Bài giảng càu thép thầy Nhiệm

Những vấn đề chung về cầu thép1.1 .Khái niệm về kết cấu nhịp cầu thép Cầu thép là cầu có kết cấu chịu lực chính đợc làm bằng thép, hợp kim thép hoặc thép liên hợp BTCT trong đó vật liệu

CHƯƠNG 1 Những vấn đề chung về cầu thép

1.1 Khái niệm về kết cấu nhịp cầu thép

Cầu thép là cầu có kết cấu chịu lực chính đợc làm bằng thép, hợp kim thép hoặc thép liên hợp BTCT trong đó vật liệuthép đóng vai trò chủ yếu

1.3.Ưu nhợc điểm và phạm vi áp dụng cầu thép

1.3.1 Ưu điểm

Thép là loại vật liệu xây dựng hoàn chỉnh nhất Thép có phẩmchất cao nh tính đồng nhất, đẳng hớng, làm việc hoàn toàn

đàn hồi trớc khi đạt cờng độ chảy Thép có cờng độ chịu kéo

và nén cùng cao Qua giới hạn chảy, vì có độ dẻo cao, tạo đợc

độ dự trữ về cờng độ lớn mà các vật liệu khác không có đợc,

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 trờng khác nhau và giảm chi phí xây dựng

Kết cấu nhịp (KCN) cầu thép nhẹ hơn BTCT, do đó giảmgiá thành kết cấu phần dới, đặc biệt có ý nghĩa khi địa chấtxấu

KCN cầu thép thờng có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầuBTCT, điều này rất có ý nghĩa khi cần giảm chiều cao kiếntrúc (các cầu vợt, cầu cạn, ).Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữanhanh hơn cầu BTCT

1.3.2 Nhợc điểm

Gỉ là một vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tubảo quản cầu và đó là một trong những nguyên nhân chínhdẫn tới phá hỏng cầu thép

Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ rấtcao Vấn đề cạo gỉ khi sơn cũng làm ảnh hởng tới môi trờng,sức khoẻ con ngời

1.3.3 Phạm vi ỏp dụng

cầu thép thờng dùng cho kết cấu nhịp của các cầu lớn trên

đờng sắt, đờng ôtô, và các loại cầu tạm (yêu cầu thi côngnhanh), các loại cầu quân sự (yêu cầu tháo dỡ nhanh và vậnchuyển nhẹ nhàng) Mố trụ và các kết cấu móng chủ yếu dùngBTCT

1.4.Vật liệu làm cầu Thép

- Vật liệu sử dụng bao gồm:

Thép nói chung ( tính chất, đặc điểm, u nhợc điểm, phạm vi

áp dụng )

+ Đặc điểm: cờng độ cao, tỷ trọng lớn

+ Ưu điểm: Kết cấu nhẹ, ổn định, hệ số đồng nhất cao

Làm việc tơng đối tin cậy, độ dai xung kích lớn → tốt để chịu tác dụng xung kích, dễ gia công, tạo hình

Môi trờng: u việt ( tận dụng , tái chế)+ Nhợc điểm: Giá thành cao

+ Tính chất cơ học của thép xây dựng

Quan tâm: giới hạn chảy σy, giới hạn bền σb, Mô đuyn

đàn hồi E, biến dạng tơng đối ε

Thông số của thép có độ lệch tiêu chuẩn thấp

- Các loại thép sử dụng: Thép than / Cacbon cần R0(fs) =

190 MPa

Thép hợp kim thấp : R0(fs) = 270 MPaTrên thế giới sử dụng thép chất lợng cao ( cờng độ cao, khả năng tự chống gỉ)

Bó sợi: song song → cờng độ kéo đứt cao fs = 18.000 - 20.000 MPa

xoắn+ Thép đúc

+ Thép cho liên kết

1.5.Lịch sử và các xu hớng phát triển trong lĩnh vực cầu Thép hiện đại

a.Lịch sử phát triển cầu thép trên thế giới.

Cầu thép ra đời và phát triển cùng với sự lớn mạnh của côngnghiệp luyện kim trên thế giới Tuy nhiên ngay từ nhứng năm

đầu tiên của kỷ nguyên trớc ngời Trung Quốc và ấn Độ đã biếtdùng dây xích bằng sắt để làm cầu treo, cho đến thế kỉthứ 17 các cây cầu tơng tự mới đợc xây dựng ở châu Mỹ vàchâu âu

Khoảng thế kỷ 18, công nghiệp kim loại của Châu Âu còn

ở trong giai đoạn đầu trong qúa trình phát triển Các sảnphẩm chính là gang và sắt Gang chịu uốn và chịu kéo kémnên những chiếc cầu gang đầu tiên thờng đợc làm dới dạngvòm, có kết cấu giống nh những chiếc cầu gỗ thời bấy giờ.Chiếc cầu vòm gang đầu tiên thuộc loại này đợc xây dựng ởAnh qua sông Severn 1776 – 1779

Cầu treo dâu xích bằng sắt cũng cùng xuất hiện và pháttriển song song với cầu vòm gang Chiếc cầu treo dây xích

đầu tiên đợc xây dựng ở Pensylvaria (Mỹ) Khoảng đầu thể kỷ

19 cầu treo ở Pháp đã xây dựng cầu Frây-bua (1834) có chiềudài nhịp 265m Một trong những chiếc cầu dây xích nổitiếng đợc xây dựng khoảng giữa thế kỷ 19 đầu thế kỷ 20 làcầu Sơ-giê-tren-ni qua sông Danube ở Budapest (Hungari) cónhịp chính 203m

Vào các năm 20-30 của thể kỉ 19, sự xuất hiện dây cápbằng thép sợi tha cho dây xích làm cho tốc độ phát triển củacầu tăng lên rất nhanh

Sự phát triển của đầu máy hơi nớc mở ra thời kì cách mạngcông nghiệp thế kỉ 19 và đợc áp dụng trong đầu máy của xelửa khiến tải trọng qua cầu là rất lớn do đó dẫn đến sự xuấthiện của kết cấu cầu dầm thép và dàn thép Một trong nhữngcây cầu dầm thé đầu tiên trên đờng xe lửa là cầu Bri-ta-niaqua vịnh Menai ở Anh, cầu đợc xây dựng vào năm 1846-1850.Cầu có dạng liên tục hai nhịp theo sơ đồ 2x (70 + 140)m, mặtcắt ngang là một hộp kín có đờng xe chạy dới

Các cầu dầm hình hộp tỏ ra không kinh tế với các nhịp lớnvì không sử dụng hết cờng độ vật liệu của vách dầm, do đókết cấu nặng nề, tốn thép, chiều cao kiến trúc lớn và khai tháckhông thuận tiện khi bố trí xe chạy dới Từ đó bắt đầu thời kỳchuyển từ cầu dầm sang cầu dàn

Chiếc cầu dàn thép đầu tiên đợc xây dựng ở Mỹ vào năm

1840 và chiếc cầu dàn thép hoàn toàn đầu tiên đợc xây dựng

là cầu qua kênh Erie ở New York năm 1840 có chiều dài nhịp24,5m

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của vật liệu thép , nhữngchiếc cầu vòm trớc đây làm bằng gang nhng từ những năm

1880 bắt đầu thay gang bằng thép và đã đợc ứng dụng rộngrãi ở Đức, Nga, Mỹ, Thụy Điển Một trong những cầu vòm nổitiếng trên thế giới là cầu Sydney ở Australia, xây dựng năm

1924-1932, cầu có nhịp chính dài 503m và chiều rộng toàncầu là 48,8m cho hai đờng xe lửa, 8 làn xe ôtô, một làn xe đạp

và một lề ngời đi bộ

Kết cấu nhịp cầu treo có trọng lợng nhẹ nên khả năng vợtnhịp cao, tuy nhiên dao động của kết cấu nhịp cũng rất lớn do

đó đã xảy ra rất nhiều các tai nạn của cầu treo Đầu thế kỷ 20

ở Pháp đi theo hớng tìm các hệ giàn dây trong đó các thanhchỉ chịu kéo và làm việc theo sơ đồ không biến dạng hìnhhọc, đứng đầu trờng phái này là Gisclar, một kỹ s nổi tiếngngời Pháp Tuy nhiên chỉ đến năm 1938 giáo s ngời ĐứcDishinbger đã thử thiết kế một cầu treo cho đờng sắt đôi quasông Elbe với mục đích của ông là đa các dây cáp căng xiênvào cầu treo để tăng cờng độ cứng Dishinbger đã dùng cácdây cáp tiết diện lớn để đỡ dầm cứng nh các gối tựa đàn hồi

và đề nghị đó của ông đợc thực hiện vào cầu Stromsund ởThụy Điển năm 1955 Cầu có dầm cứng liên tục ba nhịp làmbằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cờng độcao, cầu có nhịp chính 183m và bản mặt cầu bằng bê tôngcốt thép

Kết cấu nhịp cầu dây văng có độ cứng lớn và có chỉ tiêukinh tế kỹ thuật tốt nên chỉ trong một thời gian ngắn đã đợc

áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nớc trên thế giới Cuối thể kỷ 20 làcuộc chạy đua về chiều dài nhịp giữa cầu treo và cầu dâyvăng Các cầu treo và cầu dây văng có nhịp lớn là:

b Lịch sử phát triển cầu thép trong nớc.

ở Việt Nam lịch sử phát triển cầu thép trải qua nhiều giai

đoạn, gắn liền với lịch sử đấu tranh của dân tộc

Thời kì Pháp thuộc là thời kì mạng lới giao thông đờngsắt và đờng bộ đợc triển khai, đặc biệt là tuyến đờng sắtxuyên Việt (1920 – 1936) Khi đó nhiều cầu dàn thép đã đợcxây dựng Đặc điểm nổi bật của các cầu thép trong giai đoạnnày là khổ hẹp, tải trọng nhẹ kết cấu theo dạng cổ điển ở cácnớc châu âu vào cuối thể kỉ 19 Trên đờng sắt chỉ phục vụmột đờng đơn chung với ôtô, trên đờng bộ thởng chỉ thiết kếcho một làn xe Dàn chủ có dạng nhiều thanh xiên nh cầu Đuống

cũ, các dàn biên cong và vành lợc nh cầu Ninh Bình, Phú Lơng,Lai Vu, Tân An, Bến Lức; một số cầu có tính định hình bánvĩnh cửu nh các dàn Pigiô, Effel, Bailey Cây cầu nổi tiếng đ-

ợc xây dựng thời đó là cầu Long Biên, cầu dàn có biên đa giácvới chiều dài toàn cầu gần 3000m trong đó phần dàn thép dài1860m, theo sơ đồ dàn hẫng, nhịp lớn nhất dài 130m và nhịp

đeo dài 52,5m và đến nay cầu vẫn còn đang đợc sử dụng.Chiếc cầu vòm nổi tiếng về Mỹ quan là cầu Hàm Rồng quasông Mã ở Thanh Hoá với chiều dài nhịp 160m, theo sơ đồ vòm

ba khớp có thanh chịu kéo Cầu bị phá huỷ trong cuộc khángchiến chống Pháp năm 1946

Sau khi kết thúc kháng chiến chống Pháp (1954), trongmột thời gian ngắn chúng ta đã khôi phục và làm mới hàng loạtcác cầu thép nh cầu Làng Giàng ở Lào Cai, cầu Việt Trì, cầuNinh Bình, cầu Hàm Rồng đợc xây dựng lại theo sơ đồ dànliên tục 2 nhịp (80 + 80)m

Từ năm 1954 -1975 hầu hết các công trình cầu ở miềnBắc đều bị phá huỷ trong cuộc chiến tranh phá hoại do Mỹphát động Các công trình cầu giai đoạn này chủ yếu là côngtrình tạm để phục vụ giao thông trong thời chiến

Sau năm 1975 đất nớc hoàn toàn giải phóng, đất nớc ta

b-ớc vào thời kì đổi mới, phục hồi nền kinh tế quốc dân Hàngloạt các cầu cũ đã đợc phá bỏ vì không đáp ứng đợc nhu cầu

về tải trọng và mật độ xe hiện đại Các cầu thép trên tuyến

đờng sắt xuyên Việt lần lợt đợc thay thế và xây dựng mới Cầu Thăng Long bắc qua sông Hồng là dạng cầu dàn thépliên tục gồm 5 liên, mỗi liên 3 nhịp có chiều dài 112m, mặt cầubằng thép bản trực hớng (Orthotropic) Cầu đợc thiết kế cho 4làn xe ôtô chạy trên, hai làn đờng sắt và 2 làn xe thô sơ chạydới Từ năm 1972-1977 do các chuyên gia Trung Quốc thực hiện

và từ năm 1978-1985 cầu đợc hoàn thành với sự giúp đỡ của cácchuyên gia Liên xô

Cầu Chơng Dơng đợc xây dựng năm 1985 với chiều dàinhịp 97,6m Cầu Việt Trì (Phú Thọ), cầu Đò Quan (Nam Định)xây dựng năm 1994 dới dạng cầu thép bê tông liên hợp liên tục

c Phơng hớng phát triển của kết cấu nhịp cầu thép.

Phân tích một loạt các cầu thép hiện đại xây dựng trênthế giới trong những năm gần đây thấy nổi bật lên ba phơnghớng:

+ Phơng hớng thứ nhất là sử dụng các loại thép chất lợngcao, nhằm giảm công tác duy tu bảo dỡng và sơn cầu, đây làcông việc rất tốn kém, ảnh hởng đến sức khỏe cộng đồng

đồng thời gây ô nhiễm môi trờng và là mối lo thờng xuyên củanhững ngời làm công tác quản lý

+ Phơng hớng thứ hai là tiếp tục nghiên cứu tìm kiếm các

hệ liên hợp để vợt nhịp dài và có tính thẩm mỹ cao

+ Phơng hớng thứ ba là dùng các cầu dầm thép giản đơn hoặc liên tục có chiều cao không đổi để giảm giá thành chế tạo và thi công thay cho các kết cấu nhịp dàn thép cổ điển Hiện nay thờng dùng là các kết cấu cầu dầm thép liên hợp bản

bê tông cốt thép hoặc mặt cầu bằng bản thép trực hớng

Ngoài ra các tiết diện hộp kín cũng đợc nghiên cứu áp dụng đểtăng cờng độ cứng chống xoắn và để tạo môi trờng không gỉ bên trong

Về các liên kết trong cầu thép, cùng với các tiến bộ về thép chất lợng cao thì liên kết đinh tán không còn thích hợp nữa màhiện nay đang áp dụng hai loại liên kết mang tính công nghiệp

và hiện đại là liên kết hàn và liên kết bu lông cờng độ cao Ngoài ra hiện nay liên kết dán cũng đang đợc áp dụng với u

điểm là không làm giảm yếu tiết diện thanh và bản nút có cấu tạo rất đơn giản

CHƯƠNG 2 : Cấu tạo kết cấu nhịp cầu Dầm thép

2.1 Kh¸i niÖm chung:

+ DÇm liªn hîp ThÐp

– BTCT

+ DÇm hép hoÆc

dÇm thÐp b¶n trùc híng

+ Cầu có xe chạy giữa

+ Cầu có xe chạy dới

2.3 Cấu tạo mặt cầu và các bộ phận phục vụ khai thác trên nhịp cầu

Cấu tạo, phạm vi áp dụng linh động

Kết cấu bản mặt cầu: bộ phận chịu lực của mặt cầu

+ Bản mặt cầu BTCT

Bản kê không liên hợp

Bản liên hợp với dầm chủ

2.3.3 Các thiết bị khai thác ( GT: Tổng luận Cầu – Cầu gỗ)

+ Khe biến dạng ( chức năng, cấu tạo)

+ Lề ngời đi, lan can, gờ chắn bánh, giải phân cách trên cầu,

+ Hệ thống thoát nớc

+ Gối cầu

2.4 Dầm không liên hợp

1 2

3

Mặt cắt ngang cầu dầm thép đặc

1 Dầm chủ 2 Hệ liên kết ngang, dọc 3 Sờn tăng cờng

4 Bản mặt cầu 5 Lớp phủ mặt cầuKết cấu chịu lực chính là các dầm chủ, tiếp nhận tất cảcác tải trọng: tải trọng bản thân, bản mặt cầu, các hệ liên kết,lớp phủ và lan can, gờ chắn Số lợng dầm chủ đợc xác định trêncơ sở các điều kiện kinh tế - kỹ thuật tuỳ theo khổ rộng củacầu, loại kết cấu, chiều dài nhịp, v.v

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 đợc những tải trọng nằm ngang tác dụng theo phơng ngang cầu Các dầm ngang ở đầu dầmvà 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 thờng là bản BTCT vừa làm bản mặt cầu cho xe chạy, vừa tạo độ cứng ngang của các dầm dọc

Cầu dầm thép có u điểm đặc biệt là cấu tạo đơn giản, trọnglợng 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 phơng

- Nội dung nghiên cứu:

Kết cấu uốn phẳng dới tác động của hoạt tải ( nh) và tĩnh tải ( nt)

- Dạng mặt cắt

Biểu đồ ứng suất:

ứng suất tăng dần khi ra khỏi trục trung hoà → Thiết kế mặt cắt sao cho vật liệu bố trí càng xa trục trung hoà càng tốt → mặt cắt hợp lý ?

Có hai dạng mặt cắt

+ Hở: mặt cắt I

+ Kín: mặt cắt hình hộp

∗ Mặt cắt I cho mô men quán tính lớn nhất so với các mặt cắt khác cùng lợng vật liệu ( I∼ hα(α > 1)

Bề rộng xói,bao nhiêu nhịp,Chiều cao nớc dâng

→ chiều dài toàn cầu Lo → mặt cắt kiểu gì,

Điều kiện địa chất thuỷ văn trên mặt cắt có bao nhiêu dầm

(trong điều kiện khống chế và ràng buộc) → giải pháp lực chọn: tốt nhất về kỹ thuật

rẻ nhất về kinh tế

∗ Nếu n nhỏ → hiệu ứng do tải trọng phân bố trên dầm lớn

→ yêu cầu kích thớc dầm lớn để có đủ khả năng tiếp nhận tải trọng → h dầm lớn →↑ cao độ xe chạy ( tăng chiều cao kiến trúc) → hiệu ứng kế tiếp ( vd: tăng chiều dài cầu, xủ lý gia cố nền đát yếu ( đờng vào cầu)

