Giáo trình Cầu bê tông: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:101

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 của giáo trình "Cầu bê tông" cung cấp cho học viên những nội dung về: khái niệm cầu bê tông cốt thép; phân loại cầu bê tông cốt thép và phạm vi áp dụng; cầu bản bê tông cốt thép thường nhịp đơn giản; cầu dầm bê tông cốt thép thường nhịp đơn giản; khái niệm chung về kết cấu nhịp bê tông cốt thép dự ứng lực;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cầu bê tông: Phần 1 - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

CHƢƠNG 1. MỞ ĐẦU 1.1. Khái niệm chung về cầu bê tông cốt thép 1.1.1. Sơ lược lịch sử phát triển cầu bê tông cốt thép Ngay từ khi ngành sản xuất thép mới ra đời, ngƣời ta đã nghĩ đến việc đặt cốt thép trong bê tông để tận dụng khả năng của mỗi loại vật liệu. Năm 1850, một ngƣời Pháp là Lămbô đã làm chiếc thuyền bằng BTCT đầu tiên. Đến năm 1861 ông Kyanê, một ngƣời Pháp khác, làm ra các kết cấu mái che, vòm, ống cống dựa trên nguyên tắc bê tông cùng chịu lực với cốt thép. Tuy vậy mãi đến năm 1875 chiếc cầu BTCT đầu tiên mới đƣợc xây dựng tại Pháp theo đồ án của Kỹ sƣ Mônlê, cầu này có dạng vòm dài 16m, rộng 4m cho ngƣời đi bộ. Kết cấu nhịp vòm đƣợc ngàm chặt hai chân vòm vào các mố nặng bằng BTCT. Trong những năm tiếp theo đó, các cầu BTCT không đƣợc phát triển rộng vì thiếu những cơ sở lý thuyết tính toán và số liệu nghiên cứu thử nghiệm về sự chịu lực của kết cấu BTCT. Đến năm 1884 các thí nghiệm của Vaixơ và Bacsinge đƣợc thực hiện ở nƣớc Đức nhằm xác định cƣờng độ, độ chịu lửa của BTCT, sự dính bám cốt thép với bê tông v.v... Tiếp theo đó là các thí nghiệm của Kenen về bản và các phƣơng pháp tính toán bản BTCT do ông đề ra lần đầu tiên năm 1896. Còn ở nƣớc Nga từ những năm (1891- 1896) có các thí nghiệm về bản, dầm, vòm của Beleliuxki. Năm 1892 kỹ sƣ Enkxơbicơ ngƣời Pháp đề xuất hệ thống kết cấu có sƣờn bằng BTCT và phƣơng pháp thi công kết cấu BTCT toàn khối không có dầm thép đỡ nhƣ trƣớc. Ông này không chỉ dùng BTCT để làm bản dầm mà còn làm cột, móng tƣờng chắn, cọc v.v... Sau sáng kiến này, có thể coi là từ cuối thế kỷ 19 đã bắt đầu giai đoạn đầu tiên phát triển rộng rãi các kết cấu BTCT và áp dụng phƣơng pháp tính toán theo lý thuyết ứng suất cho phép. Sang đầu thế kỷ 20 cầu BTCT đƣợc phát triển ngang hàng với các cầu bằng thép, gỗ. Trong giai đoạn đầu, các cầu BTCT thƣờng có dạng kết cấu bản dầm và vòm. Đến trƣớc đại chiến thế giới I (1914 - 1918) phần lớn các cầu BTCT thuộc hệ thống dầm đơn giản, dầm liên tục và cầu khung với kết cấu có sƣờn, khẩu độ nhịp đến 30m, cá biệt đến 40m. Dần dần, các nhịp cầu BTCT dài hơn đã đƣợc xây dựng, đặc biệt vào những năm 1930. Có thể kể ra một số cầu nổi tiếng. Cầu qua sông Maxcơva, năm 1935, dạng nhịp vòm dài 116m cho 4 làn xe lửa, cầu Stốckhôm (Thụy Điển) với nhịp dài 181m, cầu Eooe (Pháp) có 3 nhịp, mỗi nhịp dài 186m, cầu Esla (Tây Ban Nha) có 3 nhịp cầu mỗi nhịp dài 205m. Từ sau chiến tranh thế giới II, các cầu BTCT dự ứng lực bắt đầu phát triển rộng rãi ở châu Âu. Thực ra ý định tạo dự ứng lực kéo cho cốt thép đã đƣợc đề ra từ năm 1896 do Măngđen (ngƣời áo) và Dơdecxơn (ngƣời Mỹ). Nhƣng những thử nghiệm lúc 35
đầu đã thất bại vì họ dùng loại cốt thép có cƣờng độ thấp (khoảng 600kG/cm2), dù có tạo đƣợc dự ứng suất kéo thì cũng sẽ mất mát hết. Mãi đến năm 1928 Kỹ sƣ Freyssinet (ngƣời Pháp) mới đề xuất đƣợc những cơ sở lý thuyết và thực nghiệm ban đầu cho kết cấu BTCT dự ứng lực. Ông đã chứng minh rằng phải dùng bê tông mác cao và cốt thép cƣờng độ cao, trị số dự ứng suất kéo cốt thép phải lớn hơn 4000 kG/cm2, đồng thời phải xét đến các mất mát dự ứng suất trong cốt thép do co ngót và từ biến bê tông. Công cuộc phục hồi và phát triển kinh tế ở châu Âu sau chiến tranh thế giới II đã thúc đẩy khoa học kỹ thuật xây dựng cầu lên một bƣớc mới: Sử dụng các kết cấu lắp ghép và các kết cấu dự ứng lực rất đa dạng. Số lƣợng cầu BTCT chiếm tỷ lệ đáng kể trong số các cầu mới xây dựng. Nhiều dạng sơ đồ kết cấu và phƣơng pháp thi công khác nhau đã đƣợc sáng chế và áp dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Việc lựa chọn áp dụng sơ đồ nào hay áp dụng phƣơng pháp thi công nào thƣờng căn cứ vào việc so sánh, xét tổng hợp nhiều yếu tố nhƣ: Các điều kiện địa lý, địa hình, địa chất, khí hậu, trình độ công nghiệp xây dựng, và nhiều yếu tố kinh tế xã hội khác, thể hiện đặc điểm riêng của mỗi nƣớc, mỗi nền kinh tế. Trƣớc đây, khi kết cấu BTCT dự ứng lực chƣa phát triển thì kết cấu vòm có lực đẩy ngang vào mố trụ là kiểu cầu chủ yếu để vƣợt qua các nhịp dài. Tuy nhiên, nó chỉ phù hợp với một số loại địa hình, địa chất tốt. Ngày nay do kỹ thuật xây dựng cầu BTCT dự ứng lực đã đạt tới mức hoàn thiện nên các cầu vòm rất ít đƣợc xây dựng. Hầu hết các nhịp cầu BTCT dài từ 21m đến 200m đều là kết cấu dự ứng lực có cấu tạo rất đa dạng và hợp lý. Kết cấu BTCT dự ứng lực đã đƣợc dùng không những chỉ trong kết cấu nhịp cầu mà cả trong mố trụ khi cần thiết. Cùng với phƣơng pháp thi công đúc tại chỗ trên đà giáo hoặc lắp hẫng, lắp ghép nguyên dài, các phƣơng pháp đúc hẫng, đúc đẩy,đúc trên đà giáo di động để thi công các dạng cầu hệ khung liên tục, dầm liên tục nhịp lớn đã phát triển khắp thế giới. Đôi khi phƣơng pháp chở nổi cũng đƣợc áp dụng. Để đạt hiệu quả kinh tế cao và giảm thời gian thiết kế, thi công, các đồ án điển hình hoá hoặc đồ án thống nhất hoá đƣợc áp dụng rộng rãi khắp thế giới, đặc biệt là đối với các hệ thống nhịp dầm giản đơn. Hiện nay có khuynh hƣớng dùng các bó cáp thép lớn cƣờng độ cao cho các cầu lớn. Nói chung cáp có sức kéo cỡ 200 tấn đƣợc dùng rộng rãi. Tại Việt Nam có thể chia quá trình phát triển cầu BTCT thành các giai đoạn tƣơng ứng với các giai đoạn của lịch sử đấu tranh giành độc lập, giữ nƣớc và xây dựng đất nƣớc. 1.1.1.1. Thời kỳ trước cách mạng tháng 8. Vào thời kỳ này, đã có nhiều cầu thuộc hệ thống nhịp bản, dầm giản đơn, dầm hẫng, vòm BTCT thƣờng với nhịp 2 đến 20m đƣợc xây dựng trên các tuyến đƣờng sắt và đƣờng bộ. Ví dụ chỉ trên tuyến đƣờng sắt Hà Nội - TP. Hồ Chí Minh có khoảng hơn 600 cầu BTCT nhịp từ 8 đến 11m xây dựng từ 1927 - 1932, đến nay vẫn còn tận dụng 36
đƣợc sau khi gia cố sửa chữa nhiều đợt. Trên các tuyến đƣờng ô tô ở Nam bộ còn nhiều cầu dầm hẫng, cầu vòm chạy dƣới thuộc loại này đang đƣợc khai thác, ở miền Bắc hầu hết cầu BTCT do Pháp xây dựng đã bị phá hoại do bom Mỹ. 1.1.1.2. Thời kỳ sau Cách mạng tháng 8-1945 đến năm 1954. Đây là thời kỳ kháng chiến chống Pháp nên hầu nhƣ rất ít cầu BTCT đƣợc xây dựng mới. 1.1.1.3. Thời kỳ từ 1954 đến 1975. Trong thời kỳ này nƣớc ta bị chia làm hai miền và sự phát triển cầu BTCT cũng đi theo hai hƣớng khác nhau. Ở miền Bắc ngay sau 1954 nhiều cầu BTCT thƣờng thuộc hệ bản, dầm giản đơn, dầm hẫng đúc bê tông tại chỗ đã đƣợc xây dựng. Các đề tài ứng dụng BTCT dự ứng lực trong xây dựng cầu lần đầu tiên do Đại học Giao thông tiến hành năm 1961: Một số cầu giản đơn BTCT dự ứng lực đã đƣợc xây dựng nhƣ cầu Phủ lỗ, cầu Cửa tiền, cầu Tràng Thƣa, cầu Bía (cầu dầm hẫng có chốt giữa), theo đồ án của Việt Nam. Các đồ án điển hình về cầu bản mố nhẹ, dầm giản đơn lắp ghép mặt cắt chữ T có dầm ngang hoặc không có dầm ngang với nhịp 3 - 4 - 6 - 9 - 12 - 15 - 21 m đã đƣợc Viện Thiết kế Giao thông thiết kế đƣợc áp dụng rộng rãi trên các tuyến đƣờng ô tô. Trong quá trình 10 năm xây dựng cầu Thăng Long, một hệ thống cầu dẫn gồm khoảng 4 km cầu đƣờng sắt và 2 km cầu ô tô bằng các dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc hoặc kéo sau đã đƣợc xây dựng với công nghệ Liên Xô (cũ). Qua đó ngành công nghiệp xây dựng cầu BTCT dự ứng lực ở nƣớc ta đã tiến một bƣớc mới. Ở miền Nam một số loại đồ án định hình cầu BTCT dự ứng lực theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO đã đƣợc sản xuất và lắp ghép rộng rãi trên các tuyến đƣờng bộ trục chính khẩu độ nhịp dầm xấp xỉ là 12 - 18 – 25 m. Kết cấu dầm BTCT dự ứng lực kéo trƣớc với loại cáp xoắn 7 sợi, d = 12,7 mm... Các dầm T đƣợc lắp ghép theo phƣơng ngang cầu bằng cáp thép dự ứng lực kéo sau cùng loại nói trên. Dạng kết cấu này đƣợc lắp ghép nguyên dài bằng các cần cẩu cỡ 40 - 60 tấn, bánh xích. 1.1.1.4. Thời kỳ từ 1975 đến 1992. Đây là thời kỳ đất nƣớc đã thống nhất nhƣng chƣa có sự kiện Liên Xô sụp đổ và Mỹ còn phong toả kinh tế đối với nƣớc ta. Ở miền Bắc đã có các trung tâm chế tạo các dầm dự ứng lực nhịp đến 33 m tại Hà Nội, TP. Vinh. Ở miền Nam việc sản xuất dầm dự ứng lực vẫn theo mẫu AASHO cũ của Mỹ tại xƣởng dầm Châu Thới gần TP. Hồ Chí Minh. Chúng ta đã tự thiết kế và thi công đƣợc một số cầu khung T dầm đeo thuộc hệ tĩnh định có nhịp dài xấp xỉ 60 - 70m (cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dƣơng, v.v...) với cốt thép dự ứng lực dạng bó 24 sợi  5mm. 1.1.1.5. Thời kỳ 1992 đến nay. Đây là thời kỳ mà quan hệ đối ngoại đã rộng mở và các công nghệ tiên tiến của thế giới đang đƣợc chuyển giao vào nƣớc ta. Các dự án lớn cải tạo Quốc lộ 1, các dự 37
án cầu Phú Lƣơng (hệ dầm liên tục), cầu Bình, cầu Gianh, cầu Nông Tiến v.v... đã khởi công hoặc đã hoàn thành với công nghệ đúc hẫng hiện đại. Đến cuối năm 2006 đã có khoảng 60 cầu thuộc hệ thống nhịp liên tục đƣợc đúc hẫng thành công. Công nghệ đúc đẩy cũng đã đƣợc áp dụng thi công các cầu Mẹt (Bắc Giang), Hiền-Lƣơng., Quán-hầu, Sảo-Phong, Hà-nha. Công nghệ đúc trên đà giáo di đông đã đƣợc áp dụng cho phần cầu dẫn của các cầu Thanh-trì (Hà nội), cầu Bãi Cháy (Quảng ninh). Công nghệ đúc hẫng dầm cứng của cầu dây văng-dầm cứng BTCT đã áp dụng thành công ở cầu Mỹ thuận (Tiền Giang),cầu Bãi Cháy (Quảng ninh-2006). Công nghệ lắp hẫng của cầu dây văng-dầm cứng BTCT đã áp dụng thành công ở cầu Kiền (Hải-Phòng-2003). 1.1.2. Đặc điểm cơ bản của cầu BTCT 1.1.2.1. Vật liệu: - Làm bằng BTCT  Sử dụng vật liệu địa phƣơng, cát, đá, XM là chủ yếu - Thép & BT cùng làm việc: Thép chịu kéo là chủ yếu, cũng có khi chịu nén 1.1.2.2. Ưu điểm: 1. Sử dụng vật liệu rẻ tiền hơn so với khi sử dụng bằng thép 2. Độ bền cao: - Sử dụng đƣợc lâu năm - Cƣờng độ bê tông tăng theo thời gian - Ít chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng, chịu lửa, không mục, không gỉ, ít bị ăn mòn. 3. Có độ cứng lớn, ít bị ảnh hƣởng của xung kích do hoạt tải, tiếng ồn nhỏ, dao động ít. 4. Có thể đúc kết cấu thành hình dáng bất kỳ thoả mãn yêu cầu kiến trúc, mỹ thuật. 5. Tính toàn khối (kết cấu nhịp đúc tại chỗ) tốt. 6. Chi phí duy tu bảo dƣỡng thấp 1.1.2.3. Nhược điểm 1. Trọng lƣợng bản thân lớn, cấu tạo nặng nề, vận chuyển lao lắp khó khăn (không vƣợt đƣợc những kỷ lục về nhịp của cầu thép) 2. Bê tông chịu kéo kém dễ bị nứt: Nhất là BTCT thƣờng hay bị nứt làm gỉ cốt thép làm hạn chế phạm vi sử dụng 3. Thi công phức tạp: Chất lƣợng bị ảnh hƣởng bởi phƣơng pháp thi công, thời tiết; thêm vật liệu làm ván khuôn. 4. Khó kiểm tra chất lƣợng công trình. 1.1.3. Về các Quy trình, tiêu chuẩn cho thiết kế và thi công, nghiệm thu. Quy trình thiết kế cầu 22TCN 18-79, thƣờng đƣợc gọi tắt là Quy trình 1979 để thiết kế cầu do Bộ Giao thông ban hành năm 1979 đã đƣợc biên soạn dựa vào nội dung của các Quy trình năm 1962, và 1967 của Liên Xô (cũ) và Quy trình cầu đƣờng sắt 1958 của Trung Quốc. Nội dung Quy trình 1979 so với điều kiện hiện nay của nƣớc ta đã có nhiều chỗ lạc hậu và thiếu. Đối với các dự án cầu đƣợc thiết kế mới từ năm 38
2005, Bộ GTVT đã quy định bỏ Quy trình 1979 mà thay bằng Tiêu chuẩn 22TCN 272- 05 khi thiết kế cầu ô-tô, ngoài ra, đối với các cầu đặc biệt cần phải tham khảo thêm các Tiêu chuẩn của các nƣớc ngoài nhƣ Nga, Mỹ, Nhật, Auxtrailia và Pháp. Tuy nhiên đối với thiết kế các cầu đƣờng sắt, vào thời điểm hiện nay, năm 2006, bản thảo Tiêu chuẩn mới vẫn còn đang đƣợc biên soạn nên về mặt pháp lý, vẫn phải thiết kế theo Quy trình cũ năm 1979. Tiêu chuẩn mới về thiết kế cầu mang ký hiệu 22TCN 272-05 là Tiêu chuẩn hiện đại dựa trên nội dung cơ bản là Tiêu chuẩn AASHTO LRFD năm 1998. Vì vậy sẽ góp phần đẩy nhanh quá trình hội nhập kinh tế của Việt nam với các nƣớc ASEAN và khu vƣc. Nhiều nội dung của Tiêu chuẩn mới còn chƣa quen thuộc với các kỹ sƣ nên sẽ cần nhiều năm để tìm hiểu áp dụng dần. 1.1.4. Phương hướng phát triển Nghiên cứu sử dụng vật liệu mới: Bê tông chất lƣợng cao (High Performance Concrete-HPC) và Thép chất lƣợng cao (High Performance Steel - HPS), fiberreinforced polymer (FRP). Kết cấu mới, kết cấu tối ƣu. Nghiên cứu các phƣơng pháp tính toán truyền thống để tính toán cho kết cấu mới và các phƣơng pháp tính toán mới. Áp dụng mạnh mẽ công nghệ thông tin: Thiết kế tối ƣu, tự động hoá thiết kế... Nghiên cứu, áp dụng các công nghệ thi công tiên tiến. Định hình hoá (Dầm, mố, trụ), công nghiệp hoá sản xuất và cơ giới hoá thi công. 1.2. Phân loại cầu Bê tông cốt thép và phạm vi áp dụng 1.2.1. Phân loại cầu bê tông cốt thép Các cầu BTCT có thể đƣợc phân loại theo những tiêu chuẩn căn cứ khác nhau. Sau đây là một số phân loại thông dụng: 1.2.1.1. Phân loại theo vị trí cầu: Tuỳ theo loại chƣớng ngại cần phải vƣợt qua mà có thể gọi là: - Cầu qua sông, suối; - Cầu vƣợt đƣờng; - Cầu cạn; - Cầu có trụ cao để vƣợt qua thung lũng, hẻm núi. 1.2.1.2. Phân loại theo tải trọng qua cầu: - Cầu đƣờng ô tô; - Cầu đƣờng sắt; - Cầu thành phố; - Cầu đi bộ; - Cầu đi chung đƣờng sắt, đƣờng ô tô; - Cầu máng dẫn nƣớc; - Cầu dành cho đƣờng ống dẫn nƣớc, hay dẫn dầu, dẫn khí đốt. 39
1.2.1.3. Phân loại theo cao độ tương đối của mặt xe chạy: - Cầu chạy trên; - Cầu chạy dƣới; - Cầu chạy giữa. 1.2.1.4. Phân loại theo sơ đồ tĩnh học trong giai đoạn khai thác của kết cấu chịu lực chính: Hình 1- 1. Các sơ đồ tĩnh học dầm giản đơn, dầm liên tục, dầm hẫng có dầm đeo và biểu đồ Moomen tương ứng do tĩnh tải. - Cầu dầm: dầm giản đơn, dầm liên tục, dầm hẫng (hình 1). - Cầu khung: khung T có dầm đeo, khung T có chốt, khung T liên tục nhiều nhịp, khung chân xiên khung kiểu cống v.v... (hình 2). - Cầu vòm (hình 3); - Cầu giàn; - Cầu có kết cấu liên hợp: + Cầu dầm – vòm; + Cầu giàn – vòm; + Cầu dầm - dây (cầu treo dây xiên - dầm cứng BTCT) (hình 4). 1.2.1.5. Phân loại theo hình dạng mặt cắt ngang của kết cấu chịu lực chính: - Kết cấu nhịp bản; - Kết cấu nhịp có sƣờn; - Kết cấu nhịp mặt cắt hình hộp. 1.2.1.6. Phân loại theo phương pháp thi công kết cấu nhịp: - Với các nhịp nhỏ và trung bình (L < 25m với cầu 1 nhịp và Lcầu < 100m với cầu nhiều nhịp). + Cầu đúc tại chỗ. + Cầu lắp ghép toàn nhịp. + Cầu nửa lắp ghép (sƣờn dầm lắp ghép, phần bản đúc tại chỗ). - Với cầu BTCT có nhịp lớn: 40
+ Cầu đúc tại chỗ trên đà giáo cố định; + Cầu đúc tại chỗ với đà giáo di động; + Cầu thi công theo phƣơng pháp hẫng; + Cầu thi công theo phƣơng pháp đẩy; + Cầu thi công theo phƣơng pháp đặc biệt (quay hoặc chở nổi). Hình 1- 2. Một số sơ đồ cầu khung. a) Cầu khung liên tục; b) Khung T: dầm đeo; c, d, e, g) Một số dạng mặt cắt ngang nhịp. Hình 1- 3. Hình 2b Cầu khung 41
Hình 1- 4. Hình 3a: Một số sơ đồ cầu vòm 1. Cột trên vòm ; 2. Vòm chính; 3. Phần xe chạy; 4. Thanh treo 5. Vòm cứng; 6. Dầm mềm; 7. Vòm mềm; 8. Dầm cứng a) Thanh treo xiên; b) Cầu vòm chạy giữa; c) Vòm cứng - dầm mềm d) Vòm mềm - dầm cứng; e) Cầu vòm chạy dƣới có thanh treo xiên. Hình 1- 5. Hình 3b. Cầu vòm chạy trên 42
Hình 1- 6. Hình 3c. Cầu vòm chạy dưới (đang thi công) Hình 1- 7. Hình Một số sơ đồ cầu dây xiên - dầm cứng 1. eDây xiên; 2. Cột tháp; 3. Dầm cứng; 4. Dầm ngang của khung cột tháp để giữ dầm cứng. 43
Hình 1- 8. Hình Cầu dây văng – dầm cứng BTCT 1.2.2. Phạm vi áp dụng của kết cấu nhịp bê tông cốt thép Trong các cầu BTCT trên đƣờng sắt thƣờng chỉ áp dụng loại dầm giản đơn có nhịp dài L= 4 – 33 m. Nếu muốn vƣợt nhịp dài hơn nên dùng dầm thép. Trên tuyến đƣờng sắt Hà Nội - TP Hồ Chí Minh còn một số cầu vòm cũ BTCT xây dựng từ những năm 1930. Nói chung cầu ở trong phạm vi ga, phạm vi khu dân cƣ, thành phố, cầu trên đoạn tuyến đƣờng sắt cong nên dùng kết cấu nhịp BTCT. Trong các cầu BTCT trên đƣờng ô tô, thƣờng dùng nhiều dầm giản đơn ở các nhịp 6 – 33 m, đặc biệt 42 m. Nếu nhịp lớn hơn thƣờng dùng các sơ đồ kết cấu nhịp siêu tĩnh nhƣ dầm liên tục, dầm hẫng, cầu khung BTCT dự ứnglực, cầu vòm. Nói chung thƣờng chọn các loại kết cấu nhƣ sau: - Dạng cầu bản giản đơn BTCT thƣờng: + Các nhịp từ 3 - 6m đối với cầu ô tô, + Các nhịp từ 2 - 3m đối với cầu đƣờng sắt. - Dạng cầu dầm giản đơn bằng BTCT thƣờng: + Các nhịp từ 7 - 24m đối với cầu ô tô, + Các nhịp từ 4 - 15m đối với cầu đƣờng sắt. - Dạng cầu giản đơn BTCT dự ứng lực: + Các nhịp từ 12 đến 42m đối với cầu ô tô, + Các nhịp từ 12 đến 30m đối với cầu đƣờng sắt. - Dạng cầu dầm liên tục hoặc cầu khung BTCT dự ứng lực: Các nhịp từ 33m đến 200m của cầu ô tô, khi áp dụng cho cầu đƣờng sắt. - Dạng cầu vòm BTCT thƣờng: Trƣớc kia có dùng cho cầu nhịp 15 đến 30m, có thể dùng đến nhịp 300m cho cầu đƣờng ô tô. Ngày nay ít khi xây dựng cầu vòm vì khó công nghiệp hoá công tác thi công và chỉ xây dựng cầu vòm khi có yêu cầu đặc biệt về kiến trúc. - Dạng cầu treo dây xiên - dầm cứng BTCT 44
Dạng cầu này có ƣu điểm hình dáng đẹp, vƣợt đƣợc nhịp dài, có thể đến 200m hoặc hơn nữa, thƣờng đƣợc xây dựng theo những yêu cầu đặc biệt. - Dạng cầu giàn BTCT dự ứng lực Dạng cầu giàn này đã thƣờng đƣợc xây dựng trên đƣờng sắt Liên Xô cũ, nhƣng không phổ biến ở các nƣớc khác cũng nhƣ ở Việt Nam vì cấu tạo phức tạp, khó thi công và không ƣu việt hơn cầu giàn thép. 45
CHƢƠNG 2. CẦU BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP THƢỜNG NHỊP ĐƠN GIẢN 2.1. Đặc điểm Đặc điểm chính của cầu bản: Mặt cắt ngang (MCN) kết cấu nhịp có dạng tấm đặc hoặc rỗng. 15cm 5 18 13,42m phÇn xe ch¹y 48 70cm 10 25 líp phñ bª t«ng nhùa 2% khèi ngoµi khèi trong 900mm Khèi 1,2 = 6m 13,42m phÇn xe ch¹y 70cm 2,5cm Líp phñ bª t«ng nhùa 2% 5cm 5cm 2,5cm khèi trong khèi ngoµi Khèi 1,2 = 6m 900mm Hình 3.13. Tiết diện bản đặc và bản rỗng lắp ghép. Cầu bản dùng cho những cầu nhịp ngắn, có những ƣu, nhƣợc điểm sau: Ƣu điểm: - Cấu tạo đơn giản, thi công dễ, có thể đúc tại chỗ hoặc lắp ghép, bán lắp ghép. - Bản lắp ghép có trọng lƣợng nhỏ, dễ lao lắp. - Chiều cao kiến trúc nhỏ và tiết kiệm đất đắp đầu cầu, sử dụng tốt cho cầu cạn. Nhƣợc điểm: Chiều dài nhịp không lớn vì khi nhịp lớn trọng lƣợng kết cấu nặng, sử dụng vật liệu không hợp lý do đó không kinh tế. Phân loại: Theo biện pháp thi công: đổ tại chỗ, lắp ghép, bán lắp ghép. Theo tính chất chịu lực: BTCT, BTCTUST. Theo mặt cắt ngang: Bản đặc, bản rỗng... Theo tính chất làm việc: vƣợt suối, cầu cạn.. Theo sơ đồ kết cấu: Đơn giản, mút thừa, liên tục. 46
2.2. Cầu bản thẳng đúc bê tông tại chỗ Kết cấu nhịp cầu bản đơn giản một nhịp hay nhiều nhịp có ƣu điểm cấu tạo kết cấu đơn giản, dễ thi công và có chiều cao kiến trúc của bản thấp. Việc đúc tại chỗ kết cấu nhịp cầu bản có ƣu điểm là thuận tiện cho việc tạo hình dáng, kiến trúc của cầu, điều này đặc biệt có ý nghĩa khi xây dựng các cầu vƣợt đƣờng ở các thành phố yêu cầu có hình dáng kiến trúc đẹp hay đối với các cầu nằm trên tuyến đƣờng cong. Cầu bản BTCT thƣờng thích hợp với khẩu độ nhịp L  6m. Mố trụ có thể là mố trụ dẻo hay mố trụ cứng. Hiện nay, kết cấu mố nhẹ đang đƣợc dùng nhiều để thay thế kết cấu mố trụ nặng bằng đá xây hay bê tông đổ tại chỗ nhƣ trƣớc đây. 1/2A-A A A Hình 3.7. Cấu tạo cầu bản BTCT đổ tại chỗ Mặt cắt ngang và các kích thƣớc cơ bản Mặt cắt ngang kết cấu nhịp thƣờng có dạng tiết diện chữ nhật. Đƣờng ngƣời đi đổ liền khối với bản chịu lực và mặt đƣờng bộ hành cao hơn mặt đƣờng xe chạy  25cm. Theo dọc cầu ngƣời ta cắt gián đoạn ở một số vị trí từ mặt bản bộ hành đến mặt bản chịu lực với khe hở 12cm để bản mút thừa không tham gia chịu uốn với kết cấu nhịp. 1 1  Chiều cao bản hb =   .L còn chiều rộng và chiều dài nhịp tính toán tuỳ thuộc  15 20  vào nhiệm vụ thiết kế. A L/6 A L/4 A-A 20 20 B/6 B/6 B Hình 3.8. Cốt thép trong cầu bản BTCT đổ tại chỗ 47
Vật liệu thƣờng sử dụng bê tông 28-35Mpa, cốt thép thƣờng sử dụng là cốt thép tròn có gờ hoặc tròn trơn (cốt đai: 810, cốt chủ: 1632). Trong khoảng B/6 phải bố trí cốt thép dày hơn do phân bố tải trọng không đều. Cốt thép chịu lực phải đƣợc uốn một nửa lên làm cốt xiên ở 2 vị trí L/4 và L/6, góc uốn thƣờng từ 30o45o. Lớp bê tông bảo vệ không nhỏ hơn 2 cm. Cốt thép phân bố ngang đƣợc bố trí ở mặt dƣới của bản. 2.3. Cầu bản mố nhẹ - Khoảng những năm 60 thế kỷ XX xuất hiện một loại cầu bản một nhịp, cấu tạo nhƣ một khung bốn khớp. Cầu gồm một kết cấu bản kê trên hai mố dạng tƣờng mỏng bê tông 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, nhƣng vì trọng lƣợng nhỏ nên có thể không chịu đƣợc lực đẩy ngang của áp lực đất sau mố. - Để chống lại áp lực ngang, dƣới 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 trƣợt. Trên đỉnh mố bố trí chốt để truyền áp lực ngang vào dầm (hình 3.2). Nhƣ vậy mố trong cầu bàn 4 khớp làm việc nhƣ 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 nhƣ một cống nếu đất đắp trên mặt mặt bản dày hơn 600mm. 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 đƣợc đắp đất đầu cầu sau khi đã thi công các thanh chống bên dƣới và chốt bên trên. Trƣờng hợp chƣa hoàn thành kết cấu bản đã cần đắp đất thì có thể dùng các thanh chống tạm. Hình 3.14. Cầu bản mố nhẹ trên đƣờng bộ Đặc điểm: + Phía dƣới có các thanh chống cách nhau 45m. + Mố làm việc với kết cấu nhịp tạo thành hệ khung bốn khớp. + Mố thƣờng làm bằng tấm hay tƣờng BTCT chiều dày bằng 1/61/7,5 chiều cao. Khi chịu áp lực ngang của đất, mố làm việc nhƣ là dầm kê trên 2 gối, phía trên là kết 48
cấu nhịp (liên kết với mố bằng chốt thép), phía dƣới có các thanh chống. Mố có thể lắp ghép, đổ bê tông tại chỗ hay xây đá. + Nên đặt gối lệch tâm một đoạn (e) để gây ra mô men ngƣợc chiều với mô men do áp lực đất tác dụng lên mố. + Trên nguyên tắc bản có thể đúc tại chỗ trên giàn giáo hoặc dùng bản đúc sẵn, sau đó lắp ghép tại hiện trƣờng. Nếu dùng bản đúc sẵn thì thƣờng phải dùng nguyên tắc phân khối theo chiều dọc, nghĩa là kết cấu bản đƣợc chia thành các tấm bản có chiều dài đúng bằng chiều dài kết cấu nhịp, chiều rộng xác định phù hợp với khả năng vận chuyển và cẩu lắp, thƣờng từ 1500 – 2000 mm. + Các tấm bản đúc sẵn đƣợc vận chuyển và lắp ráp tại hiện trƣờng. Các khối lắp ráp đƣợc liên kết với nhau thông qua các mối nối chốt chịu cắt. Trên hình 3.15a giới thiệu kết cấu nhịp cầu bản lắp ghép. Chiều dài kết cấu nhịp 6000 mm, nhịp tính toán 5800 mm chiều rộng cầu 10000 mm, chiều cao bản 300 mm. Toàn cầu đƣợc chia thành 5 khối đúc sẵn, mỗi khối có chiều rộng 1980 mm. Các khối lắp ghép đƣợc liên kết với nhau bằng các mối nối chịu cắt (hình 3.15b). Hình 3.15. Cầu bản mố nhẹ trên đƣờng bộ a b c Hình 3.16 : Tiết diện ngang của cầu bản lắp ghép Trình tự thi công phải theo thứ tự: 49
+ Móng, mố, thanh chống. + Lắp bản chốt vào mố. + Đắp đất đối xứng hai bên mố (để cân bằng áp lực ngang ở hai bên) đất phải đƣợc đầm chặt. Kết cấu hợp lý, tiết kiệm vật liệu, hay dùng, có thiết kế định hình. Hình 3-1. Sơ đồ cầu bản a. đơn giản; b. Cầu bản kiểu Slavinxki; c. Mút thừa; d. liên tục; e. mặt cắt ngang lắp ghép, đổ tại chỗ Cầu bản nhịp mút thừa và liên tục: Kết cấu nhịp bản sử dụng cho sơ đồ nhịp liên tục và mút thừa Hình 3-1. c, d: L ≤10m. Trong những trƣờng hợp riêng khi kết cấu là liên tục chiều dài nhịp có thể đạt tới 20m. Chiều cao h=(1/121/18)l; Sơ đồ nhịp là dầm mút thừa thì nhịp giữa có thể lấy 810m, nhịp biên lk=(0,30,4)l; H=(1,31,4)h (Hình 3-1. c); Sơ đồ nhịp là dầm liên tục thì nhịp giữa có thể lấy 810m, nhịp biên l1=(0,70,9)l2 (Hình 3-1. d); 2.4. Kết cấu nhịp cầu bản lắp ghép Kết cấu nhịp cầu bản lắp ghép thƣờng đƣợc chia thành những khối theo chiều dài nhịp (phân khối theo chiều dọc), trong nhiều trƣờng hợp cầu cạn nhịp lớn, khối lắp ghép còn đƣợc phân khối theo chiều ngang. 50
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 thƣờng bao gồm những thanh riêng rẽ, tổ hợp hay là khung hàn. L= 1220m, liên kết bằng thép ƢST. Khi sơ đồ là liên tục hoặc khung, chiều dài của nhịp có thể lớn hơn và lên tới 3040m. Cốt thép cƣờng độ cao (bó hoặc sợi - căng trƣớc) đƣợc bố trí riêng biệt trong các khối lắp ghép, chúng đƣợc kéo thẳng để đơn giản trong việc chế tạo, cốt thép đƣợc bố trí cả ở biên dƣới 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.31 Để giảm trọng lƣợng của khối  tạo những lỗ hình tròn, ô van và dạng chữ I...(Hình 3-9). Các dạng tiết diện trên Hình 3-9 dùng cho các sơ đồ nhịp có chiều dài khác nhau: Hình 3-9.a: L= 10 12m, Hình 3-9. b: L= 1218m. Hình 3-9. c. d. e: L = 40m. Trong mặt cắt ngang của kết cấu nhịp các phân tố lắp ghép đƣợc đặt liền kề hay cách nhau, khoảng cách của chúng phụ thuộc vào sự làm việc của kết cấu nhịp và phƣơng pháp liên kết chúng với nhau. Đối với kết cấu nhịp có chiều dài đến 8m có thể lắp đặt trên trụ mà không cần liên kết theo phƣơng ngang, đảm bảo sự làm việc đồng thời của chúng thông qua lớp áo đƣờng. 51
Hình 3-11 thể hiện khối lắp ghép và sơ đồ MCN của kết cấu nhịp bản có L=10m. Trọng lƣợng một khối =10T; h/l=1/19,2. Có 2 lỗ rỗng là hình tròn đƣờng kính 40cm. Cốt thép UST F=3mm. Hình 3-12 thể hiện khối lắp ghép và sơ đồ MCN của kết cấu nhịp bản có lỗ rỗng hình ô van đối với cầu đƣờng ô tô và đƣờng thành phố với các nhịp 6, 9, 12, 15, 18 chiều dày của tấm tƣơng ứng là 0,3 0,45, 0,6, 0,75 tƣơng ứng h/l=(1/19-1/24) chiều rộng tấm 1m. Đối với nhịp 6, 9m lỗ rỗng hình trụ tròn còn nhịp 12, 15, 18m lỗ rỗng hình ô van. 52
Để đảm bảo sự làm việc đồng thời của các khối riêng rẽ có thể dùng cấu tạo khớp bằng bê tông có lò xo thép (Hình 3-10.b) hoặc liên kết bằng bản thép hàn Liên kết khớp bê tông: Khớp có hình tròn, hình thang hay hình quạt, khe nối dùng bê tông 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 cƣờng độ mới khai thác đƣợc. 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 mau, ở gối bố trí thƣa hơn. Theo phƣơng dọc các khối đúc sẵn sau khi đặt lên gối cầu tại vị trí làm việc đƣợc nối với nhau bằng mối nối ƣớt (Hình 3-13.a), trƣờng hợp hợp này toàn bộ xà mũ của trụ nằm bên dƣới, giải pháp này thi công đơn giản nhƣng không thẩm mỹ đặc biệt là cho các cầu thành phố. Để giảm chiều cao xà mũ nằm bên dƣới cầu có thể đƣa 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 3-13.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 đƣờng xe chạy (Hình 3-13.d). Trong trƣờng hợp không muốn để lộ xà mũ, có thể đƣa toàn bộ chiều cao của xà mũ trụ nằm trong chiều cao của dầm, các khối lắp ghép đƣợc nối vào hai phía của xà mũ (Hình 3-13.b), hoặc sử dụng mối nối ƣớt để liên kết trụ và kết cấu nhịp (Hình 3- 13.c) tạo thành kết cấu khung dầm liên tục. Sử dụng cáp ứng suất trƣớc trên toàn bộ chiều dài kết cấu nhịp để nối các khối lắp ghép thể hiện trên Hình 3-13.f, g, trƣờng hợp thứ nhất các kết cấu nhịp đƣợc nối tại vị trí trụ (Hình 3-13.f), trƣờng hợp thứ hai mối nối bố trí trong nhịp (Hình 3-13. g). Ƣu điểm của giải pháp này là cáp ứng suất trƣớc đƣợc bố trên toàn bộ kết cấu nhịp, nhƣng một trong những nhƣợc điểm là thi 53