Nghiên cứu phương pháp tính toán cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp bản bê tông cốt thép

13 CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP TIẾT DIỆN HỘP CÓ BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP MẶT CẦU LIÊN HỢP VỚI DẦM .... Và trong đó cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp bản bê tông cốt thép là một phươ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 9

1.1 Đặc điểm của cầu thép: 10

1.2 Ưu khuyết điểm của cầu thép: 11

1.2.1.Ưu điểm: 11

1.2.2.Nhược điểm 12

1.2 Sơ lược về cầu thép tiết diện hộp: 13

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP TIẾT DIỆN HỘP CÓ BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP MẶT CẦU LIÊN HỢP VỚI DẦM 23

2.1 Tính theo phương pháp quy đổi truyền thống đối với dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép mặt cầu 23

2.1.1.Xác định nội lực dầm 23

2.1.2.Quy đổi tiết diện 25

2.1.3.Tính ứng suất: 25

2.2.Tính theo phương pháp quy đổi về dầm thép tiết diện hộp 26

2.2.1.Các giả thiết 26

2.2.2 Xác định nội lực dầm tại vị trí giữa nhịp và gối 27

2.2.3.Quy đổi tiết diện 27

2.2.4.Tính dầm tiết diện hộp chịu uốn trong mặt phẳng chính 28

2.2.5.Tính dầm tiết diện hộp chịu xoắn tự do 33

2.2.6.Tính dầm tiết diện hộp chịu xoắn kiềm chế 37

CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU KẾT QUẢ TÍNH TOÁN BẰNG SỐ 42

3.1 Bài toán cụ thể 42

3.2 Quy đổi dầm hộp thép bản bê tông liên hợp về dầm I liên hợp bản bê tông cốt

thép 42

3.3 Quy đổi về dầm thép tiết diện hộp 47

SO SÁNH VÀ KẾT LUẬN 70

TÀI LIỆU THAM KHẢO 72

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1.Mặt cắt ngang điển hình của dầm hộp liên hợp 14

Hình 1.2.Mặt cắt ngang cầu trên sông Ranh 16

Hình 1.3.Mặt cắt ngang cầu dầm qua sông Em-mer 17

Hình 1.4.Mặt cắt ngang cầu xe lửa qua sông Ranh 18

Hình 1.5.Kết cấu dầm thép ở nhip chính cầu Cần Thơ 19

Hình 1.6.Cầu Thuận Phước 20

Hình 1.7 Mô hình toàn cảnh cầu Rồng 21

Hình 1.8 Dầm hộp thép cầu Rồng 21

Hình 2.1.Đường ảnh hưởng mô men tại giữa dầm và lực cắt tại đầu dầm 23

Hình 2.2.Xếp hoạt tải theo phương ngang cầu 24

Hình 2.3.Tiết diện hộp và các trục tọa độ 26

Hình 2.5.Hệ cơ bản 29

Hình 2.6 Hệ cơ bản của hộp có nhiều ngăn 31

Hình 2.7.Biểu diễn để tính Mt và φ 37

Hình 3.1.Mặt cắt ngang dầm cầu 42

Hình 3.2.Một nửa mặt cắt ngang dầm 43

Hình 3.3.Đường ảnh hưởng M tại l/2 và Q tại gối 43

Hình 3.4.Xếp 2 làn xe theo phương ngang cầu 44

Hình 3.5.Quy đổi tiết diện 46

Hình 3.6.Tiết diện tính toán của dầm 47

Hình 3.7.Biểu đồ tọa độ x, y 48

Hình 3.8.Tên các điểm trên mặt cắt ngang dầm 49

Hình 3.9.Biểu đồ mô men tĩnh 50

Hình 3.10.Trị số và dấu của Tox , Toy 51

Hình 3.11 Biểu đồ Sx, Sy 52

Hình 3.12 Biểu diễn chiều Ty 53

Hình 3.13 Vị trí tâm uốn 54

Hình 3.14.Biểu đồ tọa độ cực r 55

Hình 3.15.Biểu đồ ω 57

Hình 3.16 Biểu đồ Σ p s 59

Hình 3.17 Biểu đồϖ 59

Hình 3.18.Biểu đồ( S ω ) 61

Hình 3.19.Biểu đồ giá trị p 62

Hình 3.20.Biểu đồ (Sω) 62

Hình 3.21 Độ lệch tâm của xe và người 64

Hình 3.22 Độ lệch tâm của làn 64

Hình 3.23.Xếp tải xe 3 trục để tính tải phân bố tại giữa nhịp 65

Hình 3.24 Xếp tải xe 3 trục để tính tải phân bố tại gối 65

về phương pháp này

Tôi xin trân trọng cảm ơn Thầy GS TSKH Nguyễn Như Khải đã giúp

đỡ, tận tình hướng dẫn và cung cấp các tài liệu, thông tin cần thiết để tôi hoàn thiện luận văn này

