Chương 6 : CẦU DẦM VÀ KHUNG LIÊN pdf

Nếu thay cho việc dùng hệ thống hai nhịp dầm giản đơn, mà dùng hệ thống dầm liên tục hai nhịp như hình 6.1 thì biểu đồ mômen có một đoạn mang dấu âm ở gần gối giữa, ngoài ra các trị số t

Chương 6 : CẦU DẦM VÀ KHUNG LIÊN

TỤC

6.1 Các sơ đồ tĩnh học của cầu dầm liên tục :

Trong các dầm giản đơn, biểu đồ mômen do tải trọng thẳng đứng chỉ có một dấu dương Nếu thay cho việc dùng hệ thống hai nhịp dầm giản đơn, mà dùng hệ thống dầm liên tục hai nhịp như hình 6.1 thì biểu đồ mômen có một đoạn mang dấu âm ở gần gối giữa, ngoài ra các trị số tung độ dương lớn nhất của hình bao mômen cũng giảm đi

Do đó, có thể làm kết cấu nhịp dầm liên tục với chiều cao thấp hơn, ít cốt thép hơn, nghĩa là tiết kiệm vật liệu hơn

so với phương án hệ thống dầm giản đơn nhiều nhịp

Trong hệ thống dầm liên tục, trên mỗi trụ chỉ cần đặt một gối di động hoặc một gối cố định nên trụ cầu có thể làm nhỏ hơn, tiết kiệm vật liệu hơn

Hình 6.1 So sánh các sơ đồ của hệ thống dầm giản đơn, hệ dầm liên tục,

hệ dầm hẫng hai đầu, hệ dầm hẫng có dầm đeo, hệ khung T- dầm đeo

a, b) Hệ thống hai nhịp; c, d, e, g, h, i, k) Hệ thống ba nhịp

Áp lực gối thẳng đứng từ kết cấu nhịp dầm liên tục truyền xuống trụ hầu như đúng tâm hoặc nén lệch tâm ít và gây ra ứng suất nén phân bố gần như đều trong mặt cắt thân trụ và đáy móng trụ Đây là ưu điểm so với hệ thống dầm giản đơn nhiều nhịp.

Tuy nhiên, trong hệ thống dầm liên tục thì lực hãm

xe do hai nhịp liên tục truyền lên một gối cố định đặt ở mố hoặc ở trụ sẽ lớn hơn lực hãm trong phương án hệ thống hai nhịp dầm giản đơn Như vậy riêng trụ hoặc mố đó sẽ tốn vật liệu hơn

Ngoài ra, tính chất liên tục của bề mặt xe chạy trên các nhịp dầm liên tục cũng đảm bảo tốt cho xe chạy êm thuận với tốc độ cao qua cầu vì trắc dọc trên cầu sẽ là một đường cong đều đặn, không có điểm gẫy góc

Độ võng của dầm liên tục nhỏ hơn so với độ võng của dầm giản đơn cùng khẩu độ

Nhìn chung, việc áp dụng hệ thống dầm liên tục là hợp lý ngay cả khi chiều dài mỗi nhịp chỉ là 12÷ 15m

Qua thực tế khai thác cầu này tỏ ra làm việc tốt

Trước kia, thường xây dựng các cầu dầm liên tục chỉ có 2÷ 3 nhịp Gần đây, để nâng cao chất lượng khai thác cầu và nhờ các tiến bộ công nghệ, đã xây dựng các dầm liên tục có nhiều nhịp hơn Khi chiều dài kết cấu nhịp liên tục càng dài thì các chuyển vị dọc do nhiệt độ thay đổi càng lớn và đòi hỏi phải làm các khe biến dạng có cấu tạo phức tạp hơn ở các đầu kết cấu nhịp Ngoài ra, các lực hãm, truyền lên gối cố định sẽ càng lớn và càng ảnh hưởng nhiều hơn đến việc thiết kế mố trụ cầu đó

Khi điều kiện không khống chế vị trí đặt mố trụ thì việc chọn chiều dài các nhịp dầm liên tục nên được thực hiện sao cho mômen uốn ở giữa các nhịp gần bằng nhau Các đoạn kết cấu có thể có mặt cắt ngang giống nhau, cách đặt cốt thép giống nhau, thuận tiện cho việc thi công đúc các đốt kết cấu nhịp Tỷ số chiều dài các nhịp biên so với nhịp giữa nên là 0,8 đối với dầm liên tục ba nhịp, và nên là 0,7 đối với dầm liên tục nhiều nhịp hơn

Hệ thống dầm liên tục là hệ kết cấu siêu tĩnh Số bậc siêu tĩnh của nó bằng số mố trụ trừ đi 2 Khi các mố trụ lún không đều thì trong dầm liên tục xuất hiện các ứng lực phụ bất lợi Do đó loại cầu dầm liên tục nên dùng ở nơi có địa chất tốt, móng, mố trụ cầu nên đặt trên nền đất không lún hoặc bệ cọc cứng.

Trong xây dựng cầu hiện nay đang áp dụng rộng rãi và linh hoạt nhiều phương pháp đúc bêtông tại chỗ hoặc lắp ghép để thi công các kết cấu nhịp cầu dầm liên tục, cầu dầm hẫng, cầu khung bằng BTCT mà chủ yếu là BTCT DƯL có cốt thép được kéo căng trên bêtông

Các cầu dầm giản đơn có sơ đồ nội lực không thay đổi hoặc chỉ thay đổi chút ít từ giai đoạn thi công đến giai đoạn khai thác cầu Ngược lại, các cầu dầm liên tục, cầu dầm hẫng và cầu khung thường có sơ đồ nội lực thay đổi liên tiếp trong quá trình thi công cho đến lúc thi công xong và bắt đầu thông xe qua cầu, cấu tạo mặt cắt ngang và cách bố trí cốt thép chủ chịu lực (cốt thép DƯL) luôn phụ thuộc vào 5 phương pháp thi công chủ yếu sau :

1 Đặt vào nhịp các khối dầm hay khối bản chế sẵn dài

L ≤ 33m Sau đó thi công mối nối kết cấu nhịp bên

trên trụ để biến hệ dầm giản đơn thành hệ dầm liên tục Phương pháp này cũng thường áp dụng khi lắp ghép các kết cấu nhịp thuộc hệ liên tục - nhiệt độ

2 Lắp ghép hoặc đổ bêtông tại chỗ kết cấu nhịp liên tục từ những phân đoạn sao cho có đủ chiều dài tổng cộng

24÷ 63 m trên các đà giáo tháo lắp được hoặc trên đà

giáo di động vạn năng

3 Lao - đẩy dọc hoặc đúc - đẩy dọc kết cấu nhịp dầm liên tục gồm nhiều phân đoạn nối tiếp nhau nhô dần ra từ đường đầu cầu vươn đến các trụ và mố phía trước

4 Lắp hẫng hoặc đúc bêtông hẫng các kết cấu nhịp dầm

liên tục, dầm hẫng hay cầu khung với các nhịp L ≥ 42 m

5 Chở nổi các phần kết cấu nhịp có kích thước rất lớn trên các trụ nổi từ bờ ra rồi đặt vào vị trí nhịp

Phương pháp này dùng hợp lý cho các nhịp dài L ≥ 84

m, phần chở nổi có trường hợp đã đạt đến 5000 tấn.

6.2 Các dạng mặt cắt ngang cầu dầm và cầu khung :

Sau khi quyết định chọn sơ đồ tĩnh học của cầu và các kích thước cơ bản, người thiết kế cần lựa chọn dạng mặt cắt của kết cấu nhịp và phân chia kết cấu nhịp thành các khối lắp ghép hoặc thành các phân đoạn đúc bêtông

Trị số của mômen âm trên đoạn kết cấu nhịp gần trụ thường lớn hơn nhiều so với trị số của mômen dương ở đoạn giữa nhịp Mômen âm đó gây ra ứng suất kéo ở phần trên của mặt cắt và ứng suất nén ở phần dưới của mặt cắt

Dưới tác dụng của mômen dương, phần chịu nén của mặt cắt bao gồm cả bản mặt cầu xe chạy nên khá rộng,

do đó đủ chịu mômen dương Nhưng trên đoạn gần trụ có mômen âm rất lớn do đó cần phải dùng dạng mặt cắt hình hộp để bản đáy hộp có kích thước đủ chịu nén

