Bài giảng cầu thép p1

Cầu thép trên đường sắt có khác cầu trên đường ô-tô về cấu tạo phần mặt cầu và hệ mặt cầu; còn về tính toán, có khác về hoạt tải và các hệ số.. 1 Cầu dầm đặc: - Dầm chủ: có dạng dầm giản

MỞ ĐẦU

Cầu kim loại (Metallic Bridge) là tên gọi chung của cầu có vật liệu là kim loại đen (như sắt, gang, thép) hoặc kim loại mầu (như hợp kim nhôm, vật liệu tổng hợp), nhưng sử dụng rộng rãi nhất vẫn là cầu thép (Steel Bridge)

Môn học cầu thép chỉ đề cập đến cầu thép trên đường ô-tô Cầu thép trên đường sắt có khác cầu trên đường ô-tô về cấu tạo phần mặt cầu và hệ mặt cầu; còn

về tính toán, có khác về hoạt tải và các hệ số

Thiết kế cầu thép được qui định tính theo phương pháp các trạng thái giới hạn (giới hạn về cường độ, giới hạn về sử dụng, giới hạn về mỏi và phá hoại, giới hạn đặc biệt) Gần đây, để thuận tiện ứng dụng công nghệ tin học trong thiết kế, một số nước đã qui định thiết kế cầu thép theo phương pháp độ tin cậy, có sử dụng hệ số tin cậy trong tính toán, là hệ số tổng hợp thường được xác định qua thực nghiệm và thống kê nhiều năm

Bài giảng "Cầu thép" dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu do Bộ GTVT ban hành mang ký hiệu 22 TCN 272-05, có tham khảo bổ sung về chi tiết cấu tạo theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18-79

Do chi tiết kết cấu thép phải đạt độ chính xác cao, nên đơn vị đo lường tính theo milimét (mm), các đơn vị đo lường khác theo hệ đo lường quốc tế (SI)

Lời khuyên:

- Cách học và ghi chép;

- Dẫn giải thực tế và có ví dụ về tính toán;

- Sách tham khảo: Thiết kế cầu thép và bê tông cốt thép (ĐHXD), Thiết kế cầu thép (ĐHXD), Bài tập tính toán cầu thép (ĐHGT), Cầu thép (Bộ GTVT), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 272-05 (Bộ GTVT).

CHƯƠNG I - KHÁI NIỆM CHUNG

1.1 Những đặc điểm cơ bản và phạm vi ứng dụng.

- Đặc điểm nổi bật của thép là đạt tính chịu lực cao ứng 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 dầm, giàn, vòm, treo, 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 có chiều dài nhịp rất lớn mà các loại vật liệu khác không thực hiện được

đó chịu tải trọng xung kích và tải trọng mỏi tốt

- Thép dễ gia công (cắt, rèn đập, đúc cán, hàn) nên có thể chế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp, tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong công xưởng, vận chuyển đến chân công trình đạt lắp ráp nhanh bằng các liên kết đáng tin cậy như bu lông, chốt, đinh tán, hàn tạo điều kiện rút ngắn thời gian thi công

- Thép dễ bị hư gỉ trong môi trường ẩm, mặn, axit và các hơi độc khác Khi thép bị gỉ mòn, làm tiết diện chịu lực bị giảm yếu, làm các liên kết bị hư hỏng, dẫn đến giảm tuổi thọ công trình

- Hiện nay đã có nhiều biện pháp chống gỉ hữu hiệu như sơn tạo màng bền cao, mạ phủ kim loại, hoặc dùng thép chịu thời tiết (weathering steel), thép không

gỉ (non-corrosion steel) Tuy nhiên, các công trình bằng thép phải thường xuyên được kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ và sơn phủ định kỳ

- Cầu thép có nhịp lớn thường được ứng dụng trên đường sắt, đường ô-tô; kết cấu thép và cầu thép thường được ứng dụng cho kết cấu tạm lắp ráp nhanh trong thi công, trong công trình quân sự; còn ứng dụng thích hợp xây dựng cầu trong vùng đất yếu vì có trọng lượng bản thân nhẹ hơn các loại cầu khác

