Bài giảng Thiết kế cầu thép 1

- Vật liệu để làm cầu thép - Cấu tạo, kích thước cơ bản của cầu dầm thép và cầu dầm thép bê tông liên hợp - Nguyên tắc tính toán thiết kế cầu dầm thép NHỊP GIẢN ĐƠN theo tiêu chuẩn thiết

Trang 2

– Thiết kế cầu thép 1 và 2

– Đồ án cầu thép

– Thiết kế và thi công hầm – Tin học ứng dụng cầu – Chuyên đề cầu

– Xây dựng cầu – Cầu treo và cầu dây văng – Khai thác kiểm định cầu – Thực tập cán bộ kỹ thuật

Trang 3

MỤC ĐÍCH YÊU CẦU MÔN HỌC

Môn học Cầu thép 1 cung cấp cho sinh viên:

- Các kiến thức cơ bản về cầu thép, bao gồm: đặc điểm và phạm vi ứng dụng của các sơ

đồ cầu thép

- Vật liệu để làm cầu thép

- Cấu tạo, kích thước cơ bản của cầu dầm thép và cầu dầm thép bê tông liên hợp

- Nguyên tắc tính toán thiết kế cầu dầm thép NHỊP GIẢN ĐƠN theo tiêu chuẩn thiết kếcầu

Cùng với môn học này, sinh viên phải hoàn thành một đồ án môn học về tính toán thiết

kế kết cấu nhịp cầu thép

Trang 4

NỘI DUNG MÔN HỌC

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP

CHƯƠNG 2 CẦU TẠO CẦU DẦM THÉP

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP

Trang 5

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Cầu thép – Lê Đình Tâm, NXB Giao thông vận tải

2 Ví dụ tính toán thiết kế cầu dầm thép trên đường ô tô – Trần Đức Nhiệm, Nguyễn Văn Vinh,

Nguyễn Thạch Bích, NXB Giao thông vận tải, HN 2010

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

4 Bridge Engineering Handbook - Wai Fan Chen and Lian Duan, NXB CRC press, NewYork, 2000

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

6 Thiết kế Cầu thép – Nguyễn Xuân Toản, Nguyễn Văn Mỹ, NXB Xây Dựng

Trang 6

BÀI GIẢNG THIẾT KẾ CẦU THÉP 1

Trang 7

CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP

Trang 8

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP

KẾT CẤU NHỊP THÉP

Cầu thép là cầu có kết cấu chịu lực chính được làm bằng thép, hợp kim thép,hoặc thép liên hợp bê tông cốt thép (BTCT) trong đó vật liệu thép đóng vai tròchủ yếu

Trang 9

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP

Trang 10

1.1.2 Ưu điểm:

- Khả năng chịu lực cao: vật liệu thép có cường độ lớn nhất trong các vật liệu xây dựng

- Độ tin cậy cao: Do cấu trúc thuần nhất của thép, sự làm việc đàn hồi và dẻo của vật liệu thép gần sát nhất với các giả thiết tính toán cơ bản

- Trọng lượng nhẹ: Kết cấu thép là loại vật liệu nhẹ nhất so với các vật liệu xây dựng

thông thường khác c = γ/R (tỷ trọng / cường độ) (1/m) Ta có c ~ 3,7.10-41/m (cho thép);

c ~ 4,5.10-41/m (cho gỗ) và c ~ 24.10-4 1/m (cho BTCT)

→ Tải trọng bản thân của kết cấu thép khá nhỏ

Trang 11

Trang 12

1.1.3 Nhược điểm:

1 Giá thành cao: thường có giá thành cao hơn so với sử dụng các loại vật liệu khác

2 Chịu lửa kém: chảy dẻo, truyền nhiệt

3 Chi phí bảo trì cao: dễ bị ăn mòn, bị gỉ nên chi phí cho bảo dưỡng thường khá lớn

4 Nhạy cảm với mất ổn định: Do tỷ lệ cường độ/khối lượng của thép cao → thường mảnhhơn dẫn đến nhạy cảm hơn với việc mất ổn định

Trang 13

Trang 14

- Kết cấu các công trình có nhịp lớn và hình dáng đặc biệt;