Tôi xin trân trọng cảm ơn các Thầy Cô giáo trong bộ môn Xây dựng Cầu – Hầm trường Đại học Xây dựng đã có những góp ý, hướng dẫn và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn các bạn trong tập thể lớp Cao học Cầu hầm 8/2009 trường Đại học Xây dựng , các đồng nghiệp làm cùng công ty đã góp

ý, giúp đỡ trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn để có thể thực hiện tốt đề tài

Xin cảm ơn mọi người trong gia đình trong gia đình tôi đã giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi về thời gian để tôi hoàn thành luận văn đúng tiến độ

Vì thời gian thực hiện luận văn có hạn nên không tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót Tôi rất mong được sự góp ý của quý Thầy cô giáo, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Xin chân thành cảm ơn

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Phạm Minh Cương

để đảm bảo thi công nhanh, đơn giản chế tạo và lao lắp, hệ thống cầu thép bêtông cốt thép liên hợp là giải pháp hiệu quả về kinh tế đang được 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 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

Hiện nay, Việt Nam vẫn là nước đang phát triển, và cũng không tránh được tình trạng bùng nổ dân số ở các thành phố ở các nước đang phát triển nói chung Xây cầu đô thị là một trong các giải pháp hữu hiệu để giảm vấn nạn ùn tắc giao thông ở các thành phố lớn Và trong đó cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp bản bê tông cốt thép là một phương án tốt bởi một số đặc tính ưu việt của nó như chống uốn tốt, chống xoắn tốt, thi công nhanh, tiết

diện mảnh cân đối Trong cách tính truyền thống trước đây, ta thường hay quy đổi dầm hộp về dầm chữ I để tính nội lực Phương pháp đó đã bỏ qua ảnh hưởng của mô men xoắn tới dầm, nhưng khi cầu có tiết diện lớn thì ảnh hưởng của mô men xoắn là cũng lớn nên việc bỏ qua mô men xoắn cũng cần phải được xem xét Do thời gian có hạn nên trong khuôn khổ của luận văn em chỉ so sánh ứng suất pháp và ứng suất tiếp của cầu dầm thép tiết diện hộp một ngăn liên hợp bản bê tông cốt thép nhịp giản đơn theo cách truyền thống và cách tính quy đổi

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN

Sinh thời, Chủ tịch Hồ Chí Minh đã nói: “Giao thông là mạch máu của

tổ quốc Giao thông tốt thì mọi việc dễ dàng Giao thông xấu thì các việc đình trệ” Câu nói giản dị của Bác không chỉ nhấn mạnh đến vai trò quan trọng của

GTVT trong sự nghịêp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, mà còn là lời nhắc nhở nhiệm vụ đối với những người làm công tác giao thông vận tải trong quá khứ, hiện tại và tương lai sau này Có thể nói lịch sử hình thành, phát triển và trưởng thành của mình, lớp lớp thế hệ cán bộ, công nhân, lao động ngành GTVT Việt Nam đã luôn theo lời chỉ dạy của Bác Hồ, luôn nỗ lực phấn đấu, góp phần quan trọng vào sự nghiệp đấu tranh giải phóng dân tộc, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc của toàn Đảng, toàn dân và toàn quân ta

Bước vào thời bình, trong sự nghiệp tái thiết và phát triển đất nước, ngay

từ khi bắt đầu công cuộc ‘Đổi mới’, phát triển nền kinh tế đất nước theo kinh

tế thị trường định hướng XHCN, Đảng, Nhà nước đã chủ trương phải ưu tiên đầu tư phát triển GTVT để GTVT đi trước một bước tạo tiền đề và thúc đẩy kinh tế phát triển Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI (1986) xác

định: “GTVT là khâu quan trọng nhất của kết cấu hạ tầng’’ và “GTVT phải đi trước một bước để đáp ứng yêu cầu phát triển của nền kinh tế quốc dân’’ Do

đó, đã có nhiều dự án cầu đã được triển khai

Cùng với sự đi lên của nền kinh tế là các yêu cầu, đòi hỏi khắt khe về tính thẩm mỹ của một cây cầu Ngày nay, con người muốn các cây cầu phải thanh mảnh, gọn nhẹ và có thể mang hình dáng thể hiện một ý tưởng nào đấy bên cạnh yêu cầu về chất lượng Ngoài vật liệu bê tông thì vật liệu thép đang rất được chú trọng

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 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

bê tông cốt thép 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 độ cứng 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 mô đun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi Mô đun 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, tạp 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 nư bu lông, 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 chị 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 két 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 bê tông cốt thép

1.2 Ưu khuyết điểm của cầu thép:

1.2.1.Ưu điểm:

1) Thép là loại vật liệu xây dưng 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 cháy, 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

2) Cầu thép xây dựng nhanh hơn cầu BTCT hay BTCT ƯST, 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

3) 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

4) 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…)

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

2) 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

3) 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 Sơ lược về cầu thép tiết diện hộp:

Cầu dầm thép có khả năng vượt nhịp lớn hơn cầu bê tông Tiết diện dầm

có dạng hình hộp có khả năng chống xoắn cao, cho phép vươn tới những nhịp rất lớn (200-300m) Do đó, việc nghiên cứu, tính toán cầu dầm thép tiết diện hộp nhằm củng cố kiến thức đồng thời đáp ứng được nhu cầu công việc hiện nay

Cầu thép tiết diện hộp có một ưu điểm nổi bật là sử dụng thép rất hợp lý

Hệ số xây dựng đạt tới trị số rất thấp, hầu như toàn bộ thép kết cấu nhịp đều trực tiếp làm việc trong thạng thái ứng suất Tấm biên trên của tiết diện hộp đồng thời làm nhiệm vụ của bản mặt cầu trực giao và cũng làm thay hệ liên kết dọc, tấm đáy hộp cũng làm nhiệm vụ hệ liên kết dọc dưới

Dầm tiết diện hộp cấu tạo đơn giản, thuận lợi cho công việc chế tạo, thi công cũng như bảo quản trong quá trình khai thác Một điều cần nhấn mạnh là

có thể sử dụng có hiệu quả liên kết hàn với máy hàn tự động Dầm hộp được

sử dụng rất rộng rãi trong kết cấu cầu thành phố, cầu cong theo phương ngang

và cầu có chiều dài nhịp lớn Cầu dầm hộp có khả năng kháng uốn và độ cứng chống xoắn cao, với hình dáng kết cấu kín sẽ làm giảm nhỏ bề mặt tiếp xúc với môi trường vì vậy ít bị ảnh hưởng do ăn mòn Dầm hộp cũng tạo được sự bằng phẳng êm thuận cho xe chạy, tạo sự thẩm mỹ hài hòa cho kết cấu Nếu dầm liên tục và áp dụng các biện pháp điều chỉnh ứng suất thì chiều cao dầm

có thể giám tới l/60 hoặc hơn nữa

Hiện nay có hai loại dầm hộp thép là dầm hộp thép liên hợp bê tông và dầm hộp thép có bản trực hướng Thông thường cầu dầm hộp liên hợp có mặt cắt một hộp và nhiều hộp Dầm hộp đơn dễ dàng cho phân tích độ cứng chống xoắn đối với tải trọng lệch tâm Yêu cầu của độ cứng chống uốn thì không phụ thuộc vào độ cứng chống xoắn Dầm hộp đơn nhiều khoang rất kinh tế đối với nhịp lớn Do tiết diện ngang có nhiều sườn nên sẽ giảm lực cắt và

chia nhỏ lực cắt đều ra toàn bộ tiết diện Bản cánh dưới nhằm mục đích tạo nên biến dạng bằng nhau và phân bố tải trọng tốt hơn giữa các dầm liền kề nhau Các hộp trong tiết diện dầm nhiều hộp thì sự liên quan và tương tác với nhau sẽ nhỏ, tạo ra độ cứng chống uốn và xoắn rất cao Độ cứng chống xoắn của các hộp riêng biệt nói chung không quan trọng bằng sự liên quan của chúng với độ cứng chống uốn nói chung Việc lựa chọn tiết diện là một hộp hay nhiều hộp thì phải xem xét đến tính hiệu quả và công nghệ trong quá trình thiết kế và thi công

Hình 1.1.Mặt cắt ngang điển hình của dầm hộp liên hợp a)hộp có môt khoang;b)hộp có nhiều khoang;c)mặt cắt ngang có nhiều

hộp

Một mặt cắt hộp liên hợp thông thường có hai sườn , một bản cánh đáy, hai bản cánh trên và các liên kết chống cắt hàn vào bản cánh trên tại bề mặt tiếp xúc giữa bản bê tông và cấu kiện thép Bản cánh trên thường giả thiết như một giằng ngang tương ứng bằng các bản bê tông đối với trạng thái giới hạn cường độ, và được kiểm tra để chống lại mất ổn định cục bộ trước khi bản bê tông ninh kết Bản cánh phải có bề rộng đủ để đỡ bản bê tông và cho phép đủ khoảng cách để hàn mối nối chống cắt với bản cánh Bản cách dưới được thiết

kế để kháng lại mô men uốn Từ bề rộng của bản cánh dưới, sườn tăng cường dọc được yêu cầu them vào trong phần có xuất hiện mô men âm Bản sườn được thiết kế để chống lại lực cắt và có thể được đặt vuông góc hay nghiêng

so với bản đáy Độ nghiêng của bản sườn không nên vượt quá 1:4

Trên thế giới đã có một số cầu dầm hộp đã được xây dựng như cầu ở Áo trên xa lộ Muynkhen – Roma, được xây dựng năm 1963, dài 657m với sơ đồ 81+108+198+2x81, bể rông phần xe chạy kể cả dải bảo hiểm là 8,3m cho 1 chiều và 10,6m cho chiều kia Bề rộng giữa hai chiều là 22,2m Sở dĩ phần xe chạy theo hai chiều rộng hẹp khác nhau vì cầu nằm tren đường cong R=400m Tại nhịp 198m, chiều cao dầm thép không đổi là 7,7m, khoảng cách giữa các thành đứng hộp 10m, thành đứng hộp dày từ 12-15mm (bằng 1/162 – 1/154 chiều cao , để đảm bảo ổn định có bố trí các sườn tăng cường đứng cách nhau 3m và sườn tăng cường ngang cách nhau 0.5-1.5m Tấm đáy hộp dày 10-30mm tức bằng 1/1000 – 1/333 bể rộng , có tăng cường các sườn dọc cách nhau 440mm và cứ 3m có cấu tạo dầm ngang Tấm mặt cầu kiểu bản trực giao dày 10-18mm, có các sườn đứng cách nhau 370mm kê trên các dầm ngang cách nhau 1.5m Các dầm ngang có phần mút thừa 6.1m để đỡ phần xe chạy

mở rộng và phần bộ hành Lớp mặt cầu là matit atphan 5cm được liên kết với măt cầu bằng những sườn cao 25mm hình dích dắc Như vậy hộp cứ 3m có một khung ngang làm từ các dầm ngang của tấm mặt cầu, của tấm đáy và các sườn tăng cường đứng của hộp, và cứ 9m lại có đặt thêm các thanh liên kết ngang để đảm bảo độ cứng của hộp Thép để làm các bộ phận chịu lực chính của kết cấu nhịp là St.44 và Alfort (lớn hơn St52 một chút) Chỉ tiêu sử dụng thép là 350 kg/m2 Tại nhà máy chê tạo các khối có chiều cao tới 4m, sau được vận chuyển tới công trường và lắp ráp thành khói lớn hơn Các khối dầm chủ lắp thành đoạn 9m trọng lượng tới 20T, thi công lắp hẫng từ hai đầu

Khối lượng toàn bộ là 5000 T và lắp ráp xong trong một năm Khi lắp nhịp 198m, độ võng phần hẫng giữa nhịp tới 1,4m

Hình 1.2.Mặt cắt ngang cầu trên sông Ranh

Cầu trên sông Ranh nối Maixe-Vaizen và Gutstapbur: sơ đồ cầu liên tục

3 nhịp 43.7+203.94+131.74m Bề rộng phần xe chạy 20m, các phần bộ hành mỗi bên 2.25m Khoảng cách giữa các lan can 24.5m Dầm hộp có biên dưới theo đường parabol với đường tên 1m, chiều cao dầm nhỏ nhất ở nhịp giữa 6,81m(1/30 nhịp), chiều cao tại các gối trung gian là 7,17 và 7,77m Tiết diện ngang dầm là hộp chữ nhật có khoảng cách hai thành đứng 11,7m, các phần hẫng của mặt cầu mỗi bên là 6,4m Bề dày thành đứng hộp là 10mm được tăng cường bằng sườn tăng cường đứng và sườn tăng cường ngang Tấm mặt cầu kiểu bản trực giao dày 12mm có sườn đứng có đế tròng bố trí cách nhau 300mm, và các sườn đặt theo phương ngang cầu cách nhau từ 0.9-1,54m tùy theo trạng thái ứng suất trong tấm mặt cầu do tham gia chịu lực với dầm chủ Bên trong hộp có cấu tạo 2 dàn dọc đặt cách thành hộp 3,6m, những dàn này

làm giảm chiều dài nhịp của các sườn ngang tấm mặt cầu trực giao Ngoài ra còn có tác dụng rất tốt cho việc thi công lắp ráp dầm thành khối rộng 3,6m Các liên kết ngang giữa các dàn này và thành hộp đặt cách nhau khoảng 9,27m làm tăng độ cứng của hộp rất nhiều, đặc biết là độ cứng chống xoắn Thép dùng cho các kết cấu chịu lực chính là St52, các bộ phận phụ St37 Tấm bản mặt cầu được mạ kẽm để chống rỉ rồi mới sơn Lớp mặt cầu gồm lớp mat tích 8mm rồi phủ một lớp atphan 50mm Kết cấu nhịp được chế tao thành phân tố dài 12m và chở bằng đường thủy tới vị trí lắp ráp thành các khối dài tới 70m, trọng lượng chừng 200T được nâng cất và lắp ráp bằng cần cẩu nối

Hình 1.3.Mặt cắt ngang cầu dầm qua sông Em-mer Kết cấu nhịp cầu đường sắt qua sông Em-Mer ở CHLB Đức:Cầu này được xây dựng năm 1960 cho đường sắt 2 tuyến, nhịp 54m Chiều cao dầm 3,5m Khoảng cách giữa 2 lan can 9m Tiết diện hộp dạng hình thang đáy nhỏ, có 2 phần mút thừa 1,715m Đế ray đặt trên đỉnh các thành hộp nghiêng

và 2 sườn phụ Các thành hộp và sườn phụ này được tăng cường ổn định bởi các sờn tăng cường cấu tạo từ các thép bản dập thành dạng như thép góc Bản

chắn ngang có khoét lỗ tròn d=2,5m cho ngăn chính và d=0.45m cho hai ngăn

phụ Tấm bản mặt cầu day 12mm kiểu bản trực giao có các sườn dọc kiểu tam

giác do các giải thép ghép lại Ray kê trực tiếp lên tấm bản không có máng đá

dăm , mà chỉ qua đệm cao su Phần kết cấu chịu lực làm từ hai loại thép St-37

và St52 với trọng lượng toàn bộ 245T, tính ra chỉ tiêu trên 1m2 là 350kg

Hình 1.4.Mặt cắt ngang cầu xe lửa qua sông Ranh

Cầu xe lửa qua sông Ranh ở Ba-Zel nối CHLB Đức và Áo: cầu được xây

dựng vào năm 1957 dài toàn bộ 215,32m theo sơ đồ dầm liên tục

48,24+2x59,42+48,24 cho đường sắt 2 tuyến Chiều cao dầm 3,5-4m, tiết diện

hộp chữ nhật có máng đá dăm Tấm bản mặt cầu chiều dày 12-16mm có các

sườn dọc thép I cán 300 và 320mm, kê trên dầm ngang cũng tiết diện I600

Tấm bản hàn thành hình máng và có hàn thêm 2 bản ngang ở mép Bề mặt

bên ngoài lớp tráng kẽm chống gỉ 0,2mm có lớp phòng nước 10mm nhựa

đường nóng chảy sau đó có lớp bảo vệ 40mm Thành hộp cách nhau 5,28m

dày từ 12-16mm cao từ 3,5 ở giữa nhịp và 4m tại gối giữa, được bảo đảm ổn

định nhờ các sườn tăng cường đứng và sườn tăng cường ngang dạng thép gọc

Tấm đáy hộp dày 14đến 15mm có các sườn dọc thép [300 Đê tăng cường độ cứng cho tiết diện, bên trong hộp cấu tạo các hệ liên kết ngang dưới dạng khung Phần các kết cấu nhịp chịu lực chính làm từ thép St-52, các kết cấu thứ yếu dùng St-37 Toàn bộ kết cấu nhịp là 1040T

Gần đây một vài công trình cầu ở nước ta cũng đã sử dụng kết cấu dầm hộp thép liên hợp bản bê tông Cầu Cần Thơ là cầu dây văng có sử dụng dầm hộp thép chế tạo sẵn ở phần nhịp chính dài 210m nối với dầm bê tông cốt thép được đúc tại chỗ nhằm tăng khả năng vượt nhịp, do đó chiều dài nhịp chính của cầu Cần Thơ lên đến 550m Chính ở chỗ mối nối dầm bê tông cốt thép và dầm thép phải được thiết kế đặc biệt theo mô hình phần tử hữu hạn để chuyển tiếp ứng suất giữa hai vật liệu có độ cứng và mô đun đàn hồi khác nhau

Hình 1.5.Kết cấu dầm thép ở nhip chính cầu Cần Thơ Tiếp thành công đó là cầu Thuận Phước ở Đà Nẵng bắc qua hạ lưc sông Hàn , nối trung tâm thành phố với bán đảo Sơn Trà cũng sử dụng dầm hộp thép ở nhịp chính Cầu được thiết kế với khẩu độ lớn, hiện đại mang tính thẩm

mỹ cao Cầu có hai trụ tháp cao 92m, cách nhau 405m, tĩnh thông thuyền 27m, kết cấu với dầm hộp thép hợp kim suốt toàn bộ nhịp treo dài 645m:

120x405x120 m, đây là cầu treo dây võng có chiều dài kỷ lục ở nước ta, mố neo cáp là móng giếng chìm

Hình 1.6 Cầu Thuận Phước Cùng ngày khánh thành cầu Thuận Phước , Đà Nẵng tiếp tục cho khởi công cầu Rồng Đây là một công trình đặc biệt thể hiện tầm vóc mới của thành phố Đà Nẵng trong tương lai qua giải pháp kiến trúc mang hình dáng Rồng đang vươn mình ra biển Đông như một biểu tượng mới của thành phố đang vươn mình phát triển mạnh mẽ, vững vàng hội nhập với thế giới

Hình 1.7 Mô hình toàn cảnh cầu Rồng Cầu Rồng có tổng chiều dài cầu 666,54m gồm 5 nhịp chính và 3 nhịp dẫn Phần nhịp chính có chiều dài 592m với 2 nhịp đầu cầu là dầm hộp bê tông cốt thép dự ứng lực thi công bằng phương pháp đúc tại chỗ trên đà giáo;

3 nhịp giữa là dầm hộp thép liên tục được treo vào các vòm thép bên trên thông qua hệ thống cáp treo

Hình 1.8 Dầm hộp thép cầu Rồng

Và gần nhất là cây cầu Nhật Tân đang được thi công bởi liên danh 2 nhà thầu Nhật là Sumitomo và IHI , nối quận Tây Hồ với huyện Đông Anh, phần nhịp chính là kết cấu dây văng với dầm hộp thép, chiều dài nhịp chính là 300m Có thể nói đây là các minh chứng tiêu biểu về xu thế ngày nay sử dụng dầm hộp thép liên hợp bản bê tông

Ở các thành phố lớn hiện nay như Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh, hiện tượng tắc đường xảy ra ngày càng trầm trọng Một trong các biện pháp được quan tâm là xây dựng cầu vượt bởi nếu cầu vượt được làm bằng dầm hộp thép thì có một số các ưu điểm như có thể tạo ra những dầm có tiết diện

có độ cứng cao, độ ổn định theo các phương như nhau, chịu được tải trọng lớn, khả năng chống xoắn tốt nên có thể vượt được nhịp lớn Ngoài ra, cầu dầm hộp thép thi công nhanh ,có tiết diện thanh mảnh không ảnh hưởng mỹ

quan trong thành phố

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP TIẾT DIỆN HỘP

CÓ BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP MẶT CẦU LIÊN HỢP VỚI

Hình 2.1 Đường ảnh hưởng mô men tại giữa dầm và lực cắt tại đầu dầm -Tĩnh tải xếp lên toàn bộ chiều dài nhịp

-Hoạt tải xếp lên đường ảnh hưởng sao cho bất lợi nhất

-Tính nội lực không hệ số : mô men ở giữa nhịp và lực cắt ở gối

+Lực phân bố: Ω = q*ω

+Lực tập trung Ω = yi*Pi

-Xác định hệ số phân bố ngang cho hoạt tải : ta thường xác định 2 hệ số phân bố ngang ( phân bố ngang cho xe và cho người ) do hệ số phân bố ngang của xe và làn xấp xỉ bằng nhau

+Vẽ đường ảnh hưởng cho 1 sườn

Hình 2.2 Xếp hoạt tải theo phương ngang cầu

Hệ số phân bố phân bố ngang cho xe : xếp tải như hình vẽ

2.1.2.Quy đổi tiết diện

Quy đổi tiết diện bản từ bê tông sang thép

c

s E

A

A x

A

A y

( ta chỉ quan tâm đến tung độ trọng tâm tiết diện do ta chi xét đến dầm uốn quanh trục x)

Xác định mô men quán tính của dầm với trục trọng tâm Ix

Xác định mô men tĩnh của dầm với trục trọng tâm Sx

=

2.2.Tính theo phương pháp quy đổi về dầm thép tiết diện hộp

2.2.1.Các giả thiết

-Bề rộng của thành khá nhỏ cho phép có thể coi ứng suất phân bố đều -Dọc theo thành mỏng của tiết diện có trạng thái ứng suất là một trục, nghĩa là ứng suất theo các trục x và y bằng không và các thớ của thanh không

đè lên nhau

-Chu vi tiết diện không bị biến dạng, nghĩa là các thành mỏng vẫn thẳng

và góc tạo thành giữa chúng vẫn giữ nguyên

-Bỏ qua ảnh hưởng của ứng suất cục bộ, chẳng hạn do tiết diện thay đổi đột ngột, mối nối, mối liên kết

-Vật liệu kết cấu hoàn toàn làm việc trong giai đoạn đàn hồi và sự ổn định cục bộ được đảm bảo nhờ các biện pháp cấu tạo

2.2.2 Xác định nội lực dầm tại vị trí giữa nhịp và gối

-Tính tải trọng tĩnh bao gồm : bản mặt cầu bê tông, dầm thép, lan can, lớp phủ

-Vẽ đường ảnh hưởng mômen tại giữa nhịp và đường ảnh hưởng lực cắt tại gối

l

dah Q 1

Hình 2.4

-Tĩnh tải xếp lên toàn bộ chiều dài nhịp

-Hoạt tải xếp lên đường ảnh hưởng sao cho bất lợi nhất

-Tính nội lực không hệ số : mô men ở giữa nhịp và lực cắt ở gối

2.2.3.Quy đổi tiết diện

-Quy đổi tiết diện bản từ bê tông sang thép

c

s E E

n =

A x

A

A y

-Xác định mô men quán tính của dầm với trục trọng tâm Ix

-Xác định mô men tĩnh của dầm với trục trọng tâm Sx

2.2.4.Tính dầm tiết diện hộp chịu uốn trong mặt phẳng chính

Giả sử có dầm hộp chịu tải trọng trong mặt phẳng của trục y Dầm chịu uốn trong mặt phẳng chính quá trục y

Ứng suất tiếp trong sườn hộp có thể tính theo công thức :

δ

τ

*

* 2

*

x

x y

I

S Q

=Trong đó : Sx- mô men tĩnh của nửa phần tiết diện hộp nằm trên ( hoặc nằm) trục x

δ - bề dày sườn hộp

Trường hợp tiết diện không đối xứng đối với trục y hoặc dầm tiết diện hộp có nhiều ngăn thì vấn đề xác định ứng suất phức tạp hơn

Trong trường hợp này, dưới tác dụng của lực cắt Qy, luồng ứng suất tiếp toàn phần t ở sườn bao gồm 2 phần:

t= to + t1 (1)

trong đó:

x

o x y o

I

S Q

t = * là luồng ứng suất của tiết diện hộp hệ cơ bản không khép kín và tĩnh định bằng cách cắt một đường tiết diện hộp kính

t1 là luồng ứng suất do thực tế tiết diện hộp khép kín

Sxo là mô men tĩnh phần tiết diện xét của tiết diện hộp không

G - mô đun trượt của vật liệu

δ - bề dày thành mỏng tiết diện

Tích phân (2) lấy theo toàn bộ đường chu vi của tiết diện và gọi là phương trình hộp kín

Thay (1) vào (2) và xét tới biểu thức của to, có thể viết:

I

Q t

o x

Q t

o x

x

x

S I

Q t

Có thể chọn đường cắt sao cho t1=0 thì ứng suất tiếp sẽ đơn giản và chỉ còn là xác định to tương ứng cho tiết diện cơ bản Vị trí cắt đó là trục đối xứng

Oy của tiết diện đối xứng với trục y khi tính với lực cắt Qy Tương tự như vậy khi trục đối xứng là Ox khi tính tới lực cắt Qx

Trường hợp dầm tiết diện hộp có nhiều ngăn thì mỗi ngăn phải có một điểm cắt Chẳng hạn hộp có 3 ngăn sẽ cắt ở 3 điểm Trong trường hợp này vấn đề tính ứng suất tiếp sẽ phải xuất phát từ việc giải hệ phương trình xây dựng từ điều kiện chập hai mép ở các điểm cắt, hay gọi là hệ phương trình hộp kín

1 y

y

Hình 2.6 Hệ cơ bản của hộp có nhiều ngăn Trường hợp tổng quát, hệ phương trình hộp nhiều ngăn có dạng :

; 0

0 2 2 , 1 1

1q −S q +∫S ds=

; 0

0 3 3 , 2 2 2 2 2 ,

; 0

0 4 4 , 3 3 3 3 3 ,

………

; 0

0 ,

1 1 1 2 1 ,

−S n− n− q n− S n−q n− S n− n q n ∫S x ds

; 0

0 1

cắt ngăn i, i-1 và i+1 tiết diện hộp

Dấu tích phân (∫ )là lấy theo đường chu vi từng ngăn tương ứng

Sau khi giải được các giá trị qi sẽ xác định số mô men tĩnh Sx cho các điểm của tiết diện theo công thức:

+ Đối với các điểm nằm trên các sườn đứng bên ngoài và tấm trên hay tấm dưới của tiết diện hộp:

Sx = Sx0 + qi (5)

+ Đối với điểm nằm trên các sườn giữa 2 ngăn i và i-1:

Sx = Sx0 ±(qi - qi-1) (6) Dấu + lấy với sườn nằm về phía trái của tâm uốn của tiết diện

Dấu – lấy với sườn nằm về phía phải của tâm uốn của tiết diện

Ứng suất tiếp khi đó xác định theo công thức:

I

S Q

=Tính toán nêu trên là trong trường hợp không có hiện tượng xoắn; trong trường hợp chung là khi tải trọng xác định hướng qua tâm uốn Vị trí của tâm uốn của tiết diện không đối xứng cả với trục x và trục y xác định trên cơ sở tích phân sau:

Xét phân tố tiết diện ds, khi chịu lực cắt Qy = Ix thì luồng ứng suất tiếp sẽ

là Tx=Sxds

Điều kiện để không có xoắn là khi Qy tác dụng qua tâm uốn cách trọng tâm O một đoạn ax, được viết dưới phương trình cân bằng các mô men của các lực tác dụng :

∑M0 =I x*a x −∫S x*r.dS = 0Rút ra :

x

x x

I

dS r S

a = ∫ * Tương tự cũng có :

y y

I

dS r S

a = ∫ *

Với tiết diện hộp gồm những thành mỏng thẳng :

x

x x x

I

r T

a =∑

y

y y y

I

r T

a = ∑

Kết hợp với (5) và (6) ta có:

Tx =Tx0 +sqi

Tx =Tx0± s(qi –qi-1) Cũng xác định Ty theo công thức tương tự

Chú ý khi tiết diện có một trục đối xứng thì tâm uốn năm trên trục đó; nếu tiết diện có 2 trục đối xứng thì tâm uốn sẽ trùng với trọng tâm tiết diện

2.2.5.Tính dầm tiết diện hộp chịu xoắn tự do

Trong trường hợp dầm hộp một ngăn chịu xoắn tự do thì luồng ứng suất tiếp t không đổi trên mọi điểm đường chu vi tiết diện và xacd dinh theo biểu thức:

M t

. (13) Trong đó:

Mt - mô men xoắn tác dụng

r - bán kính cực tới phân tố ds của đường chu vi tiết diện lấy đối với một điểm bất kỳ

Ω - hai lần diện tích nằm phạm vi đường chu vi tiết diện

Như vậy ứng suất tiếp bằng:

δ δ

τ

Ω

=

(14)

Góc xoắn φ đối với tiết diện hộp chịu xoắn tự do xác định từ phương

trình vi phân:

d

t

I G

M

' =

ϕ (15) Với Id là mô men quán tính giả ước chống xoắn tự do, được xác định theo công thức:

S - chu vi tính đổi của tiết diện

Trên cơ sở (15), (16) có thể viết lại (13) :

'

trong đó dấu Σ lấy cho các phần tương ứng là các thành mỏng có chiều dài s

Tính bán kính đổi :

0

S

p= Ω

Sau khi có ω và p rồi tính theo công thức :

o

s

s p

0

=Ω

−

=

o s

s

ωω

const s

s = Ωo =ω

Đối với tiết diện hộp có nhiều ngăn thì biểu thức phương trình vi phân (15) vẫn đúng, chỉ có mô men quán tính giả ước chống xoắn xác định theo công thức sau:

i i

trong đó Ωi là hai lần diện tích của ngăn i;

pi là luồng xoắn đơn vị của ngăn i

Trong hộp có nhiều ngăn thì các luồng ứng suất tiếp t không đổi ở cách thành mỏng của mỗi ngăn, nhưng ở các thành mỏng chung giữa hai ngăn thì bằng hiệu số của các luồng ứng suất thuộc các ngăn đó Trên cơ sở đó các phương trình ngăn hộp kín có thể viết như sau :

i i

i i i i

− , − 1 −1 , + 1 +1 ϕ'

Hoặc i

i i i

i i

i

G

t s G

t s G

'

1 1 , 1

1 ,

ϕϕ

ϕ

Kí hiệu:

G

t p

G

t p G

t

i

i i

i i

'

;'

;'

1 1

i i i i

− , − 1 −1 , + 1 +1 (24)

Đại lượng p thực tế là trị số luồng ứng suất tiếp khi φ’G =1 nên đươc gọi

là luồng xoắn đơn vị

Tiết diện hộp có bao nhiêu ngăn sẽ có bấy nhiêu phương trình (24)

Sau khi giải hệ phương trình và xác định được pi từ đó có :

d

i t i

i

I

p M G p

t = ϕ' = (25)

Và τ dδ

i t i

I

p M

= (26)

Đối với tiết diện hộp này vẫn có biểu thức của độ vênh :

ϖ

G I

M W