Nghiên cứu ảnh hưởng của từ biến đến sự phân bố nội lực và ứng suất trong cầu dầm liên tục thép bê tông cốt thép liên hợp

Tuy nhiên sang thế kỷ 21 khoa học kỹ thuật phát triển mạnh trên nhiều lĩnh vực: về mặt vật liệu, công nghiệp luyện kim đã chế tạo được các loại thép có cường độ rất cao, thép tự chống gỉ

-

NGUYỄN QUANG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ BIẾN ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ ỨNG SUẤT TRONG CẦU DẦM LIÊN TỤC THÉP BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP

luËn v¨n th¹c sü kü thuËt

HÀ NỘI 2012

-

NGUYỄN QUANG KIÊN

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ BIẾN ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ ỨNG SUẤT TRONG CẦU DẦM LIÊN TỤC THÉP BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM

MÃ SỐ : 60.58.25

luËn v¨n th¹c sü kü thuËt

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: GS.TSKH NGUYỄN NHƯ KHẢI

HÀ NỘI 2012

MỤC LỤC

Trang

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CHUNG 13

1.1.Đặc điểm của cầu thép 13

1.1.1.Ưu điểm 14

1.1.2.Nhược điểm 15

1.2.Sự xuất hiện và phát triển của kết cấu nhịp thép bêtông cốt thép liên hợp 15

1.2.1.Sự ra đời và phát triển cầu thép bêtông cốt thép liên hợp 15

1.2.1.1.Sự ra đời và ứng dụng cầu thép bêtông cốt thép liên hợp trên thế giới 16

1.2.1.2.Sự ra đời và ứng dụng cầu thép bêtông cốt thép liên hợp tại Việt Nam 21

1.2.2.Ưu nhược điểm của cầu thép bêtông cốt thép liên hợp 25

1.2.2.1.Ưu điểm 25

1.2.2.2.Nhược điểm 26

1.2.3.Một số dạng mặt cắt ngang của dầm thép bêtông liên hợp 26

1.2.4.Một số biện pháp điều chỉnh nội lực trong cầu thép bêtông cốt thép liên

hợp 28

1.3.Xu hướng phát triển và ứng dụng cầu thép bêtông cốt thép liên hợp 29

1.3.1.Ứng dụng vật liệu bêtông, thép chất lượng cao 30

1.3.1.1.Sử dụng bêtông chất lượng cao (HPC) 30

1.3.1.2.Sử dụng thép có chất lượng cao (HPS): 31

1.3.2.Ứng dụng các dạng kết cấu mới, hợp lý 36

1.3.2.1.Ứng dụng kết dầm thép sườn sóng 36

1.3.2.2.Ứng dụng giàn thép liên hợp bêtông cốt thép 37

1.3.2.3.Ứng dụng vòm thép liên hợp bêtông cốt thép 37

1.3.2.4.Ứng dụng dầm cốt cứng uốn trước (Pre-beam) 37

1.3.3 Cải tiến và hoàn thiện các hình thức liên kết giữa các bộ phận kết cấu

Ứng dụng các phương pháp xây dựng mới 38

1.4 Một số dạng cầu thép bêtông cốt thép liên hợp 39

1.4.1 Sơ đồ cầu đầm nhịp giản đơn 39

1.4.2 Sơ đồ cầu dầm nhịp liên tục 40

1.4.3 Sơ đồ cầu nút thừa 41

1.4.4 Sơ đồ cầu vòm 42

1.4.5 Sơ đồ cầu giàn 43

1.4.6 Sơ đồ cầu dây văng 45

CHƯƠNG 2 - LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ BIẾN ĐẾN PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ ỨNG SUẤT TRONG CẦU THÉP BÊTÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP 46

2.1.Tổng quan về từ biến của bêtông 46

2.1.1 Khái niệm từ biến 46

2.1.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng từ biến 47

2.1.3 Các phương pháp nghiên cứu hiện tượng từ biến 48

2.1.3.1 Phương pháp hệ số từ biến 48

2.1.3.2 Quan hệ giữa hệ số từ biến ϕ và thời điểm chất tải 48

a Lý thuyết già: 49

b Lý thuyết di truyền: 49

c Lý thuyết hỗn hợp 50

2.1.4 Mô hình tính toán hệ số từ biến và một số phương pháp tính từ biến đang được áp dụng trên thế giới 51

2.1.4.1 Mô hình tính toán hệ số từ biến 51

2.1.4.2 Một số phương pháp tính toán ảnh hưởng của từ biến: 52

a Phương pháp tốc độ từ biến (R-C) 52

b Phương pháp giá trị dòng (R-F) 53

c Phương pháp Dischinger mở rộng (I-D) 53

d Phương pháp môđun đàn hồi có hiệu có kể đến tuổi của bêtông 54

e Phương pháp xếp chồng đường cong từ biến: 54

2.1.5 Tính toán từ biến theo một số các tiêu chuẩn 55

2.1.5.1 Tính toán từ biến theo tiêu chuẩn AASHTO và tiêu chuẩn

22TCN272-05 55

2.1.5.2 Tính toán từ biến theo tiêu chuẩn CEB-FIP CODE 56

2.1.5.3 Tính toán từ biến theo tiêu chuẩn Đức DIN-4277 57

2.2 Ảnh hưởng của từ biến trong kết cấu thép bêtông cốt thép liên hợp 57

2.2.1 Quan hệ giữa biến dạng và ứng suất do từ biến của bêtông 57

2.2.2 Tính toán ảnh hưởng từ biến và ép xít mối nối trong kết cấu tĩnh định: 61

2.2.3 Tính toán ảnh hưởng của từ biến trong kết cấu siêu tĩnh: 62

CHƯƠNG 3 - KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA TỪ BIẾN ĐẾN PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ ỨNG SUẤT TRONG CẦU THÉP BÊTÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP DẠNG SƠ ĐỒ LIÊN TỤC BA NHỊP CÓ ĐIỀU CHỈNH NỘI LỰC BẰNG TẢI TRỌNG TẠM THỜI 65

3.1 Đặt bài toán 65

3.2 Tính toán ảnh hưởng của từ biến theo phương pháp môđun đàn hồi có hiệu

Eff thay đổi theo tiết diện của dầm thép 69

3.2.1 Tính toán các đặc trưng tiết diện của hệ 69

3.2.1.1 Đặc trưng tiết diện của dầm thép 69

3.2.1.2 Đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n = Es/Ec 71

3.2.1.3 Đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n* = Es/Eeff 73

3.2.2 Ảnh hưởng của từ biến đến phân bố nội lực và ứng suất trong kết cấu siêu tĩnh 76

3.2.2.1 Biểu đồ mômen do các trường hợp tải trọng 76

3.2.2.2.Xác định ảnh hưởng của từ biến đến phân bố nội lực trong kết cấu 79

3.2.2.3.Xác định ứng suất tổng trong tiết diện tại các vị trí kiểm tra 83

3.3 Tính toán ảnh hưởng của từ biến theo phương pháp môđun đàn hồi có hiệu

Eff không đổi Eff = 0.333Ec 84

3.3.1 Tính toán các đặc trưng tiết diện của hệ 84

3.3.1.1 Đặc trưng tiết diện của dầm thép 84

3.3.1.2 Đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n = Es/Ec 84

3.3.1.3 Đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n* = Es/Eeff 84

3.3.2 Ảnh hưởng của từ biến đến phân bố nội lực và ứng suất trong kết cấu siêu tĩnh 87

3.3.2.1 Biểu đồ mômen do các trường hợp tải trọng 87

3.3.2.2 Xác định ảnh hưởng của từ biến đến phân bố nội lực trong kết cấu 87

3.3.2.3 Xác định ứng suất tổng trong tiết diện tại các vị trí kiểm tra 89

3.4 Tính toán ảnh hưởng của từ biến đến phân bố nội lực và ứng suất bằng phần mềm Midas civil 90

3.4.1 Vật liệu, sơ đồ kết cấu và trình tự thi công 90

3.4.2 Hệ số từ biến và phát triển cường độ bêtông theo thời gian 91

3.4.3 Kết quả nội lực phân tích: 92

3.4.4 Xác định ứng suất tổng trong tiết diện tại các vị trí kiểm tra 93

3.5 Tính toán ảnh hưởng của từ biến đến ứng suất thông qua hệ số quy đổi bêtông về thép với hệ số quy đổi là n =3Es/Ec trong tính toán đặc trưng tiết diện liên hợp dài hạn 94

