Bài giảng Thiết kế cầu thép (2016) TS. Nguyễn Quốc Hùng

THIEÁT KEÁ CAÀU THEÙP

NAÊM 2016


MÔ TẢ HỌC PHẦN
Học phần này cung cấp những kiến thức cơ bản về cấu tạo và tính toán cầu
thép, chủ yếu là nhịp cầu thép dạng dầm thép bản, cầu dầm thép liên hợp bản
BTCT và cầu dàn thép.
Người học cần có các kiến thức về kết cấu thép, về lý luận thiết kế cầu (môn
Tổng luận cầu). Kiến thức về cơ học kết cấu và Sức bền vật liệu.
Bài 1 : Khái niệm chung về kết cấu nhịp cầu thép.
Bài 2 : Cấu tạo cầu dầm đặc và dầm hộp, phương pháp lựa chọn kích thước
các bộ phận.
Bài 3 : Tính toán cầu dầm đặc .
Bài 4 : Cầu dầm liên hợp bản BTCT: Nguyên lý làm việc, tính các đặc trưng
hình học của dầm liên hợp, Kiểm tra về các điều kiện chịu lực của mặt cắt.
Bài 5: Cấu tạo cầu dàn thép.
Bài 6 : Tính toán cầu dàn thép.



1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG, ƯU KHUYẾT ĐIỂM
VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG CỦA CẦU THÉP
1.1- Cầu có kết cấu nhòp bằng thép
1.2- Ưu điểm của cầu thép:
 Thép có cường độ chòu lực cao cả khi kéo, nén, uốn, có trọng lượng bản thân nhỏ có
thể vượt được khẩu độ lớn và chòu tải trọng nặng.
 Thép có modun đàn hồi cao và có tính dẻo nên đáp ứng điều kiện khai thác với tải
trọng lớn và chòu lực xung kích tốt.
 Vật liệu thép dễ gia công nên có khả năng tạo được nhiều dạng cầu với hình dáng

đẹp.
 Các hình thức liên kết trong kết cấu thép rất phong phú và dễ thực hiện
1.3- Nhược điểm cuả cầu thép:
 Thép là một kim loại dễ bò ăn mòn dưới tác dụng của môi trường phải tốn nhiều
công sức, chi phí để bảo dưỡng.
 Thép là loại vật liệu không có sẵn trong tự nhiên, vì vậy giá thành vật liệu làm cầu
thép khá cao


1.2 CÁC HỆ THỐNG CẦU THÉP:
CÁC LOẠI
NHỊP CẦU THÉP

KiỂU DẦM

KiỂU VÒM

DẦM ĐẶC

VÒM ĐẶC

DẦM DÀN

VÒM DÀN

HỆ TĨNH ĐỊNH

CÓ LỰC ĐẢY NGANG

HỆ SIÊU TĨNH

KHÔNG LỰC ĐẢY NGANG

KiỂU DÂY

DÂY VÕNG


1.2.1. HỆ THỐNG CẦU THÉP KIỂU DẦM



Dầm liên tục



Dầm giản đơn


1.2.2. HỆ THỐNG CẦU THÉP KIỂU DÀN



Dàn giản đơn



Dàn liên tục

1.2.3. HỆ THỐNG CẦU THÉP KIỂU VÒM



Kiểu vòm dàn



Kiểu vòm cứng


1.2.4. HỆ THỐNG CẦU THÉP
KIỂU DÂY VÕNG :


1.2.5. CẦU THÉP CHO ĐƯỜNG Ô TÔ

 Chiều rộng lớn, chiều cao thấp, nhiều dầm dọc

1.2.6. CẦU THÉP CHO ĐƯỜNG SẮT

 Chiều ngang hẹp, chiều cao lớn, ít dầm dọc


1.3 CÁC BỘ PHẬN CỦA CẦU THÉP
1.3.1. CẦU DẦM THÉP

1- Dầm chính (dầm chủ): bộ phận chịu lực chính, vượt qua khẩu độ
2- Hệ liên kết ngang: dầm ngang hoặc khung ngang, liên kết các dầm chính với nhau
3- Hệ liên kết dọc: nằm theo mặt phẳng nằm ngang : chịu lực gió hay lực lắc ngang của xe

4- Hệ mặt cầu: cho các phương tiện giao thông hay người đi lên

5- Gối cầu: bố trí dưới đầu các dầm chính để truyền tải trọng xuống mố, trụ


1.3.2. CẦU DÀN THÉP :
1- Dàn chính (dàn chủ): chịu lực chính, vượt qua
khẩu độ
2- Hệ dầm mặt cầu: gồm dầm dọc và dầm ngang,
có tác dụng liên kết 2 dàn chính và nâng đỡ mặt cầu
3- Hệ liên kết ngang: liên kết 2 dàn chính, tạo thành
khung không gian
4- Hệ liên kết dọc: chịu lực gió ngang hay lực lắc
ngang của xe
5- Mặt cầu, bằng gỗ , bằng thép hay bằng BTCT
cho các phương tiện giao thông và người đi lên

6- Gối cầu: đảm bảo chuyển vị đầu nhịp và truyền
tải trọng xuống mố, trụ


1.4. ĐẶC ĐIỂM CUẢ VẬT LIỆU LÀM CẦU THÉP





VẬT LIỆU THÉP: THÉP TẤM, THÉP HÌNH
Thép cacbon : XCT 34; XCT 38; XCT 42; XCE 52(TCVN 5709:1993)
Thép hợp kim : 16Mn2 (16%C; 2%Mn)

Thép làm liên kết: Bulong 725-:-900 Mpa


CÂU HỎI ÔN TẬP:
1- Cầu thép là gì? Có những loại cầu thép nào? Ưu nhược điểm của cầu thép?
2- Có những dạng cầu thép nào trong hệ thống cầu dầm thép?

3- Có những dạng cầu thép nào trong hệ thống cầu dàn thép?
4- Có những dạng cầu vòm thép nào? Đặc điểm của chúng?
5- Có những dạng cầu thép nào trong hệ thống cầu dây?
6- Vật liệu dung làm cầu thép có những đặc điểm gì?
7- Tại sao cầu lớn cho đường sắt thường làm bằng cầu thép?


BÀI 2


2.1 MẶT CẮT NGANG CẦU:
Bao gồm :
1- Dầm chủ
2- Hệ liên kết ngang
3- Hệ liên kết dọc
4- Mặt cầu


4

1

3

2


2.2. CẤU TẠO DẦM CHỦ
Bao gồm :
 1- Bản sườn: chòu lực
cắt
 2- Bản cánh: chòu nén,
kéo khi uốn
 3- Sườn tăng cường
đứng: tạo độ cứng bản
sướn , chòu cắt
 4- Sườn tăng cường
ngang: tăng ổn đònh
phần sườn chòu nén

2

1

4

3
2


2.2.1.CÁC DẠNG MẶT CẮT DẦM CHỦ



MẶT CẮT HÌNH HỘP

Mặt cắt nhiều hộp

 MẶT CẮT CHỮ I


Mặt cắt một hộp




Mặt cắt thép hình (cán sẵn)
Mặt cắt tổ hợp hàn
Mặt cắt tổ hợp đinh tán


2.2.2. CHỌN KÍCH THƯỚC MẶT CẮT DẦM CHỦ


CHIỀU CAO DẦM

-Theo điều kiện kinh tế:

h

 .M
Rt .t s

Trong đó:
α – Hệ số, lấy bằng 2,5-:-2,7
M - momen uốn tính tốn
Rt – Cường độ tính tốn của thép
ts – chiều dày của sườn dầm

- Theo kinh nghiệm (phù hợp với các điều kiện trên):
 Cầu đường sắt
Nhòp nhỏ ( < 30m): (1/9 -:- 1/13)L
Nhòp lớn, có bản bê tông liên hợp (máng ba lát) : (1/10-:-1/15)L
 Cầu ôtô
Nhòp giản đơn (thường < 50m) : (1/12 -:- 1/20)L
Nhòp liên tục 50m-:-60m : chiều cao không đổi (1/15-:-1/20)L ( với Lb = 0,75-0,8 Lg)
Nhòp liên tục > 50m-60m: chiều cao thay đổi theo đường thẳng hoặc cong,
với (1/45-1/60)L cho giữa nhòp và (1/20-1/30)L tại gối (hoặc 1,2-1,3 h0,5)




CHIỀU RỘNG VÀ CHIỀU DÀY BẢN CÁNH

Chiều dày bản cánh tối thiểu không dưới 10mm và mỗi tập bản không quá 20mm,
không quá 7 tập bản

Chiều rộng bản cánh cùng với chiều dày tạo nên diện tích chòu lực nhưng phải tương
ứng để đảm bảo ổn đònh cho cánh chòu nén.
Phần cánh hẫng ra: đối với cầu đường sắt < 10 tc và 0,3m; với cầu ôtô < 15tc và 0,4m
(mặt cắt tổ hợp tính từ cánh thép góc).
Chiều rộng tối thiểu cuả bản cánh trong cầu đường sắt do điều kiện kê cuả tà vẹt là
240mm; còn trong dầm tổ hợp là (2bg + ts + 2x5)momen

Khi tổ hợp nhiều tập bản có chiều dày và chiều rộng khác nhau thì phải cắt vát để
chuyển tiếp, với 1/8 cho cánh chòu kéo và 1/4 cho cánh chòu nén.
-Những mặt cắt có momen lớn có chiều dày bản cánh lớn, nơi momen nhỏ chiều dày
bản cánh mỏng => tiết kiệm thép, giảm tónh tải.


2. 3. SƯỜN TĂNG CƯỜNG
2.3.1. KÍCH THƯỚC SƯỜN TĂNG CƯỜNG
Chiều dày (ttc) tối thiểu Sườn tăng cường là 10mm-12mm, tại gối có thể dày 20mm30mm. Bề dày Sườn tăng cường không nhỏ hơn 1/15 chiều rộng chìa ra khỏi sườn chủ
Chiều rộng tối thiểu Sườn tăng cường đứng (btc)không nhỏ hơn cánh thép góc chìa ra
và phải đủ để bố trí mối liên kết ngang (80mm nếu liên kết bulông, 40-50mm nếu liên
kết hàn)
Khoảng cách tại L/3 từ 300mm-700mm; từ L/3-:-2L/3 là 700mm – 1500mm; từ
2L/3 đến L/2 là 1000mm – 2000mm. Ở giữa nhòp và trên 2 gối cần có sườn tăng cường
đứng để bố trí liên kết ngang.
Sườn tăng cường đứng phải bố trí lệch khỏi vết hàn nối tại nhà máy là 10 lần chiều
dày sườn tăng cường và xa mối nố ghép tại công trường đủ để thực hiện liên kết nối
ghép.
Phải vạt góc sườn tăng cường tại nơi tiếp giáp với mối hàn (của bản cánh hay sườn
tăng cường ngang)
Cho phép hàn đầu sườn tăng cường đứng với bản cánh chòu nén, với bản cánh chòu
kéo phải để các xa 10mm hay dùng miếng thép kê dày 16-20mm.


2.3.2. BỐ TRÍ SƯỜN TĂNG CƯỜNG ĐỨNG
1- Ưu tiên cho các sườn tăng cường có liên kết ngang: khoảng cách bằng nhau, sườn đầu
tiên tại gối, nên có sườn liên kết ngang tại giữa nhịp.
2- Bố trí sườn đứng bổ sung vào trong khoảng các sườn đã bố trí, theo giá trị nội lực cắt, ra
gần đầu dầm khoảng cách gần nhau hơn
3- Sườn tăng cường đứng bố trí đối xứng cả 2 bên bản sườn dầm. Đầu trên đến sát bản cánh

trên, đầu dưới cách xa bản cánh 10-20mm; có thể kê miếng thép đệm [] 50x100x10.


2.3.3. BỐ TRÍ SƯỜN TĂNG CƯỜNG NGANG
Sườn tăng cường ngang có tác dụng ổn đònh cục bộ sườn chủ tại khu vực chòu nén
lớn, khi chiều cao hs > 50 ts. Trong dầm hàn nên bố trí sườn đứng và tăng chiều dày
bản bụng một các hợp lý để hạn chế dùng sườn tăng cường ngang.
Sườn tăng cường ngang bố trí song song với bản cánh, liên kết với sườn chủ (bản
bụng) bằng đinh tán (nếu dùng thép L) hay bằng hàn (nếu dùng thép L hay thép bản).
Nếu dùng 1 sườn tăng cường ngang thì bố trí cách bản cánh chòu nén (0,2-0,25)hs ,
còn dùng 2 hay 3 sườn tăng cường ngang thì bố trí sườn thứ 1 cách (0,15-0,2)hs; sườn

thứ 2 cách (0,4-0,5)hs; sườn thứ 3 trong khu vực bản bụng chòu kéo.


2.4. MỐI NỐI DẦM CHỦ
2.4.1. VÌ SAO PHẢI NỐI :
1- Vật liệu thép không đủ dài
2- Điều kiện vận chuyển, cẩu lắp khó khăn
3- Để tạo độ vồng
2.4.2. BỐ TRÍ MỐI NỐI Ở ĐÂU ?
1- Nơi có momen không lớn
2- Không trùng với liên kết ngang, sườn tăng cường
3- Dễ vận chuyển, nối ghép
2.4.3. CẤU TẠO MỐI NỐI:

2.4.4. YÊU CẦU ĐỐI VỚI MỐI NỐI:

1- Nối bản sườn
2- Nối bản cánh trên, dưới

3- Nối đối đầu
4- Nối so le

1- Đảm bảo điều kiện chịu lực (1,2 lần tiết diện nguyên)
2- Dể liên kết , dễ thi công


2.5. HỆ LIÊN KẾT
2.5.1. HỆ LIÊN KẾT NGANG

Có 2 dạng:
Tổ hợp bằng thép góc
Bằng dầm thép hình
 Tác dụng:
Tăng độ cứng ngang cầu
Phân phối hoạt tải giữa các dầm chủ


Hệ liên kết ngang đầu nhịp phải
làm bằng thép hình đủ cứng để
có thể kích nâng nhịp cầu khi
cần thay gối