GIÁO TRÌNH THIẾT KẾ CẦU THÉP

- Các cầu dầm đặc và dầm hình hộp tỏ ra không kinhtế đối với các nhịp lớn vì không sử dụng hết cường độ vật liệu của thành đứng, kết cấu thường nặng nề và tốn nhiều thép, do đó dầm đặc đ

-GIÁO ÁN MÔN

HỌC-THIẾT KẾ CẦU THÉP

-CHƯƠNG

1-KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

1.2 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

1.3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU THÉP

1.4 CÁC HỆ THỐNG CHÍNH CỦA CẦU THÉP

„ Cầu thép là loại cầu được sử dụng rộng rãi nhất, do tính chất ưu việt của vật liệu thép, khả năng chịu nén chịu kéo gần như nhau, chịu uốn cũng rất tốt

„ Ngày nay thép còn được đưa thêm các thành phần kim loại khác tạo ra những loại thép hợp kim có những tính năng tốt hơn và cường độ rất cao

1.1 VÀI NÉT VỀ LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN

- Cầu kim loại xuất hiện sau cầu gỗ, cầu đá

- Khoảng thế kỷ 18, khi công nghiệp kim loại châu Âu còn ở bước đầu trong quá trình phát triển Ban đầu là các cầu vòm gang ra đời và phát triển song song cùng với cầu treo bằng xích sắt Sau đó là những chiếc cầu dầm gang ra đời, khi công nghệ luyện kim phát triển cầu dầm gang được thay thế bằng cầu dầm thép

- Các cầu dầm đặc và dầm hình hộp tỏ ra không kinh

tế đối với các nhịp lớn vì không sử dụng hết cường

độ vật liệu của thành đứng, kết cấu thường nặng nề

và tốn nhiều thép, do đó dầm đặc được thay thế

bằng giàn Sự phát triển của cầu giàn theo hướng

đơn giản hóa hệ thanh bụng và sử dụng các biện pháp liên kết có hiệu quả hơn.

- Khoảng cuối thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 là thời kỳ

khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển rất mạnh

Do đó trực tiếp ảnh hưởng đến ngành xây dựng cầu

- Song song với sự phát triển của cầu giàn là sự phát triển của cầu vòm và cầu treo, các cầu vòm bằng thép có đường tên thoải, hệ vòm có thanh kéo… có khả năng vượt nhịp lớn Các

loại cầu treo dây võng và dây văng cũng phát

triển rất mạnh về chiều dài nhịp cho đến ngày nay.

- Bên cạnh sự phát triển rất mạnh của mình ngành xây dựng cầu trên thế giới gặp không ít những thất bại, điển hình nhất là 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

Ở Việt Nam, cầu Cần Thơ sập 02 nhịp dẫn

* Một số thất bại trong lịch sử phát triển:

- Chính những thất bại đó đã giúp cho các nhà khoa học nghiên cứu về cầu rút ra những kinh nghiệm để xây dựng nên những công trình cầu lớn như hiện nay.

- Ở Việt Nam cầu thép được xây dựng chủ yếu

từ thời thực dân Pháp đô hộ Hầu hết các cầu đều làm bằng thép, điển hình nhất là cầu Cầu

Long Biên là cầu giàn mút thừa l=130m và nhịp treo l tr =52,5m( Σl gần 3km), cầu Hàm

Rồng là cầu vòm ba khớp chạy dưới có thanh

kéo nhịp l=160m (cầu bị phá huỷ năm 1946)

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

- Phương hướng thứ nhất là sử dụng các loại thép

chất lượng cao nhằm giảm giá thành công tác duy

tu bảo quản và sơn cầu

+ Nghiên cứu các biện pháp chống gỉ cho vật liệu thép

1.2 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN

- Phương hướng thứ hai là tiếp tục nghiên cứu

tìm kiếm các hệ liên hợp để vượt các nhịp

dài, có tính thẩm mỹ cao:

+ Sơ đồ cầu thép hệ liên hợp tiếp tục được nghiên cứu áp dụng.

+ Dự án cầu treo và cầu dây văng liên hợp

có nhịp 5000m đang được triển khai.

+ Cầu vòm có thanh kéo thế hệ mới với ống thép nhồi bêtông

- Phương hướng thứ ba là tìm cách giảm khối lượng

và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép:

+ Dầm thép liên hợp với bản BTCT hoặc bản mặt cầu bằng thép trực hướng.

+ Các loại tiết diện hộp kín được nghiên cứu áp dụng để tăng cường độ, độ cứng chống xoắn và để tạo môi trường không gỉ bên trong lòng hộp

+ Các loại liên kết mang tính công nghiệp hiện đại: liên kết hàn và bulông cường độ cao, liên kết dán.

+ Sau cùng là vấn đề điều chỉnh nội lực

1.3 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU THÉP

1.3.1 Phân loại thép công trình

- Các tính chất cơ học của thép công trình điển hình được miêu tả bằng bốn đường cong ứng suất-biến

dạng trên Hình 1.2 Mỗi đường thể hiện một loại thép

có thành phần đáp ứng được các nhu cầu đặc biệt

- Tiêu chuẩn thống nhất cho thép cầu trong ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M-94a (M chỉ mét và 94a

Hình 1.2 Các đường cong ứng suất - biến dạng điển hình

Bảng 1.1 Các tính chất cơ học tối thiểu của thép công trình về

hình dạng, cường độ và độ dày

a Thép cácbon dùng cho cầu thép

- Thép cácbon có thể được chế tạo từ các loại thép vụn hoặc xác ôtô, được đưa vào lò luyện cho đến khi đạt được các tính chất cơ học cấn thiết

- Một trong những tính chất cơ bản của thép cácbon cho cầu thép là dễ xác định cường độ chảy (Fy=250MPa) tiếp theo là thềm chảy trong vùng chảy dẻo.

- Đây là loại thép chế tạo đơn giản nhất trong các loại thép dùng cho công trình Cầu.

- Thép Cácbon chịu hàn tốt và thích hợp cho bản, thanh

và các loại thép hình cho công trình

b Thép hợp kim thấp cường độ cao

- Các loại thép này có được cường độ chảy và kéo lớn hơn thép Cácbon, nhưng tỷ lệ các chất phụ gia nhỏ hơn thép hợp kim.

- Thép hợp kim thấp có cường độ chảy cao (Fy=345MPa) khi cán nóng, cao hơn sẽ gia công nhiệt

sẽ

- Thép hợp kim thấp cường độ cao chịu hàn và thích hợp

c Thép hợp kim thấp gia công nhiệt

- Thép hợp kim thấp cường độ cao có thể gia công nhiệt để đạt cường độ chảy cao hơn (Fy=485MPa) Thành phần hoá học của các cấp 345W và 485W gần như giống nhau

- Gia công nhiệt nhúng nóng làm thay đổi vi cấu trúc của thép và nâng cao cường độ, độ cứng và độ dai.

- Thép hợp kim thấp gia công nhiệt chịu hàn, nhưng chỉ thích hợp cho tấm Tính chống gỉ trong không khí giống thép hợp kim thấp cường độ cao.

d Thép hợp kim cường độ cao gia công nhiệt

- Cường độ chảy F y > 690MPa và độ dai lớn hơn ở nhiệt độ thấp

- Tính dẻo thấp hơn và để thận trọng cần phải làm thí nghiệm trước khi sử dụng thép gia công nhiệt.

- Chỉ thích hợp cho thép tấm dùng trong công trình cầu

- Thép hợp kim có tính bền gỉ cao nhất trong bốn nhóm

1.3.2 Các loại thép hình dùng trong cầu thép

a Thép bản, thép tấm.

- Thép tấm thường có chiều dài từ 4,5 - 8m(đặc biệt 5-18m); rộng từ 1,2 - 2,2m; chiều dày đến 60mm

- Các yêu cầu cấu tạo:

+ Chiều dày thép tấm phải đảm bảo:

* Đối với bộ phận chính: δ ≥ 10~12mm

* Đối với bộ phận phụ : δ ≥ 8mm

* Đối với bộ bản đệm : δ ≥ 4mm

* Đối với bộ bản nút : δ ≥ 10mm

+ Bản thép trong kết cấu hàn không nên lấy dày quá:

* Đối thép than (cacbon) : δ ≤ 50mm

* Đối thép hợp kim : δ ≤ 40mm

2 Thép hình “S” có dạng chữ I đối xứng, phía trong bản

biên vát nghiêng với độ dốc 16(2/3)%

3 Thép hình “HP” có dạng chữ H, cánh rộng, thường

dùng làm cọc đóng, có chiều dày vách và biên như nhau, chiều cao và chiều rộng như nhau.

h=76~622 h =106 ~1118

b=100~424 b=59~204

h=97 ~305 h =204~361 c)

4 Thép hình “M” có dạng chữ I không thuộc loại “W”,

“HP”, “S”.

5 Thép hình “C” dạng lòng máng, phía trong vát nghiêng 6 %.

6 Thép hình “MC” dạng lòng máng

7 Thép hình “L” cánh bằng nhau.

8 Thép hình “L” cánh không bằng nhau.

1.4 CÁC HỆ THỐNG CHÍNH CỦA CẦU THÉP

- Thép là vật liệu đẳng hướng, có khả năng chống đỡ

tốt mọi tác động của ngoại lực, cho nên cầu thép có thể

làm với mọi kiểu dáng và mọi hệ thống

- Về mặt tĩnh học có thể phân loại thành những hệ thống cầu như sau:

Hệ thống cầu dầm

1.4.2 Hệ thống cầu giàn:

- Đặc điểm:

+ Cũng giống như cầu dầm, cầu giàn chỉ truyền áp lực thẳng đứng.

+ Dễ tiêu chuẩn hoá và định hình hoá kết cấu nói chung

và từng thanh từng phân tố nói riêng.

+ Thi công tương đối đơn giản, lắp ráp theo công nghệ hẫng không cần giàn giáo.

+ Có thể làm cầu đơn giản, liên tục, mút thừa.

+ Mặt cầu có thể bố trí đi trên hoặc đi dưới, đi giữa

- Phạm vi sử dụng:

+ Được sử dụng khá phổ biến.

+ Chiều dài nhịp thông thường từ 50-60m đến 150m, có thể đạt nhịp trên 500m

120m-§−êng xe ch¹y a)

b)

c)

d)

§−êng xe ch¹y

-Phạm vi sử dụng:

+ Trước kia thường dùng để vượt nhịp lớn

+ Ở những nơi địa hình, địa chất thích hợp thì cầu vòm rất kinh tế (vì đất làm nhiệm vụ như một thanh biên dưới của giàn, vòm như thanh biên trên).

+ Sử dụng ở những nơi đòi hỏi mức độ mỹ quan cao.

Hệ thống cầu vòm

Hệ thống cầu khung

- Đặc điểm:

+ Là do các hệ đơn giản hợp lại với nhau.

+ Đây là các hệ siêu tĩnh nên thường được điều chỉnh hoặc gây tạo nội lực trước ngược dấu với nội lực

1.4.6 Hệ thống cầu treo:

- Đặc điểm:

+ Thực chất đây cũng là một dạng liên hợp giữa dầm và dây: dầm cứng được dây treo đỡ, dây sẽ chịu lực chính.

+ Dây treo dạng parabol hoặc dạng cung tròn

+ Cầu treo có hoặc không có lực ngang truyền xuống đất + Kết cấu chịu lực chủ yếu là dây làm bằng thép cường

độ cao (tới 1800 ÷ 2000MPa ) chịu kéo rất thích hợp và kinh tế.

- Phạm vi sử dụng:

+ Thường sử dụng để vượt nhịp rất lớn, từ 500÷600m đến 1500÷1600m.

+ Cầu treo có thể làm liên tục hoặc mút thừa.

- Đặc điểm :

+ Dây là kết cấu chịu lực chính

+ Các dây treo để thẳng và có tác dụng như gối tựa đàn hồi cho các dầm cứng.

1.4.7 Hệ thống cầu dây văng:

b)

CHƯƠNG 2

-HÖ mÆt cÇu Cña cÇu thÐp

2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI 2.2 MẶT CẦU ÔTÔ

2.3 MẶT CẦU XE LỬA 2.4 HỆ THỐNG DẦM MẶT CẦU

2.1 KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI

- Hệ mặt cầu là phần trực tiếp chịu tác dụng của hoạt tải, tiếp nhận áp lực từ bánh xe hoạt tải và truyền tới kết cấu chịu lực chính là kết cấu nhịp.

-Trong cầu thép, kết cấu nhịp có thể cấu tạo khác nhau

về sơ đồ và hệ thống, nhưng mặt cầu đều giống nhau

2.1.1 Khái niệm

- Hệ mặt cầu bao gồm:

+ Mặt cầu + Hệ thống dầm mặt cầu

-Yêu cầu chung: Đảm bảo độ bằng phẳng, nhẹ để

giảm bớt tĩnh tải, ít hao mòn, không gây xung kích, tuổi thọ cao Mặt cầu phải được cấu tạo độ dốc ngang và dốc dọc để giải quyết vấn đề thoát nước.

- Ngày trước có loại mặt cầu ôtô làm bằng gỗ nhưng chỉ chịu tải trọng nhỏ và tuổi thọ kém Ngày nay, mặt

cầu ôtô thường làm bằng bêtông cốt thép hoặc

bằng thép (kim loại)

2.2 MẶT CẦU ÔTÔ

- Bản Bêtông cốt thép có thể đúc tại chỗ (toàn khối) hoặc bản lắp ghép

- Khi khoảng cách giữa các dầm chủ nhỏ (< 2,5÷3,0m) thì bản BTCT có thể đặt trực tiếp lên dầm chủ, hoặc

sử dụng bản mặt cầu BTCT ứng suất trước

- Bản BTCT lắp ghép có thể làm với tiết diện chữ nhật, tiết diện chữ U lật ngược

- Để tạo êm thuận và bảo vệ bản, trên mặt bản BTCT

2.2.1 Mặt cầu bêtông cốt thép (BTCT):

a Cấu tạo:

2-3m 2-3m

Hình 2-1 Mặt cầu bêtông

B = 6-8m

b Ưu điểm:

- Chất lượng sử dụng cao, bề mặt bằng phẳng, khả năng bám của bánh xe tốt, ít gây xung kích, giữa mặt đường trong cầu và mặt đường ngoài cầu tương đối đồng nhất

c Nhược điểm:

-Trọng lượng bản MC BTCT rất nặng (khoảng 600÷800kg/m 2 )

d Phạm vi sử dụng:

- Loại mặt cầu này được sử dụng rất phổ biến trong

2.2.2 Mặt cầu bằng kim loại:

a Cấu tạo:

- Mặt cầu bằng kim loại hầu hết được làm bằng thép, phía trên được rải một lớp bêtông nhựa hoặc bêtông xi măng.

- Mặt cầu bằng thép thường dưới dạng kết cấu bản trực giao, trên mặt bản thép hàn dính một lưới thanh thép φ6mm với ô mắt cáo 100÷150mm để tăng độ liên kết của lớp bêtông nhựa rải trên mặt bản thép Các sườn cách nhau khoảng 200÷400mm, có thể dùng thép hình đặc biệt để tăng độ cứng chống xoắn.

líp phñ 3-5cm lủi cỉt thÐp

tÍm thÐp d=10-12mm

sườn tăng cường

Hình 2-2 Mặt cầu bằng thép

d Phạm vi áp dụng:

- Sử dụng khi muốn giảm

tĩnh tải bản thân kết cấu

2.3 MẶT CẦU XE LỬA

Kết cấu mặt cầu xe lửa có 2 loại:

+ Mặt cầu có tà vẹt đặt trực tiếp lên dầm.

- Đối với khổ cầu đường sắt 1000mm thì các dầm có thể bố trí khoảng cách nhỏ hơn

- Không đặt ray trực tiếp lên đỉnh dầm mà thông qua

tà vẹt gỗ để đường có độ đàn hồi

1520

b Ưu điểm:

- Tạo được sự đồng nhất giữa đường trong cầu và đường ở ngoài cầu.

c Nhược điểm:

- Trọng lượng bản thân lớn, đặc biệt khi sử dụng máng bằng bêtông, khi đó các dầm đỡ phải lớn cho nên sẽ bất lợi khi nhịp cầu lớn.

Nếu cấu tạo máng đá dăm bằng thép thì phải quan tâm vấn đề chống gỉ, đây là một vấn đề khá khó giải quyết mặc dù có lớp phòng nước.

d Phạm vi áp dụng:

- Mặt cầu máng đá dăm được dùng trong những cầu nhịp nhỏ vì những ưu điểm của nó Khi cầu nhịp lớn thường ít sử dụng loại mặt cầu này.

- Ngày nay có một xu hướng không dùng tà vẹt và đá dăm mà đặt ray trực tiếp qua một đệm đàn hồi.

2.4 HỆ THỐNG DẦM MẶT CẦU:

2.4.1 Nhiệm vụ của hệ thống dầm mặt cầu:

- Hệ thống dầm mặt cầu gồm có các dầm dọc, dầm ngang làm nhiệm vụ:

+ Đỡ phần mặt cầu.

+ Truyền tải trọng từ phần mặt cầu tới kết cấu chịu lực chính (dầm chủ); truyền tải trọng vào đúng nút giàn chủ (đối với cầu giàn).

2.4.2 Cấu tạo chung

- Khoảng cách giữa các dầm dọc mặt cầu hoặc các dầm ngang phụ thuộc kết cấu mặt cầu, khoảng cách giữa các dầm chủ hoặc giàn chủ, chiều dài khoang giàn chủ Đối

với cầu ôtô khoảng cách b có thể từ 1,2÷1,5m đến 2,5 ÷

3,0m hoặc hơn.

-Dầm mặt cầu thường có tiết diện chữ I Khi nhịp nhỏ, tải trọng nhẹ có thể dùng thép I cán nóng, khi nhịp lớn dùng thép I tán ghép hoặc thép I hàn

12

1 8

1 l

h = ÷

10

1 7

1 l

1 l

- Tiết diện dầm phải đảm bảo về cường độ và độ võng

- Dầm ngang thường có tiết diện lớn hơn dầm dọc Khi các dầm chủ đặt rất xa nhau, có thể cấu tạo giàn ngang thay cho dầm ngang.

- Sườn dầm ngang tại vị trí dầm dọc kê lên phải có sườn tăng cường để tăng cường ổn định cho sườn dầm và biên dầm ngang.

- Dầm ngang tại vị trí nút gối phải xét tới khả năng kích kết cấu nhịp.

2.4.3 Liên kết trong hệ thống dầm mặt cầu

2.4.3.1 Liên kết dầm dọc vào dầm ngang:

Dầm dọc liên kết vào dầm ngang có thể bố trí như sau:

+ Dầm dọc đặt chồng lên dầm ngang, + Biên trên dầm dọc cao hơn dầm ngang (rất ít sử dụng)

+ Dầm dọc và dầm ngang có biên trên đồng mức, + Biên trên dầm dọc ở mức thấp hơn biên trên

a) Liín kết dầm dọc đặt chồng lín dầm ngang:

Hình 2-6 Liên kết kiể u dầm dọc đặt chồng lên dầm ngang

B-B

- Ưu điểm:

+ Chiều cao kiến trúc nhỏ, + Liên kết chắc chắn, bản mặt cầu kê đến lên dầm dọc, dầm ngang,

+ Khi chiều cao dầm dọc và dầm ngang cao bằng nhau thì cấu tạo đơn giản hơn

- Nhược điểm:

+ Tốn thép cho bản cá nối bả n biên của dầm dọc + Nếu chiều cao dầm dọc và dầm ngang không bằng nhau thi phải tốn thêm vai kê.

c) Liín kết với biín dầm dọc đặt thấp hơn:

Hình 2-9 Liên kết kiể u biên dầm dọc thấp hơn dầm ngang

- Ưu điểm:

+ Có được chiều cao kiến trúc nhỏ nhất.

+ Liên kết cũng khá đơn giản

2.4.3.2 Liên kết dầm ngang vào giàn chủ hoặc dầm chủ:

H çn h 2 - 1 0 L i ã n k ã út d á öm n g a n g v a ìo g i a ìn c h u í

- Cấu tạo liên kết dầm ngang vào dầm chủ hoàn toàn giống như liên kết dầm dọc vào dầm ngang.

- Đơn giản nhất là chỉ dùng thép (L) liên kết áp vào sườn dầm ngang mà đủ bảo đảm truyền lực

- Khi cần phải tăng diện bố trí đinh tán có thể cấu tạo bản góc (với điều kiện phần sườn dầm ngang đủ bố trí 60÷70% số đinh cần thiết)

- Khi bản góc lớn sẽ ảnh hưởng tới bề rộng phần xe chạy Hơn nữa những đinh tán phía trên của thép góc liên kết (nơi áp vào bản nút) dễ bị kéo dứt đầu Cho nên

3.1 GIỚI THIỆU CHUNG

- Loại cầu thép phổ biến nhất cho các nhịp nhỏ và vừa trên đường ô tô là cầu thép

- Với các nhịp nhỏ (< 25m) thông thường dầm chủ được làm bằng thép cán I (Hình Vẽ) Đối với các nhịp lớn hơn thường dùng dầm I ghép có tiết diện lớn hơn.

Cầu dầm thép I cán

3.1.1 Ưu, khuyết điểm của cầu dầm thép

- Kết cấu nhịp cầu thép thường có chiều cao kiến trúc nhỏ hơn cầu BTCT do đó thích hợp khi làm các cầu vượt.

3.1.1.2 Nhược điểm

- Chi phí khai thác lớn để chống gỉ kết cấu thép Trong một số trường hợp giá thành của việc cạo gỉ, sơn và tiêu huỷ phế thải bằng với việc huỷ

bỏ cầu cũ, xây dựng cầu mới

- Gỉ kết cấu nhịp và các bộ phận bằng thép thường chảy xuống mố trụ gây mất mỹ quan chung.