Bài giảng Thiết kế cầu bê tông cốt thép: Phần 2 - Trường ĐH Vinh

Tiếp nội dung phần 1, Bài giảng Thiết kế cầu bê tông cốt thép: Phần 2 cung cấp cho người học những kiến thức như: Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép; thiết kế, tính toán cầu dầm bê tông cốt thép; cầu dầm thi công phân đoạn và cầu vòm bê tông cốt thép. Mời các bạn cùng tham khảo!

CHƯƠNG 5 NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

* Mục tiêu:

- Hiểu biết cơ bản để phân biệt được kết cấu cầu dầm so với các loại kết cấu khác

- Phân tích được cấu tạo của cầu dầm BTCT thường và BTCT dự ứng lực

- Vận dụng các bước phân tích, các yêu cầu tính toán trong việc thiết kế một dầm cầu BTCT

- Phân tích các vấn đề chính trong thiết kế, tính toán cầu dầm BTCT, có thể vận dụng sáng tạo trong công việc thực tế

* Nội dung:

5.1 Khái niệm về cầu dầm BTCT:

Đối với cầu bản khi chiều dài nhịp tăng thì mô men do tĩnh tải tăng lên nhanh chóng, trọng lượng bản thân tăng dẫn đến không tiết kiệm được vật liệu, không kinh tế nên người ta chuyển sang làm cầu dầm Cầu dầm được áp dụng do việc giảm chi phí của kết cấu bản BTCT bằng việc loại bỏ phần bê tông trong vùng chịu kéo và tập trung cốt thép trong sườn dầm Khi chịu uốn một phần sườn và bản mặt cầu chịu nén Cốt thép tiếp nhận toàn bộ ứng suất kéo, chiều rộng sườn dầm được thu nhỏ đủ để bố trí cốt thép và chịu lực cắt vì vậy tiết diện chịu lực hợp lý hơn về mặt vật liệu Nếu bố trí cốt thép không đủ có thể làm bầu dầm Đặc điểm của cầu dầm BTCT có thể thấy rõ những điểm sau:

- Ưu điểm:

 Chịu lực hợp lý hơn cầu bản do đó vượt được nhịp lớn hơn

 Chịu mô men một dấu bố trí cốt thép đơn giản

 Dễ tiêu chuẩn hoá, định hình hoá cấu kiện

 Thích hợp với kết cấu lắp ghép, bán lắp ghép

 Vận chuyển và lắp ráp tương đối thuận tiện thích hợp với cầu nhiều nhịp

- Nhược điểm:

 Kích thước tiết diện sườn nhỏ hẹp, cốt thép dầy đặc đổ bê tông khó khăn

 Vận chuyển dầm cầu dạng chữ T & I kém ổn định (so với cầu bản)

 Chiều cao kiến trúc lớn

 Vượt nhịp nhỏ, cầu nhiều trụ

 Bê tông cốt thép thường bị nứt làm hạn chế khả năng sử dụng và giảm độ bền vững công trình

5.2 Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép đổ tại chỗ:

độ vật liệu cấu thành tiết diện Trong cầu dầm đơn giản, bản mặt cầu bố trí bên trên để làm mặt đường xe chạy, thường làm việc cục bộ theo phương ngang, đồng thời theo phương dọc có tác dụng như biên trên chịu nén của dầm, thớ dưới dầm chịu kéo do toàn bộ cốt thép chịu Cốt thép dọc chịu kéo được bố trí gọn trong vách hoặc trong bầu dầm Sử dụng bản bê tông chịu nén càng nhiều, vách dầm càng mỏng thì kết cấu sườn dầm càng tỏ ra kinh tế Do đó vách dầm có khuynh hướng làm càng mỏng càng tốt, chiều dày nhỏ nhất của vách được xác định từ điều kiện

bê tông đủ dày để chịu ứng suất chính nén, ứng suất cắt, bố trí cốt đai bảo vệ cốt thép, và không cản trở chế tạo Theo kinh nghiệm, để tạo điều kiện thuận lợi khi đổ bê tông, chiều dày vách dầm không nên nhỏ hơn 200mm

Loại kết cấu này thường sử dụng cho những cầu có chiều dài nhịp nhỏ hơn 22m và chỉ áp dụng ở nơi không có điều kiện thi công nào khác như miền núi chẳng hạn Ưu điểm của loại kết cấu này là đơn giản, dễ thì công, không yêu cầu thiết bị đặc chủng Tuy nhiên, sử dụng

nhiều đà giáo, ván khuôn, cản trở dòng chảy hoặc thông thuyền, tiến độ thi công chậm Do đó, loại kết cấu này ít được sử dụng ngày nay

5.2.2 Bản mặt cầu:

Bản mặt cầu được thiết kế để phục vụ việc khai thác công trình cầu, chiều rộng bản mặt cầu tối thiểu 3600mm cho một làn xe, khi thiết kế 2 làn xe cần bố trí tối thiểu 6000mm đến 9000mm, chiều rộng lớn hơn cho các trường hợp nhiều làn xe thiết kế

Tùy số lượng dầm chủ thiết kế, nếu khoảng cách hai dầm chủ 2-3m thì không cần thiết

kế dầm dọc phụ, trong trường hợp khoảng cách từ 5-6m thì nhất thiết phải thiết kế dầm dọc phụ, khi đó bản mặt cầu được tính toán theo các sơ đồ cụ thể như sau:

Nếu L1/L2 ≥ 2 sử dụng sơ đồ bản kê hai cạnh với chiều dày bản hb ≥ 1/25L2

Nếu L1/L2 < 2 sử dụng sơ đồ bản kê bốn cạnh với chiều dày bản hb ≥ 1/30L2

Tuy nhiên, trong mọi trường hợp hb tối thiểu dày 175mm (mục 7.1.1, phần 9, TCVN) L1

và L2 là kích thước mặt cầu tương ứng theo phương dọc và ngang cầu (xem hình 5.1)

5.2.3 Dầm chủ:

Dầm chủ là bộ phận chịu lực chính, hai đầu dầm kê lên các gối cầu ở trên các trụ, mố Số lượng dầm chủ thiết kế ít nhất (để hạn chế khối lượng ván khuôn đổ tại chỗ), số lượng tuỳ thuộc vào khổ cầu

Khi mặt cắt ngang gồm 2 dầm chủ, khoảng cách giữa chúng bằng 0,55 - 0,6 chiều rộng toàn bộ cầu (khổ 7 hoặc khổ 8 khoảng cách sẽ là 5-6m)

Chiều cao dầm ngang:

Chiều cao: hdp = (0,3-0,5)h

Chiều rộng: bdp = 15-20 (cm)

5.3 Cấu tạo dầm bê tông cốt thép lắp ghép:

5.3.1 Tổng thể:

Kết cấu nhịp được chia thành các khối, các khối này được đúc trước trong nhà máy hoặc trên bãi đúc ở công trường Sau đó vận chuyển, lao lắp các cấu kiện và liên kết lại bằng các mối nối Kết cấu lắp ghép có các đặc điểm sau:

- Ưu điểm:

 Có thể tập trung chế tạo ở nhà máy, công xưởng  áp dụng các biện pháp cơ giới hóa  chất lượng tốt, năng suất cao

 Thi công nhanh, giảm khối lượng thi công trên công trường

 Tiết kiệm được vật liệu làm ván khuôn

 Không phải làm giàn giáo

- Nhược điểm:

 Phải có phương tiện vận chuyển và lao lắp

 Nhiều mối nối cấu tạo thi công phức tạp, chịu lực bất lợi

 Tính làm việc không gian kém so với toàn khối

- Phạm vi sử dụng: Được sử dụng rất rộng rãi cho nhịp nhỏ, nhịp trung bình

Hình 5.2- Kết cấu dầm BTCT lắp ghép

a Lắp ghép theo phương dọc; b Lắp ghép theo phương ngang; c,d Lắp ghép hoàn chỉnh (1 Bản mặt cầu dọc, 2 Dầm chủ, 3 Bản mặt cầu ngang)

5.3.2 Một số loại mặt cắt ngang phổ biến hiện nay:

- Dạng mặt cắt chữ  trên hình 5.3a, b, c Loại này có ưu điểm là độ cứng chống xoắn tốt, ổn định khi lao lắp, vận chuyển Tuy nhiên, chế tạo khó khăn và phức tạp (các góc, cạnh, cốt thép dày), đặc biệt khi chiều dài nhịp lớn thường tốn vật liệu

- Mặt cắt ngang dạng chữ T (Hình 5.3-d), loại này sử dụng khá phổ biến, khi có liên kết ngang thành mạng dầm có ưu điểm về độ cứng theo phương ngang, tạo nên sự làm việc không

gian của kết cấu nhịp tốt, độ cứng chống xoắn tốt, tăng cường chịu lực của bản mặt cầu Tuy nhiên, loại này thi công phức tạp, khó tiêu chuẩn hóa

Hình 5.3- MCN dầm cầu BTCT lắp ghép phổ biến

- Dạng mặt cắt chữ I trên hình 5.3e,g cũng được dùng rất phổ biến, dạng mặt cắt này có thể sử dụng bản mặt cầu dạng lắp ghép hoặc đổ tại chỗ, kết cấu tối ưu nên rất tiện trong công nghiệp hóa, nhược điểm chính là ổn định ngang kém nên trong thi công cần chú ý tránh để nghiêng lệch có thể gãy dầm

5.3.3 Nguyên tắc phân khối:

Trong các cầu dầm bê tông cốt thép lắp ghép, cần quan tâm đến hình dạng và kích thước của phiến lắp ghép và phương pháp liên kết tại hiện trường để đảm bảo chế tạo, vận chuyển và lao lắp thuận lợi nhất Độ bền, độ cứng và phương pháp chế tạo các khối lắp ráp có thể được đảm bảo nếu thỏa mãn các yêu cầu sau đây:

- Khối lắp ghép tốt nhất có dạng kết cấu không gian, tức là có bản mặt cầu, có dầm chủ

và đôi khi có cả dầm ngang Cấu tạo như vậy có thể để bản mặt cầu cùng làm việc tổng thể với kết cấu nhịp và ổn định ngang trong vận chuyển và lao lắp

- Kích thước và trọng lượng các khối thỏa mãn điều kiện vận chuyển trên đường cấp thấp, phương tiện cẩu lắp và vận chuyển trung bình

- Hình dạng khối lắp ghép đơn giản nhất có thể chế tạo trong xưởng, hoặc ngoài hiện trường, thuận tiện cho việc lắp ráp và thực hiện các mối nối ngoài thực địa Trên nguyên tắc không nên phân thành nhiều khối nhỏ, mặc dù có hình dạng đơn giản

5.3.4 Các phương pháp phân khối:

Dựa vào nguyên tắc phân khối trên, đối với kết cấu nhịp cầu dầm đơn giản lắp ghép trên đường ô tô và thành phố, các phiến dầm đúc sẵn chủ yếu được chế tạo trong nhà máy hoặc các trung tâm sản xuất, có thể áp dụng 3 phương pháp phân khối sau đây:

- Phân khối theo chiều dọc (Hình 5.2a): Phân khối theo chiều dọc, trong đó chiều dài khối đúc sẵn đúng bằng chiều dài nhịp dầm Các khối đúc sẵn sau đó được lắp đặt vào vị trí và nối với nhau hoặc bằng các mối nối ướt ở bản mặt cầu và dầm ngang Ưu điểm là Dễ thi công, có thể sản xuất hàng loạt, sử dụng mối nối thứ yếu, lắp ráp nhanh, thi công mối nối đơn giản Nhược điểm là trọng lượng khối lắp lớn dẫn đến thi công phải có thiết bị chuyên dụng (Ví dụ:

Ld = 20m → P  30T; Ld = 30m → P  50T; Ld = 40m → P  80T

Hình 5.4 - Mối nối dọc dầm T và dầm 

- Phân khối theo chiều ngang: Phân khối theo chiều ngang, trong đó theo chiều dọc cầu kết cấu nhịp được chia thành nhiều đoạn nhỏ Các khối đúc sẵn sau đó được lắp đặt vào vị trí

và nối lại với nhau bằng cốt thép dự ứng lực, mối nối hàn hoặc bu lông cường độ cao Ưu điểm

là trọng lượng khối lắp ghép nhỏ, vận chuyển và cẩu lắp dễ dàng Tuy nhiên, số mối nối nhiều, mối nối bố trí vào vị trí chịu lực chủ yếu

Hình 5.5 – Mối nối theo phương ngang

- Phân khối theo chiều dọc và ngang: Phân khối theo chiều dọc và ngang, trong đó mỗi khối theo chiều dọc lại được cắt thành nhiều khối ngắn theo chiều ngang (Hình 5.2b) Các khối ngắn này được được chuyên chở (thuận lợi hơn) đến công trường, ghép lại thành khối lớn, sau

đó lắp đặt và liên kết thành cầu hoàn chỉnh Loại này thường áp dụng trong điều kiện vận chuyển

các cấu kiện lắp ghép khó khăn Ưu điểm là trọng lượng khối lắp ghép nhỏ, vận chuyển và cẩu lắp dễ dàng Nhược điểm là mối nối bố trí vào vị trí chịu lực chủ yếu, rất ít áp dụng cho dầm đơn giản, chỉ dùng với bê tông cốt thép ứng suất trước

- Ngoài ra còn phân khối bằng cách tách bản mặt cầu, sườn dầm, dầm ngang thành các khối riêng sau đó liên kết chúng lại với nhau bằng các mối nối

5.3.5 Cấu tạo mối nối:

Các khối đúc sẵn sau khi chuyên chở và lắp đặt vào vị trí cần được liên kết với nhau thông qua các mối nối Mối nối dầm lắp ghép thường bố trí tại bản mặt cầu và dầm ngang Cũng có trường hợp mối nối chỉ thực hiện ở bản mặt cầu trong cầu không có dầm ngang, hoặc chỉ nối ở dầm ngang Tùy theo đặc điểm cấu tạo và chịu lực của kết cấu mà chọn mối nối thích hợp, ví

dụ nếu mối nối chỉ thực hiện ở dầm ngang thì bản mặt cầu làm việc như bản hẫng tựa trên dầm chủ, hoặc nếu mối nối chỉ thực hiện ở bản mặt cầu, thì bản mặt cầu làm việc thay cho dầm ngang khi phân bố tải trọng lên các dầm chủ Có thể phân ra hai loại mối nối chính là mối nối khô và mối nối ướt

5.3.5.1 Mối nối khô:

Mối nối khô là mối nối không cần đến đổ bê tông tại hiện trường Các mối nối này được thực hiện thông qua bu lông, hàn hoặc cốt thép căng theo phương ngang Các mối nối khô qua bản thép hàn và căng cốt thép thường chỉ có hiệu quả chịu uốn tại dầm ngang Mối nối khô hàn bản thép và cốt thép căng ngang đơn giản về cấu tạo và thi công nhanh nhưng cốt thép bản mặt cầu thường không được nối, bản làm việc như bản hẫng, nên khi nhịp bản lớn thường xuất hiện các vết nứt dọc trên mặt cầu Mối nối khô thường được thực hiện bằng hàn một bản thép thông qua các bản thép chờ hàn sẵn vào cốt thép chịu lực của dầm ngang (hình 5.6) Để tránh hiện tượng bản thép bị kênh do chế tạo không chính xác, các bản thép chờ được thay thế bằng các thép góc chờ Nhược điểm là các mối nối hàn chịu tải trọng xung kích kém và thường không khống chế được chất lượng mối nối hàn ngoài hiện trường Trong cầu có các tấm bản lắp ghép, mối nối khô có thể thực hiện thông qua bu lông cường độ cao nối bản lắp ghép với dầm

Hình 5.6 – Mối nối khô bản thép hàn

5.3.5.2 Mối nối ướt:

Mối nối ướt là mối nối thực hiện bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép tại hiện trường, tùy theo cấu tạo, nếu cốt thép cũng được nối thì mối nối có thể chịu cả mô men và lực cắt, nếu các cốt thép không được nối thì chỉ chịu được lực cắt Mối nối ướt có thể dùng để nối bản mặt cầu

và dầm ngang trong cầu dầm T đúc sẵn, khi đó cánh T đúc sẵn thường để cốt thép chờ, các khối

đúc sẵn đặt cách nhau một khoảng đủ để nối cốt thép và đổ bê tông (ít nhất 300mm) Cốt thép chờ ở bản mặt cầu và dầm ngang có thể nối uốn vòng và thêm các cốt chịu cắt Hình 5.7 thể hiện cấu tạo mối nối ướt tại dầm ngang của cầu dầm T Trong mối nối ướt cũng có thể dùng các bó cốt thép dự ứng lực đặt ở dầm ngang và bản mặt cầu để ép các khối sau khi đã đổ bê tông các mối nối

Trong các cầu bản hoặc cầu dầm tiết diện U ngược, thì mối nối ướt thường được thực hiện qua khe hở giữa các khối Trong các mối nối này, cốt thép không được nối nên mối nối chỉ chịu cắt và sơ đồ tính được xem như liên kết chốt

Hình 5.7 – Mối nối ướt chờ cốt thép

5.3.6 Các kích thước cơ bản:

5.3.6.1 Bản mặt cầu (điều 14.1.5, Phần 5):

a Bản cánh trên:

Trong mọi trường hợp hbản không kể lớp hao mòn hbmc ≥ 175mm

Chiều dày bản trên ≥ 1/20 khoảng cách tĩnh giữa hai đường gờ, nách hoặc sườn dầm Nếu nhỏ hơn thì phải đặt dầm ngang để bản làm việc theo hai phương

Chiều dày bản trên ≥ 225mm: vùng có neo cáp ngang cầu và ≥ 200mm ở ngoài vùng có neo cáp bản dự ứng lực

Chiều dày tối thiểu vách dầm = hbmc = 175mm Trong các trường hợp khác được lấy như sau:

≥ 200mm: khi không có cốt thép căng sau;

Ví dụ: Thông thường bản mặt cầu có cấp bê tông (25÷30)MPa, chiều dày bản mặt cầu hay thiết kế từ (200÷250)mm tương ứng với khoảng cách giữa hai dầm chủ từ (2000÷3000)mm

 Đối với kết cấu giản đơn: Hd = (0,035 – 0,07)L

 Đối với kết cấu liên tục: Hd = (0,033 – 0,065)L

- Chiều rộng sườn dầm chọn sao cho đủ bố trí cốt thép và chịu được lực cắt, có thể xem xét xác định theo các điều kiện sau:

 Theo kinh nghiệm: (1 1)

b  h

 Theo điều kiện chịu cắt:

00,12 0, 2

b h

   : Sườn cốt thép dạng rời

 Theo điều kiện bố trí cốt thép:

Bố trí dạng khung với C0 là khoảng cách tĩnh

Chiều cao dầm ngang: hdn ≥ 2/3hdc

Bề dày dầm ngang:

b = 20cm: đổ tại chỗ (có khi b = 40cm)

b = 15cm: lắp ghép Khoảng cách giữa các dầm ngang: (3÷8)m (tính toán)

Chi tiết cho từng loại kết cấu được quy định cụ thể trong bảng 13, mục 12.3, phần 5, TCVN11823-2017 Đối với bê tông bảo vệ cốt giằng, cốt đai có thể mỏng hơn 12mm so với quy định trong bảng 13 nhưng không được nhỏ hơn 25mm

5.3.7.2 Cự li cốt thép:

a Đối với bê tông đúc tại chỗ toàn khối:

Khoảng cách tĩnh giữa các thanh song song trong

một lớp:

≥ 1,5 lần đường kính danh định của thanh;

≥ 1,5 lần kích thước tối đa của cốt liệu;

hoặc 38 mm

b Đối với bê tông đúc sẵn: Khoảng cách

tĩnh giữa các thanh song song trong một lớp:

≥ Đường kính danh định của thanh;

≥ 1,33 lần kích thước tối đa cốt liệu;

hoặc 25 mm

c Trừ trong các bản mặt cầu, khi có cốt

thép song song được đặt thành hai hoặc nhiều

lớp, với cự ly tịnh giữa các lớp không vượt quá 150mm, các thanh ở các lớp trên phải được đặt thẳng ngay ở phía trên những thanh của lớp dưới, và cự ly giữa các lớp không được nhỏ hơn 25mm hoặc đường kính danh định của thanh

d Khi bố trí cốt thép dạng khung (bó thanh):

 Số thanh song song trong mỗi bó ≤ 4 thanh

 Trong kết cấu chịu uốn, số thanh lớn hơn đường kính

36mm không được vượt quá 2 thanh trong mỗi bó

 Bó thanh phải được bao trong cốt đai hoặc giằng

 Khi cắt cốt thép phải kết thúc tại các điểm khác nhau

với khoảng cách so le ít nhất 40d cốt thép

 Một bó thanh được coi như một thanh có đường kính suy ra từ tổng diện tích tương đương

e Cự li tối đa của các thanh cốt thép:

Trong các vách và bản, cự ly các cốt thép không được vượt quá 1,5 lần chiều dày của bộ phận hoặc 450 mm Cự ly các thép xoắn ốc, thép giằng, thép chịu nhiệt và co ngót phải theo quy định riêng trong TCVN11823-2017

5.3.7.3 Bố trí cốt thép trong dầm chủ:

a Quy cách uốn cốt thép:

- Với cốt thép dọc :

 Uốn 180o, kéo dài thêm 4,0db, và ≥ 65mm ở đầu thanh

 Uốn 90o, kéo dài thêm 12,0db ở đầu thanh

- Với cốt thép ngang :

 Thanh D ≤ 16mm: Uốn 90o kéo dài thêm 6,0db ở đầu thanh

 Thanh D = 19, 22 và 25mm: Uốn 90o kéo dài thêm 12,0db

 Thanh D ≥ 25: Uốn 135o kéo dài thêm 6,0db ở đầu thanh

Với db là đường kính danh định của thanh

Hình 5.9 - Uốn cốt thép dọc và ngang

Đường kính uốn cong cốt thép lấy theo Bảng 11, mục 10.2.3, phần 5, TCVN:

Bảng 1 - Đường kính tối thiểu của đoạn uốn cong

tối thiểu

- Thanh đường kính 10 mm đến 16 mm - nói chung

- Thanh đường kính 10 mm đến 16 mm - cốt thép đai U và đai giằng

- Thanh đường kính 19 mm đến 25 mm - nói chung

Tất cả các cốt thép chính dọc nằm bên trong và tiếp xúc với cốt xoắn

Khoảng tĩnh của cốt đai xoắn ≥ 25mm hoặc 1,33 Dmax-cốt liệu

Cự ly tim đến tim ≤ 6,0d cốt thép dọc hoặc 150mm

Các đầu nối của cốt xoắn có thể là một trong các cách sau :

 Nối chồng 48,0 lần đường kính thanh không phủ mặt

 Thanh D10 cho các thanh D32 hoặc nhỏ hơn

 Thanh D15 cho các thanh D36 hoặc lớn hơn

 Thanh D13 cho các bó thanh

Cự ly giữa các cốt giằng không được vượt quá hoặc kích thước nhỏ nhất của bộ phận chịu nén hoặc 300mm

Khi hai hoặc nhiều thanh D35 được bó lại, cự ly này không được vượt quá hoặc một nửa kích thước nhỏ nhất của bộ phận hoặc 150mm

Dây thép có gờ hoặc tấm lưới dây thép hàn có diện tích tương đương có thể được dùng thay cho thép thanh

Trừ khi có quy định khác, ở mỗi phía dọc theo cốt giằng không được bố trí bất cứ thanh nào xa quá (tính từ tim đến tim) 610mm tính từ thanh dọc được giữ chống chuyển dịch ngang

đó Trong trường hợp thiết kế cột trên cơ sở khả năng chịu tải của khớp dẻo thì ở mỗi phía dọc

theo cốt giằng không được bố trí bất cứ thanh nào xa hơn 150mm (cự ly tịnh) tính từ thanh dọc được giữ chống chuyển dịch ngang đó

- Cự li cốt đai:

Theo kinh nghiệm cốt đai thường đặt với cự li như sau để tăng cường khả năng kháng cắt cho dầm:

 10cm – trong đoạn đầu dầm và d ≥ 10mm

 15cm - trong đoạn tính từ đoạn giáp giới với đoạn đầu dầm đến 1/4 L, và d ≥ 8mm

 20cm - trong đoạn giữa của dầm có chiều dài bằng 1/2L, và d ≥ 8mm

c Cốt thép chống co ngót và thay đổi nhiệt độ (mục 10.8, phần 5)

Cốt thép để chịu các ứng suất co ngót và nhiệt độ phải được đặt gần các bề mặt bê tông phơi lộ trước các thay đổi nhiệt độ hàng ngày và trong bê tông kết cấu khối lớn Cốt thép chịu nhiệt độ và co ngót phải được bố trí để đảm bảo tổng cốt thép ở các bề mặt phơi lộ không nhỏ hơn quy định

Có thể bố trí cốt thép chịu co ngót và nhiệt độ bằng loại cốt thanh, tấm lưới sợi thép hàn hoặc bó thép dự ứng lực Với các thép thanh hoặc tấm lưới sợi thép hàn, diện tích cốt thép trên mỗi mm, trên mỗi mặt và trong mỗi hướng phải thỏa mãn:

A ≥ 0,75bh2(b + h)f Với 0,233 ≤ As ≤ 1,27 Trong đó:

 As là diện tích cốt thép trong mỗi hướng và mỗi mặt (mm2/mm)

 b là bề rộng tối thiểu mặt cắt cấu kiện (mm)

 h là bề dày tối thiểu mặt cắt cấu kiện (mm)

 fy là cường độ chảy quy định của thanh cốt thép ≤ 520 MPa

Thép phải được phân bố đều trên hai mặt, trừ các bộ phận mỏng bằng hoặc mỏng hơn

* Riêng đối với Bê tông khối lớn:

Đối với các cấu kiện bê tông kết cấu khối lớn mà kích thước nhỏ nhất của nó vượt quá 1200mm, kích cỡ thanh nhỏ nhất là D19 và cự ly của chúng không vượt quá 450mm

Cốt thép co ngót và nhiệt độ tối thiểu trong mỗi hướng, được phân bố đều trên cả hai mặt,

bố trí như vậy, mỗi đầu dầm không được hàn quá hai cốt xiên phụ vào mỗi thanh cốt thép chịu lực

 Các cốt xiên và cốt phụ nên bố trí theo nguyên tắc đối xứng với trục dọc của tiết diện sườn dầm (ví dụ từng cặp một)

e Mối nối:

Mối nối giữa các thanh cốt thép tốt nhất là dùng mối hàn điện tiếp xúc bằng phương pháp nóng chảy, các mối nối lắp ghép thì dùng phương pháp hàn hồ quang Cũng cho phép nối cốt thép bằng phương pháp hàn các cặp thanh ốp (bố trí mối hàn ở một bên và hai bên) Tổng chiều dài của mối hàn không nhỏ quá 10 lần đường kính cốt thép

Hình 5.10 – Mối nối hàn cốt thép

Tại những chỗ có nội lực tính toán lớn nhất, cũng như ở miền chịu kéo của cấu kiện các mối hàn cần được phân bố với những khoảng cách ≥ 50cm Có thể hàn các thanh có đường kính khác nhau nếu tỷ số diện tích của chúng ≤ 1,5

Chiều dài mối hàn tại những vị trí liên kết cốt xiên lấy bằng 12d nếu hàn một bên, và 6d nếu hàn hai bên