3.6 Tính toán ứng suất trong dầm khi không xét đến hiện tượng từ biến 95

3.7 Tổng hợp kết quả tính toán 96

3.8 Khảo sát ảnh hưởng của từ biến đến nội lực trong kết cấu khi cường độ bêtông thay đổi 100

3.8 1 Vật liệu 100

3.8.2 Hệ số từ biến và phát triển cường độ bêtông theo thời gian 100

3.8.3 Kết quả nội lực phân tích 101

KẾT LUẬN 105

TÀI LIỆU THAM KHẢO 106

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1 Một số loại thép chất lượng cao theo tiêu chuẩn của Nhật Bản 34

Bảng 3.1 Thông số kích thước nhịp các phương án 67

Bảng 3.2.Tiết diện dầm trong đoạn L1 và L3 68

Bảng 3.3.Tiết diện dầm trong đoạn L2 68

Bảng 3.4 Bảng thông số tải trọng tác dụng và vật liệu 69

Bảng 3.5 Bảng đặc trưng tiết diện dầm thép trong đoạn L1 và L3 70

Bảng 3.6 Bảng đặc trưng tiết diện dầm thép trong đoạn L2 71

Bảng 3.7 Đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n trong đoạn L1 và L3 72

Bảng 3.8 Đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n trong đoạn L2 72

Bảng 3.9 Bảng tính toán các đặc trưng từ biến của dầm trong đoạn L1 và L3 74

Bảng 3.10 Bảng đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n* = Es/Eeff trong đoạn L1;L3 75

Bảng 3.11 Bảng tính toán các đặc trưng từ biến của dầm trong đoạn L2 75

Bảng 3.12 Bảng đặc trưng tiết diện liên hợp với hệ số quy đổi n* = Es/Eeff trong đoạn L2 76

Bảng 3.13 Bảng giá trị biểu đồ mômen tại các vị trí tiết diện (KNm) 77

Bảng 3.14 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra 81

Bảng 3.15 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra lặp vòng 1 81

Bảng 3.16 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra lặp vòng 2 82

Bảng 3.17 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra lặp vòng 3 82

Bảng 3.18 Bảng giá trị nội lực phụ MCR tại các tiết diện do từ biến (KNm) 83

Bảng 3.19 Kết quả tính toán ứng suất tại các tiết diện 83

Bảng 3.20 Bảng tính các đặc trưng từ biến của dầm trong đoạn L1 và L3 85

Bảng 3.21 Bảng tính các đặc trưng tiết diện thép bêtông liên hợp với hệ số quy

đổi n* = Es/Eeff trong đoạn L1; L3 86

Bảng 3.22 Bảng tính các đặc trưng từ biến của dầm trong đoạn L2 86

Bảng 3.23 Bảng tính các đặc trưng tiết diện thép bêtông liên hợp với hệ số quy

đổi n*=Es/Eeff trong đoạn L2 87

Bảng 3.24 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra 87

Bảng 3.25 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra lặp vòng 1 88

Bảng 3.26 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra lặp vòng 2 88

Bảng 3.27 Bảng tính lực phụ do từ biến gây ra lặp vòng 3 89

Bảng 3.28 Bảng giá trị nội lực phụ MCR tại các tiết diện do từ biến (KNm) 89

Bảng 3.29 Kết quả tính toán ứng suất tại các tiết diện 90

Bảng 3.30 Bảng giá trị nội lực phụ tại các tiết diện do từ biến giai đoạn 3 92

Bảng 3.31 Bảng giá trị nội lực phụ tại các tiết diện do từ biến giai đoạn 4 93

Bảng 3.32 Bảng giá trị nội lực phụ tại các tiết diện do từ biến giai đoạn 5 93

Bảng 3.33.Bảng giá trị nội lực phụ tại các tiết diện do từ biến giai đoạn 6 93

Bảng 3.34 Kết quả tính toán ứng suất tại các tiết diện 94

Bảng 3.35 Bảng kết quả ứng xuất tại các tiết diện xét đến từ biến (thông qua hệ số quy đổi là 3n) 95

Bảng 3.36 Bảng kết quả ứng xuất tại các tiết diện khi không xét đến từ biến (tính với hệ số quy đổi là n) 96

Bảng 3.37 Bảng kết quả biểu đồ mômen tại vị trí nhịp biên có Mmax 97

Bảng 3.38 Bảng kết quả biểu đồ mômen tại vị trí trên gối B có Mmin 97

Bảng 3.39 Bảng kết quả biểu đồ mômen tại vị trí giữa nhịp giữa có Mmax 98

Bảng 3.40 Bảng kết ứng suất tại vị trí nhịp biên có Mmax 98

Bảng 3.41 Bảng kết ứng suất tại vị trí gối B có Mmin 99

Bảng 3.42 Bảng kết ứng suất tại vị trí giữa nhịp giữa có Mmax 99

Bảng 3.43 Bảng các trường hợp cường độ của bêtông 100

DANH MỤC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Hiện tượng gỉ ở cầu thép 15

