Nghiên cứu kết cấu dầm thép tạo ứng suất trước trong cầu thép BTCT liên hợp

Ứng suất trước cho phép sử dụng triệt để các loại dầm thép có cường độ khác nhau, để giảm chiều cao kiến trúc và trọng lượng bản thân kết cấu.. Kết cấu thép ứng suất trước được xem như b

NGUYỄN THÀNH QUÍ

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU DẦM THÉP TẠO ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG CẦU THÉP BTCT

Họ và tên học viên: NGUYỄN THÀNH QUÍ Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 11/07/1982 Nơi sinh: QUẢNG NGÃI

Chuyên ngành: Xây dựng cầu, hầm

Khóa (Năm trúng tuyển): 2006

1 TÊN LUẬN VĂN

NGHIÊN CỨU KẾT CẤU DẦM THÉP TẠO ỨNG SUẤT TRƯỚC TRONG CẦU THÉP BTCT LIÊN HỢP

2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Dầm thép ứng suất trước có khả năng tạo được miền đàn hồi lớn hơn so với dầm thép thường (trường hợp lý tưởng có thể tăng miền đàn hồi chịu kéo gấp hai lần) Ứng suất trước cho phép sử dụng triệt để các loại dầm thép có cường độ khác nhau, để giảm chiều cao kiến trúc và trọng lượng bản thân kết cấu Dầm thép ứng suất trước là dầm bằng thép cường độ cao, tạo ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng gây ra, kết quả là giảm độ võng khi khai thác Vì vậy, việc nghiên cứu kết cấu dầm thép ứng suất trước (ƯST) là điều có ý nghĩa Thông qua việc tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu để dẫn ra những lợi thế của dầm này khi làm các nhịp cầu vượt

3 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

4 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

PGS TS LÊ THỊ BÍCH THỦY TS BÙI ĐỨC TÂN TS LÊ BÁ KHÁNH

TRƯỞNG PHÒNG ĐT-SĐH TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS BÙI ĐỨC TÂN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS TS LÊ VĂN NAM

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS LÊ BÁ KHÁNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm 2008

Em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến: PGS TS Lê Thị Bích Thủy và TS Bùi Đức Tân đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hoàn thành luận văn này

Cám ơn các Thầy Cô trong bộ môn Cầu Đường- Khoa xây dựng đã truyền đạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập tại trường Đại Học Bách Khoa

Tôi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã tạo điều kiện và động viên giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này

NGUYỄN THÀNH QUÍ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

Giới thiệu về ưu điểm và nhược điểm của cầu thép Các phương hướng phát triển cầu thép Nêu các biện pháp điều chỉnh nội lực trong cầu dầm thép BTCT liên hợp nhịp giản đơn Sơ lược về tình hình sử dụng dầm thép BTCT liên hợp chế tạo sẵn

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP VÀ NỘI DUNG CẦN NGHIÊN CỨU

Trình bày đặc điểm về vật liệu và cấu tạo của dầm thép BTCT liên hợp Giới thiệu đặc điểm của dầm BTCT liên hợp cốt cứng Nội dung và phạm vi nghiên cứu của luận văn

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG TÍNH TOÁN DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP

Tổng quan về các tiêu chuẩn thiết kế cầu dầm thép BTCT liên hợp Nội dung tính toán dầm thép BTCT liên hợp theo tiêu chuẩn hiện hành 22 TCN 272-

05 Trình tự tính toán dầm thép ƯST trong cầu BTCT liên hợp

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05

Kết quả tính toán dầm thép BTCT liên hợp và dầm thép ƯST trong cầu BTCT liên hợp cho các khẩu độ nhịp 20,0m; 24,54m; 33,0m và 40,0m Tổng hợp các kết quả phân tích và đưa ra nhận xét

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Luận văn trình bày nhận xét tổng quan và đặc điểm dầm thép ứng suất trước trong cầu BTCT liên hợp nhằm mục đích sử dụng cho cầu vượt hoặc nút giao thông

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP 12

1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẦU THÉP 12

1.1.1 Đặc điểm về vật liệu thép 12

1.1.2 Ưu nhược điểm của cầu thép 13

1.1.2.1 Ưu điểm 13

1.1.2.2 Nhược điểm 14

1.2 CÁC LOẠI CẦU DẦM THÉP 15

1.2.1 Cầu dầm thép 15

1.2.2 Cầu bản trực hướng 15

1.2.3 Cầu dầm thép ứng suất trước 16

1.2.4 Dầm BTCT liên hợp cốt cứng 17

1.2.5 Cầu dầm thép tiết diện hộp liên tục 17

1.3 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU THÉP 19

1.3.1 Hướng thứ nhất 19

1.3.2 Hướng thứ hai 20

1.3.3 Hướng thứ ba 21

1.4 ĐIỀU CHỈNH NỘI LỰC TRONG CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP NHỊP GIẢN ĐƠN 22

1.4.1 Điều chỉnh nội lực bằng đà giáo liên tục 22

1.4.2 Điều chỉnh nội lực bằng trụ tạm 23

1.4.3 Điều chỉnh nội lực bằng ép trước bản bêtông, [10] 23

1.5 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP CHẾ TẠO SẴN 24

1.5.1 Ở Việt Nam 24

1.5.2 Trên thế giới 26

1.6 KẾT LUẬN 28

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP VÀ NỘI DUNG CẦN NGHIÊN CỨU 29

2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP 29

2.1.1 Vật liệu 29

2.1.1.1 Thép 29

2.1.1.2 Bêtông 29

2.1.2 Đặc điểm tiết diện 29

2.1.2.1 Dầm thép 30

2.1.2.2 Neo chống cắt 31

2.1.2.3 Bản bê tông 32

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM BTCT LIÊN HỢP CỐT CỨNG 32

2.2.1 Về cấu tạo và vật liệu sử dụng 32

2.2.2 Về điều kiện làm việc 33

2.2.3 Ưu và nhược điểm của dầm BTCT liên hợp cốt cứng 33

2.2.3.1 Ưu điểm 33

2.2.3.2 Nhược điểm 34

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN 34

2.3.1 Mục đích 34

2.3.2 Nội dung 34

2.3.2.1 Chọn tiết diện dầm thép 35

2.3.2.2 Kích trước dầm thép 35

2.3.2.3 Đổ bản bêtông 35

2.3.2.4 Hạ kích, khi bê tông bản đạt cường độ yêu cầu 35

2.3.2.5 Lao lắp vào vị trí, đổ bản bê tông nối mặt cầu 36

2.3.3 Phạm vi nghiên cứu 36

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG TÍNH TOÁN DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP 37

3.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP 37

3.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79 37

3.1.2 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 37

3.1.3 Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 1998 39

3.2 THIẾT KẾ DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 41

3.2.1 Tổng quát 41

3.2.2 Chọn các kích thước cơ bản 41

3.2.3 Tính đặc trưng hình học 42

3.2.3.1 Tiết diện chưa liên hợp 42

3.2.3.2 Chiều rộng bản cánh có hiệu, [V.4.6.2.6] 42

3.2.3.3 Tiết diện liên hợp ngắn hạn và dài hạn, [V.6.10.3.1.1b] 42

3.2.4 Tính nội lực do nhiệt độ 42

3.2.5 Tính nội lực do co ngót 47

3.2.6 Tính hệ số phân bố ngang do hoạt tải 50

3.2.6.1 Hệ số phân bố mômen, [V.4.6.2.2.2] 50

3.2.6.2 Hệ số phân bố lực cắt, [V.4.6.2.2.3] 50

3.2.7 Tính nội lực dầm chủ do tĩnh tải và hoạt tải 51

3.2.8 Tổ hợp nội lực dầm chủ ở các TTGH 51

3.2.8.1 Lựa chọn các hệ số điều chỉnh tải trọng η 51

3.2.8.2 Lựa chọn các tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng, [V.3.4.1] 52

3.2.9 Tính mômen chảy My 52

3.2.9.1 Tiết diện không liên hợp 52

3.2.9.2 Tiết diện liên hợp 53

3.2.10 Tính mômen dẻo Mp 55

3.2.10.1 Tiết diện không liên hợp 55

3.2.10.2 Tiết diện liên hợp 56

3.2.11 Kiểm tra tiết diện liên hợp chữ I ở TTGH cường độ 57

3.2.11.1 Lựa chọn các hệ số sức kháng 57

3.2.11.2 Kiểm tra mỏi đối với sườn dầm, [V.6.10.6] 57

3.2.11.3 Trình tự đặt tải và trình tự đổ bêtông, [V.6.10.3.2] 57

3.2.11.4 Kiểm tra mặt cắt đặc chắc 57

3.2.11.5 Kiểm tra tính dẻo chịu uốn dương, [V.6.10.4.2.2b] 57

3.2.11.6 Tính sức kháng uốn, [V.6.10.4.2.1 và V.6.10.4.2.2] 58

3.2.11.7 Tính sức kháng cắt, [V.6.10.7.2] 59

3.2.12 Kiểm tra các yêu cầu về tính thi công được 59

3.2.13 Kiểm tra các yêu cầu về kích thước và cấu tạo 59

3.2.14 Thiết kế neo chống cắt, [V.6.10.7.4] 59

3.2.14.1 Lực trượt danh định 61

3.2.14.2 Sức kháng cắt danh định 62

3.2.14.3 Tính số neo trong trạng thái giới hạn cường độ 62

3.2.14.4 Sức kháng mỏi của neo đinh 63

3.2.14.5 Kiểm tra bước của neo đinh theo sức kháng mỏi 63

3.3 THIẾT KẾ DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 64

3.3.1 Giai đoạn chế tạo dầm thép ƯST (Giai đoạn I) 64

3.3.1.1 Giai đoạn A 64

3.3.1.2 Giai đoạn B 67

3.3.1.3 Giai đoạn C 71

3.3.2 Giai đoạn lao lắp và đổ bản mặt cầu, lớp phủ,… (Giai đoạn II) 78

3.3.3 Giai đoạn khai thác (Giai đoạn III) 78

3.4 SƠ ĐỒ KHỐI 79

3.5 KẾT LUẬN 80

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 81

4.1 KHẨU ĐỘ NHỊP L = 20m 81

4.1.1 Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp 82

4.1.2 Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp 84

4.1.3 Nhận xét 86

4.2 KHẨU ĐỘ NHỊP L = 24,54m 86

4.2.1 Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp 88

4.2.2 Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp 89

4.2.3 Nhận xét 91

4.3 KHẨU ĐỘ NHỊP L = 33,00m 92

4.3.1 Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp 93

4.3.2 Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp 95

4.3.3 Nhận xét 96

4.4 KHẨU ĐỘ NHỊP L = 40,00m 97

4.4.1 Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp 98

4.4.2 Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp 100

4.4.3 Nhận xét 102

4.5 TỔNG HỢP KẾT QUẢ 102

4.5.1 Trọng lượng dầm thép ƯST BTCT liên hợp 102

4.5.2 Độ võng khi khai thác với hoạt tải HL-93 103

4.5.3 Ứng suất bản cánh dưới giữa nhịp khi khai thác với hoạt tải HL-93 103 4.5.4 So sánh về chiều cao dầm chủ 103

4.5.5 So sánh về trọng lượng dầm chủ 104

4.6 KẾT LUẬN 104

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 105

5.1 KẾT LUẬN 105

5.2 KIẾN NGHỊ 105

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẦU THÉP

1.1.1 Đặc điểm về vật liệu thép

Thép là vật liệu hoàn chỉnh được sử dụng rất rộng rãi trong mọi ngành

kinh tế quốc dân, đặc biệt trong ngành xây dựng và giao thông vận tải Đặc điểm

nổi bật là:

• Có độ bền cao ứng với mọi loại ứng suất như kéo, cắt, uốn, xoắn,

• Vật liệu có tính đồng nhất, đẳng hướng cao

Do vậy, nó được sử dụng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như

cầu dầm, cầu dàn, cầu treo, cầu vòm và hệ liên hợp

Thép có khả năng vượt nhịp rất lớn mà các vật liệu khác không thực hiện

được Hiện nay, nhịp lớn nhất của cầu dây văng dầm cứng BTCT hoặc vòm

BTCT còn dưới 500m trong khi cầu dàn thép đạt đến 550m, cầy dây văng dầm

thép gần 1000m, cầu treo dây võng đạt đến 2000m và còn có dự án lên đến

4500m

Thép có môđun đàn hồi lớn nên độ cứng lớn, độ võng nhỏ do đó đáp ứng

được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng

có tính chu kỳ như động đất, gió bão

Thép có độ dẻo cao Sự phá hoại của thép thường diễn ra ở trạng thái dẻo

tức là kèm theo biến dạng lớn làm phân bố lại nội lực và ứng suất Do đó thép

chịu xung kích và mỏi tốt

Về mặt lý hoá, thép có tính đồng nhất cao Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ,

cường độ và môđun đàn hồi ít thay đổi nên thường làm việc tốt trong điều kiện

nhiệt độ của môi trường biến đổi Môđun đàn hồi tốt và tính chịu nhiệt cao là ưu

điểm cơ bản của thép so với các loại vật liệu chất dẻo hiện nay

Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn dập, đúc cán, hàn nên có thể

tạo thành các chi tiết, các loại kết cấu thoả mãn các yêu cầu hình dáng kiến trúc

Đồng thời, tạo khả năng công nghiệp hoá, tự động hoá chế tạo trong công xưởng,

cơ giới hoá cao trong vận chuyển và lắp ráp tạo điều kiện thi công nhanh và sớm

đưa công trình vào sử dụng

Một đặc điểm rất quan trọng nữa của cầu thép là có nhiều dạng liên kết

tin cậy như bulông, đinh tán, hàn và dán Các loại liên kết này đảm bảo tính lắp

ghép cao, dễ lắp, dễ tháo, có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, kết

cấu phụ tạm và công trình trong quốc phòng

Trong quá trình sử dụng thép bị gỉ do tác dụng của môi trường ẩm, mặn,

acid và các hơi khí độc khác Hiện tượng gỉ sẽ ăn mòn thép làm giảm tiết diện

chịu lực, hư hỏng liên kết và giảm tuổi thọ công trình Hiện nay có nhiều biện

pháp chống gỉ như sơn, mạ và dùng thép không gỉ Khi sử dụng cần thường

xuyên kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ và sơn phủ định kỳ

Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng vẫn không hạn chế việc sử

dụng vật liệu thép trong công trình cầu vượt nhịp lớn trên đường ôtô, đường sắt,

các loại cầu tạm, công trình có yêu cầu thi công nhanh, vận chuyển dễ dàng và

các công trình quân sự

1.1.2 Ưu nhược điểm của cầu thép

1.1.2.1 Ưu điểm

Thép là loại vật liệu hoàn chỉnh nhất Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng,

làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén và

chịu kéo cùng cao Thép có độ dự trữ biến dạng và cường độ cao mà các vật liệu

khác không có được do đó chịu được ổn định và tải trọng động tốt

Thời gian xây dựng cầu thép nhanh hơn cầu bêtông Nó có thể được lắp

dựng dễ dàng qua sông suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác

nhau nên giảm giá thành xây dựng

Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu

phần dưới Điều này càng có ý nghĩa khi gặp địa chất xấu

Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế chiều cao thấp hơn cầu bêtông nên

giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc,

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

Tạo dáng kiến trúc đẹp

1.1.2.2 Nhược điểm

Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo dưỡng

cầu Đó là nguyên nhân chính dẫn đến phá hỏng cầu thép Hiện nay, đã sử dụng

các loại thép chống gỉ nhưng không như công bố của các nhà sản xuất

Hình 1-1 Hiện tượng gỉ cầu thép

Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất lớn Vấn đề

cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ con người Việc cạo sạch sơn cũ

và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành này lại lớn hơn

việc bỏ cầu cũ và xây dựng cầu mới Việc sơn cầu cũng gây nhiều phiền toái như

vậy do vậy cần có chỉ dẫn riêng về sơn cầu

1.2 CÁC LOẠI CẦU DẦM THÉP

1.2.1 Cầu dầm thép

Kết cấu nhịp dầm thép có thể là không liên hợp hoặc liên hợp Trong kết

cấu không liên hợp, dầm thép làm việc độc lập với bản mặt cầu cả khi chịu tĩnh

tải và hoạt tải Trong kết cấu liên hợp, tải trọng tĩnh chỉ do dầm thép chịu,trong

khi tải trọng tĩnh chất thêm và hoạt tải do bản và dầm thép cùng chịu như một

khối dầm liên hợp Dầm thép không liên hợp và liên hợp đều có thể dùng cho các

nhịp giản đơn cũng như liên tục Đối với các nhịp nhỏ và vừa (< 30m) thì có thể

dùng các thép cán dạng I hoặc I cánh rộng kí hiệu là W, đối với các nhịp lớn hơn

thì dùng dầm ghép từ các tấm thép

1.2.2 Cầu bản trực hướng

Cầu bản trực hướng là loại cầu trong đó dùng bản mặt cầu bằng thép thay

cho bản mặt cầu bằng BTCT Không kể chiều dày lớp áo đường bằng bêtông át

phan dày từ 40÷ 65mm, thì các cầu này được coi như kết cấu nhịp hoàn toàn

bằng thép Trong cầu có bản trực hướng, bản có độ cứng theo cả hai phương

(Hình 1-2) Trong hầu hết trường hợp bản thép mặt cầu hoặc được hàn với các

sườn tăng cường thép hoặc là bản liên tục qua các sườn dọc làm điểm đỡ, đặt

tương đối gần nhau song song với hướng xe chạy Hệ đỡ này biến kết cấu mặt

cầu từ đẳng hướng sang không đẳng hướng Nếu các sườn dọc này lại kê lên các

sườn ngang thì bản mặt cầu chuyển từ không đẳng hướng sang trực hướng Bản

mặt cầu trực hướng làm việc như tác động của nhiều bộ phận riêng rẽ Cầu bản

trực hướng có trọng lượng bản thân nhẹ nên nó đặc biệt thích hợp cho các nhịp

dài khi tỉ số giữa mômen do tĩnh tải và hoạt tải tương đối cao

Hình 1-2 Cầu có bản trực hướng

1.2.3 Cầu dầm thép ứng suất trước

Cầu dầm thép ứng suất trước là loại cầu trong đó lực căng trước dùng để

tăng khả năng chịu tải của các bộ phận cầu, giống như trong cầu bêtông ứng suất

trước Thép gây ứng suất trước thường là thép có cường độ cao, ép trước một

dầm thép cácbon thông thường, nhằm tạo kết cấu khỏe hơn và làm việc hiệu quả

hơn

Kết cấu thép ứng suất trước được xem như biện pháp tốt khi sử dụng

nhiều loại thép có cường độ khác nhau cho dầm, giàn và các kết cấu khác, có thể

giảm chiều cao kết cấu

Trong kết cấu thép ứng suất trước, lực căng trước có độ lệch tâm để tạo

ra trạng thái ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng Kết quả là tổng hợp

ứng suất không vượt quá một giới hạn qui định

Kết cấu thép ứng suất trước có thể dùng để xây dựng các cầu mới và đặc

biệt có hiệu quả khi tăng cường cầu cũ

Bó cáp ứng suất trước còn được dùng có hiệu quả trong việc tăng cường

các bộ phận chịu lực chính của cầu cũ như dầm, giàn, mặt cầu

Nhiều cầu thép ứng suất trước đã được xây dựng mới cả trên đường sắt

và đường ôtô ở châu Âu như Đức, Anh và Nga

1.2.4 Dầm BTCT liên hợp cốt cứng

Đây là một loại kết cấu nhịp của dầm thép ứng suất trước Dầm được tạo

ứng suất trước bằng kĩ thuật uốn trước dầm do Lipski đề nghị năm 1949 Dầm

được cấu tạo bởi dầm thép hình I (cốt cứng), dầm I được chế tạo sẵn có độ cong

(độ vồng) thích hợp được hàn các đinh chống cắt và được bọc bằng BTCT Để

cho bêtông bọc không bị bong trong quá trình chịu lực, cần gây các chuyển vị

ngược dấu với trạng thái khai thác khi đổ bêtông

Hình 1-3 Dầm BTCT liên hợp cốt cứng

Mặt dù dầm BTCT liên hợp cốt cứng có thể áp dụng cho mọi loại kết

cấu, nhưng việc áp dụng cho cầu còn hạn chế, do tăng tải trọng tĩnh so với dầm

thép trần

1.2.5 Cầu dầm thép tiết diện hộp liên tục

Cầu dầm thép tiết diện hộp, thích hợp cho các cầu dầm liên tục nhịp trên

36m, là kết cấu nhịp có dạng hộp, trong đó bản đáy và sườn dầm được làm bằng

thép tấm, bản mặt cầu bằng bêtông cốt thép (BTCT) Dầm thép tiết diện hộp có

thể là hộp đơn, hộp kép hoặc nhiều hộp (Hình 1-4) Cầu dầm thép tiết diện hộp

có thể có hai hay nhiều tiết diện ngang kín riêng rẽ bên trên có bản BTCT Sườn

dầm có thể đứng hoặc xiên; sườn dầm xiên có ưu điểm là bản đáy hẹp hơn Bản

biên trên thường đủ rộng để đỡ bản bêtông và đủ để bố trí neo chống cắt cho tiết

diện liên hợp Trong cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp có trục thẳng đứng đối

xứng, mỗi nửa của tiết diện hộp có thể được coi như tương đương với một tiết

diện I ghép Trong cầu dầm thép tiết diện hộp liên tục hoặc có gối ở trụ trung

gian là gối di động, cố định, hoặc dầm hộp có thể được liên kết cứng vào trụ

bằng thép ở giữa tạo thành một kết cấu khung

Hình 1-4 Các loại tiết diện liên hợp hình hộp

Dầm thép hộp có nhiều ưu điểm Vì tiết diện ngang kín nên có độ cứng

và cường độ chống xoắn cao so với tiết diện I hở làm bằng thép cán hoặc dầm

ghép

Độ cứng chống xoắn cao thích hợp với cầu cong chịu mômen xoắn lớn

Đặc biệt thích hợp với cầu trên mặt cắt ngang có nhiều cấp cao độ trong các cầu

thành phố Bên trong dầm hộp (thường chiếm một nửa diện tích bề mặt thép)

được bảo vệ chống gỉ môi trường và do đó việc bảo quản dễ hơn cầu dầm thép

Tiết diện hộp có sườn nghiêng có dạng kiến trúc tốt hơn và thường là lí do để

chọn dạng hộp

1.3 PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU THÉP

Phân tích một loạt các cầu thép hiện đại được xây dựng trên thế giới

trong những năm gần đây, ta thấy nổi bậc có 3 phương hướng rõ rệt:

• Hướng 1: Sử dụng các loại thép chất lượng cao nhằm giảm khối lượng

thép sử dụng và giá thành công tác duy tu bảo dưỡng, một việc làm tốn kém ảnh

hưởng đến sức khoẻ cộng đồng, gây ô nhiễm môi trường

• Hướng 2: Tiếp tục nghiên cứu, tìm kiếm các hệ liên hợp để vượt nhịp

dài, có tính thẫm mỹ cao

• Hướng thứ 3: Giảm khối lượng và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép

1.3.1 Hướng thứ nhất

Các chuyên gia tiếp tục nghiên cứu các biện pháp chống gỉ cho vật liệu

thép Các loại thép hợp kim (không sơn) đã thành thương phẩm và đã được

AASHTO chấp nhận đưa vào tiêu chuẩn thiết kế Tuy nhiên theo bản hướng dẫn,

thép không gỉ mới chỉ được dùng trong những điều kiện đặc biệt và vẫn cần sơn

những bộ phận nhạy cảm gỉ Vì vậy, việc nghiên cứu hoàn thiện chất lượng thép

không gỉ vẫn phải tiếp tục tiến hành

Hiện nay vẫn phải sử dụng các biện pháp bọc lót hữu hiệu các công trình

Nhiều loại sơn mới chất lượng cao được nghiên cứu nhằm kéo dài tuổi thọ cầu

(cho phép 15÷20 năm sơn lại)

Vấn đề bọc các bó cáp cường độ cao trong cầu treo và cầu dây văng cũng

cần được quan tâm vì đã phát hiện hiện tượng gỉ bó cáp và việc thay cáp rất phức

tạp

Hình 1-5 Cầu Tancarville (Pháp) với nhịp chính 608m, phải thay cáp

1.3.2 Hướng thứ hai

Các sơ đồ cầu thép hệ liên hợp tiếp tục được nghiên cứu áp dụng thành

công Các kỷ lục về chiều dài nhịp treo và cầu dây văng liên tục bị phá trong

những năm cuối thế kỷ 20 Hiện có nhiều dự án với chiều dài nhịp rất lớn như

cầu treo Messina (Italia) 3300m, cầu treo liên hợp dây võng và dây văng

Gibraltar 5000m, đang được nghiên cứu triển khai

Cầu dây văng ra đời và được phát triển hầu như thay thế cho cầu dàn

thép trên đường ôtô, cầu dàn thép chỉ còn được sử dụng cho cầu đường sắt có tải

trọng lớn Cầu vòm thép dạng dàn sau thời gian bị quên lãng vì phức tạp trong

chế tạo và thi công thì cầu vòm thanh kéo thế hệ mới gồm vòm chủ bằng ống

thép nhồi bêtông đang được nghiên cứu áp dụng cho các cầu qua kênh rạch trong

thành phố, khu du lịch và có yêu cầu thẫm mỹ cao

Hình 1-6 Cầu Cần Giuộc (Quận 7, Tp.HCM)- vòm thép nhồi bêtông

1.3.3 Hướng thứ ba

Trên đường ôtô áp dụng hệ cầu dầm thép, liên tục, chiều cao không đổi

để giảm giá thành chế tạo và thi công thay cho việc dùng dàn cổ điển, dùng các

cầu dầm có đường xe chạy trên liên hợp với bản BTCT hoặc mặt cầu bằng thép

trực hướng và hiện nay tiết diện hộp kín được nghiên cứu áp dụng để tăng độ

cứng chống xoắn và để tạo môi trường không gỉ bên trong lòng hộp

Về liên kết trong cầu thép, cùng với sự tiến bộ về thép chất lượng cao,

liên kết đinh tán không còn thích hợp nữa Hiện nay 2 loại liên kết mang tính

công nghiệp và hiện đại đang được ưa dùng là liên kết hàn và bulông cường độ

cao Ngoài ra còn có liên kết dán đang bước vào giai đoạn ứng dụng Liên kết

dán hoàn toàn hoặc dán kết hợp với bulông cường độ cao không làm giảm yếu

tiết diện thanh và bản nút nên tiết kiện thép, liên kết dán có ưu điểm là cấu tạo

bản nút đơn giản

Vấn đề hiệu chỉnh nội lực trong kết cấu từ lâu được coi là biện pháp có

hiệu quả lớn trong việc chủ động phân bố một cách hợp lý nội lực và ứng suất

trong kết cấu công trình nhằm nâng cao khả năng chịu lực và tiết kiệm vật liệu

1.4 ĐIỀU CHỈNH NỘI LỰC TRONG CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN

HỢP NHỊP GIẢN ĐƠN

Trong cầu liên hợp giản đơn mục đích chính của điều chỉnh nội lực là

chuyển tĩnh tải giai đoạn I cho tiết diện liên hợp chịu vì tĩnh tải giai đoạn I (giai

đoạn chỉ có dầm thép làm việc, bê tông bản có cường độ còn nhỏ hơn 75%f’c,

trong đó f’c là cường độ chịu nén nhỏ nhất qui định của bê tông bản) khá lớn,

trong khi đó đặc trưng hình học giai đoạn I nhỏ hơn nhiều so với đặc trưng hình

học tương ứng của giai đoạn II Điều chỉnh nội lực trong dầm giản đơn cũng có

thể còn nhằm tạo ra trong các mặt cắt dầm một mômen uốn ngược dấu với

mômen uốn do tải trọng sinh ra để nâng cao khả năng chịu tải trọng của kết cấu

nhịp

Thông thường đối với cầu liên hợp giản đơn có ba giải pháp điều chỉnh

nội lực có thể sử dụng: làm đà giáo liên tục, làm trụ tạm và ép trước bản bê tông

Sau đây ta nghiên cứu những công việc chính của từng phương pháp

1.4.1 Điều chỉnh nội lực bằng đà giáo liên tục

Phương pháp này thường được sử dụng khi sông không sâu, cầu không

cao và có điều kiện làm đà giáo Trình tự tiến hành điều chỉnh theo phương pháp

đà giáo liên tục như sau:

• Làm đà giáo liên tục ở ngay vị trí cầu chính

• Lắp đặt kết cấu nhịp thép trên đà giáo đã xây dựng bao gồm cả dầm

chủ và hệ liên kết

• Kê các điểm ở đáy dầm theo đúng độ vồng đã tính toán để sau khi xây

dựng xong cầu các dầm có vị trí đúng như thiết kế

• Làm ván khuôn, lắp đặt cốt thép bản mặt cầu

• Đổ bê tông bản mặt cầu Khi bê tông bản mặt cầu đạt cường độ, tháo

dỡ ván khuôn đà giáo

• Thi công tĩnh tải giai đoạn II và hoàn thiện

Chú ý: Đà giáo phải đảm bảo vững chắc và không bị lún khi đổ bê tông

bản, do đó trước khi lắp dầm tốt nhất nên chất tải trọng tĩnh để khử lún

1.4.2 Điều chỉnh nội lực bằng trụ tạm

Điều chỉnh nội lực trong dầm giản đơn bằng trụ tạm thường dùng khi

làm đà giáo liên tục gặp khó khăn, trình tự thực hiện như sau:

• Làm trụ tạm, có thể làm một trụ tạm ở giữa nhịp hoặc hai trụ tạm ở hai

bên, khi đó vị trí trụ tạm phải được xác định theo yêu cầu điều chỉnh nội lực

• Chất tải trọng tĩnh lên trụ tạm, trọng lượng tải trọng tĩnh xác định theo

phản lực của dầm liên tục do trọng lượng dầm thép, bản bê tông và ván khuôn

• Lắp đặt hệ dầm thép trên mố, trụ chính và các trụ tạm đã được lắp gối

tạm đúng cao độ để đảm bảo độ vồng thiết kế

• Làm ván khuôn, lắp đặt cốt thép bản mặt cầu

• Đổ bê tông bản mặt cầu, chú ý đổ bê tông vùng mômen dương trước,

vùng mômen âm sau Vùng mômen dương và mômen âm được xác định trên sơ

đồ dầm liên tục (vì có thên gối tạm trên trụ tạm) với tải trọng phân bố đều do tĩnh

tải của hệ dầm thép và bê tông bản, tiết diện chịu lực là tiết diện dầm thép

• Khi bê tông bản đạt cường độ, tháo dỡ trụ tạm

• Thi công tĩnh tải giai đoạn II, hoàn thiện cầu

1.4.3 Điều chỉnh nội lực bằng ép trước bản bêtông, [8]

Khi điều chỉnh nội lực bằng cách dùng kích nằm ngang ép bản BTCT

trước khi liên hợp bản BTCT với dầm thép (Hình 1-7) Các yếu tố lực sẽ truyền

lên các bộ phần dầm thép và bản BTCT chịu lực riêng biệt, nhưng phải xét tới

lực ma sát giữa các bộ phận này

Hình 1-7 Ép trước bản BTCT

1.5 TÌNH HÌNH SỬ DỤNG DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP CHẾ TẠO

SẴN

1.5.1 Ở Việt Nam

Dự án phát triển quốc lộ 18, các cầu vượt trên tuyến đoạn Nội Bài- Bắc

Ninh sử dụng kết cấu dầm mới là dầm BTCT liên hợp cốt cứng Đây là loại dầm

thép được bọc bằng bêtông

Hình 1-8 Lao lắp dầm Pre-beam tại dự án đường Nội Bài- Bắc Ninh

Do sử dụng tốt tính chất của hai loại vật liệu là thép và bêtông, nên chiều

cao dầm thấp hơn so với các loại dầm khác có cùng chiều dài nhịp Trong giai

đoạn này, tổng công ty xây dựng Thăng Long đã kí hợp đồng chuyển giao thiết

kế và công nghệ chế tạo dầm BTCT liên hợp cốt cứng

Kích bản BTCT

Dầm thép

Sau đây là một vài hình ảnh về chế tạo và lắp dầm BTCT liên hợp cốt

cứng

1.5.2 Trên thế giới

Nhật là quốc gia ứng dụng rộng rãi dầm thép chế tạo có độ vồng trước

vào các dự án xây dựng cầu đường bộ Đến nay, khoảng hơn 800 cầu áp dụng

dầm uốn trước Tỷ lệ giữa chiều cao dầm và chiều dài nhịp vào khoảng 1/33

• Cầu nhiều nhịp

Hình 1-9 Cầu Tadashi Hiroshi

Hoạt tải: HS-20; chiều dài: 1130,0 m; bề rộng: 27,1m; chiều cao dầm: 117cm;

H/L=1/26

Hình 1-10 Cầu Adachi

Chiều dài: 173,3 m; bề rộng: 18,8 ÷ 19,8m; chiều cao dầm: 68,5÷200,4 cm;

H/L= 1/68÷1/21

Hình 1-11 Cầu bắc qua đảo Uwajima

Chiều dài: 130,0 m; bề rộng: 12,0m; chiều cao dầm: 103,2÷154,0 cm;

H/L= 1/21÷1/14

• Cầu vượt

Hình 1-12 Cầu AhNaga

Chiều dài: 45,6 m; bề rộng: 10,0m; chiều cao dầm: 150,0 cm; H/L= 1/30

Hình 1-13 Cầu Minowa

Chiều dài: 34,2 m; bề rộng: 9,4m; chiều cao dầm: 110,0 cm; H/L= 1/31

1.6 KẾT LUẬN

Qua trình bày ở trên, dầm thép BTCT liên hợp nói chung và dầm thép

BTCT liên hợp chế tạo sẵn là một trong những dạng kết cấu cầu được sử dụng

khá phổ biến trong nước và thế giới Kết cấu nhịp có chiều cao thấp sử dụng làm

cầu vượt rất hiệu quả Hiện nay, với những tiến bộ của khoa học về vật liệu, công

nghệ sơn, hàn,… và những đòi hỏi phát triển giao thông, đặc biệt là giao thông

nhiều tầng ở các đô thị lớn của nước ta, dầm thép BTCT liên hợp chế tạo sẵn với

những ưu việt về kinh tế của nó, chắn chắn sẽ có một vị trí quan trọng trong các

công trình cầu

CHƯƠNG 2 ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DẦM THÉP BTCT

LIÊN HỢP VÀ NỘI DUNG CẦN NGHIÊN CỨU

2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP

2.1.1 Vật liệu

2.1.1.1 Thép

Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05, trong cầu thép thường dùng

4 loại thép sau:

• Thép cácbon hay thép kết cấu M 270M cấp 250

• Thép hợp kim thấp cường độ cao M 270M cấp 345 và 345W

• Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt M 270M cấp 485W

• Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt với cường độ chảy dẻo cao

M270M cấp 690 và 690W

Đối với tất cả các loại thép khi thiết kế đều lấy môđun đàn hồi E =

200000 MPa và hệ số giãn nở vì nhiệt 11,7 10-6 mm/mm/0C

2.1.1.2 Bêtông

Đối với bê tông bản mặt cầu, cường độ chịu nén qui định, f`c, hay cấp

(mác) bê tông phải được qui định rõ trong nhiệm vụ thiết kế Cường độ chịu nén

qui định của bê tông bản mặt cầu không được thấp hơn 28MPa

2.1.2 Đặc điểm tiết diện

Tiết diện liên hợp bao gồm bản bêtông và dầm thép được liên kết chống

trượt bằng các neo chống cắt (Hình 2-1)

Bản bê tông

Dầm thép

Neo chống cắt

Bản bê tông

Dầm thép

Neo chống cắt

Bản bê tông

Dầm thép

Neo chống cắt

Vút Vút

Hình 2-1 Các dạng của mặt cắt liên hợp 2.1.2.1 Dầm thép

Dầm thép trong tiết diện liên hợp thường dùng tiết diện chữ I hoặc hình

hộp Trong đĩ tiết diện chữ I là phổ biến nhất

Tiết diện chữ I cĩ hai loại là thép hình cán và ghép bằng các tấm thép

Thép hình cán thường dùng cho cầu nhịp nhỏ và vừa (<25m) Sườn dầm

thường cĩ đủ chiều dày để chịu lực cắt và chống mất ổn định nên khơng cần

dùng sườn tăng cường Tuy nhiên thép hình cán cĩ nhược điểm khơng tận dụng

hết khả năng làm việc của vật liệu sườn dầm Để giải quyết vấn đề này thường

dùng mặt cắt ghép bằng các tấm thép

Hình 2-2 Các loại tiết diện ngang của dầm thép

Một số dạng tiết diện ngang của dầm ghép được thể hiện trên Hình 2-2

Tiết diện có thể tạo ra bằng cách ghép các thép tấm, hoặc thép góc hoặc chữ T

(làm nhiệm vụ biên) liên kết với một thép tấm (làm nhiệm vụ sườn dầm) để tạo

thành tiết diện I Trong đó các tiết diện b, d và e được dùng phổ biến hiện nay vì

có cấu tạo đơn giản

Dầm ghép được chế tạo từ các tấm riêng biệt nên có thể bố trí thép

cường độ cao hơn ở những bộ phận chịu ứng suất cao còn thép cường độ thấp bố

trí vào vị trí có ứng suất thấp hơn, từ đó xuất hiện kết cấu lai (Hình 2-3) Đây là

dạng mặt cắt hiện đại, tiết kiệm và sử dụng hợp lý vật liệu

Hình 2-3 Dầm lai 2.1.2.2 Neo chống cắt

Trong cầu liên hợp neo liên kết dầm thép với bản bê tông cốt thép thành

một kết cấu liền khối, nhờ đó bản mặt cầu cùng tham gia chịu uốn với dầm chủ

Cấu tạo neo gồm các loại neo mềm (chế tạo từ thép tròn), neo cứng và

neo đinh (goujon) Trong qui trình 22TCN-272-05 phổ biến là neo chữ U và neo

đinh, các neo này vừa chống được trượt của bản bê tông trên dầm thép vừa chống

được bóc bê tông khỏi dầm thép

Việc bố trí các neo phụ thuộc vào nhịp giản đơn hay liên tục và nếu là

nhịp liên tục thì phụ thuộc vào vùng mômen âm hay mômen dương Xuất phát từ

đó qui trình đã có những chỉ dẫn như sau:

• Trên nhịp giản đơn phải bố trí neo chống cắt trên suốt chiều dài nhịp

2.1.2.3 Bản bê tông

Bản mặt cầu và dầm thép được giả thiết làm việc đồng thời như tiết diện

lai hoặc tiết diện liên hợp: tức là không có hiện tượng trượt giữa bê tông và dầm

thép Bản bêtông làm việc giống như bản táp thép ở biên trên dầm và do đó tăng

cường độ và độ cứng của biên chịu nén

2.2 ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM BTCT LIÊN HỢP CỐT CỨNG

