Tổng luân mố trụ cầu

Bài giảng Tổng luận mố trụ cầu CHương I : Tổng luận cầu Giới thiệu chung về công trình cầu Chương II Mố trụ cầu dầm trình bày đặc điểm, cấu tạo, phạm vi áp dụng, tính toán thiết kế của mố trụ cầu dầm giản đơn Chương II Mố trụ cầu vòm, cầu treo trình bày đặc điểm, cấu tạo, phạm vi áp dụng, tính toán thiết kế của mố trụ cầu vòm, cầu treo

thể tách rời trong giao thông – Vận tải đường bộ, trong nội dung bài giảng môn học Tổng luận

và Mố trụ cầu này trình bày tổng quan về thiết kế cầu và nội dung cấu tạo, tính toán các các bộ

phận: Mố và Trụ cầu

- Hiện nay nước ta đang thiết kế công trình cầu đường bộ theo tiêu chuẩn 22TCN272-05 (AASHTO-LRFD 1998) và nội dung của bài giảng cũng xuyên suốt theo tiêu chuẩn này Bên cạnh đó còn tham khảo nội dung của các giáo trình và tài liệu tham khảo sau

- Sách, giáo trình chính:

[1] Nguyễn Minh Nghĩa (2010), Tổng luận cầu, NXB Giao thông Vận tải

[2] Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Đức Thị Thu Định, Trần Anh Đạy

(2011), Giáo trình Thiết kế các phương án cầu, NXB Xây dựng

[3] Nguyễn Minh Nghĩa, Dương Minh Thu (2007), Mố trụ cầu, NXB Giao thông Vận tải

- Sách tham khảo:

[4] Nguyễn Viết Trung - Hoàng Hà (2008),Thiết kế cầu treo dây võng, NXB xây dựng

[5] Nguyễn Viết Trung - Hoàng Hà - Nguyễn Ngọc Long (2010), Cầu bê tông cốt thép (tập2),

NXB Giao thông Vận tải

[6] Nguyễn Viết Trung, Ví dụ tính toán Mố trụ cầu (2007), NXB Giao thông Vận tải

[7] Bộ Giao thông Vận tải (2005), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05, NXB Giao thông

Vận tải

[8] Demetrios E Tonias, P.E., Bridge engineering , McGraw-Hill, Inc

- Trong nội dung bài giảng này không thể tránh khỏi một số thiếu sót rất mong được sự đóng góp của các thầy cô đồng nghiệp và đặc biệt là các bạn sinh viên Các ý kiến đóng góp xin gửi

về địa chỉ: lydd@utt.edu.vn hoặc 0982148991

CHƯƠNG I: TỔNG LUẬN CẦU 1.1 Công trình cầu:

- Khi xây dựng tuyến đường sẽ gặp phải nhiều chướng ngại khác nhau như sông, suối, mương máng, núi cao v.v… Để vượt qua các chướng ngại đó, bảo đảm tuyến đường liên tục và chuyển động được an toàn, người ta xây dựng cầu, cống, hầm, đường tràn và các công trình khác gọi là các công trình nhân tạo trên đường

 Cầu:

- Cầu là một công trình nhân tạo để vượt qua các

chướng ngai vật như dòng nước, qua thung lũng, qua

đường, qua các khu vực sản xuất hoặc qua các khu

phố, khu thương mại

Ví dụ:

-Cầu qua sông: Cầu Thăng Long, Chương Dương,

Long Biên, Cầu Đa phúc…

-Cầu qua thung lũng: Cầu Bắc Thuỷ,…

-Cầu qua đường: Nút vượt Ngã Tư Vọng, Ngã Tư Sở, Mai dịch, Cầu Đán

-Cầu qua khu thương mại, khu phố: Hệ thống cầu đường sắt trên cao khu vực Hà Nội, cầu vành đai 3 khu vực Hà Nội

 Cống:

- Cống là công trình nhân tạo đơn giản nhất, đặt dưới nền

đường, cách mặt đường xe chạy tối thiểu 0,5m, mục đích

chính là để thoát nước (nước mặt và nước sinh hoạt) có lưu

lượng nhỏ (khi lưu lượng thoát nước Q < 40 50m3/s thì

được coi là nhỏ)

 Phân biệt giữa Cầu và Cống: Căn cứ vào khẩu độ

thoát nước và chiều cao đất đắp bên trên để phân biệt

Nếu:

-Khẩu độ thoát nước  6m: Gọi là Cầu

-Khẩu độ thoát nước  2m: Gọi là Cống, bất kể có hay không có lớp đất đắp bên trên Và như vậy, sẽ có loại cống mà xe chạy ngay trên nắp cống, gọi là cống nổi

-Khẩu độ thoát nước nằm trong khoảng 2  6m: Căn cứ vào chiều dày đất đắp bên trên để phân biệt Nếu chiều dày đất đắp bên trên  0,5m thì gọi là Cống; và ngược lại, gọi là Cầu

1.1.1 Các bộ phận và kích thước cơ bản của cầu:

Hình 1 3 Các kích thước cơ bản của công trình cầu 1-Kết cấu nhịp; 2- Trụ; 3 – Mố, 4- gối cầu; 5- Móng;

6- Mố; 7- Nền đường đầu cầu

Hình 1 1 Cầu dầm giản đơn

Hình 1 2 Cống thoát nước

1.1.1.1 Các bộ phận cơ bản

- Kết cấu chịu lực của cầu bao gồm 2 nhóm chính:

+ Kết cấu phần trên: Kết cấu nhịp, bản mặt cầu, lan can, gờ chắn…

+ Kết cấu phần dưới: Móng, Mố, Trụ……

- Kết cấu nhịp (KCN): Là kết cấu chịu lực chính có nhiệm vụ Đỡ hoạt tải và vượt qua chướng ngại vật KCN có thể dạng dầm, dàn, vòm, dây hay kết hợp các dạng trên KCN dạng dầm bao gồm: Dầm chủ, dầm ngang và các liên kết Với kết cấu nhịp cầu dàn thì có: Dàn chủ, dầm dọc, dầm ngang, hệ dầm mặt cầu và các hệ liên kết

- Bản mặt cầu có nhiệu vụ Đỡ lấy tải trọng bánh xe truyền xuống

- Mố, trụ cầu: Mố và trụ cầu có tác dụng Đỡ kết cấu nhịp và truyền tải trọng từ các gối tựa xuống đất nền Mố thường nằm ở hai bên đầu cầu, tiếp giáp giữa cầu và đường Mố còn có tác dụng chắn đất hai bên đầu cầu và điều tiết dòng chảy dưới cầu Trụ được xây dựng nằm ở phía ngoài bờ phân chia thành các nhịp

-Ngoài các bộ phận cơ bản trên, còn có: Đường dẫn đầu cầu, Lớp phủ mặt cầu, khe co dãn, hệ thống thoát nước, chiếu sáng trên cầu, lan can tay vịn, lề người đi bộ, dải phân cách, gờ chắn bánh xe,…

Cầu đường bộ: Sông không có cây trôi Ho=0,5m, nếu có xét cây trôi thì Ho=1m

Cầu đường sắt: Sông không có cây trôi Ho=0,75m, nếu có xét cây trôi thì Ho=1,5m

- Chiều cao thông thuyền(Khổ thông thuyền Btt và Htt) Htt: là chiều cao tính từ MNTT tới đáy KCN tùy thuộc vào cấp sông

Bảng 1 1 Khổ thông thuyền

- Chiều cao kiến trúc của cầu(Hkt): Được tính từ đỉnh phần xe chạy đến đáy kết cấu nhịp cầu -Tĩnh không cầu (l0): Là chiều rộng mặt thoáng thoát nước dưới cầu, tại MNTK

Hình 1 4 Khẩu độ cầu

+ Đối với cầu có 1 nhịp: l0 là khoảng cách giữa hai tường trước của hai mố tại MNTK + Đối với cầu có n nhịp: l0 là khoảng cách giữa hai tường trước của hai mố trừ đi (n-1)d, với

d là bề rộng của trụ tại MNTK

- Khẩu độ nhịp tính toán(l): Là khoảng cách tim hai gối trên một nhịp theo chiều dọc cầu

- Chiều dài toàn cầu(L): Là khoảng cách tính từ đuôi hai mố hoặc tính từ đuôi hai bản vượt sau mố

1.1.1.3 Các loại mực nước

- Mực nước cao nhất(MNCN): Là mực nước cao nhất do tài liệu đo đạc ghi lại hoặc do điều tra khi có lũ lớn nhất, còn được gọi là mực nước lũ lịch sử Cầu lớn trung tính với tần suất lũ là 1%, cầu nhỏ là 2%

- Mực nước thiết kế(MNTK): Đây là mực nước do người thiết kế công trình lựa chọn Có thể

là MNCN xảy ra trong khoảng thời gian nhất định (tần suất thiết kế) tuỳ theo tính chất trọng yếu của công trình

- Mực nước thấp nhất(MNTN): Là mực nước thấp nhất do tài liệu đo đạc ghi lại tính với tần suất là 5%

