Một số nghiên cứu về cầu liền khối và khả năng áp dụng tại việt nam

Cầu liền khối “Integral bridges” là một loại cầu không có khe co giãn, không gối cầu, kết cấu dầm và mố đợc liên kết cứng với nhau, tạo thành mộtkhối thống nhất , mặt đờng đầu cầu và mặt

phần mở đầu

Cùng với sự phát triển của giao thông tại Việt Nam cũng nh trên toàn thếgiới hiện nay thì nhu cầu hiện đại hóa đ ờng bộ và đờng cao tốc ngày càng đợcchú trọng, điều này đòi hỏi cần xây dựng một số l ợng cầu lớn các cây cầu cóchiều dài nhịp trung và nhỏ N ớc ta hàng năm giao thông vận tải chiếm hơn50% vốn đầu t cho xây dựng cơ sở hạ tầng Do đó việc nghiên cứu các loại vậtliệu mới, các kết cấu mới, áp dụng các quy trình mới, đòi hỏi phải đầu t thờigian, công sức, tiền bạc để hoàn thiện, áp dụng cho phù hợp với điều kiện thực

tế của nớc ta.Tại nhiều nớc trên thế giới nh Anh, Mỹ, Canada Cầu liền khối

đang là phơng án đợc sử dụng ngày càng phổ biến do có những u điểm lớntrong việc xây dựng và bảo trì

Cầu liền khối “Integral bridges” là một loại cầu không có khe co giãn,

không gối cầu, kết cấu dầm và mố đợc liên kết cứng với nhau, tạo thành mộtkhối thống nhất , mặt đờng đầu cầu và mặt đờng trên cầu liên tục không đứt

đoạn Cầu liền khối ngày càng trở nên phổ biến khi các kỹ s tìm cách để giảmtốn kém về các chi phí bảo dỡng, nh sự xâm nhập của nớc và sự ăn mòn quacác mối nối và gối cầu, tuy nhiên đối với cầu liền khối, toàn bộ vật liệu và độcứng kết cấu cần đợc tính toán một cách sát thực tế, bởi vì sự phân phối tảitrọng phụ thuộc vào độ cứng của kết cấu, mà độ cứng của cầu liền khối phụthuộc vào tất cả các thành phần

Ngày nay với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và nhất là sự phát triểncủa máy tính, các vấn đề phức tạp với những thuật toán thích hợp có thể đ ợcgiải quyết một cách dễ dàng Tuy nhiên sự phát triển của cầu liền khối khôngphải là do phơng pháp tính toán mà do sự thành công thực tế của loại cầu này.Vì vậy, luận án tập trung nghiên cứu về cầu liền khối với tên đề tài là:

“Một số nghiên cứu về cầu liền khối và khả năng áp dụng tại Việt Nam ”

- Tổng quan về nghiên cứu – ứng dụng cầu liền khối trên thế giới và ViệtNam

- Cấu tạo các bộ phận của cầu, đặc điểm xác định, điều kiện nhiệt độ, thời tiết, yêu cầu xây dựng…

- Nhận xét về khả năng áp dụng cầu liền khối tại Việt Nam.

- Kết luận và kiến nghị

- Thu thập các tài liệu có liên quan về đề tài

+ Các tài liệu, sách báo đã công bố trong nớc

+ Các tài liệu nớc ngoài trên Internet

- Thu thập các hồ sơ, tài liệu về các loại cầu tơng ứng đã đợc thi công tại Việt Nam phục vụ cho mục đích so sánh, đánh giá

Các chi tiết giữ khe co giãn có thể bị bong bật h hỏng và bị nới lỏng do các

xe nặng chạy qua Nớc ngấm qua khe co giãn chảy xuống đầu dầm và tờng

đỉnh mố, trụ gây h hỏng cho đầu dầm và gối cầu Khe co giãn có thể bị kẹtcũng có thể gây đến các h hỏng cho các bộ phận chính của kết cấu chính

Hình 1.1 : H hỏng khe co giãn tại mố trụ cầu

Hình 1.2: Công tác bảo dỡng, thay thế khe co giãn.

Đối với cầu liền khối hoàn toàn sẽ không sử dụng gối cầu, nh vậy cũngtránh đợc các h hỏng của gối cầu nh bị kẹt, bị rỉ sét và cũng không gây ảnh h -ởng cho các bộ phận của kết cấu chính

Nh vậy với các công trình có kết cấu toàn khối, sẽ giảm đáng kể việc chi phíxây dựng ban đầu, chi phí bảo dỡng, thay thế và xe chạy êm thuận

1.1.1 Tình hình áp dụng cầu liền khối trên thế giới

Cầu liền khối (Integral bridge) là một khái niệm còn mới tại Việt Nam, nh

-ng trên thế giới loại cầu này đã đ ợc xây dự-ng từ rất lâu Tại Mỹ và Canada từnhững năm 1930 loại cầu này đã đợc tính toán và xây dựng

Từ hình 1.3 đến hình 1.9 là hình ảnh của những cây cầu liền khối đã đ ợcxây dựng tại Mỹ, Canada và Châu âu:

Hình 1.3: Cầu Big East River Brigde với chiều dài 63.4m, rộng 13.96m

Hình 1.4: Cầu Happy Hollow Creek là cầu liền khối có chiều dài lớn nhất tại

Mỹ với tổng chiều dài là 358m

H×nh 1.5: CÇu liÒn khèi t¹i Texas cã dÇm thÐp (Mü)

H×nh 1.6: CÇu liÒn khèi ®ang x©y dùng t¹i Mü

H×nh 1.7: CÇu liÒn khèi mét nhÞp t¹i Thuþ §iÓn

Hình 1.8: Cầu liền khối nhiều nhịp tại Canada

Hình 1.9: Cầu liền khối ba nhịp tại Alleghany (Mỹ)

Ngày nay cầu liền khối có thể đ ợc xây dựng với tổng độ dài cầu đến 358m

đối với cầu bê tông, còn đối với cầu thép thì đến 198m

1.1.2 Tình hình áp dụng cầu liền khối tại Việt Nam và một số dạng cầu t

-ơng tự.

Tại Việt Nam hiện nay vẫn cha áp dụng cầu liền khối, nhng cũng có một số

loại cầu gần tơng tự, nh cầu mố trụ dẻo, cầu có mối nối liên tục nhiệt.

Cũng xuất phát từ nguyên nhân khe co giãn dễ h hỏng, bong bật, phải thaythế, bảo dỡng trong suốt vòng đời cầu và tạo sự êm thuận cho xe chạy nên ng ời

ta thờng tạo mối nối liên tục nhiệt và để giảm khối l ợng vật liệu mố trụ cầu

ng-ời ta làm cầu mố trụ dẻo

1.1.2.1 Cầu mố trụ dẻo.

Hình 1.10: Sơ đồ kết cấu cầu mố trụ dẻo

Nguyên tắc làm việc của cầu mố trụ dẻo:

- Thân trụ, mố trụ có độ cứng nhỏ, kết cấu nhịp đ ợc liên kết chốt với mố trụ

- Việc liên kết chốt đợc bố trí để cầu gồm nhiều liên liên tục, phân chia giữacác liên gọi là trụ nhiệt độ

- Khi có tải trọng dọc cầu, lực sẽ truyền lên tất cả các trụ, mố trong cùngmột liên Lực trên mỗi trụ, mố tỷ lệ với độ cứng, trụ cứng nhất gọi là trụ neo

Mố trụ dẻo có u điểm là giảm kích thớc mố trụ rất nhiều so với mố trụ nặng

do đó giảm khối lợng vật liệu, đơn giản cấu tạo và thi công

Hình 1.11: Một số dạng trụ dẻo

Cầu có mố trụ dẻo áp dụng cho các nhịp nhỏ và trung bình (L ≤ 15m) vàchiều cao trụ không lớn lắm (h ≤ 7m), và qua các dòng nớc nhỏ không có câytrôi và thuyền bè qua lại

1.1.2.2 Cầu có mối nối liên tục nhiệt.

Trong cầu nhiều nhịp, để giảm số lợng khe co giãn, đảm bảo xe chạy êmthuận có thể áp dụng cầu có mối nối liên tục nhiệt

Hình 1.12: Cấu tạo của bản liên tục nhiệt

Cầu có mối nối liên tục nhiệt là kết cấu đ ợc tạo ra bằng chuỗi kết cấu nhịpdầm hoặc dầm bản giản đơn nối với nhau ở bản mặt cầu sao cho d ới tác dụng

của lực dọc và nhiệt độ thì cầu làm việc nh hệ dầm liên tục, còn dới tác dụngcủa tải trọng thẳng đứng thì dầm vẫn làm việc nh hệ dầm giản đơn

Cầu có mối nối liên tục nhiệt thờng vẫn có khe co giãn tại đầu dầm và mốcầu, do đó quá trình duy tu bảo dỡng vẫn phải tiến hành định kỳ

1.2 cầu không khe co gi n và cầu liền khối ãn và cầu liền khối

1.2.1 cầu không khe co gi n ãn và cầu liền khối

Cầu không khe co giãn (Jointless Deck Bridge) là loại cầu không có

khe nối giữa kết cấu nhịp và mố trụ, nh ng cầu không khe co giãn khác với cầuliền khối là có gối di động đặt d ới kết cấu nhịp, đảm bảo cho mố trụ cầu không

bị chuyển vị do sự co dãn của kết cấu nhịp d ới tác dụng của nhiệt độ, hoặcchuyển vị do tác dụng của tải trọng: (hình 1.8); (hình 1.9)

1 2

3

Hình 1.13: Mố cầu không khe co giãn dầm thép

3

1 2

1 – Dầm; 2 – Gối cầu; 3 – Kết cấu mặt đờng

1.2.1.1. u điểm của cầu không khe co gi nãn và cầu liền khối

Là cầu không có khe co giãn vì vậy không tốn chi phí làm khe co giãn ở hai

đầu cầu và các những kết cấu phụ liên quan đến chúng Khe co giãn đắt tiền,chi phí lắp đặt cao, giá thành sửa chữa, bảo d ỡng, thay thế cũng đắt nh làmmới

