Kết cấu và công nghệ cầu bê tông cốt thép

Các đặc điểm của cầu cạn, cầu vượt trong thành phố: - Có chiều dài nhịp và chiều cao trụ không lớn, kết cấu nhịp có thể thẳng hoặc cong hình dạng bất kỳ.. Tính thẩm mỹ của công trình cầu

I.PHẦN LÝ THUYẾT:

Căn cứ vào đặc điểm của hệ thống giao thong đô thị nước ta cũng như trình độ kỹ thuật điều kiện kinh tế và dựa trên yêu cầu đối với kết cấu cầu trong nút giao thong khác mức của mạng lưới đường giao thông đô thị Hãy đề xuất các dạng kết cấu nhịp phù hợp cho các đô thị ở nước ta.

1) Các đặc điểm và yêu cầu đối với cầu cạn, cầu vượt trong đô thị

Các khái niệm:

- Cầu cạn, cầu vượt là công trình cầu đảm bảo giao thông được thông suốt khi gặp các chướng ngại vật không phải là sông suối, khe sâu…

- Cầu cạn là công trình cầu nhằm mục đích đảm bảo giao thông được thông suốt ở trên cạn ( là công trình cầu đi trên cao thay cho việc phải làm đường trên mặt đất)

- Cầu vượt là công trình cầu nhằm mục đích vượt qua các tuyến đường ô tô, đường sắt

Do vây, nó thường được xây dựng ở các nút giao thông khác mức

Các đặc điểm của cầu cạn, cầu vượt trong thành phố:

- Có chiều dài nhịp và chiều cao trụ không lớn, kết cấu nhịp có thể thẳng hoặc cong hình dạng bất kỳ

- Thường là kết cấu không gian nên gây phức tạp cho công tác thiết kế và công nghệ thi công Khi thi công cầu trong thành phố thường gắn liền với vấn đề đảm bảo giao thông, do đó khi lựa chọn công nghệ cần có biện pháp thi công nhanh, thuận lợi và giảm tối thiểu thời gian dừng xe

- Là cầu trong thành phố nên phải đạt yêu cầu về mỹ quan không những cho ngay bản thân nó mà cũng phải phự hợp với cảnh quan xung quanh

Các yêu cầu đối với cầu cạn, cầu vượt trong thành phố:

Đối với cầu cạn, cầu vượt trong thành phố có các yêu cầu sau đây:

- Yêu cầu về khai thác:

+ Đảm bảo xe chay an toàn, thuận tiện và không giảm tốc độ

+ Cấu tạo kết cấu nhịp và mố trụ đảm bảo dễ thi công và thuận tiện cho công tác duy

tu, bảo dưỡng và sửa chữa đồng thời sử dụng loại vật liệu sao cho chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp

- Yêu cầu về độ bền và độ ổn định:

+ Cầu cạn, cầu vượt phải đảm bảo yêu cầu cao về độ bền và độ ổn định vì nếu xảy ra

sự cố thì hậu quả sẽ nghiêm trọng hơn nhiều so với cầu qua sông

- Yêu cầu về mỹ quan công trình:

Ngày nay, vấn đề thẩm mỹ của công trình cầu TP được đặc biệt quan tâm, vì mỗi cây cầu là một biểu tượng văn hóa của thời đại Cầu trong thành phố không chỉ đảm bảo giao thông mà cũng tạo ra và tôn thêm vẻ đẹp cho thành phố

Tính thẩm mỹ của công trình cầu được thể hiện qua hai nội dung chính:

1) Tính thẩm mỹ của chính bản thân công trình:

- Tính rõ nét trong kết cấu: Thể hiện được kết cấu chịu lực chính hay phụ,đây chính là

sự biểu hiện ý đồ thiết kế qua bề ngoài công trình

- Tính tỷ lệ : Đây là tiêu chí đóng vai trò quan trọng nhất trong việc đánh giá thẩm mỹ công trình núi chung và công trình cầu núi riêng Tính tỷ lệ thể hiện ở sự tương quan hợp

lý giữa các bộ phận của công trình cầu như chiều dài nhịp và chiều cao trụ, chiều cao kiến trúc của kết cấu nhịp và chiều dài nhịp… tất cả phải tạo ra cảm giác ưa nhìn và sự thoải mái cho người quan sát

*Các tiêu chí để đánh giá:

+Tính tương xứng

+Màu sắc của công trình

+Gia công bề mặt công trình

Hiện nay xu thế trên thế giới khi lực chọn p.a cầu , người ta coi các tiêu chí về kiến trúc đóng vai trò quan trọng hơn cả

- Yêu cầu về cấu tạo:

+ Kết cấu dễ tạo ra các hình dáng bất kỳ trong không gian

+ Kết cấu nhịp có chiều cao kiến trúc nhỏ để tận dụng không gian dưới cầu được tốt hơn, kết cấu trụ gọn nhẹ và nhỏ để ít ảnh hưởng đến công trình ngầm được xây dưới đất + Trụ cầu có kích thước nhỏ, chiếm dụng không gian ít nhất

+ Đối với thành phố đó xây dựng ổn định cần sử dụng kết cấu nhịp và trụ cho phép bố trí trụ tại vị trí bất kì trên chiều dài nhịp

- Yêu cầu về môi trường:

+ sử dụng kết cấu gây ít tiếng ồn và ô nhiễm môi trường

- Yêu cầu về công nghệ thi công:

+ Tạo ra kết cấu có chất lượng cao và sử dụng tối đa các điều kiện địa phương

+ Thời gian thi công nhanh, giảm tối thiểu thời gian dừng xe và chiếm dụng mặt bằng thi công, công nghệ thi công đơn giản

- Yêu cầu về kinh tế:

+ Chi phí đầu tư xây dựng nhỏ nhất

+ Đánh giá tính kinh tế không chỉ dựa vào giá thành xây dựng mà cũng phải dựa vào

cả thời gian xây dựng, thời gian sử dụng và chi phí duy tu bảo dưỡng

- Yều cầu về chiếm dụng đất:

+ Việc chiếm dụng đất để xây dựng công trình là ít nhất Muốn vậy phải đưa ra kết cấu nhiều tầng, nhiều lớp và các kết cấu cầu cong nằm trên các nhánh rẽ phải cú bán kính nhỏ nhất

2) Các dạng kết cấu nhịp phù hợp cho các khu đô thị ở nước ta.

Qua những tổng hợp và phân tích các hệ cầu cạn, cầu vượt, cầu cong đã và đang được

áp dụng trên thế giới cũng như ở Việt nam, kiến nghị một số dạng kết cấu có thể áp dụng phù hợp với điều kiện kinh tế-kỹ thuật và công nghệ thi công ở nước ta hiện nay

Những kết cấu được đề nghị dựa trên cơ sở đảm bảo các nguyên tắc cơ bản sau đây:

- Chiều cao kiến trúc nhỏ

- Đảm bảo yêu cầu thẩm mỹ

- Đỏp ứng cỏc yếu tố hỡnh học của tuyến (cong, chộo ) trờn mặt bằng cũng như trong khụng gian

- Phự hợp với trỡnh độ và thiết bị cụng nghệ thi cụng ở nước ta

a) Kết cấu nhịp

- Dầm T lắp ghộp

Dầm lắp ghộp UST cú tiết diện dạng chữ T, chiều cao tiết diện khụng đổi theo chiều dài nhịp Sơ đồ cấu tạo mặt cắt ngang kết cấu loại này xem hỡnh 1 Cụng nghệ chế tạo lao lắp kết cấu loại này đó khỏ quen thuộc đối với nước ta Tuy nhiờn dựng dầm chữ T cú những nhuợc điểm:

Kớch thước, trọng lượng khối lắp ghộp lớn dẫn đến khụng cú phương tiện, đường vận chuyển và cũng khú khăn khi lao lắp Nếu chế tạo tại cụng truờng thỡ cần cú bói đỳc Loại này chỉ dựng cho cầu thẳng hoặc cầu cong cú bỏn kớnh lớn

15 12

650 600

30 20

650

Hỡnh 1 Mặt cắt ngang kết cấu nhịp lắp ghộp tiết diện chữ T

(a Khụng dầm ngang; b Cú dầm ngang)

- Dầm I bỏn lắp ghộp

Dầm bỏn lắp ghộp UST tiết diện I với phần bản mặt cầu đổ tại chỗ cú ưu điểm giảm trọng lượng khối lắp ghộp, do vậy cụng tỏc vận chuyển lao lắp thuận lợi hơn so với dầm chữ

T Nhược điểm phần đổ tại chỗ nhiều, thời gian thi cụng lõu hơn Sơ đồ cấu tạo mặt cắt ngang kết cấu xem hỡnh 2 Cụng nghệ chế tạo lao lắp kết cấu loại này cũng khỏ quen thuộc đối với nước ta, loại này chỉ nờn ỏp dụng cho cầu thẳng

Dầm đúc sẵn Dầm ngang đổ tại chỗ

Bản mặt cầu đổ tại chỗ Ván khuôn BTCT dày 8cm

Hỡnh2 Mặt cắt ngang kết cấu nhịp bỏn lắp ghộp tiết diện chữ I

- Dầm T ngược bỏn lắp ghộp

Dầm lắp ghộp cú tiết diện dạng chữ T ngược, chiều cao tiết diện khụng đổi theo phương dọc cầu

Dầm đỳc sẵn bằng bờ tụng cốt thộp ứng suất trước, lắp đặt dầm vào vị trớ sau đú lắp dựng vỏn khuụn bố trớ cốt thộp đổ bờ tụng bản Kết cấu nhịp trong giai đoạn thi cụng là những nhịp giản đơn, sau đú thực hiện mối nối liờn tục hoỏ trờn trụ Với kết cấu này cú thể ỏp dụng cho cỏc cầu nằm trờn đường thẳng, đường cong cú bỏn kớnh lớn và cầu chộo

Trờn hỡnh 3 thể hiện nguyờn tắc cấu tạo của loại kết cấu nhịp này Một số kớch thước

cơ bản L =12,15,18,21,24,33,42 m, h=(1/20-1/24)l, khoảng cỏch dầm: a=1,5-2,5m.

b) Dầm bản

- Dầm bản lắp ghép

Kết cấu nhịp được lắp ghép từ những bản đúc sẵn bê tông cốt thép ứng suất trước Cốt thép ứng suất trước có thể có dạng dây đàn hoặc các tao cốt thếp bố trí trong các cánh của hình hộp

Liên kết ngang giữa các khối lắp ghép thực hiện bằng các bó cáp căng ngang hoặc thép thanh cường độ cao Cốt thép căng ngang được luồn qua các lỗ tạo sẵn trong các bản chắn ngang tại một số vị trí như giữa nhịp, gối và một phần tư dầm (hình 4)

Kết cấu kiểu này dùng cho cầu thẳng, cầu chéo đặc biệt thuận lợi khi bố trí trên đường cong bán kính lớn nhưng cấu tạo các sườn hộp thẳng

Các kích thước cơ bản:

- Chiều dài nhịp nên chọn: L =9,12,15,18,21,24 m.

- Chiều cao dầm: h=(1/24-1/26)L

- Khoảng cách dầm: a=1,0-1,5m

Hình 3 Sơ đồ kết cấu nhịp bán lắp ghép tiết diện chữ T ngược

Hình4 Sơ đồ kết cấu nhịp bản hộp lắp ghép

- Dầm bản đổ tại chỗ

Với kết cấu này ta nên dùng cho những công trình cầu cong, cầu thẳng, đặc biệt là các công cầu có hình dạng phức tạp

Kết cấu nhịp có thể dùng nhịp đơn giản hay liên tục, các lỗ rỗng trong bản ta dùng ván khuôn chết như tôn tấm, ống nhựa hoặc ống xốp tuỳ thuộc vào đường kính lỗ rỗng (hình 5)

Ưu điểm là do kết cấu đổ tại chỗ tính toàn khối lớn, có thể tạo dáng bất kỳ với bán kính đường cong của tuyến đường Công tác ván khuôn, đổ bê tông, cốt thép khá thuận lợi Chiều cao kiến trúc nhỏ và có độ cứng ngang lớn phù hợp với cầu cong Hình dáng kiến trúc đẹp

Các kích thước cơ bản:

- Chiều dài nhịp nên chọn: L =12,15,18,21,24,27 m.

- Chiều cao dầm: h=(1/25-1/27)L

Đối với các bản có lỗ rỗng, việc chế tạo ván khuôn phức tạp và bê tông xung quanh

lỗ thường kém chất lượng Để khắc phục nhược điểm này và khi chiều dài nhịp lớn kiến nghị dùng kết cấu bản-sườn (Hình 6,Hình 7) Loại kết cấu này cũng có ưu điểm tương tự như là kết cấu bản, song hình dáng lại thanh mảnh hơn

100

1000

8000

3000

+6.400

-25.600

+4.400

2000

4000 6000 1000

3000 1000

2000

+4.400

-25.600

+6.400

100

1000

3000

R2300

R2300

2.0%

R 20

500

2000

7500 500

+11.061

7500

2.0%

R2300

2500

R30

+12.060 2500

6 cäc khoan nhåi D1000 L=30m

1000

+12.699

+13.440

Hình 5 Sơ đồ kết cấu nhịp dầm bản đổ tại chỗ

Hình 6 Mặt cắt ngang dạng bản sườn không có giải phân cách

Hình 7 Mặt cắt ngang dạng bản sườn có giải phân cách c) Dầm hộp:

- Dầm hộp đổ tại chỗ

Kết cấu nhịp hình hộp được áp dụng rất phổ biến trên thế giới khi xây dựng cầu cong nhịp lớn với bán kính cong vừa và lớn

Dầm hộp có thể dùng dạng dầm liên tục tiết diện thay đổi theo phương dọc cầu Phương pháp thi công đúc hẫng, lắp hẫng, đổ tại chỗ hoặc dầm hộp có tiết diện không thay đổi theo phương dọc cầu, thi công bằng công nghệ đúc đẩy hoặc đổ tại chỗ

Mặt cắt ngang có thể có dạng hộp đơn hoặc hộp có nhiều ngăn, sườn hộp có thể đứng hoăc xiên (Hình 8)

Các kích thước cơ bản:

30 23

70010

14000

2850 ( Parabolla )

14000 2250

300

8000

2%~6.0%

1000

935

1000

486 164

250

650

850 450

2%~6.0%

23 32

32 23

250

Hình 8 Kết cấu nhịp hình hộp đổ tại chỗ (nhịp cong cầu Trà Khúc)

- Loại kết cấu tiết diện thay đổi theo dọc cầu có chiều cao giữa nhịp h=(1/30-1/40)l và chiều cao dầm tại gối là H=(1/15-1/20)l

- Sườn dầm từ 0.2-0.5m

- Bản đáy dày ≥ 20cm

- Bản mặt cầu tuỳ thuộc vào kết cấu dầm nhưng ≥ 20cm

- Chiều dài nhịp L =20-70m

d) Kết cấu trụ

Đối với cầu thành phố, cầu vượt, cầu cạn ngoài vấn đề đảm bảo kinh tế kỹ thuật còn

ưu tiên tuyển chọn dạng kết cấu trụ đáp ứng với thẩm mỹ cao Qua nghiên cứu và phân tích các dạng trụ đã dùng trên thế giới và ở Việt Nam, chúng tôi đề xuất một số dạng kết cấu trụ

áp dụng cho cầu cong ở Việt Nam như sau

- Trụ đặc thân hẹp tiết diện bầu dục

Kết cấu trụ kiểu này được sử dụng nhiều, với đặc điểm kết cấu vững chắc, khả năng chịu lực tốt, áp dụng cho kết cấu nhịp có chiều rộng lớn Dầm được kê trực tiếp lên xà mũ hoặc xà mũ được dấu trong kết cấu nhịp (Hình 9)

Hình 9 Một số dạng khác của kết cấu trụ cột

- Trụ một cột

Loại này nên áp dụng cho cầu có chiều rộng nhỏ B < 7m và phù hợp với mặt bằng chật hẹp, bố trí giải phân cách của đường chạy dưới Kiểu trụ này áp dụng phù hợp cho các cầu nhánh rẽ sang đường khác Để tăng vẻ đẹp cho công trình cấu tạo các bản che tại vị trí đỉnh trụ (Error: Reference source not foundHình 9)

- Trụ chữ Y

Trụ kiểu chữ Y có thể bố trí một cột, khi chiều rộng có thể có hai cột

Xà mũ có thể cấu tạo hở hoặc kín

Các kiểu trụ chữ Y thể hiện trên (Hình 9)

Hình 10 Các dạng trụ tường mỏng và trụ khung

II PHẦN BÀI TẬP:

Vẽ biểu đồ bao mô men xoắn cho một dầm cong phẳng ngăn cản xoay ở hai đầu Biết: chiều dài nhịp L=25m, bán kính cong R=12m trong hệ toạ độ (mặt phẳng xOy) Trải trọng tác dụng là q=10T/m.

1) Áp dụng kết quả của bài toán tính dầm đơn giản có độ cong không đổi với 2 gối cản xoay 2 đầu:

Các phản lực gối thu được từ việc giải hệ phương trình 4 ẩn:

1

1

2

S l

l

S

l

l

R

−

 =





 = − − = −







Nội lực tại mặt cắt bất kì trong nhịp:

a) Khi Sc ≤ S Xét phần trái (đoạn 1-C) (nghĩa là P ở bên phải C)

kp

ν



 =









b) Khi Sc > S xét phần trái (nghĩa là P ở bên trái C)

R R R R



2) Áp dụng kết quả của bài toán trên để vẽ đường ảnh hưởng của mô men xoắn do tải trọng thẳng đứng gây ra: P = 1 và T = 0:

3) Tính giá trị mô men xoắn tại tiết diện đó do tải trọng phân bố đều q:

Tính diện tích đường ảnh hưởng mô men xoắn Ωk từ đó tính được giá trị mô men xoắn tại tiết diện đó do tải trọng phân bố đều q gây ra: T k =q xΩk Kết quả tính toán xem các bảng tính sau đây:

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 0:

Sc = 0

L/8

2.83

(+)

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 0

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L/8:

Sc =

(+) L/8

2.38

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L/8

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L/4:

Sc =

L/8

1.47

(+)

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L/4

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 3L/8:

Sc =

L/8

0.56

(+)

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 3L/8

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L/2:

0 L/2 5L/8 3L/4 7L/8 L

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L/2

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 5L/8:

Sc =

L/8

1.02

0.00

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 5L/8

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 3L/4:

Sc =

L/8

1.58 0.00

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 3L/4

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 7L/8:

Sc =

L/8

1.93

0.00

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện 7L/8

 Giá trị đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L:

Sc = 25

L/8

2.05

0.00

Đường ảnh hưởng của mô men xoắn tại tiết diện L Bảng tổng hợp kết quả mô men xoắn trong dầm cong

Giá trị

mô men

xoắn

Vị trí tiết diện

BIỂU ĐỒ BAO MÔ MEN XOẮN TRONG DẦM (Tấn.m)