Giáo trình Cầu thép - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chia sẻ: Dương Hàn Thiên Băng | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:98

Thêm vào BST

Báo xấu

22
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Cầu thép" cung cấp cho học viên những nội dung về: khái niệm cầu thép; cấu tạo cầu dầm thép; thi công cầu dầm thép và dầm thép bê tông liên hợp; tính toán cầu dầm thép, cầu dầm thép bê tông liên hợp;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Cầu thép - Trường ĐH Công nghiệp Quảng Ninh

Chương 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP 1.1. Những đặc điểm cơ bản và phạm vi sử dụng 1.1.1. Những đặc điểm cơ bản a. Những đặc điểm cơ bản Cầu thép là cầu có kết cấu nhịp bằng thép Hình 1-1. Một số cầu thép Thép là vật liệu hoàn chỉnh được sử dụng rất rộng rãi trong mọi ngành kinh tế quốc dân, đặc biệt trong ngành xây dựng và giao thông vận tải. Đặc điểm nổi bật là: - Có độ bền cao ứng với mọi loại ứng suất như kéo, nén, cắt, uốn, xoắn, … - Vật liệu có tính đồng nhất, đẳng hướng cao. Do vậy nó được sử dụng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như cầu dầm, cầu dàn, cầu treo, cầu vòng và hệ liên hợp. Thép có trọng lượng bản thân rất nhẹ vì chỉ số CthépR của thép nhỏ hơn (là tỉ số giữa trọng lượng riêng và cường độ tính toán vật liệu). Do đó thép có khả năng vượt nhịp lớn mà các vật liệu khác không thực hiện được. Hiện nay nhịp lớn nhất của cầu dây văng dầm cứng BTCT hoặc vòm BTCT còn dưới 500m trong khi cầu dàn thép đạt đến 550m, vầu dây văng dầm thép gần 1000m, cầu treo dây võng đạt đến 2000m và còn có dự án lên đến 4500m. Thép còn có môđun đàn hồi lớn nên độ cứng lớn, độ võng nhỏ nên cầu thép vẫn đáp ứng được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng có tính chu kỳ như động đất, gió bão. Thép có độ dẻo cao. Sự phá hoại của thép thường diễn ra ở trạng thái dẻo tức là kèm theo biến dạng lớn làm phân bố lại nội lực và ứng suất. Do đó thép chịu xung kích và mỏi tốt. Về mặt lý hoá thép có tính đồng nhất cao. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ và môđun đàn hồi ít thay đổi nên thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của 1
môi trường biến đổi. Mô đun đàn hồi tốt và tính chịu nhiệt cao là ưu điểm cơ bản của thép so với các loại vật liệu chất dẻo hiện nay. Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn dập, đúc cán, hàn nên có thể tạo thành các chi tiết, các loại kết cấu thoả mãn các yêu cầu hình dáng kiến trúc; đồng thời tạo khả năng công nghiệp hoá, tự động hoá chế tạo trong công xưởng, cơ giới hoá cao trong vận chuyển và lắp ráp tạo điều kiện thi công nhanh và sớm đưa công trình vào sử dụng. Một đặc điểm rất quan trọng nữa của cầu thép là có nhiều dạng liên kết tin cậy như bulông, đinh tán, hàn và dán. Các loại liên kết này đảm báo tính lắp ghép cao, dễ lắp, dễ tháo, có thế dùng được trong các công trình vĩnh cửu, kết cấu phụ tạm và công trình trong quốc phòng. Thép trong quá trình sử dụng bị gỉ do tác dụng của môi trường ẩm, mặn, acid và các hơi khí độc khác. Hiện tượng gỉ sẽ ãn mòn thép làm giảm tiết diện chịu lực, hư hỏng liên kết và giảm tuổi thọ công trình. Hiện nay có nhiều biện pháp chống gỉ như sơn, mạ và dùng thép không gỉ nhưng nói chung cầu thép thường xuyên được kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ và sơn phủ định kỳ. Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng vẫn không hạn chế việc sử dụng vật liệu thép trong công trình cầu vượt nhịp lớn trên đường ô tô, đường sắt, các loại cầu tạm, công trình có yêu cầu thi công nhanh, vận chuyển dễ dàng và các công trình quân sự. b. Ưu điểm Thép là loại vật liệu hoàn chỉnh nhất. Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén và chịu kéo cùng cao. Théo có độ dự trữ biến dạng và cường độ cao mà các vật liệu khác không có được do đó chịu được ổn định và tải trọng tốt. Thời gian xây dựng cầu thép nhanh hơn cầu bê tông. Nó có thể được lắp dựng dễ dàng qua sống suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác nhau nên giảm giá thành xây dựng. Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu phần dưới. Điều này càng có ý nghĩa khi gặp địa chất xấu. Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế chiều cao thấp hơn cầu bê tông nên giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc,… Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bê tông. c. Nhược điểm Thép là một kim loại dễ bị ăn mòn dưới tác dụng của môi trường phải tốn nhiều công sức, chi phí để bảo dưỡng. Hiện nay đã sử dụng các loại thép chống gỉ nhưng không như công bố của nhà sản xuất. Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất lớn. Vấn đề cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe con người. Thép là loại vật liệu không có sẵn trong tự nhiên, vì vậy giá thành vật liệu làm cầu thép khá cao. Chính vì những nhược điểm này mà làm giảm sự hấp dẫn của nó so với cầu bê tông ứng suất trước. 1.1.2. Phạm vi ứng dụng Phạm vi chiều dài nhịp kinh tế được áp dụng trong các hệ thống cầu nói trên có thể tham khảo trong bảng 1-1. Chiều dài nhịp của các hệ thông cầu trên thực tế có thể lớn hơn nhiều so với các trị số ghi trong bảng 1-1, song theo các nhà chuyên môn phân 2
tích sẽ không mang lại hiệu quả kinh tế và trong nhiều trường hợp chi phí rất tốn kém nên cần cân nhắc kỹ lưỡng trước khi quyết định lựa chọn phương án kết cấu cầu sao cho phù hợp với các mục tiêu của dự án. Bảng 1-1. Phạm vi chiều dài nhịp kinh tế được áp dụng trong các hệ thống cầu Hệ thống cầu Chiều dài nhịp kinh tế (m) Cầu dầm nhịp đơn giản đến 30 Cầu dầm liên tục có chiều cao không thay đổi đến 120 Cầu dầm liên tục có biên dưới gãy khúc hoặc cong 50 – 200 Cầu dầm khung 40 – 200 Cầu dầm hộp liên tục 100 -250 Cầu dàn đơn giản 30-150 Cầu dàn liên tục 150-400 Cầu dàn mút thừa 250 – 550 Cầu vòm 200 – 500 Cầu dây văng 250 – 600 Cầu treo dây võng 350 - 1300 1.2. Vật liệu dùng trong cầu thép 1.2.1. Các loại thép kết cấu Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05, trong cầu thép thường dùng 4 loại thép sau: - Thép cácbon hay thép kết cấu M 270M cấp 250. - Thép hợp kim thấp cường độ cao M 270M cấp 345 và 345W. - Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt M 270M cấp 485W. -Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt với cường độ chảy dẻo cao M270M cấp 690 và 690W. 1.2.1.1. Thép Cacbon Thép cacbon được dùng phổ biến trong cầu thép, đặc điểm nổi bật của loại thép này là: có hàm lượng cacbon thấp, do đó dễ gia công cơ khí. Loại thép này có mác là CT3 cầu được dùng cho các bộ phân chủ yếu của kết cấu nhịp tán nối. Ngoài ra còn có loại M16C chuyên dùng cho các cầu liên kết hàn. Hai loại thép trên tương đương với thép C38/23 của Nhật Bản. Thép CT2 và CT1 dùng trong cầu chủ yếu là đinh tán vì nó mềm hơn và có độ dãn dài lớn hơn thép CT3 cầu. Thép M16C hiện tại ít dùng vì về mặt kinh tế nó không cạnh tranh nổi với thép hợp kim thấp. Một số đặc trưng cơ học của thép cacbon cho ở bảng 1-2 Bảng 1-2. Các đặc trưng cơ bản của thép Cácbon 3
1.2.1.2. Thép hợp kim thấp Trong quá trình luyện thép người ta đưa thêm một số chất phụ gia làm tăng mt số tính chất tốt cuả thép do từng loại kết cấu đòi hỏi. Các chất này thường là: Đồng (Cu) làm tăng độ dẻo và khả năng chống gỉ của thép; Crom (Cr) Mangan (Mn); Niken (Ni) và Silic (Si) làm tăng cường độ của thép. Thép hợp kim thấp có cường độ lớn gấp 1,4 đến 1,5 lần thép CT3 cầu. Với tính chất như vậy, thép hợp kim thấp được sử dụng rộng rãi. Trong xây dựng cầu hiện nay dùng loại thép này có mác sau: 15XCНД; C50/35; 10XCНД; C55/40; 12ГМФТ; C60/45. 1.2.1.3. Thép cường độ cao Do áp dụng tiến bộ khoa học trong công nghệ luyện thép, hiện nay đã sản xuất được nhiều thép cường độ cao từ thép cacbon hay thép hợp kim bằng cách xử lý nhiệt. Thép cường độ cao thường có ứng suất kéo đứt lớn gấp 2 đến 3 lần thép hợp kim và gấp 3 đến 4 lần thép cacbon. Tuy nhiên giá thành loại thép này thường khá cao do đòi hỏi công nghệ gia công phức tạp. Thép cường độ cao có hàm lượng cacbon lớn hơn thép cacbon 1,5 đến 2 lần. Vì vậy tính dòn cao, khó gia công cơ khí. Loại thép này chưa được dùng rộng rãi trong các bộ phận chủ yếu của kết cấu nhịp cầu mà chỉ làm bulông cường độ cao. 1.2.1.4. Thép đúc Thép đúc được chế tạo trong lò Mactanh, thép có chứa 0,22 - 0,30%C và một lượng nhỏ Silic và Mangan. Tính chất cơ học của thép này có giới hạn bền 4000kG/cm2; giới hạn chảy 2400kG/cm2; độ dãn dài tương đối 19%; môđun đàn hồi Et = 2,1.106 kG/cm2. Thép đúc được sử dụng dùng cho gối cầu, khớp và một vài bộ phận đặt biệt khác. Loại thép này hiện nay đang dùng loại thép có mác 25Л. 1.2.1.5. Thép làm dây cáp, que hàn Trong cầu treo thường dùng loại cáp tròn không có lõi, bện bằng các sợi thép cán nguội có giới hạn bền từ 12000 đến 180000kG/cm2. Trong cầu dầm đặc liên kết hàn thì chất lượng que hàn ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng mối hàn. Khi hàn tự động hay bán tự động các thanh thép M16C thường dùng que hàn bằng thép cacbon có số hiệu CB - 08A hoặc CB - 08RA. Khi hàn thép hợp kim thấp dùng que hàn CB - 08RA; CB - 08RC; CB - 10R2. Khi hàn tay thép M16C dùng que hàn loại E - 42A, còn khi hàn thép hợp kim dùng loại E - 50A. 1.2.1.6. Thép hình Trong xây dựng cầu thép, thường sử dụng một số loại thép cán định hình sau: Thép góc, thép chữ I, thép hình máng, thép bản, thép ống và một số loại thép hình đặc biệt để làm mặt cầu (hình 1-2). a. Thép bản (hình 1-2a) Thép bản có hai loại là thép bản rộng và thép bản vạn năng. Thép bản rộng do Liên xô cũ sản xuất có chiều dài 8 - 12m, chiều rộng loại lớn 2000 - 3600mm, chiều rộng loại nhỏ 160 - 1050mm, chiều dày của thép bản từ 4 đến 60mm. Trong cầu thép, thép bản sử dụng cho bộ phận chịu lực chủ yếu với chiều dày ít nhất 10 - 12mm, các giằng liên kết chiều dày ít nhất 8mm và các bản đệm chiều dày nhỏ nhất 4mm. 4
b. Thép góc (hình 1.2b và 1.2c) Thép góc có hai loại là thép góc cánh đều và loại cánh không đều. Thép góc cánh đều (hình 6.1b) có chiều rộng các cánh bằng nhau. Các cánh có mép song song, góc trong hai cánh có lượn tròn để dễ cán và bảo đảm độ bền. Chiều rộng cánh từ 20 đến 250mm, chiều dày cánh phụ thuộc vào chiều rộng và có độ dày từ 3 - 4mm đến 20 - 25mm. Thép góc cánh không đều (hình 1-2c) có chiều rộng cánh không bằng nhau. Cánh dài gấp khoảng 1,5 lần cánh ngắn. Kích thước lớn nhất của thép góc không đều cánh là 250x160x20mm. Hình 1-2. Thép hình Bảng 1-3 cho các đặc tính cơ học tối thiểu của thép, trong đó có cường độ chịu kéo nhỏ nhất (Fu) là cường độ nhỏ nhất khi đứt trong thí nghiệm kéo thép và cường độ chảy nhỏ nhất (Fy) là cường độ của vật liệu ở giới hạn chảy trong thí nghiệm kéo thép. Đối với tất cả các loại thép khi thiết kế đều lấy môđun đàn hồi E = 200000 MPa và hệ số giãn nở vì nhiệt 11,7. 10-6 mm/mm/00C. Trong các loại thép ở bảng 1-3 thì M 270M là ký hiệu thép còn cấp của loại thép là cường độ chảy tính bằng MPa. Thí dụ thép cấp 345 thì cường độ chảy của thép là 345MPa, còn chữ W ở sau cấp thép là chỉ thép chống gỉ, thí dụ thép cấp 690W là thép chống gỉ có cường độ chảy 690MPa. Tất cả các loại thép cho trong bảng 1-3 đều là thép hàn được. Chiều dày nhỏ nhất của thép trong cầu thép quy định ở điều 6.7.3 như sau: - Thép kết cấu bao gồm cả liên kết ngang, liên kết dọc và các loại bản nút trừ sườn dầm của thép hình, sườn tăng cường kín trong mặt cầu có bản trực hướng (bản orthotrope), tấm đệm và thép lan can đều phải có chiều dày tối thiểu là 8mm. - Chiều dày sườn của thép hình, sườn tăng cường kín trong mặt cầu có bản trực hướng phải có chiều dày tối thiểu là 7mm. - Với những kết cấu hoặc bộ phận kết cấu chịu ảnh hưởng ăn mòn nghiêm trọng thì phải được bảo vệ đặc biệt chống ăn mòn hoặc phải quy định chiều dày bị ăn mòn để tăng thêm chiều dày thép khi thiết kế. 5
Bảng 1-3. Các đặc tính tối thiểu của thép kết cấu theo hình dáng, cường độ và chiều dày Ký hiệu Thép kết Thép hợp kim thấp Thép hợp Thép hợp kim tôi và cường độ cao kim thấp gia nhiệt cường độ AASHTO cấu tôi và gia chảy cao nhiệt M 270M M 270M M 270M M 270M M 270M cấp cấp 250 cấp 345 cấp 345W cấp 485W 690/690W Kí hiệu ASTM A 709M A 709M A 709M A 709M A 709M các cấp tương đương cấp 250 cấp 345 cấp 345W cấp 485W 690/690W Chiều dày bản Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên thép, mm 65 đến 100 Thép hình Tấtcả Tất cả các Tất cả các Không áp Không áp Không các nhóm nhóm dụng dụng áp nhóm dụng Cường độ chịu 400 450 485 620 760 690 kéo nhỏ nhất Fu (Mpa) Điểm chảy 250 345 345 485 690 620 nhỏ nhất hoặc cường độ chảy nhỏ nhất Fy (Mpa) 1.2.2 Liên kết bulông Bulông dùng trong cầu có thể là bulông thường hoặc bulông cường độ cao. Bulông thường được dùng chủ yếu trong các bộ phận phụ như lan can, ống thoát nước v.v... Bulông cường độ cao được dùng phổ biến trong cầu nhất là ở các mối nối thực hiện tại công trường. Liên kết bulông cường độ cao có thể làm việc theo ma sát hay theo ép tựa. Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu, tải trọng va chạm mạnh, chấn động lớn… phải dùng liên kết ma sát, cụ thể là: - Các mối ghép chịu tải trọng mỏi. - Các mối nối chịu cắt với các bulông lắp vào lỗ quá cỡ. - Các mối nối chịu cắt với các bulông lắp vào lỗ ôvan ngắn hoặc dài, lực tác dụng lên mối nối khác với phương thẳng góc với trục dài của lỗ ôvan. - Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu. - Các mối nối trong đó các bulông cũng tham gia truyền tải trọng ở bề mặt được tạo nhám. - Các mối nối kéo dọc trục hoặc kéo dọc trục đồng thời cắt. - Các mối nối chịu nén dọc trục với các lỗ tiêu chuẩn hoặc các lỗ ôvan chỉ trong một lớp của liên kết, phương của tải trọng thẳng góc với phương của trục dài lỗ ôvan.
Các liên kết chịu ép tựa được dùng cho các mối nối chịu nén dọc trục hoặc các mối nối trên hệ liên kết với điều kiện phải thỏa mãn sức kháng tính toán trong trạng thái giới hạn cường độ. 6
1.2.3. Liên kết hàn Liên kết hàn được dùng phổ biến trong kết cấu thép nhất là các mối nối trong công xưởng vì liên kết hàn đơn giản về mặt cấu tạo, tiết kiệm vật liệu, tuy nhiên trong các mối hàn lớn cần quan tâm đặc biệt đến biến dạng và ứng suất dư. Để giảm biến dạng và ứng suất dư cần phải quan tâm đến công nghệ hàn cũng như trình tự hàn, thí dụ khi hàn một dầm chữ I trình tự hàn được thực hiện theo thứ tự 1, 2, 3 và 4 (hình 1-3) và khi mối hàn nhiều lớp thì lớp sau được hàn theo hướng ngược lại với lớp trước v.v… Hình 1-3. Trình tự hàn ghép Khi hàn kim loại cơ bản, kim loại hàn phải tuân theo các yêu cầu của quy chuẩn. Phải sử dụng kim loại hàn (kim loại của que hàn, dây hàn) phù hợp với kim loại cơ bản (kim loại của vật liệu được hàn) trừ trường hợp có quy định riêng. 1.3. Phân loại cầu thép 1.3.1. Cầu dầm Khi nghiên cứu về cầu thép theo quy trình Thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn đã xét ba loại cầu dầm: - Cầu dầm bản hay cầu dầm đặc là các cầu mà giữa dầm thép và bản mặt cầu (có thể bằng bê tông, gỗ hay thép) chỉ có các liên kết để chống xê dịch tương đối, không có liên kết chống trượt (neo). Ở cầu dầm bản mặt cầu không tham gia chịu uốn cùng với dầm chủ. Hiện nay các cầu này chỉ dùng làm cầu tạm để phục vụ thi công hoặc các cầu có thời gian khai thác ngắn. a) b) Hình 1-4. Cầu dầm thép a) Cầu dầm giản đơn b) Cầu dầm liên tục - Cầu liên hợp dầm thép – bản bê tông cốt thép (gọi tắt là cầu liên hợp) gồm có bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép, dầm chủ bằng thép, giữa bản và dầm có neo liên kết chắc chắn để tạo thành một kết cấu liền khối. Trong cầu liên hợp bản mặt cầu tham gia làm việc với dầm chủ. Hiện nay với những cầu có bề rộng không quá lớn (hơn 7
20m) trong điều kiện tịnh không thông thuyền cho phép người ta hay áp dụng cầu liên hợp hai dầm chủ, khi đó khoảng cách giữa hai dầm chủ có thể từ 3m đến 14m, dầm ngang với khoảng cách khoảng 4m được đẩy lên cao ngang với mặt cánh trên dầm chủ. Neo liên kết được bố trí ở cả dầm chủ và dầm ngang, khi đó tùy khoảng cách giữa hai dầm chủ và khoảng cách dầm ngang mà bản mặt cầu có thể làm việc như bản kê trên 4 cạnh hoặc trên hai cạnh (hai dầm ngang). Cầu liên hợp hai dầm chủ tiết kiệm thép, giảm thời gian thi công và có giá thành thấp nên được dùng khá phổ biến cho cả kết cấu nhịp giản đơn và liên tục. - Cầu có bản trực hướng là cầu có mặt bằng thép được tăng cường bằng các sườn tăng cường dọc và ngang. Bản mặt cầu tham gia chịu uốn với dầm chủ. Ưu điểm của cầu có bản trực hướng là trọng lượng mặt cầu nhẹ nên thường dùng cho các cầu có khẩu độ lớn. Cầu dầm thường có ba bộ phận chính: mặt cầu, dầm chủ và hệ liên kết. Mặt cầu đã được nghiên cứu trong môn học Tổng quan cầu và mố trụ cầu, ở đây chỉ xét cấu tạo của dầm chủ và hệ liên kết, trong đó những khái niệm đã nghiên cứu ở phần trước sẽ không được nhắc lại. 1.3.2. Cầu dàn Ở nước ta hiện tại cầu dàn được dùng nhiều nhất trong cầu đường sắt, do vậy khi thiết kế cầu dàn vẫn đang dùng quy trình 22TCN-18-79 vì chưa có quy trình mới cho cầu đường sắt. Phần đầu khi nghiên cứu về tính cầu thép theo quy trình cũ đã nghiên cứu kỹ về cấu tạo, ở đây chỉ giới thiệu những vấn đề khác với quy trình cũ hoặc là những vấn đề mà quy trình cũ chưa đề cập đến. Quy định chung: Các cấu kiện của dàn phải bố trí đối xứng qua mặt phẳng trung tâm dàn. Nếu hình dạng dàn cho phép nên bố trí các thanh biên chịu nén liên tục. Khi các thanh bụng (thanh xiên và thanh đứng) chịu ứng suất đổi dấu, các liên kết ở đầu của chúng không được là chốt. Nên tránh dùng các thanh xiên phụ. a) b) Hình 1-5. Cầu dàn thép a) Dàn giản đơn b) Dàn liên tục 1.3.3. Cầu thép kiểu vòm 8
