Giáo trình Thiết kế cầu: Phần 1 – Trường Cao đẳng Xây dựng TP. Hồ Chí Minh

(NB) Giáo trình Thiết kế cầu: Phần 1 gồm 3 chương với những nội dung khái niệm chung về công trình cầu; cấu tạo các bộ phận của hệ mặt cầu; cơ sở thiết kế cầu theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05.

GIÁO TRÌNH

THIẾT KẾ CẦU

Biên soạn: Nguyễn Tấn Dương

Phạm Thị Anh (Tài liệu lưu hành nội bộ)

Tp Hồ Chí Minh, 2017

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH CẦU 7

1.1 CÁC LOẠI CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG 7

1.2 CÁC BỘ PHẬN VÀ KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA CẦU 7

1.2.1 Các bộ phận cơ bản của cầu 7

1.2.2 Các kích thước cơ bản về cầu 8

1.3 PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG 9

1.3.1 Dựa theo mặt đường xe chạy: 9

1.3.2 Dựa vào mục đích sử dụng 9

1.3.3 Dựa vào vật liệu xây dựng 9

1.3.4 Dựa vào chứng ngại vật mà cầu vượt qua 9

1.3.5 Dựa vào sơ đồ kết cấu nhịp 10

1.4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH XÂY DỰNG CẦU 12

1.4.1 Sơ lược lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu 12

1.4.2 Lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu tại Việt Nam 13

1.4.3 Phương hướng phát triển của ngành xây dựng cầu 14

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ MẶT CẦU 15

2.1 CẤU TẠO CÁC LỚP PHỦ CỦA HỆ MẶT CẦU ĐƯỜNG Ô TÔ 15

2.1.1 Tác dụng của các lớp phủ 15

2.1.2 Yêu cầu cấu tạo 15

2.1.3 Cấu tạo các lớp mặt cầu 15

2.2 BẢN MẶT CẦU 16

2.3 ỐNG THOÁT NƯỚC TRÊN CẦU 16

2.3.1 Tạo dốc ngang và dốc dọc cầu 16

2.3.2 Tính toán bố trí thoát nước trên cầu 16

2.3.3 Cấu tạo và cách bố trí 17

2.4 LỀ BỘ HÀNH VÀ LAN CAN 17

2.4.1 Lề bộ hành 17

2.4.2 Lan can 18

2.5 KHE CO GIÃN 19

2.6 BẢN LIÊN TỤC NHIỆT 20

2.7 ĐƯỜNG ĐẦU CẦU 21

2.8 GỐI CẦU 22

2.8.1 Tác dụng của gối cầu 22

2.8.2 Cấu tạo một số loại gối cầu 23

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU THEO TIÊU CHUẨN 22 TCN 272-05 26 3.1 QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KẾ CẦU 26

3.1.1 Giới thiệu tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 – 05 26

3.1.2 Quan điểm chung về thiết kế 26

3.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU 22 TCN 272- 05 27

3.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN THEO 22 TCN 272-05 29

3.3.1 Khái niệm: 29

3.3.2 Các trạng thái giới hạn 29

3.4 TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG 30

3.4.1 Phân loại các tải trọng 30

3.4.2 Hệ số tải trọng 31

3.4.3 Hoạt tải xe thiết kế (LL) 32

PHẦN 2: CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 39

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BTCT 39

1.1 PHÂN LOẠI CẦU BTCT, CÁC ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 39 1.1.1 Phân loại: 39

1.1.2 Các đặc điểm chung của cầu BTCT 40

1.1.3 Phạm vi áp dụng của kết cấu nhịp BTCT 41

1.1.4 Ưu, khuyết điểm của cầu bê tông cốt thép: 42

1.1.5 Các xu hướng trong lĩnh vực cầu BTCT hiện nay: 42

1.2 CÁC HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 43

1.2.1 Cầu dầm 43

1.2.2 Cầu khung: 46

1.2.3 Cầu vòm 47

1.2.4 Cầu giàn: 48

1.3.1 Bêtông 49

1.3.2 Cốt thép 59

CHƯƠNG 2: CẦU BẢN VÀ CẦU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC LẮP GHÉP 70

2.1 KHÁI NIỆM CHUNG 70

2.1.1 Các phương pháp tạo dự ứng lực trước 70

2.1.2 Các hệ thống tạo dự ứng lực 71

2.2 KẾT CẤU NHỊP BẢN, DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC 72

2.2.1 Cấu tạo một số kết cấu nhịp bản 72

2.2.2 Cấu tạo một số kết cấu nhịp dầm DUL 73

2.3 NGUYÊN TẮC, SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THÉP DỰ ỨNG LỰC TRONG NHỊP GIẢN ĐƠN 76

2.3.1 Nguyên tắc bố trí thép DUL cho dầm giản đơn 76

2.3.2 Mốt số sơ đồ bố trí thép DUL phổ biến 76

2.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT KẾ ĐIỂN HÌNH 81

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN272-05 101

3.1 BỀ RỘNG DẢI TƯƠNG ĐƯƠNG ĐỐI VỚI CÁC LOẠI CẦU BẢN VÀ BỀ RỘNG CÁNH DẦM HỮU HIỆU 101

3.1.1 Bề rộng dải tương đương đối với các loại cầu bản 101

3.1.2 Bề rộng bản cánh dầm hữu hiệu 101

3.2 CƯỜNG ĐỘ KHÁNG UỐN CỦA MẶT CẮT TRONG TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ 102

3.2.1 Nguyên tắc chung 102

3.2.2 Phân bố ứng suất theo hình chữ nhật 103

3.2.3 Ứng suất trong cốt thép dự ứng lực ở mức sức kháng uốn danh định 103 3.2.4 Các nhận xét và phân tích 105

3.2.5 Điều kiện duyệt trạng thái giới hạn cường độ 105

3.3 CÁC GIỚI HẠN VỀ CỐT THÉP 108

3.3.1 Quy định về hàm lượng cốt thép tối đa 108

3.3.2 Quy định về hàm lượng cốt thép tối thiểu 108

3.4 KHỐNG CHẾ NỨT BẰNG SỰ PHÂN BỐ CỐT THÉP HỢP LÝ 109

3.4.1 Tính ứng suất kéo cốt thép ở Trạng thái giới hạn sử dụng 109

LỰC 111

3.5.1 Tổng mất mát ứng suất 111

3.5.2 Các mất mát ứng suất tức thời (đàn hồi) 111

3.5.3 Ước tính gần đúng toàn bộ mất mát ứng suất theo thời gian 115

3.6 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DỰ ỨNG LỰC THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG VỀ CHỐNG NỨT 116

3.6.1 Nguyên tắc chung 116

3.6.2 Các đặc trưng mặt cắt 117

3.6.3 Các giới hạn ứng suất cho các bó thép dự ứng lực 117

3.6.4 Các giới hạn ứng suất đối với bê tông trong kết cấu dự ứng lực 118

3.7 TÍNH TOÁN THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG VỀ BIẾN DẠNG 123

3.7.1 Nguyên tắc chung 123

3.7.2 Tính toán về độ võng và độ vồng 123

3.7.3 Tính toán các biến dạng dọc trục 124

3.7.4 Điều kiện kiểm toán biến dạng dầm BTCT 125

3.8 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DỰ ỨNG LỰC THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

