BÀI GIẢNG TÍN CHỈ CƠ SỞ CÔNG TRÌNH CẦU

Các khái niệm cơ bản của các công trình giao thông, Cách lập một phương án xây dựng cầu Giới thiệu về cấu tạo cơ bản, sự bố trí, và cơ sở tính toán của tất cả các thành phần cấu thàn

BÀI GIẢNG TÍN CHỈ

CƠ SỞ CÔNG TRÌNH CẦU

Bộ môn Công trình Giao thông Thành phố & Công trình Thủy

Division of Urban Transport and Coastal Engineering

http://ctgttp.org

 Tên học phần: CƠ SỞ CÔNG TRÌNH CẦU

 Tên tiếng Anh: Bridge Concept

Các khái niệm cơ bản của các công trình giao thông,

Cách lập một phương án xây dựng cầu

Giới thiệu về cấu tạo cơ bản, sự bố trí, và cơ sở tính toán của tất cả các thành phần cấu thành nên một công trình cầu bao gồm: kết cấu phần trên, kết cấu phần dưới, các thiết bị trên cầu khác như gối cầu, khe co giãn, hệ thống thoát

nước, chiếu sáng, lan can, lề người đi bộ…

Giới thiệu về Tiêu chuẩn 22 TCN 272 – 05 với một số nội

dung: các qui định chung, thiết kế tổng thể, tải trọng và hệ

số tải trọng, tính toán phân bố tải trọng theo phương ngang cầu.

CHƯƠNG 1: Tổng quan về các công trình xây dựng giao thông.

CHƯƠNG 2: Các kết cấu và các thiết bị trên công trình cầu.

CHƯƠNG 3: Những vấn đề cơ bản trong thiết kế và xây dựng cầu.

CHƯƠNG 4: Phân tích, lập phương án thiết kế kỹ thuật, công nghệ lựa chọn các phương án xây dựng công cầu.

PHẦN BÀI TẬP & CHUYÊN ĐỀ THẢO LUẬN:

PHẦN TỰ HỌC:

1. Hướng dẫn lập 1 báo cáo dự án đầu tư, xác định sự cần thiết phải đầu tư

2. Hướng dẫn lập 1 phương án tổng thể công trình cầu

3. Hướng dẫn lập phương án kết cấu phần trên cho 1 công trình cầu

4. Hướng dẫn lập 1 phương án kết cấu phần dưới cho 1 công trình cầu

TÀI LIỆU MÔN HỌC

1.GS.TS Nguyễn Viết Trung, ThS Nguyễn Thị Tuyết Trinh, ThS Nguyễn ĐỨc Thị Thu Định, KS Trần Anh Đạt - Giáo trình thiết kế các phương án cầu, NXBXD, 2009

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Bộ Giao thông Vận tải,Tiêu chuẩn ngành 22 TCN 272 – 05,;

Bộ xây dựng, Tiêu chuẩn thiết kế đường đô thị yêu cầu thiết kế TCXDVN 104 – 07;

Giáo trình Cầu BTCT – GS.TS Nguyễn Viết Trung, PGS TS Hoàng Hà

Giáo trình cầu thép

-[6] American Association of State Highway and Transportation Officials, Standard Specifications for Highway Bridges, 16th ed., AASHTO, Washington, D.C., 1996

[7] American Association of State Highway and Transportation Officials, Load

Resistance Factor Design, AASHTO, Washington, D.C., 1996

[10] W.F.CHEN & J.Y.RICHARD LIEW, Civil Engineering Handbook

NHIỆM VỤ SINH VIÊN:

 Tham gia đầy đủ các buổi học lý thuyết và các buổi thảo luận

 Tự học, tự tìm hiểu tài liệu tham khảo phục vụ cho môn học, biết làm việc theo nhóm

 Nắm vững nội dung yêu cầu của học phần

 Làm đầy đủ các bài tập và bài tập lớn nếu có

 Tham gia đánh giá kết thúc học phần

1.1 TỔNG QUAN:

Tuyến giao thông: Tuyến giao thông là

khái niệm chỉ cách thức để đi từ một

điểm A nào đó đến một điểm B

Ví dụ: tuyến trên hình là quốc lộ 1

Có rất nhiều cách để đi từ A đến B: đi

bộ, đi xe đạp, đi ôtô, đi tàu hoả, đi bằng

máy bay, tàu thủy… Tương ứng với các

phương tiện giao thông này là các công

trình phục vụ cho giao thông như

đường, cầu, hầm, nút giao thông

0 10 0 Kilomet ers

20 0

NATIONAL HIGHWAY No.1

1.2 CÁC DẠNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG:

Công trình đường bộ

là các loại đường phục vụ vận tải và đi lại trên

mặt đất cho người đi bộ, ôtô, xe máy và các

phương tiện vận chuyển khác trừ xe lửa, xe

điện bánh sắt bao gồm

-Đường cao tốc

-Đường quốc lộ

-Đường liên tỉnh

-Đường liên huyện

-Đường đô thị, quảng trường

-Đường khác như: đường chuyên dụng…

No

Type of Road

Total Length (km)