1.1.4 Phạm vi áp dụng:

Trang 15

- Kết cấu cầu;

Trang 16

- Kết cấu giàn khoan trên biển;

Trang 17

- Kết cấu khung nhà nhiều tầng,

Trang 18

- Kết cấu tháp, trụ

Trang 19

- Kết cấu bản: bể chứa, bunke, xilo,

Trang 20

1.1.5 Yêu cầu đối với kết cấu thép:

+ Yêu cầu về sử dụng:

- Yêu cầu chịu lực: độ bền, độ cứng

- Đảm bảo độ bền lâu thích đáng, tiện bảo dưỡng, tiện kiểm tra, sơn bảo vệ

- Thẩm mỹ: hình dạng hài hòa, thanh thoát.

+ Yêu cầu về kinh tế:

Trang 21

1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU THÉP (Thế giới)

Cầu thép ra đời và phát triển cùng với sự phát triển của công nghiệp luyện kimtrên thế giới

Luyện kim điều chế các kim loại từ quặng hoặc từ các nguyên liệu khác bằng cách thay

đổi các thành phần hoá học và cấu trúc để tạo ra những tính chất phù hợp với yêu cầu sửdụng

Trang 22

Cho đến năm 1840, các cây cầu chủ yếu được xây bằng gang và sắt với chủyếu là cầu dạng vòm (do gang chịu kéo kém)

Năm 1779, chiếc cầu vòm gang đầu tiên được xây dựng ở Coalbrookdale,Telford, Anh qua sông Severn 1776-1779

Trang 23

Cầu vòm bằng gang lớn nhất là cầu “Southwark Bridge” được xây năm 1819

vượt qua sông Thames ở London với nhịp là 73m

“Southwark Bridge”

Trang 24

Một phương pháp khác là sử dụng ống gang cho các cấu kiện chịu nén của

vòm Hệ thống này mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn và được sử dụng rộng

rãi mà ví dụ điển hình là cầu “Pont du Caroussel” ở Paris được xây dựng năm

1839 với 3 nhịp 48m

"Pont du Caroussel" bridge

Trang 25

Cầu giàn bằng gang đầu tiên là cầu “Grandfey Viaduct” gần Fribourg, Thụy Sỹ

xây năm 1862

« Grandfey Viaduct" bridge

Trang 26

Đến những năm cuối thế kỷ 19, cùng với sự phát triển của công nghệ luyệnkim, thép bắt đầu được sử dụng thay thế cho gang và sắt Cho đến đầu thế kỷ

20, gang không còn được sử dụng làm cầu

Cầu đường sắt “Kymijoki” xây năm 1870 là cầu 3 nhịp thép đầu tiên được xâytại Phần Lan

Trang 27

Cầu "Mississippi Bridge” có nhịp vòm lớn nhất thế giới (159m) được xây dựng

năm 1874 sử dụng các ống một phần là sắt và một phần là thép để tạo thành

vòm latticed

"Mississippi Bridge”

Trang 28

Năm 1883, cầu Brooklyn, Mỹ, là cầu thép có hệ dây thép hỗ trợ đầu tiên trên

thế giới được xây dựng Cầu Brooklyn sử dụng kết hợp mô hình cầu dây văng

và cầu treo

Cầu Brooklyn

Trang 29

Gustave Eiffel cũng sử dụng kết cấu giàn Ông là kỹ sư đầu tiên phát triển việc

chuẩn bị thiết kế chế tạo thép đến từng chi tiết và bản vẽ của mọi chi tiết hoặc

một đinh tán đơn lẻ Cây cầu đẹp nhất của ông là "Viaduc de Garabit" ở miền

Nam nước Pháp, được xây dựng vào năm 1884 với chiều dài 165 m

"Viaduc de Garabit"

Trang 30

Cầu Forth ở Queensferry, Scotland được đưa vào sử dụng năm 1890 và là

cây cầu “nặng ký” nhất thế giới với 54.000 tấn thép, 21.000 tấn bê tông, chiều

dài 2.529m Trải qua hơn một thế kỷ, cầu vẫn cõng 200 chuyến tàu mỗi ngày

Cầu qua vịnh Forth – Scotland, nhịp chính 521 m (1890)

Trang 31

Năm 1919, Cầu Québec được mở cửa cho giao thông, sau gần 2 thập kỷ xây

dựng Nhịp giữa của cầu là 549 m vẫn là nhịp cầu kết cấu thép đỡ dài nhất thế

giới và được xem là một kỳ công xây dựng công trình

Cầu Québec – Canada, nhịp chính 549 m (1917)

Trang 32

Với sự phát triển của thép, kích thước của cầu được tăng lên Đến năm 1930,

nhiều cầu vòm nhịp lớn nhất được xây dựng

Cầu "Bayonne Bridge" ở New Jersey thiết kế bởi O.H Ammann với nhịp 504m (1931)

Trang 33

Cầu "Sydney Harbour Bridge" thiết kế bởi R Freeman với nhịp 503 m (1932)

Trang 34

Cầu Golden Gate - Mỹ, nhịp chính 1280 m (1937)

Kết cấu nhịp cầu treo có trọng lượng nhẹ nên khả năng vượt nhịp lớn Cây

cầu treo nổi tiếng trên thế giới có thể kể đến cây cầu Golden Gate(Mỹ), có

chiều dài nhịp chính lên tới 1280 m

Trang 35

Cầu Akashi Kaikyo - Nhật Bản, nhịp chính 1991 m (1998)

Cầu Akashi Kaikyo là một cầu treo kiểu kết cấu dây võng ở Nhật Bản, bắc

qua vịnh Akashi; nối Maiko ở Kobe với Iwaya của đảo Awaji Đây là cây cầu

treo có nhịp dài nhất thế giới tại thời điểm đó; chiều dài nhịp chính là 1991m

Tổng chiều dài cầu là 3911m

Trang 36

 Sập cầu treo Tacoma ở Mỹ, nhịp 855m đã bị sập năm 1940 do gió lớn,

nguyên nhân chính là do cầu có các kích thước quá mảnh không đủ cứng theo phương đứng và ngang

Trang 37

1.2 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CẦU THÉP (Việt Nam)

• Trước 1945

• Từ 1945 đến 1975

• Sau 1975.

Trang 38

• Trước 1945

Cầu Bến Lức, Long An (1886 )

Cầu Tân An, Long An (1886)

Trang 39

Cầu Trường Tiền còn được gọi là Cầu Tràng Tiền, là chiếc cầu dài 402,60 m,

gồm 6 nhịp dầm thép hình vành lược, khẩu độ mỗi nhịp 67 m Khổ cầu 6 m,

bắc qua sông Hương, hoàn thành năm 1899

Trang 40

• Trước 1945

Cầu Long Biên, Hà Nội (1902)

Trang 41

Cầu Hàm Rồng cũ do Pháp xây dựng năm 1904 Đây là cầu vòm thép không

có trụ ở giữa

Cầu Hàm Rồng dạng cầu vòm nhịp L = 160m

Trang 42

• Trước 1945

Cầu Hàm Rồng, Thanh Hóa (1904 – 160m)

Trang 43

 Từ năm 1965-1975 hầu hết các công trình cầu ở miền Bắc bị phá hủy trong

cuộc chiến tranh phá hoại của Mỹ Các công trình cầu giai đoạn này chủ yếu

là các công trình tạm để phục vụ giao thông trong thời chiến

 Sau năm 1975 đất nước hoàn toàn giải phóng Hàng loạt cầu cũ đã được

phá hủy vì không đáp ứng được nhu cầu về tải trọng và mật độ xe hiện đại

Các cầu thép trên tuyến đường sắt xuyên Việt lần lượt được thay thế và xây

mới

Trang 44

Cầu Thăng Long 2 tầng bắc qua sông Hồng là dạng cầu dàn thép liên tục gồm

5 liên, mỗi liên 3 nhịp, có tổng chiều dài cầu là 1680m, cầu được thiết kế cho 4

làn xe ô tô chạy trên, 2 làn đường sắt và 2 làn xe thô sơ chạy dưới

Cầu Thăng Long – Hà Nội, 2 tầng, dài 3500 m (1985)

Trang 45

Cầu Việt Trì (Phú Thọ), cầu Đò Quan (Nam Định) xây dựng năm 1994 dưới

dạng cầu thép liên hợp bê tông cốt thép liên tục 3 nhịp (42+63+42)m

Cầu Việt Trì – Phú Thọ

Trang 46

 Ở Việt Nam chiếc cầu dây văng đầu tiên được xây dựng năm 1976 qua

sông Dark’rong (Quảng Trị), cầu có nhịp chính dài 129m, chiều rộng

(7,0+2x0,8)m

 Năm 1998, cầu treo Dark’rong bất ngờ bị sập trụ Năm 2000, cầu Dark’rong

mới được đưa vào sử dụng Đây là cầu dây văng một tháp bố trí theo sơ đồ

62+82.9+22 m, khổ cầu rộng 9m Tổng chiều dài cầu 171m

Cầu Dark’rong - Quảng Trị (1999 - 2000)

Trang 47

Trong thời gian gần đây cùng với sự giúp đỡ của các chuyên gia nước ngoài,

chúng ta đã liên tục xây dựng các cầu dây văng, dây võng nhịp lớn

Cầu Bính – Hải Phòng (2005)

Trang 48

Cầu Mỹ Thuận (Tiền Giang – Vĩnh Long) Khánh thành năm 2000, Nhịp chính dài 350 m,

Trang 49

Cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh) Khánh thành năm 2006; Nhịp chính dài 435 m;

Trang 50

Cầu Thuận Phước (Đà Nẵng) Khánh thành năm 2009, Nhịp chính dài 405 m,

Trang 51

Cầu Thăng Long, Hà Nội (1985 – 15x3x112m )

Cầu quay Sông Hàn, Đà Nẵng (2000 – 122,7m)

Cầu Nhật Tân, Hà Nội (2015–150+4300+150m)

Trang 52

Cầu vượt Nguyễn Thái Sơn - Nguyễn Kiệm (TP HCM)

Cầu giàn thép trên đường sắt Bắc Nam

Trang 53

1.3 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sử dụng thép chất lượng cao

• Nghiên cứu các thành phần cấu tạo và phương pháp chế tạo thép

• Thép chất lượng cao còn có khả năng chống gỉ, giảm giá thành bảo trì, chống ô nhiễm môi trường, bảo vệ sức khoẻ cộng đồng

• Nhiều loại sơn mới chất lượng cao được nghiên cứu nhằm kéo dài tuổi thọ cầu

• Vấn đề bọc các bó cáp cường độ cao trong cầu treo và cầu dây văng.

Trang 54

Nghiên cứu áp dụng các hệ liên hợp

• Hệ liên hợp cho khả năng làm cầu có nhịp rất lớn.

• Cầu treo liên hợp dây võng và dây văng.

• Cầu dây văng thay thế cho cầu giàn thép

• Cầu vòm có thanh kéo, vòm chủ ống thép nhồi bê tông

Trang 55

Giảm khối lượng, chi phí vật liệu

• Áp dụng hệ cầu dầm thép liên tục, chiều cao không đổi để giảm giá thành chế tạo và thi công.

• Cầu dầm có đường xe chạy trên liên hợp với bản BTCT hoặc mặt cầu bằng thép trực hướng.

• Sử dụng tiết diện hộp kín để tăng độ cứng chống xoắn và tạo môi trường không gỉ bên trong lòng hộp

Trang 56

Liên kết đơn giản, chắc chắn và tiết kiệm thép

• Sử dụng liên kết hàn và bu lông cường độ cao

• Liên kết không làm giảm yếu tiết diện

• Liên kết dán hoàn toàn hoặc dán kết hợp với bu lông cường độ cao

• Cấu tạo bản nút đơn giản.

Trang 58

1.4 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU THÉP

 Có thể làm với mọi kiểu dáng và mọi hệ thống

 Có thể xây dựng nhịp rất lớn

 Đáp ứng được điều kiện khai thác thông thường

 Chịu tải trọng xung kích và tải trọng mỏi tốt.

 Làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ môi trường biến đổi.