Trong các khung cốt thép hàn, tại những chỗ uốn hoặc cắt cốt thép, cũng tại một số vị trí trung gian ở giữa những chỗ đó, cần bố trí thêm các mối hàn “liên kết”, cách nhau không xa quá 3h/4 (h - chiều cao của dầm) Chiều dài cho mối hàn này là lấy bằng 6d nếu hàn một bên

và bằng 3d nếu hàn cả hai bên

Chiều dày tối thiểu của mối hàn nối và mối hàn “liên kết” là 4mm

f Một số yêu cầu khác:

Tất cả các thanh cốt thép vỏ trơn, chịu lực kéo, ở hai đầu phải có móc câu nửa vòng tròn vớibán kính trong ≥ 2,5 đường kính của thanh Đoạn thẳng của móc câu không được nhỏ quá 3d Đầu tự do của cốt xiên vỏ trơn kéo thêm vào trong miền chịu ép và đầu các thanh chịu ép nếu cắt đứt trong miền chịu kéo, thì chỉ cần bố trí móc câu hình thước thợ

Trong phạm vi gối tựa, phải bố trí lưới cốt thép đường kính 10-12mm Kích thước của mắt lưới là 10-15cm Các lưới này đều bố trí theo chiều cao

Ở đầu kết cấu nhịp mút thừa, tại vị trí kê dầm treo, khung cốt thép chính sẽ kết thúc bằng những cốt xiên; còn cốt thép của phần kê là các khung phụ, gồm những thanh cốt thép nhỏ, có

gờ cách nhau nhiều nhất là 10cm Bán kính cong của các thanh ngang tại góc của vai kê không được lấy nhỏ quá 2d Các quy định khác xem Tiêu chuẩn

5.4 Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép:

Cầu dầm BTCT bán lắp ghép là sự kết hợp ưu điểm của hai loại cầu trên

Hình 5.11 - Mặt cắt ngang kết cấu nhịp bán lắp ghép (PCI)

Kết cấu này gồm một phần là các khối lắp ghép và một phần đổ bê tông tại chỗ để liên kết các cấu kiện Dạng cầu bán lắp ghép có các dạng sau:

 Cấu kiện đúc sẵn là các dầm chữ T có cánh ngắn hoặc dầm chữ I, hay tiết diện chữ nhật, bản mặt cầu đổ tại chỗ Có thể cánh trên của dầm tạo khấc đặt tấm đan

bê tông cốt thép mỏng làm ván khuôn đổ bê tông bản

 Phần đúc sẵn có dạng chữ U

Ưu điểm:

 Trọng lượng nhẹ thuận tiện cho việc vận chuyển lao lắp

 Không phải làm các mối nối, tính toàn khối tốt hơn kết cấu lắp ghép

Nhược điểm:

 Phần đổ bê tông tại chỗ nhiều, thi công lâu

5.5 Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước:

5.5.1 Nguyên lý cấu tạo:

Giải quyết nhược điểm của cầu bê tông cốt thép thường bị nứt làm gỉ cốt thép giảm khả năng chịu lực của kết cấu

Thông thường độ dãn dài của bê tông khi chịu kéo khoảng: (0,1-0,15)mm/1m dài cấu kiện

bê tông, khi đó ứng suất kéo truyền lên cốt thép mới đạt đến giá trị:

k = e.E = (0,15/1000).2.105 = 30Mpa Trong khi đó ứng suất của cốt thép là 190 – 240Mpa, do đó bê tông sẽ nứt khi mà cốt thép chưa làm việc

Như vậy, nguyên lý làm việc của bê tông cốt thép ứng suất trước (BTCT ƯST) là tại những miền chịu kéo của cấu kiện do tải trọng gây ra, khi chế tạo người ta sẽ tạo ra một trạng thái ứng suất nén trước, ứng suất này sẽ làm giảm hay triệt tiêu ứng suất kéo phát sinh trong quá trình khai thác kết cấu

Đặc điểm:

Sử dụng được vật liệu có cường độ cao, tăng cường được khả năng chịu lực và độ cứng, tiết kiệm được vật liệu, giảm được kích thước của kết cấu do đó vượt được nhịp lớn hơn BTCT thường (bê tông ứng suất trước dùng mác 30-60Mpa)

Cốt thép giảm được từ 10 - 60% trung bình 30%

Khống chế được nứt: Bảo vệ được cốt thép, tăng tuổi thọ của công trình

Độ cứng của kết cấu tăng, độ võng nhỏ nên vượt được nhịp lớn

Chịu tác động của tải trọng trùng phục tốt hơn BTCT thường

Chỉ có nhược điểm là thi công phức tạp hơn, cần có thiết bị neo, căng kéo, tuy nhiên ngày nay công nghệ tiên tiến đã khắc phục được nhược điểm này Cho nên kết cấu ƯST được sử dụng rộng rãi trong xây dựng cầu

5.5.2 Mặt cắt điển hình:

5.5.2.1 Mặt cắt ngang dầm chữ T:

a Cấu tạo:

Các dầm chữ T có thể thi công theo công nghệ căng trước hoặc

căng sau Khả năng vượt nhịp có thể đạt đến 40m (42m)

Một số dạng mặt cắt chữ T cải tiến như trên hình 5.12

Hình 5.12 Các loại tiết diện chữ T

a, b tiết diện chữ T kép; b tiết diện chữ T mối nối khô; d tiết diện chữ T mối nối ướt

b Các kích thước cơ bản:

Lựa chọn tiết diện dầm có yêu cầu

chung là làm sao cho tiết kiệm vật liệu (kinh

tế) Thông thường ta chọn các kích thước tối

thiểu nhưng phải đủ để bố trí cốt thép và các

yêu cầu cấu tạo, cụ thể:

- Bản mặt cầu: tối thiểu hb=175mm

theo quy định TCVN

- Dầm chủ:

 Chiều dày tối thiểu sườn dầm tại

vị trí giữa nhịp b=hb=175mm, để dễ thi công người ta thường chọn 200m Ở đầu dầm thường mở rộng sườn để chịu cắt và bố trí cáp DƯL nên thường chọn b1 = (360 – 620)mm tùy thuộc kết cấu nhịp

 Chiều cao dầm chủ: thường chọn tối thiểu khoảng h = 0,045L cho nhịp giản đơn

Dầm I làm việc kém hiệu quả hơn dầm T, nhưng chế tạo đơn

giản hơn Theo AASHTO dầm I (PCI) được định hình thành các

dạng tối ưu như sau:

Hình 5.13 - Các định hình tiết diện dầm I theo AASHTO

Hình 5.14 - Mặt cắt ngang dầm hộp kín

5.5.2.4 Mặt cắt ngang dầm hộp căng trước:

Tiết diện hộp căng trước có bề rộng từ 1000-1200mm Áp dụng thích hợp với nhịp 30m Các tiết diện hộp có thể bố trí xa nhau để đỡ bản mặt cầu đổ tại chỗ Các hộp có thể liên kết với nhau thông qua dầm ngang

18-Tiết diện hộp Theo AASHTO đã được áp dụng như sau:

Hình 5.15 - Mặt cắt ngang cầu áp dụng tiết diện hộp theo AASHTO

Các tiết diện hộp có thể đặt sát nhau tạo nên một kết cấu nhiều dầm làm việc như kết cấu bản rỗng Loại này hkt nhỏ áp dụng thích hợp với cầu vượt trong thành phố

Hình 5.16 - MCN cầu tiết diện hộp hở theo ASSHTO

Cầu gồm các dầm dự ứng lực chữ U đúc sẵn và bản mặt cầu đổ tại chỗ Một trong các ưu điểm của dầm U: rất thích hợp trong cầu cong lắp ghép (Thiết kế chiều cao các vách không bằng nhau để tạo siêu cao)

Nhược điểm dầm U: bản mặt cầu chỉ làm việc khi đã liên hợp (chịu tĩnh tải chất thêm và hoạt tải)  chưa khai thác hết khả năng làm việc của bản mặt cầu Độ cứng chống xoắn nhỏ hơn tiết diện hộp kín (mặc dù tiết diện khi khai thác là giống nhau)

Hình 5.17 – MCN kết cấu nhịp dầm U rộng 15m

b Tiết diện hộp hở Super-T:

Đây là dạng tiết diện khai thác các ưu điểm của dầm chữ T và khắc phục nhược điểm chính là trọng lượng lớn và khả năng vượt nhịp của dầm T

Ưu điểm của loại tiết diện này là tiết kiệm chi phí do giảm được khối lượng bê tông, ván khuôn và thời gian xây dựng; An toàn trong thi công do tính ổn định cao, hình dáng đẹp, hiểu quả kết cấu cao do khả năng chống xoắn tốt, khả năng vượt nhịp lớn 40m Tuy nhiên, dầm SuperT cũng có một số nhược điểm như khó điểu chỉnh kết cấu khi thi công cầu cong, bê tông thành mỏng đòi hỏi kỹ thuật thi công cao, thường xuất hiện các vết nứt bê tông đầu dầm khó

xử lý

 Cấu tạo dầm Super T thông thường:

 Chiều rộng bản cánh B = 1120-2500mm tùy thuộc chiều rộng cầu

 Chiều dày bản cánh tối thiểu 75mm

 Chiều dày sườn tối thiểu 90mm, thực tế thường làm 15mm cho dễ thi công

 Chiều dày bầu dầm tối thiểu 240mm đủ bố trí cáp DƯL thẳng theo thiết kế

Hình 5.18 – Kích thước cấu tạo MCN dầm super-T

Hình 5.19 - Mặt cắt ngang cầu kết cấu nhịp dầm Super T

5.5.3 Bố trí cốt thép ứng suất trước:

5.5.3.1 Đối với dầm chế tạo theo công nghệ căng trước:

- Đối với loại nhịp nhỏ: L ≤ 20m

 Số bó uốn xiên chiếm (1/4÷1/5) tổng số bó

 Uốn tại vị trí cách đầu dầm (0,3 ÷ 0,4)L

- Nhịp lớn hơn:

 Số bó uốn xiên chiếm 1/3 tổng số bó

 Uốn tại 2 ví trí cách đầu dầm 0,3l hoặc 0,4l

 Nên bố trí các bó đối xứng qua mặt phẳng dầm.