Trong các cầu lớn đều phải dùng dạng mặt cắt hình hộp Ưu điểm của dạng này là có độ cứng chống xoắn cao hơn các dạng mặt cắt hở đến vài chục lần Do đó đủ khả năng chịu các lực gây ra bởi hoạt tải đặt lệch tâm ngay cả ở những cầu nhịp lớn và có mặt cầu rộng

Hình 6.2a Ví dụ kích thước mặt cắt ngang hình hộp

Hình 6.2b Ví dụ kích thước mặt cắt ngang hình hộp

Lựa chọn mặt cắt ngang cũng liên quan chặt chẽ với phương pháp thi công Các hệ thống cầu với nhịp

dài cỡ trung bình ( L ≤ 42m ) có thể dùng các dạng mặt cắt chữ T, chữ I, bản chữ nhật tương tự như ở cầu dầm giản đơn Dạng mặt cắt chữ T còn được dùng ở

những nhịp dài hơn nữa khi thi công theo phương pháp có dùng đà giáo di động dỡ bên dưới kết cấu nhịp

Nếu cầu quá rộng hoặc do khả năng hạn chế của phương tiện thi công mà cần thu nhỏ bề rộng của các khối lắp ghép hay của các phân đoạn đúc hẫng, thì có thể làm hai hay ba hộp trong mặt cắt ngang kết cấu nhịp Khi đó thường bố trí mối nối dọc ở đầu mũi các bản hẫng của các hộp đặt cạnh nhau

Hình 6.3 Cấu tạo mặt cắt ngang có nhiều hộp kín

Nếu có điều kiện, có thể làm một hộp rộng với vài thành thẳng đứng ngăn thành nhiều hộp nhỏ (H.6.3) để giảm chiều dài nhịp của bản xe chạy dọc theo hướng ngang cầu Khi đó ứng suất trong bản cũng được phân bố đều hơn

Do trị số mômen rất lớn, đặc biệt là khi thi công đúc hẫng hay lắp hẫng, nên dưới tác dụng của tĩnh tải bản thân kết cấu nhịp thì thường không xuất hiện mômen dương trong các kết cấu nhịp dầm liên tục, khung liên tục Mặt khác ở đoạn gần trụ có lực cắt rất lớn Do đó phải có các biện pháp cấu tạo hợp lý để tăng cường khả năng chịu mômen âm và lực cắt của các đoạn kết cấu nhịp gần các trụ.

\

Có thể tăng cường các mặt cắt gần trụ bằng cách tăng chiều dày thành hộp để vừa đồng thời giảm ứng suất kéo chủ vừa tăng được diện tích vùng bêtông chịu nén Bản đáy hộp cũng được làm dầy lên

Nếu dùng sơ đồ dầm có chiều cao mặt cắt cố định thì việc tăng chiều dày thành hộp và bản đáy hộp lại càng cần thiết Đặc biệt là khi thi công theo phương pháp đúc - đẩy hoặc lắp - đẩy Kết cấu nhịp với chiều cao không đổi có ưu điểm lớn là sử dụng được ván khuôn ngoài định hình chung toàn kết cấu nhịp và có vẻ đẹp kiến trúc riêng

Hình 6.4 Ví dụ cấu tạo mặt cắt ngang cầu thành phố

hệ dầm liên tục và hệ khung

Hình 6.5 Ví dụ cấu tạo mặt cắt ngang cầu thành phố

hệ dầm liên tục và hệ khung

6.3 Sơ đồ tĩnh học của cầu dầm hẫng có nhịp đeo :

6.4 Các sơ đồ tĩnh học của cầu khung :

Chương 7 : GỐI CẦU

7.1 GỐI TIẾP TUYẾN :

Loại gối tiếp tuyến này thích hợp với các cầu dầm

có nhịp L = 12÷ 18m Cấu tạo gối di động và gối cố định

của loại này gần giống nhau, chỉ khác nhau ở chỗ gối cố định có một chốt thẳng đứng ngăn cản chuyển dịch tương đối giữa bản thớt gối trên so với bản thớt gối dưới Bản thớt gối dưới bằng thép thường dày 40÷ 50mm, có mặt

cong lồi ở phía trên được mài nhẵn và bôi trơn bằng graphit (H.7.1)

7.2 GỐI CON LĂN :

Khi nhịp dầm dài hơn 18m nên dùng loại gối di động

có con lăn và loại gối cố định kiểu gối tiếp tuyến Con lăn thép có nhiều kiểu khác nhau, ví dụ loại con lăn đã vẽ

ở hình 7.2 có thể thích hợp với trị số phản lực gối lớn

đến 200tấn và hơn nữa Loại con lăn thép tròn (H.7.2e) có

ưu điểm là chiều cao thấp, có số con lăn tuỳ theo độ lớn của phản lực gối và đường kính con lăn

Hình 7.1

Gối tiếp tuyến bằng thép

a) Gối di động; b) Gối cố định

Hình 7.2 Goái con laên theùp

• Để tiết kiệm thép người ta có thể dùng con lăn BTCT như đã vẽ ở hình 7.3a Nó gồm hai tấm thép ở phía trên và phía dưới với các mặt cong đã được mài nhẵn, giữa hai tấm thép đó là khối BTCT với bêtông mác 400 Cốt thép trong con lăn này được liên kết thành khung không gian đủ khoẻ để chịu ứng lực tập trung rất lớn và được hàn vào tấm thép trên và tấm thép dưới Nhờ vậy mà khối lượng thép giảm được một nửa so với gối con lăn bằng thép cùng loại.

• Các gối con lăn ở hình 7.2 và hình 7.3a thường được

dùng cho nhịp dầm dài L = 20÷ 40m cầu dầm giản đơn

và cho các nhịp dài hơn nữa của cầu dầm hẫng, dầm liên tục

• Ưu điểm chung của loại con lăn bằng BTCT là con lăn

cao nên giảm được khối lượng mố trụ dưới nó đồng thời có thể được dùng cả trong những địa phương hoặc những hoàn cảnh không tiện cung cấp gối thép đúc được Tuy vậy, gối con lăn càng cao, càng dễ mất ổn định vị trí

Hình 7.3a Goái con laên BTCT

Hình 7.3b

7.3 GỐI DI ĐỘNG CÓ CON LĂN BTCT

CHÔN TRONG TRỤ :

• Loại gối hình 7.3b có thể được dùng ở trường hợp cần đảm bảo chuyển vị dọc lớn của các đầu dầm, phản lực gối lớn mà lại cần giảm nhỏ khoảng cách thẳng đứng từ đáy sườn dầm đến mặt đỉnh mố, trụ Do chiều cao lớn của con lăn mà khi nó chỉ quay một góc nhỏ cũng đủ đảm bảo một chuyển vị dọc tự do lớn của đầu dầm Toàn bộ con lăn được chôn trong phần thân trên của trụ Phía trên của khe hở giữa mép phía trên của con lăn và hốc lõm chứa con lăn ở đỉnh trụ được đệm chèn bằng các miếng đệm làm bằng vật liệu có tính đàn hồi tốt và chống thấm tốt Trong lòng bêtông mác 400÷ 500 có các

cốt thép được đặt thành nhiều lưới, với các ô lưới 8×8cm đến 12×12cm và các thanh cốt thép có gờ Chiều rộng

con lăn thường rộng gấp 2÷ 3 lần cạnh rộng nhất của thớt gối thép và chiều cao gấp 1,5÷ 2 lần chiều rộng của nó để đảm bảo chịu lực tốt Chiều dài con lăn đo theo chiều ngang cầu lấy bằng chiều rộng của sườn dầm

• Kiểu gối này không dùng cho dầm giản đơn mà có thể dùng cho dầm liên tục hay dầm hẫng với phản lực gối

đến 600tấn Khi dùng nó thì các gối cố định vẫn dùng

loại gối tiếp tuyến Ngày nay các cầu mới xây dựng không dùng loại gối này

7.4 GỐI CAO SU THÉP :

• Trong nhiều trường hợp người ta đã dùng các loại gối cao su - thép nhiều lớp gồm các tấm cao su dán xen kẽ giữa các tấm thép thành một chồng có chiều dày cần thiết

• Lực nén thẳng đứng mà các tấm cao su phải chịu sẽ được giảm nhiều do ứng suất tiếp xuất hiện ở chỗ tiếp xúc giữa các tấm cao su và các tấm thép và các tấm thép phải chịu thêm lực kéo theo phương ngang ngoài việc phải chịu nén theo phương thẳng đứng Chiều dày một tấm thép khoảng 0,8÷ 2mm, mỗi tấm cao su dày

5÷ 25mm.

