Bài giảng Thiết kế cầu bê tông cốt thép 1

LƯƠNG MINH CHÍNH Các trạng thái giới hạn Đặt vấn đề Trong các bài toán nghiên cứu trước đây, việc tính toán độ bền của một kết cấu căn cứ vào việc coi ứng suất lớn nhất do tải trọng tác

Trang 1

© BỘ MÔN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG – TS LƯƠNG MINH CHÍNH

Bài giảng

THIẾT KẾ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1

1959

Hà Nội - 2020

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Công trình – Bộ môn CTGT

Môn học: THIẾT KẾ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1

Giảng viên: TS Lương Minh Chính Email: chinhlm@tlu.edu.vn

Mobile: 0948.060.950

Trang 2

2020 © BỘ MÔN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG – TS LƯƠNG MINH CHÍNH

MỘ SỐ LƯU Ý VỀ TẢI TRỌNG VA TÀU VÀ ĐỘNG ĐẤT

1 Tải trọng: Các tải trọng sau đây cần phải xét tới trong thiết kế

Tải trọng thường xuyên

Trang 3

Các trạng thái giới hạn Đặt vấn đề

Trong các bài toán nghiên cứu trước đây, việc tính toán độ bền của một kết cấu căn cứ vào việc coi ứng suất lớn nhất do tải trọng tác dụng phải nhỏ hơn giá trị ứng suất cho phép của vật liệu (tính toán theo ứng suất cho phép)

VD : bài toán kéo thuần túy :

σmax≤ σ0/n

- σmax: ứng suất lớn nhất xuất hiện trong kết cấu

- σ0 : ứng suất cho phép (sức kháng của vật liệu)

- n : hệ số an toàn Tuy nhiên trong thực tế, tải trọng tác dụng σmaxlà một tổ hợp của các tác dụng khác nhau, và bản thân các tải trọng tác dụng đó cũng có sự thay đổi Việc chỉ đưa vào 1 hệ số an toàn «n» liên quan đến cường độ của vật liệu, chưa đánh giá hết đc mức độ thay đổi của các loại tải trọng Thiết kế theo ứng suất cho phép có nhược điểm: mức độ thay đổi của các loại tải trọng không được xem xét

TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP

Trang 4

trọng

➢ Đánh giá độ an toàn liên quan đến xác suất phá hoại

Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn ra đời: để xét tới sự thay đổi ở cả tải trọng và cường độ của vật liệu, cường độ VL sẽ

đc nhân với một hệ số nhỏ hơn 1, và tải trọng sẽ đc nhân với một

Trang 5

10

Bảng tổ hợp tải trọng trong khai thác theo 22 TCN 272 - 05

Tổ hợp tải trọng

Trạng thái giới hạn

DC DD DW EH EV ES

LL IM CE BR PL

TU CR

Cùng một lúc chỉ sử dụng 1 tải trọng

-Hệ số TG: Gradien nhiệt = 0 khi tính với các tổ hợp đặc biệt

= 1.0 với THGH sử dụng khi trên cầu không có xe

= 0.5 với THGH sử dụng khác khi trên cầu có xe Trong mọi trường hợp THGH cường độ TG, SE cần ghi trong hồ sơ

TỔ HỢP TẢI TRỌNG

Trang 6

võng quá mức, hay rung động quá lớn…)

Các trạng thái giới hạn được áp dụng cho mọi giai đoạn trong thời gian phục vụ của cầu.

➢ trạng thái giới hạn sử dụng,

➢ trạng thái giới hạn mỏi,

➢ trạng thái giới hạn cường độ

➢ trạng thái giới hạn đặc biệt.

Điều kiện chung cho mỗi trạng thái giới hạn:

Trang 7

tiêu chuẩn không xét tới gió.

2 Trạng thái giới hạn cường độ II: Tổ hợp tải trọng liên quan tới sử dụng cầu không có xe trên cầu xét tới gió có vận tốc v> 90 km/h (25 m/s).

3 Trạng thái giới hạn cường độ III: Tổ hợp tải trọng liên quan tới sử dụng cầu

có xe trên cầu xét tới gió có vận tốc v< 90 km/h (25 m/s).

4 Trạng thái giới hạn đặc biệt: Liên quan đến động đất, va tàu, va xe (chỉ xét tới một phần hoạt tải trên cầu)

ổn định mái dốc hệ số kháng cho ổn định ví dụ như trượt sâu lấy bằng 0.85 khi các thông số được xác định chuẩn xác, đối với các trường hợp khác

Trang 8

➢ Do đó, khi tính toán cần phải xét đến mọi khả năng xuất hiện các tải trọng có thể gây nguy hiểm cho công trình.

Tải trọng thường xuyên bao gồm : trọng lượng bản thân kết cấu, áp lực do áp lực đất, áp lực tĩnh của nước, tác động của ứng suất trước, co ngót của bê tông, lún của nền đất.

Trang 9

Theo TCVN 272-05:

Áp lực ngang của đất (EH)

-chủ động

-bị động

1,51,35

0,90,9

K áp dụng1,00,90,90,90,9

Bảng: Hệ số tải trọng cho tĩnh tải

Trang 10

Xét đến sự xuất hiện của các xe khác cùng xuất hiện trên cầu

20

MỘT SỐ LƯU Ý VỀ HOẠT TẢI

Trang 11

trọng làn lấy bằng 90%.

2 Các trục bánh không gây bất lợi bỏ qua.

3 Chất tải tính bản mặt cầu: tim trục bánh cách mép đá vỉa min 300 mm, khi tính các kết cấu khác 600 mm.

4 Đối với cách cánh hẫng nhỏ hơn 1800 mm tính từ tim dầm biên tới mép gở bó vỉa chỉ cần đặt tải trọng dải đều tương đương 14.6 kN/m và cách mép gờ bó vỉa

Trang 12

xo sinh ra những chấn động tuần hoàn

Do đó tải trọng hoạt tải phải được tăng thêm một tỷ lệ phần trăm được quy định trong bảng dưới đây cho lực xung kích.

Bảng hệ số xung kích

Trang 13

3 Tải trọng gió tác động nên công trình:

Pd= 0.0006 V2 At Cd ≥ 1.8 At (kN) – Cd theo thí nghiệm nếu không có lấy theo 3.8.2 – Tiêu chuẩn.

Trang 14

➢ S=1.2 đất có bề dày < 60 m nằm trên nền đá, sỏi hoặc sét cứng – nền ổn định

➢ S=1.5 đất có bề dày > 90 m nằm trên nền đá, sỏi hoặc sét cứng – nền ổn định

➢ S=1.5 đất có bề dày >120 m nằm trên nền đá, sỏi hoặc sét cứng – nền ổn định

Trang 15

của các mốt dao động không phải là cơ bản nhỏ hơn 0.3 s

2 Đối với cầu một nhịp giản đơn; Không cần phân tích động đất chỉ cần thiết

kế liên kết giữa kết cấu và mố cầu chịu các điều kiện tối thiểu về lực và chuyển vị Tương tự như vậy đối với các cầu khác ở vùng động đất 1 (có hệ

số gia tốc nền < 0.09 - 6.5 MSK) - không cần phân tích động đất.

3 Đối với các vùng động đất có hệ số gia tốc lớn hơn cần phân tích động đất theo các phương pháp phổ đơn, chất tải dải đều tương đương hoặc phân tích đa phổ (bảng phân loại trong mục 4.7.4 - 22 TCN 272-05)

Trang 16

(x)dx (x)V

W β

2ss

32

MỘT SỐ LƯU Ý VỀ TÍNH ĐỘNG ĐẤT

Phương pháp đa phổ

Trang 17

Đối với các cầu nhiều nhịp ở nhũng vị trí xa khoang thông thuyền chính hoặc qua đoạn nước nông hơn có thể giảm nhỏ tải trọng tàu thiết kế tuy nhiên phải có chấp thuận của chủ đầu tư.

Cần lưu ý là chiều sâu của nước cần xem xét tới: ví dụ tàu có chiều sâu mớn nước 6 m không thể

va vào trụ có chiều sâu nước 4m , tuy nhiên khi đó xà lan có độ mớn nước 1.0 m hoàn toàn có thể va trực tiếp vào trụ.

MỘT SỐ LƯU Ý VỀ TÍNH VA TÀU

Trang 18

Phân tích rủi ro va tàu " Collision Risk Analysis"

Tiêu chuẩn chấp thuận rủi ro:

Trên cơ sở phân tích:

•Cầu bắc qua sông trên tuyến giao thông thủy việc va tàu thuyền vào kết cấu hoàn toàn có thể xẩy ra bất kỳ thời điểm nào.

• Cầu phải được thiết kế có tính kinh kế nhất mà vẫn đảm bảo các tính năng kỹ thuật khác bởi vậy không thể thiết kế với điều kiện tải trọng có thể nói là tồi tệ nhất.

•Bài toán phân tích chấp thuận rủi ro được đưa ra trên cơ sở nêu trên

"Cần lưu ý là tất cả các tải trọng theo hệ qui trình mới đều đựơc phân tich và tính toán trên

cơ sở lý thuyết xác suất"

36

Tiêu chuẩn chấp thuận rủi ro tính tới xác xuất va tàu và hậu quả của va tàu.

– Xác xuất va tàu phụ thuộc vào các thông số của Đường sông,các thông số của tàu, và chính bản thân các thông số của cầu.

– Hậu quả của va tàu phụ thuộc vào mức độ va tàu, cường độ chịu lực của kết cấu – Trong tiêu chuẩn AASHTO 1998 xuất bản lần thứ 2 chấp thuận tần suất sập cầu= 0.0001 cầu đặc biệt và đối với các cầu bình thường khác là 0.001 tức là cho phép xẩy

ra 1 lần cho 10 000 năm(cầu đặc biệt) và 1 lần cho 1000 năm (cầu bình thường).

Trang 19

AF - tần suất có thể cầu sập

N- Lưu lượng bình quân năm của các phương tiện vận tải thủy có thể va vào cầu

PA - Xác xuất va của các phương tiện đường thủy

PG - Xác xuất hình học va tàu giữa phương tiện và kết cấu cầu

PC- Xác xuất cầu bị đổ do tàu va.

38

Một số lưu ý về tính va tàu

•Giá trị N- Số lượng(/năm) phương tiện đường thuỷ qua dưới cầu được thống

kê và liệt kê vào các nhóm tàu có cùng tải trọng

•Giá trị PA - Xác xuất va tàu phản ánh khả năng tàu có thể mất phương hướng,

có thể do lái sai, hỏng hóc kỹ thuật, hoặc do môi trường gây bất lợi Theo thống kê của các tài liệu nuớc ngoài phần lớn các vụ tàu va vào kết cấu là do lái tàu, qui trình AASHTO 1998 đưa ra trị số PA= 0.6x10-4cho tàu và 1.2x10-4cho xà lan.

•PG - Xác xuất hình học va tàu giữa phương tiện và kết cấu cầu.

•PC - Xác xuất cầu bị sập cầu do tàu va

Trang 21

Xc - khoảng cách tới mép khoang thông thuyền

X - Khoảng cách tính từ tim khoang thông thuyền tớimép trụ (bệ coc)

VT - vận tốc tàu chạy trên sông

Vmin - lấy nhỏ nhất bằng vận tốc dòng chảybình quân năm

▪ Hai trường hợp chất tải riêng biệt.

