6. Kết cấu của luận văn
2.2 Dạng mặt cắt ngang dầm hộp thộp
2.2.1 Đặc điểm cấu tạo
a) Lịch sử phỏt triển dầm hộp
Thiết kế tổng thể của dầm hộp thộp được dựa trờn chiều dài nhịp hợp lý, tỷ lệ chiều dài và chiều cao dầm, thiết kế mặt cắt ngang và lựa chọn loại thộp. Cỏc chi tiết quan trọng khỏc cũng phải được được xem xột và kiểm tra.
Hỡnh 1 dưới đõy thể hiện cấu tạo tổng thể của một dầm thộp giản đơn mặt cắt hỡnh hộp liờn hợp với bản mặt cầu BTCT.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 30 Hỡnh 1: Dầm hộp thộp liờn hợp bản bờ tụng cốt thộp
Những năm 1940 việc sử dụng kết cấu dầm hộp rất hạn chế, dầm hộp thộp chủ yếu được chế tạo từ thộp cuộn, thộp tấm và liờn kết bằng đinh tỏn.
Với sự phỏt triển của kỹ thuật hàn điện và cắt chớnh xỏc, khả năng ỏp dụng kết cấu dầm hộp được nõng cao lờn khỏ nhiều. Hiện nay đó cú thể thiết kế cỏc kết cấu dầm hộp lớn hơn với liờn kết hàn, bằng cỏch sử dụng cỏc kỹ thuật tương tự như trong ngành đúng tàu.
b) Kết cấu điển hỡnh một dầm hộp bao gồm
Một bản mặt bờ tụng hoặc thộp sàn trực hướng, hoặc đụi khi sự kết hợp của cả hai, Một bản thộp cường độ cao ở đỏy hộp,
Cỏc liờn kết thẳng đứng hoặc nghiờng.
c) Mặt cắt ngang điển hỡnh
Vỡ dầm hộp cú độ cứng chống xoắn cao cho nờn rất phự hợp khi ỏp dụng cho cầu cong trờn mặt bằng, như hiển thị trờn hỡnh 3a và 3b. Rất nhiều cầu trờn đường cao tốc ở Chõu Âu được thiết kế theo phương phỏp này. Phương phỏp đỳc đẩy cú thể được ỏp dụng trong trường hợp bỏn kớnh cong khụng đổi trờn mặt bằng.
Hỡnh 3a: Cầu dầm bản
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 31 Trong mặt cắt hộp đụi, đụi khi người ta chia hộp thành cỏc ngăn nhỏ hơn, hỡnh 4a. Kết cấu này làm giảm hiệu suất làm việc của mặt bớch đỏy hộp.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 32 Cỏc phương ỏn thay thế: Hộp 3 ngăn được thay thế bằng:
Hai ngăn bờn ngoài, 1 “ngăn” trung tõm, liờn kết với 2 ngăn bỡa thụng qua cỏc thanh giằng và lưới như tấm sàn, Hỡnh 4b.
Cỏc ngăn độc lập nhỏ hơn, xem hỡnh 4c. Ưu điểm là cỏc mặt bớch phớa dưới nhỏ hơn, nhược điểm là làm giảm sức khỏng xoắn.
Bước cuối cựng thay thế cỏc ngăn riờng biệt bằng dầm hàn mặt cắt chữ I, hỡnh 4d. Việc tăng cường và mở rộng cầu hiện hữu là một vấn đề khỏ quan trọng. Với đặc tớnh của dầm hộp, cầu cú thể được tăng cường bằng cỏc thanh giằng dự ứng lực, hoặc hàn thờm cỏc tấm thộp cường độ cao dưới đỏy hộp.
Hiện nay, dầm hộp kớn là kết cấu đạt độ cứng chống xoắn cao nhất. Tuy nhiờn, một dạng của cấu trỳc cú độ cứng chống xoắn lớn đó được biết đến trong một thời gian dài: giàn khụng gian. Trước đõy, đụi khi dầm hộp được sử dụng như cỏc dầm tăng cường trong kết cấu của nhiều cầu treo, với hai, ba hoặc tất cả cỏc mặt phẳng giàn.
d) Nguyờn tắc thiết kế chung
Nhịp
Bảng 1: Chiều dài nhịp hợp lý khi thiết kế dầm hộp
Loại nhịp Bản mặt cầu liờn hợp (m) Bản trực hướng (m)
Nhịp giản đơn 20-100 70-120
Nhịp chớnh trong cầu liờn tục 30-140 100-250
Số liệu trong Bảng 1 cung cấp chiều dài nhịp kinh tế đối với cầu vượt đường bộ. Cầu Costa e Silva ở thủ đụ Rio de Janeiro cú chiều dài nhịp lớn nhất thế giới – 300m, và đõy cũng là chiều dài nhịp đỏp ứng được tất cả cỏc chỉ tiờu về kinh tế lẫn kỹ thuật.
Hỡnh 5a: Phần nhịp chớnh cầu Costa e Silva Hỡnh 5b: Toàn cảnh cầu Costa e Silva Tỷ lệ chiều dài nhịp và chiều cao mặt cắt ngang:
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 33 Tỷ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao mặt cắt ngang thụng thường giao động trong khoảng 20-25 đối với nhịp giản đơn; 25-35 đối với nhịp liờn tục. Nếu sử dụng thộp tăng cường thỡ cú thể giảm tỷ lệ này mà khụng vi phạm quy định về độ vừng giới hạn. Tỷ lệ trờn được tớnh cho cầu vượt đường bộ. Đối với cầu vượt đường sắt thỡ tỷ lệ trờn nhỏ hơn, vào khoảng 15 và 20. Tỷ lệ này cú thể dựng để kiểm tra thiết kế trong giai đoạn nghiờn cứu tiền khả thi.
Mặt cắt ngang
Một dầm hộp cú thể cú sườn thẳng đứng hoặc nghiờng, thụng thường lưới thẳng đứng cú giỏ thành thấp hơn. Với mặt cắt ngang hẹp thỡ cú thể chọn lưới thẳng đứng.
Dầm hộp đơn kớn cú mặt cắt ngang hẹp cú thể được định vị ngay tim cầu kết hợp với cỏc bracket hẫng. (hỡnh 3b).
Đối với cầu cú nhịp ngắn và mặt cắt ngang rộng, thụng thường ỏp dụng vỏch nghiờng, hỡnh 1. Vớ dụ, mặt cầu bờ tụng rộng 13m mà khụng cú dự ứng lực ngang thỡ yờu cầu thiết kế mặt trờn của hộp với chiều rộng 6m. Nếu thiết kế với vỏch thẳng thỡ sẽ vượt quỏ chiều rộng cú hiệu của hộp dầm. Trong trường hợp này người ta sử dụng hộp cú vỏch nghiờng. Thụng thường vỏch nghiờng từ 200 – 350 so với phương thẳng đứng. Ngoài ra, vỏch nghiờng cũng cú thể được lựa chọn nhằm đỏp ứng cỏc yờu cầu về mặt khớ động học và yếu tố mỹ quan.
Mặt bớch nếu rộng quỏ sẽ kộm hiệu quả vỡ làm tăng lực cắt, hơn nữa làm tăng diện tớch vựng chịu nộn. Ngoài ra, nếu bề rộng mặt bớch quỏ lớn sẽ khú đỏp ứng chỉ tiờu về độ dày mặt bớch, được quy định trong cỏc tiờu chuẩn thiết kế.
Chiều rộng tấm thụng thường là 3,3m; và cú 1 số nhà mỏy ở Phỏp và Mỹ cú thể sản xuất tấm lờn đến 5m. Nếu cần tấm cú chiều dài lớn hơn thỡ cú thể cần đến cỏc mối hàn theo chiều dọc, làm tăng chi phớ sản xuất tấm. Núi chung trong thiết kế và thi cụng, đối với cả tấm đỉnh hộp và đỏy hộp, người ta thường chọn cỏc tấm cú chiều dài sẵn cú ở cỏc nhà mỏy. Ngoài ra cũn cần phải chỳ ý đến việc vận chuyển tấm từ nhà mỏy đến cụng trường. Nếu tấm quỏ lớn thỡ việc vận chuyển sẽ gặp khú khăn và làm ảnh hưởng đến tiến độ cụng trỡnh. Chiều rộng thụng thường là 2,5m hoặc vớ dụ ở Thụy Điển cho phộp đến 4,5m. Nờn xem xột và tớnh toỏn đến chi phớ của cỏc phương tiện hộ tống trong quỏ trỡnh vận chuyển.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 34 Thanh tăng cường độ cứng theo chiều dọc
Thanh tăng cường cần được thiết kế ở đỏy hộp, tại vị trớ trờn đỉnh trụ và đụi khi ở vỏch hộp. Nếu cầu được thi cụng theo phương phỏp lắp hẫng hoặc phương phỏp lao dầm thỡ thanh tăng cường cần được thiết kế trờn suốt chiều dài cầu để khỏng lại tải trọng thi cụng
Vỏch ngăn trờn đỉnh trụ và khung dầm ngang
Tại vị trớ trụ, toàn bộ lực cắt và momen được truyền vào gối. Giải phỏp thiết kế tại đỉnh trụ là cỏc vỏch ngăn, vớ dụ như cỏc vỏch ngăn nằm ngang nối với dầm. Tấm thộp cũng được thiết kế với cường độ cao để chịu lực cắt và momen, cũng như phản lực gối. Vỏch ngăn trờn đỉnh trụ cú tỏc dụng hạn chế biến dạng của mặt cắt (biến dạng gúc quay của mặt cắt ngang).
Để ngăn chặn biến dạng gúc quay mặt cắt ngang, người ta thiết kế cỏc khung ngang như trờn hỡnh 1. Tại mặt cắt này, tấm đỏy và vỏch hộp được thiết kế cỏc thanh ngang gia cường độ cứng. Cỏc thanh gia cường độ cứng ngang được làm từ thộp tấm và kết hợp với neo ngang. Với những thanh gia cường trung gian, cú thể bỏ qua cỏc thanh neo nếu như độ cứng tổng thể của hộp đủ lớn. Nếu khụng sử dụng neo thỡ cỏc thanh gia cường ngang được thiết kế với mặt cắt hỡnh chữ T.
Liờn kết ngang giữa cỏc hộp dầm
Với cỏc cầu đa hộp theo phương dọc, cần phải thiết kế liờn kết ngang giữa cỏc hộp nhằm phõn bố ứng suất trong cỏc hộp dưới tỏc dụng lệch tõm của tải trọng động. Thiết kế liờn kết ngang chủ yếu tớnh đến sức khỏng mỏi. Cú thể sử dụng cỏc vỏch ngăn lớn, hoặc cỏc dầm ngang cỏch nhau tự 3 - 4m theo phương dọc cầu. Xem hỡnh 6.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 35 Hỡnh 6: Cỏc phần tử chuyển hướng giữa cỏc hộp
Gối
Vỡ cầu dầm hộp cú khả năng chịu xoắn tốt, chỉ cần bố trớ gối đơn trờn một hoặc một vài đỉnh trụ và truyền momen xuống phần nền múng ở những vị trớ cú khả năng khỏng momen cao. Điều này đặc biệt phổ biến khi cầu cú độ cong lớn. Ở những vị trớ gối đơn chỉ cần thiết kế trụ thanh mảnh.
Tại cỏc đầu cầu, thụng thường bố trớ 2 gối trờn đỉnh trụ đối với dầm hộp đơn. Cần chỳ ý đặc biệc đến khoảng cỏch giữa 2 gối.
Nếu gối cầu được đặt dưới hệ giằng, cần đặc biệt chỳ ý nhằm trỏnh hiện tượng lệch tõm xảy ra dưới tỏc dụng của momen nhiệt. Trong trường hợp này cú thể cần thiết kế cỏc thanh gia cường.
Chống ăn mũn
Phần kết cấu bờn trong hộp dầm ớt cú nguy cơ bị ăn mũn hơn so với mặt ngoài. Vỡ thế cụng tỏc chống ăn mũn mặt trong của hộp cú thể rất đơn giản hoặc đụi khi được bỏ qua hoàn toàn. Tuy nhiờn, nguy cơ bị rỉ nước vào trong hộp dầm là khỏ cao, đặc biệt là đối với mặt cầu bằng betong cốt thộp. Vỡ thế hộp dầm cần được thiết kế với 1 thiết bị chống ẩm để làm khụ khụng khớ. Biện phỏp phũng ngừa này cú giỏ thành tương đối thấp.
Mặt trong của hộp dầm nờn được sơn màu trắng hoặc cỏc màu sỏng nhẹ nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho quỏ trỡnh giỏm sỏt, kiểm tra.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 36