1175 2330

250 2500 250

1175

Hình 5.20 – Bố trí thép DƯL căng trước

5.5.3.2 Đối với dầm chế tạo theo công nghệ căng sau:

Các bó cốt thép được uốn cong và chiếm (30÷40) % tổng số bó Các điểm uốn nên bố trí so le từ (0,3÷0,4)L Các bó được uốn lên trên nên có cùng mặt phẳng đối xứng với trục của tiết diện dầm

Vị trí neo phải tạo mặt vuông góc với bó cốt thép

Bán kính uốn cong ≥ 4m; các bó kề nhau lấy sai khác nhau 1÷2m và lấy tăng dần từ dưới lên

Hình 5.21 - Bố trí cốt thép ứng suất trước đối với dầm căng sau

5.5.3.3 Cự li tối thiểu của các bó, sợi cáp dự ứng lực:

a Tao cáp dự ứng lực kéo trước:

Khoảng trống giữa các tao cáp dự ứng lực kéo trước, bao gồm cả các tao có ống bọc, ở đầu cấu kiện và trong phạm vi chiều dài khai triển, không được lấy nhỏ hơn 1,33 lần kích cỡ lớn nhất của cốt liệu cấp phối và cũng không được nhỏ hơn cự ly tim đến tim được quy định trong Bảng 2

Bảng 5.2 - Cự ly tim đến tim tao cáp dự ứng lực

15,24 14,29 Đặc biệt 14,29

51

12,70 11,11 12.70 Đặc biệt

44

Khoảng trống tối thiểu giữa các nhóm bó tao cáp không được nhỏ hơn hoặc 1,33 lần kích thước tối đa của cấp phối hoặc 25mm, mỗi bó không bố trí quá 4 tao cáp

b Ống bọc bó cáp kéo sau không cong trong mặt phẳng:

Khoảng trống giữa các ống bọc thẳng kéo sau không được nhỏ hơn 38 mm hoặc 1,33 lần kích thước lớn nhất của cốt liệu thô Đối với kết cấu đúc sẵn phân đoạn có cáp dự ứng lực ngoài căng sau với một mối nối epoxy giữa các cấu kiện, khoảng trống giữa các ống thép căng sau không được nhỏ hơn giá trị lớn hơn của đường kính trong của ống bọc cáp hoặc 100 mm Khoảng trống đứng tối thiểu giữa các bó không được nhỏ hơn 38 mm hoặc 1,33 lần kích thước lớn nhất của cốt liệu thô

Với thi công đúc sẵn, khoảng trống ngang tối thiểu giữa các nhóm ống có thể giảm xuống 75mm

c Ống bọc bó cáp kéo sau cong trong mặt phẳng:

Cự ly đối với các ống cong không được nhỏ hơn đối với các ống thẳng

d Các đầu nối của bó cáp kéo sau:

Hồ sơ thiết kế phải quy định không được nối quá 50% số bó cáp dọc kéo sau được nối trong một mặt cắt và khoảng cách giữa các đầu nối cạnh nhau không được lấy nhỏ hơn chiều dài của phân đoạn đúc dầm hay hai lần chiều cao của đoạn dầm Các diện tích trống xung quanh các đầu nối phải được giảm trừ khỏi diện tích nguyên của mặt cắt và mô men quán tính khi tính toán các ứng suất ở thời điểm tác dụng lực kéo sau

5.5.4 Cốt thép thường trong dầm bê tông cốt thép ứng suất trước:

a Dầm dùng cốt thép dạng dây đàn:

Øđai= (6÷10)mm

ađai ≤ 0,75h, đoạn đầu dầm ađai ≤ (20÷ 30)cm

b Dầm dùng bó, tao cốt thép:

Ø ≥ 8mm ; ađai ≤ 20cm: khi b ≤ 20cm, ađai ≤ 1,5b: khi b > 20cm

c Trong đoạn đầu dầm (<1/2h):

ađai ≤ 10cm và Ø ≥ 10mm

d Cốt dọc ở sườn dầm là cốt gờ Ø = (8÷10)mm, a = (15 ÷ 20)cm

e Cốt đai và cốt dọc ở sườn dầm liên kết thành lưới

f Cốt thép ở bầu dầm liên kết thành khung

Ngoài ra còn phải bố trí các lưới thép chịu ứng suất cục bộ ở vị trí neo cốt thép cường độ cao và vị trí kê gối cầu

Hình 5.22 - Bố trí cốt thép ứng suất trước đối với dầm căng sau

Hình 5.23 - Bố trí cốt thép thường trong dầm bê tông cốt thép ứng suất trước

5.5.5 Các hệ thống bố trí cốt thép ứng suất trước trong dầm giản đơn:

M y N

Trong đó i là mặt cắt thớ trên đoạn đầu đầm

Như vậy, Cốt thép cường độ cao bố trí thẳng thì tại gối sẽ không tránh khỏi việc xuất hiện các ứng suất kéo gây nứt bê tông thớ trên, do đó cần phải bố trí cốt thép căng trước ở bên trên

từ (15÷20) % cốt thép ở biên dưới để hạn chế hoặc cho cáp không dính bám vào bê tông dầm Tuy nhiên, phương pháp này không có lợi: tốn vật liệu, không tăng được khả năng chịu cắt của tiết diện Nhưng công tác căng kéo cốt thép đơn giản do đó áp dụng cho nhịp nhỏ, cầu bản (cốt thép dây đàn)

Nếu tạo ex và αx hợp lý thì MT có thể triệt tiêu Mtải trọng gây ra

Trị số của lực cắt truyền lên bê tông:

Q = Qtải trọng - NT* Sinαx → Q giảm

Phương pháp này hợp lý hơn phương pháp bố trí cốt thép thẳng Nhưng công tác căng kéo cốt thép và bố trí neo, kích phức tạp hơn Thường áp dụng cho giải pháp căng sau

Kết hợp cả hai phương pháp trên → bố trí cốt thép dạng gãy khúc (áp dụng cho kết cấu căng trước) tuy nhiên việc bố trí các neo chuyển hướng thường gây tốn kém và ảnh hưởng đến chất lượng bê tông dầm sau này

Hình 5.26 - Neo chuyển hướng cốt thép

5.5.6 Cấu tạo neo - kích - cốt thép cường độ cao:

5.5.6.1 Cốt thép:

a Đối với phương pháp căng trước:

Sử dụng cốt thép dạng thanh, sợi rời Ø(3÷5)mm (dây đàn) hoặc dạng tao xoắn 7 sợi Loại này thường sử dụng trong các kết cấu cầu bản đặc hoặc rỗng, dầm có cốt thép dưl kéo thẳng

b Đối với phương pháp căng sau:

Chủ yếu thường dùng loại bó cốt thép sau đây

Hình 5.27 - Bó nhiều tao và bó 1 tao

Cốt thép cho kết cấu căng sau thường dùng cho các các bó nhiều tao đặt trong các ống bọc (tôn tráng kẽm lượn sóng) Đường kính ống bọc ≥ Ddanh định của bó + 6mm

Khoảng cách tĩnh giữa các ống ≥ 38mm hoặc 1.5 Dmax cốt liệu

5.5.6.2 Neo - Kích:

a Đối với phương pháp căng trước:

Dùng các loại neo ngầm trong bê tông khi căng trước từng bó ta thường dùng neo quả trám, nếu căng từng sợi đơn thì không sử dụng neo

Neo quả trám:

Hình 5.28 Neo quả trám

b Đối với phương pháp căng sau:

Thường dùng neo chóp cụt hình côn để chốt chặn đầu sợi cáp

Neo hình côn

Hình 5.29 - Neo hình côn

c Kích:

Sử dụng để tạo ứng lực trước trong cáp DƯL

Các kích đều rỗng lòng để thép chui qua bên trong thân kích, cấu tạo chung như hình sau