1.2 Vật liệu dùng cho cầu thép.

- Loại thép và cấp thép được phân định theo các tính chất cơ bản của thép, thể hiện ở cường độ chảy (biến dạng tăng mà ứng suất không đổi), cường độ kéo (ứng suất lớn nhất khi thí nghiệm kéo), độ dẻo (tỷ số độ dãn dài khi đứt gãy và độ dãn dài khi bắt đầu chảy), độ cứng (độ bền bề mặt khi mài so với độ mài tiêu chuẩn) và

độ dai (khi bị va đập bằng số lần qui định mà không bị đứt gãy)

- Các vật liệu thô điển hình để luyện thép là quặng sắt, than cốc, đá vôi (chất gây cháy và hội tụ các chất bẩn nổi trên mặt), các kim loại thành phần (Al, Si, C,

Cr, Cu, Mn) và một số kim loại hiếm khác (Mo, Nb, Ni, Ti, V, ) ; quá trình luyện thép phải được kiểm tra chất lượng nấu để có được sản phẩm đồng nhất

- Thép dùng làm cầu, do chịu tác động của hoạt tải, có đặc điểm phân biệt so

lần

- Thép công trình được phân thành 4 loại khác nhau, tùy theo tính chất, thành phần hóa học và cách gia công nhiệt

- Các tính chất cơ học tối thiểu của thép công trình, tương ứng với chiều dày, hình dạng và cường độ, được thể hiện trong bảng sau:

Thép kết cấu Thép hợp kim thấp, cường độ cao

Thép hợp kim thấp, tôi

và ram

Thép hợp kim tôi

và ram, cường độ chảy dẻo cao

Ký hiệu thép (ASTM)

Cấp tương đương A 709MCấp 250 A 709MCấp 345 A 709MCấp 345W A 709MCấp485W A 709MCác cấp 690/690W Chiều dày của các bản

thép, mm Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65đến 100 Chế tạo thép hình Áp dụng Áp dụng Áp dụng Không

áp dụng

Không

áp dụng

Không

áp dụng

Cường độ chịu kéo nhỏ

nhất Fu , MPa

400 450 485 620 760 690

Cường độ chảy hoặc

giới hạn chảy nhỏ nhất

Fy , MPa

250 345 345 485 690 620

- Ký hiệu (M) là loại thép làm cầu

- Ký hiệu W là thép chịu được thời tiết

1.3 Các hệ thống chính của cầu thép.

1) Cầu dầm đặc:

- Dầm chủ: có dạng dầm giản đơn, liên tục, mút thừa;

- Chiều cao dầm không đổi hoặc thay đổi;

- Mặt cắt ngang cầu gồm 2 dầm chủ,

4, 5 dầm chủ hoặc hơn;

- Có hệ liên kết ngang giữ ổn định các

phiến và hệ liên kết dọc dưới;

- Mặt cầu thường là bản BTCT đặt tự

do lên cánh trên dầm chủ hoặc liên hợp

chịu lực với dầm chủ

2) Cầu dầm giàn:

- Dầm giàn có loại mạ thẳng, mạ cong;

đường xe chạy trên hoặc dưới;

- Khi chịu tải, dầm chịu momen uốn,

trạng thái momen được chuyển thành

kéo nén dọc trục, nên trọng lượng dầm

giàn thường nhẹ hơn so với dầm đặc

có cùng chiều dài và hoạt tải

3) Cầu treo:

- Có dạng cầu treo dây võng, cầu treo dây xiên

- Thường dùng cho cầu vượt nhịp lớn L>100m

1.4 Các bộ phận chính của cầu thép.

- Mặt cầu : Bằng bản BTCT, gỗ ván lát mặt, hoặc bằng thép tấm có sờn tăng

cờng ; là bộ phận trực tiếp với các loại hoạt tải lu thông trên cầu và truyền tải trọng vào dầm thép