a) b) Hình 1-6. Cầu thép kiểu vòm a) Kiểu vòm dàn b) Kiểu vòm cứng 1.3.4. Cầu thép kiểu dây võng b) a) Hình 1-7. Cầu thép kiểu dây võng 1.4. Cấu tạo của cầu thép 1.4.1. Cấu tạo cầu dầm thép Hình 1-8. Mặt cắt ngang cầu 1- Dầm chính (dầm chủ): bộ phận chịu lực chính, vượt qua khẩu độ. 9
2- Hệ liên kết ngang: dầm ngang hoặc khung ngang, liên kết các dầm chính với nhau. 3- Hệ liên kết dọc: nằm theo mặt phẳng nằm ngang: chịu lực gió hay lực lắc ngang của xe. 4- Hệ mặt cầu: cho các phương tiện giao thông hay người đi lên. 5- Gối cầu: bố trí dưới đầu các dầm chính để truyền tải trọng xuống mố, trụ. Hình 1-9. Mặt cắt ngang dầm chính 1.4.2. Cấu tạo cầu dàn thép 1- Dàn chính (dàn chủ): chịu lực chính, vượt qua khẩu độ. 2- Hệ dầm mặt cầu: gồm dầm dọc và dầm ngang, có tác dụng liên kết 2 dàn chính và nâng đỡ mặt cầu. 3- Hệ liên kết ngang: liên kết 2 dàn chính, tạo thành khung không gian. 4- Hệ liên kết dọc: chịu lực gió ngang hay lực lắc ngang của xe. 5- Mặt cầu, bằng gỗ , bằng thép hay bằng BTCT cho các phương tiện giao thông và người đi lên. 6- Gối cầu: đảm bảo chuyển vị đầu nhịp và truyền tải trọng xuống mố, trụ Hình 1-10. Cấu tạo dàn thép 10
1.5. Lịch sử và phương hướng phát triển cầu thép 1.5.1. Lịch sử cầu thép ở Việt Nam Ở Việt Nam, lịch sử phát triển cầu thép trải qua nhiều giai đoạn. Thời Pháp thuộc, mạng lưới giao thông đường sắt và đường bộ được triển khai, đặc biệt là tuyến đường sắt xuyên Việt (1920-1936), nhiều cầu dàn thép được xây dựng. Đặc điểm nổi bật của cầu thép giai đoạn này là khổ hẹp, tải trọng nhẹ, kết cấu theo các dạng cổ điển của các cầu châu Âu vào cuối thế kỉ 19. Cầu đường sắt và cầu ô tô đi chung, còn đối với cầu dành riêng cho ô tô chỉ bố trí 1 làn Một số cầu có kiến trúc đặc biệt như cầu Long Biên với chiều dài toàn cầu 3000m, trong đó phần dàn thép dài 1860m, kết cấu nhịp hẫng 130m, nhịp treo 52.5m được xây dựng 1893-1903. Chiếc cầu vòm nổi tiếng về kiến trúc là cầu Hàm Rồng (Thanh Hóa) nhịp 160m theo sơ đồ vòm 3 khớp có thanh kéo nhưng bị đánh sập năm 1946 và được xây dựng lại thành sơ đồ liên tục 2 nhịp 80+80m. Sau khi kết thúc cuộc kháng chiến chống Pháp, trong một thời gian ngắn chúng ta đã khôi phục và làm mới hàng loạt cầu thép như Việt Trì, Hàm Rồng, … Hình 1-11. Cầu Long Biên Hình 1-12. Cầu Hàm Rồng Hình 1-13. Cầu Tràng Tiền Ở miền Nam, Mỹ đầu tư khá nhiều vào giao thông vận tải nhưng chủ yếu các công trình tạm phục vụ quân sự. Đường sắt hoàn toàn bị đình trệ. Một vài chiếc cầu thép được xây dựng như cầu Sài Gòn, Bình Triệu, Bình Phước, Tân An, Hóa An, Bến Lức. Ở miền bắc 1964-1972 hầu hết các công trình cầu đều bị phá hoại. Các công trình cầu trong giai đoạn này chủ yếu là các công trình tạm để phục vụ giao thông. Sau khi đất nước được giải phóng, đất nước ta bước vào thời kì mới, phục hồi nền kinh tế quốc dân. Các cầu thép trên tuyến đường sắt xuyên Việt lần lượt được thay thế, xây dựng mới, trong đó đáng kể như cầu Thăng Long nhịp liên tục 112m có 2 tầng, cầu Chương Dương nhịp 97,6m năm 1985. 11
Hình 1-14. Cầu Thăng Long 2 tầng Cầu dây văng được áp dụng từ năm 1976 tại cầu Đakrông (Quảng Trị), cầu sông Hàn với nhịp thép quay, cầu Cần Thơ với kết cấu hộp thép bê tông, nhịp chính 500m. Hình 1-15. Cầu quay sông Hàn Hình 1-16. Cầu Cần Thơ 1.5.2. Phương hướng phát triển cầu thép Phân tích một loạt các cầu thép hiện đại được xây dựng trên thế giới trong những năm gần đây ta thấy nổi bật có 3 phương hướng rõ rệt: - Phương hướng 1: Sử dụng các loại thép chất lượng cao nhằm giảm giá thành công tác duy tu, bảo dưỡng, một việc làm tốn kém ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng, gây ô nhiễm môi trường. - Phương hướng 2: Tiếp tục nghiên cứu tìm kiếm các hệ liên hợp để vượt nhịp dài, có tính thẩm mĩ cao. - Phương hướng 3: Giảm khối lượng và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép 1.5.2.1. Phương hướng thứ nhất Các chuyên gia tiếp tục nghiên cứu các biện pháp chống gỉ cho vật liệu thép. Các loại thép chống gỉ (không sơn) đã thành thương phẩm và được AASHTO chấp nhận đưa vào tiêu chuẩn thiết kế. Tuy nhiên theo hướng dẫn, thép không gỉ mới chỉ được dùng trong những điều kiện đặc biệt và vẫn vần sơn những bộ phận nhạy cảm gỉ. Vì vậy việc nghiên cứu hoàn thiện chất lượng thép không gỉ vẫn phải được tiếp tục tiến hành. Hiện nay vẫn phải sử dụng các biện pháp bọc lót hữu hiệu các công trình. Nhiều loại sơn mới chất lượng cao được nghiên cứu nhằm kéo dài tuổi thọ cầu (cho phép 15- 20 năm sơn lại). 12
Vấn đề bọc các bó cáp cường độ cao trong cầu treo và cầu dây văng cũng cần được quan tâm vì đã phát hiện hiện tượng gỉ bó cáp và việc thay cáp rất phức tạp. Hình 1-17. Cầu Tacarville (Pháp) với nhịp chính 608m phải thay cáp Hình 1-18. Cầu Grant (Ohio) phải thay cáp 1.5.2.2. Phương hướng thứ hai Các sơ đồ cầu thép hệ liên hợp tiếp tục được nghiên cứu áp dụng và thành công rực rỡ. Các kỉ lục về chiều dài nhịp treo và cầu dây văng liên tục bị phá trong những năm cuối thế kỉ 20. Hiện có nhiều dự án với chiều dài nhịp rất lớn như cầu treo Messina (Italia) 3300m, cầu treo liên hợp dây võng và dây văng Gibraltar 5000m. Cầu dây văng ra đời và được phát triển hầu như thay thế cho cầu dàn thép trên đường ô tô, cầu dàn thép chỉ còn được sử dụng cho cầu đường sắt có tải trọng lớn. Cầu vòm thép dạng dàn sau thời gian quên lãng vì phức tạp trong chế tạo và thi công thì cầu vòm thanh kéo thế hệ mới gồm vòm chủ bằng ống thép nhồi bê tông đang được nghiên cứu áp dụng cho các cầu qua kênh rạch trong thành phố, khu du lịch và có yêu cầu thẩm mỹ cao. Hình 1-19. Cầu vòm thép nhồi bê tông – Cầu Tianjin (Trung Quốc) 13
1.5.2.3. Phương hướng thứ ba Trên đường ô tô áp dụng hệ cầu dầm thép, liên tục, chiều cao không đổi để giảm giá thành chế tạo và thi công thay cho việc dùng dàn cổ điển, dùng các cầu dầm có đường xe chạy trên liên hợp với bản BTCT hoặc mặt cầu bằng thép trực hướng và hiện nay tiết diện hộp kín được nghiên cứu áp sụng để tăng độ cứng chống xoắn và để tạo môi trường không gỉ bên trong lòng hộp. Về liên kết trong cầu thép, cùng với sự tiến bộ về thép chất lượng cao, liên kết định tán không còn thích hợp nữa. Hiện nay 2 loại liên kết mang tính công nghiệp và hiện đại đang được ưa dùng là liên kết hàn và liên kết bu lông cường độ cao. Ngoài ra còn có liên kết dán đang bước vào giai đoạn ứng dụng. Liên kết dán hoàn toàn haowjc dán kết kết hợp với bu lông cường độ cao không làm giảm yếu tiết diện thanh và bản nút nên tiết kiệm thép, liên kết dán có ưu điểm là cấu tạo bản nút đơn giản. Vấn đề hiệu chỉnh nội lực trong kết cấu cầu tự lâu được coi là biện pháp có hiệu quả lớn trong việc chủ động phân bố một cách hợp lí nội lực và ứng suất trong kết cấu công trình nhằm nâng cao khả năng chịu lực và tiết kiệm vật liệu. 14
Chương 2: CẤU TẠO CẦU DẦM THÉP 2.1. Khái niệm chung Khi nghiên cứu về cầu thép theo quy trình Thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn đã xét ba loại cầu dầm: - Cầu dầm bản hay cầu dầm đặc là các cầu mà giữa dầm thép và bản mặt cầu (có thể bằng bê tông, gỗ hay thép) chỉ có các liên kết để chống xê dịch tương đối, không có liên kết chống trượt (neo). Ở cầu dầm bản mặt cầu không tham gia chịu uốn cùng với dầm chủ. Hiện nay các cầu này chỉ dùng làm cầu tạm để phục vụ thi công hoặc các cầu có thời gian khai thác ngắn. - Cầu liên hợp dầm thép – bản bê tông cốt thép (gọi tắt là cầu liên hợp) gồm có bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép, dầm chủ bằng thép, giữa bản và dầm có neo liên kết chắc chắn để tạo thành một kết cấu liền khối. Trong cầu liên hợp bản mặt cầu tham gia làm việc với dầm chủ. Hiện nay với những cầu có bề rộng không quá lớn (hơn 20m) trong điều kiện tịnh không thông thuyền cho phép người ta hay áp dụng cầu liên hợp hai dầm chủ, khi đó khoảng cách giữa hai dầm chủ có thể từ 3m đến 14m, dầm ngang với khoảng cách khoảng 4m được đẩy lên cao ngang với mặt cánh trên dầm chủ. Neo liên kết được bố trí ở cả dầm chủ và dầm ngang, khi đó tùy khoảng cách giữa hai dầm chủ và khoảng cách dầm ngang mà bản mặt cầu có thể làm việc như bản kê trên 4 cạnh hoặc trên hai cạnh (hai dầm ngang). Cầu liên hợp hai dầm chủ tiết kiệm thép, giảm thời gian thi công và có giá thành thấp nên được dùng khá phổ biến cho cả kết cấu nhịp giản đơn và liên tục. - Cầu có bản trực hướng là cầu có mặt bằng thép được tăng cường bằng các sườn tăng cường dọc và ngang. Bản mặt cầu tham gia chịu uốn với dầm chủ. Ưu điểm của cầu có bản trực hướng là trọng lượng mặt cầu nhẹ nên thường dùng cho các cầu có khẩu độ lớn. Cầu dầm thường có ba bộ phận chính: mặt cầu, dầm chủ và hệ liên kết. Mặt cầu đã được nghiên cứu trong môn học Tổng quan cầu và mố trụ cầu, ở đây chỉ xét cấu tạo của dầm chủ và hệ liên kết, trong đó những khái niệm đã nghiên cứu ở phần trước sẽ không được nhắc lại. 2.2.1. Cầu dầm đơn giản Đây là loại cầu đơn giản nhất về thiết kế, tính toán, cấu tạo và thi công. Ưu điểm của nó là áp dụng cho những nơi có địa chất bất kì, các nhịp làm việc độc lập, lún của mố trụ không ảnh hưởng đến nội lực, dễ tiêu chuẩn hóa, định hình hóa; cấu tạo và thi công đơn giản và sử dụng rộng rãi trong cầu ô tô và đường sắt. Nhược điểm là tốn vật liệu hơn so với các sơ đồ khác, vượt nhịp nhỏ và trên trụ có 2 hàng gối làm trụ chịu nén lệch tâm nhiều nên thường có kích thước lớn. 2.2.3. Cầu dầm liên tục Cầu dầm liên tục là cầu có dầm bắc qua 2 hay nhiều nhịp. Ưu điểm của nó là nhờ có mô men gối nên làm giảm mô men giữa nhịp nên tiết kiệm được vật liệu hơn so với sơ đồ dầm đơn giản và điều này càng có ý nghĩa khi cầu có nhịp lớn, trên trụ chỉ có một hàng gối nên chịu nén đúng tâm, do đó trụ có kích thước nhỏ hơn, dầm liên tục có độ cứng lớn nên độ võng nhỏ hơn, đường đàn hồi liên tục nên xe chạy êm thuận, khe biến dạng ít hơn và cấu tạo mặt cầu đơn giản và có thể áp dụng nhiều công nghệ thi công như lắp hẫng, lao kéo dọc, giàn giáo treo,… Tuy nhiên, nhược điểm là hệ siêu tĩnh nên sự lún của mố trụ, sự thay đổi nhiệt độ hoặc chế tạo không chính xác sẽ gây nên nội lực phụ trong kết cấu. 15
Cầu dầm liên tục được sử dụng nhiều trong cầu đường ô tô và đường thành phố. 2.2.4. Cầu dầm mút thừa Về mặt tiết kiệm vật liệu gần giống cầu dầm liên tục nhưng có nhiều nhược điểm là đường đàn hồi gãy khúc tại khớp nên xe chạy không êm thuận, lực xung kích lớn nên rất nguy hiểm cho cầu xe lửa và rất hạn chế dùng cho cầu thành phố vì gây ồn, và cấu tạo khớp phức tạp và bất lợi. Do vậy không được sử dụng rộng rãi như cầu dầm liên tục. Tuy nhiên ưu điểm của cầu dầm mút thừa là thường có kết cấu tĩnh định nên áp dụng những nơi có địa chất xấu; mố trụ chịu nén đúng tâm nên có kích thước nhỏ, có thể điểu chỉnh được nội lực khi thay đổi vị trí khớp và thi công có thể áp dụng được công nghệ lắp hẫng hoặc đà giáo treo. Hình 2-1. Các sơ đồ tĩnh học của cầu dầm thép a) Cầu dầm giản đơn b) Cầu dầm liên tục có biên dưới gãy khúc c) Cầu dầm liên tục có biên dưới cong d) Cầu dầm mút thừa có nhịp đeo 2.2. Cấu tạo chung và hệ mặt cầu 2.2.1. Cấu tạo chung Các bộ phận chính của cầu thép tương tự như cầu bê tông. Bao gồm: 2.2.1.1. Dầm chủ Dầm chủ là bộ phận chịu lực chính của cầu. Số lượng dầm chủ phục thuộc vào chiều rộng cầu và cấu tạo của hệ mặt cầu. Đối với cầu đường ô tô khổ 7-8m, đường người đi chiều rộng 0,75-1,5m nên chọn 4-6 dầm chủ, khoảng cách từ 1,4-2,1m (hoặc đến 3m). Đối với cầu đường sắt một làn thường bố trí hai dầm chủ đặt cách nhau 1,9- 2,1m với đường ray và tà vẹt đặt trực tiếp lên dầm chủ hoặc thông qua máng đá ba lát. 16
Hình 2-2. Tiết diện ngang của dầm chủ 2.2.1.2. Hệ dầm mặt cầu Vai trò của hệ dầm mặt cầu là đỡ hệ mặt cầu, truyền lực từ mặt cầu xuống dầm chủ đồng thời đảm bảo cho kết cấu làm việc đúng sơ đồ tính. Hệ dầm mặt cầu có thể có đầy đủ gồm dầm dọc và dầm ngang nhưng cũng cuso thể chỉ có dầm ngang. Đối với cầu dầm có thể không cần làm hệ dầm mặt cầu khi đặt trực tiếp bản mặt cầu lên dầm chủ. 2.2.1.3. Phần mặt cầu Là phần trực tiếp chịu tác dụng của tải trọng bánh xe. Nó có thể bằng thép, bê tông cốt thép hoặc bằng gỗ. Có những trường hợp nó có tác dụng liên kết và làm tăng sự làm việc không gian của hệ dầm chủ hay dầm mặt cầu. 2.2.1.4. Phần lan can, bộ hành Có thể làm bằng gỗ, thép hoặc bê tông cốt thép. 2.2.1.5. Hệ liên kết dọc Thực chất là một dàn liên kết 2 dàn chủ hoặc dầm chủ theo chiều dọc cầu. Tác dụng của nó để chịu tải trọng ngang (lực gió). Thông thường người ta làm hệ liên kết dọc trên và liên kết dọc dưới. 2.2.1.6. Hệ liên kết ngang Nó có tác dụng liên kết các dầm chủ lại tạo thành hệ không gian để làm tăng độ cứng và chống biến dạng kết cấu theo phương ngang. 2.2.1.7. Gối cầu Mục đích đỡ KCN và truyền áp lực kết cấu nhịp xuống mố trụ. Gối cầu phải đảm bảo cho cầu chịu tác dụng lực đúng sơ đồ tính toán và đảm bảo cho kết cấu nhịp biến dạng, co giãn do tác dụng của nhiệt độ. 17
2.2.2. Hệ mặt cầu Yêu cầu chung của mặt cầu là độ bền cao, bằng phẳng và đủ độ nhám để xe chạy êm thuận và có lực dính bám tốt và trọng lượng nhẹ, cấu tạo và thi công đơn giản. 2.2.2.1. Mặt cầu gỗ Ưu điểm là nhẹ, cấu tạo thi công đơn giản, trọng lượng từ 150-180kg/m2 và dễ thay thế sửa chữa. Tuy nhiên nhược điểm là chóng mục, hao mòn, mau hỏng và lực dính bám kém, dễ cháy nên thường dùng cho cầu tạm, bán vĩnh cửu và cầu nhỏ địa phương. a. Mặt cầu ván gỗ Mặt cầu thường làm 2 lớp ván: - Lớp ván trên gọi là lớp chống mòn coi như không chịu lực, dày 5-6cm. Có 2 cách đặt: Đặt dọc: có ưu điểm là khi hư hỏng những tấm dưới vệt bánh xe thì chỉ cần sửa chữa cục bộ nhưng có nhược điểm là lực dính bám kém, dễ hỏng. Đặt ngang: lực dính bám tốt hơn nhưng khi bị hư hỏng thì thay toàn bộ. - Lớp ván dưới: là lớp chịu lực, chiều dày tính toán từ 6-8cm được đặt cách nhau từ 2-3cm cho thoáng khí và thoát nước. Mặt cầu trên có cấu tạo, thi công đơn giản và rẻ. Nếu phòng mục tốt thì sử dụng 5-8 năm, còn không thì không đến 2 năm. Hình 2-3. Cấu tạo mặt cầu gỗ b. Mặt cầu gỗ phủ lớp bêtông asphalt Gỗ ván đóng thành từng phiến, bên trên phủ lớp bêtông nhựa dày 4- 6cm. Loại này có ưu điểm thoát nước tốt, bảo vệ gỗ và có độ dính bám tốt nên tuổi thọ cao hơn loại trên. Mặt cầu loại này nặng 250- 300kg/m2. Loại này trước kia người ta dùng cho cầu thành phố. 2.2.2.2. Mặt cầu bằng bê tông Trong các cầu hiện đại đường ôtô và đường thành phố, người ta dùng bản BTCT làm mặt cầu. Trên bản mặt cầu ta cũng làm các lớp mặt đường như cầu bêtông. Nó có ưu điểm tuổi thọ cao, chất lượng tốt nhưng có trọng lượng nặng từ 600- 800kg/m2. Nó được làm dưới 2 dạng: đổ tại chỗ và lắp ghép. - Loại lắp ghép có ưu điểm là có thể chế tạo trước nên thi công nhanh, đảm bảo chất lượng, không cần giàn giáo và ván khuôn quay vòng nhiều. Tuy nhiên nó làm 18