Trang 22

© BỘ MÔN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG – TS LƯƠNG MINH CHÍNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

Khoa Công trình – Bộ môn CTGT

Môn học: THIẾT KẾ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1

Giảng viên: TS Lương Minh Chính Email: chinhlm@tlu.edu.vn

Mobile: 0948.060.950

Trang 23

2020 © BỘ MÔN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG – TS LƯƠNG MINH CHÍNH

NỘI DUNG MÔN HỌC

1 – Chương I (lịch sử, đặc điểm, vật liệu cầu BTCT)

2 – Chương II (Cơ sở thiết kế cầu theo 22TCN-05)

3 – Chương III (Cầu dầm BTCT)

4 – Chương IV (Tính toán và thiết kế cầu dầm BTCT)

4

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô (tập 1) –Lê Đình Tâm, NXB Xây dựng, HN 2009

2 Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô (tập 2) –Lê Đình Tâm, NXB Xây dựng, HN 2008

3 Các ví dụ thiết kế kết cấu nhịp cầu BTCT trên đường ô tô theo 22TCN 272-05 –Phạm văn

Thoan, Nguyễn Quý Thành, Nguyễn Trưởng Toán… NXB Xây Dựng, HN 2014

4 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272.05 -Bộ GTVT

5 Bridge Engineering Handbook -Wai Fan Chen and Lien Duan, NXB CRC press, NewYork, 2000

6 Design of highway bridge -Richard M.Baker, Jay A.Pucket, NXB MC Graw Hill, 1997

Trang 24

MỤC LỤC BÀI GIẢNG

1 – Chương I (lịch sử, đặc điểm, vật liệu cầu BTCT)

o Lịch sử phát triển cầu BTCT (trên thế giới & Việt nam)

Roman Arch Bridge

Anji - Stone Bridge in China

Sự PT của VL thép

CHƯƠNG 1 - LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG TRÌNH CẦU

Trang 25

Cầu gang đầu tiên

1900 A.D.

1920 A.D.

Cầu BTCT dự ƯL

Cầu thép

2000 A.D.

1958 A.D.

Cable - Stayed Bridges

Use of Steel for the cables

CHƯƠNG 1 - LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG TRÌNH CẦU

CHƯƠNG 1 - PHÂN LOẠI CẦU THEO SƠ ĐỒ CẦU

Trang 26

Sự ra đời của Xi măng

bởi Louis Vicat (Pháp)

1825

Sự ra đời của BTCT

1855

Là chìa khóa cho cầu BTCT

Cây cầu BTCT đầu tiên

 Bởi J MONIER (Pháp) (dài 15,24m, rộng 3,96m)

Sự ra đời thép cường độ cao (Eugene Freyssinet) Mở ra hướng

PT mới (BTCT DƯL)

1875

1930

Cầu BTCT DƯL bắt đầu xuất hiện mạnh

ở Pháp

1950

CHƯƠNG 1 - LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU BTCT

Trang 27

Trước 1954 -các cầu bê tông cốt thép đầu tiên ở Việt Nam được xây dựng từ thời Pháp thuộc

với các dạng nhưcầu dầm nhịp giản đơn, hoặc mút thừa

❖Các cầu này được thi công theo phương pháp đúc tại chỗ

❖Bề rộng đường ô tô khoảng từ 4‐5m, và các cầu đường sắt đơn tuyến khổ đường 1m

❖Chiều dài cầu thường nhỏ hơn 20‐30m

Hình: a)cầu nhịp giản đơn; b) cầu nhịp liên tục; c) cầu nhịp mút thừa

12

Sau 1954(sau kháng chiến chống Pháp) Việt Nam đã xây dựng lại một số cầu với kết cấu

dầm giản đơn ứng suất trước ra đời:

▪Cầu Phủ Lỗ nhịp 18m – cầu đầu tiên bằng BTCT dự ứng lực ở miền Bắc

▪Đầu thập kỷ 70, cầu bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp 24m đến 33m

Sau 1975đã xây dựng nhiều cầu nhịp trung bình và nhịp lớn ví dụ như:

▪ Cầu An Dương, cầu Rào… dạng cầu khung dầm nhịp 63m

▪ Cầu Bo Thái Bình thi công bằng phương pháp đúc hẫng (cánh T dài 28m, dầm

Trang 28

13

Cầu bãi cháy dài 903m, nhịp chính dài 435m, hoàn thành 2006

Cầu dây văng một mặt phẳng dây, dầm hộp BTCT dự ứng lực

CHƯƠNG 1 - LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU Ở VIỆT NAM

14

o Cầu vượt sông dài nhất Việt Nam (dài 5.487m)

o Nối liền thị xã Sơn Tây (Hà Nội) – Vĩnh Tường (Vĩnh

Phúc)

o Rộng 17.5m, 4 làn xe chạy, gồm 9 nhịp chính thi

công đúc hẫng cân bằng

Cầu Vĩnh Thịnh (2012-2014)

MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU TIÊU BIỂU

Trang 29

Cầu Cần Thơ

Vị trí Cần Thơ và Vĩnh Long

Chiều dài 2.750 m, 15.850 m toàn tuyến

CHƯƠNG 1 - MỘT SỐ CÔNG TRÌNH CẦU TIÊU BIỂU

Trang 30

Cầu Thị Nại – Quy Nhơn

18 Cầu Khuể

Cầu Pá Uôn

Cầu Hang Tôm

Cầu bê tông đúc hẫng cân bằng

Trang 31

CHƯƠNG 1 – KHÁI NIÊM VỀ MỐ TRỤ CẦU

Cầu Pá Uôn - Huyện Quỳnh Nhai - Tỉnh Sơn La - quốc lộ 279

20

Cầu Hang tôm - Tỉnh Sơn La - quốc lộ 279

Trang 32

Cầu Nhật Tân

Gồm 3 phần riêng biệt:

➢ Mặt cầu kết cấu phần phía trên cầu, cho phương tiện, người đi lại

➢ Mố, trụ cầu bên dưới mặt cầu, truyền lực từ mặt cầu xuống móng

➢ Móng cầu truyền lực từ cầu xuống đất

CHƯƠNG 1 - CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH CỦA CẦU

Trang 33

Hc chiều cao cầu, là khoảng cách từ mực nước thấp nhất đến mặt cầu

MNCN – mực nước cao nhất ứng với 1 tần suất tính toán (VD: 1% nghĩa là mực nước ứng với con lũ

100 năm mới xuất hiện 1 lần)

MNLS – mực nước lịch sử, là mực nước lớn nhất mà người ta điều tra được

MNTN- mực nước thấp nhất được đo trong mùa cạn, ứng với tần suất quy định (1% hay 2%)

MNTT – mực nước thông thuyền, là mực nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại (thường lấy với tần

suất 5%)

L: chiều dài cầu (k/c 2 đuôi mố) l: chiều dài nhịp (k/c 2 tim trụ)

ltt: chiều dài tính toán (k/c 2 gối) l0chiều dài nhịp tĩnh

l0khẩu độ thoát nước hkt: chiều cao kiến trúc (từ đáy kết cấu đến mặt cầu)

24

Trang 34

CHƯƠNG 1- PHÂN LOẠI CẦU BTCT

Cầu dầm (Beam Bridge)

Đặc điểm dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng tại các gối tựa chỉ phát

sinh ra thành phần lực thẳng đứng.

a) Cầu dầm đơn giản

b) Cầu dầm liên tục

c) Cầu dầm mút thừa

(theo sơ đồ, công nghệ thi công)

Ưu điểm

❖ Tính toán thiết kế đơn giản

❖ Bố trí cốt thép đơn giản

❖ Không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố lún mố, trụ

❖ Dễ tiêu chuẩn hóa

❖ Thi công đơn giản: đổ tải chỗ, lắp ghép, hoặc bán lắp ghép

Cầu dầm đơn giản (Simple Beam Bridge)

Nhược điểm

➢ Tốn vật liệu

➢ Không vượt được nhịplớn (<40m)

Trang 35

Cầu dầm đơn giản (Simple Beam Bridge)

Dầm chữ I

Dầm chữ T

Dầm Super-T

28

Cầu dầm mút thừa (Beam Bridge)