2.2.1 Về cấu tạo và vật liệu sử dụng

Dưới đây là hình vẽ mặt cắt ngang điển hình của một dầm BTCT liên

hợp cốt cứng

Hình 2-4 Các dạng mặt cắt ngang

Dầm BTCT liên hợp cốt cứng có cấu tạo gần giống với dầm thép BTCT

liên hợp thông thường nhưng có các đặc điểm sau:

• Dầm thép được tạo độ cong trước và được làm bằng thép cường độ

cao có giới hạn chảy fy = 365 ÷ 460 MPa

• Bêtông liên hợp cánh dưới là bêtông cường độ cao f’c = 42 MPa ÷ 50

MPa (mẫu lăng trụ 150x300 mm)

• Bêtông liên hợp cánh trên và ở bụng dầm thép là bêtông thường có

cường độ f’c = 28 MPa ÷ 30 MPa

• Bản bêtông cánh trên liên hợp với dầm thép bằng hệ thống neo mềm

bố trí cách khoảng trên chiều dài dầm Tại vùng gần đầu dầm neo được bố trí dày

hơn

• Bản bêtông cánh dưới liên hợp với dầm thép bằng các thanh neo

vuông hàn vào đáy cánh dưới dầm thép bố trí cách khoảng trên chiều dài dầm

Tại vùng gần đầu dầm neo được bố trí dày hơn

• Bêtông vùng bụng cũng được liên hợp với dầm thép thông qua các

neo hàn vào bụng dầm thép Các neo được bố trí cách đều trên chiều dài dầm

2.2.2 Về điều kiện làm việc

• Chiều cao dầm thấp, độ võng khi khai thác nhỏ Khẩu độ thường thấy

từ 20 ÷ 40 m, hiện đã đạt được tới 60m, tỉ lệ chiều cao với chiều dài H/L = 1/20 ÷

1/35, cá biệt có thể xuống đến H/L = 1/45

• Trục dầm có khả năng bám theo trắc dọc cũng như mặt bằng của cầu

dễ dàng

• Khi khác thác tiếng ồn sinh ra rất nhỏ

• Vì dầm thép được bọc hoàn toàn bằng bêtông nên không mất chi phí

sơn duy tu bảo dưỡng

• Thi công đơn giản

• Có thể liên tục hóa kết cấu nhịp dễ dàng tạo điều kiện xe chạy rất êm

thuận

2.2.3 Ưu và nhược điểm của dầm BTCT liên hợp cốt cứng

2.2.3.1 Ưu điểm

• Chiều cao dầm thấp hơn so với dầm bêtông DƯL cùng khẩu độ

• Tiếng ồn sinh ra rất nhỏ khi khai thác

• Không mất chi phí sơn duy tu bảo dưỡng vì dầm thép được bọc hoàn

toàn bằng bêtông

• Thi công đơn giản

• Có thể liên tục hóa kết cấu nhịp dễ dàng tạo điều kiện xe chạy rất êm

thuận

2.2.3.2 Nhược điểm

• Trọng lượng bản thân của dầm BTCT liên hợp cốt cứng lớn hơn dầm

thép trần

• Công đoạn bọc BT dầm thép đòi hỏi có công nghệ đảm bảo

2.3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

2.3.1 Mục đích

Nhằm khắc phục các nhược điểm của dầm BTCT liên hợp được điều

chỉnh nội lực bằng đà giáo liên tục hoặc bằng trụ tạm hoặc bằng ép trước bản

bêtông (Mục 1.4) (Thi công trên đà giáo và trụ tạm rất tốn kém đôi khi không

thực hiện được), dưới đây xin trình bày nội dung nghiên cứu dầm thép BTCT

liên hợp ứng suất trước như sản phẩm định hình có thể sản xuất trong công

xưởng Dầm thép được tạo ƯST sẽ có chiều cao thấp hơn so với các loại dầm

khác cùng khẩu độ nhịp và hữu dụng khi cầu vượt có tĩnh không hạn chế tại các

nút giao hoặc cầu thành phố Dầm thép được tạo ứng suất trước bằng cách tạo độ

vồng trước khi đổ bản bêtông cốt thép liên hợp

2.3.2 Nội dung

Trên cơ sở, thành tựu nghiên cứu về dầm BTCT cốt cứng và điều chỉnh

nội lực dầm thép BTCT liên hợp bằng trụ tạm đã nêu ở trên Luận văn trình bày

nội dung nghiên cứu dầm thép ứng suất trước chế tạo sẵn (Dầm thép BTCT liên

hợp lắp ghép: Dầm chế tạo sẵn là dầm có bản BT có cốt thép chờ, khi thi công

chỉ nối bản mặt cầu) Các bước chế tạo dầm thép ƯST gồm:

2.3.2.5 Lao lắp vào vị trí, đổ bản bê tông nối mặt cầu

2.3.3 Phạm vi nghiên cứu

• Sơ đồ kết cấu nhịp là giản đơn

• Khẩu độ nhịp L ≤ 40m Cụ thể sẽ nghiên cứu các khẩu độ dầm ứng

với dầm định hình BTCT DƯL là 20m; 24,54m; 33,00m và 40,00m

Bản đổ tại chỗ

CHƯƠNG 3 NỘI DUNG TÍNH TOÁN DẦM THÉP ƯST

TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP

3.1 GIỚI THIỆU VỀ CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ DẦM THÉP

BTCT LIÊN HỢP

3.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79

Tiêu chuẩn thiết kế cầu ở nước ta là “Qui trình thiết kế cầu cống theo

trạng thái giới hạn” 22TCN 18-79 của Bộ Giao thông Vận tải áp dụng từ năm

1979 đến năm 2001

Các kết cấu chịu lực và nền móng của cầu cống phải được tính toán theo

các trạng thái giới hạn (TTGH- Là trạng thái mà ở đó kết cấu hay nền móng

không còn thỏa mãn các yêu cầu về khai thác nữa do ảnh hưởng của các tác động

lực): TTGH I, TTGH II và TTGH III

• TTGH I : Tính toán theo TTGH I nhằm bảo đảm cho công trình không

bị đình chỉ sử dụng do không còn sức chịu lực (về cường độ, ổn định và độ bền

mỏi) hoặc phát triển biến dạng dẻo lớn

• TTGH II: Tính toán theo TTGH II nhằm bảo đảm cho công trình

không phát sinh biến dạng chung quá lớn như dao động, chuyển vị, lún gây khó

khăn cho việc dử dụng bình thường

• TTGH III:Ttính toán theo TTGH III nhằm bảo đảm độ bền chống nứt

cho công trình để tránh gây khó khăn cho việc sử dụng bình thường (TTGH III

không áp dụng cho kết cấu thép)

3.1.2 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05

Từ năm 1990 đến nay, các dự án xây dựng, nâng cấp cầu ở nước ta theo

các vốn vay và tài trợ quốc tế bắt đầu phát triển mạnh Các tiêu chuẩn thiết kế

cầu do các tư vấn quốc tế đề nghị, có xét đến điều kiện Việt Nam đã được nghiên

cứu áp dụng cho các dự án Có thể nêu lên một số các ví dụ điển hình như:

• Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ AASHTO (American Association of

State Highway and Transportation Officials) đã được áp dụng cho các dự án nâng

cấp quốc lộ (QL) như QL1, QL5, QL18, QL10

• Tiêu chuẩn AUSTR.ROAD-1992 của Úc được áp dụng thiết kế kết

cấu nhịp cầu Phú Lương (Hải Dương, 1996), cầu Gianh (Quảng Bình, 1998), cầu

Mỹ Thuận (Vĩnh Long, 2000)

• Tiêu chuẩn AASHTO-LRFD (Load and Resistance Factor Design –

Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng) được áp dụng cho các dự án Hầm

đường bộ qua đèo Hải Vân, cầu Cần Thơ

• Tiêu chuẩn JSHB-1996 của Nhật được áp dụng thiết kế cầu Bãi Cháy

(Quảng Ninh)

Như vậy đã có nhiều tiêu chuẩn các nước khác nhau đã được áp dụng để

thiết kế cầu tại Việt Nam Vì vậy cần có một tiêu chuẩn thiết kế cầu thống nhất

để quản lý các dự án xây dựng cầu có vốn nước ngoài và hội nhập với tiêu chuẩn

thiết kế cầu của khu vực cũng như quốc tế

Tiêu chuẩn thiết kế cầu cần phải đồng bộ với các tiêu chuẩn về vật liệu,

thí nghiệm, thi công, bảo dưỡng, sửa chữa, tăng cường, kiểm định và đánh giá

cầu

Do việc phát triển xây dựng cầu đường có vốn đầu tư nước ngoài nên hệ

thống phòng thí nghiệm vật liệu của nước ta được trang bị tương đối hiện đại

Hiện có hơn 50 phòng thí nghiệm theo AASHTO-M (về vật liệu) và AASHTO-T

(về phương pháp thí nghiệm), là tiêu chuẩn đã được sử dụng rộng rãi ở nhiều

nước

Đối với các nước đang phát triển, do hạn chế về tài lực, việc biên soạn

các tiêu chuẩn thiết kế thường chỉ là lựa chọn tiêu chuẩn của các nước tiên tiến

làm tiêu chuẩn cho nước mình, có xét đến điều kiện môi trường, khí hậu, vật liệu

tự nhiên

Sau khi xem xét, lựa chọn cẩn thận, Bộ Giao thông Vận tải đã chọn tiêu

chuẩn AASHTO-LRFD 1998 (xuất bản lần thứ 2) làm cơ sở biên soạn Tiêu

chuẩn thiết kế cầu Tháng 8 năm 2000, Tiêu chuẩn thiết kế cầu kí hiệu

22TCN-272-01 đã được Bộ Giao thông Vận tải cho áp dụng thử nghiệm trước khi xem

xét thay thế bằng tiêu chuẩn hiện hành 22TCN 272-05

3.1.3 Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 1998

Trong tiêu chuẩn AASHTO, thiết kế cầu thép dựa trên các tiêu chuẩn của

Viện Kết cấu thép Hoa Kỳ (AISC 1989, 1994), thiết kế kết cấu bê tông cốt thép

dựa trên các tiêu chuẩn của Viện Bê tông Hoa Kỳ (ACI 1992)

Các qui định của tiêu chuẩn AASHTO-LRFD 1998 dựa vào phương

pháp luận thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD- Hệ số chủ yếu

xét đến sự biến thiên của các tính chất vật liệu, kích thước kết cấu, tay nghề công

nhân và sự không chắc chắn trong dự đoán về sức kháng, nhưng cũng liên hệ đến

những thống kê về các tải trọng thông qua quá trình hiệu chỉnh)

Triết lý thiết kế của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998: Cầu phải được

thiết kế theo các TTGH qui định để đạt các mục tiêu thi công được an toàn và sử

dụng được, có xét đến các vấn đề: khả năng dễ kiểm tra, tính kinh tế và mỹ quan

Các TTGH được áp dụng cho mọi giai đoạn trong thời gian phục vụ của

cầu, bao gồm: TTGH sử dụng, TTGH cường độ, TTGH mỏi và đứt gãy, và

TTGH đặc biệt Điều kiện trong mỗi TTGH là sức kháng đã có hệ số phải lớn

hơn hiệu ứng của các tổ hợp tải trọng có hệ số

• TTGH cường độ: phải được xét đến để đảm bảo cường độ và sự ổn

định cục bộ và ổn định tổng thể được dự phòng để chịu được các tổ hợp quan

trọng theo thống kê đã được định ra để cầu chịu được trong phạm vi tuổi thọ thiết

kế của nó

• TTGH sử dụng: phải được xét đến như một biện pháp nhằm hạn chế

đối với ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường

• TTGH đặc biệt: phải được xét đến để đảm bảo sự tồn tại của cầu khi

động đất hoặc lũ lớn hoặc khi bị tàu thủy, xe cộ va, có thể cả trong trong điều

kiện bị xói lở

• TTGH mỏi và dòn :

ü TTGH mỏi phải được xét đến như một biện pháp nhằm hạn chế về

biên độ ứng suất do một xe tải thiết kế gây ra với số chu kỳ và biên độ ứng suất

dự kiến

ü TTGH dòn phải được xét đến như một số yêu cầu về tính bền của vật

liệu theo tiêu chuẩn vật liệu

Sự làm việc của tiết diện dầm liên hợp chịu uốn được chia ra làm hai

trường hợp sau:

ü Ứng suất tại bất kỳ bản biên nào của dầm thép đạt tới ứng suất chảy,

sơ đồ tính toán của tiết diện liên hợp là vật liệu làm việc đàn hồi và dựa trên giả

thiết mặt cắt phẳng, ứng suất và biến dạng có quan hệ tuyến tính với nhau

ü Ứng suất tại bất kỳ điểm nào của tiết diện liên hợp đều đạt tới ứng

suất chảy

Chú ý: Trường hợp bản bê tông cốt thép rơi vào khu chịu kéo, không cho

phép bản bê tông tham gia chịu lực

Như vậy, theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998, tiết diện dầm liên hợp

chịu uốn có khả năng chảy dẻo toàn bộ (cả thép và bê tông) Đây là đặc điểm tiến

bộ hơn qui trình 22TCN 18-79 chỉ cho phép bản bê tông chảy dẻo