Bản BTCT vừa làm việc với tư cách bản mặt cầu, vừa là một thành phần của dầm chủ tham gia chịu nén thay cho bản cánh trên của dầm thép do đó giảm được chiều cao và tiết diện dầm thép.. N
Trang 1Chương 3 CầU DầM LIêN HợP THéP - bê tông
Khái niệm: Dầm liên hợp thép -BTCT gồm hai loại vật liệu: bản BTCT và dầm thép liên kết với nhau bằng các neo Bản BTCT vừa làm việc với tư cách bản mặt cầu, vừa là một thành phần của dầm chủ tham gia chịu nén thay cho bản cánh trên của dầm thép do
đó giảm được chiều cao và tiết diện dầm thép
Ưu điểm
- Dầm liên hợp phát huy tối đa khản năng làm việc của vật liệu tiết kiệm được vật liệu cho việc chế tạo dầm Do đó dầm thép sẽ có kích thước nhỏ hơn
- Bản mặt cầu liên hợp ngoài tham gia chịu lực cùng dầm chủ còn đóng vai trò giống hệ liên kết dọc trên, do đó có thể bỏ được hê liên kết dọc trên
- Kết cấu liên hợp tạo thành một mặt cắt có mô men quán tính lớn làm tăng độ cứng, giảm độ võng do hoạt tải vượt được nhịp lớn hơn
- Bản bê tông đảm bảo được ổn định của bản cánh trên chịu nén
Nhược điểm
- Tĩnh tải bản mặt cầu lớn
- Thêm chi phí dành cho neo liên hợp
- Đối với kết cấu dầm liên tục phải xử lý neo liên hợp tại vị trí chịu mô men âm trên
đỉnh trụ
Nguyên lý làm việc của cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép
Trường hợp 1: Thông thường khi lắp ráp kết cấu nhịp, hoặc lao lắp không có trụ đỡ phía dưới đầu tiên sẽ đặt các dầm thép lên trụ, sau đó đổ bê tông bản tại chỗ hoặc đặt các bản BTCT lắp ghép Sau khi thực hiện công tác này,hoặc bản bê tông còn chưa đông cứng hoặc bản mặt cầu lắp ghép chưa liên kết với dầm chủ khi đó, phần tĩnh tải thứ nhất (gồm trọng lượng bản thân của dầm thép và của bản bê tông cốt thép) sẽ do dầm thép chịu (giai
Trang 2Như vậy dầm liên hợp sẽ làm việc theo hai giai đoạn:
Giai đoạn I : Lắp xong dầm thép và các liên kết, đổ bê tông tại chỗ hoặc lắp ghép bản mặt cầu nhưng mặt cầu chưa liên kết cứng với dầm thép
Mặt cắt cắt tinh toán là mặt cắt đầm thép
Tải trọng tính toán
- Trọng lượng bản thân dầm chủ thép
- Trọng lượng hệ liên kết dọc và liên kết ngang
- Trọng lượng bản bê tông và những phần đổ cùng với bản bê tông, tải trọng thi công… Gọi là các tĩnh tải giai đoạn 1
Giai đoạn I: Sau khi thi công xong dầm thép
Giai đoạn I: Sau khi đổ bản bê tông mặt cầu
Giai đoạn II: Giai đoạn khai thác
Dầm thép
Bản bê tông Lớp phủ mặt cầu
Hoạt tải
Dầm thép
Hình 3.1 Thi công dầm thép không có trụ đỡ
Giai đoạn II: Khi bản mặt cầu đã đạt cường độ và tham gia làm việc tạo hiệu ứng liên hợp giữa bản bê tông cốt thép và đầm thép
Mặt cắt tính toán là mặt cắt liên hợp dầm thép bản bê tông cốt thép
Tải trọng tính toán
- Trọng lượng lớp phủ mặt cầu, chân lan can, gờ chắn bánh và trọng lượng của các bộ phận kết cấu phụ trợ ( hệ thống chiếu sáng, hệ thống thoát nước….)
Gọi là tĩnh tải giai đoạn 2
- Hoạt tải khai thác và các tải trọng khác
Trường hợp 2: Cầu dầm liên hợp thi công theo phương pháp lắp ghép trên đà giáo cố
định hoặc có trụ tạm đỡ phía dưới
Trang 3Giai đoạn I: Giai đoạn thi công
Giai đoạn II: Giai đoạn khai thác
Bản bê tông Lớp phủ mặt cầu
Hoạt tải
Dầm thép
Hình 3.2 Thi công dầm thép có hệ đà giáo đỡ
Giai đoạn 1: Trong quá trình thi công toàn bộ trọng lượng kết cấu nhịp và tải trọng thi công sẽ do đà giáo chịu do đó trong giai đoạn này mặt cắt chưa làm việc Tính toán đối hệ
đà giáo
Giai đoạn 2: Sau khi dỡ đà giáo thì trọng lượng của kết cấu nhịp mới truyền lên các dầm chủ, mặt cắt làm việc là mặt cắt liên hợp thép bản bê tông cốt thép Tính toán được thực hiện đối với giai đoạn khai thác
Là bản mặt cầu liên hợp với dầm thép qua các neo chống cắt, bản mặt cầu bê tông liên hợp vừa làm nhiệm vụ bản mặt cầu vừa tham gia chịu tải trọng cùng dầm chủ như một bản táp của bản cánh đầm thép
Khi làm nhiệm vụ bản mặt cầu sơ đồ làm việc như một dầm liên tục kê lên các dầm dọc chịu uốn ngang Do đó chịu mô men âm trên các dầm dọc và chịu mô men dương ở khoảng giữa các nhịp Đoạn giữa nhịp yêu cầu bố trí cốt thép ở đáy bản và ở vị trí dầm dọc yêu cầu bố trí cốt thép cốt thép đỉnh bản Tuy nhiên trong thực tế đối với bản mặt cầu cần bố trí ở cả vị trí phía trên và vị trí phía dưới bản
Khi làm nhiệm vụ chịu lực cùng đầm chủ nó có tác dụng như một bản táp của cánh dầm thép chịu nén(trong kết cấu giản đơn) nên không cần bố trí cốt thép chịu lực dọc, tuy nhiên vẫn bố trí cốt thép dọc do yêu cầu cấu tạo và chịu lực co ngót và từ biến
Bản mặt cầu bê tông có thể thi công bằng phương pháp đúc tại chỗ hoặc thi công lắp ghép
Theo quy định của 22TCN272-05
Thì chiều chiều dày bản mặt cầu bê tông không được nhỏ hơn 175mm cộng thêm khoảng 15mm hao mòn
Trang 4Bản bê tông có thể cấu tạo vút (haunch) dạng đường vát chéo, theo dạng đường cong tròn hoặc có thể không cần cấu tạo vút Mục đích của việc cấu tạo vút bản bê tông là nhằm làm tăng chiều cao dầm tăng khả năng chịu lực của dầm, tạo ra chỗ để bố trí hệ neo liên kết và giảm ứng suất cục bộ tại vị trí liên kết bản cánh trên và bản bê tông
Thông thường để thuận tiện cho việc ghép ván khuôn đổ bêtông bản thì vút thường có cấu tạo dạng vát chéo với kích thước bh = th = (10-:-20)cm
3.3.1 Cấu tạo hệ dầm chủ
Dầm chủ có thể là dầm tán đinh hoặc dầm hàn Mặt cắt của dầm thông thường được cấu tạo có một thành đứng kiểu chữ I hoặc có hai thành đứng kiểu hình hộp
Dầm mặt cắt chữ I được dùng phổ biến nhất, dầm mặt cắt hình hộp sử dụng trong những trường hợp phải tăng cường ổn định và khả năng chống xoắn
Dầm tán đinh mặt cắt chữ I gồm có một bản thép đứng , bốn thép góc gọi là thép góc cánh và những bản thép nằm ngang gọi là bản cánh Số lượng các bản thép cánh thay đổi trên chiều dài dầm tương ứng với sự thay đổi của biểu đồ mô men uốn trong dầm
Với những nhịp có chiều dài tương đối lớn thì các dạng mặt cắt dầm tổ hợp được sử dụng phổ biến do tận dụng được tối đa sự làm việc của vật liệu
Trang 5Hình 3.3 Dầm tổ hợp
Các kích thước cơ bản đối với hệ dầm chủ
Btf: Chiều rộng bản cánh trên
Bbt: Chiều rộng bản cánh dưới
ttf: Chiều dày bản cánh trên
t bt : Chiều dày bản cánh dưới
tw: Chiều dày bản bụng( sườn dầm)
H sb ,(D):Chiều cao dầm thép
ts: Chiều dày bản bê tông H: Chiều cao tổng thể dầm.
Chiều cao dầm chủ được lựa chọn nhằm thõa mãn các điều kiện sau:
- Đảm bảo yêu cầu về cường độ, độ cứng và ổn định
- Cố gắng giảm thiểu tối đa chiều cao dầm, và trọng lượng dầm
- Kích thước và trọng lượng của các mảnh dầm phải đáp ứng được điều kiện chuyên chở và lao lắp
Bản cánh dưới
Đường hàn
Bản cánh trên
Bản bụng dầm
Trang 6Dầm giản đơn D/L ≥ 1/30
Dầm liên tục D/L ≥ 1/40
Trong cầu đường sắt chiều cao dầm giản đơn nhịp < 25m chiều cao dầm nên lấy bằng 1/10-1/15 chiều dài nhịp
Với các nhịp lớn, chiều cao dầm nên làm thay đồi tăng dần vào các vị trí gối giữa Nếu chiều cao tăng theo đường thẳng bằng hình thức cấu tạo vút thì tại gối chiều cao dầm bằng 1.2 - 1.3 chiều cao dầm tại giữa nhịp Khi nhịp lớn, dầm nên làm với chiều cao thay
đổi theo đường cong và thường người ta cho bản mặt cầu cùng tham gia làm việc với dầm chủ thì chiều cao dầm có thể đạt tới 1/45 - 1/60 chiều dài nhịp đối với mặt cắt giữa nhịp
và 1/20-1/30 đối với mặt cắt tại gối
Trong cầu đường bộ dầm chủ thường được đặt cách đều nhau và có khoảng cách 2-3m
để phù hợp với sự làm việc của bản mặt cầu , trường hợp khi khoảng cách các dầm chủ lớn hơn 5m có thể bố trí thêm dầm dọc phụ hoặc các biện pháp tăng cường độ cứng ngang phân bố tải trọng đối với dầm chủ Đối với cầu đường săt thường bố trí 2 dầm chủ dưới 2
vị trí ray
Sườn dầm đóng vai trò chịu cắt là chủ yếu Ngoài ra nó còn tham gia vào sức kháng uốn và đảm bảo ổn định cục bộ dưới tác dụng của ứng suất pháp (giữa dầm) và ứng suất tiếp (đầu dầm)
Chiều cao sườn dầm chủ thông thường lấy từ 1/18-1/20 chiều dài nhịp cầu đối với cầu
đường bộ và nhỏ hơn đối với cầu đường sắt
Theo 22TCN272-05 quy định chiều dày bản bụng của các dầm thép cán không được nhỏ hơn 7mm Đối với dầm hàn thông thường chọn chiều dày sườn dầm không nhỏ hơn 12mm
Theo quy định AASHTO giới hạn tỉ số sau phải được thão mãn D/tw≤ 150 (6.10.2.1-1)
Bản cánh sẽ cung cấp khẳn năng chịu uốn Chiều rộng và bề dày bản cánh thường
được xác định bởi sự lựa chọn diện tích của bản cánh trong phạm vi giới hạn của tỉ số giữa
bề rộng và bề dày b/t và các yêu cầu kỹ thuật trong chỉ dẫn kỹ thuật để đảm bảo khẳn năng ổn định cục bộ
Bản cánh có thể bao gồm nhiều bản có kích thước khác nhau gọi là dầm ghép, loại dầm này có ưu điểm có thể lựa chọn được số lượng các bản ghép khác nhau phù hợp với biểu đồ chịu lực
Bề dày của mỗi bản cánh không nên quá 20 mm để dể bảo đảm chất lượng thép Ngoài ra nếu các bản cánh có bề dày nhỏ thì dễ cắt để cho biểu đồ bao vật liệu là phù hợp nhất với biểu đồ mô men tính toán và tiết kiệm thép hơn Tuy nhiên về mặt cấu tạo cũng yêu cầu các bản cánh không được mỏng hơn 8 mm
Bề rộng bản cánh trên của dầm thép trong cầu xe lử có mặt cầu đặt trực tiếp trên dầm thép, bề rộng tối thiểu của các bản cánh 240mm đẻ đảm bảo yêu cầu đặt ray trên bản cánh
Theo AASHTO khi lựa chọn kích thước bản cánh các công thức sau nên được thõa mãn Bf/2tf≤ 12, tw≥D/6
Trang 74. Sườn tăng cường
Sườn tăng cường: Sườn tăng cường là một bộ phận của dầm để tăng cường ổn định cho sườn dầm, bản cánh, phân bố tải trọng, và truyền lực cắt Ngoài ra sườn tăng cường còn là chỗ để lắp các liên kết ngang của kết cấu nhịp
Sườn tăng cường bao gồm 2 loại : sườn tăng cường đứng và sườn tăng cường ngang Sườn tăng cường đứng được bố trí tại vị trí gối cầu gối gọi là sườn tăng cường gối và
bố trí tại vị trí giữa nhịp gọi là sường tăng cường trung gian Sườn tăng cường đứng đặt tại gối để chịu và truyền phản lực gối xuống mố trụ
Sườn tăng cường dọc để tăng khả năng chịu uốn cho sườn dầm và chống biến dạng ngang, thường áp dụng cho dầm có nhịp >90m và chiều cao dầm >2m Sườn tăng cường dọc được đặt ở trong phạm vị chịu nén của mặt cắt
Sườn tăng cường làm bằng thép góc,Hiện nay đối với các dầm hàn sườn tăng cường là thép bản
Sườn tăng cường đứng cho sườn dầm nên được đặt đối xứng ở cả hai bên của sườn dầm
Sườn tăng cường của dầm hàn dày 10-12 mm (nhỏ nhất là 8mm), sườn tăng cường tại gối là 20 -30 mm
3.3.2 Cấu tạo hệ neo trong dầm liên hợp (neo chống cắt và bu lông liên kết)
Khi dầm liên hợp làm việc chịu uốn thì trong mặt phẳng liên kết bản với dầm thép sản sinh ra lực trượt lớn Tuy ở đây cũng có lực dính kết giữa bản BTCT và cánh dầm thép, nhưng không thể bảo đảm chống lại được lực trượt nhất là với tải trọng thay đổi Trong tính toán thường bỏ qua lực dính kết cho thêm an toàn
Dưới tác dụng của tải trọng tại vị trí tiếp xúc giữa bản cánh trên và bản mặt cầu có xu hướng trượt theo cả 2 phương thẳng đứng và nằm ngang do đó neo chống cắt phải đảm bảo khẳn năng chịu lực theo cả hai phương
Đối với kết cấu nhịp giản đơn phải bố trí neo trên suốt chiều dài nhịp
Cấu tạo các loại neo
a) Neo cứng
Neo cứng thường được chế tạo từ thép bản, thép góc và thép hình Neo cứng có cấu tạo gọn nhẹ nên thường dùng khi bản mặt cầu lắp ghép vì khi đó trên bản mặt cầu các lỗ neo thường nhỏ và đơn giản
Neo cứng có khả năng chịu lực tốt nhưng liên kết với bê tông kém Một loại neo được dùng khá phổ biến hiện nay là neo hình chiếc đinh có mũ ở trên Neo được liên kết với cánh trên của dầm bằng cách hàn, tán đinh hoặc bắt bulông cường độ cao
Trang 8Hình 3.4 Cấu tạo neo cứng Đối với bản mặt cầu lắp ghép thì neo cứng đặt vào các lỗ chừa sẵn trong tấm bản khi
đúc Trước khi đặt các tấm bản, biên trên dầm thép được rải một lớp bêtông có bề dày ít nhất 5cm, hoặc đặt các tấm bản lên những miếng đệm và đổ vữa ướt qua các lỗ và mối nối
Hiên nay neo cứng không còn được sử dụng nhiều do các nghiên cứu cho thấy việc sử dụng neo ảnh hưởng đến tuổi thọ cầu
>2,5cm
Hình 3.5 Cấu tạo neo đinh
b) Neo mềm
Neo mềm được chế tạo bằng thép tròn uốn cong thành 1 nhánh hoặc 2 nhánh Cũng
có trường hợp neo mềm được cấu tạo như một lò xo đặt dọc theo trục dầm, loại neo này có nhược điểm là khó liên kết vào cánh trên dầm
b) a)
Trang 9Neo mềm còn có thể làm bằng cốt thép thường dưới hình thức quai sanh hoặc những nhánh đơn hàn đính vào cánh trên của dầm thép Cấu tạo neo kiểu quai sanh có ưu điểm là
sự liên kết bản BTCT với dầm thép đảm bảo rất tốt vì nội lực do neo truyền sang bêtông không những qua dính bám mà nhờ cả sự ép mặt bêtông vào quai sanh
Neo làm từ những nhánh đơn nghiêng thường có móc ở đầu để tăng thêm sức liên kết với bêtông Ưu điểm của chúng là có thể đặt chéo trên mặt bằng nên bảo đảm chịu ứng suất kéo chính tốt hơn
Neo đặt cách quãng trên mặt bằng dùng đặc biệt hiệu quả trong các dầm liên tục và dầm mút thừa có cốt thép đặt dọc trong bản ở đây cốt thép đặt giữa các nhánh neo Nếu tại cùng một mặt cắt dầm mà có thể xuất hiện lực cắt hai dấu thì sẽ cấu tạo neo nghiêng cả
về hai hướng Số lượng neo trong mỗi hướng tỷ lệ với lực cắt tương ứng của hướng đó Để đơn giản việc chế tạo và tránh khả năng bị hư hỏng trong quá trình vận chuyển, sẽ hàn đính neo mềm vào các bản thép đặc biệt rồi sẽ liên kết cả bộ phận đó với dầm thép tại công trường bằng cách hàn hoặc dùng bulông cường độ cao
Đối với bản mặt cầu đổ tại chỗ nên dùng neo mềm vì neo mềm liên kết với bêtông tốt hơn so với neo cứng Nhược điểm của neo mềm là tốn nhiều thép so với các loại neo khác; ngoài ra lại phải dùng kiểu máy hàn kết cấu đặc biệt để hàn trên bản thép tránh ảnh hưởng
đến khẳn năng chịu lực của bê tông
Hình 3.6 Cấu tạo neo mềm c) Liên kết bằng bu lông cường độ cao
Liên kết bản mặt cầu BTCT lắp ghép với dầm thép bằng bulông cường độ cao có ưu
điểm là tăng khả năng làm việc chung của kết cấu nhịp thép- BTCT liên hợp dưới tác dụng của tải trọng trùng phục, đồng thời cho phép tiến hành lắp kết cấu liên hợp không phụ thuộc vào thời tiết
Trang 10Trong kết cấu liên kết có: bu lông cường độ cao đường kính 20 - 24mm kèm theo
ê-cu và vòng đệm Khoảng cách từ tim lỗ đến mép bản bêtông không được nhỏ hơn 10cm
đối với bulông đường kính 22mm, và 12 cm đối với bulông đường kính 24mm, còn khoảng cách từ tim đến tim các lỗ là 14 - 16 cm
Các quy định của 22TCN272-05 đối với hệ thông neo:
Trong mặt cắt liên hợp phải làm các neo chữ U và neo đinh chống cắt ở mặt phân chia giữa bản mặt cầu bêtông và mặt cắt thép để chịu lực cắt ở mặt tiếp xúc Các neo phải có khả năng chống lại cả hai chuyển vị thẳng đứng và nằm ngang giữa bêtông và thép
Tỉ lệ của chiều cao với đường kính của neo đinh chịu cắt không được nhỏ hơn 4 Bước neo từ tim đến tim của các neo chống cắt không được vượt quá 600mm và không được nhỏ hơn 6 lần đường kính đinh, theo phương ngang không được đặt gần hơn 4 lần đường kính
Chiều cao tịnh của lớp bêtông phủ trên đỉnh neo chống cắt không được nhỏ hơn 50mm Các neo chống cắt cần đặt sâu ít nhất 50mm vào trong bê tông