Việc thảm lại mặt đờng đợc tiến hành định kỳ cũng yêu cầu phải bảo d ỡng,thay thế khe co giãn, vì khi thảm lại mặt đ ờng thờng khe co giãn cũng đến thời

kỳ bảo dỡng thay thế, hoặc do mặt đờng thảm mới đợc nâng cao

u điểm này đợc xác nhận do các kinh nghiệm ở Mỹ, ng ời ta thấy rằng chi phí

đầu t ban đầu của các cầu liền khối rẻ hơn các cầu có khe co giãn t ơng đơngcùng loại, ngay cả khi tính đến các kết cấu phụ để đảm bảo tính liên tục củakết cấu

Lợi ích do giảm chi phí bảo dỡng và giảm nguy cơ h hỏng do bong bật và rỉkhe co giãn, đó là những h hỏng khó định lợng, nhng về tổng thể thì tất cảnhững u điểm có lợi là chủ yếu

Cầu không khe co giãn sử dụng gối cầu nên có u điểm đặc biệt là đảm bảocho mố trụ không bị chuyển vị khi kết cấu nhịp co giãn d ới tác dụng của tảitrọng và nhiệt độ

Ngoài các u điểm chính ở trên thì tùy thuộc vào từng loại cầu và cấu hình cụthể mà chúng có những u điểm khác nhau

1.2.1.2. Nhợc điểm của cầu không khe co gi nãn và cầu liền khối

Cũng giống nh các loại cầu thông thờng, cầu không khe co giãn vẫn sử dụnggối Khi sử dụng gối cầu thì bụi bặm, đất, đá và rác r ởi có thể lấp đầy các hốc

có thể dẫn đến h hỏng các gối cầu Gối cầu có giá thành đắt, việc lắp đặt thaythế phức tạp, tốn kém

Khi gối cầu h hỏng, kém tác dụng cũng có thể dẫn đến các h hỏng của các

bộ phận kết cấu chính

Giống nh các cầu không liền khối thông thờng, cầu không khe co giãn cần

có lối đi vào để kiểm tra gối cầu định kỳ trong suốt tuổi thọ của cầu, và tạo

điều kiện thuận lợi khi cần nâng kích dầm để thay gối cầu

1.2.2 cầu liền khối

Cầu Liền Khối (Integral Bridge) cũng gần giống cầu không khe co giãn,

tức là cầu không có khe co giãn tại đầu kết cấu nhịp và mố hoặc giữa các nhịpvới nhau Tuỳ từng dạng cầu liền khối mà cầu có thể sử dụng gối cầu (hình

1.10) hoặc không sử dụng gối (hình 1.11) Khi cầu liền khối không sử dụng gốithì kết cấu nhịp sẽ liên kết trực tiếp với kết cấu mố trụ cầu [13]

Hình 1.16: Mố cầu liền khối hoàn toàn (không sử dụng gối)

1 – Dầm; 2 – Mố cầu; 3 – Bản quá độ; 4 – Cọc thépCầu liền khối là loại cầu có tính liên tục về kết cấu, giữa kết cấu nhịp và mốtrụ Không có dịch chuyển ngang t ơng đối nào trên bất kỳ mặt tiếp giáp giữakết cấu nhịp và mố trụ cầu

1.2.2.1. u điểm của cầu liền khối

Cầu liền khối cũng có u điểm giống nh cầu không khe co giãn, tức là không

có khe co giãn, dẫn đến giảm giá thành xây lắp cũng nh chi phí duy tu, bảo ỡng, thay thế

d-Khi thiết kế kết cấu phần dới việc kiềm chế tờng chắn của mố vào dầm cầu,dẫn đến tờng chắn làm việc nh một cột chống và là một liên kết chống xoay, sẽ

Sức kháng đối với các tải trọng do sự cố sinh ra và do động đất: sự kiềm chế

đối với dầm cầu theo phơng dọc đợc tăng lên Trong cầu liền khối có mốkhung, mô men kiềm chế sẽ cung cấp thêm đ ờng truyền tải chống lại các hiệuứng gây ra do sự cố và động đất Đặc biệt khi xây dựng cầu trong khu vực động

đất thì sẽ tiết kiệm đợc đáng kể do không phải tăng chiều rộng bệ kê gối và làmcác kết cấu chống động đất

Tại mặt cắt gối cầu (mặt cắt tơng ứng với cầu thông thờng) không xuất hiện

sự xoắn của kết cấu nhịp Tờng mố đảm bảo cho tất cả các dầm cầu và toàn bộchiều rộng tờng xoay bằng nhau, và điều này dẫn đến sự phân bố tải trọng đềuhơn giữa các dầm Vấn đề này trong các cầu bình th ờng đợc giải quyết bằngcác dầm ngang, và sự phân bố tải trọng xe giữa các dầm trong kết cấu nhịp sẽ

do dầm ngang quyết định

Cầu liền khối có thể xây dựng nhanh hơn Điều này đ ợc thể hiện rõ nhất đốivới các mố có móng cọc, chỉ cần dùng các cọc thẳng đứng, nh vậy việc thicông sẽ đơn giản hơn rất nhiều và tăng nhanh thời gian thi công, vì khi thi côngcọc xiên sẽ phức tạp hơn rất nhiều và khó đảm bảo đ ợc độ xiên theo đúng yêucầu thiết kế

Đối với cầu liền khối hoàn toàn (cầu liền khối có mố khung) thì giữa mố vàkết cấu nhịp liên kết liền khối với nhau (không sử dụng gối cầu) Điều nàycũng làm giảm đáng kể chi phí xây dựng ban đầu do không sử dụng gối cầu,dẫn đến các chi phí nh: giá thành gối, lắp đặt, duy tu, bảo d ỡng sẽ không phảichi phí trong quá trình thi công cũng nh trong suốt vòng đời khai thác của cầu Không sử dụng gối cầu do vậy sẽ không có hiện t ợng h hỏng gối nh bị rỉ sét,kẹt, nh vậy sẽ không gây ảnh hởng đến các kết cấu chính của cầu

1.2.2.2. nhợc điểm của cầu liền khối

Ngoài những u điểm chính vừa nêu thì cầu liền khối có những nh ợc điểm

Do đó sẽ là vô ích nếu cố ngăn chặn các chuyển vị nhiệt nh vậy bằng cách cốgắng thiết kế mố cứng, nặng.

Khi chiều dài cầu lớn, các chuyển vị lớn, sẽ xuất hiện các vết nứt, các vếtnứt này phát triển trên mặt đờng tại vùng tiếp giáp giữa tờng chắn đầu cầu vàmặt đờng đầu cầu Điều này sẽ làm cho nớc chảy xuống và ngấm vào phía saukết cấu, lâu ngày sẽ dẫn đến các h hỏng không lờng trớc đợc

Sự chênh lệch về độ cứng theo phơng thẳng đứng giữa đờng và tờng cuối sẽtập trung một chuyển vị nào đó tại chỗ tiếp giáp Kết quả là n ớc chảy trên đờngchắc chắn sẽ tìm đợc các lối thoát qua các vết nứt chảy xuống lng tờng mố

Đối với cầu có chiều dài lớn thì khó tạo đ ợc mối nối bền và thỏa mãn cácyêu cầu tại chỗ tiếp giáp giữa tờng chắn đầu cầu và kết cấu đờng

Tờng trớc chuyển vị dới tác dụng xe chạy gây ra hiện tợng đất đắp đầu cầu

bị lún xuống, để giải quyết vấn đề này th ờng cấu tạo bản quá độ có kích th ớclớn, dẫn đến xây dựng phức tạp và yêu cầu phải bảo d ỡng và sửa chữa trongsuốt quá trình sử dụng

áp lực đất đẩy ngang sau mố thay đổi theo thời gian, do ảnh h ởng của tảitrọng và sự thay đổi nhiệt độ, vì vậy đất đắp sau mố sẽ bị chặt lại và lún xuống

Sự thay đổi theo thời gian của áp lực đất đẩy ngang này cũng có thể gây ảnh h ởng cho kết cấu chính

-1.3 Tóm tắt chơng 1

Từ những nghiên cứu trên ta thấy:

ở Việt Nam, để giảm bớt số lợng khe co giãn trên cầu ng ời ta thờng làmmối nối liên tục nhiệt Cầu có mối nối liên tục nhiệt th ờng chỉ liên tục tại các

vị trí trên trụ, còn vị trí tiếp giáp giữa đầu kết cấu nhịp và mố thì vẫn sử dụngkhe co giãn, do đó quá trình duy tu bảo d ỡng, thay thế khe co giãn vẫn phảitiến hành định kỳ

Ngoài ra để giảm khối lợng vật liêu mố trụ ngời ta áp dụng cầu có mố trụdẻo, nhng cầu có mố trụ dẻo chỉ thích hợp với những cầu có nhịp nhỏ, chiềucao trụ không lớn, thích hợp làm cầu cạn, cầu thành phố và những sông suốinhỏ không có cây trôi và thuyền bè qua lại

Để giảm số lợng khe co giãn, khối lợng vật liệu và có các kết cấu toàn khối,trên thế giới ngời ta đã và đang xây dựng các Cầu liền khối và Cầu không khe

co giãn, nhng ở Việt Nam thì hiện nay vẫn cha áp dụng hai loai cầu này

Vì vậy việc nghiên cứu áp dụng cầu liền khối ở Việt Nam là một nhu cầu

Do cầu liền khối là một kết cấu toàn khối và có nhiều u điểm hơn so với Cầukhông khe co giãn, nên trong phạm vi luận án chỉ nghiên cứu cầu liền khối

chơng 2 Cấu tạo các bộ phận và nguyên lý tính toán

cầu liền khối

2.1 Các vấn đề chung về cầu liền khối

Các mố liền khối đợc sử dụng để loại bỏ các khe co giãn giữa mố và đầu kếtcấu nhịp Xây dựng mố liền khối nhằm đạt đ ợc một cây cầu không có khe cogiãn để thực hiện đợc các mục tiêu sau:

- Tăng tuổi thọ, độ bền công trình

- Các yêu cầu bảo trì, bảo dỡng tối thiểu

- Tính kinh tế trong xây dựng

- Tăng cờng sự an toàn và tính mỹ quan

Các mố liền khối thờng tựa trên một hàng cọc bằng thép hoặc bê tông Việc

sử dụng một hàng cọc làm giảm độ cứng của mố và cho phép mố cầu dịchchuyển song song theo chiều dọc của cầu, và cho phép loại bỏ các khe co giãn

và gối cầu mà mố vẫn có thể dịch chuyển dễ dàng Khi áp lực đất tác dụng lên

mố cầu, mố cầu sẽ truyền lực lên kết cấu phần trên và các cọc

Khái niệm cầu có mố liền khối dựa trên giả định rằng, do tính linh hoạt mềmdẻo của các cọc, áp lực có thể đợc truyền tới kết cấu phần trên bằng gối cố

định hoặc bằng sự liên kết liền khối giữa dầm và mố Sự thay đổi nhiệt độ sẽlàm cho mố cầu chuyển dịch hoặc chuyển động quay

Tiêu chuẩn thiết kế.

Các chỉ tiêu kỹ thuật của tiêu chuẩn AASHTO – LRFD và các chỉ tiêu kỹthuật của AASHTO bao gồm các tiêu chuẩn thiết kế chi tiết có thể áp dụng chocác mố liền khối Gần đây có hai cách tiếp cận khác nhau về thiết kế các mốliền khối

Cách thứ nhất, một số nớc thiết kế các cọc của mố liền khối chỉ chịu đ ợc tảitrọng đối với mố, không xem xét đến hiệu quả của việc dịch chuyển ngang của

mố trên cọc và độ bền của cọc

Cách thứ hai, tính toán sự tác động của các tải trọng khác nhau và đồng thờitính toán sự dịch chuyển ngang của mố đến sức chịu tải của cọc

Với cầu chéo (xiên)

áp lực đất tác động vuông góc với mặt phẳng mố cầu Với các cầu chéo, áplực đất tác động lên hai mố cầu và gây ra hiện t ợng xoắn Việc giới hạn gócxiên sẽ làm giảm bớt hiện tợng xoắn trong cầu Với các cầu chéo và liên tục,mô men xoắn cũng phải đợc tính toán tăng thêm

Ngoài ra, các góc xiên lớn có thể gây ra vỡ, rạn nứt trong một số mố cầu, vàgây ra sự quay và chuyển động do nhiệt độ phức tạp Sự đứt gãy có thể đ ợcgiảm thiểu hoặc loại bỏ khi ta giới hạn góc xiên Giới hạn góc xiên phải đ ợcthiết kế chi tiết cho các mố có tờng cánh và bản quá độ

Hiện nay không có các giới hạn góc xiên quy định cho các cầu liền khối, dovậy khi thiết kế cầu liền khối có góc xiên thì phải đ ợc tính toán chi tiết, cụ thểcho từng cầu cụ thể

Sự liên kết ngang và hình dạng mặt bằng cầu.

Các mố cầu liền khối thờng đợc áp dụng cho các cầu thẳng, đối với cầu cókết cấu phần trên cong, áp lực đất tác dụng lên mố cầu có thể là nguyên nhângây ra các sự cố Đối với các cầu có bề rộng thay đổi, chiều rộng mố khác nhau

làm cho tác động của áp lực đất không cân bằng, nếu hai mố dịch chuyển cùngmột khoảng cách.

Kết nối giữa dầm cầu và mố liền khối th ờng đợc đổ bê tông sau Phần cuốicủa bản mặt cầu và tờng sau mố thờng đợc đổ bê tông cùng một thời điểm Thi công mố liền khối có hai cách:

* Thi công một giai đoạn:

Trong trình tự thi công này, 2 cọc liền kề với dầm, mỗi cọc ở mỗi bên củadầm Thép góc nối hai cọc và dầm đợc đặt trên thép góc Đầu mố trụ và cuốidầm ngang hoặc tờng sau đợc đổ bê tông cùng thời điểm Mố đợc đổ cùng thời

điểm mặt cầu khi nhịp cuối đợc thi công

Hình 2.1: Bố trí thép trong cầu liền khối

* Thi công hai giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Một hàng cọc thẳng đứng đợc xây dựng, các cọc không có ờng danh giới với các dầm, phần trên của đầu cọc và phần d ới của đệm gối phíadới dầm Đỉnh cọc phải bằng phẳng, nhẵn ngay d ới vùng diện tích tiếp xúc củacác dầm cầu và với độ rộng xấp xỉ 10cm xung quanh khu vực này Các khu vựckhác đợc làm thô nháp.

đ Giai đoạn 2: Sau khi đổ bản mặt cầu, loại trừ các phần của bản mặt cầu liền

kề với mố liền khối (xấp xỉ 120cm của bản mặt cầu từ mặt tr ớc của mố), điểmcuối của tờng sau mố và phần cuối của các dầm cần đợc đổ bê tông sau Phầncuối của bản mặt cầu đợc đổ đồng thời với điểm cuối của dầm ngang

Mô men âm kết nối giữa mố liền khối và kết cấu phần trên

Kết nối cứng giữa kết cấu phần trên và mố liền khối làm tăng mô men âm tại

vị trí này Một số mố liền khối lớn thì bản mặt cầu đứt gãy song song với mốtại mặt cắt cuối của bản do thiếu các cốt thép chịu mô men âm Sự đứt gãy này

đợc khắc phục bởi các cốt thép tăng thêm tại điểm kết nối bản mặt cầu với mặtsau của mố cầu Cốt thép đợc thiết kế chịu đợc mô men tối đa và có thể truyềntải trọng từ mố liền khối tới kết cấu phần trên Mô men này đ ợc chia đều chotổng mô men của các cọc của mố liền khối Chiều cao thiết kế cốt thép có thể

đợc tính từ chiều cao dầm cộng thêm độ dày của bản mặt cầu

Tờng cánh

Tờng cánh mố song song với trục dài của cầu, đ ợc sử dụng kết hợp với các

mố liền khối, giữa mố và tờng cánh tạo vút để giảm co ngót của bê tông vàtránh sự thay đổi tiết diện đột ngột

2.2 Cấu tạo các bộ phận cầu liền khối

Cầu liền khối có thể có cấu tạo một nhịp (Hình 2.1), hai nhịp (Hình 2.2), ba

nhịp (Hình 3.3) : (Sơ đồ bố trí dọc cầu)

3 5

Hình 2.2 Cầu Liền Khối một nhịp

1 – Dầm; 2 – Mố cầu; 3 – Cọc; 4 – Rãnh thoát n ớc; 5 – Bản quá độ;

6 – Gioăng atphan; 7 – Lớp phủ mặt cầu

Lbqd – Chiều dài bản quá độ; Lm – Chiều dài mố; L – Chiều dài nhịp

6 7

5

4 3

2 1

8

Hình 2.3 Cầu Liền Khối hai nhịp

1 – Dầm; 2 – Mố cầu; 3 – Cọc; 4 – Rãnh thoát n ớc; 5 – Bản quá độ;

6 – Gioăng atphan; 7 – Lớp phủ mặt cầu; 8 – Trụ cầu

L1 L2

2 3

4

5

5 4

3

2 1

Hình 2.4 Cầu Liền Khối ba nhịp

1 – Dầm; 2 – Mố cầu; 3 – Cọc; 4 – Rãnh thoát n ớc; 5 – Bản quá độ;

6 – Khe nối; 7 – Lớp phủ mặt cầu; 8 – Trụ cầu

Lbqd – Chiều dài bản quá độ; Lm – Chiều dài mố; L1 – Chiều dài nhịp giữa;

L2 – Chiều dài nhịp biên.

2.2.1 Mố cầu liền khối

Mố cầu liền khối có ba dạng nh sau:

+ Mố khung, mố có chốt và mố kê

a Mố khung: (Hình 2.4)

Cầu có mố khung đợc coi là cầu liền khối hoàn toàn với các t ờng mố làmviệc cùng với đất bao quanh mố, nh vậy sẽ khai thác đợc sức kháng của đất đểchịu tải trọng ngang khi uốn Ngoài ra các bộ phận mố trụ chịu các tải trọngdọc trục là lực thẳng đứng từ kết cấu nhịp

Với mố khung sẽ kiềm chế chống chuyển vị do đất giữa móng và đỉnh mốkhung, nhng mức độ kiềm chế thì phụ thuộc vào đặc tính của đất và hình dạnghình học của mố

Hình 2.4 trình bày các hiệu ứng chuyển vị do nhiệt độ và hoạt tải trên cầugây ra

a)

1

2b)

1

Hình 2.5: Cầu liền khối có mố khung

a: Chuyển vị do giãn nở vì nhiệtb: Chuyển vị do tải trọng thẳng đứng

1 – Dầm; 2 – Mố cầu;

b Mố có chốt (Pinned Integeral Bridges) (Hình 2.5)

Trong cầu liền khối có mố khung, chuyển vị do nhiệt độ và tải trọng trên cầugây ra đờng cong ngợc tại đầu tờng mố và yêu cầu về khả năng chịu mô menthích hợp tại chỗ liên kết, do đó bố trí cốt thép phức tạp trong t ờng đỉnh và cácdầm để chịu mô men và truyền lực

Hình 2.6: Một dạng cấu tạo cầu liền khối có chốt

Việc đa chốt vào chỗ liên kết giữa dầm và mố sẽ loại bỏ các mô men uốn lớn

ở đầu cầu Điều này có thể có hiệu quả, một gối chốt t ơng đối đơn giản có thể

đợc sử dụng

Hình 2.5 trình bày các hiệu ứng chuyển vị do nhiệt độ và hoạt tải trên cầugây ra trên cầu sử dụng mố có chốt.

2

Hình 2.7: Cầu liền khối mố có chốt a: Chuyển vị do giãn nở vì nhiệtb: Chuyển vị do tải trọng thẳng đứng

1 – Dầm; 2 – Mố cầu; 3 – Gối cầu

c Cầu liền khối trên mố kê (Bankseat) (Hình 2.7).

Mố kê là một cấu tạo thông thờng đối với các cầu đờng bộ Mố kê có thể làmột phần của cầu liền khối bằng cách liên kết hoàn toàn với dầm cầu để tạonên sự liên tục hoá kết cấu Vì mố kê chỉ “ngồi” trên đất nên móng có thể dịchchuyển tơng đối với đất do dầm cầu co dãn và có thể xoay dới tác dụng của tảitrọng trên cầu

Mố cầu gồm tờng chắn liên kết ngang qua đầu các dầm cầu và móng nông,

có chức năng trụ đỡ thẳng đứng cho dầm cầu và là kết cấu chống đỡ bên chokết cấu đờng liền kề

Một điển cần lu ý khi chọn cầu liền khối có mố kê là mặt móng tựa trên đất

có thể bị trợt dới tác dụng của các tổ hợp tải trọng, bao gồm cả biến dạng nhiệt

đáng kể và cũng có thể bị xoay khi cầu bị võng d ới tác dụng của hoạt tải

Tuỳ thuộc loại đất khi tính toán do biến dạng nhiệt, đất có thể bị tác độngbởi các dịch chuyển có chu kỳ, nh vậy cần phải xét đến việc giảm cờng độchịu lực của đất nền, vì vậy khi chọn c ờng độ đất nền cho phép cần phải tínhtoán một cách phù hợp

Lún dài hạn có thể sinh ra ở đầu cầu nh vậy, do đó cầu liền khối có mố kêchỉ nên sử dụng ở những nơi đất có cờng độ cao và tổng chiều dài cầu nhỏ.Chiều dài cầu ngắn có các dịch chuyển đầu cầu và các chuyển vị xoay d ới tảitrọng ít hơn

a) Chuyển vị do giãn nở vì nhiệt độ

b) Chuyển vị do tải trọng thẳng đứng

Hình 2.8: Cầu liền khối có mố kê

a: Chuyển vị do giãn nở vì nhiệt độ.

b: Chuyển vị do tải trọng thẳng đứng

Nh vậy ta đã thấy mố cầu liền khối có thể có các dạng chịu lực khác nhau:

mố cầu khung, mố có chốt, mố kê, tuỳ từng trờng hợp mố cầu có thể đợc cấutạo là móng nông hoặc móng cọc và có thể chuyển vị ngang trong phạm vi chophép

Mố phải đợc thiết kế để chịu các biến dạng do co ngót, từ biến và do nhiệt

Các cầu với mố liền khối đợc xây dựng trớc đây không có bản quá độ Cáccầu không có bản quá độ đợc đặt trên làn đờng có mặt đờng bê tông atphan.Giao thông và các dịch chuyển của mố liền khối gây ra sự tác động của đất

đằng sau và bên cạnh mố, làm cho đất bị thay đổi và chặt lại

Hiện nay ngời ta lắp đặt một bản quá độ bê tông cốt thép nối tới bản mặt cầu

và chuyển khe co giãn tới cuối cầu (cuối bản quá độ) Hệ thống thoát n ớc ởcuối cầu để ngăn cản sự xói mòn đất sau mố Và đặc biệt bản quá độ ngoài tácdụng là chuyển dần độ cứng từ nền đ ờng vào cầu, bản quá độ trong cầu liềnkhối còn có tác dụng không cho tải trọng xe cộ tác dụng trực tiếp lên đất đắpsau mố, làm mố dịch chuyển khó khăn

Bản quá độ thờng đặt dựa vào mố cầu ở điểm cuối của mố và th ờng đợc liênkết chốt và đợc chèn kín bằng vật liệu chống thấm n ớc Độ dài của bản quá độ

phụ thuộc vào chiều cao của mố liền khối Tấm đỡ bản quá độ đ ợc đặt ở cuốibản nhằm đảm bảo cho bản dịch chuyển dễ dàng dới sự dịch chuyển của mố.Khoảng cách này là một dạng khe nối của cầu.

Vì sự khác nhau về độ cứng giữa kết cấu phần trên và bản quá độ, điểm tiếpgiáp giữa mố liền khối và bản quá độ sẽ cho phép bản quá độ quay tự do tại

điểm cuối kết nối với các thanh cốt thép liên kết mố cầu với bản quá độ Điểmkết nối này đợc đặt tại vị trí tiếp giáp giữa bản quá độ và mố cầu liền khối.Bản quá độ đợc liên kết với đầu dầm để cùng chuyển vị với đầu dầm, và bảnquá độ phải đợc thiết kế đủ cờng độ chịu uốn (Hình 2.9)

a)

1

2

3 4

b)

53

2

6

4

Hình 2.11: Cấu tạo bản quá độ

1 – Dầm; 2 – Mố cầu; 3 – Bản quá độ; 4 – Thanh liên kết; 5 – Bản đỡ;

6 – Khe nối2.2.3 Cấu tạo khe nối:

Khi chiều dài cầu nhỏ chuyển vị do nhiệt độ có thể giải quyết bằng cách đặtmột nút (gioăng atphan) trên mặt đờng, tại vị trí tiếp giáp giữa bản quả độ vàkết cấu mặt đờng

Tuy nhiên khi chiều dài cầu lớn, chuyển vị do nhiệt độ của kết cấu nhịp sẽlớn hơn, sẽ gây nứt kết cấu mặt đ ờng tại vùng tiếp nối, điều này cần phải đặcbiệt quan tâm khi cấu tạo khe nối chuyển tiếp này

Nếu mặt đờng bằng bê tông cần đặt khe co giãn chịu nén dọc tại cuối bảnquá độ.