1 Vành khung phía sau;

Trong kết cấu nhịp cầu dầm giản đơn nhiều nhịp, dù khe co dãn được chế tạo rất cẩn thận

và đạt chất lượng tốt thì xe chạy vẫn không được êm thuận do đường đàn hồi không liên tục Bản liên tục nhiệt được đưa vào nhằm mục đích tạo cho đường đàn hồi liên tục, nhưng kết cấu chính vẫn làm việc theo sơ đồ dầm giản đơn nhằm tính toán thiết kế, cấu tạo cốt thép đơn giản Kết cấu nhịp liên tục nhiệt là kết cấu được tạo ra bằng cách nối liên tục kết cấu nhịp dầm hoặc bản giản đơn với nhau ở mức bản mặt cầu, sao cho dưới tác dụng của lực nằm ngang và nhiệt độ cầu làm việc như hệ dầm liên tục, còn dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì làm việc như dầm giản đơn Kết cấu liên tục nhiệt còn dùng nối dầm treo với phần hẫng của dầm mút thừa

Kết cấu của bản liên tục nhiệt phải đảm bảo tính liên tục của mặt cầu và tiếp nhận mọi nội lực sinh ra trong một liên kết cấu nhịp mà không cản trở đến sự quay đầu dầm (liên là một nhóm dầm giản đơn nối với nhau) Dùng kết cấu nhịp liên tục nhiệt hợp lý hơn cả là dùng với các dầm giản đơn có khẩu độ dưới 33m

Việc dùng kết cấu nhịp liên tục nhiệt đặc biệt có hiệu quả ở vùng động đất cũng như móng trụ đặt trong vùng đất lún

5.6.1 Cấu tạo sơ đồ kết cấu nhịp liên tục nhiệt:

Kết cấu nhịp liên tục nhiệt có thể dùng cho các kết cấu dầm hoặc bản có chiều dài nhịp bất kỳ và có nhiều hình thức cấu tạo trên mặt cắt dọc cũng như trên mặt bằng Quy định chiều dài và sơ đồ của liên xuất phát từ những điều kiện của sơ đồ cầu, đặc tính của kết cấu và điều kiện khí hậu của vùng xây dựng

Hình 5.30 – Vị trí bản liên tục nhiệt

(a Bản liên tục cầu dầm giản đơn; b bản liên tục cầu khung T dầm đeo)

Cấu tạo liên một cách hợp lý là bằng cách để cho chuyển vị do nhiệt độ xảy ra ở cả 2 phía

từ tâm liên, sao cho có thể sử dụng tối đa khả năng của kết cấu khe biến dạng Kết cấu nhịp có

sử dụng bản liên tục nhiệt có thể dùng toàn gối di động hoặc đặt các gối cố định trên một trong các trụ của nó, được phép chỉ dùng gối di động khi trên chiều dài của liên đều dùng gối cao su Gối cố định hợp lý là đặt ở giữa liên (Hình 5.31a), khi khẩu độ khác thì đặt ở nhịp có khẩu độ lớn (Hình 5.31b)

Khi chiều dài liên đặt trên độ dốc dọc lớn, hợp lý hơn cả là đặt gối cố định ở phía dưới dốc (Hình 5.31d) để bản liên tục nhiệt chịu lực nén

Hình 5.31 – Cấu tạo một liên của kết cấu nhịp

(a,b Có gối cố định; c Dùng gối cao su; d Cầu có độ dốc dọc; e Cầu trên trụ mềm) Trong vùng đất lún dưới một đầu của một nhịp cần thiết phải đặt gối cố định (mỗi nhịp 1 gối cố định 1 di động, hình 5.30e)

Kết cấu nhịp liên tục nhiệt dùng cho vùng động đất nếu thiết kế chỉ dùng gối di động (Hình 5.30c)

Trong hệ dầm mút thừa nối dầm treo với dầm hẫng thì ở cả 2 đầu dầm treo (dầm treo) phải bố trí gối di động Khi có bản liên tục nhiệt phải làm sao cho dưới tác dụng của nhiệt độ cầu vẫn giữ được sơ đồ tĩnh định

Khi đặt kết cấu nhịp trên trụ mềm, trên mỗi trụ đều phải đặt gối cố định và gối di động (Hình 5.31e) Việc sử dụng gối cao su không đòi hỏi biện pháp để trụ tham gia làm việc theo chuyển vị dọc cầu

Gối di động có thể dùng loại gối con lăn, trục lăn, gối cao su Khi chuyển vị lớn có thể dùng gối liên hợp (gối bê tông, gối thép), khi chuyển vị nhỏ dùng gối tiếp tuyến Ưu việt hơn

cả là dùng gối cao su Không cho phép gối đầu dầm lên lớp đệm các tông Dùng gối tiếp tuyến làm gối cố định thì phải xét đến gối chịu lực ngang phát sinh trong liên kết cấu nhịp

5.6.2 Kết cấu bản nối liên tục nhiệt:

Tuỳ thuộc vào kết cấu nhịp, việc nối

thành kết cấu nhịp liên tục nhiệt có thể có

những phương pháp khác nhau Đối với

dầm cứng nối ở trên toàn bộ bản mặt cầu

(Hình 5.32) hoặc trên phần bản nhưng chỉ

ở khu vực của mối nối ướt dọc cầu Đối với

dầm bản dùng bản nối, hoặc theo

mối nối then dọc và một phần chiều dày

của bản

Nối theo bản mặt cầu hoặc một phần

chiều dày của bản đảm bảo điều kiện xe

chạy tốt nhất và sự vững chắc của kết cấu,

chúng được coi là dạng cơ bản của mối nối

trong kết cấu nhịp liên tục nhiệt

Trong mọi trường hợp ngoài chỗ nối

theo mối nối ướt dọc, các bản nối của các

kết cấu nhịp kề nhau (bản cánh phần xe

chạy, lớp đệm và san bằng, lớp phủ bê tông

xi măng) phải cách ly với kết cấu nằm phía

dưới Chiều dài đoạn cách ly này được xác

định bằng tính toán Tốt nhất chiều dài đó

lớn hơn hoặc bằng khoảng cách giữa hai

gối ở hai đầu kết cấu nhịp kề nhau

Đối với kết cấu nhịp lắp ghép được

nối theo bản mặt cầu thì khi chế tạo dầm

đầu bản cánh phải để cốt thép chờ nằm

ngang chiều dài phần bản cánh để chừa lại

bằng a/2 +15d; a=Ln- Ld (Ld - khoảng cách

2 đầu dầm; d đường kính cốt thép), tại đây

không bố trí thép thò từ dầm lên để liên kết

với bản

Khi khoảng cách giữa 2 đầu dầm kề nhau tương đối lớn người ta dùng sơ đồ (Hình 5.32e, g) Tốt nhất vẫn dùng dầm có phần bản cánh để chừa lại (như phần trên) Cho phép nối tựa lên xà ngang đầu trụ thông qua bản đệm đàn hồi có chiều dày không nhỏ hơn 0,5cm không

kể trường hợp dầm đặt trên gối cao su

Việc nối một phần chiều dày của bản thực hiện tương tự như nối bản mặt cầu (bản cánh dầm)

Nối theo mối nối ướt dọc áp dụng ở kết cấu nhịp có chiều rộng mối nối không nhỏ hơn 30cm (Hình 5.33), phần 1 (gạch chéo) là phạm vi bản nối ướt, phần 2 phạm vi cốt thép tính toán Để lớp áo mặt cầu phủ liên tục qua khoảng hở giữa hai đầu dầm kề nhau phải đặt ván gỗ (hoặc các tấm xốp) bịt kín Trường hợp nối kết cấu nhịp theo mối nối ướt dọc mà đầu trụ có xà ngang mặt cắt chữ T thì phần bản mặt cầu nằm trên xà ngang được đổ bê tông đồng thời với mối nối ướt dọc và toàn bộ mặt phẳng của bản tựa lên lớp đệm đàn hồi, để không làm cản trở

Hình 5.32 – Sơ đồ nối theo bản mặt cầu

(a dầm chưa đổ bản cánh; b Nối khi trụ có dạng bình thường; c,d Nối khi trụ hình chữ T;

e Nối khi tì lên xà ngang; g Khi xà ngang cao bằng dầm; Ln chiều dài bản nối; hn chiều cao bản nối; 1 Thép chờ; 2 Lớp đệm đàn hồi)

chuyển vị dọc Cách nối này áp dụng cho chiều dài liên không lớn hơn 50m và gối đỡ có dạng bất kỳ không kể khi dùng gối cao su

Hình 5.33 – Bản liên tục nhiệt nối ở mối nối ướt

Ở cầu xiên sơ đồ nối cũng giống như cầu thẳng, dầm xiên được thiết kế đặc biệt có phần cánh chừa lại hoặc dùng dầm xiên định hình Khi dùng dầm định hình thì cần cắt bỏ cốt thép thò từ cuống dầm trong phạm vi bản nối tới mức mép dưới bản cánh và đổ bê tông xong cuống dầm trước Khi đó không cần đặt dầm ngang đầu dầm đã được xét trong thiết kế định hình dầm xiên Ở cầu dầm xiên cũng có thể nối theo mối nối ướt dọc

5.7 Kết cấu nhịp bán liên tục:

Thông thường kết cấu nhịp được chế tạo thành từng nhịp (phân khối theo chiều dọc) và được lắp đặt vào vị trí thiết kế Tiến hành nối các kết cấu nhịp theo phương dọc bằng cốt thép ƯST hoặc cốt thép thường Tại trụ kết cấu nhịp có thể đặt trên một gối hoặc vẫn đặt trên hai gối như trong dầm giản đơn

Đặc điểm làm việc: Trước khi mối nối đạt cường độ kết cấu nhịp làm việc theo sơ đồ dầm giản đơn Sau khi mối nối dọc đạt cường độ kết cấu nhịp làm việc theo sơ đồ dầm liên tục Tuỳ theo trình tự thi công mà trọng lượng bản mặt cầu do kết cấu giản đơn chịu hay kết cấu liên tục chịu

Trường hợp nối liên tục sau (Hình 5.34):

 Dầm đúc sẵn chịu trọng lượng của bản thân dầm đúc sẵn, trọng lượng phần bản mặt cầu và dầm ngang

 Khi bê tông bản mặt cầu và phần nối đạt cường độ tiến hành thi công lớp phủ, lan can các tải trọng này cũng như hoạt tải do dầm liên tục tiết diện liên hợp chịu

Hình 5.34 – Trình tự nối liên tục sau khi lắp dầm

Trường hợp nối liên tục trước (Hình 5.35)

 Kết cấu nhịp giản đơn đúc sẵn chịu trọng lượng của bản thân nó, tiết diện làm việc

là tiết diện của dầm lắp ghép

 Sau khi bê tông nối dầm đạt cường độ, kết cấu nhịp liên tục chịu trọng lượng phầnbản mặt cầu và dầm ngang, tiết diện làm việc là tiết diện của dầm lắp ghép

 Lớp phủ, lan can các tải trọng này cũng như hoạt tải do dầm liên tục tiết diện liên hợp chịu

Hình 5.35 – Nối liên tục trước

Các dầm bán liên tục có thể là lắp ghép hoặc bán lắp ghép, trên hình Hình 5.36 thể hiện các phương án nối liên tục bằng cốt thép thường hoăc thép ứng suất trước

Hình 5.36 – Cấu tạo mối nối trên trụ của dầm bán liên tục

a Bản liên tục nhiệt; b, , f Mối nối liên tục dầm

1 Cấu kiện nối; 2 BT đổ tại chỗ; 3 Lớp đàn hồi; 4 Cốt thép; 5 Mối hàn; 6 Mối hàn cốt thép bẻ cong; 7 Dầm ngang đổ tại chỗ trên trụ; 8 Cốt thép ƯST; 9 Dầm ngang thép; 10

BT biên dưới; 11 Phần trụ

* Tài liệu tham khảo:

[1] Tiêu chuẩn Quốc gia TCVN 11823-2017 “Thiết kế cầu đường bộ”

[2] AASHTO LRFD Bridge design specifications, seventh edition, 2014 U.S Customary Units

[3] GS.TS Lê Đình Tâm, Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô, tập 1, Nhà xuất bản xây dựng, 2009

* Câu hỏi ôn tập:

Câu 1:Trình bày những ưu, nhược điểm của cầu bê tông cốt thép và cách khắc phục các nhược điểm?

Câu 2: Tại sao phải đặt ống thoát nước mặt cho cầu bê tông cốt thép, cách đặt và các dạng cấu tạo của ống thoát nước?

Câu 3: Những vấn đề chung của kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép thường, nguyên tắc

thiết kế và cấu tạo các dạng mặt cắt ngang?

Câu 4: Cấu tạo chung về kết cấu nhịp giản đơn cầu bê tông cốt thép thường toàn khối và

lắp ghép, cách thể hiện bản vẽ cấu tạo tổng thể kết cấu nhịp trong hồ sơ thiết kế?

Câu 5: Trình bày tác dụng nguyên tắc đặt các loại cốt thép trong dầm cầu bê tông cốt

thép thường?

Câu 6: Những nhược điểm cơ bản về khả năng chống nứt của bê tông cốt thép thường và

thực chất của bê tông cốt thép dự ứng lực Tại sao trong dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lựcphải đặt cốt thép cường độ cao theo đường thẳng và cong?

Câu 7: Trình bày phương pháp chế tạo, ưu nhược điểm của dầm cầu bê tông cốt thép dự

ứng lực kéo trước?

Câu 8: Trình bày phương pháp chế tạo, ưu nhược điểm của dầm cầu bê tông cốt thép dự

ứng lực kéo sau?

Câu 9: Trình bày phạm vi sử dụng của các các loại cốt thép cường độ cao dùng trong

dầm cầu bê tông cốt thép dự ứng lực?

Câu 10: Trình bày cấu tạo, phạm vi sử dụng của các loại neo dùng trong dầm cầu bê tông

cốt thép dự ứng lực?

CHƯƠNG 6 THIẾT KẾ, TÍNH TOÁN CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP

* Mục tiêu:

- Nhớ được các phương pháp sử dung trong tính toán thiết kế cầu

- Hiểu, vận dụng, phân tích tính toán thiết kế hạng mục bản mặt cầu

- Hiểu, vận dụng, phân tích tính toán thiết kế dầm chủ bê tông cốt thép dự ứng lực

- Tổng hợp, đánh giá chất lượng kết quả tính toán thiết kế cầu dầm BTCT dự ứng lực

- Vận dụng được tiêu chuẩn quốc gia thiết kế cầu đường bộ TCVN11823-2017

* Nội dung:

6.1 Khái niệm chung:

Kết cấu nhịp là một hệ không gian phức tạp tính toán chính xác nội lực các bộ phận của cầu là một việc khó khăn Phần lớn các phương pháp tính đều dựa trên các giả thiết của môn Sức bền vật liệu và môn Cơ học kết cấu Tính toán thiết kế cầu dầm bê tông cốt thép là nhiệm

vụ xác định nội lực trong kết cấu do các nguyên nhân bên ngoài như tĩnh tải, hoạt tải, động đất, và các nguyên nhân bên trong như co ngót, từ biến, theo một phương pháp tính gần đúng nhất để từ đó thiết kế kích thước hình học kết cấu đủ để chịu được nội lực đó

Các phương pháp phân tích kết cấu được chấp nhận trong Tiêu chuẩn quốc gia TCVN11823-2017 dựa trên bộ tiêu chuẩn thiết kế cầu của AASHTO LRFD ban hành năm

2014 Trong tính toán thiết kế cầu dầm bê tông cốt thép người ta thường thấy hai nhóm phương pháp tính phổ biến:

- Nhóm 1: Các phương pháp chính xác cao (sử dụng PTHH):

Theo phương pháp này, ta giả thiết xem kết cấu nhịp cầu là tập hợp các phần tử hữu hạn (PTHH) có thể là các phần tử thanh, phần tử tấm, … đươc liên kết với nhau tại các nút hoặc đường biên phần tử Dựa vào điều kiện cân bằng, liên tục tại liên kết giữa các phần tử sau đó thiết lập các phương trình chính tắc để tìm các ẩn số là các chuyển vị hoặc nội lực trong hệ Hiện nay có nhiều phần mềm thương mại như SAP2000, MIDAS, RM, … đã ứng dụng phương pháp PTHH để tính toán nội lực các kết cấu cầu cho kết quả có độ chính xác cao Tuy nhiên, mức độ chính xác còn phụ thuộc vào cách mô hình hóa kết cấu, sai khác về đặc trưng hình học và đặc tính vật liệu của các phần tử so với thực tế, …

Hoặc để đơn giản hơn có thể mô hình hóa kết cấu là một hệ thanh có cùng cao độ đặt trên các gối cầu Bản mặt cầu một cách gần đúng được coi như là một phần của tiết diện dầm dọc

và dầm ngang Cách mô hình hóa kết cấu này phù hợp với kết cấu cầu dầm, giàn, khung, gần đúng đối với một số loại cầu bản rỗng, và không chính xác đối với cầu bản đặc (dạng tấm)

- Nhóm 2: Các phương pháp tính gần đúng (quy về bài toán đơn giản hơn):

Theo phương pháp này việc phân tích kết cấu nhịp không gian có thể được đơn giản hóa thành việc phân tích kết cấu của một dầm đơn lẻ bằng cách đưa vào sử dụng khái niệm về “Hệ

số phân bố ngang” Các bộ phận trong công trình cầu được phân tích độc lập để tính toán theo

các hệ số ảnh hưởng Phương pháp này đơn giản và hiệu quả cao đối với cầu dầm đơn giản nên được sử dụng phổ biến

Tùy theo độ lớn của công trình, yêu cầu độ chính xác trong tính toán mà kỹ sư lựa chọn phương pháp tính toán thích hợp đảm bảo tiết kiệm về mặt thời gian và kinh phí nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết phục vụ thiết kế

6.2 Tính toán thiết kế bản mặt cầu bê tông cốt thép:

6.2.1 Xác định kích thước bản mặt cầu:

6.2.1.1 Các kích thước cơ bản:

a Chiều rộng bản mặt cầu:

Mặt cầu gồm: mặt đường xe chạy, có chiều rộng phụ thuộc vào số làn xe thiết kế, mỗi làn

có chiều rộng B = 3600mm Thông thường, tùy theo yêu cầu giao thông, có thể thiết kế cầu có một, hai, ba hay nhiều làn xe

 B = 4000mm: cho cầu một làn xe;

 B=6000, 7000, 8000, 9000mm: cho cầu hai làn xe;

 B=10500mm cho cầu ba làn xe

Trừ các trường hợp đặc biệt, do yêu cầu sử dụng, chủ đầu tư có thể quyết định các khổ cầu thích hợp

Ngoài ra còn có chiều rộng của đường xe thô sơ và đường người đi Đường người đi có chiều rộng mỗi làn là 750mm Đối với cầu có nhiều làn xe, đôi khi còn phải thiết kế dải phân cách trên cầu

b Chiều dày bản mặt cầu:

Chiều dày bản mặt cầu bê tông, không kể lớp hao mòn, không được nhỏ hơn 175mm Ngoài ra, chiều dày bản theo điều kiện chịu lực thường lấy theo bảng 2 mục 5.2.6.3 phần 2 TCVN 11823-2017

Mặt cầu bê tông cốt thép có thể là mặt cầu trần trong đó bánh xe chạy trực tiếp trên mặt

bê tông, khi đó bên trên mặt cầu cần có một lớp chống hao mòn 10-15mm, và để dự phòng cho việc sửa chữa cầu trong tương lai, thường phủ một lớp bê tông nhựa dày 75mm Các lớp chống hao mòn và bê tông phủ không được tính tham gia làm việc cùng bản mặt cầu

Hiện nay, trong các cầu mới xây dựng, mặt cầu thường gồm các lớp sau:

 Bản bê tông chịu lực;

 Lớp tạo phẳng dày 10-20mm, nếu mặt cầu đúc tại chỗ thì có thể bỏ qua lớp này;

 Lớp phòng nước dày 20-30mm;

 Trên cùng là lớp phủ bê tông nhựa dày từ 50-70mm

Để tránh sự làm việc bất lợi của các dải bản biên, các mép của bản mặt cầu phải được tăng cường hoặc đỡ dưới bằng một dầm hoặc kết cấu tương tự Dầm đỡ cần được hợp nhất hoặc liên hợp với bản mặt cầu Ví dụ trong các cầu dầm tiết diện I, T hoặc dầm tiết diện hộp có bản mặt cầu chủ yếu làm việc theo phương ngang thì nhất thiết phải có các dầm ngang đầu dầm

Dầm ngang đầu dầm vừa có tác dụng tạo độ cứng ngang cho toàn cầu vừa có tác dụng đỡ dải bản biên mặt cầu

6.2.1.2 Thoát nước mặt cầu:

Mặt cầu phải có độ dốc dọc và ngang để thoát nước Độ dốc dọc thường thiết kế theo trắc dọc tuyến đường, độ dốc ngang là 2,0%, bố trí dốc sang hai bên lề đường Với các cầu rộng, mỗi hướng trên 3 làn xe, có thể thiết kế các biện pháp tạo dốc thích hợp để không tăng nhiều khối lượng lớp đệm mặt cầu Ví dụ đối với cầu đúc tại chỗ thì nên cấu tạo bản mặt cầu có độ dốc ngang, đối với cầu đúc sẵn, lắp ghép thì cần thay đổi chiều cao các gối kê để tạo độ dốc mặt cầu Nước được thoát ra ngoài cầu, không để làm ướt dầm cầu Rãnh thoát nước có khả năng thoát toàn bộ lượng nước thu gom trên cầu

Diện tích tối thiểu của ống thoát nước tính theo tiêu chuẩn 1cm2 diện tích ống, thoát nước cho 1m2 mặt cầu

Khoảng cách tối đa giữa các ống thoát nước theo phương dọc cầu không quá 15m Đường kính có hiệu của ống thoát nước không nhỏ hơn 100mm

Ống thoát nước phải được thiết kế và lắp đặt sao cho nước từ mặt cầu hoặc mặt đường thoát ra xa kết cấu phần trên và phần dưới

 Ít nhất ống thoát nước phải nhô ra khỏi bộ phận thấp nhất của kết cấu phần trên 100mm

 Ở nơi có thể thì được phép cho nước thoát tự do qua cửa thoát nước trên đường người đi

 Dùng các cút nối không lớn hơn 450

Ngoài độ dốc dọc và ngang nhằm thoát nhanh nước trên mặt cầu, trên mặt bản bê tông còn làm một tấm cách nước nhằm ngăn chặn nước thẩm thấu vào bê tông Các tấm cách nước thông dụng có cấu tạo như sau:

 Loại 1: Dùng một tấm cách nước bằng chất dẻo dày từ 2-4mm dán lên mặt cầu bằng phẳng đã tạo dốc trước khi phủ lớp bê tông nhựa mặt cầu

 Loại 2: Dùng hỗn hợp pôlime dạng nước tưới lên mặt bản bê tông, nước bốc hơi

và để lại trên bản mặt cầu lớp cách nước có dính bám tốt với bản mặt cầu và lớp phủ bê tông nhựa

6.2.2 Tính toán nội lực bản mặt cầu:

- Phương pháp gần đúng (áp dụng phổ biến): Gọi là phương pháp dải bản tương đương

 Áp dụng cho bản mặt cầu đúc tại chỗ và đúc liền khối

 Tách xét ứng lực 1m bề rộng bản

 Các cấu kiện kê đỡ được giả thiết là tuyệt đối cứng

- Phương pháp kinh nghiệm: không cần tính toán

Mô hình và sơ đồ tính toán theo phương pháp gần đúng như trên hình 6.1 và 6.2 dưới đây:

Hình 6.1 – Dải bản tính toán thiết kế

a Dải bản lý tưởng hóa; b Tiết diện ngang chịu tải; c Mô hình dầm cứng

tuyệt đối; d Biến dạng do các dầm chủ võng

Hình 6.2 Các sơ đồ tính toán bản mặt cầu

(dầm hẫng, dầm ngàm hai đầu và dầm liên tục mút thừa)

6.2.2.3 Tải trọng tác dụng:

a Tĩnh tải:

- Trọng lượng bản thân: DC (hệ số tải trọng  = 1,25; 0,9 )

- Trọng lượng các lớp mặt cầu, lan can, tay vịn: DW (hệ số tải trọng  = 1,5; 0,65)

Có thể lấy trọng lượng riêng trung bình của các lớp mặt cầu: ρ=1,8-1,9(T/m3)

Khi chịu tĩnh tải, có thể cắt một dải bản có bề rộng bản mặt cầu bằng một đơn vị chiều dài để tính, thông thường chọn dải bản rộng 1m

b Hoạt tải:

- Khi bản làm việc theo phương ngang có nhịp ≤ 4600mm  dải bản ngang được thiết kế theo bánh xe của trục xe tải thiết kế 145KN

- Khi bản làm việc theo phương ngang có nhịp > 4600mm  dải bản ngang được thiết

kế theo bánh xe của trục xe tải thiết kế 145KN và tải trọng làn

- Không xét lực li tâm, lực hãm khi tính bản mặt cầu

- Với phần bản hẫng, nếu L ≤ 1800mm, hàng bánh xe ngoài có thể thay bằng 1 tải trọng phân bố đều có cường độ 14,6N/mm đặt cách mặt cột lan can hoặc gờ chắn bánh 300mm

- Khi bản làm việc theo phương dọc  thiết kế với mọi tải trọng quy định trong Tiêu chuẩn, kể cả tải trọng làn

* Sự phân bố tải trọng bánh xe lên bản mặt cầu được xét như sau:

Hình 6.3 Diện tích tiếp xúc và truyền lực của bánh xe lên mặt cầu

Diện tích tiếp xúc của lốp xe của một bánh xe có một hoặc hai lốp được giả thiết là một hình chữ nhật có chiều rộng là b = 510mm và có chiều dài l = 250mm (mục 6.1.2.5, phần 3)

* Chiều rộng làm việc của dải bản: (mục 6.2.1.3, phần 4)

Hình 6.4 Bề rộng của dải bản tương đương

Khi chịu hoạt tải, chiều rộng làm việc của dải bản tương ứng với một dãy bánh xe của bản mặt cầu như sau:

ll+h

 Mô men dương: E+ = 660 + 0,55S (mm)

 Mô men âm : E- = 1220 + 0,25S (mm)

- Nội lực được xác định trên 1m chiều rộng bản

- Bản mặt cầu có thể phân tích như mô hình dầm liên tục hai đầu hẫng kê trên các gối cứng là các dầm chủ

- Nội lực được xác định bằng phương pháp đường ảnh hưởng, đường ảnh hưởng dầm liên tục mút thừa có thể xác định chính xác bằng phần mềm Sap2000 hoặc gần đúng theo phương pháp hệ số tỷ lệ của GS.TS Lê Đình Tâm (chi tiết xem Phụ lục 1)

b Sơ đồ tính:

Hình 6.7 – Sơ đồ tính bản giữa hai dầm chủ

c Các bước tính toán:

- Xác định tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu, gồm:

 Tĩnh tải giai đoạn 1: DC1hẫng là trọng lượng bản mặt cầu phần hẫng; DC1trong là tải trọng bản mặt cầu phần giữa hai dầm biên DC2 là trọng lượng lan can, giải phân cách nếu có

 Tĩnh tải giai đoạn 2: DW là trọng lượng các lớp phủ mặt cầu

 Hoạt tải: HL93 của xe tải thiết kế và PL tải trọng người đi 3kN/m2 nếu có

- Vẽ được ảnh hưởng nội lực mômen tại các mặt cắt M200, M204, M205, và M300: chi tiết xem phụ lục 1

- Tính nội lực mômen bằng cách xếp tải lên các đường ảnh hưởng như sau:

c.1 Xác định mômen bản hẫng tại mặt cắt M200:

 Do tĩnh tải giai đoạn 1: