công trình cầu
Mục đích:
Cung cấp các khái niệm tổng quát và cấu tạo của các kết cấu và thiết bị trên công trình cầu.
Nội dung ch−ơng gồm:
2.1 Bộ phận mặt cầu.
2.2. Lan can và lề ng−ời đi bộ.
2.3. Độ dốc, phòng n−ớc, thoát n−ớc trên cầu.
2.4. Khe co giTn, bản mặt cầu liên tục nhiệt, gối cầu. 2.5. Nối tiếp giữa cầu và đ−ờng.
2.1. Bộ phận mặt cầu
Mặt cầu đ−ờng ôtô và đ−ờng sắt mang những đặc tr−ng riêng. Mặt cầu ôtô là bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bánh xe của hoạt tải nên phải đáp ứng các yêu cầu nh−: ít bị hao mòn, bằng phẳng không gây lực xung kích lớn để xe chạy đ−ợc êm thuận, thoát n−ớc nhanh và trọng l−ợng bản thân nhẹ để giảm tĩnh tải. Mặt cầu đ−ờng sắt thì chủ yếu gồm ray, tà vẹt và các bộ phận khác có thể có hoặc không nh− đá ba lát.
2.1.1. Mặt cầu ôtô
a). Mặt cầu có lớp phủ bêtông atphanlt:
Cấu tạo có thể gồm các lớp sau:
• Lớp bê tông nhựa dày, 4-7cm.
• Lớp bê tông bảo hộ để tránh những lực tập trung nguy hiểm, có chiều dày 4-6cm, đ−ợc làm bằng bê tông cấp > 28 Mpa. Để tăng tác dụng bảo vệ và độ bền của lớp này th−ờng đặt l−ới thép đ−ờng kính 4-6mm với ô l−ới 5x5cm hoặc 10x10cm. L−ới cốt thép này nhất thiết phải đặt ở các cầu BTCT lắp ghép có bản mặt cầu hẫng.
• Lớp phòng n−ớc gồm một lớp nhựa đ−ờng nóng, một lớp vải thô tẩm nhựa, trên phủ tiếp một lớp nhựa nóng dày 1-1.5cm nhằm bảo vệ bản mặt cầu khỏi bị ngấm n−ớc .
• Lớp mui luyện (lớp đệm tạo độ dốc ngang thoát n−ớc) có độ dày thay đổi tùy theo khổ cầu, ở sát vỉa hè lớp này có chiều dày 1cm rồi tăng dần theo độ dốc ngang (ví dụ in = 1, 5%) về phía trục đối
Trang 29
xứng giữa mặt cắt ngang nhịp, lớp này th−ờng đ−ợc làm bằng vữa ximăng cấp 28 MPa. Lớp vữa đệm BT atphan Lớp BT bảo vệ Lớp cách n−ớc 95 80 15
Hình 2.1 – Cấu tạo mặt cầu có lớp phủ bêtông atphanlt b). Cấu tạo mặt cầu có lớp phủ bê tông xi măng
Lớp vữa đệm
Lớp cách n−ớc
BT xi măng
Hình 2.2 – Cấu tạo mặt cầu có lớp phủ bêtông xi măng
Loại mặt cầu này có lớp vữa đệm và lớp cách n−ớc giống loại mặt cầu có lớp phủ bằng bê tông atphalt, trên lớp cách n−ớc là lớp BT cấp > 28 Mpa, dày từ 6- 8cm, có l−ới cốt thép. Loại mặt cầu này có c−ờng độ tốt, chống thấm tốt nh−ng sửa chữa khó khăn hơn loại trên.
c). Cấu tạo mặt cầu của một số đồ án cầu điển hình ở Việt Nam
Theo một số đồ án cầu BTCT điển hình của Việt Nam, cấu tạo các lớp phủ mặt cầu có thể lấy một trong hai dạng sau đây:
• Tr−ờng hợp có dùng bê tông nhựa:
+ Lớp trên cùng là bê tông nhựa dày 5cm
+ Bên d−ới là lớp bê tông xi măng cấp > 28MPa, dày 5cm, trong lớp này đặt l−ới cốt thép đ−ờng kính d = 6mm, ô l−ới vuông 10 ì 10cm.