- Hệ mặt cầu : là tổ hợp kết cấu đà dọc, đà ngang ; mặt cầu truyền trực tiếp

tải trọng và phân bố vào các đà dọc ; từ đó, đợc truyền sang đà ngang và dầm chủ

- Dầm chủ, giàn chủ : Dầm chủ thờng là dầm thép bản đặc, gồm bản đứng,

bản cánh trên, bản cánh dới, sờn tăng cờng đứng, dọc dầm Giàn chủ thờng là các thanh thép ghép nối tạo thành giàn hoa, gồm thanh mạ trên-dới, thanh xiên, thanh treo-thanh đứng, bản nút liên kết

- Hệ liên kết : gồm hệ liên kết trên-dới, hệ liên kết ngang.

- Hệ cổng cầu : Thờng bố trí ngang dầm cầu và gắn vào thanh đứng hoặc

thanh xiên đầu dầm giàn

- Công trình phụ của cầu thép : nh xe treo, xe kiểm tra, thang kiểm tra, giá

đỡ dây thông tin-dây cáp điện-đờng ống cấp nớc

- Gối cầu : gồm gối cố định, gối di động.

Hệ liên kết dọc trên Dầm chủ

Dầm chủ

Sờn tăng cờng đứng Gối cầu

Hệ liên kết ngang

Giàn chủ

Cầu dầm giàn

Hệ cổng cầu Đà ngang

Hệ liên kết dọc trên

Thanh

xiên Thanh treo

Thanh đứng Hệ mặt cầu và hệ liên kết dọc dới

Đà ngang Đà dọc

chơng ii - hệ mặt cầu của cầu thép

2.1 Khái niệm và phân loại.

2) Hệ mặt cầu bao gồm :

nhau), nếu dầm chủ gần nhau nh cầu dầm bản đặc thì không có đà dọc đà ngang và khi đó hoạt tải từ mặt cầu truyền trực tiếp lên dầm chủ

2.2 Mặt cầu ô-tô

1) Yêu cầu : - mặt cầu đạt độ bằng phẳng i = 1.5 - 2%

- kết cấu nhẹ để giảm tĩnh tải

- ít hao mòn, tuổi thọ cao

- thoát nớc mặt tốt

2) Mặt cầu dùng bản BTCT

- dùng phù hợp cho đờng ô-tô

- có thể đổ tại chỗ hay lắp ghép

- lớp mặt cầu gồm : lớp đệm tạo dốc bằng BTCT mác thấp M-200, dầy từ 3

đến 7cm, với độ dốc ngang i = 1.5% đến 2% ; lớp chống thấm (còn gọi là lớp cách nớc) bằng vải nhựa tẩm polime, dày khoảng 0.5 đến 1cm ; lớp bảo vệ BTXM ; trên cùng là lớp bê tông nhựa dầy khoảng 3 đến 5cm Hiện nay thờng dùng lớp bê tông

phòng nớc và lớp bảo vệ BTXM. lớp mặt BT nhựa

lớp bảo vệ BTXM lớp chống thấm lớp đệm BTXM

định cho các phiến dầm chủ, nên không có hệ dầm mặt cầu

- bản BTCT mặt cầu thờng chọn không nhỏ hơn 10cm, thờng dùng 12 đến 15cm, mác BT M-300 hoặc 350 Trờng hợp dùng mặt cầu xe chạy trực tiếp trên bản BTCT (không có lớp đệm, lớp chống thấm, lớp bảo vệ), bản BTCT có chiều dầy lớn hơn 14cm, mác M-350 hoặc 400

3) Mặt cầu dùng bản thép

- có đặc điểm : trọng lợng nhẹ chỉ bằng 1/4 bản BT ; mặt trên cùng thờng là

đ-ờng gân để tăng ma sát

- để giải quyết thoát nớc nhanh trên mặt cầu, có thể trải một lớp bê tông nhựa sỏi nhỏ dày 2 đến 3cm trên mặt cầu thép

- về cấu tạo : chế tạo thành từng tấm sẵn trong Nhà máy kết cấu thép, sau đó

đa ra lắp đặt tại cầu Các tấm mặt cầu đợc hàn sẵn sờn tăng cờng ở mặt dới, tạo thành bản đa hớng (orthotrop)

(chiều dầy thép bản δ = 6 - 8mm)

δ =8 δ= 6

δ bê tông nhựa 3cm

2.3 Hệ dầm mặt cầu.

- Hệ mặt cầu bao gồm đà dọc, đà ngang ; thờng gặp ở cầu dầm có hai giàn chủ với đờng xe chạy dới

- Hệ mặt cầu có chức năng : chịu đỡ tĩnh tải của mặt cầu ; truyền tĩnh tải mặt cầu và hoạt tải lên đà dọc, từ đà dọc chuyển vào đà ngang và từ đà ngang chuyển vào giàn chủ

- Cấu tạo hệ mặt cầu và các mối nối liên kết đà dọc vào đà ngang, liên kết đà ngang vào giàn chủ nh sau :

Bản BTCT mặt cầu Giàn chủ

Liên kết đà dọc vào đà ngang

Bản cá trên

Đà dọc Đà dọc

§µ däc

§µ ngang B¶n c¸ díi

§µ ngang

MÆt b»ng liªn kÕt

B¶n c¸

Giµn chñ

§µ däc §µ däc B¶n c¸

§µ ngang

§µ ngang

§µ ngang §µ däc

2.4 Tính toán đà dọc và liên kết.

1) Nguyên lý tính toán:

- Đà dọc được tính theo hệ phẳng, coi như dầm giản đơn, với chiều dài nhịp được tính từ tim đến tim đà ngang;

- Nếu hệ mặt cầu có trên 2 đà dọc, phải xét thêm hệ số phân phối ngang (g) do hoạt tải di chuyển ngang trên mặt cầu để tìm nội lực lớn nhất trong đà dọc khi hoạt tải đặt ở vị trí nguy hiểm nhất trên đó; như vậy, khi tính momen và lực cắt phát sinh trong đà dọc, phải tìm hệ số (g) lớn nhất cho đà dọc biên hoặc đà dọc bên trong

- Các yếu tố tác động vào đà dọc bao gồm: tải trọng bản thân và các bộ phận phụ gắn vào (DC), tải trọng phần bản mặt cầu và lớp mặt cầu trên bản (DW), hoạt tải tác động vào đà dọc (LL)

2) Tính tải trọng thường xuyên rải đều trên đà dọc:

- Để tính tải trọng thường xuyên

rải đều trên đà dọc, dựa vào tỷ trọng

của vật liệu thông dụng như sau: (3.5.1)

Lớp phủ bê tông nhựa 2250

Xỉ than 960

Bê tông nghèo 1775

Bê tông phổ thông 2400

-Đà dọc hình I

b Lớp mặt cầu

Bản mặt cầu

Thép 7850

Đá xây 2725

Hệ số điều chỉnh tải trọng (1.3.2): ηi = ηD ηR ηl , trong đó:

độ và các trạng thái giới hạn khác ηR = 1 (điều 1.3.4);

ηl - hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác, đối với trạng thái giới hạn cường độ và các trạng thái giới hạn khác ηl = 1 (điều 1.3.5);

Hệ số tải trọng

DC: Cấu kiện thép và các thiết bị phụ 1,25 0,90 DW: Bản mặt cầu và lớp phủ mặt 1,50 0,65

- Tải trọng thường xuyên rải đều trên đà dọc được tính như sau:

D = Σ ηi γP Di

Thí dụ: Bản mặt cầu BTCT dày 14cm (0,14m), bề rộng tính toán (b) là 1,8m, mặt trên bản

là lớp phủ bê tông nhựa dày 4cm (0,04m), bản mặt cầu tựa trên đà dọc thép hình I cánh bằng ký hiệu W610 (khối lượng riêng 140kg/m)

Tải trọng rải đều của lớp phủ mặt cầu: DW 1 = 1 ,8 x 0,04 x 2,25 x 10 = 1,62 kN/m

Tải trọng rải đều của bản BTCT: DW 2 = 1,8 x 0,14 x 2,40 x 10 = 6,05 kN/m

Tải trọng rải đều của một đà dọc I-W610: DC = 0,14 x 10 = 1,40 kN/m

Hệ số điều chính tải trọng ηi = 1

→ Tải trọng rải đều trên đà dọc: D = 1,25 x 1,40 + 1,50 (1,62 + 6,05) = 13,26 kN/m

3) Tính hoạt tải xe ô-tô:

- Hoạt tải HL-93 gồm tổ hợp của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế:

- Hệ số làn xe: Số làn xe được xác định bởi phân số nguyên của w/3500, ở

đây w là bề rộng của lòng đường, tức là khổ cầu thiết kế Hệ số làn (m) được tính như sau:

Số làn chất tải Hệ số làn (m)

2 1,00

- Hệ số tải trọng γ dùng cho hoạt tải khi tổ hợp tính theo trạng thái giới hạn về

cường độ I là 1,75 (điều 3.4.1)

- Tính hệ số phân phối ngang (g) của hoạt tải tác động trên đà dọc: Dùng phương pháp đòn bẩy để tính hệ số phân phối ngang của hoạt tải đặt ở vị trí nguy hiểm nhất theo chiều ngang mặt cầu truyền vào một trong số các đà dọc

- Tải trọng làn rải đều 9,3N/mm phân bố đều trên chiều dọc càu; theo chiều ngang cầu, tải trọng làn phân bố đều trên bề rộng 3000mm; ứng lực của tải trọng làn không xét lực xung kích.

- Đặt hoạt tải ô-tô trên cầu phải xét nội lực khống chế do tải trọng xe 3 trục cùng tác động với tải trọng làn hoặc do tải trọng xe 2 trục cùng tác động với tải trọng làn; bề rộng một làn ô-tô trên cầu

là 3000mm.

- Đối với cầu trên đường cấp thấp (cấp 5 trở xuống), có thể dùng xe hai trục hoặc 3 trục thiết kế nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65.

- Khi tính momen âm trong khoảng hai điểm uốn đổi dấu, hoặc khi tính phản lực gối giữa, thì lấy 90% nội lực phát sinh do hai xe tải xếp liên tiếp với khoảng cách trục bánh trước xe này, cách bánh sau xe kia là 15000mm, tổ hợp với 90% nội lực phát sinh do tải trọng làn thiết kế; khoảng cách giữa các trục 145kN khi tính nội lực trên qui định là 4300mm.

35kN

4300mm 900mm -

4300mm

145kN 145kN

600mm 300mm khi tính phần hẫng mặt cầu

1800mm

Bề rộng làn thiết kế 3500mm

110kN 110kN

1200mm

hoặc

m 9,3kN/m

4) Hoạt tải người đi (PL):

- Đối với tất cả đường người đi rộng hơn 600mm, tải trọng người đi trên cầu

là 3 x 10-3 MPa, và phải tính đồng thời với hoạt tải ô-tô thiết kế

- Đối với cầu chỉ dành riêng người đi bộ và xe thô sơ, tải trọng người đi là 4 x

10-3 MPa

- Không xét xung kích cho hoạt tải người đi.

5) Hệ số xung kích: (3.6.2)

- Từ lực xung kích (IM) gây ra do hoạt tải xe ô-tô (không tính với lực ly tâm

và lực hãm), qui định hệ số xung kích là (1+ IM/100), trong đó IM có trị số sau:

Mối nối bản mặt cầu, tính cho các trạng thái giới hạn 75 Các cấu kiện khác

* khi tính giới hạn mỏi và giòn

* khi tính trạng thái giới hạn khác

15 25

- Lực xung kích không được tính cho hoạt tải người đi và tải trọng làn rải đều thiết kế

- Có thể chiết giảm lực xung kích khi tính các cấu kiện khác (trừ mối nối) chịu tải trọng lắc ngang của xe

6) Tính nội lực phát sinh tại mặt cắt đà dọc:

- Vẽ đường ảnh hưởng nội lực momen tại mặt cắt giữa đà dọc và đường ảnh

hưởng lực cắt tại vị trí đầu đà dọc tính toán

- Công thức tổng quát tính nội lực momen đà dọc như sau:

M1/2=Mmax=D.AĐAH+1,75[mg(MtahoặcMtr).(1+IM/100)+mgMln+gnMng] kNm

Khổ cầu 7,0m

Thí dụ: Tính hệ số phân phối ngang của hoạt tải

HL-93 hoặc xe 2 trục lên các đà dọc hệ mặt cầu với khổ

cầu 7m.

Để tìm hệ số phân phối ngang phát sinh lớn nhất vào

một trong số đà dọc, phải xếp xe dàn hàng ngang trên

mặt cầu theo hai khả năng:

Cách 1: Hai hàng ô-tô đi lệch sang cận trái của mặt

cầu, đường tim của hàng bánh xe ngoài cùng cách

mép lề đường 0,6m; như vậy đường tim của hoạt tải

ô-tô cách mép lề đường là 1,5m.

Cách 2: Hai hàng xe ô-tô đặt giữa lòng cầu, như vậy

đường tim của mỗi hàng xe ô-tô cách đường tim cầu

1,5m.

Trị số tung độ của đường ảnh hưởng tương ứng với

điểm đặt của đường trọng tâm hàng xe ô-tô chính là

hệ số phân phối ngang (g) vào đà dọc đó.

1

0,6 1,8 1,2 1,8

1,2 1,8 1,8

1

1

1

ĐAH 1

2

2

ĐAH 2

Tính momen bằng cách lấy trị số hoạt tải nhân với tung độ đường ảnh hưởng (nếu

là tải trọng trục) hoặc với diện tích đường ảnh hưởng (nếu là tải trọng rải đều) Nội lực cắt:

Vmax = V0 =D.AĐAH+1,75[mg(Vta hoặc Vtr)(1+IM/100)+mgVln+gnVng] kN

tự công thức tính nội lực momen

7) Kiểm toán mặt cắt đà dọc:

- Chọn mặt cắt đà dọc: Cấu tạo đà dọc thường có dạng hình chữ I; có thể chọn theo qui cách sẵn có của sản phẩm thép chế tạo thành thương phẩm Từ mặt cắt đã chọn, tính (hoặc tra bảng) các đặc trưng hình học của đà dọc để xét thỏa mãn điều kiện sau:

Momen uốn: Mr ≤ φf Mn = Z.φf Fy (2.4.7.1)

φf - hệ số cường độ, theo 6.5.4.2, khi tính đà dọc chịu uốn thuần túy, chọn φf = 1,00;

Mn - momen danh định của đà dọc đã lựa chọn;

Z - momen chống uốn của đà dọc đã chọn (mm3)

Fy - cường độ giới hạn chảy nhỏ nhất của thép (MPa); thí dụ thép

Nội lực cắt Vr ≤ φv Vn (2.4.7.2)

trong đó: Vr - lực cắt tính toán (kN)

φv - hệ số cường độ, theo 6.5.4.2 cho φv = 1;

Vn - nội lực cắt danh định của đà dọc đã chọn (kN)

Vn = CVp (6.10.3.2.3-1) trong đó:

C - tỷ số của ứng suất gây mất ổn định trên trị số cường độ chảy dẻo khi chịu cắt ở bản cánh;

Chiều dài tính đà dọc L đd

a

a = Lđd/ 2

1

ĐAH M

ĐAH Q

trong đó:

D - tổng tải trọng thường xuyên với các hệ số

tải trọng (kN/m);

1,75 - hệ số hoạt tải khi tính tổ hợp theo TTGH

cường độ I;

m - hệ số làn xe;

g, gn - hệ số phân phối ngang của hoạt tải lên đà

dọc thiết kế;

Mta , Mtr , Mln , Mng : trị số momen do xe tải

hoặc xe hai trục, do tải trọng làn, tải trọng

người (kNm)