 Về mặt chế tạo, thép dễ gia công -> có thể chế tạo thành nhiều hình dạng

 Có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy như bu lông, chốt, đinh tán, hàn

và dán

Trang 59

1.5 ƯU NHƯỢC ĐIỂM VÀ PHẠM VI

SỬ DỤNG CỦA CẦU THÉP

• Sử dụng thép có cường độ cao  kết cấu nhịp nhẹ, vượt được nhịp lớn, giảm giá thành trụ mố.

• Chịu được mọi loại ứng suất  áp dụng được cho nhiều loại kết cấu.

• Độ dẻo dai cao cho phép thép chịu ổn định và tải trọng động tốt

• thép dễ gia công  tạo thành nhiều hình dạng theo yêu cầu, có khả năng công nghiệp hoá, tự động hoá trong công xưởng

• Các liên kết trong cầu thép chắc chắn, đáng tin cậy, và có thể tháo lắp dễ dàng

• Thời gian thi công sửa chữa nhanh, thuận tiện cho công tác bảo trì bảo dưỡng

ƯU ĐIỂM CỦA CẦU THÉP

Trang 60

• Thép bị gỉ làm giảm khả năng chịu lực, hư hỏng liên kết, làm giảm tuổi thọ của công trình

• Chi phí duy tu bảo quản cầu lớn

• Trọng lượng kết cấu nhịp nhẹ  chịu lực xung kích lớn, gây tiếng

ồn trong quá trình khai thác.

NHƯỢC ĐIỂM CỦA CẦU THÉP

Trang 61

Phạm vi sử dụng:

Thường được dùng cho kết cấu nhịp của các cầu lớn trên đường sắt,đường ô tô, và các loại cầu tạm, yêu cầu thi công nhanh, yêu cầu tháo dỡnhanh và vận chuyển nhẹ nhàng

Mố trụ và kết cấu móng chủ yếu bằng BTCT

Trang 62

1.6 PHÂN LOẠI CẦU THÉP

1.6.1 CẦU DẦM

• Kết cấu chịu lực chính là dầm chủ, chủ

yếu chịu uốn

• Tại gối chỉ xuất hiện áp lực thẳng đứng

(dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng)

nên kích thước mố trụ tương đối nhỏ

• Ưu điểm: tính toán thiết kế đơn giản, chế

tạo và lao lắp thuận tiện, dễ dàng Đạt

hiệu quả kinh tế với nhịp nhỏ và vừa

• Nhược điểm: không vượt được nhịp lớn

(vách làm việc không hiệu quả)

• Sơ đồ làm việc: dầm giản đơn, dầm liên

Sơ đồ cầu dầm thép nhịp liên tục

Sơ đồ cầu dầm thép mút thừa

Trang 63

1.6 PHÂN LOẠI CẦU THÉP

1.6.2 CẦU DÀN

• Kết cấu chịu lực chính là các giàn chủ Các thanh trong giàn chỉ chịu lực dọc  tận dụngđược khả năng làm việc hết cường độ của toàn tiết diện

• Ưu điểm: có độ cứng lớn, các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật hiệu quả cho các nhịp lớn.

• Nhược điểm: cấu tạo phức tạp

• Sơ đồ kết cấu: Giàn đơn giản, liên tục, mút thừa

• Phân loại theo vị trí xe chạy: cầu giàn có đường xe chạy trên, chạy dưới, chạy giữa

• Chiều dài nhịp giàn giản đơn từ 50-60m đến 120-150m Cầu giàn nhịp liên tục hoặc mút thừalớn hơn 120-150m đến 500m

• Kỷ lục thế giới là cầu Quebec (1917), Canada với L = 549m

Sơ đồ cầu giàn thép nhịp giản đơn

Tiêu đề	Thiết Kế Cầu Thép 1
Tác giả	Lê Đình Tâm, Trần Đức Nhiệm, Nguyễn Văn Vinh, Nguyễn Thạch Bích, Nguyễn Xuân Toản, Nguyễn Văn Mỹ
Người hướng dẫn	TS. Trương Việt Hùng
Trường học	Đại Học Thủy Lợi
Chuyên ngành	Thiết Kế Cầu Thép 1
Thể loại	học phần
Năm xuất bản	2021
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	420
Dung lượng	12,38 MB