Công trình đường sắt

 Đường sắt cao tốc: tốc độ thiết kế tối đa là 350km/h, thuộc mạng đường sắt quốc gia

 Đường sắt trên cao: đường sắt có đa số kết cấu nằm trên cao so với mặt đất.

 Đường tàu điện trên cao: một loại đường sắt trên cao thuộc hệ thống đường sắt đô thị

(kể cả đường 1 ray tự động dẫn hướng).

 Đường tàu điện ngầm: xây dựng ngầm dưới đất thuộc hệ thống đường sắt đô thị.

 Đường sắt quốc gia: phục vụ nhu cầu vận tải chung của cả nước, vùng kinh tế và liên

vận quốc tế.

 Đường sắt chuyên dùng: phục vụ nhu cầu vận tải riêng của tổ chức, cá nhân; khi nối

vào đường sắt quốc gia phải được phép của Bộ trưởng Bộ Giao thông vận tải.

 Đường sắt địa phương: đường đô thị do địa phương quản lý, đường chuyên dùng

không nối vào đường sắt quốc gia.

 Đường sắt đô thị: phục vụ nhu cầu đi lại hàng ngày của hành khách ở thành phố và

vùng phụ cận bao gồm đường tàu điện ngầm, đường tàu điện trên cao, đường 1 ray

tự động dẫn hướng và đường xe điện bánh sắt.

Đường (sắt) nhánh: đường sắt chuyên dùng có nối thông vào đường sắt quốc gia.

Công trình đường thủy

 Công trình bến: là công trình thành phần quan trong trong cảng, dùng cho tàu

đậu và bốc xếp hàng hoá từ tàu lên bến và ngược lại

 Luồng tàu: là một tuyến đường thuỷ với hệ thống báo hiệu hàng hải, bảo đảm

cho các loại tàu bè đi lai an toàn và thuận tiện Điểm đầu và điểm cuối của luồng tàu thường là vùng nước của một cảng hay bến tàu

 Triền tàu: là công trình có kết cấu loại mái dốc nghiêng, trên đó đặt một hệ thống

xe trên đường ray để chuyển tàu lên bờ hoặc ngược lại, phục vụ đóng mới hoặc sửa chữa tàu

 Đà tàu: Là công trình mái dốc, chủ yếu để đóng tàu trên mặt nghiêng và khi hạ

thuỷ với mực nước phù hợp bằng cách trượt xuống nước bằng trọng lượng tàu

Công trình đường hàng không

 Cảng Hàng không: bao gồm sân bay và tổ hợp các công trình và trang thiết bị

phục vụ vận chuyển hành khách, hành lý, hàng hóa và b ưu kiện bằng đường hàng không, phục vụ máy bay cất hạ cánh an toàn

 Sân bay: Một khu vực bề mặt mặt đất hoặc mặt nước cụ thể (bao gồm cả nhà

cửa công trình và trang thiết bị) được dùng toàn bộ hay một phần cho máy bay bay đi, bay đến và di chuyển trên bề mặt

Mã số Loại công trình Cấp công trình

Đường cao tốc với lưu lượng xe từ 10.000-30.000 Xe quy đổi/ngày đêm hoặc tốc độ >80km/h

Lưu lượng xe từ 3.000-10.000 Xe quy đổi/ ngày đêm hoặc

tốc độ >60km/h

Lưu lượng xe từ 300-3.000 Xe quy đổi/ngày đêm hoặc đường giao thông nông thôn loại A

Lưu lượng xe

<300 Xe quy đổi/ ngày đêm hoặc đường giao thông nông thôn loại B

b) Đường ô tô, đường trong đô thị

c) Đường nông thôn

2 Đường sắt Đường sắt cao tốc

Đường tầu điện ngầm; đường sắt trên cao.