• Tr−ờng hợp không dùng bê tông nhựa.
+ Chỉ có một lớp bê tông xi măng cấp > 28 Mpa dày 8cm đổ tại chỗ trên mặt dầm đQ lắp ghép xong. Trong lớp này cũng
Trang 30
đặt l−ới cốt thép đ−ờng kính d = 6mm, ô l−ới vuông 10ì10cm.
d). Mặt cầu bằng thép
Trong cầu thép, để giảm trọng l−ợng tĩnh tải mặt cầu có thể cấu tạo mặt cầu bằng thép. Trên tấm thép dày 10-12mm đ−ợc tăng c−ờng bởi các s−ờn đứng dọc và ngang làm từ các dải thép bản đ−ợc hàn đính vào mặt d−ới của tấm thép. Kết cấu mặt cầu kiểu này th−ờng đ−ợc cho tham gia chịu lực cùng với dầm chủ nh− là một bộ phận của tiết diện dầm chủ và gọi là “bản trực h−ớng”, ngoài ra nó còn làm nhiệm vụ của hệ liên kết dọc trên. Phía mặt trên của tấm thép th−ờng đ−ợc xử lý theo các cách nh− sau:
• Hàn đính l−ới thép lên trên mặt tấm thép mặt cầu, l−ới này th−ờng đ−ợc làm từ các thanh cốt thép đ−ờng kính 6mm thành những ô vuông cạnh khoảng 10-15cm. Sau đó, tiến hành rải một lớp bê tông nhựa hoặc bê tông xi măng.
• Hoặc trên bề mặt tấm thép tiến hành t−ới một lớp expoxy, sau đó rải một lớp đá dăm nhỏ, rồi tiếp tục rải một lớp bê tông nhựa lên trên.
Trên thực tế còn có kiểu mặt cầu bằng thép làm d−ới dạng sàn mắt cáo rỗng có trọng l−ợng rất nhẹ chỉ vào khoảng 130-150 kg/m2. Loại mặt cầu này đáp ứng tốt các yêu cầu về sử dụng nh− độ bằng phẳng, độ nhám đồng thời lại không cần bố trí hệ thống thoát n−ớc nh−ng có nh−ợc điểm là đắt tiền.
2.1.2. Cấu tạo mặt cầu đ−ờng sắt
a). Mặt cầu có tà vẹt đặt trực tiếp trên dầm
Đây là loại mặt cầu có ray đặt trên tà vẹt, tà vẹt đ−ợc kê trực tiếp lên dầm chủ của cầu. Khoảng cách giữa hai dầm chủ th−ờng nằm trong khoảng 1.8m-2.5m. Các tà vẹt trên cầu th−ờng có chiều dài 2.2m-3m, tiết diện 20x20cm hoặc 20x24cm tùy vào khổ đ−ờng tiêu chuẩn là 1435mm hay 1000mm
Mặt cầu có tà vẹt đặt trực tiếp trên dầm có −u điểm là cấu tạo đơn giản, trọng l−ợng nhẹ, chiều cao kiến trúc thấp nh−ng khó đảm bảo đ−ợc sự đồng nhất của tuyến đ−ờng trong đoạn trên cầu với phần ngoài cầu, khó tạo siêu cao trên đ−ờng cong và khi tàu chạy qua cầu gây tiếng ồn lớn.
b). Mặt cầu có máng ba-lát
Đây là loại thông dụng nhất hiện nay, nó gồm ray đặt trên tà vẹt, d−ới tà vẹt là đá balát dày tối thiểu 25cm.
Bản mặt cầu BTCT th−ờng có dạng lòng máng để chứa đá dăm. Chiều rộng của máng balát tối thiểu ở phía trên là 3.4m đối với khổ đ−ờng sắt 1435mm, là
Trang 31
2.6m đối với khổ đ−ờng sắt 1000mm. Loại mặt cầu này thích hợp với các cầu nhỏ, duy tu dễ, giảm tiếng ồn khi tàu chạy qua cầu. Nh−ng loại mặt cầu này có tĩnh tải và chiều cao kiến trúc lớn.
1000750 450 2100/2 2100/2 450 750 750 450 2100/2 2100/2 450 750 3 1 2 4 5 6 8
Hình 2.3 – Cấu tạo mặt cầu có máng ba lát
1- Ray chính ; 2- Ray phụ; 3- Tà vẹt ; 4- Đá ba-lát; 5- Lớp bê tông bảo vệ; 6- Lớp cách n−ớc; 7- Lớp đệm tạo dốc ngang 8- Tấm thép đậy
c). Mặt cầu có ray đặt trực tiếp lên bản bê tông cốt thép
Loại mặt cầu có ray đặt trực tiếp lên mặt bản BTCT th−ờng đ−ợc áp dụng ở các cầu đi chung đ−ờng sắt - đ−ờng ô tô trùng mặt xe chạy.
Ưu điểm của loại mặt cầu này là loại bỏ đ−ợc tĩnh tải của lớp ba-lát nặng, giảm đ−ợc chiều cao kiến trúc của cầu, tuy nhiên liên kết giữa ray và bản BTCT t−ơng đối phức tạp.
Trang 32 65 10 0 75 20 70 120 75 65 Bản thép đệm ray N2 L100x100x10 Cóc N3 Vòng đệm N4 Đai ốc N5 Bu lông neo D18-N6 13 0 Vữa Xi m ăng đệm Đệm cao su dày 1cm 134 290
Hình 2.4a – Cấu tạo mặt cầu có ray đặt trực tiếp lên bản bê tông
1- Bản đệm thép; 2- Bản đệm gồ ép; 3- Ê-cu; 4- Bu lông; 5- Khoảng trống trong bêtông bản; 6- Bản đệm cao su; 7- Hộp thép dày 3mm;
8- Bản thép; 9- Thép góc; 10- Bản đệm thép. Cóc Sắt góc thay ray phụ 300+50 A A A-A
Hình 2.4b – Một cách liên kết ray trực tiếp vào bản BTCT
Trang 33
2.2.1. Lan can
Lan can cầu không những là bộ phận đảm bảo an toàn cho các ph−ơng tiên l−u thông trên cầu mà còn thể hiện vẽ đẹp kiến trúc của cầu. Vì vậy, kết cấu lan can phải vững chắc, đẹp và phù hợp với cảnh quan khu vực xây dựng cầu.
Lan can của các kết cấu cầu thép th−ờng làm bằng thép. Cột lan can là những đoạn thép hình gắn trực tiếp vào đầu mút thừa đỡ phần đ−ờng ng−ời đi.
Lan can cầu BTCT có thể đ−ợc hàn nối từ các thanh hoặc tấm hoặc ống thép hoặc cũng có thể bằng bê tông cốt thép. D−ới đây là một số loại lan can hiện nay đang rất đ−ợc −a chuộng và sử dụng rộng rQi trong các công trình cầu ở Việt Nam.
Hình 2.5a – ảnh một dạng lan can trong thực tế
I
I
I-I
Trang 34 67 .5 39 2. 5 15 0 61 0 135 118 R1000 130 70 26 5 U - M22 x 650 a 12 0 10 0 30 30 50 90 105 105 60 0 50 150 300 200 15 0 25 0 8.5 8.5 a - a a 13 130 Tay vịn trên 101.6, t = 4.2 Tay vịn d−ới 76.3, t = 3.2 ống thép liên kết 90, L = 300 ống thép liên kết 67.5, L = 300
Hình 2.5c – Cấu tạo lan can đ−ợc dùng trong cầu BTCT có tay vịn bằng ống thép
Hình 2.5d – Một số dạng lan can khác đ−ợc dùng trong thực tế 2.2.2. Vỉa hè - lề ng−ời đi bộ
Cấu tạo vỉa hè trên cầu ô-tô rất đa dạng: lắp ghép, đúc bê tông tại chỗ, có hoặc không có dải bảo vệ v.v.... Trên các cầu ở miền Bắc n−ớc ta hiện nay th−ờng có kết cấu vỉa hè lắp ghép. Chiều rộng vỉa hè trên cầu đ−ợc quy định là bội số của 750 mm, tùy thuộc vào l−u l−ợng ng−ời đi bộ qua cầu. Khả năng thông qua của một dải vỉa hè lấy là 1000 ng−ời/giờ. Nh− vậy chiều rộng vỉa hè một dải kề sát đ−ờng xe chạy lấy là 1000mm (bằng 750mm + dải bảo vệ 250mm). ở một số cầu miền núi hoặc cầu trên đ−ờng địa ph−ơng có ít xe qua lại, có thể thay vỉa hè bằng một dải bảo vệ rộng 250mm.
Trang 35 38 3 5 25 2 2 45 20 5 32 Dầm BTCT lắp ghép Vỉa hè BTCT đổ tại chỗ 15 8 15 80 9 0 7 3 2 5 7 15 1 5 a) b) 7 0
Hình 2.6 – Cấu tạo một số dạng vỉa hè trong thực tế
2.3. độ dốc, phòng n−ớc, thoát n−ớc trên cầu
2.3.1. Độ dốc dọc và độ dốc ngang trên cầu a). Độ dốc dọc và ngang trên cầu ô tô
Việc bố trí độ dốc dọc và ngang trên cầu nhằm mục đích thoát n−ớc mặt, ngăn không cho n−ớc mặt thấm xuống kết cấu phần d−ới.
Cầu có bố trí độ dốc dọc ngoài mục đích thoát n−ớc mặt nó còn mang ý nghĩa giảm chiều dài cầu, hạ cao độ mặt cầu đến gần với cao độ của mặt đất tự nhiên tại hai đầu cầu, làm giảm khối l−ợng đất đắp hai đầu cầu, tránh làm các kết cấu t−ờng chắn, mố cầu quá cao. Độ dốc dọc cầu không đ−ợc lớn hơn 4% tr−ờng hợp cầu trong thành phố, tuyến đ−ờng cao tốc có thể làm cầu với độ dốc dọc hai chiều từ 1%-3% có nối tiếp bằng đ−ờng cong đứng với bán kính cong 3000- 120000m, ứng với tốc độ xe từ 80-120km/h, quy định về độ chênh dốc dọc giữa hai nhịp kề nhau không đ−ợc lớn hơn 1.5%-2% . Cần chú ý nếu độ dốc dọc quá lớn có thể thay đổi sự làm việc của công trình và gây ra khó khăn cho xe chạy, thi công, bảo d−ỡng cầu.
Độ dốc ngang cầu giúp cho cầu thoát n−ớc mặt tốt, th−ờng độ dốc ngang cầu đ−ợc thiết kế từ 1.5%-2%. Có thể tạo dốc ngang cầu bằng hai cách, hoặc thay đổi bề dày lớp vữa đệm, hoặc thay đổi cao độ đá kê gối theo ph−ơng ngang cầu. Phần đ−ờng ng−ời đi trên cầu th−ờng làm dốc ngang từ 1%-1.5% về phía tim cầu.
b). Độ dốc dọc và ngang trên cầu đ−ờng sắt
Mặt cầu có máng đá dăm phải có độ dốc dọc và ngang để thoát n−ớc, độ dốc đó không nhỏ hơn 3%.
Trang 36
2.3.2. Lớp phòng n−ớc trên cầu
Với n−ớc mặt không cho phép thâm nhập vào mặt cầu, chảy vào khu vực gối cầu và đỉnh kết cấu mố trụ. Với n−ớc ngầm không cho phép n−ớc ngầm trong phần đất của nền đ−ờng đầu cầu ngấm vào từ sau mố. Chính vì vậy trên mặt cầu và mặt sau mố phải dùng lớp phòng n−ớc để cản trở n−ớc mặt và n−ớc ngầm. Lớp này che phủ trên bề mặt của bê tông làm nhiệm vụ chống thấm.
Lớp phòng n−ớc này có thể sử dụng nhựa đ−ờng đun nóng quét lên bề mặt lớp bê tông hoặc dùng bao đay tẩm nhựa đ−ờng, hoặc vải chống thấm, tôn mỏng…
2.3.3. Hệ thống thoát n−ớc trên cầu
Qui định cứ 1m2 bề mặt cầu hứng n−ớc m−a của cầu thì phải t−ơng ứng với ít nhất 1cm2 diện tích lỗ thoát n−ớc đối với mặt cầu ôtô và 4cm2 đối với mặt cầu đ−ờng sắt.
ống thoát n−ớc đ−ợc bố trí phải đảm bảo cho n−ớc trên mặt cầu và n−ớc
đọng trong các lớp thoát ra hết và dễ dọn dẹp khi cần thiết. Đ−ờng kính ống tối thiểu bằng 15cm. Có thể bố trí các ống thoát n−ớc đối xứng từng đôi một qua trục dọc cầu hoặc có thể bố trí xen kẽ theo trục dọc cầu. Khoảng cách giữa các ống xa nhất là 15m.
Nếu cầu có độ dốc dọc nhỏ hơn 2% thì cứ khoảng từ 6 - 8m bố trí hai ống thoát n−ớc đối diện nhau, đối xứng qua trục dọc cầu. Với cầu có chiều dài nhỏ hơn 50m và độ dốc dọc lớn hơn 2% thì ở vùng có l−ợng m−a ít có thể không cần bố trí ống thoát n−ớc và có biện pháp thoát n−ớc sau mố. Cầu có chiều dài trên 50m độ dốc dọc lớn hơn 2% thì cứ 10 - 15m đặt một ống thoát n−ớc.
Chú ý khi bố trí ống thoát n−ớc không cho phép n−ớc thoát qua ống chảy xuống gây −ớt kết cấu phần d−ới, hoặc gây −ớc kết cấu nhịp cầu. Vì nh− vậy sẽ gây ra làm h− hỏng và hen rỉ kết cấu nhịp cầu, gối cầu, và các bộ phận mố trụ cầu.
Trang 37
Hình 2.7b – ảnh ống thoát n−ớc trên cầu
2.4. khe co giDn, bản mặt cầu liên tục nhiệt và gối cầu
2.4.1. Khe co giTn a). Khái niệm chung
Khe co giQn bố trí trên cầu đảm bảo cho kết cấu nhịp có thể chuyển vị tự do d−ới tác dụng của hoạt tải, thay đổi nhiệt độ, từ biến và co ngót của bê tông. Hay nói cách khác khe co giQn có các tác dụng sau:
• Đảm bảo chuyển vị dọc trục dầm.
• Đảm bảo chuyển vị xoay của mặt cắt ngang đầu nhịp.
• Đảm bảo êm thuận cho xe chạy tránh gây tiếng ồn.
• Ngăn n−ớc mặt tràn qua khe xuống gối cầu và kết cấu mố trụ phía d−ới.
Khe co giQn phải đảm bảo có độ bền, dễ dàng kiểm tra, bảo d−ỡng và thay thế.
Khe co giQn đ−ợc bố trí theo h−ớng ngang cầu, trong cầu dầm giản đơn chúng đ−ợc bố trí trên tất cả các mố trụ, trong cầu dầm mút thừa chúng đ−ợc bố trí tại vị trí khớp và trên mố, trong cầu dầm và khung liên tục chúng đ−ợc bố trí trên các mố.
Có rất nhiều loại khe co giQn, có thể phân loại thành khe co giQn dùng cho các chuyển vị nhỏ, vừa, lớn và rất lớn. Các loại khe co giQn hiện nay đều ch−a có loại nào thực sự hoàn thiện.
b). Cấu tạo một số loại khe co gicn
b1. Khe co gicn dùng cho các chuyển vị nhỏ
Trang 38
1cm-2cm trong các cầu nhịp nhỏ d−ới 15m hoặc phía đầu dầm đặt gối cố định chỉ có chuyển vị xoay. Hai đầu dầm đ−ợc đặt thép góc, để tránh n−ớc chảy xuống mố trụ đặt dải thoát n−ớc cao su.
Hình 2.8 – Cấu tạo khe co giản hở
• Khe co giTn kín: Phạm vi áp dụng của loại này t−ơng tự nh− trên
tr−ờng hợp khe co giQn hở và th−ờng dùng nhất cho các cầu nhịp nhỏ có tầng phòng n−ớc liên tục còn tầng BT bảo hộ gián đoạn qua khe. Khe có bộ phận co giQn bằng đồng thau hoặc tôn tráng kẽm. Loại này hiện nay ít đ−ợc áp dụng vì bộ phận co giQn