125 3.8.1 Tổng quát 125

3.8.2 Trạng thái giới hạn sử dụng 125

3.8.3 Trạng thái giới hạn mỏi 126

3.8.4 Trạng thái giới hạn cường độ 126

3.8.5 Trạng thái giới hạn đặc biệt 126

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN PHÂN BỐ TẢI TRỌNG CHO CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU NHỊP

127 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG 127

4.2 BỐ TRÍ HOẠT TẢI HL-93 THEO PHƯƠNG NGANG CẦU 127

4.2.1 Số làn xe thiết kế 127

4.2.2 Bố trí hoạt tải HL-93 theo phương ngang cầu 127

4.2.3 Hệ số làn xe 130

4.3 PHƯƠNG PHÁP ĐÒN BẢY 130

4.3.3 Trình tự tính toán 132

4.3.4 Ưu nhược điểm và phạm vi áp dụng 132

4.4 PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN ĐÚNG HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 133

4.4.1 Điều kiện áp dụng 133

4.4.2 Công thức tính Hệ số phân bố dùng cho momen và lực cắt 135

4.4.3 Các điểm cần lưu ý khi áp dụng hệ số phân bố tải trọng 145

4.4.4 Trình tự tính toán hệ số phân bố tải trọng 146

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU, DẦM NGANG VÀ DẦM CHỦ

147

5.1 TRÌNH TỰ CHUNG THIẾT KẾ KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT 147

5.2 TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU 148

5.2.1 Phân tích cấu tạo chọn sơ đồ tính toán 148

5.2.2 Nguyên tắc tính toán 149

5.2.3 Thiết kế bản mặt cầu theo phương pháp gần đúng 149

5.2.4 Tính toán bản mặt cầu ở đầu nhịp 158

5.2.5 Tính toán bản mặt cầu khi có chiều dài làm việc theo phương dọc cầu

158

5.2.6 Tính toán cốt thép và kiểm toán bản 159

5.2.7 Tính toán và bố trí cốt thép trong bản 160

5.3 TÍNH TOÁN DẦM NGANG 161

5.3.1 Giả thiết tính toán 161

5.3.2 Tải trọng tác dụng lên dầm ngang 161

5.3.3 Tính nội lực trong dầm ngang 162

5.3.4 Tính toán và bố trí cốt thép trong dầm ngang 166

5.4 TÍNH TOÁN DẦM CHỦ 167

5.4.1 Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu nhịp 167

5.4.2 Phân tích kết cấu 169

5.4.3 Tính toán hệ số phân bố ngang do hoạt tải 170

5.4.4 Tính toán nội lực dầm chủ 170

5.4.5 Lựa chọn cốt thép chủ và kích thước mặt cắt 172

5.4.6 Bố trí thép chủ theo chiều dọc dầm 173

PHẦN 1: TỔNG LUẬN CẦU

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH CẦU

1.1 CÁC LOẠI CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜNG

Công trình nhân tạo trên đường là những công trình vượt qua các chướng ngại trên đường như sông, suối, khe núi, vực sâu, …

Các loại công trình nhân tạo chủ yếu bao gồm:

 Cầu: là một công trình nhân tạo để cho đường giao thông vượt qua các dòng

nước, thung lung, bãi sông (cầu dẫn), vượt qua đường hay các chướng ngại vật khác

thể duy trì được độ dốc tự nhiên của taluy Tránh hiện tượng trượt, sụt lở mái taluy

 Hầm: khi cao độ mặt đường nằm thấp hơn nhiều so với cao độ mặt đất tự

nhiên người ta có thể làm hầm xuyên qua núi Khi tuyến đường đi men theo sườn núi có độ dốc lớn, địa chất quá xấu như có đá lăn, đất trượt người ta dịch tuyến đường vào núi và xây dựng đường hầm Khi vượt qua các sông lớn, eo biền sâu người ta cũng có thể làm hầm Trong các thành phố đông dân cư, người ta cũng có thể làm hầm để phục vụ cho người đi bộ, các phương tiện giao thông, hệ thống tàu điện ngầm

1.2 CÁC BỘ PHẬN VÀ KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA CẦU

Hình 1.1:Công trình cầu 1-Kết cầu nhịp; 2-Trụ; 3-Mố; 4-Móng

1.2.1 Các bộ phận cơ bản của cầu

 Kết cấu nhịp:

Bao gồm: dầm cầu, bản mặt cầu, lan can, lề bộ hành …

Nhiệm vụ của kết cấu nhịp là vượt chứng ngại vật, kê đỡ mặt cầu và gánh chịu toàn bộ tải trọng lưu thông trên cầu

Là bộ phận kê đỡ kết cấu nhịp, tiếp nhận toàn bộ tải trọng từ kết cấu nhịp, truyền xuống nền đất qua kết cấu móng Tùy theo số lượng nhịp mà có loại cầu một nhịp (không có trụ) và cầu nhiều nhịp

Mố nằm ở hai đầu cầu, trụ được bố trí ở khoảng giữa hai mố

Ngoài ra mố còn có tác dụng chắn đất đầu cầu, chịu áp lực của đất và là vị trí chuyển tiếp từ đường vào cầu

 Đường dẫn vào cầu:

Có tác dụng vuốt nối cao độ từ đường vào cầu Thông thường là đường đắp cao do đó để giảm chiều cao nền đắp có thể thay bằng cầu cạn

1.2.2 Các kích thước cơ bản về cầu

 Mực nước

 Mực nước cao nhất (MNCN): được đo trong mùa lũ, ứng với một tần suất quy định (với cầu lớn, trung là 1%; cầu nhỏ là 2%) Căn cứ vào MNCN để xác định cao độ đáy dầm

 Mực nước thấp nhất (MNTN): được đo trong mùa cạn, ứng với một tần suất quy định (với cầu lớn, trung là 1%; cầu nhỏ là 2%) Căn cứ vào MNTN để bố trí nhịp thông thuyền

 Mực nước thông thuyền (MNTT): là mức nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại, thường lấy với tần suất 5%, từ MNTT xác định được chiều cao khổ gầm cầu của nhịp thông thuyền

 Nhịp tĩnh không L0 : khoảng cách giữa mép hai trụ (hoặc hai mố) tại MNCN

 Chiều dài nhịp Lsp : là khoảng cách giữa tim hai trụ

 Chiều dài nhịp tính toán L: là khoảng cách giữa tim các gối kê nhịp

 Chiều cao

 Chiều cao cầu HC là khoảng cách từ MNTN tới mặt cầu Nếu là cầu vượt hoặc cầu cạn thì tính từ mặt đường hoặc mặt đất bên dưới

 Chiều cao kiến trúc hkt là khoảng cách từ đáy kết cấu nhịp đến mặt cầu

 Chiều cao gầm cầu (tĩnh không dưới cầu) H là khoảng cách từ MNCN đến đáy kết cấu nhịp

 Sông không có thông thuyền: H tối thiểu là 0.5m, trong trường hợp có cây trôi thì H tối thiểu là 1m

 Sông có thông thuyền: phụ thuộc vào khổ thông thuyền HTT và BTT

1.3 PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG

Có nhiều cách phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau Sau đây là một số tiêu chí thường dùng:

1.3.1 Dựa theo mặt đường xe chạy:

 Cầu có đường xe chạy dưới: đường xe chạy bố trí dọc theo biên dưới của kết cấu nhịp

 Cầu có đường xe chạy trên: đường xe chạy bố trí trên đỉnh của kết cấu nhịp

 Cầu có đường xe chạy giữa: đường xe chạy bố trí trong phạm vi chiều cao của kết cấu nhịp

1.3.2 Dựa vào mục đích sử dụng

 Cầu đường sắt: dùng cho tàu lửa

 Cầu đường ôtô: dùng cho tất cả các phương tiện giao thông trên đường ôtô

 Cầu chạy chung: ô tô và tàu lửa

 Cầu người đi bộ

 Cầu đặc biệt: dùng cho đường ống dẫn dầu, nước, khí gas, cáp điện

1.3.3 Dựa vào vật liệu xây dựng

 Cầu gỗ, tre …

 Cầu đá

 Cầu kim loại (gang, thép …)

 Cầu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực

1.3.4 Dựa vào chứng ngại vật mà cầu vượt qua

 Cầu thông thường: cầu vượt qua các dòng nước như sông, suối, thậm chí là vượt biển

 Cầu vượt hay cầu qua đường: các tuyến đường giao thông có lưu lượng lớn giao cắt nhau hoặc đường ô tô giao với đường sắt

 Cầu cạn: dùng cho đường ô tô, tàu điện ngầm, đường sắt chạy riêng trong thành phố

 Cầu cao: là cầu vượt qua các thung lũng sâu Trụ cầu rất cao > 20m thậm chí hàng trăm mét

 Cầu mở: dùng khi yêu cầu chiều cao thông thuyền lớn (40-60m) Các loại cầu mở như cầu cất, cầu nâng, cầu quay

 Cầu phao: dùng trong thời chiến hoặc tại vị rí mà khi xây các loại cầu khác quá phức tạp, tốn kém

1.3.5 Dựa vào sơ đồ kết cấu nhịp

 Cầu dầm:

 Cầu dầm giản đơn dưới tác dụng của lực thẳng đứng tại gối chỉ có phản lực gối Cầu BTCT thường có L=12 - 20m, BTCT DUL có L=20-40m cầu dầm thép L= 6 - 40m

 Cầu dầm liên tục, dầm hẫng dưới tác dụng của lực thẳng đứng tại gối xuất hiện phản lực gối và momen

Hình 1.2: Các loại cầu dầm a-Cầu dầm giản đơn; b-Cầu liên tục; c: Cầu hẫng đeo

 Cầu dàn thép:

 Cầu dàn giản đơn: chiều dài nhịp từ 50 đến 80m

 Cầu dàn liên tục: có nội lực nhỏ hơn cầu dàn giản đơn nên cho phép vượt nhịp lớn hơn

 Cầu khung:

 Cầu khung liên tục

 Cầu khung T dầm đeo

 Cầu khung – dầm liên tục

Hình 1.3: Cầu Khung liên tục

 Cầu vòm:

 Cầu vòm có lực đẩy ngang: Cầu vòm chạy trên, chạy giữa, chạy dưới

 Cầu vòm không có lực đẩy ngang: cầu có một thanh kéo, hệ vòm dầm liên hợp dầm cứng vòm cứng Phản lực gối của cầu giống với cầu dầm giản đơn

 Cầu có kết cấu liên hợp

 Cầu treo

a Cầu vòm chạy trên

b Cầu vòm chạy giữa

c Cầu vòm chạy dưới

Ưu điểm: Cáp cường độ cao nên trọng lượng bản thân nhỏ, vượt được

nhịp rất lớn Trong quá trình thi công thì cáp chủ được thi công trước rồi mới đến dầm nên không cần làm trụ tạm

Nhược điểm: kết cấu rất nhạy cảm với tải trọng động (gió, lực xung kích)

Cấu tạo mố neo rất phức tạp và tốn kém

 Cầu dây văng

1 Dây văng; 2 Dầm cứng; 3 Tháp cầu; 4 Trụ cầu; 5 Mố cầu

Ưu điểm: Cáp cường độ cao nên trọng lượng bản thân nhỏ, làm việc chịu

kéo Dầm cứng làm việc như dầm liên tục trên gối cứng (tại vị trí mố trụ)

và các gối đàn hồi (tại vị trí neo cáp vào dầm) Cáp thường neo vào dầm cứng nên không cần bố trí các mố neo phức tạp nhu cầu treo

Nhược điểm: Chịu tải trọng động kém hơn so với các cầu dầm cứng khác

1.4 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH XÂY DỰNG CẦU

1.4.1 Sơ lược lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu

Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự tiến bộ của xã hội loài người, ngành xây dựng cầu ngày càng phát triển mạnh mẽ

 Cầu thép (kim loại)

Cầu thép xuất hiện vào khoảng nửa cuối thế kỷ 19 Chiếc cầu kim loại đầu tiên được làm bằng gang, xây dựng vào năm 1776-1779 tại Anh Cầu thép có khả năng

vượt được nhịp rất lớn Ưu điểm nổi bật của cầu thép là hoàn toàn công nghiệp hóa chế tạo và lắp ghép nhưng nhược điểm chính của cầu thép là gỉ

 Cầu bê tông cốt thép

Cuối thế kỷ 19, trong xây dựng cầu đã sử dụng một loại vật liệu mới là BTCT Chiếc cầu BTCT đầu tiên được xây dựng tại Pháp dành cho người đi bộ với chiều dài 16m, rộng 4m, dạng vòm Mãi đến những năm 30 của thế kỷ 20, sau khi kỹ sư người Pháp là Freyssinet nghiên cứu thành công BTCT dự ứng lực (BTCTDUL) cầu BTCT bắt đầu phát triển mạnh mẽ

Hiện nay, cầu BTCT ngày càng phát triển và mở ra một kỷ nguyên mới dùng BTCT they thế cho kết cấu thép Kỹ thuật và công nghệ xây dựng ngày càng hoàn thiện nên sơ đồ kết cấu ngày phong phú, chiều dài nhịp ngày cành lớn, công trình ngày càng thẩm mỹ hơn

1.4.2 Lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu tại Việt Nam

So với thế giới thì ngành xây dựng cầu nước ta vẫn còn non trẻ Thời kỳ trước cách mạng tháng 8, trên các tuyến đường ôtô chủ yếu là cầu BTCT nhịp nhỏ từ 3-20m với một làn xe, tải trọng nhỏ Thời kỳ này cũng có một số cầu thép lớn như cầu Đuống, cầu Ninh Bình … trong đó nổi bật là cầu Long Biên dành cho đường sắt và ôtô đi chung

Từ sau hòa bình lập lại (1954) một loạt cầu mới được xây dựng Cầu thép có cầu Hàm Rồng, cầu Việt Trì … Cầu BTCT có cầu Đoan Vĩ, cầu Giẽ … Cầu BTCTDUL có cầu Phủ Lỗ, cầu Cửa Tiền … nhưng đến năm 1964 – 1972 thì các cầu này bị đế quốc Mỹ ném bom phá hoại

Từ nam 1975 đến nay chúng ta đã xây dựng hàng loạt các cầu mới trên tuyến đường sắt và đường ôtô điển hình như:

 Cầu Thăng Long qua sông Hồng cho đường sắt và ôtô được xây dựng xong năm 1982 có các nhịp chính là dàn thép liên tục, nhịp lớn nhất là 112m, chiều dài toàn cầu là 1680m

 Cầu Chương Dương qua sông Hồng (1985), nhịp chính là dàn thép, nhịp lớn nhất là 97.6m, chiều dài toàn cầu là 1211m

 Cầu Phú Lương (Hải Dương) năm 1996, cầu khung dầm BTCTDUL, nhịp lớn nhất 102m

 Cầu Hoàng Long (Thanh Hóa), cầu khung dầm BTCTDUL có nhịp lớn nhất 130m

 Ngoài ra còn có hàng loạt các cầu dây văng hiện đại được xây dựng như cầu quay sông Hàn (Đà Nẵng), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) với nhịp chính 350m, cầu Bính (Hải Phòng) nhịp chính 250m, cầu Kiền (Quốc lộ 10) nhịp chính 200m, cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh) nhịp lớn nhất 435m với cấu tạo một mặt phẳng dây, cầu Cần Thơ có nhịp chính 550m

1.4.3 Phương hướng phát triển của ngành xây dựng cầu

 Về vật liệu: sử dụng rộng rãi các loại vật liệu có cường độ cao như bê tông chất lượng cao, bê tông siêu dẻo có cường độ sớm, thép cường độ cao … và các loại vât liệu nhẹ như bê tông nhẹ, hợp kim nhôm …

 Về kết cấu: các kết cầu hợp lý được áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu như kết cấu thép bê tông liên hợp, BTCTDUL, bản trực hướng, tiết diện hộp, cầu dây văng, cầu khung dầm liên tục BTCTDUL

 Về công nghệ thi công: áp dụng công nghệ tiên tiến như đúc đẩy, đúc hẫng, lắp hẫng

CHƯƠNG 2: CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ MẶT

CẦU

2.1 CẤU TẠO CÁC LỚP PHỦ CỦA HỆ MẶT CẦU ĐƯỜNG Ô TÔ

2.1.1 Tác dụng của các lớp phủ

 Trực tiếp chịu tải trọng bánh xe

 Chống mài mòn cho bản mặt cầu

 Chịu tác động trực tiếp của các yếu tố thời tiết: mưa, gió…

2.1.2 Yêu cầu cấu tạo

 Bề dày lớp đệm phụ thuộc vào độ dốc ngang và bề rộng của cầu

 Trường hợp bản mặt cầu đã có độ dốc ngang ta rải đều lớp đệm dày 1-1,5cm

Bản mặt cầu Lớp đệm

Lớp phòng nước

 Cấu tạo lớp bảo vệ: dùng lưới thép dạng ô vuông 5x5cm hoặc 10x10cm Bê tông M200 hoặc cao hơn, có chiều dày 3-5cm

2.1.3.4 Lớp phủ

Là lớp trên cùng và thường dùng một trong hai loại vật liệu sau:

 Bê tông nhựa dày 5-7cm nếu rải 1 lớp Nếu rải 2 lớp thì lớp dưới dày 4,5cm và lớp trên là 2-2,5cm

4- Bê tông xi măng dày 6-8cm, M300, lúc này lớp phủ đặt trực tiếp lên lớp phòng nước (bỏ lớp bảo vệ)

2.2 BẢN MẶT CẦU

Bản mặt cầu là cấu kiện, có hoặc không có lớp áo đường, trực tiếp chịu tải trọng của bánh xe Nhiệm vụ chính của bản là tạo mặt cầu xe chạy và truyền tải trọng lên các dầm

Chiều dày tối thiểu của bản mặt cầu là 175mm

Sơ đồ làm việc gồm 2 phần: phần hẫng ở dầm biên tính theo sơ đồ consol, phần phía trong tính theo sơ đồ dầm liên tục kê trên các gối cứng tại vị trí dầm chủ

2.3 ỐNG THOÁT NƯỚC TRÊN CẦU

Trong quá trình khai thác và sử dụng dưới tác dụng của tải trọng và các yếu tố khác như thời tiết… xuất hiện vết nứt trong kết cấu Nước mưa (hơi nước) thấm qua vết nứt làm gỉ thép từ đó làm giảm tuổi thọ công trình Do đó việc thoát nước tốt trên cầu sẽ tang cường bảo vệ kết cấu nhịp

Giải pháp tăng cường thoát nước trên cầu như sau:

2.3.1 Tạo dốc ngang và dốc dọc cầu

Loại cầu kết cấu các lớp

mặt cầu

dốc dọc id (%) dốc ngang in (%) trung bình lớn nhất trung bình lớn nhất cầu nhỏ BTN và BTXM 1-2 theo tiêu

chuẩn của đường

1,5-2 1,5-2

2.3.2 Tính toán bố trí thoát nước trên cầu

 Để đảm bảo thoát nước cần bố trí 1m2 mặt cầu có tối thiều 1cm2 diện tích ngang ống thoát nước Ngoài ra cần phải căn cứ vào chết độ mưa của từng vùng Ở nước ta thường lấy theo tỷ lệ 2cm2/1m2

 Khoảng cách bố trí các ống thoát nước Lống < 15

 Cầu có id < 2% thì Lống < 6 - 8m

 Cầu có id  2%; Lcầu 50m thì có thể không cần bố trí ống

2.4.1.1 Yêu cầu cấu tạo:

 Bề rộng của lề bộ hành (T) phải đủ rộng và phụ thuộc vào lưu lượng người đi

Hình 2.1: Lề bộ hành dạng toàn khối

Ống thoát nước

 Lề bộ hành dạng lắp ghép (ghế bộ hành): loại này thường áp dụng cho cầu lắp ghép Sườn tăng cường được bố trí ngay tại cột lan can để tăng cường độ cứng cho ghế bộ hành

 Yêu cầu cấu tạo:

 Đẹp, bền chắc, dễ thi công và chế tạo

 Có thể làm bằng gang đúc, thép, Inox, bê tông …

Hình 2.4: Một số kiểu lan can trên cầu

Tuy nhiên hiện nay do sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện giao thông và nhằm khai thác triệt để khả năng lưu thông trên cầu, đường đi được cấu tạo đồng mức với phần xe chạy và được phân cách bằng vạch sơn trắng rộng 20cm Lúc này lan can và tay vịn cũng được cấu tạo đặc biệt để chống lại lực va của xe cộ khi

có sự cố trên cầu

Hình 2.5: Bố trí lề bộ hành đồng mức với phần xe chạy

2.5 KHE CO GIÃN

2.5.1 Tác dụng và các yêu cầu kỹ thuật của khe co giãn

 Bảo đảm sự biến dạng tự do cho kết cấu nhịp do hoạt tải và thay đổi nhiệt độ gây ra

 Tạo bằng phẳng cho mặt cầu, xe chạy êm thuận, giảm xung kích và tránh thoát nước xuống mố trụ cầu

 Khe co giãn thường được bố trí tại vị trí tiếp giáp giữa mố và nhịp, nhịp và nhịp

2.5.2 Cấu tạo khe co giãn

2.5.2.1 Khe co giãn dùng bản thép:

 Loại này có cấu tạo liên tục qua khe biến dạng

 Bản thép chống thấm ngăn nước không thấm xuống dưới khi có vết nứt trên

bề mặt lớp phủ

 Thường được áp dụng khi Lnhịp 15m

Hình 2.6: Cấu tạo khe co giãn dùng bản thép

2.5.2.2 Khe co giãn dùng dùng tấm cao su:

Hiện nay khe co giãn bằng tấm cao su được sử dụng rất phổ biến do các ưu điểm:

 Khả năng chịu lực tốt

 Độ đàn hồi tốt  xe chạy êm thuận

 Dễ thay thế khi hư hỏng

 Áp dụng cho cầu có chiều dài nhịp lớn (L<100m)

Hình 2.7:Cấu tạo khe co giãn dùng tấm cao su

và khu vực có động đất Nó giữ được ưu điểm của dầm giản đơn trong quá trình lắp ráp, còn khi sử dụng lại có ưu điểm của dầm liên tục như: Số lượng khe biến dạng

ít, không làm bẩn đầu dầm và bệ gối, điều đó nâng cao tuổi thọ của công trình, đảm bảo cho xe cộ chạy êm thuận với tốc độ cao

Lớp phủ Bản thép chống thấm Lớp phòng nước Lớp bảo vệ

Hình 2.8: Cấu tạo bản liên tục nhiệt

Nền đường đầu cầu tiếp giáp với cầu có độ cứng khác độ cứng của cầu nên:

 Gây xung kích khi xe chạy vào cầu

 Phá hoại cục bộ nền đường và kết cấu nhịp tại vị trí tiếp giáp

Do vậy cần phải chuyển tiếp dẩn độ cứng từ nền đường vào cầu bằng cách:

 Lớp phủ trên cầu và nền đường giống nhau

 Dùng các biện pháp chống lún cho mô đất

 Bố trí bản giảm tải

 Lớp cấp phối đá dăm giảm tải

(a) (b)

(c)

a-Dùng cấp phối đá dăm giảm tải; b-Dùng bản quá độ;

c-Dùng lớp cấp phối đá dăm hoặc sỏi cuội

2.8 GỐI CẦU

2.8.1 Tác dụng của gối cầu

Gối cầu làm nhiệm vụ truyền áp lực tập trung từ kết cấu nhịp xuống mố trụ và đảm bảo cho kết cấu nhịp có thể quay hoặc di động tự do dưới tác dụng của hoạt tải

và nhiệt độ

Có hai loại gối cầu:

 Gối cố định truyền áp lực qua một điểm nhất định và chỉ cho phép đầu dầm

có chuyển vị xoay

 Gối di động truyền áp lực qua một điểm và cho phép dầm có chuyển vị xoay

và chuyển vị theo phương dọc hoặc phương ngang cầu

Hình 2.9: Một số kiểu bố trí giảm tải

2.8.2 Cấu tạo một số loại gối cầu

2.8.2.1 Gối tiếp tuyến bằng thép

Loại gối này thích hợp với các cầu dầm có nhịp L = 12 -18m Cấu tạo gối di động và cố định của loại này gần giống nhau, sự khác nhau chỉ ở chỗ gối cố định có một chốt thẳng đứng ngăn cản chuyển dịch tương đối giữa bản và thớt gối trên so với bản thớt gối dưới

Hình 2.11: Gối thép đúc con lắc

2.8.2.3 Gối thép con lăn

Gối di động gồm 4 phần : Thớt trên, thớt giữa, con lăn và thớt dưới Giữa thớt trên và thớt giữa có chốt quay

Gối cố định thì không có con lăn và thớt dưới, thớt giữa gắn với đỉnh mố trụ

Hình 2.12: Gối thép con lăn

 Ưu điểm:

 Không cần liên kết đặc biệt giữa gối, mố trụ và dầm

 Chiều cao gối thấp

 Chiều cao gối cố định và gối di động khác nhau ít

 Chịu động đất tốt

 Nhƣợc điểm

 Tuổi thọ của gối thấp, trung bình từ 15 đến 20 năm

2.8.2.5 Gối cao su chậu thép

Phạm vi áp dụng: Dùng cho các cầu liên tục có tải trọng lớn, phản lực gối lớn,

có thể đạt 100 – 2600 T

Hình 2.14: Gối cao su chậu thép

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU THEO TIÊU CHUẨN

22 TCN 272-05

3.1 QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KẾ CẦU

3.1.1 Giới thiệu tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 – 05

Tiêu chuẩn hiện hành để thiết kế cầu ở Việt nam là tiêu chuẩn ngành mang ký hiệu 22 TCN 272–05 với tên gọi “Tiêu chuẩn thiết kế cầu” Tiêu chuẩn này được ban hành theo quyết định số 2026/QĐ/BGTVT ngày 20/06/2005 của Bộ Giao thông vận tải Bộ tiêu chuẩn này thay thế cho “Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-01” và

“Quy trình thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79”

Các quy định của Bộ Tiêu chuẩn này nhằm dùng cho các công tác thiết kế, đánh giá và khôi phục các cầu cố định và cầu di động trên tuyến đường bộ Tuy nhiên nó không bao hàm các khía cạnh an toàn của cầu di động cho các loại xe cơ giới, xe điện, xe đặc biệt và người đi bộ Các quy định của Bộ Tiêu chuẩn này không dùng cho các cầu dành riêng cho đường sắt, đường sắt nội đô (rail-transit) hoặc công trình công cộng Dự kiến một phần bổ sung về thiết kế cầu đường sắt sẽ được biên soạn trong tương lai Với các cầu loại đó, các quy định của Tiêu chuẩn này có thể được áp dụng nếu có thêm những Tiêu chuẩn thiết kế bổ sung khi cần thiết

Bộ Tiêu chuẩn này chỉ đưa ra những yêu cầu tối thiểu cần cho an toàn công cộng Chủ đầu tư có thể đòi hỏi sự linh hoạt của thiết kế hoặc chất lượng vật liệu và thi công cao hơn các yêu cầu tối thiểu

Các quy định của Bộ Tiêu chuẩn này dựa vào phương pháp luận Thiết kế theo

hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) Các hệ số được lấy từ lý thuyết độ tin cậy dựa trên kiến thức thống kê hiện nay về tải trọng và tính năng của kết cấu Những quan điểm an toàn thông qua tính dẻo, tính dư, bảo vệ chống xói lở và va chạm được lưu ý nhấn mạnh

Bộ Tiêu chuẩn này được biên soạn, dựa trên Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng của AASHTO, xuất bản lần thứ hai (1998), bản in dùng

hệ đơn vị quốc tế (SI) Phần giải thích của Tiêu chuẩn thiết kế cầu theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng của AASHTO, xuất bản lần thứ hai, bản in dùng hệ đơn vị quốc tế (SI), bao gồm những thông tin cơ bản và bổ sung, các khuyến nghị và tài liệu tham khảo khác, và có thể giúp ích cho việc sử dụng Bộ Tiêu chuẩn này

Hệ đơn vị mét (hệ quốc tế) được dùng thống nhất trong Bộ Tiêu chuẩn này

3.1.2 Quan điểm chung về thiết kế

Trong thiết kế các kỹ sư phải kiểm tra độ an toàn và ổn định của phương án khả thi đã được chọn Công tác thiết kế bao gồm việc tính toán nhằm chứng minh cho những người có trách nhiệm thấy rằng mọi tiêu chuẩn tính toán và cấu tạo đều được thoả mãn

Điều kiện để đảm bảo độ an toàn của một công trình là :

Sức kháng của vật liệu  Hiệu ứng của tải trọng

Điều kiện trên phải được xét trên tất cả các bộ phận của kết cấu

Khi nói về sức kháng của vật liệu ta xét khả năng làm việc tối đa của vật liệu

mà ta gọi là trạng thái giới hạn(TTGH)

Một trạng thái giới hạn là một trạng thái mà vượt qua nó thì kết cấu hay một

bộ phận nào đó không hoàn thành mục tiêu thiết kế đề ra

Mục tiêu là không vượt quá TTGH, tuy nhiên đó không phải là mục tiêu duy nhất, mà cần xét đến các mục đích quan trọng khác, như chức năng, mỹ quan, tác động đến môi trường và yếu tố kinh tế Sẽ là không kinh tế nếu thiết kế một cầu mà chẳng có bộ phận nào, chẳng bao giờ bị hư hỏng Do đó cần phải xác định đâu là giới hạn chấp nhận được trong rủi ro của xác suất phá huỷ Việc xác định một miền

an toàn chấp nhận được (cường độ lớn hơn bao nhiêu so với hiệu ứng của tải trọng) không dựa trên ý kiến chủ quan của một cá nhân nào mà dựa trên kinh nghiệm của một tập thể Tiêu chuẩn 22TCN272-05 có thể đáp ứng được

3.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU 22 TCN 272- 05

Cầu phải được thiết kế để đạt được các mục tiêu: thi công được, an toàn và sử dụng được, có xét đến các yếu tố: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế, mỹ quan Khi thiết kế cầu, để đạt được những mục tiêu này, cần phải thỏa mãn các trạng thái giới hạn Kết cấu thiết kế phải có đủ độ dẻo, phải có nhiều đường truyền lực (có tính dư)

và tầm quan trọng của nó trong khai thác phải được xét đến

Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn TK cầu 22 TCN 272-05 là: Mỗi cấu kiện và liên kết phải thỏa mãn tất cả các TTGH cả tổng thể và cục bộ, được biểu diễn dưới dạng biểu thức sau:

Q = i.i.Qi ≤ Rn = Rr (3.3) Trong đó:

Qi Hiệu ứng tải trọng theo quy định (nội lực do tải hoặc các tác động bên ngoài sinh ra)

i hệ số tải trọng theo thống kê, lấy theo Bảng 3.1 và Bảng 3.2

Rn sức kháng danh định của vật liệu

 hệ số sức kháng theo thống kê của sức kháng danh định Đối với mọi trạng thái giới hạn (trừ TTGHCĐ), hệ số sức kháng  = 1,0

i hệ số điều chỉnh tải trọng, xét đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác của cầu, có dạng tổng quát sau:

95 , 0

Hai hệ số đầu có liên quan đến cường độ của cầu, hệ số thứ ba xét đến sự làm việc của cầu ở trạng thái sử dụng

Trừ trạng thái giới hạn cường độ, đối với tất cả các TTGH khác , D= R =1,0 Thông thường có thể chọn i = 1

3.2.1.1 Tính dẻo

Tính dẻo là một yếu tố quan trọng đối với sự an toàn của cầu Nhờ tính dẻo, khi một bộ phận chịu lực quá tải nó sẽ phân bố nội lực sang các bộ phận khác, do đó kết cấu có dự trữ độ bền

Nếu vật liệu không dẻo thì kết cấu sẽ bị phá hoại đột ngột khi bị quá tải dẫn đến phá hoại giòn.Người ta tuân thủ đầy đủ các quy định của tiêu chuẩn thì các phần tử sẽ có tính dẻo

Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

D ≥ 1,05 cho cấu kiện và liên kết không dẻo

= 1,00 cho các thiết kế thông thường và các chi tiết theo đúng Tiêu chuẩn này

≥ 0,95 cho các cấu kiện và liên kết có tính dẻo, hoặc dùng các biện pháp tăng thêm tính dẻo

Đối với các trạng thái giới hạn khác: D = 1,0

3.2.1.2 Tính dư

Tính dư có tầm quan trọng đặc biệt đối với khoảng an toàn của kết cấu cầu Một kết cấu siêu tĩnh được xem là dư thừa vì nó có nhiều liên kết hơn so với yêu cầu cân bằng tĩnh học

Các kết cấu có nhiều đường truyền lực và kết cấu liên tục cần được sử dụng trừ khi có những lý do bắt buộc khác Khái niệm nhiều đường truyền lực là tương đương với tính dư thừa Các đường truyền lực đơn hay các kết cấu cầu không dư được khuyến cáo không nên sử dụng

Các bộ phận hoặc cấu kiện chính mà sự hư hỏng của chúng gây ra sập đổ cầu phải được coi là có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan không có tính dư, các

bộ phận có nguy cơ hư hỏng có thể được xem là phá hoại giòn

Các bộ phận hoặc cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây nên sập đổ cầu được coi là không có nguy cơ hư hỏng và hệ kết cấu liên quan là dư

Đối với trạng thái giới hạn cường độ :

R ≥ 1,05 cho các bộ phận không dư

= 1,00 cho các mức dư thông thường

≥ 0,95 cho các mức dư đặc biệt

Đối với các trạng thái giới hạn khác: R = 1,0

3.2.1.3 Tầm quan trọng trong khai thác

Điều quy định này chỉ dùng cho trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt

Các cầu có thể được xem là có tầm quan trọng trong khai thác nếu chúng nằm trên con đường nối giữa các khu dân cư và bệnh viện hoặc trường học, hay là con đường dành cho lực lượng công an, cứu hỏa và các phương tiện giải cứu đối với nhà

ở, cơ quan và các khu công nghiệp Cầu cũng có thể được coi là quan trọng nếu chúng giúp giải quyết tình trạng đi vòng do tắc đường, giúp tiết kiệm thời gian và xăng dầu cho người lao động khi đi làm và trở về nhà Nói tóm lại, khó có thể tìm thấy tình huống mà cầu không được coi là quan trọng trong khai thác Một ví dụ về cầu không quan trọng là cầu trên đường phụ dẫn tới một vùng hẻo lánh được sử dụng không phải quanh năm

Chủ đầu tư có thể công bố một cầu hoặc bất kỳ cấu kiện hoặc liên kết nào của

nó là loại cầu quan trọng trong khai thác

Đối với trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt

I ≥ 1,05 cho các cầu quan trọng

= 1,00 cho các cầu điển hình

≥ 0,95 cho các cầu tương đối ít quan trọng Đối với các trạng thái giới hạn khác: I = 1,0

3.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN THEO 22 TCN 272-05

+ Nhóm các trạng thái giới hạn về cường độ chịu lực: Khi xảy ra chúng kết

cấu cầu không còn khả năng chịu các tác dụng lực nữa như đứt gẫy, chảy dẻo vật liệu, mất ổn định…

+ Nhóm trạng thái giới hạn đặc biệt: Khi xảy ra chúng thì kết cấu không còn

khả năng chống lại các tác động đặc biệt như động đất, va xô của tàu bè, va chạm của xe cộ…

+ Nhóm các trạng thái giới hạn về sử dụng: Khi vượt qua chúng thì kết cấu

không đảm bảo các điều kiện khai thác bình thường như độ võng quá lớn, vết nứt quá lớn, rung động quá lớn…

+ Nhóm trạng thái giới hạn mỏi: Xét khả năng chịu tác tác động của tải trọng

lặp, trùng phục

Kết cấu hay bộ phận kết cấu có thể chịu tác động của một tải trọng hay nhiều tải trọng một cách đồng thời có thể dẫn đến các trạng thái giới hạn Tập hợp của các tải trọng tác động đồng thời có thể gây bất lợi cho kết cấu gọi là Tổ hợp tải trọng Tiêu chuẩn TCN-272-05 yêu cầu xét các trạng thái giới hạn cùng với các tổ hợp tải trọng tương ứng dưới đây:

- TTGH cường độ I: tổ hợp tải trọng cơ bản gồm tĩnh tải và hoạt tải xe, không xét đến gió

- TTGH cường độ II: tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu chịu gió với vận tốc

vượt quá 25m/s, tức là tổ hợp bao gồm tĩnh tải, tác động gió gây ra,…không xét đến tác động do hoạt tải gây ra

- TTGH cường độ III: tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng xe tiêu

chuẩn của cầu với gió có vận tốc 25m/s Tổ hợp này xét đến sự tác dụng đồng thời của tĩnh tải, hoạt tải, tải trọng gió và các tải trọng khác

- TTGH đặc biệt: tổ hợp tải trọng xét đến động đất, lực va của tàu thuyền và

xe cộ Trong tổ hợp này thì hệ số tổ hợp của tải trọng là 0.5

- TTGH sử dụng: tổ hợp tải trọng dùng để kiểm tra cầu trong điều kiện làm việc bình thường và có xét đến tải trọng gió gây ra (kiểm tra với gió có vận tốc 25m/s) Kiểm tra cầu trong TTGH này bao gồm: độ võng, bề rộng vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực, sự chảy dẻo của kết cấu thép và trượt của các liên kết có nguy cơ trượt do tác dụng của hoạt tải xe, ổn định mái dốc

- TTGH mỏi: tổ hợp tải trọng gây mỏi và đứt gãy liên quan đến hoạt tải xe trùng phục và xung kích dưới tác dụng của một xe tải đơn chiếc Tức là tổ hợp này

chỉ xét đến tác dụng do một xe tải và lực xung kích, lực ly tâm gây ra

3.4 TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG

3.4.1 Phân loại các tải trọng

Tải trọng thường xuyên: Là tải trọng nằm bất động trên cầu trong một thời gian dài, có thể trong suốt thời gian phục vụ của cầu, như trọng lượng bản thân kết cấu, lớp phủ mặt cầu, lan can,

Tải trọng tức thời: Là tải trọng trong quá trình khai thác, tác dụng bất kỳ theo thời gian và không gian, khác nhau về độ lớn và tính chất, như hoạt tải xe, gió, động đất, lũ,

Các tải trọng thường xuyên bao gồm:

DD = tải trọng kéo xuống (xét hiện tượng ma sát âm)

DC = tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu

DW = tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng

EH = tải trọng áp lực đất nằm ngang

EL = các hiệu ứng bị hãm tích luỹ do phương pháp thi công

ES = tải trọng đất chất thêm

EV = áp lực thẳng đứng do tự trọng đất đắp

Các tải trọng tức thời bao gồm:

LS = hoạt tải chất thêm

PL = tải trọng người đi

WL = gió trên hoạt tải

WS = tải trọng gió trên kết cấu

3.4.2 Hệ số tải trọng

3.4.2.1 Khái niệm:

Một loại tải trọng tác dụng lên công trình có thể biểu thị nhiều giá trị khác nhau Ví dụ như tác động của gió với các vận tốc khác nhau gây ra các tác động với mức độ rất khác nhau đối với công trình hoặc do những sai sót thi công có thể làm sai lệch trọng lượng bản thân của kết cấu Vì những lý do nêu trên, trong Tiêu chuẩn thiết kế đưa vào hệ số tải trọng được định nghĩa như sau:

Hệ số tải trọng: là hệ số xét đến chủ yếu là sự biến thiên của các tải trọng, sự thiếu

chính xác trong phân tích và xác suất xảy ra cùng một lúc của các tải trọng khác nhau, nhưng cũng liên hệ đến những thống kê về sức kháng trong quá trình hiệu chỉnh

3.4.2.2 Xác định hệ số tải trọng

Hệ số tải trọng cho các tải trọng khác nhau bao gồm trong một tổ hợp tải trọng thiết kế được lấy như quy định trong Bảng 3.1

Bảng 3.1: Tổ hợp và hệ số tải trọng

Với n là hệ số tải trọng dùng cho các tải trọng thường xuyên được lấy theo Bảng 3.2

Bảng 3.2: Hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thuyền xuyên, p

3.4.3 Hoạt tải xe thiết kế (LL)

3.4.3.3 Hoạt tải xe ôtô thiết kế

Hoạt tải xe ô tô trên mặt cầu hay kết cấu phụ trợ đƣợc đặt tên là HL-93 là một

tổ hợp bao gồm:

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

+ Xe hai trục thiết kế kết hợp với tải trọng làn thiết kế (Hình 3.4)

Lµn thiÕt kÕ 3500 mm

Hình 3.1: Đặc trưng của xe tải thiết kế

Cự ly giữa hai trục sau của xe phải đƣợc thay đổi giữa 4300 mm và 9000 mm

để gây ra ứng lực lớn nhất

Đối với các cầu trên các tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thể xác định tải trọng trục thấp hơn tải trọng cho trên Hình 3.1 bằng cách nhân thêm các

hệ số chiết giảm 0,50 hoặc 0,65

 Xe hai trục thiết kế

Xe hai trục gồm một cặp trục 110.000 N cách nhau 1200 mm Khoảng cách theo chiều ngang của các bánh xe bằng 1800 mm

Hình 3.2: Đặc trung của xe hai trục thiết kế

Đối với các cầu trên các tuyến đường cấp IV và thấp hơn, chủ đầu tư có thể xác định tải trọng hai trục thấp hơn tải trọng nói trên bằng cách nhân thêm các hệ số chiết giảm 0,50 hoặc 0,65

 Tải trọng làn thiết kế

Tải trọng làn thiết kế là tải trọng có cường độ 9,3 N/mm phân bố đều theo chiều dọc cầu Theo chiều ngang cầu, tải trọng được giả thiết là phân bố đều trên bề rộng 3000 mm Khi tính nội lực do tải trọng làn thiết kế, không xét tác động xung kích

Đối với các cầu trên các tuyến đường cấp IV và thấp hơn, tải trọng làn vẫn có giá trị 9,3 N/mm, không nhân với hệ số giảm cấp đường

Hình 3.3: Đặc trung của tải trọng làn

Hình 3.4: Hoạt tải thiết kế theo Tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

 Diện tích tiếp xúc của lốp xe

Diện tích tiếp xúc của lốp xe của một bánh xe có một hay hai lốp được giả thiết là một hình chữ nhật có chiều rộng là 510mm và chiều dài tính bằng mm lấy như sau:

L = 2,28 x 10-3 (1 + IM/100)P (3.4.3.4.1-1) trong đó:

 = hệ số tải trọng

IM = lực xung kích tính bằng phần trăm

P = 72500 N cho xe tải thiết kế và 55000N cho xe hai trục thiết kế

Áp lực lốp xe được giả thiết là phân bố đều trên diện tích tiếp xúc Áp lực lốp

xe giả thiết phân bố như sau:

 Trên bề mặt liên tục phân bố đều trên diện tích tiếp xúc quy định

 Trên bề mặt bị gián đoạn phân bố đều trên diện tích tiếp xúc thực tế trong phạm vi vết xe với áp suất tăng theo tỷ số của diện tích quy định trên diện tích tiếp xúc thực tế

3.4.3.4 Tác dụng của hoạt tải xe thiết kế

3.4.3.4.1 Các quy định chung

Ứng lực lớn nhất phải được lấy theo giá trị lớn hơn của các trường hợp sau:

 Tổ hợp của xe 2 trục thiết kế và tải trọng làn thiết kế

 Tổ hợp của xe tải thiết kế có cự ly các trục thay đổi từ 4.3m đến 9.0m với tải trọng làn thiết kế

 Đối với moment âm giữa các điểm uốn ngược chiều khi chịu tải trọng dải đều và chỉ đối với phản lực gối giữa thì lấy 90% hiệu ứng của xe tải thiết kế

có khoảng cách trục bánh trước xe này và trục bánh sau xe kia là 15000mm

tổ hợp với 90% hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế, nhưng khoảng cách giữa các trục 145KN của mỗi xe phải lấy bằng 4300mm

Các trục bánh xe không gây ra ứng lực lớn nhất đang xem xét phải bỏ qua, tức

là nếu một trục xe làm giảm ứng lực lớn nhất đang xem xét thì phải bỏ qua

Cả tải trọng làn và vị trí của bề rộng 3000mm phải đặt sao cho gây ra ứng lực lớn nhất

Xe tải thiết kế và xe 2 trục thiết kế phải bố trí trên chiều ngang sao cho tim của bất kỳ tải trọng bánh xe nào cũng không gần hơn:

 Khi thiết kế bản hẫng: 300mm tính từ mép đá vỉa hay lan can

 Khi thiết kế các bộ phận khác: 600mm tính từ mép làn xe thiết kế

Chiều dài của làn xe thiết kế hoặc một phần của nó mà gây ra ứng lực lớn nhất phải được chất tải trọng làn thiết kế

3.4.3.4.2 Chất tải để đánh giá độ võng do hoạt tải tùy ý

Tải trọng để kiểm tra độ võng phải lấy theo trị số lớn hơn của:

 Kết quả tính toán cho một mình xe tải thiết kế, hoặc

 Kết quả tính toán của 25% xe tải thiết kế cùng với tải trọng làn thiết kế

3.4.3.4.3 Tải trọng thiết kế cho bản mặt cầu, hệ mặt cầu

Không được áp dụng khi thiết kế BMC theo phương pháp kinh nghiệm

Khi tính toán bản mặt cầu theo phương pháp dải tương đương (gần đúng) thì ứng lực phải được lấy dựa trên cơ sở sau:

 Khi các dải cơ bản là ngang và nhịp không vượt quá 4600mm thì các dải ngang phải được thiết kế theo các bánh xe của trục 145KN

 Khi các dải cơ bản là ngang và nhịp vượt quá 4600mm thì các dải ngang phải được thiết kế theo các bánh xe của trục 145KN và tải trọng làn

 Khi các dải cơ bản là dọc thì các dải dọc phải thiết kế theo tải trọng của xe tải hoặc xe 2 trục thiết kế và tải trọng làn

Khi dùng phương pháp tính chính xác phải xét tất cả tải trọng theo quy định bao gồm cả tải trọng làn

Các kiểu kết cấu kể cả cầu bản phải được thiết kế với tất cả hoạt tải theo quy định bao gồm tải trọng làn

Tải trọng bánh xe phải được giả thiết là bằng nhau trong phạm vi một đơn vị trục xe và sự tăng tải trọng bánh xe do các lực ly tâm và lực hãm không cần đưa vào tính toán bản mặt cầu

3.4.3.4.4 Tải trọng trên bản hẫng

Khi thiết kế bản hẫng có chiều dài hẫng không quá 1800mm tính từ trục tim của dầm ngoài cùng đến mặt lan can bằng bê tông liên tục về kết cấu, tải trọng của bánh xe dãy ngoài cùng có thể được thay bằng một tải trọng tuyến phân bố đều với cường độ 14.6N/mm cách bề mặt lan can 300mm

Phải xét đến tải trọng ngang trên bản hẫng do lực va của xe vào lan can

3.4.3.5 Tải trọng bộ hành (PL)

Đối với tất cả các lề bộ hành rộng hơn 600mm thì tải trọng người đi bộ bằng

310-3MPa và phải tính đồng thời với hoạt tải xe thiết kế

Đối với cầu chỉ dành cho người đi bộ và/hoặc đi xe đạp phải thiết kế với hoạt tải là 4.110-3MPa

Không cần xét đến lực xung kích

3.4.3.6 Lực xung kích (IM)

Tác động tĩnh học của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế (không kể lực ly tâm và lực hãm) phải được lấy tăng thêm một tỉ lệ phần trăm cho tác động xung kích IM, được quy định trong Bảng 3.4

Hệ số áp dụng cho hoạt tải tác dụng tĩnh được lấy bằng: (1 + IM/100)

Lực xung kích không áp dụng cho tải trọng làn thiết kế và tải trọng bộ hành

Tốc độ thiết kế đường bộ dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế đường bộ

Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang, đặt cách phía trên mặt đường

1800 mm

Phải xếp xe ở tất cả các làn xe thiết kế và xét đến hệ số làn xe, m

3.4.3.8 Lực hãm (BR)

Lực hãm lấy bằng 25% trọng lượng của các trục xe tải hay xe thiết kế

Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang, cách phía trên mặt đường 1800

mm theo cả 2 phương dọc cầu

Phải xếp xe ở tất cả các làn xe thiết kế và xét đến hệ số làn xe, m

Xem các làn xe đi cùng một chiều để gây ra ứng lực lớn nhất

PHẦN 2: CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

CHƯƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BTCT

1.1 PHÂN LOẠI CẦU BTCT, CÁC ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1.1.1 Phân loại:

Các cầu BTCT có thể được phân loại theo những tiêu chuẩn căn cứ khác nhau

1.1.1.1 Phân loại theo vị trí cầu:

 Cầu qua sông suối

 Cầu vượt đường

 Cầu cạn

 Cầu có trụ cao để vượt qua thung lũng, hẻm núi

1.1.1.2 Phân loại theo tải trọng qua cầu:

 Cầu dành cho đường ống dẫn nước, hay dẫn dầu, dẫn khí đốt

1.1.1.3 Phân loại theo cao độ tương đối của một xe chạy:

 Cầu chạy trên

 Cầu chạy dưới

 Cầu chạy giữa

1.1.1.4 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học trong giai đoạn khai thác của kết cấu chịu

lực chính

 Cầu dầm: dầm giản đơn, dầm liên tục, dầm hẫng

 Cầu khung: khung T có dầm đeo, khung T liên tục nhiều nhịp, khung T chân xiên, …

 Cầu giàn

 Cầu có kết cấu liên hợp

 Cầu dầm – vòm

 Cầu giàn – vòm