Hình 1.2 Các dạng kết cấu nhịp thép bêtông cốt thép liên hợp 16

Hình 1.3 Cầu Stromsund 17

Hình 1.4 Cầu Salbris 17

Hình 1.5 Mặt cắt ngang cầu Geschnitztalbruke 18

Hình 1.6 Cầu Khung mút thừa qua kênh Volga-Đôn 18

Hình 1.7 Cầu Cognac 19

Hình 1.8 Cầu Hontani 20

Hình 1.9 Cầu Dole 20

Hình 1.10 Cầu Mauprê 20

Hình 1.11 Một số cây cầu có các hệ thanh thay thế cho sườn dầm 21

Hình 1.12 Cầu Bến Chang ở Vĩnh Phúc 22

Hình 1.13 Cầu Đò Quan, Nam Định 22

Hình 1.14 Mặt cắt ngang cầu sử dụng dầm Pri-beam trên Quốc lộ 18 23

Hình 1.15 Cầu Đrakr’ông, Quảng Trị 23

Hình 1.16 Cầu Bính, Hải Phòng 24

Hình 1.17 Cầu Rào II, Hải Phòng 24

Hình 1.18 Cầu vượt Chùa Bộc – Thái Hà – Tây Sơn 25

Hình 1.19 Cầu vượt Láng Hạ – Thái Hà – Huỳnh Thúc Kháng 25

Hình 1.20 Một số mặt cắt cầu thép bêtông cốt thép liên hợp 27

Hình 1.21 Tiến trình ứng dụng HPS tại Mỹ 32

Hình 1.22 Phát triển cầu sử dụng thép cường độ cao HPS tại Mỹ 32

Hình 1.23 So sánh chỉ số thời tiết của một số loại thép 35

Hình 1.24 Một số loại mặt cắt sử dụng thép chất lượng cao HPS 35

Hình 1.25 Cấu tạo dầm thép sườn lượn sóng 36

Hình 1.26 Dầm thép sườn sóng dùng trong cầu Himi Yuma, Nhật Bản 36

Hình 1.27 Cầu giàn thép liên hợp bêtông ứng dụng trong Cầu Lully 37

Hình 1.28 Ứng dụng cầu vòm thép bêtông liên hợp trong cầu Damen Avenue 37

Hình 1.29 Sản xuất dầm Pre-Beam trong nhà máy 38

Hình 1.30 Sơ đồ nhịp giản đơn áp dụng trong đường vành đai 3-Hà Nội 40

Hình 1.31 Sơ đồ nhịp liên tục áp dụng tại cầu Đò Quan (Nam Định) 41

Hình 1.32 Sơ đồ cầu vòm Damen Avenue ở Chicago 42

Hình 1.33 Mặt cắt ngang cầu Damen Avenue ở Chicago 42

Hình 1.34 Chi tiết liên kết dầm ngang ở cầu Damen Avenue ở Chicago 43

Hình 1.35 Cầu Lully tại Thụy Điển 43

Hình 1.36 Mặt cắt ngang và chi tiết liên kết giàn với bản trong cầu Lully 44

Hình 1.37 Cầu Kinokawa 44

Hình 1.38 Sơ đồ cầu treo (Cầu Bính) 45

Hình 2.1 Phân tích các thành phần biến dạng từ biến 47

Hình 2.2 Quy luật phát triển từ biến theo lý thuyết già 49

Hình 2.3 Quy luật phát triển từ biến theo lý thuyết di truyền 50

Hình 2.4 Quy luật phát triển từ biến theo lý thuyết hỗn hợp 50

Hình 2.5 Mô hình tính toán hệ số từ biến 51

Hình 2.6 Mô hình phương pháp Dischinger mở rộng 53

Hình 2.7 Phương pháp xếp chồng đường cong từ biến 55

Hình 2.8 Sự làm việc của một đoạn dầm liên hợp 58

Hình 2.9 Sơ đồ tính ứng suất do từ biến 61

Hình 2.10 Sơ đồ tính dầm liên tục 63

Hình 3.1 Sơ đồ hệ kết cấu 65

Hình 3.2 Tạo ứng suất nén trước trong bê tông bằng tải trọng tạm thời 66

Hình 3.3 Chi tiết mặt cắt ngang dầm 67

Hình 3.4 Mặt cắt ngang dầm thép 70

Hình 3.5 Mặt cắt ngang dầm thép liên hợp 71

Hình 3.6 Mặt cắt ngang dầm thép liên hợp 73

Hình 3.7 Biểu đồ mômen trong các trường hợp tải trọng 77

Hình 3.8 Biểu đồ mômen M1;M2 trong hệ cơ bản 80

Hình 3.9 Biểu đồ mômen thứ cấp MCR do từ biến 83

Hình 3.10 Mặt cắt ngang dầm thép liên hợp 84

Hình 3.11 Biểu đồ mômen thứ cấp MCR do từ biến 89

Hình 3.12 Khai báo vật liệu trong Midas civil 91

Hình 3.13 Khai báo mặt cắt trong Midas civil 91

Hình 3.14 Sơ đồ kết cấu trong Midas civil 91

Hình 3.15 Đường cong quy luật phát triển từ biến 92

Hình 3.16 Đường cong quy luật phát triển cường độ bê tông f’c=40Mpa 92

Hình 3.17 Biểu đồ mômen thứ cấp MCR tính theo Midas Civil 92

Hình 3.18 Đường cong quy luật phát triển từ biến 100

Hình 3.19 Đường cong quy luật phát triển cường độ bêtông f’c=30Mpa 101

Hình 3.20 Đường cong quy luật phát triển cường độ bêtông f’c=40Mpa 101

Hình 3.21 Đường cong quy luật phát triển cường độ bêtông f’c=50Mpa 101

Hình 3.22 Đường cong quy luật phát triển cường độ bêtông f’c=60Mpa 101

Hình 3.23 Biểu đồ mômen thứ cấp do từ biến gây ra giai đoạn 3 101

Hình 3.24 Biểu đồ mômen thứ cấp do từ biến gây ra giai đoạn 4 101

Hình 3.25 Biểu đồ mômen thứ cấp do từ biến gây ra giai đoạn 5 102

Hình 3.26 Biểu đồ mômen giai đoạn 6 chưa xét đến từ biến 102

Hình 3.27 Biểu đồ mômen thứ cấp do từ biến gây ra giai đoạn 6 102

Hình 3.28 Biểu đồ mômen tổng cộng trong kết cấu đã xét đến từ biến 102

Hình 3.29 Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp biên giai đoạn 3 102

Hình 3.30 Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp giữa và trên gối B giai đoạn 3 103

Hình 3.31.Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp biên giai đoạn 4 103

Hình 3.32 Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp giữa và trên gối B giai đoạn 4 103

Hình 3.33 Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp biên giai đoạn 5 104 Hình 3.34.Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp giữa và trên gối B giai đoạn 5 104 Hình 3.35 Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp biên giai đoạn 6 104 Hình 3.36 Biểu đồ sự thay đổi mômen thứ cấp trong kết cấu khi tăng mác bêtông bản mặt cầu tại vị trí giữa nhịp giữa và trên gối B giai đoạn 6 104

MỞ ĐẦU

Hiện nay tại Việt Nam, các công trình cầu đường nói chung và công trình cầu nói riêng đang ngày càng được xây dựng nhiều với qui mô lớn để đáp ứng kịp thời nhu cầu giao thông và hoàn thiện mạng lưới cơ sở hạ tầng Trong sự nghiệp phát triển giao thông vận tải, cầu thép đóng vai trò quan trọng trong lĩnh vực xây dựng cầu, đặc biệt là các cầu nhịp lớn trên đường sắt Trong cầu trên đường ôtô, để đảm bảo thi công nhanh, đơn giản chế tạo và lao lắp, hệ thống cầu thép bêtông cốt thép liên hợp (TBTCTLH) là giải pháp hiệu quả về kinh tế đang được nhiều nước quan tâm Tuy nhiên một trong những vấn đề quan trọng ảnh hưởng đến quá trình khai thác và tuổi thọ của công trình cầu thép đó là vấn đề gỉ Chính vì vậy trong một khoảng thời gian dài trước đây cầu thép ít được ứng dụng hơn so với cầu bêtông cốt thép (BTCT) Tuy nhiên sang thế kỷ 21 khoa học kỹ thuật phát triển mạnh trên nhiều lĩnh vực: về mặt vật liệu, công nghiệp luyện kim đã chế tạo được các loại thép

có cường độ rất cao, thép tự chống gỉ và các loại sơn chất lượng cao làm giảm chi phí duy tu bảo dưỡng và tăng tuổi thọ của kết cấu thép Vì vậy trong khoảng thời gian gần đây cầu TBTCTLH được ứng dụng ngày càng nhiều trong thực tế Đặc biệt cầu TBTCTLH đã được ứng dụng nhiều trong xây dựng cầu vượt trong thành phố giải quyết các vấn đề về giao thông đô thị

Sự cần thiết của đề tài

Ngày nay, các công trình cầu được xây dựng ngày càng vượt nhịp lớn hơn thì việc ứng dụng các kết cấu liên hợp cần phải được xem xét đến trong quá trình thiết

kế Với các công trình cầu nhịp lớn ảnh hưởng của từ biến đến sự phân bố nội lực trong kết cấu là đáng kể và cần phải được xem xét đến Có nhiều phương pháp tính tới từ biến trong kết cấu TBTCTLH Nhiều tác giả phương Tây xét từ biến đồng thời

với sự xuất hiện co ngót của bêtông và co ngót này lại ảnh hưởng đến từ biến

Trong kết cấu TBTCTLH nhịp giản đơn hiện tượng từ biến của bêtông dẫn đến

sự phân phối lại nội lực giữa bêtông và thép, kèm theo sự giảm ứng suất trong bêtông

Trong kết cấu siêu tĩnh, biến dạng từ biến của bêtông và ép xít mối nối không những làm phân bố lại nội lực giữa các phần bêtông và thép mà còn gây ra thêm nội lực phụ Tính toán ảnh hưởng của từ biến và ép xít mối nối ở đây phức tạp hơn nhiều vì sự xuất hiện nội lực và phân phối lại nội lực diễn biến từ từ và có ảnh hưởng lẫn nhau Do thời gian có hạn nên trong khuôn khổ của luận văn chỉ đề cập xác định ảnh hưởng của từ biến đến nội lực xác định theo phương pháp môđun đàn hồi có hiệu là hằng số và phương pháp môđun đàn hồi có hiệu thay đổi theo tiết diện dầm thép trong kết cấu cầu TBTCTLH dạng sơ đồ liên tục chưa xem xét đến ảnh hưởng của các yếu tố như co ngót và ép xít mối nối

Mục đích của đề tài

Xác định ảnh hưởng của từ biến đến nội lực trong kết cấu cầu TBTCTLH sơ

đồ liên tục ba nhịp có điều chỉnh nội lực bằng tải trọng tạm thời theo phương pháp

môđun đàn hồi có hiệu là hằng số, phương pháp môđun đàn hồi thay đổi theo tiết diện và sử dụng phần mềm Midas civil

Mục tiêu của đề tài

- Tìm hiểu về ảnh hưởng của từ biến, một số phương pháp tính toán từ biến và một số phương pháp điều chỉnh ứng suất

- Nghiên cứu điều chỉnh nội lực cầu TBTCTLH bằng tải trọng tạm thời

- So sánh kết quả tính toán ảnh hưởng của từ biến theo một số các phương pháp

Đối tượng nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu ảnh hưởng của từ biến trong khuôn khổ của luận văn là

cầu TBTCTLH sơ đồ liên tục ba nhịp có điều chỉnh nội lực bằng tải trọng tạm thời

Phương pháp nghiên cứu

Phân tích lý thuyết kết hợp phân tích số liệu thực nghiệm bằng máy tính

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN CHUNG 1.1 Đặc điểm của cầu thép

Thép là vật liệu hoàn chỉnh được dùng rộng rãi trong tất cả mọi ngành công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày và trong ngành xây dựng cầu nói riêng