- Mực nước thông thuyền(MNTT): Là mực nước lớn nhất cho phép tàu bè qua lại trên sông an toàn vào mùa lũ Khi sông có thông thuyền thì lấy MNTT làm MNTK Tính với tần suất lũ là 5%

- Mực nước thi công(MNTC): Là mực nước cao nhất xác định tại thời điểm thi công cầu và được ghi lại trên bản vẽ thi công Nó có thể thay đổi theo từng ngày, thậm chí từng giờ trong thời gian thi công

1.1.2 Phân loại cầu

1.1.2.1 Theo vật liệu làm cầu

Cầu gỗ, cầu đá, cầu bê tông, cầu bê tông cốt thép, cầu thép, hỗn hợp

- Là loại cầu mà kết cấu nhịp được ngàm cứng vào trụ hoặc cả mố và trụ Mố, trụ cùng tham gia chịu uốn với KCN

Hình 1 6 Cấu tạo cầu khung

Cầu vòm:

- Là cầu mà kết cấu lực chủ yếu là kết cấu vòm là các bản thanh cong hoặc thanh cong có 2 đầu được liên kết chốt hoặc liên kết ngàm với mố trụ để chúng không di chuyển theo phương ngang được, tại vị trí chân vòm luôn xuất hiện thành phần phản lực theo phương ngang

Hình 1 7 Cấu tạo cầu Vòm

Cầu dàn:

-Kết cấu được cấu tạo từ các thanh dàn, các thanh dàn chỉ chịu lực dọc( Mô men – Lực cắt) Cầu dàn vượt được nhịp và tải trọng lớn hơn cầu dầm thường áp dụng cho các nhịp > 80m

Hình 1 8 Cầu dàn chương dương – Long biên Hà Nội

Cầu dây văng

Hình 1 9 Cầu dây văng

Cầu dây võng ( cầu treo)

Hình 1 10 Cầu dây võng

Cầu dầm-dây tăng cường ( extradosed)

Hình 1 11 Cầu extradosed ( cầu Ngã tư sở )

Cầu bản

Hình 1 12 Cầu bản

1.1.2.3 Theo vị trí và chướng ngại vật mà cầu vượt qua

- Cầu cạn vượt qua đường, khu dân cư

- Cầu qua sông, suối, thung lũng

1.1.2.4 Theo chiều dài cầu

- Cầu nhỏ: Nếu có nhiều nhịp thì tổng chiều dài các nhịp 25m

- Cầu trung: có nhiều nhịp thì tổng chiều dài các nhịp 25-100 m

- Cầu lớn: Nếu cầu có một nhịp thì chiều dài nhịp > 30m; nếu cầu có nhiều nhịp thì tổng chiều dài các nhịp > 100m

1.1.2.5 Theo phương pháp thi công

- Cầu toàn khối- đổ tại chỗ

- Cầu lắp ghép và bán lắp ghép

- Cầu lắp hẫng, đúc hẫng, đúc đẩy, lắp đẩy,…

1.1.2.6 Theo cao độ mặt đường xe chạy

- Cầu có đường xe chạy trên

- Cầu có đường xe chạy dưới

- Cầu có đường xe chạy giữa

- Cầu đi chung đường bộ - đường sắt

1.1.2.8 Theo thời gian sử dụng

-Cầu tạm dưới 5 năm,

-Cầu bán vĩnh cửu 10-50 năm

-Cầu vĩnh cửu trên 50 năm

1.1.3 Sơ lược lịch sử và phương hướng phát triển của nghành cầu

1.1.3.1 Sơ lược lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu

a, Thế giới

- Từ xa xưa con người đã biết sử dụng những thân cây gỗ bắc qua sông suối Với vật liệu gỗ khi

sử dụng phải chọn loại gỗ tốt và kiểm tra mục thường xuyên Cầu gỗ thời gian sử dụng ngắn, vượt được nhịp và chịu tải trọng nhỏ

Hình 1 13 Hình ảnh các cây cầu sơ khai

- Ngoài gỗ thì đá cũng là loại vật liệu được sử dụng phổ biến nhưng thời gian xuất hiện muộn hơn Cầu đá nở rộ từ thời kỳ TCN ( La Mã ) dạng kết cấu chủ yếu là cầu vòm khả năng vượt nhịp lên tới 100 m

Hình 1 14 Dạng cầu vòm đá TCN

Hình 1 15 Cầu Forence Italia

- Từ thời kỳ TCN thì loại cầu sử dụng phổ biến vẫn là cầu Đá và cầu gỗ

Hình 1 16 Cầu An Tế Trung Quốc năm 605

- Thế kỷ 18 với cuộc cách mạng công nghiệp thì cầu gang, thép xuất hiện lần đầu tiên

Hình 1 17 Cầu Iron Bridge Anh là cầu kim loại đầu tiên 1776 – 1779

- Từ thế kỷ 19 thời kỳ phát triển mạng mẽ của khoa học công nghệ, đây cũng là thời kỳ xuất hiện những cây cầu lớn hợp lý về mặt kiến trúc, kết cấu vượt được nhịp rất lớn, loại vật liệu sử dụng phổ biến là thép và bê tông cốt thép

Hình 1 18 Cầu menai Mỹ xây dựng năm 1826 nhịp 177m

Hình 1 19 Cầu Firth of ford ( scotlad) nhịp 521m lớn hơn cầu treo cùng thời

Hình 1 20 Cầu Sydney Úc nhịp 503m

Hình 1 21 Cầu Golden Gate Mỹ nhịp 1280m năm 1937

Hình 1 22 Cầu Akasi Kaiyo nhịp 1991m xây năm 1998

Hình 1 23 Cầu stormasunet nhịp 301m năm 1998

b, Trong nước

- Thời kỳ cổ xưa người việt cổ đại đã biết làm cầu tre, cầu gỗ, cầu gạch đá đơn giản để bắc qua sông suối

Hình 1 24 Các Cầu sơ khai Việt nam

- Thời kỳ pháp thuộc và kháng chiến chống pháp hệ thống giao thông được hình thành trên cả nước

Hình 1 25 Cầu Long biên và Tràng tiền

Hình 1 26 Cầu Thăng Long

Hình 1 27 Cầu Bãi Cháy

Hình 1 28 Cầu Cần Thơ

Hình 1 29 Cầu Nhật Tân

1.1.3.2 Phương hướng phát triển nghành cầu

- Giao thông vận tải vẫn là vấn đề quan trọng trong quá trình phát triển Cùng với sự phát triển khoa học công nghệ, xu hướng phát triển công trình cầu tập trung các mặt về vật liệu , dạng kết cầu, công nghệ thi công

- Về Vật liệu: Tập trung ứng dụng các loại vật liệu có cường độ cao, chất lượng cao như Bê tông cường độ cao ( f’

c>50MPA), chất lượng cao, thép cường độ cao, thép chất lượng cao…Để giảm trọng lượng và tăng cường cho kết cấu sử dụng các loại vật liệu sợi các bon, polymer…

- Về dạng Kết cấu: Tập trung sử dụng các dạng kết cấu hợp lý về mặt chịu lực như kết cấu liên hợp, mặt cắt liên hợp, mặt cắt dạng hình hộp, kết cấu bản trực hướng

- Về Công nghệ thi công: Sử dụng các thiết bị chuyên dụng, các thiết bị có năng lực lớn để thi công Áp dụng các công nghệ hiện đại như đúc hẫng, đúc đẩy, MSS…

- Bên cạnh các xu hướng phát triển trên với sự phát triển của tin học và hỗ trợ các nghành khác

đã thúc đẩy sự hoàn thiện triết lý tính toán thiết kế cầu Việc tính toán chính xác kết cấu có xét thêm các yếu tố phi tuyến, không gian và các tác động khác như động đất, gió bão, nhiệt độ…

1.2 Tiêu chuẩn thiết kế cầu:

- Trong thiết kế, các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án đã được chọn Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thỏa mãn

- Triết lý tính toán thiết kế là các quan niệm về ứng xử của kết cấu và sự làm việc an toàn của

nó Đồng thời xác lập điều kiện, phương thức để đảm bảo điều kiện an toàn cho kết cấu trong quá trình khai thác

- Nguyên tắc chung: Khi có tải trọng tác động vào kết cấu, nó sẽ gây ra một hiệu ứng trong kết

cấu và hiệu ứng đó không được lớn hơn khả năng chịu lực của kết cấu

TÁC ĐỘNG TRÊN KẾT CẤU  KHẢ NĂNG CHỊU LỰC CỦA KẾT CẤU DO BẢN

DO TẢI TRỌNG GÂY RA THÂN VẬT LIỆU VÀ CẤU TẠO CỦA KẾT CẤU

- Quan hệ của bất đẳng thức này phải được xét trên mọi bộ phận và vật liệu của kết cấu

1.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế cầu dựa theo ứng suất cho phép:

- Phương trình cơ bản: Trong phương pháp này, người ta nhìn nhận ứng xử của kết cấu thông qua ứng suất của một điểm đại diện:

+ []: Ứng suất lớn nhất cho phép xuất hiện trong bộ phận kết cấu

+ gh: Cường độ của vật liệu

+ k: Hệ số an toàn (k>1)

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

 Tính toán đơn giản, cho phép tính toán nhanh chóng và tiện dụng

 Đảm bảo an toàn chịu lực cho các bộ phận kết cấu

+ Nhược điểm:

 Không áp dụng được cho vật liệu làm việc ngoài giới hạn đàn hồi, do đó không tận dụng được hết khả năng chịu lực của các bộ phận kết cấu và gây lãng phí vật liệu

 Không xét đến tính làm việc thực tế của kết cấu

 Việc xác định hệ số an toàn thiếu sự phân tích cụ thể

1.2.2 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng: (LFD - Load factor design)

- Phương trình cơ bản: Trong phương pháp này, sự làm việc của kết cấu được đánh giá thông qua một mặt cắt đại diện:



S S với [ ]  S gh

S k

Trong đó:

+ Smax: Nội lực lớn nhất do tải trọng gây ra tại mặt cắt bất lợi

+ [S]: Khả năng chịu lực lớn nhất cho phép của mặt cắt bất lợi

+Sgh: Khả năng chịu lực lớn nhất của mặt cắt

 Chưa xét tới sự làm việc chung của các bộ phận kết cấu

 Việc xác định hệ số an toàn chủ yếu dựa vào kinh nghiệm

1.2.3 Phương pháp thiết kế theo trạng thái giới hạn (LSD - Limit state design):

- Trạng thái giới hạn (TTGH) là trạng thái mà ở đó công trình bị hỏng hoàn toàn hoặc không thể sử dụng bình thường được nữa

- Quy trình thiết kế cầu cống của Liên Xô (cũ) CH200-62, ban hành năm 1962, sau này Bộ Giao thông vận tải nước ta dựa trên quy trình này để biên soạn Quy trình thiết kế cầu cống theo TTGH ký hiệu 22TCN18-79 như sau:

+ Phương trình cơ bản:

n i.N i .(m,k1.R1tc,k2.R2tc, ,F0)

Trong đó:

 ni: Hệ số tải trọng

 Ni: Nội lực trong kết cấu do tải trọng tiêu chuẩn gây ra

 : Hàm số xác định mỗi TTGH của kết cấu

 m: Hệ số điều kiện làm việc

 k1, k2,…: Hệ số đồng nhất vật liệu

 R1tc, R2tc,…: Cường độ tiêu chuẩn của vật liệu

 F0: Đặc trưng hình học của kết cấu

+ Các TTGH:

 TTGH thứ nhất: Là TTGH mà kết cấu không còn đủ khả năng chịu lực hoặc xuất hiện các biến dạng dẻo lớn, nhằm đảm bảo về mặt chịu lực cho công trình (về cường độ, ổn định và độ chịu mỏi)

 TTGH thứ hai: Là TTGH mà kết cấu bị phát sinh các biến dạng dư quá lớn như dao động, chuyển vị, lún, … gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường

 TTGH thứ ba: Là TTGH mà tiết diện kết cấu bị xuất hiện các vết nứt lớn gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường

+ Khi tính toán theo các TTGH trong 22TCN18-79, để thay thế cho hệ số an toàn duy nhất trong phương pháp ứng suất cho phép, đã dùng các hệ số tính toán sau:

 Hệ số tải trọng (n): Xét đến những sai lệch có thể xảy ra theo chiều hướng bất lợi so với các trị số tiêu chuẩn của chúng trong các tổ hợp tải trọng và tác động khác nhau

 Hệ số đồng nhất (k): Xét khả năng giảm thấp cường độ của vật liệu và đất so với trị số tiêu chuẩn do những thay đổi về tính chất cơ học và tính không đồng nhất của chúng

 Hệ số điều kiện làm việc (m): Phản ánh sự chưa phù hợp của tính toán lý thuyết với điều kiện làm việc thực tế của kết cấu

1.2.4 Phương pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD - Load and resistance factor design):

- Phương trình cơ bản: Trong thiết kế, để đảm bảo an toàn công trình thì khả năng chịu lực của

vật liệu và tiết diện (sức kháng) phải lớn hơn nội lực gây ra do tải trọng:

 Rr : Sức kháng tính toán

  : Hệ số sức kháng

- Hệ số sức kháng  : Đối với một TTGH nào đó thì hệ số sức kháng được sử dụng để xét đến

tính thất thường trong tính chất của kết cấu, của vật liệu và độ chính xác của các phương trình thiết kế đánh giá khả năng chịu tải, tình huống hư hỏng của công trình

- Hệ số tải trọng γ i : Áp dụng đối với các loại tải trọng, để xét đến tính thất thường của các tải

trọng và hiệu ứng tải như độ lớn của tải trọng, vị trí tải, tổ hợp tải trọng

- Hệ số điều chỉnh tải trọng η i :

+ ηi = ηD.ηR.ηI 0.95 đối với các tải trọng dùng hệ số tải trọng γimax

+ ηi =

I R

1 ηD1.05 cho các cấu kiện và liên kết không dẻo

2 ηD =1.0 cho các thiết kế thông thường, theo đúng yêu cầu của tiêu chuẩn thiết kế

3 ηD0.95 cho các cấu kiện có dùng các biện pháp để tăng thêm tính dẻo

 ηR: Độ dư thừa: Độ dư thừa có ý nghĩa đối với giới hạn an toàn của cầu Một số kết cấu

siêu tĩnh được coi là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh định Hệ cầu có một đường tiếp đất được coi là không dư thừa (không nên dùng loại này)

Trong trạng thái giới hạn cường độ (TTGH cường độ)

1 ηR1.05 cho các bộ phận không dư thừa

2 ηR=1.0 cho các mức dư thừa thông thường

3 ηR0.95 cho các mức dư thừa đặc biệt

 ηI: Độ quan trọng:

Dùng trong các TTGH cường độ và TTGH đặc biệt

1 ηI1.05 cho các cầu quan trọng

2 ηI=1.0 cho các cầu điển hình

3 ηI0.95 cho các cầu tương đối ít quan trọng

- Đặc điểm của phương pháp:

+ Ưu điểm:

 Đã xét đến sự khác nhau giữa tải trọng và sức kháng

 Đạt được mức độ an toàn tương đối đồng đều đối với các TTGH khác nhau và các loại cầu

mà không cần đến phân tích thống kê hoặc xác suất phức tạp

 Là một phương pháp thiết kế thích hợp và ổn định

+ Nhược điểm:

 Thay đổi tư duy thiết kế (so với AASHTO cũ)

 Yêu cầu hiểu biết cơ bản về lý thuyết xác suất và thống kê

 Yêu cầu có các số liệu thống kê đầy đủ và các thuật toán thiết kế xác suất để có thể chỉnh

lý hệ số sức kháng trong từng trường hợp riêng

1.2.5 Các tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành

- Mỗi một dự án đều phải tuân thủ theo các quy trình thiết kế, hiện nay nước ta tồn tại song hành hai quy trình thiết kế:

+ Quy trình tính toán thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn do Bộ GTVT ban hành năm 1979:

22TCN 18 - 79 + Quy trình theo hệ số tải trọng và sức kháng (Quy trình AASHTO 98):

22TCN 272 - 05

- Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN272-05 được biên soạn từ quy trình AASHTO – 1998, quy

trình này thuộc nhóm pháp thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD - Load and resistance factor design):

1.2.6 Tải trọng và các tổ hợp tải trọng thiết kế cầu: (22TCN272-05)

Một số định nghĩa theo tiêu chuẩn:

- Bánh xe - Một hoặc hai bánh lốp ở đầu một trục xe

- Bề rộng lòng đường, Bề rộng phần xe chạy - Khoảng cách tịnh giữa rào chắn hoặc đá vỉa

- Tải trọng danh định - (Tải trọng tiêu chuẩn) Mức tải trọng thiết kế được lựa chọn theo quy ước

- Tải trọng thường xuyên – (Tĩnh tải) Tải trọng và lực không đổi hoặc giả thiết không đổi sau khi hoàn thành việc xây dựng

- Tải trọng tức thời: là tải trọng khai thác bất kỳ theo không gian thời gian khác nhau về độ lớn

và tính chất

- Hoạt tải: (Tải trọng nhất thời) đó là tải trọng mà không ngừng thay đổi vị trí cuả mình trên công trình Khi hoạt tải thay đổi vị trí thì các đại lượng cần nghiên cứu (lực dọc, lực cắt, moment v.v…) cũng sẽ thay đổi theo vị trí của hoạt tải

1.2.6.1 Các loại tải trọng

1.Tải trọng thường xuyên:

 DD - Lực ma sát âm

 DC - Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu nhịp và liên kết

 DW - Tải trọng tĩnh của các lớp phủ mặt cầu và thiết bị, tiện ích khác

 LL - Hoạt tải xe

 LS - áp lực ngang của đất do hoạt tải sau

 WL - Tải trọng gió trên xe

 WS - Tải trọng gió lên kết cấu

2.1 Hoạt tải xe ôtô (LL):

Hoạt tải thiết kế HL-93 gồm tổ hợp của:

- Xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng làn, hoặc

- Xe hai trục thiết kế kết hợp với tải trọng làn

HL93 = (TruckLoad+LaneLoad) hoặc (TandemLoad+LaneLoad)

a-Xe tải thiết kế (Truck Load):

-Trọng lượng và khoảng cách giữa các trục và bánh xe (xem hình ) Cự ly giữa hai trục 145kN thay đổi từ 4300mm  9000mm để gây ra hiệu ứng lớn nhất

- Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IV và thấp hơn, Chủ đầu tư có thể xác định tải trọng trục của xe tải thiết kế nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65

- Đối với mô men âm hoặc phản lực gối giữa thì lấy 90% hiệu ứng của 2 xe tải thiết kế có khoảng cách trục trước xe này với trục sau xe kia là 15m tổ hợp với hiệu ứng 90% tải trọng làn thiết kế Khoảng cách giữa các trục sau của xe là 4,3m

Hình 1 30 Mô hình xe tải thiết kế (Truck Load)

b-Xe tải hai trục thiết kế (Tandem Load) :

- Là xe đặc biệt gồm hai trục, mỗi trục 110kN cách nhau 1200mm

- Đối với các cầu trên tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thể xác định tải trọng trục của xe tải hai trục thiết kế nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65

c-Tải trọng làn (LaneLoad):

- Làn xe: Số lượng làn thiết kế được xác định bằng cách lấy số nguyên của tỷ số giữa bề rộng phần xe chạy chia cho 3500mm Lòng đường rộng từ 6000mm - 7200mm phải tính là có hai làn

xe thiết kế, mỗi làn bằng một nửa bề rộng lòng đường

- Bao gồm tải trọng rải đều 9,3N/mm (9,3kN/m) xếp theo phương dọc cầu Theo phương ngang cầu, tải trọng này phân bố theo chiều rộng 3000mm

- Tải trọng làn không tính hệ số xung kích

Hình 1 31Tải trọng làn

d-Diện tích tiếp xúc của lốp xe:

- Diện tích tiếp xúc của lốp xe trên mặt cầu của một bánh xe có một hay hai lốp xe được giả thiết là một hình chữ nhật có chiều rộng là b=510mm và chiều dài tính bằng:

P = 72,5kN cho xe Truck hoặc 55kN cho xe Tandem

- Áp lực lốp xe được giả thiết là phân bố đều trên diện tích tiếp xúc Giả thiết phân bố như sau: +Trên bề mặt liên tục: Phân bố đều trên diện tích quy định

+ Trên bề mặt bị gián đoán: Phân bố đều trên diện tích tiếp xúc thực tế trong phạm vi lốp xe với

áp suất tăng theo tỷ số của diện tích quy định trên diện tích tiếp xúc thực tế

- Lực xung kích không tính với các trường hợp sau:

+ Tải trọng người và tải trọng làn

+ Các tường chắn không chịu phản lực thẳng đứng từ KCN truyền xuống

+ Các bộ phận móng được chôn sâu dưới mặt đất

2.2 Tải trọng người:

- Tải trọng người trên cầu ôtô ( có lề người đi rộng hơn 600mm) bằng 3x10-3MPa

- Đối với công trình cầu dành riêng cho người đi bộ hoặc xe đạp, phải thiết kế với tải trọng người đi bằng 4x10-3MPa

- Không tính hệ số xung kích cho tải trọng người đi

2.3 Các tải trọng khác: tham khảo quy trình 22 TCN272-05

1.2.6.2 Các trạng thái giới hạn và tổ hợp tải trọng

1.Trạng thái giới hạn cường độ

- Được xem xét đến để đảm bảo cường độ và sự ổn định cục bộ và ổn định tổng thể được dự phòng để chịu được các tổ hợp tải trọng theo thống kê được định ra để cầu chịu được trong phạm vi tuổi thọ thiết kế của nó

- Trạng thái giới hạn cường độ I (TTGHCĐ I ): Là tổ hợp tải trọng cơ bản để tính với tải trọng khai thác khi trên cầu có xe và không có gió

- Trạng thái giới hạn cường độ II (TTGHCĐ II ): Là tổ hợp tải trọng để tính cầu chịu lực gió có vận tốc lớn hơn 25m/s, trên cầu không có xe

- Trạng thái giới hạn cường độ III (TTGHCĐ III ): Là tổ hợp tải trọng để tính toán thiêt kế cầu trong trường hợp xe chạy bình thường, trên cầu có gió với vận tốc dưới 25m/s

2 Trạng thái giới hạn sử dụng

- Quan tâm đến việc hạn chế ứng suất, độ võng và độ mở rộng vết nứt của các bộ phận cầu khi chịu các điều kiện khai thác thường xuyên Trạng thái giới hạn này xét đến tổ hợp tải trọng cho phép cầu khai thác bình thường với tốc độ gió 25m/s và với tất cả tải trọng lấy theo giá trị danh định tiêu chuẩn Đối với trạng thái giới hạn sử dụng, hệ số sức kháng = 1,00 và hấu hết hệ số tải trọng đều bằng 1,00 nó cũng được dùng để kiểm tra biến dạng của kết cấu bị vùi lấp và kiểm tra nứt trong kết cấu BTCT và BTCTDƯL

3 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy do mỏi (TTGH mỏi)

- Trạng thái này nhằm hạn chế sự phát triển vết nứt và tránh hiện tượng đứt gãy do tải trọng khai thác Xe tải thiết kế để tính toán mỏi là xe tải đơn, có khoảng cách giữa các trục xe là cố định

4 Trạng thái giới hạn đặc biệt (TTGH đặc biệt)

- Gồm các trạng thái đặc biệt xảy ra có chu kỳ lớn hơn tuổi thọ thiết kế của công trình (động đất, va tàu, sóng thần) Trạng thái này nhằm đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau biến cố, mặc dù cầu có thể bị hư hỏng

2.Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải trên hoạt tải rất cao (tức là cầu nhịp lớn) cần kiểm tra tổ hợp không

có hoạt tải, nhưng với hệ số tải trọng bằng 1,50 cho tất cả các kiện chịu tải trọng thường xuyên 3.Đối với cầu vượt sông ở các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái sử dụng phải xét đến hậu quả của những thay đổi về móng do lũ thiết kế xói cầu

4.Đối với các cầu vượt sông, khi kiểm tra các hiệu ứng tải EQ, CT và CV ở trạng thái giới hạn đặc biệt thì tải trọng nước (WA) và chiều sâu xói có thể dựa trên lũ trung bình hàng năm Tuy nhiên kết cấu phải được kiểm tra về về những hậu quả do các thay đổi do lũ, phải kiểm tra xói ở những trạng thái giới hạn đặc biệt với tải trọng nước tương ứng (WA) nhưng không có các tải trọng EQ, CT hoặc CV tác dụng

5.Để kiểm tra chiều rộng vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực ở trạng thái giới hạn

sử dụng, có thể giảm hệ số tải trọng của hoạt tải xuống 0,08

6.Để kiểm tra kết cấu thép ở trạng thái giới hạn sử dụng thì hệ số tải trọng của hoạt tải phải tăng lên 1,30

1.3 Khổ giới hạn

1.3.1 Khổ giới hạn thông xe trên cầu

- Khổ giới hạn thông xe trên cầu (thường gọi tắt là khổ giới hạn) là khoảng không gian dành cho giao thông trên cầu mà không một kết cấu hay bộ phận kết cấu nào vi phạm khoảng không gian đó để đảm bảo an toàn giao thông

-Khổ giới hạn của cầu đường ôtô và cầu đường sắt: Lấy theo 22TCN272-05 và theo văn bản do

Bộ GTVT ban hành

Hình 1 32 Khổ cầu đường ô tô

- Đối với cầu ô tô, chiều cao khổ giới hạn thống nhất là 4,5m, bề rộng K phụ thuộc vào số làn

xe Một số khổ cầu được sử dụng hiện nay: 4,5; 6; 7; 8; 9; 10,5; 14; 21; 8+C+8; K9+C+9 Chiều rộng giải phân cách C phải phự hợp với giải phân cách của đường đầu cầu, tuy nhiên trong một số trường hợp với những lý do nhất định cụ thể giảm kích thước nhưng không được nhỏ hơn 1.2m

K Khổ đường người đi có chiều cao 2,5m, chiều rộng lấy bằng bội số 0,75m (tương ứng khả năng thông qua 1000 người trong một giờ) Đối với cầu thành phố có khổ từ K-10,5 trở xuống, chiều rộng đường người đi tối thiểu là 1,5m, nếu khổ lớn hơn lấy bằng 2,25m Các kích thước khác xem trong bảng

Bảng 1 6 Khổ cầu

1.3.2 Khổ giới hạn thông xe dưới cầu ( cầu cạn )

Khổ giới hạn thông xe dưới cầu được lấy theo tiêu chuẩn của cấp đường đi dưới gầm cầu đó

1.3.3 Khổ giới hạn thông thuyền

- Nếu trên sông có các phương tiện giao thông đường thủy thì phải bố trí một số nhịp thông thuyền Thông thường là hai nhịp, nhịp xuôi dòng và nhịp ngược dòng Nếu điều kiện dòng sông không cho phép bố trí hai nhịp thông thuyền thì có thể chỉ đặt một nhịp với khẩu độ theo kích thước của khổ xuôi dòng Nhịp thông thuyền trước hết bố trí ở dòng chủ

- Khổ giới hạn thông thuyền là khoảng không gian được dành cho giao thông đường thuỷ dưới gầm cầu mà không một kết cấu hay bộ phận kết cấu nào vi phạm khoảng không gian đó để đảm bảo an toàn giao thông đường thuỷ

- Khổ thông thuyền phải được đặt lọt dưới gầm cầu ở cao độ MNTT Các kích thước của khổ thông thuyền quy định phụ thuộc vào loại phương tiện vận tải và cấp sông

- Khổ giới hạn thông thuyền phải tuân theo quy định của Cục đường sông, Cục đường biển, … hoặc tuân theo Tiêu chuẩn phân cấp kỹ thuật đường thuỷ nội địa TCVN 5664-92

Bảng 1-7 Khổ giới hạn thông thuyền trên các sông có thông thuyền (22TCN272-05)

- Đối với những cầu qua sông suối không có thông thuyền thì chiều cao từ MNCN đến đáy kết cấu nhịp của cầu phải căn cứ vào điều kiện địa phương để quyết định, nhưng trong mọi trường hợp đều không được nhỏ hơn trị số ghi trong bảng sau:

Bảng 1-8 Vị trí cấu kiện trên mực nước

Hình 1 33 Khổ giới hạn đường sắt 1000mm – 1435mm quy định trong 22TCN 272-05

1.4.Yêu cầu vật liệu trong thiết kế và xây dựng cầu:

Vật liệu trong xây dựng cầu gồm có gỗ, gạch đá, bê tông, cốt thép và các vật liệu tiên tiến như cac bon, polymer

1.4.1 Vật liệu gỗ

1.4.2 Vật liệu gạch đá

1.4.3 Vật liệu bê tông

- Bê tông là loại vật liệu nhân tạo, thành phần gồm có Cốt liệu lớn, Cốt liệu nhỏ, Xi măng, Nước và phụ gia khác Tùy thuộc vào đặc trưng của các vật liệu thành phần và tỷ lệ của chúng

có được đặc trưng riêng của bê tông Quy trình 79 cũ để đặc trưng cho từng loại bê tông người

ta sử dụng Mác bê tông R, các mác bê tông thường dùng là 150, 200, 250, 400,450 Mỗi mác thể hiện trị số của cường độ chịu nén, chịu nén uốn, cắt trượt Quy trình 22TCN272-05 thì sử dụng cấp bê tông fc’tương ứng với cường độ chị nén danh định của bê tông ở 28 ngày tuổi, các cấp bê tông thường dùng trong xây dựng cầu là cấp 30MPA,32 MPA,35 MPA,40 MPA,45 MPA, 50 MPA cấp bê tông cườn độ cao 50 MPA,55 MPA,60 MPA,65 MPA,

Hình 1 34 Mẫu xác định cường độ bê tông theo TCVN 3118-93 (trái) và Mẫu xác định cường độ bê

tông theo AASHTO T22-90 (phải)

- Cấp (MPA =1N/mm2 ) và Mác (kg/cm2 ) nếu quy đổi với nhau không chỉ đơn thuần là đổi đơn

vị mà còn phải xét tới cấu kiện thí nghiệm, quy trình 79 sử dụng mẫu lập phương còn quy trình 22TCN272-05 sử dụng mẫu hình lăng trụ (h=2d)

- Phân loại bê tông theo ứng suất trước gồm có: BTCT thường – BTCT DUL Đối với bê tông cốt thép thường thì một điều chắc chắn không thể tránh khỏi là vấn đề vết nứt, Đối với BTCT DUL thì yêu cầu không cho phép suất hiện vết nứt

1.4.3.1 Bê tông tươi

- Sau khi bê tông tươi ninh kết(đông cứng) sẽ tạo thành kết cấu bê tông có hình dạng theo khuôn đúc Tỷ lệ thành phần cấp phối trong bê tông ảnh hưởng rất lớn tới tính chất của bê tông sau khi đông cứng Để xác định cấp phối của bê tông dưạ theo cấp phối định trước, trên cơ sở cường độ chịu nén bê tông 28 ngày tuổi

- Tiêu chuẩn AASHTO LRFD bảng 5.4.2.1.1 tập giải thích phân loại bê tông và cấp phối tương ứng của chúng

 Bê tông cấp A được dùng cho tất cả các loại kết cấu trừ khi các loại bê tông khác dùng sẽ thích hợp hơn, đặc biệt là các bộ phận kết cấu ở trong nước mặn

 Bê tông cấp B được dùng cho móng, cọc lớn và tường trọng lực

 Bê tông cấp C được dùng cho các kết cấu có mặt cắt mỏng như lan can cốt thép có chiều dày dưới

100 mm hoặc để đổ vào các tấm sàn lưới thép (có sườn trực giao) v.v

 Bê tông cấp P được dùng khi cường độ bê tông yêu cầu vượt quá 28 MPa Đối với kết cấu bê tông ứng suất trước cần giới hạn kích thước đá danh định nhỏ hơn 20 mm

 Bê tông cấp S được dùng để đổ dưới nước bịt đáy chống thấm nước trong các khung vây

- Tỷ lệ nước trên ximăng (N/X) là tham số quan trọng nhất ảnh hưởng tới cường độ của bê tông Tỷ lệ này càng gần mức tối thiểu thì cường độ càng tăng Tỷ lệ này càng cao sẽ tăng tính công tác cho vữa bê tông, tuy nhiên càng nhiều lượng nước thừa không tham gia phản ứng hóa học với xi măng sẽ làm ướt bề mặt cốt liệu sau này sẽ bốc hơi làm tăng ra các hiện tượng co ngót từ biến và bê tông kém đặc Để làm cho bê tông có cường độ cao và đặc chắc, cần hạn chế lượng nước nhưng vẫn đảm bảo tính công tác thì người ta thêm vào phụ gia dẻo, khi sử dụng các phụ gia cần chú ý để tránh đem lại các kết quả không mong muốn, thường phải thí nghiệm trước

Bảng 1 7 Cấp phối – tính chất theo loại bê tông

1.4.3.2 Bê tông đông cứng

- Bê tông sau khi trộn thường lấy thời gian ninh kết là 4h, khi sử dụng các phụ gia thì thời gian này sẽ thay đổi

- Cường độ chịu nén của bê tông 28 ngày tuổi f’c là tham số ảnh hưởng tới hàng loạt các tính chất khác như: cường độ chịu kéo, chịu cắt, mô dun Đàn hồi… Cường độ chịu nén được xác định là cường độ chịu nén tới phá hoại của một mẫu hình trụ D=150mm, H=300m ở 28 ngày tuổi

a Tính chất tức thời của bê tông

 Cường độ chịu nén: Bê tông có cấp lớn hơn 70MPa chỉ được dùng khi có các thí nghiệm

vật lý xác lập mối quan hệ giữa cường độ chịu nén của bê tông với tính chất khác Không được dùng các loại bê tông có cấp thấp hơn 16MPa cho các loại kết cấu.Cấp bê tông của kết cấu dự

ứng lực và bản mặt cầu không được thấp hơn 28MPa

- Khi nói về tính chất của bê tông chịu nén cần phân biệt giữa 3 trạng thái ứng suất:

+ Trạng thái ứng suất nén 1 trục: thí nghiệm nén tiêu chuẩn không kiềm chế xác định cường độ chịu nén 28 ngày tuổi

+ Trạng thái ứng suất nén 2 trục: Xuất hiện trong vách dầm cốt thép khi chịu cắt, uốn và lực dọc

+ Trạng thái ứng suất nén 3 trục: Xuất hiện trong lõi của cột có cốt đai xoán ốc chịu lực dọc trục

Hình 1 35 Trạng thái ứng suất của kết cấu bê tông

fc ’ Cường độ chịu nén bê tông 28 ngày tuổi (MPa)

 Hệ số Poisson có thể lấy bằng 0,2 đối với cấu kiện cho phép nứt có thể không cần xét đến

 Hệ số giãn nở vì nhiêt của bê tông tỷ trọng thường 10,8x10-6 (1/độ C) với bê tông tỷ trọng thấp

9,0x10-6 (1/độ C)

 Cường độ chịu kéo khi uốn:f r

- Cường độ chịu kéo của bê tông có thể được đo trực tiếp hoặc gián tiếp Thông thường, người

ta tiến hành các thí nghiệm gián tiếp như thí nghiệm phá hoại dầm và thí nghiệm chẻ khối trụ

- Khi không có số liệu thí nghiệm thì tiêu chuẩn 22TCN272-05 hướng dẫn xác định cường độ kéo uốn như sau:

+ Bê tông tỷ trọng thường: '

 Cường độ chịu kéo:

- Cường độ chịu kéo của bê tông có thể được đo trực tiếp hoặc bằng thí nghiệm ép chẻ

- Ứng suất kéo khi và fsp như sau:

r

2 c /

sp

P L f

D



 trong đó: P cr là toàn bộ tải trọng gây chẻ khối trụ, L là chiều dài của khối trụ và D là đường kính của khối trụ

- Cả hai giá trị ứng suất kéo uốn ( f r) và ứng suất kéo chẻ ( f sp) đều được xác định lớn hơn so với ứng suất kéo dọc trục ( f cr) được xác định trong thí nghiệm kéo trực tiếp.Các tác giả Collins

và Mitchell (1991) và Hsu (1993) đưa ra công thức xác định cường độ chịu kéo trực tiếp f crnhư sau:

b Tính chất thay đổi theo thời gian

 Cường độ chịu nén của bê tông thay đổi theo thời gian: Cường độ chịu nén của bê tông có xu hướng tăng theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều tham số ( loại xi măng và điều kiện bảo dưỡ ng) Đối với bê tông DUL thì xác định cường độ chịu nén và mô dun Đàn hồi tại các giai đoạn khác nhau trong lịch sử chất tải của kết cấu là vô cùng quan trọng Hiệp hội bê tông DUL (FIP) kiến nghị xác định cường độ chịu nén của bê tông theo tuổi như sau:

Hình 1 37 Biểu đồ phát triển cường độ bê tông theo thời gian

 Co ngót :

Co ngót của bê tông là sự giảm thể tích dưới nhiệt độ không đổi do mất độ ẩm sau khi bê tông

đã đông cứng

Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào:

+ Hàm lượng nước của bê tông tươi

+ Loại xi măng và cốt liệu được sử dụng

+ Vào điều kiện môi trường (nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông

+ Vào quá trình bảo dưỡ ng

+ Vào khối lượng cốt thép và vào tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt cấu kiện

- Trong AASHTO, một biểu thức thực nghiệm được xây dựng bởi Collins và Mitchell (1991) được sử dụng để đánh giá biến dạng co ngót sh dựa trên thời gian khô, độ ẩm tương đối và tỉ

k là 1 hệ số kích thước được tra từ bảng

Hình 1 38 Hệ số k s đối với tỉ số thể tích / diện tích bề mặt

Hình 1 39 Hệ số k h đối với độ ẩm tương đối H(%)

-k hlà hệ số độ ẩm, Quy trình 22TCN272-05 quy đinh k h phải lấy bằng 1,00; ở những vùng mà

độ ẩm tương đối trung bình hàng năm bao quanh vượt quá 80% có thể lấy bằng 0,86

Từ hình 1-37 và hình 1-38 đối với thời gian t = 5 năm (≈ 2000 ngày), ks = 0,73, và ta có kh= 1,0

Từ đó, được viết như sau:

trong đó, dấu âm biểu thị sự co ngắn lại

- Sự phụ thuộc của biến dạng co ngót vào thời gian khô đối với các điều kiện này được biểu diễn trên hình

Hình 1 40 Biến dạng co ngót theo thời gian ví dụ 1.1

- Nếu bê tông bảo dưỡ ng ẩm được để lộ ra ngoài trước 5 ngày bảo dưỡ ng trôi qua thì giá trị co ngót cần tăng lên 20%

- Khi không có các thông số đặc trưng về bê tông và các điều kiện nơi khai thác, AASHTO khuyến cáo sử dụng các giá trị biến dạng co ngót là – 0,0002 sau 28 ngày và – 0,0005 sau 1 năm đông cứng

của bê tông

Sự thay đổi biến dạng theo thời gian cũng phụ thuộc vào các nhân tố có ảnh hưởng đối với biến dạng co ngót, ngoài ra còn phải kể đến độ lớn và khoảng thời gian tồn tại của ứng suất nén, cường độ chịu nén của bê tông và tuổi của bê tông khi bắt đầu chịu tải trọng dài hạn Biến

dạng từ biến CR được tính bằng tích số của biến dạng nén Đàn hồi tức thời do tải trọng thường xuyên ci và hệ số từ biến  :

0,6 0,118

f42

62k





trong đó

cu ci c

f E

Đối với một tỉ số thể tích/ diện tích bề mặt bằng 100 mm và (t - t i ) = (365 - 15) = 350 ngày, hình 1.40 cho một hệ số điều chỉnh k c = 0,68 Hệ số cường độ của bê tông k f được tính theo biểu thức như sau:

0,6 0,118

0,6

365 1570

t t t

Hình 1 42 Biến dạng từ biến theo thời gian ví dụ 1.2

- Cũng có thể làm giảm biến dạng từ biến bằng các biện pháp như làm giảm co ngót, tức là giảm thành phần nước trong hỗn hợp bê tông và giữ cho nhiệt độ tương đối thấp Biến dạng từ biến cũng có thể được giảm bớt nhờ việc bố trí cốt thép ở vùng chịu nén vì phần nội lực nén mà cốt thép chịu không liên quan đến từ biến Trường hợp tải trọng dài hạn tác dụng ở tuổi bê tông lớn, biến dạng từ biến sẽ giảm đi do bê tông trở nên khô hơn và biến dạng ít hơn

- Khi không có sẵn các số liệu về thiết kế cấp phối, việc xác định co ngót từ biến có thể dùng các quy định sau:

+ Các điều 5.4.2.3.2 và 5.4.2.3.3 của 22TCN272-05

+ Tiêu chuẩn CEB-FIB hoặc

+ Tiêu chuẩn ACI 209

- Đối với cầu thi công theo phương pháp phân đoạn ( Đúc hẫng, đúc đẩy…) phải tính 1 cách chính xác hơn bao gồm việc xét các tác động của:

+ Vật liệu cụ thể

+ Các kích thước cụ thể của kết cấu

+ Điều kiện công trường

+ Phương pháp thi công

1.4.4.1 Cốt thép thường

- Cốt thép thường trong kết cấu BTCT bao gồm 2 loại chính là cốt tròn trơn – cốt có gờ chiều dài thông thường 8 -12m Đối với cầu thép thì mặt cắt sử dụng dạng chữ I, H, thép bản, thép góc…

-Một tiêu chuẩn thống nhất hoá cho thép cầu được cho trong ASTM (1995) với ký hiệu A709/A709M-94a (M chỉ mét và 94a chỉ năm xét lại lần cuối) Sáu cấp thép tương ứng với bốn cấp cường độ được cho trong bảng Cấp thép có ký hiệu “W” là thép chống gỉ, có khả năng chống gỉ trong không khí tốt hơn về cơ bản so với thép than thường và có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ

- Một đặc điểm của thép cầu cần xét tới nhất trong quá trình thi công là tính hàn của cốt thép

- Chú ý: Cốt thép sử dụng trong xây dựng cầu dạng thanh thì nhất thiết phải là dạng thẳng

- Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép được coi là không đổi, là mô đun Đàn hồi Es=2.105MPA

và hệ số giãn nở vì nhiệt 5 0

1,17.10 (1/ )

Bảng 1 8 Các loại thép xây dựng cầu

Bảng 1 9 Một số yêu cầu của cốt thép theo các tiêu chuẩn phổ biến ở Việt nam

Bảng 1 10 Chủng loại thép có thể dùng trong xây dựng cầu

REBAR - THÉP VẰN

ROUND BAR - THÉP THANH TRƠN

ANGLE BAR - THÉP GÓC

WIRE ROD - THÉP CUỘN

- Bê tông và thép làm việc được với nhau là nhờ lực dính bám, để tăng lực dính bám sử dụng cốt có gờ

- Đối với kết cấu thép trong xây dựng cầu xem phần cầu thép và tham khảo bài giảng Kết cấu thép

- Đối với kết cấu DUL thì yêu cầu bắt buộc là không được phép nứt

- Sự làm việc của cốt thép DƯL là khác nhau với cốt thép có dính bám và không dính bám

- Thép dự ứng lực có thể dưới dạng sợi, tao, bó và thanh Bó gồm một số sợi (7,13,19 ) xoắn lại với nhau gọi là tao cáp Theo AASHTO thường dùng ba loại thép cường độ cao :

+Thép sợi không bọc khử ứng suất dư hoặc tự chùng thấp

+Tao cáp không bọc khử ứng suất dư hoặc chùng thấp

+ Thép thanh cường độ cao không bọc ;

Hình 1 43 Bảng các thuộc tính của cốt thép dự ứng lực

 Sợi đơn cường độ cao:

Các sợi tròn nhẵn hoặc có gờ d= 3-5 mm được đặt phân bố trong dầm gọi là bố trí theo kiểu dây Đàn Việc truyền DƯL từ cốt thép nhờ lực ma sát lớn mà không cần bố trí mấu neo

 Bó các sợi xoắn cường độ cao ( tao cáp)

Bó gồm cá sợi xoắn lại thành bó 7 hay nhiều sợi

Loại bó 7 sợi được dung rộng rãi nhất (tao cáp 7 sợi)

Mỗi tao gồm có 1 lõi thẳng ở giữa, các sợi ngoài có

đường kính giống nhau xếp thành 1 hay 2 lớp

Đường kính sợi lõi lớn hơn các sợi ngoài 10% Bước

xoắn tối ưu bằng 12-15 đường kính cả bó Ưu điểm

là khả năng dính bám tốt với bê tông, dễ uốn, dễ

cuộn thành cuộn lớn để vận chuyển do đó có chiều

dài lớn và được chế tạo sẵn trong xưởng 1 số loại có

mã kẽm lên khả năng chống gỉ cao

Bảng 1 11 Kích thước tao xoắn 7 sợi

 Bó cáp:

- Là tập hợp của một hoặc nhiều tao, sợi đơn Số tao trong bó thường được chọn phù hợp với hệ neo và hệ kích kéo cốt thép

- Bảng thương mại hóa chỉ tiêu của bó cáp và ống bọc trên thị trường

Hình 1 44 Tao xoắn 7 sợi

Bảng 1 12 Bảng thương mại hóa chỉ tiêu của bó cáp và ống bọc trên thị trường

 Bó sợi song song cường độ cao

- Bó gồm 20-24 sợi cốt thép tròn d=5mm xếp song song thành 1 lớp bao quanh 1 lõi thép kiểu

lò xo được uốn từ sợi thép nhỏ d=1,5-2,5 mm

Bước của lò xo thường 3cm đoạn thẳng và 1cm đoạn cong Nhiệm vụ của lõi là đảm bảo vị trí chính xác của các sợi trong bó, lỗ rống bên trong lò xo đảm bảo khả năng bơm vữa hay lấp long ống chứa cốt thép dự ứng lực Các sợi thép cường độ cao được buộc chặt cứ cách 1-2mm lại buộc 10-20cm Riêng đoạn dần neo thìcứ 1m buộc 20cm

 Thanh cốt thép cường độ cao

Có thể là thanh tròn hay có gờ d=20-40mm 1

đầu có thể dạng mũ đầu còn lại có ren để bắt ê cu

Để kéo căng cần phải dùng loại kích đặc biệt hoặc

dùng phương pháp nhiệt điện Có thể dùng làm

cốt đai dự ứng lực hoặc dự ứng lực ngang cầu để

nối các khối lắp ghép Khi sử dụng làm cốt đai dự

ứng lực các thanh cần phải đặt thẳng hoặc

nghiêng góc 70-80 độ

* Mô đun Đàn hồi:

Khi không có số liệu chính xác hơn thì mô đun

đang hồi của thép DƯL sẽ lấy như sau:

- Dùng cho kết cấu kéo sau để tạo lỗ rỗng định

vị vị trí bó cáp

- Ống bọc cho cáp phải là loại cứng hoặc loại

nửa cứng bằng thép mạ kẽm hoặc bằng nhựa

hoặc tạo lỗ trong bê tông bằng lõi lấy ra được

- Bán kính cong của ống bọc không được nhỏ

hơn 6000 mm, trừ ở vùng neo có thể cho phép

của ống nhựa với bê tông và vữa

- Hiệu quả áp lực của vữa lên ống bọc và vùng

bê tông xung quanh phải được kiểm tra

- Cự ly lớn nhất giữa các điểm kê cố định ống bọc trong khi thi công phải được quy định trong

- Kích thước của ống bọc không được vượt quá 0,4 lần bề dày bê tông nguyên nhỏ nhất tại vị trí đặt ống bọc

Bảng 1 13 Kích thước ống bọc cáp

 Neo cáp DUL: Neo có nhiệm vụ truyền lực từ đầu cốt thép vào trong bê tông để tạo DUL nén trước trong bê tông Có nhiều loại mấu neo phù hợp với từng loại cốt thép và kiểu kích được dùng

 Hệ thống tạo DUL: chi tiết tham khảo chi tiết hệ thống kiểu liên xô cũ, Freyssinet, VSL, OVM

1.5 Dự án đầu tư - các giai đoạn thiết kế cầu

1.5.1.Dự án đầu tư:

- Dự án đầu tư (DAĐT): là một tập hợp các đề xuất về khả năng tài chính, kinh tế - xã hội, làm

cơ sở cho việc quyết định bỏ vốn xây dựng công trình Các DAĐT ở nước ta chia theo tổng

mức đầu tư làm 4 nhóm theo luật đầu tư công số 49/2014/QH13

+ Dự án trọng điểm quốc gia sử dụng nguồn vốn đầu tư công từ 10.000 tỷ đồng

+ Nhóm A lớn hơn 1500 tỷ

+ Nhóm B từ 60 – 1500 tỷ

Hình 1 46 Ống bọc cáp

+ Nhóm C nhỏ hơn 60 tỷ

- Các đơn vị tham gia vào dự án bao gồm:

+ Chủ đầu tư ( Bên A ): Cơ quan, tổ chức, cá nhân sở hữu vốn, vay vốn hoặc được giao trực tiếp quản lý, sử dụng vốn để thực hiện hoạt động đầu tư xây dựng công trình

+ Tư vấn thiết kế và thi công: Đơn vị lập quy hoạch xây dựng, lập dự án đầu tư xây dựng công trình, khảo sát, thiết kế xây dựng, thẩm tra, kiểm định, thí nghiệm, quản lý dự án, giám sát thi công và công việc tư vấn khác liên quan tới hoạt động đầu tư xây dựng

+ Nhà thầu ( Đơn vị thi công- Bên B) và các nhà thầu phụ ( Bên B’, B’’ ): Tổ chức, cá nhân có

đủ điều kiện năng lực hoạt động xây dựng, năng lực hành nghề xây dựng khi tham gia quan hệ hợp đồng trong hoạt động đầu tư xây dựng Tổng thầu xây dựng là nhà thầu ký kết hợp đồng trực tiếp với chủ đầu tư để nhận thầu một, một số loại công việc hoặc toàn bộ công việc của dự

án đầu tư xây dựng

- Để có một công trình xây dựng nói chung và công trình cầu đường nói riêng cần trải qua 3 giai đoạn: Chuẩn bị đầu tư, thực hiện đầu tư và kết thúc xây dựng đưa công trình vào khai thác

sử dụng

1.5.1.1.Chuẩn bị đầu tư:

a.Lập dự án đầu tư:

Trình tự lập DAĐT gồm các bước:

- Xác định sự cần thiết phải đầu tư dự án

- Nghiên cứu tiền khả thi( lựa chọn sơ bộ PA) v́à nghiên cứu khả thi ( lập PA đầu tư)

*Nội dung chủ yếu của một báo cáo nghiên cứu tiền khả thi

- Nghiên cứu sơ bộ về sự cần thiết phải đầu tư xây dựng, các điều kiện thuận lợi và khó khăn

- Dự kiến quy mô đầu tư, lựa chọn hình thức đầu tư

- Sơ bộ về vị trí xây dựng cầu và dự kiến nhu cầu sử dụng đất

- Phân tích về công nghệ, kỹ thuật và xây dựng các điều kiện về cung ứng vật tư thiết bị nguyên liệu, năng lượng, dịch vụ, hạ tầng

- Phân tích tài chính xác định sơ bộ tổng mức đầu tư, các khả năng và điều kiện huy động nguồn vốn, khả năng hoàn trả vốn và trả nợ, thu lãi

- Tính toán sơ bộ hiệu quả đầu tư về mặt kinh tế, xã hội của dự án

* Nội dung chủ yếu của một báo cáo nghiên cứu khả thi

- Các căn cứ để xác định sự cần thiết phải xây dựng

- Lựa chọn hình thức đầu tư

- Nghiên cứu về vị trí cầu vượt song hoặc vị trí tuyến

- Phương án giải phóng mặt bằng, tái định cư

- Phân tích lựa chọn phương án kỹ thuật công nghệ

- Các phương án kết cấu cầu v́à giải pháp xây dựng

- Đánh giá tác động của môi trường

- Phân tích tải chính kinh tế: Xác định rõ nguồn vốn, Tổng mức đầu tư, Phương án hoàn trả vốn đầu tư, Phân tích hiệu quả đầu tư

- Các mốc thời gian thực hiện đầu tư

1.5.1.2 Thực hiện đầu tư

Nội dung thực hiện DAĐT bao gồm

1 Giao đất, chuẩn bị mặt bằng xây dựng

2 Tuyển chọn tư vấn xây dựng để đầu tư khảo sát, thiết kế, giám định ký thuật v́à chất lượng công trình

3.Thiết kế công trình

- Thiết kế chi tiết kết cầu nhịp, kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới

- Đưa ra biện pháp thi công

4 Thẩm định, trình duyệt thiết kế kỹ thuật và tổng dự toán

5 Tổ chức đấu thầu về mua sắm thiết bị và thi công xây lắp

6 Xin giấy phép đầu tư

7 Ký kết hợp đồng với nhà thầu để thực hiện dự án

8 Thi công xây lắp công trình

9 Theo dõi kiểm tra việc thực hiện các hợp đồng

10 Quyết toán vốn đầu tu xây dựng sau khi đó hoàn thành dự án xây lắp đưa dự án

vào khai thác

1.5.1.3.Kết thúc đầu tư đưa dự án vào khai thác:

- Là giai đoạn đưa công trình vào sử dụng Gồm các công tác như:

+ Kết thúc xây dựng

+ Bàn giao công trình

+ Bảo hành công trình

+ Vận hành dự án

1.5.2 Các giai đoạn thiết kế cầu:

 Thiết kế xây dựng công trình bao gồm các bước: Thiết kế cơ sở, thiết kế kỹ thuật, thiết kế bản vẽ thi công và các bước thiết kế khác theo thông lệ quốc tế do người quyết định đầu tư quyết định khi phê duyệt dự án

1.5.2.1 Giai đoạn thiết kế cơ sở:

- Thiết kế cơ sở thuộc bước nghiên cứu tiền khả thi: Là đưa ra một vài phương án cầu, các phương án khác nhau về vật liệu- kết cấu trên cơ sở mặt cắt địa chất, điều kiện thủy lực thủy văn và một số các tài liệu khác đã được xác định trước Từ đó chọn ra một phương án thích hợp nhất để thiết kế kỹ thuật và xây dựng

Nội dung công việc thiết kế cơ sở:

+ Vẽ lại bình đồ, trắc dọc vị trí cầu

+ Tính toán lưu lượng, khẩu độ cầu, xác định cao độ vai đường đầu cầu

+ Phân chia nhịp và lập các phương án cầu Có thể dùng kết cấu định hình để bóc tách khối lượng xác định các kích thước cơ bản

+ Chọn loại móng và mố trụ dựa vào tình hình địa chất cụ thể và sơ bộ xác định cao độ đáy móng, kích thước cơ bản của móng mố trụ Sơ bộ xác định số lượng cọc và chiều sâu chôn cọc + Lập bảng so sánh khối lượng và giá thành các bộ phận chính của cầu

- Khi so sánh về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cần phải chú ý đến mức độ công nghiệp hóa, cơ giới hóa thi công, việc áp dụng công nghệ mới và đặc biệt hiện nay thì rất cần chú ý đến vẻ đẹp thẩm mỹ của công trình cầu

- Như vậy sau khi so sánh lựa chọn được phương án thích hợp, lúc đó kết thúc thiết kế cơ sở và chuyển sang thiết kế kỹ thuật

1.5.2.2 Giai đoạn thiết kế kỹ thuật

- Là thiết kế được thực hiện trên cơ sở thiết kế cơ sở bảo đảm thể hiện được đầy đủ các thông

số kỹ thuật và vật liệu sử dụng phù hợp với các quy chuẩn, tiêu chuẩn được áp dụng, là căn cứ

để triển khai bước thiết kế bản vẽ thi công

Phần thiết kế kỹ thuật gồm thuyết minh tính toán và bản vẽ chi tiết các bộ phận

theo các trạng thái giới hạn, đảm bảo các cấu kiện đủ khả năng chịu tải của tất cả các tải trọng tác dụng

- Phần bản vẽ gồm:

+ Bản vẽ bố trí chung theo chính diện thể hiện cách bố trí kết cấu nhịp có lan can tay vịn cách

bố trí móng mố trụ Theo ngang cầu thể hiện bề rọng cầu, bề rộng phần xe chạy và lề người đi

bộ, số dầm chính và thể hiện liên kết ngang Các kích thước cơ bản của cầu được ghi trên bản

vẽ bố trí chung cùng với các loại mực nước, các loại cao độ như cao độ vai đường đầu cầu, cao

độ mặt đường xe chạy, cao độ đáy dầm, đáy móng… Bảng vật liệu chủ yếu cho các cấu kiện

+ Bản vẽ chi tiết cấu tạo các bộ phận: Cấu tạo móng, mố, trụ, cấu tạo kết cấu nhịp, chi tiết

một số kết cấu liên quan

1.5.1.3 Thiết kế tổ chức thi công( thiết kế bản vẽ thi công)

-Thiết kế tổ chức thi công gồm: Bố trí mặt bằng công trường, tính toán bố trí nhân lực, máy móc thiết bị phục vụ thi công, tính toán các kết cấu phụ tạm phục vụ thi công như: Chọn máy bơm, máy đóng cọc, tính toán vòng vây cọc ván, ván khuôn…

- Trong phần này chủ yếu các đơn vị nhà thầu đưa ra phương án thi công, từ đó các nhà thầu tự thiết kế ra các biện pháp tổ chức thi công cho từng hạng mục công trình

 Dự án đầu tư xây dựng công trình có thể gồm một hoặc nhiều loại công trình với một hoặc nhiều cấp công trình khác nhau Tùy theo quy mô, tính chất của công trình cụ thể, việc thiết kế xây dựng công trình được thực hiện một bước, hai bước hoặc ba bước như sau:

+ Thiết kế một bước là thiết kế bản vẽ thi công được áp dụng đối với công trình chỉ lập Báo cáo kinh tế - kỹ thuật xây dựng công trình Trường hợp này, bước thiết kế cơ sở, bước thiết kế kỹ thuật và bước thiết kế bản vẽ thi công được gộp thành một bước và gọi là thiết kế bản vẽ thi công

Đối với trường hợp thiết kế một bước, có thể sử dụng thiết kế mẫu, thiết kế điển hình do cơ quan nhà nước có thẩm quyền ban hành để triển khai thiết kế bản vẽ thi công

+ Thiết kế hai bước bao gồm bước thiết kế cơ sở và bước thiết kế bản vẽ thi công được áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án trừ các công trình được quy định thiết kế một bước,

thành một bước và gọi là bước thiết kế bản vẽ thi công

+ Thiết kế ba bước bao gồm bước thiết kế cơ sở, bước thiết kế kỹ thuật và bước thiết kế bản vẽ thi công được áp dụng đối với công trình quy định phải lập dự án Tùy theo mức độ phức tạp của công trình, việc thực hiện thiết kế ba bước do người quyết định đầu tư quyết định

- Trường hợp thực hiện thiết kế hai bước hoặc ba bước thì thiết kế bước tiếp theo phải phù hợp với thiết kế bước trước đã được phê duyệt

- Chủ đầu tư có trách nhiệm tổ chức lập thiết kế xây dựng công trình, trường hợp chủ đầu tư có

đủ năng lực thì được tự thiết kế, trường hợp chủ đầu tư không có đủ năng lực thì thuê tổ chức

tư vấn thiết kế Riêng đối với trường hợp thiết kế ba bước thì nhà thầu thi công có thể được giao lập thiết kế bản vẽ thi công khi có đủ điều kiện năng lực theo quy định

1.6.Thiết kế phương án cầu

1.6.1 Các căn cứ lập phương án cầu

1.6.1.1-Tài liệu đo đạc:

- Bình đồ khu vực xây dựng cầu

- Cắt dọc đoạn tuyến có công trình

- Trắc ngang lòng sông tại vị trí tim cầu.và tại vị trí Thượng lưu - Hạ lưu:

+ Cầu qua sông nhỏ: Vị trí trắc ngang tại Thương- Hạ lưu cầu từ 100  200m

+ Cầu qua sông trung bình, sông lớn, qua khu vực dòng chảy phức tạp: Vị trí trắc ngang tại Thương- Hạ lưu cầu từ 400  800m

1.6.1.2-Tài liệu địa chất:

- Vị trí các lỗ khoan thăm dò địa chất và mực nước ngầm

- Kết quả thí nghiệm mẫu đất đá khu vực xây dựng cầu

1.6.1.3-Tài liệu thuỷ văn:

- Phải có phiếu điều tra về thuỷ văn: Mực nước, lưu lượng, lưu tốc, hướng dòng thời điểm và thời gian xảy ra, …và phải có chữ ký của các nhân chứng, của chính quyền địa phương hoặc của cơ quan có liên quan

1.6.1.4-Tài liệu về môi trường và xã hội:

- Tình hình dân cư, chính trị, an ninh, phong tục, lối sống

- Tình hình cung cấp vật liệu, nhân lực địa phương Điều kiện vận chuyển

- Môi trường sinh thái: Nhiệt độ, độ ẩm, biểu đồ gió, độ ồn, độ bụi, …

- Sự hài hoà với cảnh quan môi trường

1.6.1.5 Tiêu chuẩn thiết kế hiện hành

- Mỗi một dự án đều phải tuân thủ theo các quy trình thiết kế

1 6.1.6 Phân tích các tài liệu khi thiết kế các phương án cầu:

- Cầu trung (L=25÷100m): Phải xem xét cả hai khả năng cầu theo tuyến hoặc tuyến theo cầu, sau đó so sánh phân tích xem phương án nào có lợi hơn thì lựa chọn và triển khai xây dựng Trong thực tế, khi thành lập phương án cầu thì ta phải đưa ra rất nhiều các phương án vị trí cầu khác nhau sau đó so sánh các phương án trên nhiều phương diện:

- Về mặt kỹ thuật: So sánh theo các điều kiện địa hình, địa chất, thủy văn, thi công và bố trí công trường, …

 Vị trí cầu nên tránh đặt tại các vị trí sau: