CẦU ĐÁ, CẦU BÊ TÔNG, CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP
Chương 2: CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
I. Khái niệm chung cầu BTCT dự ứng lực
- Mục đích của việc tạo dự ứng lực nhằm điều chỉnh trị số ứng suất kéo trong bê tông bằng cách tạo ra ứng suất nén trước trong nó, nhờ đó mà kiểm soát được khả năng chống nứt của kết cấu .
- Nguyên tắc chung của các biện pháp tạo dự ứng lực là tìm cách nào đó tạo ra ứng suất kéo trong các cốt thép cường độ cao rồi sau đó lợi dụng tính dính bám của các cốt thép đó với bê tông hoặc dùng mấu neo để truyền ứng lực kéo trong cốt thép vào bê tông tạo thành dự ứng lực nén trước bê tông.
- Có hai biện pháp tạo dự ứng lực ( kéo trước, kéo sau ) đều đòi hỏi hệ thống thiết bị đồng bộ: bệ căng cáp, mấu neo, kích, cốt thép cường độ cao, thiết bị phụ trợ và các buớc công nghệ đồng bộ .
II. Công nghệ chế tạo và cầu BTCT DƯL cốt thép kéo trước và sau khi đổ bê tông 1. Kéo căng cốt thép trước khi đổ bê tông (kéo căng trên bệ).
- Quá trình công nghệ được giới thiệu trên hình vẽ
- Các cốt thép cường độ cao có thể được kéo căng trước bằng biện pháp cơ khí hay bằng phương pháp nhiệt . Sau khi được kéo căng cốt thép cường độ cao được liên kết
Bệ cố định Bộ kẹp giữ
®Çu cèt thÐp Bộ kẹp định
vị điểm uốn DÇm BTCT
Thân bệ cố định CT đuợc kéo căng
Hình 2.23. Sơ đồ kéo căng cốt thép trước khi đổ bê tông
chặt chẽ vào các bệ cố định nhờ các neo tạm thời. Tiếp đó người ta lắp đặt các cốt thép thường, dựng ván khuôn rồi đúc bê tông dầm . Khi bê tông dầm đã được bảo dưỡng đủ cường độ thì tháo bỏ các neo ngoài tạm thời . Khi đó các cốt thép cường độ cao không còn bị neo giữ chặt vào các bệ cố định nên có xu hướng co ngắn lại như cũ .
- Do đã có các neo ngầm đã bố trí trước nằm trong lòng khối bê tông và do có lực dính bám giữa các cốt thép và bê tông nên sự co ngắn này bị cản trở . Đồng thời trong bê tông xuất hiện dự ứng lực nén tồn tại lâu dài. Các đoạn cốt thép thừa nhô ra khỏi đầu dầm được cắt bỏ, các neo ngoài tạm thời được sử dung lại để chế tao dầm khác .
- Bệ cố định có thể bằng thép hoặc BTCT xây trên mặt đất . Cũng có thể bệ căng được bố trí toàn bộ trên một toa xe di động theo đường ray đi qua các phân xưởng của nhà máy sản xuất BTCT, phù hợp với dây chuyền công nghệ
- Phương pháp này thích hợp với điều kiện sản xuất BTCT DUL trong nhà máy có thể đảm bảo chất lượng cao của dầm. Do điều kiện vận chuyển từ nhà máy đến công trường theo đường sắt, đường ô tô hay đường thuỷ phức tạp nên các cấu kiện BTCT DUL chế tạo theo phương pháp này phải hạn chế về kích thước và trọng lượng. Chiều dài lớn nhất của cấu kiện xấp xỉ 33m. Như vậy phương pháp này chỉ phù hợp cho kết cấu dầm hay bản giản đơn.
- Nhược điểm của phương pháp căng trên bệ là đòi hỏi nhiều thiết bị và chỉ kéo căng cốt thép được theo sơ đồ thẳng hay sơ đồ gãy khúc .
2. Kéo căng cốt thép sau khi đổ bê tông ( kéo căng trên bê tông )
- Trong quá trình đổ bê tông dầm, người ta tạo ra các đường ống rỗng trong lòng khối bê tông theo các dạng đường cong hay đường thẳng đã dự kiến . Sau khi bê tông đă đủ cường độ cần thiết, người ta luồn cốt thép cường độ cao vào các ống rỗng này rồi dùng kích thủy lực để kéo căng cốt thép, chân kích tỳ trực tiếp lên bề mặt bê tông đầu dầm còn mớ cặp của kích kẹp chặt lấy neo hoặc các đầu cốt thép mà kéo căng ra: Khi đã đạt đủ dự ứng suất kéo cần có trong cốt thép theo tính toán thiết kế thì tiến hành cố định các neo ngoài vĩnh cửụ để giữ dầu cốt thép vào bề mặt bê tông đầu dầm rồi tháo kích , Đoạn cốt thép cường độ cao thừa sẽ được cắt bỏ. Tiếp theo người ta bơm vữa bê tông vào ống chứa
CT đuợc kéo căng Kích
Hình 2.24. Sơ đồ kéo căng cốt thép sau khi đổ BT
cáp để lấp kín phần rổng còn lai giữa cốt thép và các đường ống. Các neo ngoài cũng được đổ bê tông bịt kín để chống gỉ.
- Ưu điểm của phương pháp này là không cần bệ căng cố định và các neo tạm thời.
Các cốt thép cường độ cao có thể đặt thẳng hay theo bất kỳ đường cong nào tùy theo dự kiến của người thiết kế nhằm mục đích triệt tiêu ứng suất kéo trong bê tông. Kích thước, trọng lượng khối lắp ghép không bị hạn chế do chuyên chở .
- Phương pháp này đặc biệt có ý nghĩa khi xậy dựng các cầu BTCT DUL nhịp lớn theo lại sau khi kéo căng, cũng có thể tháo ra nếu chỉ là cốt phục vụ thi công. ở một số cầu được tạo ra dự ứng lực theo phương ngang cầu cũng thực hiên theo phương pháp này.
- Khuyết điểm của phương pháp này là không đảm bảo tính dính bám tốt giữa cốt thép dự ứng lực và bê tông, khó kiểm tra chất lượng vữa phun giữa ống chứa cốt thép và cốt thép dự ứng lực sau khi đã kéo căng cốt thép
3. Nguyên tắc, sơ đồ bố trí cốt thép dự ứng lực dọc và ngang trong dầm giản đơn 3.1. Dầm có cốt thép dự ứng được kéo căng trước trên bệ
a) Nguyên tắc chung.
Một số sơ đồ đặt cốt thép dự ứng lực đươc vẽ trên hình 2.28. Sơ đồ 2.28a không hơp lý vì có ứng suất kéo ở thớ trên cùng của đoạn đầu dầm, do vậy có thể dùng sơ đồ 2.28b thì hợp lý hơn nếu dùng cho cầu đường ô tô nhịp L < 15m , sơ đồ này có thêm cốt thép dự ứng lực ở phần trên với diện tích xấp xỉ 10% so với diện tích cốt thép dự ứng lực phía dưới. Một số cầu bản giản đơn dự ứng lực cũng đặt cốt thép theo sơ đồ này.
Sơ đồ 2.28c được dùng phổ biến hơn cả vì có các cốt thép nghiêng dự ứng lực. Số lượng điểm uốn cốt thép thường là 2 nếu dầm dài L < 18m và là 4 nếu dầm dài L > 18m.
Các điểm uốn nên cách đầu dầm ít nhất 0,2L và cách nhau ít nhất 2m để dễ thi công.
Sơ đồ 2.28d được coi là hợp lý nhất về trạng thái ứng suất chung trong cả dầm vì có các cốt đai dự ứng lực đặt thẳng đứng ở dầm khoảng giữa nhịp và đặt nghiêng từ 75o÷80o ở khoảng đầu dầm. Các cốt đai dự ứng lực này làm giảm nhiều hoặc triệt tiêu các ứng suất kéo chủ. Tuy nhiên thi công chúng phức tạp vì phải đặt và kéo căng nhiêu cốt đai dự ứng lực loại kéo sau.
a)
b)
b) Dầm có cốt thép dự ứng lực kéo sau khi đổ bê tông
Xét dầm dự ứng lực T có L = 33m khổ 7 gồm 4 dầm chữ T. Mối nối bản mặt cầu là mối nối ướt.
2.5. CẦU BTCT LIÊN TỤC VÀ MÚT THỪA
1. Các sơ đồ tĩnh học cầu dâm hẫng, cầu dầm liên tục
Trong các dầm giản đơn, biểu đồ mômen do tải trọng thẳng đứng chỉ có 1 dấu dương (hình 2.26a). Nếu thay cho việc dùng hệ thống hai nhịp dầm giản đơn chúng ta dùng hệ thống liên tục hai nhịp (hình 2.26b) thì biểu đồ mômen có 1 đoạn dấu âm ở gần gối giữa,
109
700/2
401.3694
500 800/2
2100 400
850 155015069
R200
2100 620 200
620 R300 400
170
850
1700
2100
620 620
400 360
Hình 2.26. Mặt cắt ngang dầm DƯL kéo sau
ngoài ra các trị số tung độ dương lớn nhất của hình bao mômen cũng giảm đi. Do đó có thể làm kết cấu nhịp dầm liên tục với chiều cao thấp hơn, ít cốt thép hơn, nghĩa là tiết kiệm vật liệu hơn so với phương án hệ thống dầm giản đơn nhiều nhịp.
Trong hệ thống dầm liên tục, trên mỗi trụ chỉ cần đặt 1 gối di động hoặc 1 gối cố định nên trụ cầu có thể làm nhỏ hơn, tiết kiệm vật liệu hơn.
áp lực gối thẳng đứng từ kết cấu nhịp dầm liên tục truyền xuống trụ hầu như đúng tâm hoặc nén lệch tâm ít và gây ra ứng suất nén phân bố gần như đều trong mặt cắt thân trụ và đáy móng trụ.
Tính chất liên tục của bề mặt xe chạy trên các nhịp dầm liên tục cũng đảm bảo tốt cho xe chạy êm thuận với tốc độ cao qua cầu vì trắc dọc trên cầu sẽ là một đường cong đều đặn, không có điểm gẫy góc.
Hệ thống dầm liên tục là hệ kết cấu siêu tĩnh. Số bậc siêu tĩnh của nó bằng số mố trụ trừ đi 2. Khi mố trụ lún không đều thì trong dầm liên tục xuất hiện các ứng lực phụ bất lợi. Do đó loại cầu dầm liên tục nên dùng ở nơi có địa chất tốt, móng, mố trụ cầu nên đặt trên nền đất không lún hoặc bệ cọc đứng.
Sơ đồ các hệ thống dầm liên tục nhiều nhịp có thể được chuyển đổi thành hệ thống dầm hẫng tĩnh định hoặc dầm hẫng siêu tĩnh nếu chúng ta đặt thêm các chốt tại các vị trí thích hợp. Khi đó trong các mặt cắt của những đoạn hẫng thì mômen sẽ chỉ có một dấu âm và chỉ nên đặt cốt thép chủ chịu kéo ở phần trên của các mặt cắt. Còn trong các dầm
a)
b)
c)
Hình 2.26. Một số sơ đồ cầu liên tục và cầu mút thừa
đeo của hệ dầm hẫng, dầm đeo sữ chỉ các mômen dương giống như dầm giản đơn và chỉ cần đặt cốt thép chịu kéo ở phần dưới của các mặt cắt. Điều này có nhiều thuận lợi về mặt cấu tạo và công nghệ, cho phép dùng ngay các dầm giản đơn thống nhất hoá và đã được sản xuất hàng loạt làm các dầm đeo nói trên.
Mặt khác, trong các kết cấu nhịp hẫng xuất hiện chỗ gẫy góc trên trắc dọc phần xe chạy tại đúng các vị trí chốt, tại đấy phải đặt khe biến dạng. Trong qua trình khai thác xuất hiện biến dạng ở đầu mút congxon Phá vỡ nối tiếp giữa cầu và đường, gây ra xung kích lớn.
2. Các dạng mặt cắt ngang
Sau khi quyết định lựa chọn sơ đồ tĩnh học của cầu và các kích thước cơ bản, người thiết kế cần lựa chọn dạng mặt cắt của kết cấu nhịp và phân chia kết cấu nhịp thành các khối lắp ghép hoặc thành các phân đoạn đúc bê tông taị chỗ.
Cũng như lựa chọn sơ đồ tĩnh học của cầu, việc lựa chọn mặt cắt ngang cũng liên quan chặt chẽ với phương pháp thi công. Các hệ thống cầu có L ≤ 42m có thể dùng các mặt cắt chữ T, chữ , bản chữ nhật…tương tự như cầu dầm giản đơn. Trong các cầu lớn đều phải dùng dạng mặt cắt hình hộp, loại mặt cắt này có độ cứng chống soắn cao hơn các dạng mặt cắt hở đến vài chục lần, do đó nó đủ khả năng chịu các lực gây ra bởi hoạt tải đặt lệch tâm ngay cả ở những cầu nhịp lớn và có bản mặt cầu rộng.
Mặt cắt hộp có rất nhiều dạng khác nhau. Đối với nhịp cầu ôtô mà phần xe chạy rộng đến 15÷20m có thể dùng mặt cắt dạng 1 hộp với bản cánh hẫng lớn thành hộp có thể thẳng đứng hoặc nghiêng để giảm kích thước mũ trụ và tăng vẻ đẹp kiến trúc. Nếu cầu
B=14m B=12-18m
B=22m
B=22-32m
Hình 2.27. Các dạng mặt cắt ngang
quá rộng hoặc do khả năng hạn chế của phương tiện thi công mà cần thu nhỏ bề rộng của các khối lắp ghép hay của các phân đoạn đúc hẫng, thì có thể chia 2 hay 3 hộp trong mặt cắt ngang kết cấu nhịp.
2.6. KHÁI NIỆM VỀ TÍNH TOÁN KẾT CẤU NHNP CẦU BTCT THƯỜNG GIẢN ĐƠN