Đặc điểm nổi bật của thép là tính chịu lực cao ứng với mọi tác động cơ học và

loại ứng suất (kéo, uốn, nén, cắt, xoắn,…) do đó có thể dùng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như dầm, giàn, vòm, treo và các hệ liên hợp

Thép có trọng lượng riêng khá lớn nhưng độ bền cao nên trọng lượng bản thân kết cấu rất nhẹ, vì vậy có khả năng làm các cầu nhịp rất lớn mà các loại vật liệu khác không thực hiện được Hiện nay nhịp lớn nhất của cầu vòm BTCT hay cầu dây văng có dầm cứng bằng BTCT còn dưới 500m trong khi đó cầu giàn thép đã đạt 550m cầu dây văng dầm cứng bằng thép đã đạt 1000m và cầu treo đạt 2000m và

đang có nhiều dự án cầu treo có nhịp tới 5000m

Thép có cường độ cao nhưng mô đun đàn hồi lớn, do đó cường độ lớn, độ võng nhỏ, nên cầu thép vẫn đáp ứng được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng có chu kì như động đất, gió bão Mặt khác, thép có tính dẻo dai cao, sự phá hoại của thép thường diễn ra dưới trạng thái dẻo, tức là phá hoại

có kèm theo sự biến dạng lớn, tạo điều kiện phân bố lại nội lực và ứng suất, do đó chịu tải trọng xung kích và tải trọng mỏi tốt

Về mặt lý hóa, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường

độ và môđun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt

độ của môi trường biến đổi Môđun đàn hồi tốt và tính chịu nhiệt cao là ưu điểm cơ

bản của thép so với các loại vật liệu chất dẻo hiện nay

Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn đập, đúc cán, hàn nên có thể chế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp với đặc điểm các loại cầu khác nhau, đồng thời tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong công xưởng Thêm vào đó các bộ phận của cầu thép được vận chuyển từ nơi chế tạo đến công trường và công việc lắp ráp có thể cơ giới hóa triệt để, tạo điều kiện đẩy nhanh thời gian xây dựng công trình

Một đặc điểm của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy như bulông, chốt, đinh tán, hàn và dán Các loại liên kết của thép đảm bảo tính lắp ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, các công trình tạm và các công trình phục vụ quốc phòng

Nhược điểm cơ bản của thép là hiện tượng gỉ do tác động của môi trường ẩm, mặn, axit và các hơi độc khác Gỉ ăn mòn thép làm giảm tiết diện chịu lực, làm hư hỏng liên kết, làm giảm tuổi thọ của công trình Hiện nay đã có nhiều biện pháp chống gỉ hữu hiệu như sơn, mạ, dùng thép chống gỉ Nói chung các công trình bằng thép phải thưởng xuyên được kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ, và tiến hành sơn phủ định

kỳ

Do các đặc điểm trên nên thép 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, cầu quân sự, yêu cầu tháo rỡ nhanh và vận chuyển nhẹ nhàng Mố trụ và các kết cấu móng chủ yếu dùng BTCT

1.1.1 Ưu điểm

- Thép là loại vật liệu xây dựng hoàn chỉnh nhất Thép có các phẩm chất cao như tính đồng nhất, tính đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy Thép có cường độ chịu kéo và nén cao Qua giới hạn chảy, vì có độ dẻo cao, tạo được độ dự trữ về cường độ lớn mà các vật liệu khác không có được, do

đó thép chịu ổn định và tải trọng động tốt

- Cầu thép xây dựng nhanh hơn cầu BTCT hay bêtông cốt thép ứng suất trước (BTCTƯST), có thể lắp dựng dễ dàng qua sông, suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác nhau và giảm chi phí xây dựng

- Kết cấu nhịp cầu thép nhẹ hơn BTCT, do đó giảm giá thành kết cấu phần dưới

đặc biệt có ý nghĩa khi địa chất xấu

- Kết cấu nhịp cầu thép thường có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu BTCT, điều này rất có ý nghĩa khi cầm giảm chiều cao kiến trúc (các cầu vượt, cầu trên đường cao tốc…)

- Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu BTCT, ví dụ trong cầu dầm thép có bản bêtông, có thể sửa chữa hoặc thay thế dầm thép mà không cần chống

đỡ

1.1.2 Nhược điểm

Cầu thép có một số nhược điểm quan trọng làm giảm sự hấp dẫn so với cầu bêtông ứng suất trước:

- Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo quản cầu và

đó là một trong các nguyên nhân chính dẫn tới phá hỏng cầu thép Ngay cả đối với

các loại thép được gọi là chống gỉ cũng không được như các nhà sản xuất thép công

bố

Hình 1.1 Hiện tượng gỉ ở cầu thép

- Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất cao Vấn đề cạo gỉ khi sơn cầu làm ảnh hưởng đến môi trường, sức khỏe con người Việc cạo sạch các lớp sơn cũ và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành của việc cạo gỉ và thu gom phế thải độc hại đủ lớn để vứt bỏ cầu cũ và thay bằng một cầu mới Vì sơn cầu dễ gây vấn đề phiền toái như vậy, hiện nay nhiều nơi đang soạn thảo một chỉ dẫn riêng về sơn cầu

- Cách đây khoảng vài chục năm thường dùng thép không gỉ (A588) trong xây dựng cầu coi nhu biện pháp giảm giá thành bằng cách không cần sơn, nhưng theo thời gian, gỉ vẫn phát triển

1.2 Sự xuất hiện và phát triển của kết cấu nhịp thép bêtông cốt thép liên hợp

1.2.1 Sự ra đời và phát triển cầu thép bêtông cốt thép liên hợp

1.2.1.1.Sự ra đời và ứng dụng cầu thộp bờtụng cốt thộp liờn hợp trờn thế giới

Kết cấu nhịp TBTCTLH là một trong những dạng kết cấu cầu được sử dụng khỏ phổ biến trờn nhiều nước trong cầu ụtụ và cả trong cầu đường xe lửa Đú là dạng kết cấu làm từ vật liệu thộp và BTCT được liờn kết chặt chẽ với nhau để cựng tham gia chịu lực, từ đú tận dụng khả năng chịu nộn tốt của bờtụng và khả năng chịu kộo của thộp kết hợp chỳng cựng làm việc với nhau Vật liệu thộp thường là thộp hỡnh, vật liệu BTCT cú thể là BTCT thường hoặc ứng suất trước

Kết cấu nhịp TBTCTLH thường hay gặp nhất dưới dạng dầm thộp liờn hợp với bản BTCT mặt cầu Dầm cú thể làm dưới dạng dầm giản đơn khi nhịp nhỏ và vừa, hoặc dầm liờn tục khi cần vượt nhịp lớn Kết cấu nhịp cú nhiều dạng khỏc nhau như giàn, khung, vũm (thường ớt gặp hơn)

Sơ đồ cầu nhịp giản đơn Sơ đồ cầu nhịp liên tục chiều cao dầm không đổi Sơ đồ cầu nhịp liên tục chiều cao dầm thay đổi Sơ đồ cầu nhịp giàn liên tục

Sơ đồ cầu vòm

Sơ đồ cầu treo

Sơ đồ cầu giàn nhịp giản đơn

Hỡnh 1.2 Cỏc dạng kết cấu nhịp thộp bờtụng cốt thộp liờn hợp

Cú thể coi kết cấu nhịp TBTCTLH là loại trung gian giữa kết cấu nhịp thộp và kết cấu nhịp BTCT

Kết cấu TBTCTLH đó được ứng dụng từ rất lõu vào thực tiễn ở nhiều nước để làm cỏc cụng trỡnh xõy dựng núi chung và xõy dựng cầu núi riờng Để tận dụng khả năng chịu kộo tốt của thộp và nộn tốt của bờtụng từ đú cú thể tiết kiệm vật liệu,

giảm trọng lượng bản thân của kết cấu So với kết cấu bêtông thì kết TBTCTLH có kích thước dầm thanh mảnh hơn, có khả năng vượt nhịp tốt hơn Do những đặc

điểm đó nên kết TBTCTLH đã được ứng dụng nhiều, rộng rãi trong xây dựng cầu

Năm 1955 cầu Stromsund ở Thụy Điển được xây dựng Cầu có dầm cứng liên tục ba nhịp làm bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường độ cao, cầu có nhịp chính 183m (hình 1.3) Bản mặt cầu bằng BTCT

Hình 1.3 Cầu Stromsund nhịp 182.6m năm 1955 Năm 1958 theo thiết kế của Viện Lengiprotransmost (Liên Xô cũ), cầu dầm TBTCTLH nhịp giản đơn bắc qua sông Ê-nit-xây (Nga) được xây dựng với chiều dài 87,2m

