11 câu bài tập Thiết kế cầu bê tông cốt thép (có đáp án)

A. Khái niệm chung về cầu thép

Cầu thép là cầu có kết cấu chịu lực chính được làm bằng thép, hợp kim thép hoặc thép liên hợp BTCT, trong đó vật liệu thép đóng vai trò chủ yếu.

B. Các sơ đồ cấu tạo kết cấu nhịp

1. Kết cấu nhịp cầu dầm

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì gối cầu chỉ truyền áp lực thẳng đứng.

Kết cấu nhịp cầu dầm có thể là:

Cầu dầm giản đơn.

Cầu dầm giản đơn mút thừa.

Cầu dầm liên tục.

Do có cấu tạo đơn giản, dễ thi công nên KCN cầu dầm được dùng phổ biến nhất hiện nay.

Các loại kết cấu nhịp cầu dầm:

Cầu dầm đặc.

Cầu dầm liên hợp thép – BTCT.

2. Kết cấu nhịp cầu dàn

Kết cấu chịu lực chính của kết cấu nhịp cầu dàn là các mặt phẳng dàn, với các thanh dàn chỉ chịu lực dọc trục (kéo hoặc nén).

Chiều cao dàn lớn nên khả năng chịu lực và vượt nhịp của kết cấu nhịp cầu dàn lớn hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm.

Nhược điểm chính của kết cấu nhịp cầu dàn là cấu tạo và thi công phức tạp.

Kết cấu nhịp cầu dàn thường được áp dụng cho các cầu chịu tải trọng lớn như cầu đường sắt.

3. Kết cấu nhịp cầu vòm

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì gối cầu có cả phản lực thẳng đứng V và phản lực nằm ngang H nên người ta còn gọi vòm là dạng kết cấu có lực đẩy ngang.

Cầu vòm có khả năng chịu lực lớn nhất là dạng cầu dàn – vòm, tuy nhiên kết cấu này có cấu tạo rất phức tạp nên ít được áp dụng.

Kết cấu nhịp cầu vòm thường được áp dụng cho các cầu bắc qua khe sâu, thung lũng hoặc nơi yêu cầu tính thẩm mỹ cao.

4. Kết cấu nhịp cầu khung

Trụ và dầm được liên kết cứng với nhau để chịu lực.

Phản lực gối gồm:

Thành phần thẳng đứng V.

Thành phần nằm ngang H.

5. Kết cấu nhịp cầu treo

Bộ phận chịu lực chủ yếu của cầu treo là dây cáp hoặc dây xích đỡ hệ mặt cầu (dầm hoặc dàn).

Trên quan điểm tĩnh học, cầu treo là hệ tổ hợp giữa dây và dầm (hoặc dàn).

Phân loại:

Cầu treo dây võng (cầu treo).

Cầu treo dây xiên (cầu dây văng).

Cầu treo dây xiên (cầu dây văng)

Là kết cấu dầm cứng tựa trên các gối cứng ở mố, trụ và trên các gối đàn hồi là dây văng.

Dây văng và dầm chủ tạo nên hệ bất biến hình nên độ cứng lớn hơn cầu treo.

Cầu treo dây võng (cầu treo)

Dây làm việc chủ yếu chịu kéo.

Tại vị trí neo cáp có lực nhổ rất lớn.

Phải bố trí hố neo lớn và phức tạp tại mố cầu.

C. Các sơ đồ tĩnh học

1. Sơ đồ giản đơn

Phân bố nội lực

Biểu đồ mômen chỉ có dấu (+).

Giá trị lớn nhất tại giữa nhịp.

Phân bố vật liệu

Vật liệu tập trung chủ yếu ở khu vực giữa nhịp.

Nội lực do tĩnh tải lớn.

Dự trữ khả năng chịu hoạt tải kém.

Khả năng vượt nhịp thấp.

Đặc điểm

Thường cấu tạo dầm có mặt cắt không đổi.

Các mặt cắt gần gối không phát huy hết khả năng làm việc.

Gây lãng phí vật liệu.

2. Sơ đồ giản đơn mút thừa

Phân bố nội lực

Xuất hiện mômen âm tại gối.

Xuất hiện mômen dương tại giữa nhịp.

Mômen nhỏ hơn cầu giản đơn cùng chiều dài nhịp.

Phân bố vật liệu

Vật liệu tập trung tại gối và giữa nhịp.

Hợp lý hơn cầu giản đơn.

Khả năng vượt nhịp tốt hơn.

Đặc điểm

Tiết kiệm vật liệu hơn cầu giản đơn.

Các mặt cắt giữa nhịp chịu mômen dương.

Các mặt cắt gối chịu mômen âm.

Nhược điểm

Đầu nhịp tiếp giáp nền đường chuyển vị liên tục theo phương đứng.

Nền đường đầu cầu nhanh hư hỏng.

Lực xung kích và tiếng ồn lớn.

Hiện nay ít được áp dụng.

3. Sơ đồ liên tục

Phân bố nội lực

Có mômen âm tại gối.

Có mômen dương tại giữa nhịp.

Mômen nhỏ hơn cầu giản đơn cùng chiều dài nhịp.

Phân bố vật liệu

Tập trung tại gối và giữa nhịp.

Hợp lý hơn cầu giản đơn.

Khả năng vượt nhịp tốt hơn.

Ưu điểm

Các mặt cắt phát huy khả năng làm việc tốt hơn.

Tiết kiệm vật liệu hơn cầu giản đơn.

Nhược điểm

Là hệ siêu tĩnh.

Nhạy cảm với lún gối và thay đổi nhiệt độ.

Phát sinh nội lực phụ.

Với bản mặt cầu BTCT, vùng mômen âm dễ nứt do bê tông chịu kéo.

Cần điều chỉnh nội lực để tạo nén trước trong bê tông.

D. Ưu điểm

Thép có khả năng chịu lực lớn.

Độ tin cậy cao.

Trọng lượng bản thân nhẹ hơn nhiều so với cầu bê tông.

Khả năng vượt nhịp lớn.

Dễ chế tạo, vận chuyển, lắp ráp.

Rút ngắn thời gian thi công.

Thuận lợi cho tiêu chuẩn hóa và định hình hóa.

Dễ kiểm tra, sửa chữa và tăng cường.

E. Nhược điểm

Dễ bị gỉ và ăn mòn trong môi trường tự nhiên.

Chi phí duy tu bảo dưỡng lớn.

Khả năng chịu lực giảm mạnh khi nhiệt độ vượt 500°C.

Nhiều chi tiết cấu tạo phức tạp phải chế tạo trong công xưởng.

F. Phạm vi áp dụng

Công trình cầu chịu tải trọng lớn.

Cầu đường sắt.

Cầu vượt nhịp lớn.

Cầu đường ô tô.

Cầu tạm yêu cầu thi công nhanh.

Cầu quân sự yêu cầu lắp ráp và tháo dỡ nhanh.

Công trình có yêu cầu thẩm mỹ cao.

G. Xu hướng phát triển hiện nay

1. Về vật liệu và dạng kết cấu nhịp

Sử dụng thép chất lượng cao để giảm chi phí sơn và bảo dưỡng.

Nghiên cứu các hệ liên hợp vượt nhịp lớn và có tính thẩm mỹ cao.

Sử dụng cầu dầm thép giản đơn hoặc liên tục có chiều cao không đổi thay thế dàn thép cổ điển.

Phổ biến kết cấu:

Dầm thép liên hợp bản BTCT.

Mặt cầu thép bản trực hướng.

Tiết diện hộp kín.

2. Về liên kết trong cầu thép

Liên kết đinh tán hầu như không còn sử dụng.

Phổ biến:

Liên kết hàn.

Liên kết bu lông cường độ cao.

Liên kết dán đang được nghiên cứu và áp dụng nhờ:

Không làm giảm tiết diện.

Bản nút đơn giản.

3. Về công nghệ thi công

Sử dụng thiết bị vận chuyển và lao lắp có năng lực lớn.

Áp dụng các công nghệ tiên tiến:

Đúc đẩy.

Đúc hẫng.

Lắp hẫng.

4. Tại Việt Nam

Đã và đang xây dựng nhiều cầu thép vượt nhịp lớn, tính thẩm mỹ cao.

Đặc biệt phát triển mạnh cầu dây văng như:

Cầu Mỹ Thuận

Cầu Cần Thơ

Cầu vượt Ngã Ba Huế

Đặc điểm

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, gối cầu chỉ truyền áp lực thẳng đứng.

Có thể là:

Cầu dầm giản đơn.

Cầu dầm giản đơn mút thừa.

Cầu dầm liên tục.

Cấu tạo đơn giản, dễ thi công nên được sử dụng phổ biến.

Các bộ phận chính

1. Dầm chủ

Bộ phận chịu lực chủ yếu của kết cấu nhịp.

2. Hệ mặt cầu

Đỡ tải trọng xe.

Truyền tải trọng xuống các dầm chủ.

3. Hệ liên kết ngang cầu

Liên kết các dầm chủ.

Tăng độ cứng ngang của kết cấu nhịp.

Dầm ngang tại gối là vị trí đặt kích trong quá trình lao lắp và nâng hạ dầm.

4. Hệ liên kết dọc cầu

Liên kết các dầm chủ.

Chịu các tải trọng ngang:

Lực lắc ngang.

Lực ly tâm.

Lực gió.

A. Dầm đặc

Khái niệm

Còn gọi là dầm không liên hợp.

Có thể dùng:

Dầm thép định hình.

Dầm thép tổ hợp.

Bản mặt cầu có thể bằng:

Gỗ.

Bê tông.

Không có hệ thống neo tạo hiệu ứng liên hợp giữa dầm thép và bản mặt cầu.

Các dạng mặt cắt

Dầm định hình.

Dầm tổ hợp:

Tổ hợp hàn.

Tổ hợp đinh tán.

Tổ hợp bu lông cường độ cao.

Đặc điểm dầm định hình

Thường có tiết diện chữ I, chữ C.

Đảm bảo tính đồng nhất cao.

Ít tập trung ứng suất cục bộ.

Chiều cao thường H ≤ 1000 mm.

Chỉ phù hợp nhịp ngắn và tải trọng nhỏ.

Đặc điểm dầm tổ hợp

Có thể chế tạo chiều cao lớn.

Phù hợp nhịp dài và tải trọng lớn.

Liên kết bằng:

Hàn.

Đinh tán.

Bu lông cường độ cao.

Đặc điểm dầm đặc

Khi tải trọng lớn, bản bê tông dễ trượt hoặc bong khỏi dầm thép.

Tuổi thọ không cao.

Thường áp dụng:

Cầu ô tô.

Cầu đường sắt nhịp L < 20 m.

Cầu tạm.

B. Dầm liên hợp thép – BTCT

Nguyên lý làm việc

Bố trí hệ thống neo liên kết bản cánh trên dầm thép với bản bê tông mặt cầu để tạo hiệu ứng liên hợp.

Vai trò các bộ phận

Dầm thép:

Chịu kéo.

Chịu uốn.

Bản bê tông:

Tham gia chịu nén.

Tăng chiều cao làm việc.

Giảm chiều cao dầm thép.

Phạm vi áp dụng

Cầu ô tô có chiều dài nhịp lớn.

Thường dùng dầm tổ hợp hàn.

C. Dầm hộp

Đặc điểm

Thích hợp với cầu liên tục nhịp lớn.

Tăng khả năng chịu xoắn.

Có thể bố trí:

1 hộp.

2 hộp.

Nhiều hộp.

Ưu điểm

Chịu lực tốt.

Chống xoắn tốt.

Nhược điểm

Chế tạo và bảo dưỡng phức tạp.

Không nên cấu tạo hộp kín hoàn toàn vì khó kiểm tra và sửa chữa.

A. Vai trò của sườn tăng cường

Tăng độ cứng bản bụng.

Chống mất ổn định cục bộ bản bụng.

Chống mất ổn định tổng thể dầm.

Tạo vị trí liên kết dầm ngang.

Tạo vị trí liên kết hệ liên kết ngang và liên kết dọc cầu.

B. Đặc điểm cấu tạo

1. Cấu tạo chung

Các bộ phận:

1. Gối cầu và đá kê gối.
2. Bản bụng.
3. Bản bê tông mặt cầu.
4. Sườn tăng cường đứng tại gối.
5. Sườn tăng cường đứng trung gian.
6. Sườn tăng cường dọc.
7. Bản đệm (bản kê).

2. Quy định chung

Khi không có sườn tăng cường dọc phải bố trí sườn tăng cường đứng theo quy định.

Sườn tăng cường thường làm bằng:

Thép bản.

Thép góc.

Chiều dày tối thiểu:

t ≥ 6 mm.

Thực tế thường chọn:

t ≥ 12 mm.

3. Sườn tăng cường tại gối

Có chiều dày lớn hơn hoặc dạng sườn kép.

Có thể dùng thép góc.

Tiếp nhận phản lực gối.

Kéo dài hết chiều cao dầm.

Lắp khít với bản cánh.

4. Sườn tăng cường trung gian

Bố trí giữa các mặt cắt gối.

Không hàn trực tiếp vào bản cánh chịu kéo.

Phải thông qua bản đệm.

Kích thước bản đệm:

a = b = 30 ÷ 40 mm.

t = 16 ÷ 20 mm.

1. Sườn tăng cường dọc

Bố trí nhằm tăng ổn định cho bản bụng.

Được tính toán theo điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng.

Thường bố trí đối xứng hai bên sườn dầm.

A. Mất ổn định cục bộ

Các tấm bản mỏng trong dầm như bản cánh nén, vách đứng (bản bụng) dưới tác dụng của ứng suất nén, ứng suất cắt có thể bị phình cong cục bộ hay cong vênh từng phần.

Mất ổn định cục bộ xảy ra sẽ cản trở sự làm việc của dầm và có thể khiến dầm mất đi sức kháng lại các tải trọng. Sức kháng do mất ổn định cục bộ rất khó xác định nên các tiêu chuẩn đều đưa ra cách tiếp cận đơn giản là: mất ổn định cục bộ không được phép xảy ra cho đến khi dầm mất ổn định tổng thể.

Mất ổn định cục bộ có thể xuất hiện nếu tỷ số rộng/dày của phần tử chịu nén quá lớn.

Nếu mất ổn định xuất hiện ở biên chịu nén thì gọi là mất ổn định cục bộ bản biên.

Nếu xuất hiện ở vùng chịu nén của vách đứng thì gọi là mất ổn định cục bộ vách đứng.

Biện pháp khắc phục mất ổn định cục bộ

Tăng độ cứng của tấm bản bằng cách giảm tỷ lệ chiều rộng trên chiều dày (b/t hoặc D/tw).

Bố trí sườn tăng cường đứng.

B. Mất ổn định tổng thể

Trong các dầm mặt cắt chữ I thường có độ cứng EIx lớn hơn EIy rất nhiều. Do vậy, cho dù tải trọng tác dụng đúng mặt đối xứng của dầm thì dầm cũng chỉ giữ được ổn định trong một giới hạn tải trọng nhất định.

Khi tải trọng vượt quá giới hạn đó, dầm sẽ bị uốn về phía có độ cứng nhỏ hơn. Do tiết diện dầm tại gối bị cố định nên khi dầm chịu uốn ngang sẽ đồng thời chịu xoắn.

Mômen xoắn này làm cho dầm bị mất ổn định xoắn ngang. Hiện tượng đó được gọi là mất ổn định tổng thể của dầm.

Biện pháp khắc phục mất ổn định tổng thể

Giảm chiều dài tự do của cánh nén.

Bố trí sườn tăng cường ngang.

Bố trí hệ liên kết ngang.

A. Mối nối dầm chủ

a. Cấu tạo chung

Mối nối dầm chủ được sử dụng để liên kết các đoạn dầm chế tạo riêng thành một dầm hoàn chỉnh, thuận tiện cho vận chuyển và lắp ráp.

b. Mối nối bản bụng

Sườn dầm chủ yếu chịu lực cắt nên không nên bố trí mối nối bản bụng tại những mặt cắt có lực cắt lớn như mặt cắt tại gối.

Bản bụng được nối theo mối nối đối đầu để tránh các bản thép chồng lên nhau và hạn chế hiện tượng truyền lực lệch tâm.

c. Mối nối bản cánh

Bản cánh chịu uốn và chịu nén đồng thời nên không nên bố trí mối nối bản cánh tại những mặt cắt có mômen lớn như:

Mặt cắt giữa nhịp.

Mặt cắt trên đỉnh trụ (đối với kết cấu nhịp liên tục).

Mối nối bản cánh có thể là:

Mối nối đối đầu.

Mối nối so le.

Kết hợp cả hai biện pháp nối.

Thông thường để đơn giản trong cấu tạo, nên bố trí mối nối bản bụng và bản cánh tại cùng vị trí có mômen và lực cắt không lớn.

Đối với dầm giản đơn, thường bố trí mối nối ở mặt cắt L/3 hoặc L/4 tùy theo kích thước các bản thép.

d. Bản táp dùng cho mối nối

Đối với thép bản thì nối bằng thép bản.

Đối với thép góc có thể dùng thép bản hoặc thép góc cùng số hiệu để nối.

Chiều dày bản nối

t ≥ 0,23 inch = 0,23 × 2,54 cm ≈ 0,6 cm = 6 mm.

Thực tế thường chọn:

t ≥ 12 mm.

Kích thước thép góc

Thép góc có số hiệu:

L ≥ L100 × 100 × 10.

B. Cách tạo độ vồng bằng xử lý tại mối nối

Dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải, dầm thép sẽ bị võng xuống làm giảm độ cứng, tăng dao động và gây cảm giác bất an trong khai thác.

Vì vậy trong kết cấu nhịp cầu dầm thường chế tạo cho dầm có độ vồng trước.

Nguyên tắc tạo độ vồng

Đối với cầu dầm BTCT dự ứng lực:

Tạo độ vồng bằng cách căng kéo cốt thép dự ứng lực.

Đối với dầm thép:

Tạo độ vồng thông qua xử lý cấu tạo của mối nối dầm.

Đặc điểm

Tạo độ vồng bằng mối nối vừa kinh tế vừa dễ thi công.

Hầu hết các dầm nên tạo độ vồng bằng mối nối.

Những dầm có chiều dài ngắn, không cần cấu tạo mối nối thì cũng không cần thiết phải tạo độ vồng.

Chú ý khi cấu tạo mối nối tạo độ vồng

Các cột đinh trong mối nối bản bụng vẫn song song với mép bản bụng.

Khi lắp ghép mối nối:

Kê các đoạn dầm trên tà vẹt theo góc nghiêng đã thiết kế.

Áp các bản táp nối bản bụng vào lấy dấu.

Sau đó mới tiến hành khoan lỗ.

Các bản táp nối được đặt thẳng nên các cột đinh có thể không song song với mép bản táp.

A. Hệ liên kết ngang cầu

a. Vai trò

Liên kết các dầm chủ thành một hệ không gian.

Đảm bảo tính bất biến hình của hệ.

Tăng cường độ cứng theo phương ngang cầu cho kết cấu nhịp.

Phân phối điều hòa tải trọng theo phương ngang cầu cho các dầm chủ.

Dầm ngang tại mặt cắt gối còn là chỗ đặt kích để nâng hạ các cụm dầm trong quá trình thi công và sửa chữa cầu.

b. Hệ liên kết ngang tại mặt cắt gối

Liên kết ngang tại gối phải cấu tạo chắc chắn hơn các vị trí khác.

Thường dùng dầm I định hình có số hiệu:

I300 đến I900.

c. Hệ liên kết ngang tại mặt cắt trung gian

Không nên dùng dầm định hình vì làm tăng tĩnh tải và chi phí.

Thường cấu tạo bằng hệ thanh thép góc.

Thép góc sử dụng:

L ≥ L100 × 100 × 10 mm.

Chiều cao hệ liên kết ngang

Hlkn = (0,6 ÷ 0,7)Hsb

B. Hệ liên kết dọc cầu

Vai trò

Liên kết các dầm chủ thành một hệ không gian.

Đảm bảo tính bất biến hình của hệ.

Tăng độ cứng theo phương ngang cầu.

Chịu các tải trọng ngang:

Lực lắc ngang.

Lực ly tâm khi cầu nằm trên đường cong.

Lực gió ngang.

Truyền tải trọng ngang xuống gối cầu.

Vị trí bố trí

Đối với cầu dầm thép không liên hợp

Bố trí:

Hệ liên kết dọc trên.

Hệ liên kết dọc dưới.

Đối với cầu dầm liên hợp thép – BTCT

Bản bê tông mặt cầu đóng vai trò như hệ liên kết dọc trên.

Chỉ cần bố trí hệ liên kết dọc dưới.

Tiết diện thanh liên kết

Thường dùng thép góc:

L ≥ L100 × 100 × 10.

Đối với cầu lớn hoặc cầu dàn:

Có thể dùng thép hình chữ I hoặc chữ C.

Hình thức cấu tạo

Hệ liên kết dọc được cấu tạo theo mô hình dàn phẳng.

Trục các thanh trong cùng một nút phải đồng quy tại một điểm để hạn chế mômen phụ do lực kéo hoặc nén lệch tâm.

C. Tại sao một số cầu dầm thép liên hợp không sử dụng hệ liên kết dọc?

Do bản bê tông mặt cầu đã đóng vai trò là hệ liên kết dọc trên.

Bản mặt cầu đủ khả năng liên kết các dầm chủ và tăng độ cứng ngang cho kết cấu.

Vì vậy trong nhiều trường hợp có thể không cần bố trí thêm hệ liên kết dọc trên, giúp giảm khối lượng thép và đơn giản hóa cấu tạo.

A. Đặc điểm cấu tạo KCN cầu dầm liên hợp

Điểm khác biệt lớn nhất giữa cầu dầm liên hợp và không liên hợp là đã đưa bản bê tông vào làm việc cùng với dầm thép.

Bản bê tông:

Đóng vai trò hệ liên kết dọc trên.

Tham gia chịu nén thay cho bản cánh trên của dầm chủ.

Nhờ đó:

Tăng chiều cao làm việc của tiết diện.

Giảm chiều cao dầm thép.

Tiết kiệm vật liệu.

Ưu điểm

Phát huy hiệu quả làm việc của cả thép và bê tông.

Tăng khả năng chịu lực.

Tiết kiệm vật liệu.

Nhược điểm

Tĩnh tải mặt cầu lớn.

Phải chế tạo hệ thống neo liên hợp.

Khả năng vượt nhịp

Kết cấu nhịp giản đơn:

Lnhịp ≤ 50 m.

Kết cấu nhịp liên tục:

Lnhịp ≤ 90 m.

Với nhịp lớn hơn 90 m

Thường dùng dầm có chiều cao thay đổi để:

Tăng tính thẩm mỹ.

Tận dụng khả năng chịu lực của vật liệu.

Giảm tĩnh tải.

Chiều cao dầm thay đổi theo biểu đồ mômen.

Neo liên hợp

Để khắc phục hiện tượng trượt và bong tách giữa bản bê tông mặt cầu với dầm thép, bố trí hệ thống neo liên hợp giữa cánh trên dầm thép và bản bê tông.

Khi đó:

Dầm thép chịu kéo và chịu uốn.

Bản bê tông chịu nén.

B. Nguyên lý và các giai đoạn làm việc của dầm liên hợp

Trường hợp 1: Thi công lắp ghép hoặc lao kéo dọc không có đà giáo đỡ dưới

Giai đoạn 1: Sau khi thi công xong dầm thép

Mặt cắt tính toán:

Mặt cắt dầm thép.

Tải trọng:

Trọng lượng bản thân dầm.

Trọng lượng hệ liên kết ngang và dọc.

Trọng lượng bản bê tông và các bộ phận đổ cùng.

Giai đoạn 2: Sau khi bản mặt cầu đạt cường độ

Mặt cắt tính toán:

Mặt cắt liên hợp thép – BTCT.

Tải trọng:

Tĩnh tải giai đoạn II.

Hoạt tải khai thác.

Trường hợp 2: Thi công trên đà giáo cố định hoặc có trụ tạm đỡ dưới

Giai đoạn I

Toàn bộ tải trọng do hệ đà giáo chịu.

Dầm chủ chưa làm việc.

Giai đoạn II

Sau khi tháo đà giáo:

Tải trọng truyền lên dầm chủ.

Mặt cắt làm việc là mặt cắt liên hợp.

Tải trọng gồm:

Tĩnh tải giai đoạn I.

Tĩnh tải giai đoạn II.

Hoạt tải.

Nhận xét

Trường hợp thi công trên đà giáo giúp mặt cắt dầm chỉ làm việc ở trạng thái liên hợp.

Phát huy tối đa khả năng chịu lực của tiết diện liên hợp.

Hạn chế các trạng thái chịu lực bất lợi của dầm thép.

Tuy nhiên trong thực tế, cầu dầm thép thường được thi công bằng phương pháp cẩu lắp hoặc lao kéo dọc nên khi tính toán thường phải xét sự làm việc của dầm liên hợp theo hai giai đoạn.

A. Vai trò neo liên kết

Neo là bộ phận liên kết bản bê tông với cánh trên của dầm thép để đảm bảo cho bản bê tông không bị trượt trong quá trình chịu lực, từ đó tạo ra hiệu ứng liên hợp giữa dầm thép với bản BTCT.

Neo có thể được làm bằng thép tròn, thép bản hoặc thép định hình và được liên kết với cánh trên của dầm thép bằng đường hàn, đinh tán hoặc bu lông.

B. Cấu tạo neo liên kết

1. Các loại neo thường dùng

Neo cứng.

Neo mềm.

Neo đinh mũ.

a. Neo cứng

Neo cứng được cấu tạo từ thép bản, thép góc hoặc thép chữ U.

Neo có cấu tạo gọn và thường dùng cho mặt cầu lắp ghép vì khi đó lỗ neo thường bố trí sẵn.

b. Neo đinh mũ

Được cấu tạo dưới dạng các đinh mũ bằng thép.

Khi thi công sẽ dùng súng hàn hồ quang để bắn hàn nên tốc độ thi công rất nhanh.

Đây là loại neo có khả năng chịu lực và độ tin cậy cao.

Các quy định cấu tạo neo đinh mũ

Đường kính thân neo: d = 16 ÷ 24 mm.

Chiều cao neo không được nhỏ hơn 4 lần đường kính thân neo.

Bước neo tính từ tim đến tim neo không được vượt quá 600 mm và không nhỏ hơn 6 lần đường kính thân neo.

Theo phương ngang cầu, khoảng cách neo không được nhỏ hơn 4 lần đường kính thân neo.

Khoảng cách tĩnh giữa bản cánh trên của dầm thép và mép neo không được nhỏ hơn 25 mm.

Chiều dày tĩnh của lớp phủ trên neo không được nhỏ hơn 50 mm.

Neo được chôn sâu ít nhất 50 mm vào trong mặt cầu.

c. Neo mềm

Neo mềm được cấu tạo từ các thanh thép tròn uốn cong thành một nhánh hoặc hai nhánh, sau đó được hàn vào cánh trên của dầm thép.

Neo mềm chịu lực kém hơn neo cứng nhưng khả năng liên kết với bê tông tốt hơn neo cứng.

Theo quy định của 22TCN 18-79, nên ưu tiên dùng neo mềm để liên kết bản bê tông và dầm thép trong kết cấu nhịp liên hợp.

Quy định cấu tạo neo mềm

Cự ly giữa tim các nhánh neo mềm ≥ 3d (d là đường kính thép làm neo).

Các neo mềm nên cấu tạo dạng hình vành khuyên và đặt nghiêng góc 45° so với mặt phẳng cánh trên dầm chủ.

C. Nguyên tắc bố trí neo

Khoảng cách giữa các neo chống trượt được tính toán và bố trí theo điều kiện chịu lực gây trượt giữa bản bê tông và bản cánh trên của dầm thép khi chịu lực.

Tại vị trí đầu dầm, do lực cắt lớn nên phát sinh lực bóc bản bê tông, vì vậy phải bố trí các neo chịu lực nhổ.

Ngoài vị trí đầu dầm còn phải bố trí các neo chống trượt do hiện tượng co ngót và từ biến của bê tông. Các neo này có chiều ngược với chiều của các neo chống trượt do tải trọng.

Trong giai đoạn mặt cắt chảy dẻo, nếu thép làm neo có tính dẻo dai cho phép thì sẽ có sự phân bố lại lực cắt ngang ở trạng thái giới hạn cường độ. Khi đó lực cắt sẽ bằng nhau tại tất cả các mặt cắt của dầm, vì vậy neo có thể được bố trí với khoảng cách đều nhau trên toàn bộ chiều dài dầm.

A. Khái niệm, ý nghĩa hệ số phân bố ngang

Kết cấu cầu là một kết cấu không gian, trong đó mọi bộ phận đều tham gia chịu tải với mức độ khác nhau, vì vậy trong tính toán phải xét đến sự phân bố tải trọng giữa các bộ phận.

Hệ số phân bố ngang phản ánh mức độ phân phối hoạt tải từ mặt cầu xuống các dầm chủ hoặc mặt phẳng dàn chủ.

Việc tính toán phân phối tải trọng phụ thuộc vào

Độ cứng của các bộ phận.

Liên kết của các bộ phận.

Số làn xe chất tải.

Vị trí đặt hoạt tải.

B. Tính hệ số phân bố ngang hoạt tải đối với mặt phẳng dàn chủ

Xác định hệ số phân bố ngang theo phương pháp đòn bẩy hoặc theo phương pháp nén lệch tâm tùy thuộc vào sơ đồ kết cấu và vị trí đặt tải.

Hệ số phân bố ngang được sử dụng để quy đổi hoạt tải đặt trên mặt cầu thành tải trọng tác dụng lên từng mặt phẳng dàn chủ.

Giá trị hệ số phân bố ngang phụ thuộc:

Khoảng cách giữa các dàn chủ.

Độ cứng của hệ liên kết ngang.

Vị trí bánh xe hoặc làn xe chất tải.

Số lượng mặt phẳng dàn tham gia chịu lực.

Khái niệm

Mặt cầu là bộ phận trực tiếp chịu tải trọng giao thông và chủ yếu quyết định chất lượng khai thác của cầu.

Mặt cầu cần bằng phẳng, đủ độ nhám, đảm bảo thoát nước tốt, khai thác thuận tiện, ít hư hỏng và an toàn cho các phương tiện tham gia giao thông.

Trong cầu dầm thép, bản mặt cầu thường được làm bằng BTCT hoặc BTCT dự ứng lực, có thể đúc tại chỗ hoặc lắp ghép.

A. Chọn kích thước bản mặt cầu

a. Bề rộng

Bề rộng mặt cầu có thể bao gồm:

Bề rộng mặt đường xe chạy.

Lề người đi bộ.

Lan can.

Dải phân cách.

Gờ chắn bánh.

b. Chiều dày

Chiều dày bản mặt cầu bê tông (không kể lớp hao mòn) không được nhỏ hơn 175 mm.

Mặt cầu có thể là mặt cầu trần, trong đó bánh xe chạy trực tiếp trên mặt bê tông; khi đó bên trên mặt cầu cần có lớp chống hao mòn dày 10 ÷ 15 mm.

Các phần hẫng mặt cầu phải có chiều dày tối thiểu:

200 mm đối với phần hẫng đỡ hệ thống nhô cao, tường phòng hộ hoặc rào chắn bê tông.

300 mm đối với hệ thống cột nhô cao ở cạnh bên.

Ngoài ra chiều dày bản còn phải thỏa mãn điều kiện chịu lực theo tiêu chuẩn thiết kế.

B. Xác định nội lực trong bản

a. Xác định sơ đồ tính toán

Xác định bản làm việc 1 phương hay 2 phương

Ldài = max(S, d)

Lngắn = min(S, d)

Trong đó:

S: khoảng cách giữa hai dầm dọc chủ.

d: khoảng cách giữa hai dầm ngang.

Trường hợp 1

Nếu:

Ldài/Lngắn ≥ 1,5

⇒ Bản làm việc theo 1 phương (bản kê 2 cạnh).

Trường hợp 2

Nếu:

Ldài/Lngắn < 1,5

⇒ Bản làm việc theo 2 phương (bản kê 4 cạnh).

Đối với cầu dầm thép

Sơ đồ bản hẫng để tính phần hẫng bản mặt cầu.

Sơ đồ bản kiểu dầm liên tục kê trên các dầm chủ để tính phần bản phía trong.

Có thể dùng sơ đồ bản ngàm hai đầu và quy đổi gần đúng theo sơ đồ bản giản đơn có xét hệ số điều chỉnh.

b. Hoạt tải xe dùng để tính toán

Khi dải bản chính nằm ngang có nhịp không quá 4600 mm: thiết kế theo bánh xe trục 145000 N.

Khi nhịp vượt quá 4600 mm: thiết kế theo bánh xe trục 145000 N và tải trọng làn.

Khi dải bản chính nằm dọc: thiết kế với xe tải, xe hai trục và tải trọng làn.

Không xét lực ly tâm và lực hãm khi tính toán bản mặt cầu.

c. Diện tích tiếp xúc của bánh xe với mặt đường

Chiều rộng tiếp xúc theo phương ngang cầu:

b = 510 mm

d. Chiều rộng dải bản tương đương

Đối với cầu BTCT

Khi tính phần hẫng:

E = 1140 + 0,833X

Khi tính mômen dương:

E+ = 660 + 0,55S

Khi tính mômen âm:

E− = 1220 + 0,25S

Trong đó:

X: khoảng cách từ tâm gối đến điểm đặt tải.

S: khoảng cách giữa các cấu kiện đỡ.

e. Tính toán phần hẫng bản mặt cầu

Sơ đồ tính

Bản hẫng (dầm công xôn).

Lấy 1 m chiều rộng bản theo phương dọc cầu để tính toán.

Tải trọng tác dụng

Tĩnh tải

Trọng lượng bản thân bản mặt cầu.

Trọng lượng lớp phủ.

Trọng lượng lan can.

Trọng lượng gờ chắn bánh.

Trọng lượng bê tông lề người đi bộ.

Hoạt tải xe

Có thể gồm tải trọng bánh xe hoặc tải trọng bánh xe kết hợp tải trọng làn.

Quy đổi về chiều rộng tính toán 1 m để xác định nội lực.

Tổ hợp tải trọng

Q = η[γDCQDC + γDWQDW + γLLQxe + γLLQlàn + γPLQPL]

f. Tính toán phần bản mặt cầu bên trong

Sơ đồ tính

Bản kiểu dầm liên tục kê trên các dầm chủ.

Lấy 1 m chiều rộng bản theo phương dọc cầu để tính toán.

Trình tự

Vẽ đường ảnh hưởng nội lực.

Xác định nội lực do tĩnh tải.

Xác định nội lực do hoạt tải.

Tổ hợp tải trọng.

Công thức tổ hợp

Q = η[γDCQDC + γDWQDW + γLLQxe + γLLQlàn + γPLQPL]

Lưu ý

Khi tính nội lực do tĩnh tải:

Giá trị gây bất lợi lấy γ > 1.

Giá trị làm giảm bất lợi lấy γ < 1.