Đồng thời bản mặt cầu làm việc nhiều hơn → tăng chiều dày bản mặt cầu, bổ sung cốt thép làm việc → tĩnh tải tăng,

Ưu điểm: Tổng chi phí cho dầm chủ ít nhất

Giảm các chi tiết liên kết

Giảm kích thớc kết cấu bên dới,

Kích thớc khác nhau ảnh hởng đến chiều năng lực chịu tải là khác nhau.

h – yếu tố quan trọng nhất quyết định khả năng chịu uốn của dầm

I – (mô men quán tính của mặt cắt )

α – hệ số α = 2.5 – 2.7 M – giá trị mô men uốn lớn

f ≤ [f]

3. Chiều dày bản bụng dầm tw = ?

- Chức năng bản bụng – liên kết cánh dầm - đối với mặt cắt tổ hợp

- Làm việc:

→ truyền biến dạng uốn từ trục trung hoà ra xa

→ xuất hiện ứng suất cắt → làm việc chủ yếu chịu cắt, ngoài

ra còn tham gia 1 phần chịu mô men

1

đối với thép cacbon

δ = h suon

10 1

đối với thép hợp kim thấp

( Tại sao: δ- thép hợp kim thấp( có cờng độ cao hơn) > δ - thép than ( cờng độ thấp hơn)

Thép hợp kim: sự phá hoại không phụ thuộc vào cờng

độ, sụ phá hoại do mất ổn định cục bộ, phụ thuộc vào chiều cao dầm ( bị phồng, xoắn) → tw ↓ dự trữ chịu lực của bản cánh còn nhiều nhung dầm đã bị phá hoại

Thép cacbon : ngợclại

+ Ngoài ra: δ ≥ 10 mm đối với dầm: tán nối

δ ≥ 12 mm đối với dầm hàn nối

R A N

h

M kN N

f

f f f

Af – căn cứ: + Vật t cung cấp → thờng chọn tf → bf

chú ý: tf bf cần thoả mãn các tiêu chuẩn thiết kế, xây dựng

* 22 TCN 18-79

bfmin ≥ 2b + tw + 2.5

' 15 2

1

δ

δ

a a

thép góc ≥ 100 x 100 x 10

chiều dày một tấm : 10 mm ≤ tf ≤ 20 mm

∑δ’t + tg ≤ 4.5 d tán 1 một búa ; d - đờng kính đinh tán

1 ữ

=

l h

Cầu đờng bộ

12

1 20

1 ữ

=

l h

Dầm liên tục

15

1 20

1 ữ

=

l h

+Nhịp liên tục có khẩu độ lớn

→ Mặt cắt dầm có h ≠ const

20

1 30

1 1

1 2

2

l

h l

+ Mục đích: bố trí vật liệu phù hợp với sự làm thay đổi mômen uốn trong dầm → tiết kiệm vật liệu →↓ trọng lợng dầm, công chế tạo.

+ Phơng pháp: ↓ Af - ↓ tf

- ↓ bf

+ Nguyên tắc giảm chiều dày:

Chuyển tiếp tf1 → tf2 → 1: m = 1/8 – cánh chịu kéo

Chú ý: điểm cắt thực tế kéo dài 1 đoạn so với điểm cắt lý thuyết.

5 Các chi tiết gắn sẵn vào dầm chủ ( s ờn tăng c ờng)

- Các sờn tăng cờng của dầm chủ:

-+ Sờn đứng trong mặt phẳng đứng: bố trí dày ở gối, tha

ở giữa nhịp

+ Sờn ngang ở nơi có chiều cao lớn, đảm bảo cho bản

bụng không bị mất ổn định ( cục bộ)

→ Vị trí, số lợng các sờn phải tính toán

- Cấu tạo:

+ Các sờn chủ yếu cấu tạo bằng thép bản

+ Do ở cánh kéo có phá hoại do mỏi, do ứng suất d → ít khihàn ( tập trung ứng suất) → hoặc tỳ qua hoặc mài phẳng tỳ sát vào con đềm hàn với sờn cánh kéo

Lu ý: Với dầm thép kiểu cũ hoặc tổ hợp bằng đinh tán, sờn tăng cờng có thể bằng thép góc hoặc tổ hợp thép góc với thép bản