Hình 7.4 Vai kiểu gối cao su - thép dùng cho cầu BTCT

a) Gối cao su - thép nhiều lớp; b) Gối BTCT có đệm cao su;

c) Gối cao su trong hộp thép

1- Cao su;

2- Bản thép;

3- Phần BTCT;

4- Vỏ hộp thép;

5- Bản thớt gối thép; 6- Vòng thép bao

• Các loại gối cao su - thép nhiều lớp đều có ưu điểm chịu lực nén thẳng đứng tốt, đảm bảo được cả dãn dọc và dãn ngang tự do của các mép kết cấu nhịp, nên chúng thích hợp với cả cầu xiên và cầu rộng Các gối cao su - thép nhiều lớp đảm bảo cho các đầu dầm có thể chuyển vị góc và chuyển vị thẳng theo bất kỳ hướng nào

• Giá thành của loại gối này không đắt, đồng thời việc thi công lắp ráp đơn giản Nhiều cầu BTCT trên một số tuyến chính ở miền Nam đã dùng gối loại này, còn ở miền Bắc đã nghiên cứu chế tạo và áp dụng trong điều kiện nhiệt đới ẩm Trên hình 7.4 là một ví dụ về gối cao su - thép đơn giản

• Khuyết điểm lớn nhất của loại gối này là nếu chất lượng kém thì chỉ sau vài năm các gối sẽ bị biến dạng bẹp không đều gây ra nội lực phụ trong kết cấu nhịp Khi đó để sửa chữa phải kích các dầm lên rất khó khăn và tốn tiền, dễ gây nứt dầm

• Các cầu lớn hiện đại thường dùng kiểu gối có bản đệm chống ma sát bằng teflon như hình 7.5

A- Gối di động; B- Gối cố định

Hình 7.5 Gối có bản đệm chống ma sát bằng teflon

7.5 ĐẶT GỐI CỦA NHỊP ĐEO :

• Gối của nhịp dầm đeo trong các hệ cầu dầm hẫng - dầm đeo hoặc hệ khung T - dầm đeo thường có cấu tạo giống như các gối của dầm giản đơn Như vậy cấu tạo đầu kết cấu nhịp hẫng cũng như đầu dầm đeo sẽ phức tạp do phải làm khấc như hình 7.6, và phải bố trí nhiều cốt thép chịu lực cắt lớn trong một không gian chật hẹp đầu dầm Tuy vậy kiểu gối này được áp dụng rộng rãi ở nhiều nước

• Tại vị trí đầu hẫng kê dầm đeo thường phải tạo một dầm ngang đủ cứng để thuận tiện cho việc bố trí các gối kê tại đó Trên hình 7.6c,d giới thiệu ví dụ các phương án bố trí cốt thép thường và cốt thép DƯL dọc cầu hoặc có cả cốt thép DƯL ngang cầu Các cốt thép đó phải được đặt phù hợp với quỹ đạo của ứng suất kéo chủ và ứng suất nén chủ ở khu vực đầu hẫng như đã vẽ trên hình 7.6a,b

Trước đây trên một số cầu khung T - dầm đeo như

cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương đã áp dụng kiểu gối quang treo như hình 7.6 Sự cố sụp đổ cầu Rào năm

1984, đã lộ rõ nhiều nhược điểm, độ an toàn chịu xoắn rất kém, xuất hiện nhiều vết nứt quanh vị trí gối của cả dầm đeo và cả đầu nhịp hẫng Do đó không nên dùng kiểu gối này

1- Dầm hẫng; 2- Nhịp đeo; 3- Bản thép chôn sẵn trong bêtông; 4- Chốt thép

5- Quang treo; 6- Chốt giữ (chỉ có ở gối cố định); 7- Đường hàn (chỉ có ở gối cố định).

Hình 7.6 Cấu tạo gối quang treo