Cầu vượt qua đường Salbris (hình 1.4) nhịp giản đơn có chiều dài 36,6m, nhưng

được cấu tạo bản BTCTƯST ở cả biên trên và biên dưới của dầm Mặt cắt ngang

dầm có tiết diện hộp với sườn dầm làm từ tấm thép phẳng có các sườn tăng cường

đứng và ngang liên kết bằng mối hàn Bản BTCT bên dưới được cấu tạo một phần là

do cầu được thi công theo phương pháp đẩy và các bó cốt thép ứng suất trước được căng ra ngoài, một số bó bố trí tạm phục vụ quá trình thi công

Hình 1.4 Cầu Salbris (a-Mặt cắt ngang cầu; b- mặt cắt dọc)

Cầu Geschnitztalbruke ở Áo có sơ đồ 70+5x85+70m nằm trên đoạn đường cong bán kính R=600m, tiết diện là dầm I có chiều cao không đổi h=3,5m, bản mặt cầu

mômen âm của dầm bản BTCT không liên kết với dầm thép nhờ cấu tạo mối nối dọc và ngăn cách với phạm vi bản làm việc chịu nén bằng các khe nối theo phương ngang cầu

Hình 1.5 Mặt cắt ngang cầu Geschnitztalbruke Dạng kết cấu nhịp khung mút thừa lần đầu tiên được ứng dụng cho cầu Pêtrorski ở thành phố Kiép (Ucraina) vào năm 1949 Tuy nhiên cầu loại này có nhịp lớn nhất dài 131m là cầu bắc qua kênh Volga-Đôn mang tên V.I.Lênin (hình 1.6)

Đặc điểm của cầu này khi thi công lắp hẫng dầm thép từ hai bờ chất đối trọng ở

phần mút thừa, do đó mômen dương ở giữa nhịp giảm dầm bằng 0 Đầu mút thừa

được ghì xuống bằng thanh kéo xiên mảnh biến hệ thành hệ khung

Hình 1.6 Cầu Khung Mút thừa qua kênh Volga-Đôn

1- Đối trọng ; 2- Thanh kéo

Cầu Cognac (Pháp) là cầu đầu tiên trên thế giới áp dụng ý tưởng thay thế sườn

dầm bằng thép tấm lượn sóng Cầu có sơ đồ liên tục ba nhịp 31+43+31 m (hình 1.7)

Bề rộng cầu 11,7m, sườn dầm bố trí nghiêng và cấu tạo từ thép tấm lượn sóng, cốt

thép ứng suất trước được bố trí trong bản bêtông Theo phương dọc cầu các bó cốt

thép ứng suất trước căng ngoài, các dầm ngang được cấu tạo đồng thời làm nhiệm

vụ điểm tựa chuyển hướng cho các bó cốt thép căng ngoài

Sơ đồ các bó cốt thép

Hình 1.7 Cầu Cognac Cầu Hontani (Nhật Bản) có kết cấu nhịp khung liên tục ba nhịp 44+97+56m Bề

rộng cầu 11,4m, được xây dựng năm 1998 (hình 1.8) liên kết giữa bản BTCT với

sườn dầm thép bằng cách cấu tạo cốt thép bản đặt xuyên qua các lỗ tấm sườn dầm

mà không phải sử dụng bản biên trên

Hình 1.8 Cầu Hontani Hình 1.9 Cầu Dole

Năm 1994 cầu Dole ở Pháp được hoàn thiện với kết cấu dầm liên tục với tổng chiều dài 497,6m, chiều dài nhịp chính 80m, chiều rộng cầu 14,5m (hình 1.9) Cũng giống cầu Hontani, cầu Dole được thi công theo phương pháo đúc hẫng cân bằng, có bản trên và dưới bằng bêtông cốt thép ứng suất trước và sườn dầm bằng thép tấm lượn sóng

Cầu Mauprê ở Pháp có mặt cắt ngang rất đặc thù (hình 1.10), là cầu dầm liên tục với sơ đồ 40,95+44,10+47,25+50,40+53,35+47,25+49,50m, bề rộng cầu 12m, sườn dầm làm bằng thép lượn sóng

Hình 1.10 Cầu Mauprê

Có nhiều trường hợp người ta không cấu tạo sườn dầm đặc mà làm thành hệ thanh giàn như các cầu Ac-boa (Pháp) được xây dựng năm 1986, cầu Sylan (Pháp), cầu Tomigaoa (Nhật Bản)

1.2.1.2 Sự ra đời và ứng dụng cầu thép bêtông cốt thép liên hợp tại Việt Nam

Ở Việt Nam cầu có kết cấu nhịp TBTCTLH đầu tiên là dạng cầu dầm, được xây

dựng năm 1945 trên tuyến đường Mông Dương - Dương Huy tỉnh Quảng Ninh Sau ngày đất nước hoàn toàn giải phóng (1975), đất nước ta bước vào một thời

kỳ mới, phục hồi nền kinh tế quốc dân Cùng với sự phát triển về công nghệ vật liệu cường độ cao, thép không gỉ , TBTCTLH đã được ứng dụng ngày càng rộng rãi Theo số liệu của cục đường bộ Việt Nam, tính đến tháng 10-1995 thì trên các quốc lộ có 615 cầu với tổng chiều dài là 22.600m sử dụng kết cấu thép liên hợp với bản BTCT Các loại cầu này chủ yếu là kết cấu dầm giản đơn, chẳng hạn cầu mới Ngã Tư Sở- Hà Nội, Cầu Văn Điển trên Quốc lộ 1A, Cầu Bến Chang ở huyện Lập Thạch tỉnh Vĩnh Phúc, Cầu Đoan Vĩ bắc qua sông Đáy thuộc tỉnh Hà Nam, theo thiết kế ban đầu sử dụng 6 nhịp 33m bêtông cốt thép ứng suất trước, nhưng sau đó

do hoàn cảnh khó khăn về vật tư nên đã thay bằng giàn T66 liên hợp bản BTCT

Hình 1.12 Cầu Bến Chang ở Vĩnh Phúc Cầu Bến Chang (hình 1.12) gồm 3 nhịp giản đơn 3x28m là kết cấu nhịp TBTCTLH đầu tiên có sử dụng giải pháp điều chỉnh ứng suất trước ở nước ta Nhờ kích trên trụ tạm đối với hai nhịp biên và dùng quang treo đối với nhịp giữa nên chỉ với dầm I800 định hình đã có thể vượt được nhịp 28m mà không cần phải táp thêm thép vào biên dưới dầm Cầu được đưa vào sử dụng năm 1992 đến nay vẫn tốt, không cần biện pháp kỹ thuật bổ sung

Cầu Đò Quan - Nam Định, xây dựng năm 1994 có tổng chiều dài 436,55m được

bố trí theo sơ đồ 5x18+2x33+42+63+42+4x33 Đoạn giữa cầu gồm 3 nhịp: 42 + 63 + 42m (hình 1.13) là cầu dầm TBTCTLH sơ đồ liên tục có tiết diện không đổi

Hình 1.13 Cầu Đò Quan, Nam Định Trên quốc lộ 18 đoạn Nội Bài đi Bắc Ninh cầu sử dụng các dầm Pri-beam cũng

là kết cấu nhịp TBTCTLH, trong đó dầm thép I được bọc kín BTCT (hình 1.14) Ở

đây cũng áp dụng điều chỉnh nội lực trong quá trình thi công Trên Quốc lộ 18 dùng

2 loại dầm: dầm 33m có chiều cao 1,1m Dầm 38m có chiều cao 1,2m Khoảng cách các dầm 1,28m hoặc 1,33m

được xây dựng lại năm 2000 tại vị trí cầu Đrakr’ông cũ bị sập năm 1999 do gỉ neo

có kết cấu dây văng dầm thép liên hợp bản bêtông mặt cầu, khổ cầu B=9m Cầu có

sơ đồ dây văng một tháp bố trí theo sơ đồ 62+82.9+22 m(hình 1.15) Tổng chiều dài cầu 171m

Hình 1.15 Cầu Đrakr’ông, Quảng Trị Cầu Bính được xây dựng xong năm 2005 tại Hải Phòng Cầu Bính nối thành phố Hải Phòng với huyện Thủy Nguyên và đi ra tỉnh Quảng Ninh Cầu có tổng chiều dài 1280m với sơ đồ nhịp 50+6x60+100+260+100+6x60+50 m, bề rộng 22,5

m, cho bốn làn xe cơ giới và hai làn xe thô sơ Phần cầu chính dạng dây văng sơ đồ 100+260+100m có dầm chủ là kết cấu TBTCTLH (hình 1.16)

