Bài giảng Nhập môn cầu: Chương 1 - TS. Nguyễn Ngọc Tuyển

Bài giảng Nhập môn cầu - Chương 1: Khái niệm về các công trình nhân tạo trên đường trình bày các nội dung: Định nghĩa và tầm quan trọng của các công trình nhân tạo trên tuyến đường, các bộ phận của công trình cầu, các kích thước cơ bản của công trình cầu, phân loại cầu cống,... Mời các bạn cùng tham khảo.

Trang 3

1.1. Định nghĩa và tầm quan trọng của CTNTTĐ

• Công trình nhân tạo trên đường (CTNTTĐ):

– Là những sản phẩm do con người tạo ra nhằm đảm bảo sự liên

tục của tuyến đường để các phương tiện giao thông qua lại

thông suốt. Ví dụ: cầu, hầm, cống, đường tràn

• Cầu

– Là loại công trình vượt qua phía trên chướng ngại vật như

sông suối, khe núi,

– Có nhiệm vụ như cầu nhưng được xây dựng trong lòng đất,

xuyên qua núi, hoặc được xây dựng ở dưới nước

• Cống

– Là công trình nằm trong nền đắp của tuyến đường nhằm giải

quyết cho dòng chảy lưu thông khi giao cắt với tuyến đường

• Đường tràn

– Được xây dựng khi tuyến đường cắt ngang dòng chảy có mức

nước không lớn, lưu lượng nước có thể thoát qua kết cấu thân

đường.

Trang 5

Định nghĩa và tầm quan trọng (t.theo)

• Tầm quan trọng của công trình nhân tạo trên đường

– CTNTTĐ đảm bảo sự thông suốt của tuyến đường, phục vụ sự

giao lưu vận tải hành khách và hàng hóa

 Vai trò của CTNTTĐ rất quan trọng đối với sự phát triển về kinh

tế, văn hóa, xã hội cũng như đảm bảo an ninh quốc phòng

 Việc thiết kế, xây dựng và duy tu bảo dưỡng các CTNTTĐ phải

đạt được chất lượng cao và đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu kinh

3

MNTN MNTT MNCN

1.2. Các bộ phận của công trình cầu

• Một công trình cầu có thể bao gồm 3 nhóm bộ phận:

– Kết cấu phần trên (kết cấu nhịp)

– Kết cấu phần dưới

– Đường 2 đầu cầu và các công trình phụ trợ

Trang 6

Các bộ phận của công trình cầu (t.theo)

• Kết cấu phần trên (kết cấu nhịp)

– Là bộ phận trực tiếp mang đỡ hoạt tải và vượt qua khoảng

cách chướng ngại vật

– Vị trí: tính từ gối cầu trở lên gọi là kết cấu phần trên

– Kết cấu phần trên gồm: (1) Hệ mặt cầu và (2) Hệ dầm mặt cầu

G1 G2 G3 G4 G5 G6

d)

c)

Trang 7

• Là bộ phận kê đỡ kết cấu nhịp, tiếp nhận toàn bộ tải trọng

và truyền xuống nền đất qua kết cấu móng

• Nếu được xây dựng ở hai đầu của cầu thì được gọi là mố,

xây dựng ở phía trong thì gọi là trụ

• Mố còn có nhiệm vụ nối tiếp giữa đường với cầu

3

MNTN MNTT MNCN

4

1

4 2

Các bộ phận và các kích thước cơ bản (t.theo)

Trường hợp cầu không có trụ:

• Cầu chỉ có 1 nhịp sẽ không có trụ

Trường hợp cầu không có mố:

• Cầu dầm mút thừa sẽ không có mố

L

Trang 8

• Đường hai đầu cầu và các công trình phụ trợ

– Nền đường 10m sau mố (hai bên đầu cầu)

MNTN MNTT MNCN

Trang 9

Trên những sông có dòng nước chảy xiết hoặc có khả năng va đập của tàu bè, cây trôi, cần cấu tạo bộ phận chống va xô để bảo vệ cho trụ.

1.3. Các kích thước cơ bản của cầu

• Chiều dài toàn cầu L

– Khoảng cách từ đuôi mố này tới đuôi mố kia

3

MNTN MNTT MNCN

Trang 10

Các kích thước cơ bản của cầu (t.theo)

• Nhịp tĩnh lo

– Khoảng cách từ mép trụ này tới mép trụ kia (hoặc mố) xác

định tại mức nước cao nhất

• Khẩu độ thoát nước (khẩu độ cầu)

3

MNTN MNTT MNCN

• Là kết quả tính toán ứng với một tần suất quy định P = 1% hoặc 2%.

• Nếu nói: MNCN ứng với tần suất thiết kế 1% có nghĩa là mức nước của

cơn lũ mà 100 năm mới xuất hiện 1 lần.

– Mức nước thông thuyền (MNTT)

• Là mức nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại thường lấy với P = 5%

• Từ MNTT có thể xác định chiều cao khổ gầm cầu của nhịp thông thuyền

– Mức nước thấp nhất (MNTN)

• Được đo trong mùa cạn ứng với tần suất quy định P = 1% hoặc 2%

• Căn cứ vào MNTN để bố trí nhịp thông thuyền

Trang 11

– Mực nước thi công (MNTC)

• Là mức nước cao nhất dùng để tính toán khi thi công cầu

• MNTC thường được lấy ở mức nước cao với P = 10%

• Chiều rộng cầu và khổ cầu

• Chiều cao cầu Hc

– Là khoảng cách từ MNTN tới mặt cầu

– Nếu là cầu vượt, cầu cạn thì tính từ mặt cầu tới mặt đường

hoặc mặt đất phía dưới

• Chiều cao kiến trúc hkt

– Chiều cao kiến trúc (= k/c từ đáy kết cấu nhịp đến mặt cầu)

• Chiều cao khổ gầm cầu H

– Chiều cao khổ gầm cầu là khoảng cách từ MNCN đến đáy kết

cấu nhịp để đảm bảo cây trôi không va đập và mắc nghẽn

– Nếu là cầu vượt, cầu cạn thì được tính từ đáy kết cấu nhịp đến

mặt đường hoặc mặt đất phía dưới

Trang 12

• Kích thước khổ thông thuyền

– Kích thước khổ thông thuyền phụ thuộc vào cấp sông và được

quy định trong tiêu chuẩn thiết kế 22TCN‐272‐05

MNCN MNTT MNTN

60

9

• Nhịp thông thuyền

– Vị trí nhịp thông thuyền được quy định bởi cơ quan quản lý

đường thủy (bố trí nhịp thông thuyền dựa vào số liệu MNTN)

• Nhịp kinh tế

– Chiều dài nhịp mà có tổng giá thành công trình nhỏ nhất (theo

một số nghiên cứu trước đây, nhịp kinh tế thường có giá thành

kết cấu phần trên xấp xỉ bằng giá thành kết cấu bên dưới)

Trang 13

• Ví dụ thiết kế phương án cầu:

Số liệu cho trước:

– Cao độ đáy sông

Ví dụ (t.theo)

– Sông cấp IV, cầu qua kênh => tra bảng 2.3.3.1.1 có

• Kích thước khổ thông thuyền: Ltt= 25m, Htt= 5m

– Nếu chọn 3 nhịp bằng nhau => số nhịp là nn= 3

– Với khẩu độ thoát nước Σlo= 90m thì chiều dài cầu tối thiểu Lc

có thể được tính như sau:

Lc= Σlo+ (nn-1)BT+ 2BM

Trang 14

Ví dụ (t.theo)

trong đó:

• BT= bề rộng thân trụ (= 1.5m với trụ dầm giản đơn);

• BM= bề rộng thân mố (= 1m với mố dầm giản đơn)

– Như vậy: Lc= Σlo+ (nn-1)BT+ 2BM

Lc= 90m + (3 -1)*(1.5) + 2*(1) = 95m – Chiều dài 1 nhịp: L = Lc/ 3 = 95m / 3 = 31.7m

– Kiểm tra: L = 31.7m > LTT+ BT= 25 + 1.5 = 26.5m => ĐẠT

1.4. Phân loại công trình cầu

– Có nhiều cách khác nhau để phân loại công trình cầu

• Phân loại theo chướng ngại vật phải vượt qua

– Cầu qua sông

– Cầu qua đường (cầu vượt), là cầu bắc qua tuyến đường khác

giao cắt ngang

– Cầu cạn hay cầu dẫn, là cầu được xây dựng ngay trên mặt đất

nhằm dẫn lên một cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đường

lên để giải phóng không gian bên dưới

– Cầu cao giá, là loại cầu có chiều cao trụ rất lớn được bắc qua

các thung lũng sâu

Trang 15

Phân loại công trình cầu (t.theo)

• Phân loại theo mục đích sử dụng

– Cầu ô tô (cầu đường bộ)

• Phân loại theo vị trí đường xe chạy

– Cầu có đường xe chạy trên

– Cầu có đường xe chạy giữa

– Cầu có đường xe chạy dưới

• Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp

– Cầu thép và cầu kim loại

– Cầu BTCT

– Cầu đá

– Cầu gỗ

– …

Trang 16

• Phân loại theo sơ đồ tĩnh học

– Theo sơ đồ tĩnh học của kết cấu chịu lực chính có thể phân

chia công trình cầu thành các hệ thống sau:

• Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, kết cấu nhịp làm

việc chịu uốn và chỉ truyền áp lực thẳng đứng xuống mố và

Trang 17

• Đặc điểm: kết cấu nhịp và trụ liên kết cứng với nhau tạo

thành khung, cùng tham gia chịu lực dưới dạng một kết cấu

thống nhất

• Do phát sinh mô men uốn trong mặt cắt ngang của trụ cầu

nên độ lớn của mô men dương trong kết cấu nhịp giảm nên

có thể vượt được nhịp lớn hơn so với cầu dầm

l 1 2

l

l 1

Trang 18

l 1 2

l

l 1

Kết cấu cầu khung BTCT dạng chữ K điển hình tại Hoa Kỳ

Trang 19

– (3). Hệ thống cầu vòm

• Đặc điểm: tại vị trí chân vòm luôn xuất hiện thành phần

phản lực theo phương nằm ngang (lực xô) và trong thân

vòm lực nén là chủ yếu

• Cầu vòm có thể có dạng 3 khớp, 2 khớp hoặc không khớp

• Vị trí đường xe chạy: trên, giữa, hoặc dưới

Cầu Zaragossa (TBN)

Cầu Ponte da

Amizade (Braxin)

Cầu CaiYuanba (Trung Quốc)

Hệ thống cầu vòm

1. Cầu có đường xe chạy trên

2. Cầu có đường xe chạy giữa

3. Cầu có đường xe chạy dưới

Trang 20

Cầu vòm thép đường xe chạy trên, chiều dài nhịp 313m

Glen Canyon Dam Bridge, USA

Trang 21

– (4). Hệ thống cầu liên hợp

• Là loại cầu được kết hợp từ các hệ đơn giản hoặc là hệ đơn

giản được tăng cường các bộ phận chịu lực

• Bằng cách liên hợp người ta có thể tạo ra những kết cấu

chịu lực hợp lý và có hiệu quả về các phương diện kinh tế,

kỹ thuật, đặc biệt trong các trường hợp nhịp lớn

l

Cầu liên hợp dầm‐vòm

– (5). Hệ thống cầu treo

• Cầu treo là loại kết cấu trong đó bộ phận chịu lực chính là

dây làm việc chịu kéo

• Dưới tác dụng của hoạt tải, hệ dầm mặt cầu và dây cùng

làm việc như một hệ liên hợp

• Hệ thống cầu treo gồm 2 loại: cầu treo dây võng (cầu treo

parabol) và cầu dây văng

Cầu treo dây võng

Cầu dây văng

Trang 22

• Phân loại theo các tiêu chí khác

– Theo đặc điểm riêng của công trình:

1.5. Sơ lược lịch sử phát triển công trình cầu

– Cầu là công trình nhân tạo nên lịch sử phát triển của nó gắn

liền với sự phát triển của xã hội

• Thời kỳ sơ khai

– Con người ban đầu dựa vào tự nhiên để vượt qua các con

suối, khe sâu (nhờ những thân cây đổ vắt ngang, dây leo, cây

trôi mắc vào các chướng ngại vật…)

– Người cổ xưa bắt chước các hiện tượng tự nhiên để tạo ra các

phương tiện vượt sông, suối

– Di tích của chiếc cầu cổ xưa nhất là cầu qua sông Euphrate ở

Babylon, được làm bằng thân cây cọ, nhịp dài 9m, tổng chiều

dài là 300m (khoảng 2000 năm trước công nguyên)

Trang 23

Sơ lược lịch sử phát triển công trình cầu (t.theo)

• Thời kỳ chiếm hữu nô lệ

– Để phục vụ các cuộc chiến tranh giữa các bộ lạc => cần xây

dựng các tuyến đường và các cây cầu => hệ thống giao thông

bắt đầu phát triển

– Đầu tiên là cầu gỗ xuất hiện, sau đó là cầu đá

• Thời kỳ trước và đầu công nguyên

– Những cây cầu làm bằng tre, gỗ cổ xưa xuất hiện ở Trung Quốc

và Ấn Độ

– Cầu mút thừa bằng gỗ qua sông Jhelum ở Srinagar (Ấn Độ)

được xây dựng bằng cách xếp các thanh gỗ vươn hẫng ra hai

bên trụ

– Cầu vòm đá là loại kết cấu phổ biến ở Trung Đông, Ai Cập và

Châu Âu.

Trang 24

Cầu vòm đá Pont du Gard Aqueduct, France Xây dựng năm 19 trước Công nguyên Cầu cao 47.2m so với mặt nước – Tổng chiều dài cầu 270m

• Thời kỳ Phục hưng (Thế kỷ 14‐16 sau CN)

– Các ngành khoa học bắt đầu phát triển bao gồm toán học, vật

lý, kết cấu, vật liệu… nên đã tạo tiền đề và cơ sở lý luận tính

toán cho tính toán thiết kế cầu

• Thời kỳ Cách mạng công nghiệp (Thế kỷ 17‐18)

– Các sự kiện có tác động lớn đến sự phát triển của cầu bao

gồm:

• Kim loại được sử dụng làm vật liệu kết cấu

• Sự ra đời của tàu hỏa

• Sự ra đời của các loại máy công nghiệp

– Năm 1741 người Anh đã xây dựng cầu treo đầu tiên bằng dây

xích sắt nhịp 22m qua sông Tess.

Trang 25

• Thời kỳ hiện đại (Thế kỷ 19 đến đầu TK 20)

Trang 27

• Lịch sử phát triển cầu treo dây võng và dây văng

– Ý tưởng đầu tiên về hệ dây treo xuất hiện từ vài thế kỷ trước ở

rải rác một số nơi trên thế giới

– Một vài cầu treo cổ xưa được tìm thấy ở Bắc Ấn độ, Burma và

Peru có nhịp lên tới 33m

– Do nhu cầu vượt các nhịp lớn, cầu treo dây võng được phát

triển khá nhanh

• Năm 1929 chiếc cầu treo có nhịp lớn nhất là cầu Ambassador (Mỹ vượt

được nhịp 564m)

• Năm 1932 (chỉ 3 năm sau đó) cầu George Washington ở New York đã

vượt nhịp dài tới 1067m.

Cầu treo cổ xưa có một dây chủ

Trang 28

Cầu treo cổ xưa có mặt cầu đặt trực tiếp lên 2 dây chủ

Cầu treo cổ xưa có mặt cầu đặt trực tiếp lên 2 dây chủ được tăng cứng

Trang 29

Cầu treo cổ xưa có dạng 4 dây chủ song song

Cầu treo cổ xưa có dạng thùng kéo tay (được phát triển dựa trên cầu treo cổ xưa loại một dây chủ)

Trang 30

Cầu treo dây võng George Washington – Hoa Kỳ Nhịp chính dài 1067m – Hoàn thành 10/1931

Cầu treo dây võng Goden Gate – Hoa Kỳ Nhịp chính dài 1280m – Hoàn thành năm 1939

Trang 31

Năm 1940 ở Mỹ đã xảy ra tai nạn cầu treo dây võng Tacoma nhịp 853m

(công trình mới hoàn thành được 6 tháng)

Cầu treo dây võng Tacoma sau khi xây dựng lại và đưa vào khai thác

14/10/1950

Trang 32

Cầu treo dây võng Akashi‐Kaikyo – Nhật Bản Chiều dài nhịp chính 1991m

Cầu dây văng Normandie – Pháp Cầu bắc qua sông Seine – Hoàn thành năm 1994

Nhịp chính dài 856m

Trang 33

Cầu dây văng Tatara – Nhật Bản Hai mặt phẳng dây – Hoàn thành năm 1999

Nhịp chính dài 890m

Cầu dây văng Sutong – Trung Quốc Với chiều dài nhip chính đạt kỷ lục 1088m

Trang 34

Cầu Milau (Pháp) – là cầu dây văng liên tục 1 mặt phẳng dây

Thi công bằng phương pháp đúc đẩy – Hoàn thành năm 2004

Milau là cầu cao nhất thế giới với đỉnh tháp cao tới 343m.

Cầu Seri Wawasan (Malaysia) Cầu dây văng có kiến trúc như một con thuyền hùng vĩ đang

lướt sóng

Trang 35

Toàn cảnh cầu Seri Wawasan (Malaysia)

1.6. Một số phương hướng phát triển

• Về vật liệu

– Sử dụng vật liệu có cường độ cao (thép cường độ cao, thép

hợp kim, bê tông cường độ cao)

– Dùng vật liệu nhẹ (bê tông cốt liệu nhẹ, hợp kim nhôm)

 Nhằm mục đích giảm khối lượng vật liệu và giảm trọng lượng

bản thân kết cấu

• Về liên kết ghép nối

– Sử dụng các biện pháp liên kết ghép nối có chất lượng cao,

thực hiện đơn giản, tiết kiệm chi phí ví dụ như:

• Bu lông cường độ cao cho kết cấu thép

• Keo dán epoxy cho kết cấu bê tông

Trang 36

Một số phương hướng phát triển (t.theo)

• Về kết cấu

– Sử dụng những kết cấu hợp lý và áp dụng các biện pháp điều

chỉnh ứng suất nhằm tiết kiệm vật liệu

• Kết cấu bản trực giao

• Kết cấu Thép‐BTCT liên hợp

• Kết cấu ứng suất trước

• Kết cấu dầm tiết diện hộp

• Cầu khung‐dầm BTCT ứng suất trước

• Các sơ đồ cầu treo với các biện pháp tăng cường độ cứng

Một số phương hướng phát triển (t.theo)

• Về công nghệ thi công

– Tiến bộ trong công nghệ thi công đóng vai trò đặc biệt quan

trọng trong sự phát triển của ngành xây dựng cầu trong thời

Định dạng
Số trang	36
Dung lượng	3,75 MB