Công trình nhân tạo: Cầu bê tông cốt thép

CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP

CHƯƠNG 5
CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP NHỊP GIẢN ĐƠN
§1. ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BTCT DỰ ỨNG LỰC
1.1.

THỰC CHẤT CỦA BTCT.
BTCT là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có tính
chất cơ học khác nhau là thép và bêtông cùng cộng tác chịu lực với nhau một cách hợp lý
và kinh tế.
Bêtông là loại đá nhân tạo, thành phần bao gồm: cốt liệu (cát, đá) và chất kết
dính (nước, xi măng). Bêtông có khả năng chịu nén tốt nhưng chịu kéo rất kém.
Thép là vật liệu chịu kéo và nén đều tốt. Do vậy người ta thường đặt cốt thép vào
vùng chịu kéo trong bêtông để tăng cường khả năng chịu lực cho kết cấu Æ hình thành
nên kết cấu BTCT.
Để thấy sự cộng tác chịu lực giữa bêtông và cốt thép, ta xem xét thí nghiệm sau:
P

P

σn

b

[σ]k

b

σk

b

[σ]n
b
P

P

σn

b
fs

Ft

-

[σ]n

b

Uốn một dầm bêtông, trên dầm phân làm hai vùng rõ rệt là vùng chịu kéo và
k
vùng chịu nén. Khi ứng suất kéo trong bêtông σ bt
vượt quá cường độ chịu kéo

của bêtông thì vết nứt xuất hiện. Vết nứt dần đi lên phía trên và dầm bị gãy
n
còn nhỏ so với cường độ chịu nén của
khi ứng suất trong bêtông vùng nén σ bt

-

bêtông. Sức kháng uốn của dầm nhỏ.
Với một dầm như trên nhưng sử dụng một lượng cốt thép hợp lý vào vùng
k
vượt quá cường độ chịu kéo của bêtông
bêtông chịu kéo. Khi ứng suất kéo σ bt

thì vết nứt cũng xuất hiện. Nhưng lúc này dầm chưa bị phá hoại, tại tiết diện
có vết nứt, lực kéo hoàn toàn do cốt thép chịu. Chính vì vậy ta có thể tăng tải
trọng cho tới khi ứng suất trong cốt thép đạt tới giới hạn chảy hoặc bêtông
vùng nén bị nén vỡ.
Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bêtông và khả năng chịu kéo
tốt của thép. Nhờ vậy sức kháng uốn của dầm BTCT lớn hơn hang chục lần so với dầm
bêtông.
Cốt thép chịu kéo và nén đều tốt nên nó còn được đặt vào trong các cấu kiện chịu
kéo, chịu nén, chịu uốn xoắn để tăng cường khả năng chịu lực, giảm kích thước tiết diện
và chịu lực kéo xuất hiện do ngẫu nhiên.
Bêtông và thép có thể cùng cộng tác chịu lực là do nguyên nhân:
- Trên bề mặt tiếp xúc giữa bêtông và thép có lực dính bám khá lớn nên lực có
thể truyền từ bêtông sang thép và ngược lại. Lực dính bám có tầm rất quan
trọng đối với kết cấu BTCT. Nhờ có lực dính bám mà cường độ của cốt thép
CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[81]


CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP
mới được khai thác, bề rộng vết nứt trong vùng kéo được hạn chế. Do vậy

người ta phải tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bêtông và cốt
thép.
- Giữa bêtông và thép không xảy ra phản ứng hóa học. Bêtông còn bảo vệ tốt
cho cốt thép chống lại tác dụng ăn mòn của môi trường.
- Hệ số giãn nở nhiệt của bêtông và thép là xấp xỉ bằng nhau (bêtông
αbt=10.8x10-6/0C, thép αt=12x10-6/0C). Do đó khi nhiệt độ thay đổi trong
phạm vi thông thường (dưới 1000C) nội ứng suất xuất hiện không đáng kể,
không làm phá hoại lực dính bám giữa bêtông và cốt thép.
1.2. THỰC CHẤT CỦA BTCT DƯL.
Khi sử dụng dầm BTCT người ta thấy xuất hiện các nhược điểm:
- Nứt sớm, giới hạn chống nứt thấp.
- Không cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao. Khi ứng suất trong cốt
thép chịu kéo fs=20 ÷ 30Mpa, các khe nứt trong bêtông đầu tiên bắt đầu xuất
hiện. Khi dùng thép cường độ cao, ứng suất trong cốt thép có thể đạt tới trị số
1000 ÷ 2000Mpa hoặc lớn hơn, điều đó làm xuất hiện các khe nứt rất lớn vượt
quá trị số giới hạn cho phép.
Để khắc phục hai nhược điểm trên, người ta đưa ra kết cấu BTCT Dự ứng lực.
Trước khi chịu lực như hình minh họa trên, người ta tạo ra trong cấu kiện một trạng thái
ứng suất ngược với trạng thái ứng suất khi chịu tải và sẽ được kết cấu nứt nhỏ hoặc
không nứt.
P

P

[σ]k

σt

b

b

+

Fd−l
N

N
Ft

σ

P

+
σ

d−l

=
σd
[σ]n
b

b

Với BTCT, chủ yếu người ta tạo ra ứng suất nén trước cho những vùng của tiết
diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ra ứng suất kéo.
Ứng suất nén này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng sinh ra.
Nhờ vậy mà cấu kiện nứt có thể nhỏ hoặc không nứt.

Ta có thể tạo ra các trạng thái ứng suất ban đầu khác nhau bằng hai cách:
- Thay đổi vị trí lực nén trước.
- Thay đổi trị số lực nén trước.
Ưu điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường:
- Nâng cao giới hạn chống nứt do có tính chống thấm cao.
- Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bêtông cường độ cao.
- Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm xuống, vượt được nhịp lớn hơn so với
BTCT thường.
- Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt.
- Nhờ có ứng suất nén trước mà phạm vi sử dụng của kết cấu BTCT lắp ghép
phân đoạn được mở rộng ra nhiều. Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực
trước nối các cấu kiện đúc sắn của một kết cấu lại với nhau.
Nhược điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường:
- Ứng lực trước không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng
suất ở phía đối diện làm cho bêtông có thể bị nứt.
- Chế tạo phức tạp hơn nên yêu cầu kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật để có thể
đạt được chất lượng như thiết kế đề ra.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẠO DỰ ỨNG LỰC.
1.3.1. KÉO CĂNG CỐT THÉP TRƯỚC KHI ĐỔ BÊTÔNG.
CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[82]


CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP
Các cốt thép DƯL được kéo căng trước bằng biện pháp cơ khí hoặc phương pháp
nhiệt. Dưới tác dụng của lực kéo N, cốt thép được kéo trong giới hạn đàn hồi sẽ dãn dài
ra một đoạn ΔL tương ứng với ứng suất kéo thiết kế xuất hiện trong cốt thép.
Sau khi được căng, các cốt thép DƯL được liên kết chặt chẽ vào bệ cố định nhờ
các mấu neo tạm thời. Sau đó người ta cố định đầu của cốt thép vào bệ. Tiếp đó người ta

lắp đặt cốt thép thường, dựng ván khuốn đổ bêtông dầm.
Khi bêtông cấu kiện đủ cường độ cần thiết, người ta tháo bỏ các mấu neo tạm
thời, tiến hành buông cốt thép. Lúc này cốt thép DƯL có xu hướng co lại khôi phục chiều
dài ban đầu và sinh ra nén bêtông.
Các đoạn cốt thép thừa ra sẽ bị cắt bỏ, các neo ngoài tạm thời được sử dụng lại
để chế tạo dầm khác.
1

2

3

3

4

5

6

5

6

Sơ đồ kéo căng cốt thép trước khi đổ bêtông
1. Bộ kẹp di động để giữ chặt các đầu cốt thép 2. Đầu bệ cố định 3. Cốt thép được căng
kéo 4. Bộ kẹp định vị điểm uốn cốt thép 5. Dầm BTCT DƯL sẽ được đổ bêtông 6. Thân bệ
cố định
Ưu, nhược điểm:
- Thích hợp với điều kiện sản xuất cấu kiện BTCT DƯL trong nhà máy và có thể

đảm bảo chất lượng cao của dầm.
- Đòi hỏi phải có nhiều thiết bị và chỉ kéo căng cốt thép được theo sơ đồ cốt
thép thẳng hay sơ đồ gãy khúc.
- Do điều kiện vận chuyển từ nhà máy tới công trường phức tạp nên cấu kiện
BTCT DƯL 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. Do vậy nó chỉ phù hợp với
kết cấu dầm hay bản giản đơn.
1.3.2. KÉO CĂNG CỐT THÉP SAU KHI ĐỔ BÊTÔNG.
Trong quá trình đổ bêtông dầm, người ta tạo ra các đường ống rỗng trong lòng
khối bêtông theo các dạng đường cong hay đường thẳng đã dự kiến. Sau khi bêtông đã
đủ cường độ cần thiết, người ta luồn cốt thép dự ứng lực vào các ống rỗng này rồi dùng
kích thủy lực để kéo căng cốt thép, chân kích tỳ trực tiếp lên bề mặt bêtông đầu dầm còn
mỏ cặp của kích kẹp chặt lấy neo hoặc các đầu cốt thép mà kéo căng ra.
Sau 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 cửu để giữ đầu cốt thép vào bề mặt bêtông đầu
dầm rồi tháo kích. Đoạn cốt thép thừa sẽ cắt bỏ.
Tiếp theo người ta tiến hành bơm vữa vào ống chứa cáp để lấp kín phần rỗng còn
lại giữa cốt thép và các đường ống. Các neo ngoài cũng được đổ bêtông bịt kín để chống
gỉ.
CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[83]


CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP

1

2

3

4

3

4

hs
hb hvd

Hd

hvt ht

Sơ đồ kéo căng cốt thép sau khi đổ bêtông
1. Giá treo kích và đặt máy bơm dầu kích 2. Neo 3. Ống ghen (luồn cáp dự ứng lực) 4.
Dầm BTCT sẽ đổ bêtông
Ưu điểm:
- 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 bêtông.
- Kích thước, trọng lượng khối lắp ghép không bị hạn chế do chuyên chở do đó
đặc biệt có ý nghĩa khi xây dựng các cầu BTCT DƯL nhịp lớn.
- Các cốt thép dự ứng lực có thể kéo căng vài lần tùy 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.
Nhược điểm:
- Không đảm bảo tính dính bám tốt giữa cốt thép và bêtông, 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.
1.4. CÁC DẠNG MẶT CẮT NGANG CẦU DẦM BTCT DƯL NHỊP GIẢN ĐƠN.
1.4.1. MẶT CẮT CHỮ T.
Btb
Ưu điểm:
bk
- Rất tiện lợi cho các loại nhịp với
kích thước từ 18 đến 33m.
- Ván khuôn đơn giản, dễ chế tạo và
lắp ráp.
bvt
bvt
- Có thể đúc ngoài công trường.
- Với những dầm có độ lệch tâm giữa
trọng tâm dầm và trọng tâm các
bs
bó cáp lớn, mặt cắt chữ T rất kinh
tế khi bố trí cốt thép.
Nhược điểm:
- Đối với các dầm khác nhau, phải có
nhiều bộ ván khuôn.

bb

Mặt cắt chữ T

CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[84]

CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP
Khi độ lệch tâm giữa trọng tâm dầm và trọng tâm các bó cáp nhỏ, mặt cắt
chữ T sẽ không hiệu quả và kinh tế khi bố trí cốt thép, trọng tâm của cốt thép
khi căng kéo sẽ nằm ở phía dưới, nó gây lên ứng suất kéo ở bản cánh.
- Cầu rung mạnh khi chịu hoạt tải.
- Có thể xuất hiện vết nứt dọc tại mối nối dọc bản mặt cầu.
1.4.2. MẶT CẮT CHỮ I.
b7
Ưu điểm:
b3
- Rất thuận tiện cho các loại
nhịp từ 20 ÷ 33m.
b4
- Ván khuôn đơn giản, dễ chế
tạo, có thể sử dụng ván
khuôn cho nhiều loại dầm.
b6
b6
- Mặt cắt chữ I có trọng tâm
mặt cắt gần với trọng tâm cốt
thép dự ứng lực, do vậy hiệu
b5 b2 b5
quả khi phân phối lực, cả
trọng khi căng kéo và giai
đoạn sử dụng.
- Độ cứng ngang lớn nên hoạt
tải phân bố tương đối đều cho
b1

các dầm, ít rung trong quá
Mặt cắt chữ I
trình khai thác.
- Bản mặt cầu đổ bêtông tại chỗ cùng với dầm ngang, liên hợp với dầm chủ qua
cốt thép chờ, do vậy khắc phục triệt để vết nứt dọc so với mối nối dầm T.
Nhược điểm:
- Khi độ lệch tâm giữa trọng tâm bó cáp dự ứng lực và mặt cắt lớn, xuất hiện
vết nứt tại thớ trên dầm.
- Tĩnh tải dầm lớn, khối lượng bêtông và thép nhiều.
- Bản ván khuôn dày 8cm gây thêm phần tĩnh tải và tốn kém.
1.4.3. MẶT CẮT SUPER – T.
2140
Ưu điểm:
675
395
395
675
- Rất thuận tiện cho các loại
nhịp từ 20 ÷ 40m.
- Ván khuôn cố định, giảm giá
thành xây lắp.
- Hình dáng đẹp. Dầm có đáy
dạng hình hộp với ít góc cạnh
nên được xem như các dầm
100
hộp hay dầm bản lỗ rỗng
đang được ưa chuộng.
306
306
- Độ cứng chống xoắn cao. Sự

phân phối ứng suất trên mặt
226 226
cắt qua các giai đoạn đã phát
huy triệt để tính năng của vật
liệu.
1750

75

50

50

75

h1

h2

h3

h4

h5

h6

h7

-

700

Mặt cắt Super – T
Nhược điểm:
- Dầm được chế tạo theo phương pháp căng trước nên thích hợp với chế tạo
trong công xưởng. Nếu đúc tại công trường sẽ tốn kém thêm phần xây dựng
bệ đúc và giá căng cáp dự ứng lực. Chỉ thích hợp với cầu sử dụng nhiều dầm.
CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[85]


CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP
- Kết cấu bêtông thành mỏng đòi hỏi cao về công tác quản lý chất lượng.
1.4.4. MẶT CẮT HÌNH HỘP.
1394

1700

806

1800
2%

00
R5

R5
00

1

1

7358/2
1
2
1
2

SECTION S16
mÆt c¾t s16

6.889

2200

6.889

1400

300

2%

250

3900

1800

300

250

1400

1
2 SECTION
1
2 mÆt c¾t

S15
s15

Mặt cắt hình hộp
Ưu điểm:
- Mặt cắt hộp có bản đáy rộng nên diện tích bản bêtông hoàn toàn cân bằng với
khả năng lực của cáp dự ứng lực, vì thế giá trị của cánh tay đòn lớn.
- Ổn định đàn hồi của kết cấu rất tốt cả trong giai đoạn thi công cũng như giai
đoạn khai thác do độ cứng chống xoắn lớn.
- Hình dạng hộp đẹp, phù hợp với kết cấu nhịp chính.
- Có thể vượt được nhịp tương đối lớn.
Nhược điểm:
- Giá thành xây dựng nhịp lớn.
- Đòi hỏi phải có thiết bị thi công và công nghệ cao.
- Yêu cầu công nhân có trình độ cao.
1.4.5. XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA MẶT CẮT DẦM BTCT DƯL.
1.4.5.1. Chiều cao dầm chủ.

Dựa vào tính toán lý thuyết kết hợp với các số liệu thực tế, có thể xác định chiều
cao dầm theo công thức:
Trong đó: Hdc: Chiều cao dầm chủ
1
M
hdc =
α:
Hệ số, lấy bằng 0.7 ÷ 0.9
b
R
α (1 − 0.5α )
c u
b c:
Bề rộng bản cánh hữu hiệu của
dầm chủ.
Ru: Cường độ chịu uốn tính toán của
bêtông dầm.
M:
Momen uốn tính toán tại mặt cắt
giữa nhịp.
Ngoài ra cũng có thể xác định chiều cao dầm chủ theo kinh nghiệm sau đây,
dựa trên chiều dài nhịp:
1 ⎞
⎛ 1
÷
hdc = ⎜
⎟L
25
17
⎝

⎠
Theo AASHTO 2007:

hmin = 0.045L

1.4.5.2. Bề rộng bản cánh hữu hiệu.
Đối với dầm giữa, bề rộng bản cánh hữu hiệu bc không lấy quá trị số nhỏ nhất
của:
- ¼ chiều dài nhịp hữu hiệu.
- Khoảng cách tim hai dầm chủ.
- 12 bề dày bản cánh hb cộng với bề rộng sườn dầm bs.
Đối với dầm biên, bề rộng bản cánh hữu hiệu bc lấy bằng ½ bể rộng hữu hiệu của
dầm giữa cộng với trị số nhỏ nhất của:
- 1/8 chiều dài nhịp hữu hiệu.
CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[86]


CHƯƠNG 5: CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP
-

Bề rộng phần hẫng.chủ.
6 bề dày bản cánh hb cộng với một nửa bề rộng sườn dầm bs.

hs

bs

hb

Hdc

hc

bc

bb

Các kích thước cơ bản của mặt cắt dầm chủ.
1.4.5.3. Bề rộng sườn dầm.
Chiều dày sườn dầm thường lấy:
Trong đó: bs: Bề dày sườn dầm.
1
bs ≥
h
hs: Chiều cao sườn dầm.
15 s
Ngoài ra chiều dày sườn dầm không được lấy nhỏ quá các giá trị sau đây:
- Trong dầm toàn khối: bsmin = 12cm.
- Trong dầm lắp ghép: bsmin = 8cm.
Thông thường bề dày sườn dầm nằm trong khoảng bs = 15 ÷ 25cm.
1.4.5.4. Bề dày bản cánh.
Lấy theo yêu cầu cấu tạo của bản mặt cầu.
Chiều dày bản xe chạy không lấy nhỏ quá 10cm.
Ngoài ra cần chú ý yêu cầu về độ cứng của bản, chiều dày của bản không nhỏ
1
lb , trong đó lb là chiều dài nhịp tính toán của bản.
quá hc ≥
25

Thông thường bề dày sườn dầm nằm trong khoảng bc = 15 ÷ 25cm.
1.4.5.5. Bề rộng và chiều cao bầu dầm.
Kích thước phần bầu dầm được chọn căn cứ vào việc bố trí cốt thép dự ứng lực
trên mặt cắt dầm.
Thông thường bề rộng bầu dầm nằm trong khoảng bb = 55 ÷ 65cm.
Thông thường chiều cao bầu dầm nằm trong khoảng hb = 15 ÷ 25cm.

CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO F1

[87]