Thiết kế cầu thép bài giảng điện tử

Các tính chất cơ bản của thép thể hiện ở cường độ chảy vàkéo, độ dẻo, độ cứng, và độ dai, các thuật ngữ trên được phân biệt như sau: 1.. Hai tính chất của tất cả các cấp thép công trình

GIỚI THIỆU MÔN HỌC

Bài giảng điện tử "Cầu thép" được biên soạn theo đề cương môn học cùng tên dành cho chuyên ngành đào tạo kỹ sư cầu đường của Khoa Kỹ thuật Xây dựng Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh

Bài giảng cung cấp cho sinh viên cơ sở về tính chất vật liệu thép, các tiêu chí để thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm thép và

cầu giàn thép, các liên kết trong cầu thép

Để phù hợp với thực tế thiết kế và thi công, bài giảng được biên soạn theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

• 1 Khái niệm về cầu thép

• 2 Các thành phần cuả cầu và một số kích thước cơ bản

Chương 2 CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU

• 1 Các định nghĩa

• 2 Triết lý thiết kế

• 3 Lựa chọn loại cầu

• 4 Tính hoàn thiện của một đồ án thiết kế

cầu

• 5 Khuynh hướng trong thiết kế và thi

công cầu trên đường ô tô

Tiêu chuẩn thiết kế cầu, 22 TCN 272-05 NXB Giao thông vận

tải, Hà nội, 2005

AASHTO (1998 – 2004) LRFD Bridge Design Specifications

American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO), Washington, D.C

LRFD Design Example for Steel Girder Superstructure Bridge

Michael Baker Jr Inc 2003 (FHWA NHI-04-042)

Design of highway bridges : based on AASHTO LRFD Bridge

Design Specifications / Richard M Barker, Jay A Puckett

Стрелецкий Н Н Сталежелезобетонные пролетные

строения мостов М.: Транспорт, 1981 – 360 с.

Tài liệu tham khảo chính

Chương 1 GIỚI THIỆU CHUNG

• 1 Khái niệm về cầu thép

• 2 Các thành phần cuả cầu và một số kích thước cơ bản

• 1 Khái niệm về cầu thép

– 1.1 Khái niệm về công trình cầu

– 1.2 Khái niệm về cầu

• 1.2.1Kết cấu thượng tầng

• 1.2.2Kết cấu hạ tầng

– 1.3 Phân loại cầu thép

Nếu cầu thép được bảo dưỡng tốt thì tuổi

thọ không kém gì cầu BTCT

Sự hài hoà giữa các phần của kết cấu cũng là một

– 1.1 Khái niệm về công trình cầu

Công trình cầu có thể gồm : cầu, đường đầu cầu, công trình hướng dòng Kết cấu cầu

gồm hai nhóm chính : Kết cấu thượng

tầng và kết cấu hạ tầng

– 1.2 Khái niệm về cầu

Cầu: một kết cấu bất kỳ vượt qua phía trên chướng

ngại vật, có khẩu độ không dưới 6m, tạo thành một

phần của tuyến đường

1.2.1 Kết cấu thượng tầng 1.2.2 Kết cấu hạ tầng

Các thành phần nằm cao hơn cao độ gối cầu Nó gồm các kết cấu sau:

- Dầm chủ, dầm ngang (bản chắn ngang) , …

- Lan can, lề bộ hành, …

- Bản mặt cầu, lớp phủ mặt cầu, dải phân cách, khe co giãn,

hệ thống thoát nước, chiếu sáng …

Kết cấu nhịp (KCN) – kết cấu của cầu bao trùm khoảng không giữa các trụ (mố) KCN đỡ toàn bộ tải trọng lưu thông trên

cầu

1.2.1 Kết cấu thượng tầng

1.2.2 Kết cấu hạ tầng

Kết cấu hạ tầng : các thành phần nằm thấp hơn cao độ gối

cầu

- Mố trụ: 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 phía trong thì gọi là trụ, xây dựng ở hai đầu của

cầu thì được gọi là mố

- Móng cuả mố trụ

– 1.3 Phân loại cầu thép

Có nhiều cách khác nhau để phân loại công trình cầu

1.3.1 Theo vật liệu làm kết cấu nhịp (kết cấu chịu lực chính)

- Cầu đá, gạch, gỗ; bê tông cốt thép (thường và dự ứng lực) ; kim loại (thép, nhôm, ) ;

- Î Do đó cầu thép là loại cầu có kết cấu chịu lực chính bằng thép

Các sơ đồ cầu;

a, b, c – Cầu dầm giản đơn, liên tục, mút thừa, d – cầu dàn, e – cầu khung; f, g –cầu vòm có đường xe chạy trên và giữa; h – cầu liên hợp (dầm – vòm) ; i – cầu treo dây võng; k – cầu treo dây văng

1.3.2 Theo sơ đồ tĩnh học

Các bộ phận cơ bản của cầu

1 Kết cấu nhịp; 2 Trụ; 3 Mố; 4

Móng

nhịp tính toánnhịp

cầuChiều dài

Chiều rộng cầu:

Khổ cầu : Lề trái + Số làn

xe × Wmỗi làn xe +Lề phải (m)

HOẶCKhổ cầu (K) : Wphần xe chạy +

Chiều rộng phần xe chạy

Cầu dầm thép – bản mặt cầu BTCT ( cầu thép – BTCT liên hợp)

1 - Bản mặt cầu; 2 - Dầm dọc ngoài; 3 - Dầm dọc trong;

4 - Lan can; 5 – Hệ liên kết ngang; 6 - Trụ cầu;

Từ 1995 công nghiệp thép VN đã có thể cung cấp các loại

thép tròn và một số thép hình chữ I, C, thép góc, thép ống có

kích cỡ nhỏ, chủ yếu dùng trong xây dựng dân dụng Thép

để làm cầu vẫn thường được nhập khẩu, vì vậy các tiêu

chuẩn vật liệu thép khác nhau đều được tham khảo sử dụng Trong đó chủ yếu vẫn là các tiêu chuẩn GOST, JIS, ASTM,

AASHTO

• 3 Vật liệu làm cầu thép

– 3.1 Khái niệm về thép

• Thép là hợp kim với thành phần chính là sắt (Fe), với

cacbon (C), từ 0.02% đến 1.7% theo trọng lượng, và một sốnguyên tố hóa học khác (Mo, Mn, Cr, Ni, Si, v.v…)

• Thép dùng trong kết cấu xây dựng có hàm lượng Cacbon ≤0,25%, hàm lượng Mn ≤ 1,5% và hàm lượng các nguyên tốkhác qui đổi về C < 0,4%

Ctđ = %C + 0,3 % Si + 0,33 % Р – 0,027 % Mn + 0,4 % S

• Thép hợp kim thấp - cường độ cao là loại thép đặc biệt có

chứa một số chất phụ gia tốt như Ni, Cr, Mn Si, Cu, v.v…để

– 3.2 Quá trình luyện kim

Khi rót thép từ lò luyện vào các khuôn và để nguội cho kết tinh lại thì có các công nghệ để lắng nguội như sau

- thép sôi

- thép lặng (thép tĩnh)

- thép nửa lặng

Thép lặng có tính đồng nhất rất cao, chịu lực động tốt

khó bị phá hoại giòn Thép lặng đắt nhất, được dùng

trong những công trình quan trọng hoặc chịu tải trọng

động lực;

Các tính chất cơ bản của thép thể hiện ở cường độ chảy và

kéo, độ dẻo, độ cứng, và độ dai, các thuật ngữ trên được phân biệt như sau:

1 Cường độ chảy là ứng suất mà tại đó biến dạng tăng mà

ứng suất không đổi;

2 Cường độ chịu kéo là ứng suất lớn nhất khi thí nghiệm

kéo;

3 Độ dẻo là một chỉ tiêu tốt của vật liệu chịu các biến dạng

không đàn hồi mà không bị đứt gãy, nó được biểu hiện

bằng tỉ số độ dãn dài khi đứt gãy và độ dãn dài khi bắt đầu chảy;

4 Độ cứng, xét về độ bền bề mặt khi mài so với độ mài tiêu

chuẩn

Hai tính chất của tất cả các cấp thép công trình được coi là

không đổi, là mô đun đàn hồi Es = 200 GPa và hệ số dãn

nở nhiệt 11 7 x 1 0-6 mm/mm/oC

Es của thép khá lớn so với nhiều loại vật liệu xây dựng phổ

thông khác nên kết cấu sẽ có độ cứng lớn, độ võng nhỏ Î

rất phù hợp với công trình cầu vượt trong đô thị (nơi có yêu cầu chiều cao kiến trúc càng bé càng tốt)

Thí nghiệm kéo mẫu thép tiêu chuẩn, ta có được quan hệ giữa ứng suất và biến dạng như sau:

fy

fu

Để tiện tính toán, ta xem thép làm việc theo 2 giai đoạn: đàn

hồi và dẻo lý tưởng:

• f < fđh: giai đoạn đàn hồi, biến dạng nhỏ nên dùng giả thiết và

lý luận về vật thể đàn hồi

• fđh< f < fy: giai đoạn đàn hồi dẻo nên dùng lý thuyết đàn hồi

dẻo để tính

• f = fy: xem như kết cấu đạt đến trạng thái giới hạn, tức là

dùng lý thuyết dẻo để tính với trị số ứng suất fy , khi đó vật liệu thép được tận dụng cao nhất

Điểm D là giới hạn bền fu ứng với lực kéo đứt Đối với thép

cường độ cao không có fy rõ rệt, thì phải lấy fu để làm cơ sở

tính toán, tất nhiên phải chia cho hệ số an toàn nào đó

fu

fy

fyf

Sự phá hoại giòn và phá hoại dẻo:

Sự phá hoại giòn là hiện tượng thép bị đứt gẫy tức thời khi

tăng tải trọng Kết cấu bị phá hoại đột ngột khi biến dạng còn nhỏ

Sự phá hoại dẻo là sự phá hoại xảy ra khi có biến dạng lớn

Thép nói chung là vật liệu phá hoại dẻo vì khi bị phá hoại biến dạng của nó rất lớn (ε ≈ 22%)

Nhưng khi thép bị cứng nguội, bị già, nhiệt độ âm lớn thì

thép dễ chuyển sang phá hoại giòn Î phải thiết kế sao cho chỉxuất hiện phá hoại dẻo

Sự phá hoại giòn còn liên quan đến thành phần hóa học :

• C > 0.3% bị phá hoại giòn, C < 0.1% bị chảy dẻo, C = 0.1

Hiện tượng cứng nguội của thép:

Đây là hiện tượng thép trở nên cứng sau khi bị biến dạng dẻo

ở nhiệt độ thường Thép sau khi đã bị biến dạng dẻo thì trở

nên cứng hơn, giới hạn đàn hồi cao hơn và biến dạng khi pháhoại nhỏ hơn và thực tế đã trở thành 1 loại thép khác

Hiện tượng này làm tăng cường độ của thép nhưng độ dãn

dài giảm, tức là giảm tính biến dạng của thép làm cho thép

giòn hơn mặc dù cường độ cao hơn

Người ta ứng dụng hiện tượng này để làm giảm biến dạng

dây cáp

Trong cầu thép cần tránh hiện tượng này vì gây ra phá hoại

giòn

a) Thép trẻ; b) Thép già Thí nghiệm kéo 2

mẫu thép cùng loại nhưng có tuổi khác nhau nhiều

Hiện tượng già xảy

ra rất lâu nhưng nếu nung nóng hoặc sau khi làm việc ở trạng thái dẻo thì quá trình hoá già sẽ rút ngắn lại Vì vậy trong kết cấu thép không cho

Nguyên nhân hiện tượng già:

Hiện tượng già của thép là

Ảnh hưởng của nhiệt độ đến sự làm việc của thép:

t° < 200 ÷ 250°C thì các tính chất cơ học của thép thay đổi ít.t° > 300°C thì các tính chất cơ học và khả năng chịu lực của thép giảm nhanh như :

t° = 500°C thì thép CT3 có fy = 1400kg/cm2 và fu =

2500kg/cm2,

và khi t° = 600÷650°C thì thép CT3 có fy = 400kg/cm2 và fu = 1500kg/cm2

Khi t° < 0° C thì thép có cường độ cao hơn 1 chút nhưng

giòn hơn Khi t° < -10° C thì tính giòn tăng lên rõ rệt và -45°

C thành giòn và dễ nứt

Sự làm việc của thép khi chịu ứng suất tập trung:

Tại vị trí cấu trúc của thép bị khuyết tật như có lỗ hổng, bọt

khí, lẫn tạp chất, vị trí thay đổi tiết diện đột ngột, lỗ đinh, vị trí đặt lực tập trung, sẽ có ứng suất thường lớn hơn ứng suất trung bình gọi là ứng suất tập trung