Hình 2.12: Cấu tạo khe nối

1 – Bản quá độ; 2 – Khe nối; 3 – Mặt đờng bê tông; 4 – Mặt trợt;

Hình 2.13: Cấu tạo khe nối có dạng nút atphan

1 – Bản quá độ; 2 – Mặt đờng bê tông nhựa; 3 – Nút atphan;

4 – Kết cấu mặt đờng;

b)

đang xây dựng tại Canada với chiều dài 115m [13]

Hình 2.16: Cấu tạo trụ Cầu Liền Khối thân cọc

2.2.5 Kết cấu phần trên cầu liền khối

Hầu hết các quốc gia đều đặt ra các giới hạn về chiều dài của cầu liền khối,cầu liền khối không đợc xem xét nh một cầu có thiết kế điển hình, các phântích tính toán tuỳ theo từng cầu cụ thể Nói chung chiều dài của cầu đ ợc dựa

trên sự dãn nở của kết cấu nhịp, do thay đổi nhiệt độ từ giới hạn thấp nhất đếngiới hạn cao nhất là 10cm (4 inches) Điều này có nghĩa là sự dịch chuyển ở

đỉnh các cọc tại mỗi điểm cuối cầu là 5cm (2 in), khi cầu đ ợc xây dựng ở mộtnhiệt độ trung bình thì sự dịch chuyển là 2,54cm (1 in) theo mỗi h ớng Điềunày cho phép xây dựng cầu dài nhất là 180m (600ft) đối với cầu bê tông, và120m (400ft) đối với cầu thép

Các dạng dầm, chiều cao lớn nhất

Các mố liền khối đợc sử dụng cho các cầu với các dầm bằng thép có tiết diệnchữ I, dầm bằng bê tông chữ U, T, I, hoặc dầm hộp bê tông

Các mố có chiều cao lớn sẽ chịu tác động của tải trọng lớn, do đó ít linh hoạthơn Các điều kiện về đất và chiều dài cầu sẽ đ ợc xem xét khi quyết định cácgiới hạn chiều cao tối đa của dầm thông th ờng khoảng 1800mm Các dầm cầucao hơn có thể đợc tính toán khi các điều kiện về đất là thuận lợi và tổng chiềudài của cầu là tơng đối ngắn

Kết cấu phần trên của cầu liền khối cũng t ơng tự nh các cầu dầm thông ờng là dầm thép bê tông liên hợp hoặc dầm BTCT th ờng và DƯL

th-a Kết cấu nhịp dầm BTCT DƯL

Kết cấu nhịp dầm bê tông cốt thép dự ứng lực có nhiều dạng mặt cắt khácnhau: Mặt cắt chữ I, T, hộp kín, hộp hở dạng Super T

- Dầm I, T: Lnhịp = 15 – 33 m , (giống nh các kết cấu nhịp dầm giản đơn

có dạng mặt cắt tơng tự đang đợc sử dụng tại Việt Nam)

- Dầm Super T: Lnhịp = 28 – 40 m

Đối với các dạng mặt cắt dầm có chiều cao thay đổi thì khẩu độ nhịp có thểvợt đợc lớn hơn Mặt cắt dạng hộp kín có chiều cao thay đổi thì chiều dài mộtnhịp thờng không vợt quá 60m (Lnhịp ≤ 60 m)

2.2.6 Nền móng cầu liền khối

2.2.6.1 Móng nông của mố trụ cầu liền khối

Tơng tự nh móng mố trụ cầu thông thờng, móng mố trụ cầu liền khối khithiết kế cũng phải đảm bảo các yêu cầu về trạng thái giới hạn sử dụng, trạngthái giới hạn cờng độ, trạng thái giới hạn đặc biệt theo tiêu chuẩn 22 TCN 272– 05 và các hệ số sức kháng đợc lấy theo bảng 2.1

Thiết kế móng theo trạng thái giới hạn sử dụng phải bao gồm:

- Chuyển vị ngang

- Sức chịu tải ớc tính dùng áp lực chịu tải giả định

Xem xét lún phải dựa trên độ tin cậy và tính kinh tế

- Thiết kế móng theo trạng thái giới hạn cờng độ phải xét đến:

- Sức kháng đỡ, loại trừ áp lực chịu tải giả định,

- Mất tiếp xúc quá nhiều,

 Trạng thái giới hạn đặc biệt

Phải thiết kế nền móng theo trạng thái giới hạn đặc biệt theo quy định

Phải lấy các hệ số sức kháng đối với các loại kết cấu nền móng khác nhautheo trạng thái giới hạn cờng độ đợc quy định trong Bảng 2.1, trừ phi có sẵncác giá trị riêng của khu vực

Bảng 2.1 Các hệ số sức kháng theo trạng thái giới cờng độ cho các móng nông

Phơng pháp / Đất / Điều kiện Hệ số sức kháng

Khả năng chịu tải

và áp lực bị động

Cát

- Phơng pháp bán thực nghiệm dùng số liệu SPT

- Phơng pháp bán thực nghiệm dùng số liệu CPT

- Phơng pháp hợp lý dùng f ớc tính từ số liệu SPT,

dùng f ớc tính từ số liệu CPT

0,450,55

0,350,45Sét

- Phơng pháp bán thực nghiệm dùng số liệu CPT

- Phơng pháp hợp lý dùng sức kháng cắt đo đợc trongphòng thí nghiệm

dùng sức kháng cắt đo đợc trongthí nghiệm cắt cánh hiện trờngdùng sức kháng cắt ớc tính từ số liệu CPT

0,50

0,600,600,50

dùng f ớc tính từ số liệu CPT

0,900,90

Bê tông đổ tại chỗ trên cátdùng f ớc tính từ số liệu SPT dùng f ớc tính từ số liệu CPT

0,800,80