Hình 1.16 Cầu Bính, Hải Phòng Hiện nay đang xây dựng cầu Rào II kết cấu dây văng có một trụ tháp, kết cấu dầm TBTCTLH Cầu có chiều dài nhịp giữa 248m, rộng 25,5m cho 4 làn xe cơ giới

và 2 làn xe thô sơ (hình 1.17)

Hình 1.17 Cầu Rào II, Hải Phòng Hiện nay cầu TBTCTLH đã và đang được ứng dụng để giải quyết bài toán giao thông trong đô thị Vừa qua tại Hà Nội đã tiến hành xây dựng một số các cầu vượt TBTCTLH như cầu vượt nút giao Chùa Bộc- Thái Hà- Tây Sơn (hình 1.18), cầu vượt Láng Hạ- Thái Hà- Huỳnh Thúc Kháng (hình 1.19), hiện nay cầu vượt Láng – Trần Duy Hưng cũng đã được khởi công xây dựng Trong tương lai gần cầu TBTCTLH sẽ còn được ứng dụng nhiều ở trong các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh để giải quyết vấn đề giao thông đô thị

Hình 1.18 Cầu vượt Chùa Bộc – Thái Hà – Tây Sơn

Hình 1.19 Cầu vượt Láng Hạ - Thái Hà – Huỳnh Thúc Kháng Ngoài ra kết cấu nhịp cầu TBTCTLH còn được sử dụng với tổng chiều dài hàng ngàn mét cho các nhịp ngắn và vừa cho nhiều tuyến đường phục vụ giao thông nông thôn ở cả ba miền Bắc, Trung, Nam của đất nước

1.2.2 Ưu nhược điểm của cầu thép bêtông cốt thép liên hợp

Về phương diện kinh tế - kỹ thuật kết cấu nhịp TBTCTLH có những điểm rất

đáng phải quan tâm khi so sánh với kết cấu nhịp thép đơn thuần và kết cấu nhịp

BTCT Qua việc so sánh cấu nhịp TBTCTLH với các kết cấu nhịp thép và kết cấu nhịp BTCT có thể thấy những ưu điểm và nhược điểm sau:

1.2.2.1 Ưu điểm

Đối với kết cấu nhịp thép có mặt cầu BTCT thì nếu sử dụng mặt cầu liên hợp sẽ

tiết kiệm thép khoảng 15 đến 20% Thêm vào đó có sự liên kết chặt chẽ giữa mặt cầu và kết cấu nhịp, độ cứng của kết cấu cũng được gia tăng Trong cầu xe lửa có mặt cầu tà vẹt gỗ đặt trực tiếp, tuy tĩnh tải hệ mặt cầu có phần nhẹ hơn phương án bản BTCT liên hợp trên đó đặt tại ray qua đệm cao su, song mặt cầu bản BTCT liên hợp giảm được chi phí sửa chữa bảo quản, giữ được vệ sinh cho không gian dưới

cầu Ngoài ra độ cứng trong cả phương đứng và phương ngang của kết cấu nhịp cũng tăng hơn

1.2.2.2 Nhược điểm

Đối với nhịp BTCT thì loại kết cấu nhịp TBTCTLH chỉ ở phần mặt cầu thường

tốn thép hơn từ khoảng 1,5 đến 3 lần Nhịp càng lớn thì sự chênh lệch về khối lượng thép sử dụng càng giảm bớt đi do tĩnh tải trọng lượng bản thân kết cấu nhịp BTCT tăng rất nhiều Kết cấu nhịp TBTCTLH ở cả phần mặt cầu lẫn các nhân tố chịu lực chính có thể chỉ tốn thép xấp xỉ như đối với kết cấu nhịp thép bêtông cốt thép đơn thuần, trong khi đó khối lượng bêtông sử dụng ít hơn Tuy nhiên trong trường hợp này có vấn đề phải bảo quản chống gỉ tốt cho những phần thép không có bêtông bao bọc

Qua phân tích các đặc điểm kết cấu cầu TBTCTLH thấy rằng loại kết cầu này rất phù hợp cho kết cấu dầm giảm đơn, liên tục khi có kết hợp với các biện pháp diều chỉnh nội lực trong kết cấu

1.2.3 Một số dạng mặt cắt ngang của dầm thép bêtông liên hợp

Phần lớn các kết cấu nhịp cầu TBTCTLH được xây dựng dưới dạng cầu dầm có bản BTCT mặt cầu được liên kết với dầm thép và thuộc loại cầu đi trên (hình 1.20)

Đối với loại kết cấu nhịp này, vấn đề chính trong cấu tạo là chọn lựa số dầm chủ

trong mặt cắt ngang cầu nếu dầm chủ có dạng chữ I hoặc số lượng các thành đứng của tiết diện dầm hộp Cùng với sự tăng chiều dài nhịp hoặc giảm bề rộng của cầu thì việc giảm bớt số lượng dầm chủ là hợp lý

Có hai khuynh hướng giải quyết số lượng dầm trong mặt cắt ngang cầu:

+ Tập trung thép vào số lượng ít dầm chủ (thường là hai) khi đó phải cấu tạo các dầm hệ mặt cầu

+ Dùng nhiều dầm chủ để đơn giản kết cấu mặt cầu, đặt bản trực tiếp lên các dầm chủ Do số lượng nhiều nên dầm chủ tương đối nhỏ và cấu tạo có thể

đơn giản hơn

Ngày nay khi cầu có nhịp lớn thường dùng phương án hai dầm chủ Tuy nhiên khi cầu có bề rộng lớn, nhất là cầu trong thành phố lại phải chọn phương án nhiều dầm chủ Cầu xe lửa đa số chỉ có hai dầm chủ

Khoảng cách giữa các dầm chủ được xác định theo điều kiện kinh tế nhất, liên quan đến cả phần mặt cầu Đối với cầu xe lửa thường xác định theo điều kiện độ cứng ngang và vấn đề thống nhất các kích thước của kết cấu nhịp định hình, chẳng hạn nhịp trong khoảng 33÷36m, bề rộng của máng đá dăm là 4m và khoảng cách giữa các dầm chủ trong phạm vi 2,0÷2,5m

1150 3@3000=9000 1150

11300 Líp bªt«ng asphalt

c- Mặt cắt ngang gồm hai hộp

và có dầm dọc phụ

450 10500

1.2.4 Một số biện pháp điều chỉnh nội lực trong cầu thép bêtông cốt thép liên hợp

Mục đích của việc gây tạo và điều chỉnh ứng suất trong kết cấu nhịp TBTCTLH liên hợp là nhằm tận dụng sự làm việc của BTCT, giảm bớt sự làm việc của phần thép và do đó tiết kiệm thép hơn

Có nhiều cách gây tạo ứng suất và điều chỉnh ứng suất trong kết cấu TBTCTLH Áp dụng cách nào là tùy theo đặc điểm thi công kết cấu và sơ đồ, dạng thức của kết cấu Trong tính toán kết cấu nhịp theo phương pháp trạng thái giới hạn,

để tránh nhầm lẫn khi chọn lựa các trị số của hệ số tải trọng, người ta phân biệt giữa

gây ứng suất trước và điểu chỉnh ứng suất

“Gây ứng suất trước” là tạo ra những nhân tố lực không phụ thuộc ở trọng lượng bản thân kết cấu Chẳng hạn như biện pháp chất tải phụ hoặc dùng đối trọng

đặt tạm thời hoặc vĩnh viễn để tạo ra trong kết cấu các nhân tố lực

“Điều chỉnh ứng suất” là biện pháp đặc biệt để thay đổi hoặc phân phối lại nhân tố lực do trọng lượng bản thân của kết cấu, thực hiện bằng cách thay đổi sơ đồ làm việc của hệ thống trong quá trình thi công và chất tải bằng từng phần trọng lượng kết cấu, chứ không có những tác động đặc biệt nào khác

Gây ứng suất trước có thể là:

hai phần thép và phần BTCT của tiết diện, ở đây phần kết cấu thép được gây vồng ngược lên khi chưa thi công bản bêtông cốt thép Sau khi đã có

sự liên hợp giữa hai phần thép và bêtông cốt thép thì cắt bỏ các tác nhân tạo vồng ngược đi

cầu treo và cầu dây văng

Điều chỉnh ứng suất do trọng lượng bản thân kết cấu có thể là:

+Khi thi công thì để các nhịp biên của dầm liên tục làm việc như mút thừa Sau khi kết cấu đã võng xuống dưới tác dụng của trọng tải do trọng lượng bản thân mới kê các gối ngoài cùng để kết cấu làm việc theo sơ đồ liên tục

chẳng hạn như trường hợp biến kết cấu dầm thành khung (trong hệ cầu dầm khung)

hợp phần BTCT với phần thép

Thật ra vấn đề gây tạo ứng suất trước và điều chỉnh ứng suất có sự liên quan chặt chẽ với nhau, nhiều trường hợp khó và không cần thiết phải tách biệt và là một khâu phức tạp nhất trong việc thiết kế kết cấu nhịp TBTCTLH, có tính quyết định tới mức độ hiệu quả của loại kết cấu này Vì vậy, khi tiến hành thiết kế cần phải nghiên cứu kỹ vấn đề gây tạo ứng suất trước và điều chỉnh ứng suất, nếu không có thể dẫn đến những phức tạp trong thi công, kéo dài thời gian xây dựng và tăng cao giá thành công trình

1.3 Xu hướng phát triển và ứng dụng cầu thép bêtông cốt thép liên hợp

Phân tích một loạt các cầu thép hiện đại xây dựng trên thế giới trong những năm gần đây thấy nổi bật 3 phương hướng rõ rệt

Xu hướng phát triển cầu TBTCTLH sẽ theo một số hướng sau đây:

- Sử dụng vật liệu thép, bêtông chất lượng cao

- Ứng dụng các dạng kết cấu mới, hợp lý

- Cải tiến và hoàn thiện các hình thức liên kết giữa các bộ phận kết cấu Tạo kết cấu nhịp thành một kết cấu không gian tạo thành một kết cấu toàn khối thống nhất chứ không phải là lắp ghép các kết cấu phẳng làm việc riêng rẽ

Ứng dụng các phương pháp xây dựng mới

1.3.1 Ứng dụng vật liệu bêtông, thép chất lượng cao

Phương hướng thứ nhất là sử dụng các loại bêtông và thép chất lượng cao

1.3.1.1 Sử dụng bêtông chất lượng cao (HPC)

Bêtông được coi là cường độ cao đã được áp dụng trong việc xây dựng các công trình nhà cao tầng ở Mỹ vào cuối những năm 1970 Bêtông được gọi là chất lượng cao boeir nó có nhiều tính chất không chỉ là cường độ cao hơn mà còn có sự gia tăng các tính chất khác như: tính bền, tính chống mài mòn, tính từ biến, co ngót, tính biến dạng…

Thuật ngữ “bêtông chất lượng cao được bắt nguồn từ Pháp được Roger Lacroix

và Yves Malier đặt tên năm 1980 Tại Mỹ chương trình nghiên cứu đường cao tốc chiến lược (SHRP) đã tài trợ một dự án về bêtông chất lượng cao Năm 1990, danh sách các tài liệu tham khảo giai đoạn 1974-1989 “bêtông chất lượng cao” mang mã

số SHRP-C/WP-90-001 đã được xuất bản

Bêtông chất lượng cao (HPC) là loại bêtông có chất lượng đặc biệt và yêu cầu tính đồng nhất, nó không thể có khi sử dụng các loại vật liệu, cách trộn, đổ, bảo dưỡng bêtông thong thường Các yêu cầu về chất lượng có thể bao gồm sự cải tiến sắp xếp và nèn chặt không có phân tầng, các tính chất cơ lý dài hạn, cường độ ở độ tuổi thấp, độ dai, ổn định thể tích, tuổi thọ khai thác trong nhiều môi trường

Trong giai đoạn 1990÷2000 có rất nhiều các nghiên cứu về bêtông chất lượng cao, hang nghìn tài liệu đã được xuất bản Nhiều chương trình nghiên cứu quan trọng đã được tiến hành tại rất nhiều nước ở Châu Âu, Nhật Bản, Úc, Mỹ…

Bêtông cường độ cao hay bêtông mác cao được xem như một loại vật liệu mới Theo lý thuyết của bêtông cổ điển thì cường độ bêtông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng quyết định bậc nhất là yếu tố hoạt tính xi măng (Rx), và cường độ bêtông bị giới hạn bởi cường độ của đá xi măng Do vậy, bêtông cường độ cao “cổ điển” hàm

ý là những bêtông đạt được cường độ bằng hoặc xấp xỉ bằng cường độ xi măng Tuy nhiên, khái niệm ấy ngày nay đã thay đổi, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, cường độ của bêtông chế tạo được không ngừng nâng cao Ngày nay, cường

độ của bêtông cường độ cao đã vượt, thậm chí vượt rất xa cường độ của xi măng

Chính vì thế mà giá trị cường độ quy định của bêtông cường độ cao luôn thay đổi Trong những năm gần đây người ta đã chế tạo được các loại bêtông có cường độ rất cao, cường độ chịu nén có thể lên đến 200Mpa Hiện nay, bêtông cường độ cao

được áp dụng rất rộng rãi trong các công trình cầu tại nhiều nước

Bêtông chất lượng cao có một số các ưu thế hơn bêtông thường như sau:

- Bêtông chất lượng cao có tính bền tốt hơn bêtông thường Do vậy sử dụng bêtông chất lượng cao làm tăng tính bền và khả năng chịu lực của kết cấu

- Sử dụng bêtông chất lượng cao có tính sinh thái tốt hơn bêtông thường do sử dụng ít xi măng hơn góp phần bảo vệ môi trường

- Tuổi thọ của kết cấu tăng do bêtông chất lượng cao có tính bền tốt hơn, mật

độ hạt cốt liệu lớn hơn bêtông thông thường nên có thể làm giảm tác động

của môi trường đến tuổi thọ của kết cấu

- Giảm biến dạng từ biến, hệ số giãn nở so với bêtông thường

- Sử dụng bêtông chất lượng cao làm giảm đáng kể kích thước của kết cấu làm cho kết cấu thanh mảnh hơn, giảm được tải trọng bản than tăng khả năng vượt nhịp đối với kết cấu

1.3.1.2 Sử dụng thép có chất lượng cao (HPS):

Theo bài báo “Thép chất lượng cao, ứng dụng nghiên cứu” của tác giả William Wright và “Mục tiêu chất lượng cao” của tác giả Susan Lane, Eric Munley, Bill Wright, Marcia Simon và James D Cooper cho thấy các tính chất như cường độ, khả năng liên kết hàn độ dai, độ dẻo, chống gỉ và khả năng tạo hình là các tính chất quan trọng quyết định chất lượng thép Thép chất lượng cao được định nghĩa là sự cân bằng tối đa của các tính chất trên nhằm đưa ra chất lượng cao nhất, độ an toàn

và tính ổn định cho kết cấu trong suốt thời gian vận hành để có lợi về chi phí

Trong những năm gần đây, thép chất lượng cao được sử dụng trong xây dựng cầu ngày càng trở nên phổ biến Sử dụng vật liệu thép chất lượng cao HPS hiện nay

đang được chú ý phát triển ở Mỹ, châu Âu, Nhật Tính năng chủ yếu của HPS cường

độ cao hoặc rất cao là các đặc trưng cơ lý, hóa của thép ổn định, đồng đều, bổ sung

khả năng chống gỉ của thép

Hình 1.21 Tiến trình ứng dụng HPS tại

Mỹ

Hình 1.22 Phát triển cầu sử dụng thép cường độ cao HPS tại Mỹ Tại Mỹ, thép cường độ cao lên tới 690Mpa đã được sử dụng từ những năm 1960 tuy nhiên vẫn còn các hạn chế về tính hàn và giòn dễ vỡ Vì vậy để cải thiện các tính chất hiện có của HPS, Cục đường bộ liên bang (FHWA) đã chủ trì một chương trình nghiên cứu nhằm xác định số liệu thiết kế áp dụng hiện tại để có thể cải thiện bằng cách sử dụng HPS, và những khái niệm thiết kế mới, khi kết hợp với HPS có thể ảnh hưởng nhiều hơn đến chi phí của các hệ thống cầu Các kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy sử dụng thép có cường độ đạt 480Mpa có thể làm giảm 10% chi phí sản xuất FHWA cũng nghiên cứu các hình dạng kết cấu mới như bản lượn sóng, cấu kiện ống có gờ, liên kết các hệ thống với nhau Quá trình sử dụng thép chất lượng cao ở Mỹ bắt đầu từ những năm 1990 như sau :

Hoàn tất kế hoạch nghiên cứu

Ban hành tiêu chuẩn ASTM A709-97 liên quan đến HPS70W

Cấp chứng chỉ CERF

-1998: Cầu thứ 10 làm bằng HPS đưa vào khai thác

Ban hành tài liệu hướng dẫn chế tạo sản xuất theo AASHTO (5/1999)

Cầu thứ 40 sử dụng HPS đưa vào khai thác

-2003: 46 cầu dùng HPS đưa vào sử dụng

67 cầu sử dụng HPS đang được chế tạo và xây dựng

60 cầu sử dụng HPS đang được thiết kế

12 cầu sử dụng HPS đang trong giai đoạn lập dự án

Sử dụng các loại thép chất lượng cao, nhằm giảm giá thành công tác duy tu bảo quản và sơn cầu, một việc làm tốn kém, ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng, gây ô nhiễm môi trường và là mối lo thường xuyên của những người làm công tác quản lý Tính chống gỉ là một tính chất quan trọng của HPS trong việc sử dụng HPS vào xây dựng cầu Tại Nhật Bản hiện nay đã phát triển và ứng dụng một số loại thép chống

gỉ có khả năng chống chịu với điều kiện môi trường như SMA400 AW/AP, SMA

400 BW/BP, SMA 490 CW/CP, SMA 490 AW/AP, SMA 490 BW/BP, SMA 400 CW/CP, SMA 570 W/P Chiều dầy bản thép có thể lên tới 40mm, và cường độ chịu

cho vật liệu thép Các loại thép chống gỉ (không sơn) đã thành thương phẩm và đã

được AASHTO chấp nhận đưa vào Tiêu chuẩn thiết kế Tuy nhiên theo bản hướng

dẫn, thép không gỉ mới chỉ được dùng trong những điều kiện đặc biệt và vẫn cần sơn những bộ phận nhạy cảm gỉ Vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện chất lượng thép không gỉ vẫn đang được tiến hành Trong khi đó vẫn phải sử dụng các biện pháp bọc lót hữu hiệu để bảo vệ các công trình bằng thép đương thời Nhiều loại sơn mới, chất lượng cao được nghiên cứu áp dụng nhằm kéo dài tuổi thọ cầu

Thép chất lượng cao đạt cường độ 480 đến 690Mpa đã được áp dụng trong thiết

kế cầu nhằm cải thiện khả năng làm việc của kết cấu Thép chất lượng cao trong các nghiên cứu sơ bộ của FHWA có thể đạt đến 900Mpa Tại Nhật Bản cũng đã phát triển một số loại thép chất lượng cao có cường độ khá lớn và được ứng dụng trong lĩnh vực xây dựng cầu như: HT690, HT780

Bảng 1.1 Một số loại thép chất lượng cao theo tiêu chuẩn của Nhật Bản:

ra các loại thép có tính dai cao Các loại thép có tính dai càng cao tạo ra độ dự trữ cho kết cấu càng lớn, cho phép kết cấu này có những vết rạn trong quá trình chế tạo

và chịu được tải trọng đặc biệt như động đất

Thép chất lượng cao hiện nay còn được phát triển theo hướng tạo tăng cường khả năng chịu mỏi, có khả năng tạo hình và chống chịu tốt với các điều kiện thời tiết Khả năng chống chịu được thời tiết biểu thị qua chỉ số chống chịu thời tiết (hay còn gọi là chỉ số thời tiết), nó được tính toán dựa trên thành phần hóa học của thép Chỉ số thời tiết càng cao thì khả năng chống gỉ của thép càng tốt Chỉ số thời tiết của thép chất lượng cao có thể đạt tới 6.5 Chỉ số thấp nhất có thể đạt tới 6,0

Hình 1.23 So sánh chỉ số thời tiết của một số loại thép

Sử dụng thép chất lượng cao có một số các ưu điểm sau:

cấu, tăng khả năng vượt nhịp lớn của kết cấu

cho kết thanh mảnh tăng thẩm mỹ của công trình

công trình

Hình 1.24 Một số loại mặt cắt sử dụng thép chất lượng cao HPS

1.3.2 Ứng dụng các dạng kết cấu mới, hợp lý

Cùng với việc sử dụng vật liệu chất lượng cao, một xu hướng khác trong xu hướng phát triển của cầu TBTCTLH là sử dụng các dạng kết cấu mới hợp lý Sau

đây là một số dạng kết cấu mới của cầu TBTCTLH đang được nghiên cứu và phát

triển trên thế giới

1.3.2.1 Ứng dụng kết dầm thép sườn sóng

Hiện nay, nhiều nước trên thế giới đã ứng dụng dầm thép sườn sóng trong các loại cầu TBTCTLH Dầm thép sườn sóng là một loại mới trong việc nghiên cứu đưa vào áp dụng trong việc chế tạo dầm cầu thép Sườn thép được chế tạo dạng hình thang hoặc hình sin (hình 1.25)

Hình 1.25 Cấu tạo dầm thép sườn lượn sóng

Hình 1.26 Dầm thép sườn sóng dùng trong cầu Himi Yuma, Nhật Bản Sườn có thể được chế tạo nguội từ các tấm phẳng Sườn sóng cho phép chế tạo các dầm có chiều cao lớn hơn và nhẹ hơn mà không bị vướng mắc về vấn đề ổn định sườn dầm

1.3.2.2 Ứng dụng giàn thép liên hợp bêtông cốt thép

Kết cấu giàn thường dùng là loại giàn không gian Loại kết cấu này đã được

ứng dụng trong cầu Lully ở Thụy Điển

Hình 1.27 Cầu giàn thép liên hợp bêtông ứng dụng trong Cầu Lully

1.3.2.3 Ứng dụng vòm thép liên hợp bêtông cốt thép

Đây là một loại kết cấu mới đang được được nghiên cứu và ứng dụng Loại cầu

này có tính mỹ quan cao, có khả năng vượt nhịp tốt

Hình 1.28 Ứng dụng cầu vòm thép bêtông liên hợp trong cầu Damen Avenue

1.3.2.4 Ứng dụng dầm cốt cứng uốn trước (Pre-beam)

Dầm uốn trước là một loại kết cấu nhịp của dầm thép ứng suất trước Các dầm

được tạo ứng suất trước bằng kỹ thuật uốn trước dầm do Lipski đề xuất năm 1949

Dầm uốn trước có thể là dầm bằng thép cường độ cao bọc bêtông, dầm uốn trước tạo ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng bêtông, nhưng cùng dấu với thép, kết quả là giảm vết nứt trong bêtông và giảm độ võng do hoạt tải Để chế tạo dầm

Pre-beam trước hết uốn dầm theo hướng tải trọng và sau đó bọc bản biên chịu kéo bằng bêtông cường độ cao trong khi dầm đang ở trong trạng thái uốn và có ứng suất trước Tải trọng dùng để uốn dầm trước được dỡ bỏ sau khi bêtông đạt cường độ như mong muốn, như vậy đã nén trước bêtông bọc ở biên chịu kéo Trước khi uốn, dầm được tạo vồng trước đến cao độ mong muốn, sau đó hàn neo chống cắt để tạo tiết diện liên hợp Sau khi lắp ráp vào cầu, vách và bản biên trên cũng được bọc bêtông, thường đổ tại chỗ cùng với bản mặt cầu Mặc dù dầm uốn trước có thể áp dụng cho mọi loại kết cấu, nhưng việc áp dụng cho cầu còn hạn chế, do tăng tải trọng tĩnh so với kết cấu dầm trần Tại Việt Nam dầm Pre-beam đã được ứng dụng trong cầu Trên Quốc Lộ 18

Hình 1.29 Sản xuất dầm Pre-Beam trong nhà máy

1.3.3 Cải tiến và hoàn thiện các hình thức liên kết giữa các bộ phận kết cấu

Ứng dụng các phương pháp xây dựng mới

Phương hướng thứ ba nhằm giảm khối lượng và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép Theo phương hướng thứ ba, trên đường ô tô áp dụng các hệ cầu dầm thép, liên tục, chiều cao không đổi để giảm giá thành chế tạo và thi công thay cho cầu giàn thép cổ điển Thường dùng các cầu dầm đường xe chạy trên liên hợp với bản BTCT hoặc bản mặt cầu bằng thép trực hướng Cũng theo phương hướng này, các loại tiết diện hộp kín được nghiên cứu áp dụng để tăng cường độ cứng chống xoắn và để tạo môi trường không gỉ bên trong lòng hộp