Đường sắt quốc gia thông thường

Đường sắt chuyên dụng và đường sắt địa phương

b) Cầu đường sắt

a) Hầm đường ô tô

Hầm tầu điện ngầm

Chiều dài > 3000m, tối thiểu 2 làn xe ô

tô, 1 làn đường sắt

Chiều dài từ 3000m, tối thiểu 2 làn xe ô tô, 1 làn đường sắt

1000-Chiều dài từ

b) Hầm đường sắt

người đi bộ

Mã số Loại công trình Cấp công trình

Bến, ụ cho tầu 10.000-30.000 DWT

Bến cho tầu

<10.000 DWT b) Cảng bến thủy cho

tàu, nhà máy đóng sửa chữa tàu

d) Đường thủy có bê rộng (B) và độ sâu (H ) nước chạy tàu

TT Loại công

trình thoát

nước

Đường cao tốc

Đường Ôtô

Đường

đô thị

Đường chuyên dụng

Đường GTNT

vượt dòng chảy và sông có lưu lượng

- Sử dụng để làm cầu vượt tại các nút giao cắt khác mức

- Thời hạn sử dụng tính toán 100 năm

- Tải trọng tính toán H30, HL93

- Chủ yếu dùng

để vượt dòng chảy và sông có lưu lượng trên

- Thời hạn sử dụng tính toán 50-100 năm

- Tải trọng tính toán HL93, H30- XB80, H18, H13.

- Chủ yếu dùng để vượt dòng chảy và sông có

- Có thể dùng làm cầu vượt tại các nút giao cắt khác mức

- Thời hạn sử dụng tính toán 75-100 năm

- Tải trọng tính toán H10-H30, HL93

- Chủ yếu để vượt sông , khe suối có lưu lượng

- Thời hạn sử dụng tính toán 50 năm

- Tải trọng tính toán H10-H30

- Chủ yếu dùng

để vượt qua các sông nhỏ, kênh mương có lưu lượng nhỏ hơn

- Thời hạn sử dụng tính toán

30 năm

- Tải trọng tính toán đến H13, H18

thoát nước có lưu

Chủ yếu dùng để thoát nước có lưu lượng dưới

Chủ yếu dùng để thoát nước có lưu lượng dưới

Chủ yếu dùng để thoát nước có lưu lượng dưới

1.5 Các công trình thoát nước:

Đường tràn

Công trình vượt sông có mặt đường nằm sát cao

độ đáy sông Hay nói cách khác là độ chênh cao

giữa cao độ đáy sông và cao độ mặt đường tràn

là không lớn Thông thường tại những khu vực

này vào mùa khô nước cạn Vào mùa mưa,

nước chảy tràn qua mặt đường nhưng xe cộ vẫn

đi lại được Khi thiết kế cho phép một số ngày

trong năm xe cộ không qua lại được.

Ưu điểm:

Xây dựng đơn giản, giá thành rẻ.

Nhược điểm:

Giao thông sẽ bị gián đoạn khi lưu lượng

nước lớn, dễ bị xói lỡ công trình.

Phạm vi áp dụng:

Sử dụng cho khu vực có dòng chảy lưu lượng

nhỏ, lũ xảy ra trong thời gian ngắn

Cao độ mặt đường tràn

Cầu tràn

Cầu tràn là công trình được thiết kế dành một lối

thoát nước phía dưới, đủ để dòng chảy thông qua

với 1 lưu lượng nhất định Khi mực nước vượt quá

lưu lượng này, nước sẽ tràn qua công trình.

Cầu tràn sử dụng cho dòng chảy có lưu lượng nhỏ

và trung bình tương đối kéo dài trong năm

Cao độ mặt đường tràn

Lối thoát nước nhỏ

Cống là một công trình thoát nước dành lối thoát nước ở phía dưới và không cho phép nước tràn qua công trình khi lưu lượng lớn Cống thường được làm từ vật liệu có độ bền cao, có khả năng thoát nước với lưu lượng trung bình và tương đối lớn

Thường các loại cống có mặt cắt ngang hình tròn được dùng ứng với lưu lượng nước thoát nhỏ hơn hoặc bằng 40-50m 3 /s, cống hộp thường được thiết kế để thoát nước với lưu lượng lớn hơn Trên cống có đất đắp dày tối thiểu 0,50m để phân bố áp lực bánh xe và giảm lực xung kích.

Ưu điểm: Xây dựng đơn giản, tuổi thọ cao hơn so với đường tràn và cầu tràn.

Nhược điểm: Dễ bị tắt nghẽn do các vật trôi, giá thành tương đối cao.

Phạm vi áp dụng: Thoát nước dọc cho các tuyến đường giao thông.

Thoát nước ngang cho dòng chảy có lưu lượng trung bình và tương đối lớn

Vượt qua các chướng ngại vật lớn: sông, thung lũng, đường…

Trong các trường hợp vượt dòng chảy có yêu cầu thông thuyền.

Các công trình vượt chướng ngại đòi hỏi tuổi thọ cao, mang tính chất quan trọng…

Khi nào làm cầu và khi nào làm cống?

Trường hợp cần vượt các dòng chảy nhỏ nhưng phương án cống không đáp ứng được như:

chìm thì không đảm bảo chiều dày tối thiểu 50cm dành cho phần đất đắp bên trên cống

Khi dòng chảy có nhiều vật trôi nếu làm cống dễ dẫn đến khả năng tắc cống, không đảm bảo an toàn cho nền đường

dâng cao làm ảnh hưởng đến khu dân cư hay ruộng vườn Trong trường hợp này phương án sử dụng cầu thay cho phương án cống tỏ ra hợp lý hơn

Khi nào làm cầu và khi nào làm cống?

Tường chắn

Tường chắn là công trình được xây dựng để chắn đất Tường chắn thường có hai loại:

 Tường chắn có cốt, thường được làm bằng vật liệu có độ bền cao

 Tường chắn không cốt

Phạm vi sử dụng:

Thường được xây dựng trong các trường hợp như:

khi xây dựng nền đường trong điều kiện

không thể duy trì được độ dốc tự nhiên của

mái taluy nền đường

hay khi cần hạn chế việc chiếm dụng mặt bằng của nền đắp (mái taluy đường đầu cầu ở các nút giao trong đô thị…)

Kết cấu tường chắn Nền đường đắp

Công trình hầm gồm

 Đường hầm: Một công trình ngầm dưới đất có chiều dài lớn hơn nhiều lần kích thước

mặt cắt ngang và độ dốc dọc không vượt quá 15%.

 Hầm giao thông: Đường hầm phục vụ giao thông bao gồm hầm đường ô tô, hầm đường

sắt và hầm giao thông đô thị.

 Hầm đường ô tô: Hầm giao thông trên đường ô tô và hầm trên đường ô tô cao tốc.

 Hầm đường sắt: Hầm giao thông trên đường sắt.

 Hầm giao thông đô thị: Hầm được xây dựng trong đô thị bao gồm hầm đường sắt, hầm

đường ô tô, hầm cho xe thô sơ và người đi bộ.

1.5 CÁC BỘ PHẬN CƠ BẢN CỦA CÔNG TRÌNH CẦU

MNCN MNTT MNTN

•Phân loại theo dạng mặt cắt ngang dầm: mặt cắt ngang chữ nhật, chữ T, chữ I, chữ

H, chữ , mặt cắt ngang dạng hộp kín,…

•Phân loại theo vật liệu chủ yếu cấu tạo nên kết cấu nhịp cầu: cầu thép, cầu bê tông cốt thép, cầu liên hợp,…

Một số dạng mặt cắt ngang kết cấu phần trờn

19000 620

-Bê tông mặt cầu, T=200mm

500 4000

2.0%

-Bê tông Asphalt T=70mm -Lớ p phòng n ớ c T=4mm -Tấm bê tông đúc sẵn , T=80mm 2.0%

3x2400=7200

2400 2400 2400

ố ng thoát n ớ c 0

10

1.5% 180

1.5%

2500 250

1175

4500

16700 10500

11500

3500 1400

2600 1200

2850

1500 400

3500 2850

2600 1200 1400

1050 150

Kết cấu nhịp dầm hộp bằng BTCT

Kết cấu phần dưới

Kết cấu phần dưới: là bộ phận tiếp nhận toàn bộ các tải trọng truyền xuống từ kết cấu phần trên và truyền lực trực tiếp tới địa tầng thông qua kết cấu móng Kết cấu phần dưới bao gồm: mố, trụ, nền móng

Mố cầu được xây dựng tại các đầu cầu, là bộ phận chuyển tiếp giữa đường và cầu, bảo đảm xe chạy êm thuận từ đường vào cầu Mố cầu còn có thể làm nhiệm vụ điều chỉnh dòng chảy và chống xói lở bờ sông

