Chương 5 : NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC pdf

Chương 5 : NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN CẦU DẦM
BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC
5.1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ DẦM DỰ ỨNG LỰC :
5.1.1 Các phương pháp tạo dự ứng lực trong kết cấu :
Mục đích của việc tạo dự ứng lực (DƯL) nhằm
điều chỉnh trò số ứng suất kéo trong bêtông 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 DƯL 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 bêtông hoặc dùng mấu neo để truyền
DƯL kéo trong cốt thép vào bêtông tạo thành dự ứng lực
nén trong bêtông. Có hai biện pháp cơ bản để tạo DƯL, cả
hai đều đòi hỏi hệ thống thiết bò đồng bộ : bệ căng cáp,
mấu neo, kích, cốt thép cường độ cao, thiết bò phụ trợ và
các bùc công nghệ đồng bộ.
1- Kéo căng cốt thép trước khi đổ bêtông ( kéo trên bệ ) :
Quá trình công nghệ được giới thiệu trên hình 5.1.

Hình 5.1 Sơ đồ bệ cốt thép trước khi đổ bêtông
2- Kéo căng cốt thép sau khi đổ bêtông ( kéo trên bêtông ) :
Hình 5.2 Sơ đồ kéo căng cốt thép sau khi đổ bêtông

Ưu điểm : không cần bệ căng cố đònh 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 bêtông. Kích thước, trọng lượng khối lắp ghép
không bò hạn chế do chuyên chở.

Phương pháp này đặc biệt có ý nghóa khi xây dựng
các cầu BTCT DƯL nhòp lớn. Các cốt thép dự ứng lực
có thể được kéo căng vài lần tuỳ theo yêu cầu công
nghệ, cũng có thể tháo ra một số cốt thép dự ứng lực nếu
chúng chỉ là các cốt thép phục vụ thi công. Ở một số cầu,
việc tạo DƯL theo phương ngang cầu n cũng thực
hiên theo phương pháp kéo sau.
Khuyết điểm : không đảm bảo tính dính bám tốt
giữa cốt thép DƯL và bêtông, khó kiểm tra chất lượng
vữa phun giữa ống chứa cốt thép và cốt thép DƯL sau khi
đã kéo căng cốt thép.
3- Sơ lược về BTCT dự ứng lực ngoài :

5.1.2 Các sơ đồ tạo ứng suất trước :
1- Dầm có cốt thép dự ứng được kéo căng trước trên bệ :
5.3 Các sơ đồ đặt cốt thép dự ứng lực
trong dầm kéo căng trước khi đổ bêtông

Hình 5.4 Mặt cắt ngang kết cấu nhòp cầu ôtô dài 33m
Hình 5.5 Bố trí cốt thép dự ứng lực

Hình 5.6 Bố trí cốt thép thường trong dầm
Cần lưu ý rằng, kiểu kết cấu nhòp không có dầm ngang
qua nhiều năm khai thác đã bộc lộ nhiều nhược điểm như :
bò rung, xuất hiện nhiều vết nứt mặt cầu. Theo Tiêu chuẩn
thiết kế mới 22 TCN 272-05, nên có ít nhất ba dầm ngang
trên mỗi nhòp. Hiện nay, kiểu dầm đònh hình này thường
không được áp dụng trong các dự án cầu mới.

2- Dầm có cốt thép dự ứng được kéo căng sau trên bêtông :
Hình 5.7 Bố trí cốt thép dự ứng lực trong dầm I 33m


Hình 5.8 Bố trí cốt thép dự ứng lực dầm T 33m (sử dụng 7 bó 12,7mm)

3- Cốt thép dự ứng lực ngang trong dầm giản đơn :
Hình 5.9 Bố trí cốt thép dự ứng lực ngang cầu
4- Cốt thép thường trong dầm dự ứng lực :
Tương tự nguyên tắc áp dụng cho dầm BTCT thường,
nhưng không có cốt thép chủ và cốt thép xiên thường
( đã có cốt thép DƯL ). Đặc biệt, cần phải có các cốt thép
chòu ứng lực cục bộ, được bố trí ở khu vực đầu dầm
bên dưới các mấu neo.
Thường có các kiểu cầu với mặt cắt liên hợp
bao gồm phần dầm chủ DƯL dạng I hay chữ T được chế tạo
sản xuất trong nhà máy và phần bản đúc bêtông tại
chỗ trên các dầm chủ đó.

Hình 5.12 Mặt cắt
kết cấu nhòp liên hợp
gồm dầm I lắp ghép
và bản đúc bêtông tại chỗ

5.2 VẬT LIỆU VÀ THIẾT BỊ CHO DẦM DƯL :
5.2.1 Các loại cốt thép dự ứng lực :
1- Sợi đơn cường độ cao :
Các sợi cốt thép cường độ cao tròn nhẵn hoặc có gờ
đường kính 3÷ 5mm được đặt phân bố đều trong kết cấu
nhòp bản DƯL. Chúng được kéo căng trước khi đổ bêtông.

Cách bố trí như vậy còn gọi là đặt cốt thép kiểu dây đàn.
Việc truyền DƯL từ cốt thép vào bêtông nhờ lực dính
bám đủ lớn mà không cần làm mấu neo ở đầu sợi cốt
thép.
2- Bó các sợi xoắn cường độ cao ( tao cáp ) :
Bó gồm các sợi xoắn lại thành bó b y hoặc nhiều sợi. ả
Loại bó xoắn b y sợi được dùng rộng rãi nhất ( còn gọi là ả
tao cáp b y sợi xoắn ). Mỗi tao cáp có một sợi lõi thẳng ả
ở giữa, các sợi ngoài có đường kính giống nhau xếp
thành một hay hai lớp. Đường kính sợi ngoài bằng
1,5÷ 5mm, riêng sợi lõi có đường kính lớn hơn 10%. Bước
xoắn tối ưu cho mỗi sợi ngoài bằng 12÷ 15 lần đường kính
danh đònh của cả bó sợi. Ưu điểm của tao xoắn b y sợi là ả
dính bám tốt với bêtông, dễ uốn dễ cuộn thành cuộn lớn
để vận chuyển và do đó có chiều dài lớn, được chế
tạo sẵn trong nhà máy, có loại được mạ kẽm nên chống rỉ
sét cao.

3- Bó các sợi song song cường độ cao :
Những năm l990, ở miền Bắc nước ta thường dùng
loại bó có 20÷ 24 sợi cốt thép tròn Φ 5mm xếp song song
thành một lớp bao quanh một lõi thép kiểu lò xo đã
uốn sẵn từ sợi thép nhỏ có đường kính 1,5÷ 2,5mm.
Bước của lò xo thường là 3cm trên đoạn thẳng và
1cm trên đoạn cong. Nhiệm vụ của lõi lò xo là đảm bảo
vò trí chính xác của các sợi trong bó, lỗ rỗng bên trong
lò xo đảm bảo khả năng bơm vữa hoặc đổ bêtông lấp
kín lòng ống chứa cốt thép dự ứng lực. Các sợi thép
cường độ cao được buộc chặt, cứ cách 1÷ 2m lại buộc
một đoạn dài 10÷ 20cm. Riêng ở đoạn gần neo 1m thì

phải cách 20cm buộc một chỗ.
Hình 5.13 Các loại cốt thép DƯL

4- Thanh cốt thép cường độ cao :
Các thanh cốt thép cường độ cao có thể tròn nhẵn
hoặc có gờ. Để kéo căng chúng cần phải dùng loại kích
đặc biệt hoặc dùng phương pháp nhiệt điện. Có thể dùng
các thanh này làm cốt đai DƯL hoặc cốt thép DƯL
ngang cầu để nối các khối dầm lắp ghép với nhau.
Khi làm cốt đai DƯL, các thanh này cần phải được
đặt thẳng đứng hoặc nghiêng góc 75÷ 80
o
Chúng được
phủ một lớp bitum và được quấn băng giấy ở ngoài để
không bò dính bám với bêtông, rồi mới đặt vào trong
ván khuôn. Một đầu thanh có thể làm sẵn theo dạng
mũ bulông, đầu kia có ren răng và bắt ê-cu, có thể dùng
các loại kích riêng nhỏ và đặc biệt để kéo căng. Đường
kính các thanh cốt thép cường độ cao thường từ
20÷ 40mm.

5- Cầu bản dự ứng lực :
Các cầu bản DƯL nhòp giản đơn thường là dạng
lắp ghép từ các khối nguyên dài với mối nối dọc cầu.
Mỗi khối thường có bề rộng khoảng 100 cm để thuận
tiện ghép thành các bề rộng cầu khác nhau. Chiều cao
mỗi khối chọn trong khoảng H = L/30 - L/25.
Cốt thép DƯL thường được bố trí theo kiểu cốt thép
dây đàn nghóa là gồm nhiều sợi đơn có gờ hoặc tao cáp
( bó xoắn bảy sợi ) riêng rẽ đặt song song thành

một hàng gần biên dưới mặt cắt. Nếu số sợi quá
nhiều thì có thể thêm một hàng nữa phía trên. Sau khi
lắp ghép các khối bản cạnh nhau, thực hiện các mối nối
dọc cầu dạng chốt hoặc dạng nối cứng, cũng có thể bố trí
thêm các sợi cáp DƯL kéo sau theo hướng ngang cầu.
Hiện nay, đang phát triển nhiều dạng dầm bản DƯL
có chiều dài 8÷ 20m, chiều cao bản từ 25÷ 65cm. Ví dụ
ở Việt Nam có cầu Phố Mới - Lào Cai có chiều
dài dầm bản L = 20m, mặt cắt ngang cầu gồm 10
bản, mỗi bản rộng 100cm, chiều cao bản 65cm,
bản mặt cầu dày 20cm. Kết cấu bản dùng công nghệ
căng kéo trước.

Hỡnh 5.14 Maởt caột ngang ủieồn hỡnh dam baỷn DệL 15m

5.2.2 Một số mấu neo kiểu Nga :
Mấu neo có nhiệm vụ truyền lực từ đầu cốt thép
DƯL vào bêtông để tạo ra DƯL nén trong bêtông.
Có nhiều kiểu mấu neo phù hợp với từng kiểu cốt
thép và phù hợp với kiểu kích được dùng.
1- Neo quả chám :
Trong dầm kéo trước thường dùng các neo ngầm
hình quả chám cho các bó sợi song song như hình 5.16.
Neo gồm một lõi thép tròn được hàn vào một tấm
ngăn có xẻ rãnh để luồn các sợi cốt thép qua rănh đó.
Các sợi cốt thép được buộc giữ chặt ở hai đầu thanh lõi.
Đầu thanh lõi có các mấu giữ sợi cốt thép liên
tục đi qua neo ; vì vậy, nếu một neo chưa đủ
truyền lực thì có thể đặt hai neo liên tiếp nhau. Neo quả
chám được dùng trong các bó có số lượng sợi song song

từ l6÷ 56 sợi. Với bó 24 sợi 5mm thường có đường kính
bản ngăn 80mm, dày 8÷ 10 mm, đường kính thanh lõi
14mm, chiều dài thanh lõi 270 mm.

Hình 5.16 Neo quaû chaùm

2- Neo hình chóp cụt kiểu Nga :
Để neo các đầu bó sợi song song khi kéo căng trên
bêtông thì có thể dùng mấu neo hình chóp cụt (H.5.17).
Vỏ neo bằng thép có khoét lỗ thủng hình chóp cụt có
ren răng phù hợp với kích thước lỗ thủng ở vỏ neo.
Các đầu sợi cốt thép được luồn qua lỗ thủng ở vỏ neo
và sau khi đã kéo căng xong bằng loại kích hai tác dụng
thì đóng lõi neo vào để giữ sợi thép cố đònh trong vỏ
neo. Vì bề mặt lõi neo có ren răng nên tác dụng nêm
chặt tăng lên. Trong lõi neo có khoan lỗ dọc để nối với
vòi máy để bơm vữa XM lấp lòng ống chứa bó cáp
DƯL.
Mấu neo hình chóp cụt cũng còn được dùng làm
mấu neo tạm thời để kéo căng các cốt thép trên bệ.
Sau khi cốt thép đã truyền lực nén vào bêtông dầm thì
tháo bỏ các neo này

3- Neo tổ ong kiểu Nga :
Các đầu sợi cốt thép có thể được chèn cho to ra rồi
lồng vào các lỗ chờ sẵn trên mấu neo tổ ong. Có thể làm
neo kiểu liền khối hoặc kiểu lắp ghép cố đònh (H.5.18).
Neo kiểu liền khối dạng hình trụ thép với nhiều lỗ khoan
để luồn các sợi cốt thép. Trên bề mặt bên trong của
vỏ neo hình trụ được ren răng để bắt giữ vào đầu kích.

Kiểu neo lắp ghép cố đònh thường được đặt ở đầu bó phía
đối diện với kích. Mấu neo này gồm các tập bản thép.
Khi ghép các tập lại sẽ tạo ra các lỗ để luồn sợi cốt thép.
Hình 5.17 Neo hình chóp cụt

Hình 5.18 Mấu neo kiểu tổ ong
a) Mấu neo kiểu liền khối; b) Mấu neo kiểu lắp ghép

5.2.3 Kích để kéo căng cốt thép :
1- Kích đơn động kiểu Nga :
Sơ đồ kích như hình 5.19a. Xilanh là vỏ kích được
tỳ lên đầu dầm BTCT. Piston có ngàm 2 để kẹp giữ
chặt lấy mấu neo hình cốc. Khi bơm dầu vào xilanh,
piston dòch sang trái và kéo căng cốt thép. Người ta
chêm nêm 4 vào khe hở giữa đầu dầm BTCT và đáy
mấu neo. Sau đó dùng tay quay để xả dầu, đưa
piston dòch sang phải, gỡ ngàm 2 khỏi mấu neo
và tháo kích.
2- Kích song động kiểu Nga :
Sơ đồ kích như hình 5.19b. Vỏ kích 6 là xylanh
ngoài, thân kích 7 là piston trong vỏ kích 6 và có chân tỳ
vào đầu dầm BTCT, đồng thời nó cũng là xylanh chứa
piston để đóng lõi neo. Trên vỏ kích 6 có bộ ngàm 8 giữ
các sợi thép cường độ cao đến mức dự kiến. Sau đó bơm
dầu vào xylanh 7 làm cho piston dòch sang phải và đóng
chặt lõi neo của neo chóp cụt. Sau đó xả hết dầu
và tháo kích.

Hình 5.19 Các kích thuỷ lực để căng bó sợi cốt thép
a) Kích đơn động; b) Kích song động

1- Xilanh 2- Kiểu ngàm kẹp mấu neo 3- Mấu neo 4- Nêm 5- Bó sợi cốt thép
6- Xilanh ngoài 7- Xilanh trong 8- Ngàm giữ sợi cốt thép 9- Vỏ neo chóp cụt
10- Lõi neo chóp cụt

5.2.4 Các hệ thống DƯL của công ty Freyssinet :
Công ty Freyssinet ( Cộng hoà Pháp ) đã chế tạo và
áp dụng thành công với những cải tiến liên tục các
hệ thống DƯL khác nhau. đâây, chỉ giới thiệu hệ Ở
thống tiên tiến nhất và đã áp dụng ở Việt Nam ( cầu chữ
Y, cầu Tân Thuận, cầu Niệm, cầu Gianh, cầu Sài
Gòn ).
Hệ thống K dùng cho trường hợp tạo DƯL trong.
Hệ thống l và hệ thống 2 dùng cho trường hợp tạo
DƯL ngoài. Ngoài hệ thống K còn hệ thống C hiện
nay đang được sử dụng rất phổ biến ( xem phần phụ lục )
1- Hệ thống K :
a) Các thành phần cấu tạo chung :
Hệ thống này thỏa mãn mọi yêu cầu khắt khe nhất
của các tiêu chuẩn Châu Âu và tiêu chuẩn Hoa Kỳ,
có thể tạo ra các DƯL lớn đến 10200kN. Hệ thống này
cho phép lựa chọn các số lượng cáp tùy mức cần thiết.
Các cáp có thể được kéo căng chỉ bằng một loại thao tác
lặp lại nhiều lần và thuận tiện cho mọi kết cấu DƯL.

b) Boọ neo chuỷ ủoọng :
Hỡnh 5.20 Boọ neo chuỷ ủoọng
c) Boọ noỏi caực maỏu neo :
Hỡnh 5.21 Boọ noỏi caực maỏu neo

Hình 5.22 Neo chuû ñoäng kieåu A, A'