Nói chung sự tập trung ứng suất không nguy hiểm nếu thép chịu tải trọng tĩnh Trong tính toán thường không kể đến hiện tượng ứng suất cục bộ này Tuy nhiên khi chịu tải trọng xung kích, tải trọng động thì sự tập trung ứng suất là nguy hiểm vìlàm cho thép dễ bị phá hoại giòn Mặt khác ứng suất này

phân bố trong tiết diện rất phức tạp, do vậy thép làm cầu cần

Ứng suất tồn tại trong một phần tử nào đó mà không có bất kỳmột ngoại lực nào gọi là ứng suất dư Vấn đề quan trọng là

biết sự có mặt của nó, vì ứng suất dư ảnh hưởng đến cường

độ của phần tử chịu kéo, chịu nén và chịu uốn Nó có thể phát sinh trong quá trình gia công nhiệt, gia công cơ học hay quá

trình luyện thép Ứng suất dư do gia công nhiệt là do sự nguội lạnh không đều Nhìn chung ứng suất dư kéo phát triển khi

làm lạnh lần cuối

Nhìn chung các mép của tấm và thép bình thường chịu ứng

suất dư nén, khi cắt mép bằng nhiệt thì chịu kéo Các ứng

suất này được cân bằng với ứng suất tương đương có dấu

ngược lại ở vị trí lân cận trong phần tử

Ứng suất dư

Có thể nâng cao tính chất của thép bằng các phương pháp

gia công nhiệt khác nhau Có loại gia công nhiệt làm nguội

chậm, có loại gia công nhiệt làm nguội nhanh

Gia công nhiệt làm nguội nhanh được chỉ định cho thép cầu, quá

trình được gọi là tôi nhúng, bao gồm việc nung thép đến khoảng

900°C, giữ nhiệt một thời gian, sau đó làm lạnh nhanh bằng cách

nhúng vào một bể dầu hoặc nước Sau khi nhúng, thép được đốt

nhúng làm thay đổi vi cấu trúc của thép, làm tăng cường độ, độ

cứng và độ dẻo dai.

Gia công làm nguội chậm là phép tôi bình thường, tiêu chuẩn

hoá Nó bao gồm việc nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ

nhiệt một thời gian thích hợp tiếp theo làm nguội chậm trong

không khí Nhiệt độ tôi tuỳ theo loại gia công Gia công bằng làm

lạnh chậm nâng cao tính dẻo và tính dai, giảm độ cứng và giảm

ứng suất dư.

Gia công nhiệt

Thép chịu tải trọng lặp

Tải trọng có nhiều thay đổi và sự thay đổi đó diễn ra hàng triệu lần gọi là tải trọng lặp Ví dụ, tàu xe qua lại gây chấn động cho cầu Khi chịu tải trọng lặp, thép bị phá hoại ở ứng suất < fy,

phá hoại đột ngột khi biến dạng hãy còn rất nhỏ, khi phá hoại thường kèm theo vết nứt, đó gọi là hiện tượng mỏi

Mỏi là nguyên nhân phổ biến nhất gây hư hỏng kết cấu thép

Cường độ mỏi không phải là một hằng số của vật liệu như

cường độ chảy hay mô đun đàn hồi Nó phụ thuộc vào hình

thái đặc biệt của mối nối và thực tế chỉ có thể xác định bằng

thực nghiệm

Dạng chu kỳ của tải trọng lặp

Tải trọng lặp có thể chia làm ba loại:

- Chu kỳ đối xứng (H a); Chu kỳ phản đối xứng (H b); Chu kỳphản đối xứng không hoàn toàn (H c)

Thép chịu tải trọng lặp

Đường cong điển hình S-N cho mối nối hàn

Tầm quan trọng của phá hoại giòn

Cần tránh phá hoại giòn vì chúng có thể xuất hiện khi ứng

suất, biến dạng còn tương đối nhỏ, không có dấu hiệu cảnh

báo trước

Nguyên nhân gây phá hoại giòn :

- trạng thái ứng suất kéo ba chiều có thể xuất hiện ở rãnh của phần tử hoặc ở những chỗ không liên tục trong liên kết hàn

- nhiệt độ môi trường thấp

Nhiệt độ mà mẫu tỏ ra ít dẻo nhất được gọi là nhiệt độ chuyển dẻo (NTD) Nhiệt độ chuyển dẻo xác định bằng thí nghiệm

mẫu rãnh V

Liên kết hàn cần được cấu tạo để tránh ứng suất căng ba

chiều và khả năng phá hoại giòn Một ví dụ là liên kết hàn của sườn tăng cường (STC) trung gian với vách của dầm ghép

Thí nghiệm động mẫu rãnh V

Tầm quan trọng của phá hoại giòn

Sự chuyển từ tính chất dẻo sang tính chất giòn

của thép Cacbon thấp

– 3.4 Phân loại thép

• 3.4.1 Phân loại Thép theo 22 TCN 18-79

• 3.4.2 Phân loại Thép theo AASHTO & ASTM:

•3.4.1 Phân loại Thép theo 22 TCN 18-79

(từ năm 2005, 22 TCN 18-79 được thay = 22 TCN272-05)

Nhưng do mức độ ảnh hưởng của tiêu chuẩn này, sự không thống nhất giữa các văn bản tiêu chuẩn hiện hành, trong

nhiều lãnh vực liên quan người ta vẫn còn dùng nhiều các

khái niệm có trong 22 TCN 18-79

Thép sôi có thêm chữ s sau con số chỉ độ bền; thép nửa

lặng có thêm chữ n; không ghi thì là thép lặng

Chi tiết hơn có tham khảo thêm 22 TCN 18-79

Thép kết cấu dùng làm cầu : A709M Nhóm thép này bao

gồm nhiều loại thép khác nhau : thép cacbon, thép hợp kim

thấp cường độ cao, thép hợp kim, thép nhiệt luyện Các cấp cường độ bao gồm các cấp của A36M, A588M, A82M5 và

A514M, nhưng độ bền chịu va chạm cao hơn

δ - Chiều dày của các bản; Fu - Cường độ chịu kéo nhỏnhất; Fy - Điểm chảy nhỏ nhất hoặc cường độ chảy nhỏnhất

•3.4.2 Phân loại Thép theo AASHTO & ASTM:

Các đặc tính cơ học tối thiểu của thép kết cấu theo hình

dáng, cường độ và chiều dày

620 690

485 345

345 250

Fy, MPa

690 760

620 485

450 400

Tất cả các nhóm

Tất cả các nhóm Thép hình

65 ≤ δ ≤ 100

A 709M Cấp 485W

A 709M Cấp 345W

A 709M Cấp 345

A 709M Cấp 250

Ký hiệu

ASTM tg

đương

M270M Các cấp 690/690 W

M270M Cấp 485W

M270M Cấp 345W

M270M Cấp 345

M270M Cấp 250

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Thép kết cấu

Các dạng tiết diện thép cán dùng trong cầu thép

1 Mép bên nhẵn của thép bản vạn năng 2 Góc tròn; 3 Sống

thép góc; 4 Thép góc đệm; & một số loại khác

–3.5 Những loại thép hình dùng trong xây

dựng cầu thép

Thép bản là loại thép chủ yếu dùng trong cầu Có hai loại thép bản là thép bản rộng và thép bản vạn năng.

Theo [5a], [7a], [8a] kích thước của thép bản có thể có như

sau:

Chiều dày : 4; 4,5; 5; 6 – 22 mm/1 mm; 25; 26 – 42 mm

/2mm; 45; 48; 50 – 90mm/5mm; 100; 105; 120; 125; 130; 140; 150; 160

Chiều dài : đến 9m; đặc biệt có thể đến 18m; Nếu không có

thể dùng hàn để nối các bản thép

Chiều rộng : có thể đến 3800mm

Trong cầu thép không nên dùng bản có chiều dày quá bé vì

– 3.6 Thép bản

– 4.4 Yêu cầu tối thiểu về kích thước

Ưu, khuyết điểm của một kết cấu hay vật liệu chỉ mang

tính tương đối Nó không có tính tuyệt đối trong mọi

trường hợp, thời điểm

Để xét ưu khuyết điểm thì phải quan tâm tới rất nhiều

yếu tố như: giá trị dự toán của công trình, thời gian xây

dựng, mỹ quan, chi phí duy tu bảo dưỡng, trình độ thi

công của nhà thầu, …

Cầu dầm thép có thể thi công nhanh chóng hơn cầu bê tông

cốt thép hoặc cầu bê tông cốt thép ứng suất trước, đặc điểm

này rất phù hợp với yêu cầu của đường sắt Cầu dầm thép

có thể lắp đặt dễ dàng hơn cầu BTCT trong những điều kiện

về địa hình và thời tiết không thuận lợi

Kết cấu nhịp cầu thép thường có chiều cao kiến trúc nhỏ hơn cầu BTCT do đó thích hợp khi làm các cầu vượt, khi cần đảm bảo tĩnh không dưới cầu mà không cần nâng cao quá mức

cao độ mố trụ

Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu BTCT

– 4.2 Khuyết điểm