Sơ đồ cầu không có mố, không dầm treo, phần mút thừa làm đối trọng để

giảm mô men dương ở nhịp giữa:

➢ Chiều dài nhịp chính ( l ) 10‐45m (BTCT ƯST lớn hơn)

➢ Chiều dài của nhịp biên so (0.25‐0.4) l

➢ Chiều cao dầm tại giữa nhịp: h=(1/12‐1/20) l

➢ Chiều cao dầm tại vị trí trụ: H=(1‐2)h

Trang 36

Cầu dầm mút thừa (Beam Bridge)

Ưu điểm của loại cầu BTCT dầm mút thừa so với dầm đơn giản là:

➢ Mô men ở giữa nhịp nhỏ vì có mô men ở gối, do đó loại dầm này cho phép

vượt được nhịp lớn hơn (60-100 hay 150m)

➢ Có thể điều chỉnh nội lực một cách hợp lý hơn, dựa vào chiều dài mút thừa

➢ Trên các trụ chỉ có một gối do đó chịu lực đúng tâm, có thể thiết kế trụ có tiết

diện nhỏ hơn

➢ Hệ dầm là tĩnh định nên không bị ảnh hưởng do lún mố trụ

Bên cạnh những ưu điểm kể trên, vẫn tồn tại nhược điểm:

➢Có cấu tạo khớp và mút thừa, tại vị trí mút thừa có thể gây ra lực xung kích dẫn

đến xe chạy không êm thuận

➢Thi công phức tạp hơn (cấu tạo ván khuôn, lao lắp)

Phạm vi áp dụng:

➢Nhịp từ 60-100m

30

Cầu Vòm (Arch Bridge)

Đặc điểm: Phản lực tại chân vòm có

lực xô ngang Vòm chịu lực nén là

chủ yếu

✓ Hình thức đẹp, đáp ứng

được các yêu cầu mỹ quan.

✓ Tận dụng khả năng chịu

nén của vật liệu khi chọn

trục vòm hợp lý.

✓ Có lực xô ngang.

✓ Thi công phức tạp, khó

tiêu chuẩn hóa, ít dùng

Trang 37

Trang 38

Cầu Đông Trù

34

Cầu Đông Trù

Cầu Đông Trù – dài 1.140m bố trí 8 làn xe, ngoài hệ thống đường dẫn hai đầu, cầu gồm 3

nhịp chính trong đó 2 nhịp biên dài 80m và nhịp giữa sông dài 120m, áp dụng công nghệ

mới là cầu vòm ống thép nhồi bê tông, lần đầu tiên được áp dụng tại Việt Nam

Trang 39

❖ Cầu dây võng đầu tiên ra đời vào thế kỷ 19

❖ Kết cấu dạng cáp treo trên cáp Hệ cáp treo

chính của cầu được liên kết vào đỉnh các trụ

cầu

❖ Có thể vượt được nhịp lớn

❖ Phải xây dựng khối lớn để neo cáp

Quá trình bảo dưỡng phức tạp, tính ổnđịnh khi có tải trọng gió cũng cần phảiquan tâm

❖ Các hệ cáp treo thẳng đứng được treovào hệ cáp chính với khoảng cách songsong đều nhau đỡ lấy từng đốt bản mặtcầu

Cầu treo dây võng (Suspension Bridge)

36

Cầu Thuận Phước – dài, 1856 m, rộng 18m, cao 92 m

Trang 40

Cầu Brooklyn – dài 1834 m rộng: 26 m và cao: 84 m

38

Golden Gate Bridge – dài: 2737 m, nhịp chính dài 1280m, cao: 227 m

Tiêu đề	Bài Giảng Thiết Kế Cầu Bê Tông Cốt Thép 1
Người hướng dẫn	TS. Lương Minh Chính
Trường học	Trường Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Thiết Kế Cầu Bê Tông Cốt Thép 1
Thể loại	Bài Giảng
Năm xuất bản	2020
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	201
Dung lượng	16,26 MB