Tổng quan thiết kế cầu thép

08/03/2016

NỘI DUNG CHÍNH:

THIẾT KẾ CẦU THÉP

Phần 1: Phân loại và lịch sử phát triển

Chương 1: Tổng quan

Phần 2: Tính chất vật liệu thép
Phần 3: Các đặc điểm của cầu thép
Phần 4: Xu thế phát triển của cầu thép

Khoa CTGT
TS. Nguyễn Tiến Thủy
2

1

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

Phần 1: Phân loại và lịch sử phát triển
I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

1. Cầu dầm (Girder bridge)

1. Cầu dầm (Girder bridge)

(1.1). Cầu dầm bản thép (steel plate girder bridge)
• Được dùng nhiều ở chiều dài nhịp ngắn-vừa

• Thường dùng tiết diện chữ I, H

Nhịp liên tục
Continuous spans

Nhịp giản đơn
Discontinuous spans

• Sử dụng các ràng buộc ngang để tăng cường ổn
định cho cầu
• Là loại cầu cơ bản nhất, cũng là cơ sở cho TK các
loại cầu khác

Mút thừa
Suspended-andcantilever spans
3

4

1


08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

1. Cầu dầm (Girder bridge)

1. Cầu dầm (Girder bridge)

(1.1) Cầu dầm bản thép (steel plate girder bridge)

(1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge)
• Thích hợp cho nhịp lớn
• Độ cứng chịu xoắn cao, trong lượng tối ưu, thích
hợp cho cầu cong.
• Mỹ thuật tốt, bền môi trường.
• Loại hộp chữ nhật (rectangular) hoặc hình thang
(trapezodial) sections.

6

5

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

1. Cầu dầm (Girder bridge)

1. Cầu dầm (Girder bridge)

(1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge)

(1.2) Cầu dầm hộp thép (box girder bridge)

Dầm hộp thép với mặt cầu trực giao

Cầu dầm hộp thép mặt cầu liên hợp
Composite box girder bridge

Full steel box girder
7

8

2


08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

1. Cầu dầm (Girder bridge)

1. Cầu dầm (Girder bridge)
(1.3) Cầu giàn thép (truss bridge)

(1.3) Cầu giàn thép (truss bridge)
• Trọng lượng nhẹ, độ cứng cao
• Sử dụng rỗng rãi trong cầu đường sắt
• Vật liệu sử dụng hiệu quả hơn cầu dầm?
• Chế tạo, bảo trì phức tạp
• Sơ đồ: Đơn giản, liên tục, mút thừa
• Bố trí đi trên hoặc đi dưới

Through
trussbridge
bridge
Deck truss
9

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

10

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

1. Cầu dầm (Girder bridge)
(1.3) