải làm giàn giáo so với đổ tại chỗ.
Trọng lượng của khối bán lắp ghép nhẹ hơn so với lắp ghép. Khuyết điểm:
Tính tồn khối kém hơn so với đổ tại chỗ.
Thi công lâu hơn so với lắp ghép.
4.4. Ngun lý tính tốn kết cấu nhịp cầu bản:
Trong giới hạn nội dung học phần, dưới đây giới thiệu cách xác định các tham số cơ bản của cầu bản có tiết diện hình chữ nhật đặc hay rỗng làm việc chủ yếu theo hướng song song với luồng giao thông.
4.4.1. Chiều cao bản:
Chiều cao nhỏ nhất của bản có chiều cao khơng đổi có thể lấy theo quy định tại bảng 2, mục 5.2.6.3, phần 2, TCVN 11823-2017 như sau:
Cầu bản bê tông cốt thép thường:
Bản đơn giản: h = , ( ) mm
Bản liên tục: h = ≥ 165 mm
Cầu bản bê tông dự ứng lực:
Bản đơn giản: h = 0,03L ≥ 165mm
Bản liên tục: h = 0,027L ≥ 165mm Trong đó: S, L là chiều dài nhịp bản.
4.4.2. Chiều rộng làm việc của cầu bản: (Mục 6.2.3, phần 4)
Kết cấu bản có thể xem như tập hợp của nhiều dải bản đặt song song, trong đó các dải bản biên làm việc bất lợi hơn các dải bản giữa. Dưới tác dụng của tĩnh tải, bản làm việc như một dầm chịu tải trọng phân bố đều và thường xem xét trên một chiều rộng dải bản là 1m. Khi