Công trình nhân tạo: Cầu thép

1.1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG. 1.1.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU THÉP. Đặc điểm nổi bật của thép là có tính chịu lực cao với mọi loại ứng suất (kéo, nén, uốn, cắt, xoắn, …) do đó có thể dùng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như cầu dầm, cầu dàn, cầu vòm, cầu treo, … và các hệ thống 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 lớn mà các loại cầu khác không thực hiện được. Thép có cường độ cao nhưng module đàn hồi lớn, do đó độ cứng lớn, độ võng nhỏ, nên cầu thép vẫn đáp dứng được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng có chu kỳ 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 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 lí hoá, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ và module đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi. Module 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 hoá, tự động hoá chế tạo trong công xưởng. Một đặc điểm quan trọng của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy như bulông, đinh tán, hàn và dán. Các loại liên kết này đảm bảo tính lắp ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo, có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, công trình tạm và các công trình phục vụ quốc phòng. Nhược điểm cơ bản của thép là hiện tượng gỉ dưới tác dụng của môi trường ẩm, mặn, axít và các hơi độc khác. Gỉ thép làm giảm tiết diện chịu lực, làm hư hỏng liên kết và giảm tuổi thọ của công trình. → Do đặc điểm trên, cầu thép thường dùng cho kết cấu nhịp của các cầu lớn trên đường sắt, đường ôtô, và các loại cầu tạm (yêu cầu thi công nhanh), các loại cầu quân sự (yêu cầu tháo dỡ nhanh và vận chuyển nhẹ nhàng). Mố trụ và các kết cấu móng chủ yếu dùng BTCT.

CHƯƠNG 4

CẦU THÉP

§1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP 1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG

1.1.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU THÉP

Đặc điểm nổi bật của thép là có tính chịu lực cao với mọi loại ứng suất (kéo, nén, uốn, cắt, xoắn, …) do đó có thể dùng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như cầu dầm, cầu dàn, cầu vòm, cầu treo, … và các hệ thống 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 lớn mà các loại cầu khác không thực hiện được

Thép có cường độ cao nhưng module đàn hồi lớn, do đó độ cứng lớn, độ võng nhỏ, nên cầu thép vẫn đáp dứng được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng có chu kỳ 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 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 lí hoá, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ

và module đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi Module 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 hoá, tự động hoá chế tạo trong công xưởng

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

Nhược điểm cơ bản của thép là hiện tượng gỉ dưới tác dụng của môi trường ẩm, mặn, axít và các hơi độc khác Gỉ thép làm giảm tiết diện chịu lực, làm hư hỏng liên kết

và giảm tuổi thọ của công trình

→ Do đặc điểm trên, cầu thép thường dùng cho kết cấu nhịp của các cầu lớn trên đường sắt, đường ôtô, và các loại cầu tạm (yêu cầu thi công nhanh), các loại cầu quân sự (yêu cầu tháo dỡ nhanh và vận chuyển nhẹ nhàng) Mố trụ và các kết cấu móng chủ yếu dùng BTCT

1.1.2 ƯU ĐIỂM

Thép là loại vật liệu xây dựng hoàn chỉnh nhất Thép có phẩm chất cao như tính đồng nhất, đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy Thép có cường độ chịu kéo và nén cùng 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 BTCT DƯL, 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 (KCN) cầu thép nhẹ hơn BTCT, do đó giảm giá thành kết cấu phần dưới, đặc biệt có ý nghĩa khi địa chất xấu

KCN cầu thép thường có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu BTCT, điều này rất có ý nghĩa khi cần giảm chiều cao kiến trúc (các cầu vượt, cầu cạn, … )

Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu BTCT

1.2 VẬT LIỆU THÉP DÙNG TRONG XÂY DỰNG CẦU

1.2.1 KHÁI NIỆM CHUNG

Vật liệu kim loại nói chung chia làm 2 loại: kim loại màu và kim loại đen

Kim loại đen bao gồm sắt và các hợp kim của sắt với cacbon cùng với một số

nguyên tố khác như Mn, S, Si, P, …

Theo hàm lượng Cacbon, kim loại đen còn được chia ra: gang và thép

Gang là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon ≥ 2% (gang thường có

Kim lo¹i mμu Kim lo¹i ®en

Thép là hợp kim của sắt và cacbon với hàm lượng cacbon < 2%

Thép còn được phân chia ra làm hai loại: thép cacbon và thép hợp kim

Thép cacbon: chủ yếu là Fe và C, ngoài

ra còn có các nguyên tố khác như Mn, Si, P, S …

nhưng các nguyên tố này đều là tạp chất ít nhiều

có ảnh hưởng đến tính chất của thép và không thể

loại bỏ được trong quá trình luyện thép Theo hàm

lượng cacbon, người ta chia ra: thép cacbon thấp,

trung bình và cao

Thép hợp kim: để tăng cường các tính

chất kỹ thuật của thép, người ta cho thêm vào

thép những nguyên tố kim loại khác như Mn, Cr,

Ni, Al, Cu, … các nguyên tố này gọi là các nguyên

tố hợp kim hoá

1.2.2 PHÂN LOẠI THÉP THEO 22TCN 272 – 05

Thép dùng để làm cầu bao gồm có bốn loại, nhận biết qua các thành phần hoá học và cách gia công nhiệt:

- Thép các bon

- Thép hợp kim thấp cường độ cao

- Thép hợp kim thấp tôi nhúng

- Thép hợp kim cường độ cao tôi nhúng

Hai tính chất của tất cả các loại thép công trình được coi là không đổi:

- Module đàn hồi Es = 200000Mpa

- Hệ số giãn nở nhiệt α = 1.17x10-5 [1/0C]

Một tiêu chuẩn thống nhất cho thép cầu được đưa ra trong ASTM vào năm 1995 với ký hiệu A709/A709M – 94a Các tính chất cơ học tối thiểu được thể hiện trong bảng dưới đây:

Thép cacbon Hàm lượng C

Thấp C ≤ 0.25%

Trung bình 0.25% ≤ C ≤ 0.6% Cao 0.6% ≤ C ≤ 2%

Thép hợp kim Hàm lượng nguyên

tố hợp kim Thấp ≤ 2.5%

Trung bình 2.5% ≤ C ≤ 10% Cao C ≥ 10%

Thép

các bon

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Thép hợp kim thấp tôi nhúng

Thép hợp kim tôi nhúng cường độ cao Theo

AASHTO

M270

Cấp 250

M270 Cấp 345

M270 Cấp 345W

M270 Cấp 485W

M270 Cấp 690/690W Theo

ASTM

A709M

Cấp 250

A709M Cấp 345

A709M Cấp 345W

A709M Cấp 485W

A709M Cấp 690/690W Chiều

dày tấm

Tối đa

100mm

Tối đa 100mm

Tối đa 100mm

Tối đa 100mm

Tối đa 65mm

65 ÷ 100mm

Trong đó Fu: Cường độ chịu kéo của thép

Fy: Cường độ chảy của thép

W: Chỉ loại thép chống gỉ

§2 CẦU DẦM THÉP ĐẶC 2.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG

1 2

Các dầm chủ liên kết với nhau bằng các hệ liên kết dọc và ngang đảm bảo cho kết cấu nhịp (KCN) là một kết cấu không gian không biến hình và có đủ độ cứng chịu được những tải trọng nằm ngang tác dụng theo phương ngang cầu Các dầm ngang ở đầu dầm và tại các điểm trung gian tạo độ cứng ngang và phân bố tải trọng tập trung lên các dầm dọc

Trong KCN cầu tối thiểu phải có một hệ thống liên kết dọc và những liên kết ngang tại gối

Bên trên dầm thép thường là bản BTCT vừa làm bản mặt cầu cho xe chạy, vừa tạo độ cứng ngang của các dầm dọc

Cầu dầm thép có ưu điểm đặc biệt là cấu tạo đơn giản, trọng lượng bản thân nhẹ, thi công nhanh chóng, không cần giàn giáo nên rất thích hợp cho các công trình cầu cần xây dựng nhanh và các cầu địa phương

2.2 CẤU TẠO CỦA DẦM CHỦ

- Mặt cắt chữ I (định hình, nối ghép bằng hàn hoặc đinh tán, bulông cường độ cao)

Chiều cao dầm chủ ảnh hưởng rất lớn đến kỹ thuật

và giá thành công trình Xác định chiều cao dầm chủ dựa trên yêu cầu sau:

- Trọng lượng dầm phải đạt nhỏ nhất có thể

- Độ cứng của dầm trong mặt phẳng thẳng đứng phải đảm bảo độ võng quy định f ≤ [f]

- Kích thước, trọng lượng các mảnh dầm đảm bảo được điều kiện chuyên chở, lao lắp

- Chiều cao kiến trúc nhỏ, giảm khối lượng đất đắp đầu cầu

- Sử dụng tốt các thanh, tấm thép cán có kích thước thông thường mà không phải tạo mối nối dọc

Dựa vào những tính toán lý thuyết kết hợp với các

số liệu thực tế thì chiều cao dầm có thể xác định theo công thức:h M

R

α

=δ Trong

đó:

α:

M:

hệ số, lấy bằng 2.5 ÷ 2.7 momen uốn tính toán ở mặt cắt giữa dầm

δ: bề dày sườn dầm Ngoài ra có thể xác định chiều cao dầm chủ theo kinh nghiệm sau đây, dựa trên chiều dày nhịp:

Với cầu đường bộ: h 1 1 L

Bề dày sườn dầm được chọn theo tính toán chịu cắt và đảm bảo ổn định cục bộ

Có thể xác định bề dày sườn dầm theo công thức sau, ở đây hs là chiều cao sườn dầm (tính bằng cm):

Với dầm tán nối: δmin ≥10mmVới dầm hàn nối: δmin ≥12mm

2.2.2.3 Chiều rộng bản cánh:

δ

bc b b

a1 a2

Bề rộng bản cánh phải thoả mãn điều kiện tối thiểu:

Quy trình 22TCN – 18 – 79 quy định thép góc liên kết sườn dầm với cánh dầm không được nhỏ hơn L100x100x10mm

- Số lượng bản thép trong tập bản cũng không được vượt quá 7 ÷ 9 tấm

2.3 CẤU TẠO SƯỜN TĂNG CƯỜNG

Nhiệm vụ của sườn tăng cường (STC):

- Đảm bảo ổn định cục bộ cho sườn dầm

- Phục vụ yêu cầu cấu tạo: là chỗ để lắp các liên kết ngang của KCN

Một số yêu cầu về cấu tạo:

- STC có thể làm bằng thép góc (nếu dùng liên kết đinh tán) hoặc thép bản (nếu dùng liên kết hàn)

- STC nên đặt đối xứng ở cả hai bên của sườn dầm

- Bề dày STC không được nhỏ hơn

hay bản cánh của dầm ở gối

Miếng đệm được hàn đính vào

đầu STC và không hàn vào cánh

- Ở chỗ tiếp giáp giữa STC đứng

với STC ngang, và với cánh dầm

hoặc bản tiết điểm nằm ngang

2.4 CẤU TẠO MỐI NỐI

2.4.1 SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ MỐI NỐI

- Do kích thước thép cán (thép tấm, thép I, …) có hạn, khi chiều dài dầm chủ lớn thì phải nối ghép

- Để thuận tiện cho việc vận chuyển và lắp ráp Ở xưởng, chỉ chế tạo những đoạn dầm nhỏ, ra công trường mới nối ghép thành dầm hoàn chỉnh

2.4.2 YÊU CẦU CỦA MỐI NỐI

- Tại mối nối thép cơ bản bị gián đoạn phải có các thành phần phụ đủ thay thế

để truyền lực tránh ứng suất tập trung và không có bộ phận nào bị quá tải

- Mối nối phải đơn giản, dễ thực hiện, dễ duy tu bảo dưỡng, có thể định hình

- Nếu mối nối để tạo độ vồng xây dựng thì mối nối phải đảm bảo đúng độ vồng theo thiết kế

2.4.3 MỐI NỐI SƯỜN DẦM

- Sườn dầm chịu cắt là chủ yếu nên hạn chế nối ở chỗ có lực cắt lớn

- Bản bụng thường nối theo kiểu đối đầu, có hai bản nối ghép đối xứng để giảm

số lượng đinh, hạn chế nối chồng tránh truyền lực lệch tâm và tăng số lượng đinh

- Nối sườn dầm bằng bản táp có chiều cao lọt vào trong khoảng 2 thép góc của cánh trên và cánh dưới không tốt vì khi đó các thép góc làm việc quá tải

Mối nối sườn dầm có bản táp không phủ lên thép góc

- Nên có các bản táp phủ lên cánh thép góc như vậy thép góc không quá tải và giảm bớt số đinh vì các đinh càng ở xa trọng tâm nhóm đinh thì càng làm việc nhiều hơn

- Có thể dùng các thép góc để nối thép góc nhưng tốt hơn là dùng thép bản vì như vậy không phải gọt sống thép góc nối

Mối nối sườn dầm có bản táp phủ lên cánh thép góc có 4 bản lót phụ, bản lót này dày

- Mối nối đối đầu đơn giản nhưng tốn nhiều bản táp, nếu tiết diện bản cánh lớn thì mối nối này không phù hợp

- Mối nối so le có bản cánh và thép góc gián đoạn ở nhiều vị trí khác nhau, mối nối này tốn ít bản táp, tuy vậy để vận chuyển đến công trường thì gặp khó

khăn do đầu các bản thép thừa ra quá mỏng nên dễ bị cong vênh, lắp ráp ở công trường cũng khó khăn do các khối dầm chỉ thuận tiện cẩu nâng, hạ theo phương thẳng đứng

1 2

1 2

5 1

4 2

Mối nối đối đầu và mối nối so le

1 Sườn dầm 2 Cánh dầm 3 Thép góc dầm chủ 4 Bản táp trên 5 Bản táp dưới

2.4.5 CÁCH TẠO ĐỘ VỒNG BẰNG MỐI NỐI

Có nhiều cách tạo độ vồng, nhưng tạo đồ vồng bằng mối nối vừa kinh tế, vừa dễ thi công Trừ trường hợp dầm ngắn không cần phải nối thì khi đó không cần tạo độ vồng

Muốn vậy cần đặt các đoạn dầm nghiêng với mặt nằm

ngang 1 góc α1, α2 Để đạt được điều đó, bản táp mối nối sườn

dầm được đặt sao cho cột đinh trên đoạn l1, l2 nghiên với trục

Trường hợp này ta đặt cho đoạn giữa nằm ngang, các

đoạn đầu và cuối nghiêng với đoạn giữa những góc α1, α2 Ta cần

ở vị trí mối nối đạt được độ vồng là fV

2.5 CẤU TẠO HỆ LIÊN KẾT

21

- Hệ liên kết ngang liên kết các dầm chủ, tạo cho dầm chủ có độ cứng ngang

- Liên kết ngang tham gia vào việc phân phối tải trọng đều hơn cho các dầm chủ

- Các liên kết ngang ở gối còn dùng để kích dầm khi sửa chữa, v.v… do đó mà

hệ liên kết ngang ở đầu dầm thường được cấu tạo chắc chắn hơn các liên kết ngang khác

- Quy trình của Nhật quy định: phải bố trị hệ liên kết ngang tại gối và tại giữa nhịp dầm chủ Cầu dầm I hay chữ π phải có các liên kết ngang trung gian, khoảng cách giữa các liên kết ngang không nên vượt quá 6m và không lớn hơn 30 lần chiều rộng bản cánh

- Liên kết ngang có thể làm bằng thép chữ I, [ hoặc bằng thép góc Liên kết ngang có thể liên kết trực tiếp vào sườn tăng cường, cũng có thể liên kết với sườn tăng cường đứng thông qua bản tiết điểm của liên kết ngang

Các dạng liên kết dọc

1 Dầm chủ 2 Hệ liên kết ngang 3 Hệ liên kết dọc 4 Bản tiết điểm

- Hệ liên kết dọc chủ yếu là để chịu lực ngang tác dụng lên kết cấu nhịp (lực gió, lực lắc ngang, …)

- Hệ liên kết dọc cùng với hệ liên kết ngang tạo cho mạng dầm có độ cứng chống xoắn nên cũng có quan điểm cho rằng hệ liên kết dọc góp phần phân phối đều hơn tải trọng thẳng đứng cho các dầm chủ khi tải trọng đặt lệch tâm

- Quy trình của Nhật quy định: cầu dầm đặc tiết diện chữ I nói chung phải có liên kết dọc trên và dưới để truyền tải trọng ngang một cách điều hoà lên gối cầu

- Trong cầu dầm đặc chạy trên, dầm chủ liên kết với bản mặt cầu bằng thép (bản trực hướng) hay bản BTCT (dầm liên hợp), để chống lại biến dạng ngang thì có thể không cần hệ liên kết dọc

- Nếu nhịp không vượt quá 25m và có bố trí liên kết ngang cứng thì có thể bỏ qua liên kết dọc dưới, nhưng đối với cầu cong thì không được bỏ qua

- Các thanh của hệ liên kết dọc có thể cấu tạo bằng một hoặc hai thép góc Hai đầu thanh được hàn, tán đinh hoặc bắt bulông cường độ cao vào bản tiết điểm của hệ liên kết dọc Các bản tiết điểm này được gắn trên sườn dầm chủ

- Bản tiết điểm của hệ liên kết dọc có thể cấu tạo thành hai miếng để sườn tăng cường đứng không bị gián đoạn ở chỗ giao với bản tiết điểm

- Các thanh của liên kết ngang cũng được coi như là một thanh của hệ liên kết dọc

2.6 CÁC BIỆN PHÁP TĂNG CƯỜNG MẶT CẮT DẦM CHỦ

2.6.1 BIỆN PHÁP BỔ SUNG TIẾT DIỆN

- Táp thêm bản thép vào bản cánh trên và dưới của dầm chủ, liên kết bằng bulông cường độ cao

- Tán thêm 2 thép góc vào sát với thép góc liên kết của cánh dầm, trong trường hợp này phải cắt ngắn sườn tăng cường

1 2 3

Bổ sung tiết diện dầm chủ bằng cách táp thêm bản thép

1 Táp thêm bản đáy cho dầm hàn

2 Táp thêm bản đáy cho dầm đinh tán

3 Táp thêm bản nắp và đáy cho dầm đinh tán

Bổ sung tiết diện dầm chủ bằng thép góc

2.6.2 BIỆN PHÁP LIÊN HỢP HOÁ TIẾT DIỆN

- Thay thế mặt cầu từ bản kê thành bản liên hợp, áp dụng cho cầu trên đường ôtô Dầm thép sẽ không tăng cường gì thêm mà chỉ bố trí neo liên kết với mặt dầm

- Bản mặt cầu đúc tại chỗ, neo liên kết có thể sử dụng neo cứng hoặc neo mềm Có thể không cần hàn vào mặt dầm Nếu dầm là dầm tổ hợp đinh tán thì có thể liên kết neo cứng với mặt dầm bằng bulông cường độ cao, sử dụng thay thế vào các lỗ đinh tán

- Bản mặt cầu lắp ghép có ba hình thức lắp ghép: lắp neo cứng trước vào mặt dầm rồi để lỗ chờ trên bản bêtông, dùng liên kết bulông cường độ cao, dùng sườn dọc liên kết trên mặt dầm

2 1

Biện pháp liên hợp hoá bản bêtông

1 Bản đúc tại chỗ

2 Bản lắp ghép

§3 CẦU DẦM LIÊN HỢP THÉP – BTCT 3.1 NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC

5 3

1 2

Do đặc điểm cấu tạo như trên nên dầm liên hợp thép - BTCT tiết kiệm thép cho dầm chủ, ngoài ra bản mặt cầu còn thay thế cho hệ liên kết dọc trên nên nếu cần chỉ bố trí hệ liên kết dọc dưới

Ở giai đoạn này, chỉ có dầm thép làm việc

Tải trọng tác dụng lên giai đoạn 1 gồm có:

- Trọng lượng bản thân dầm thép và hệ liên kết

- Trọng lượng bản BTCT và các thành phần đổ cùng bản

3.2 ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO

Bản BTCT mặt cầu cùng tham gia chịu uốn với dầm chủ nên cấu tạo hợp lý là cánh trên của dầm thép phải nhỏ hơn cánh dưới (trừ những thép ngắn dùng thép cán mới

có hai cánh bằng nhau) Như vậy nói chung dầm liên hợp thép - BTCT giảm được khối lượng thép và tăng được độ cứng đáng kể

Trong cầu dầm giản đơn, dùng dầm liên hợp thép - BTCT rất phù hợp vì toàn bộ bản mặt cầu bằng bêtông trên suốt chiều dài nhịp đều nằm trong khu vực chịu nén Cầu