Kết cấu phần dưới

Trụ cầu là bộ phận đặt ở vị trí giữa hai nhịp kề nhau làm nhiệm vụ phân chia kết cấu nhịp cầu

Các thiết bị khác trên cầu

Bộ phận mặt cầu: Đảm bảo cho các phương tiện lưu thông được êm thuận

Do chịu tác động trực tiếp của vệt bánh xe nên mặt cầu phải đảm bảo chịu lực cục bộ; đảm bảo độ nhám, độ chống mài mòn…

Lề người đi là phần dành riêng cho người đi bộ, có thể bố trí cùng mức hoặc khác mức với phần xe chạy Trong trường hợp cùng mức thì phải bố trí dải phân cách giữa lề người đi với phần xe chạy nhằm đảm bảo an toàn.

Lan can trên cầu: Lan can là bộ phận đảm bảo an toàn cho xe chạy trên cầu đồng thời còn là công trình kiến trúc, thể hiện tính thẩm mỹ của cầu.

Các thiết bị khác trên cầu

Hệ thống thoát nước trên cầu: Bao gồm hệ thống thoát nước dọc và ngang cầu Chúng được bố trí để đảm bảo thoát nước trên mặt cầu.

Hệ liên kết trên cầu: Gồm gối cầu, khe co giãn.

+ Gối cầu là một bộ phận quan trọng, nó giúp truyền tải trọng từ kết cấu nhịp xuống các kết cấu phần dưới, là hệ liên kết giữa kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới của công trình cầu.

+ Khe co giãn (khe biến dạng): là bộ phận đặt ở đầu kết cấu nhịp, để nối các kết cấu nhịp với nhau hoặc nối kết cấu nhịp với mố cầu nhằm đảm bảo khai thác êm thuận Khe biến dạng bảo đảm cho các kết cấu nhịp chuyển vị tự do theo đúng sơ đồ kết cấu đã thiết kế

PHÂN LOẠI CẦU

Phân loại theo vật liệu

Cầu thépCầu BTCT

Phân loại cao độ đường xe chạy

Cầu có đường xe chạy giữa

Phân loại theo dạng kết cấu và chướng ngại vượt qua

Cầu cố định là cầu có khổ giới hạn dưới cầu (tịnh không dưới cầu) cố định đảm bảo cho thông xe hoặc thông thuyền qua lại an toàn dưới cầu hoặc bắc qua các chướng ngại lớn, bao gồm

Cầu thông thường: cầu vượt qua các chướng

ngại thiên nhiên như sông, suối, các thung

lũng hoặc các dòng nước

Cầu vượt: xuất hiện khi có các giao cắt xuất hiện trên các tuyến giao thông, tại các tuyến này các hướng cắt nhau có lưu lượng lớn chẳng hạn như tuyến đường ôtô giao với các đại lộ chính hoặc giao cắt với đường sắt

Phân loại theo dạng kết cấu và chướng ngại vượt qua

Cầu cố định

Cầu cạn (cầu dẫn): được xây dựng ngay trên

mặt đất nhằm dẫn vào 1 cầu chính hoặc chính

là một biện pháp giải phóng không gian phía

dưới bằng cách nâng cao độ phần xe chạy lên

Các cầu này thường được xây dựng trong

thành phố cho đường ôtô, xe điện ngầm, đường

sắt trên cao

Cầu cao: Cầu bắc qua các thung lũng sâu, các trụ cầu thường rất cao trên 20-25m (thậm trí đến hàng trăm mét).

Phân loại theo dạng kết cấu và chướng ngại vượt qua

Cầu gấp

Cầu mở

Cầu có nhịp trượt lên xuống

Cầu di động

Là cầu có khổ giới hạn phía dưới cầu (tịnh không dưới cầu)

có thể thay đổi cho thông xe cộ hoặc thông thuyền.

Tại một số vị trí xây dựng cầu khi khổ thông thuyền dưới

cầu lớn trên 40 - 60m, chiều dài cầu lúc đó sẽ rất lớn, trụ mố

rất cao Việc lựa chọn kết cấu phần dưới đảm bảo các yếu tố

trên sẽ dẫn tới tăng giá thành công trình, hoặc tại một số vị

trí không có điều kiện để vuốt nối cầu từ cao độ đỉnh mặt

cầu tính toán tới đường hai đầu cầu, lúc này giải pháp cầy

quay được chọn là hợp lý

Cầu quay

Phân loại theo dạng kết cấu và sơ đồ chịu lực

Cầu treo dây văngCầu treo dây võng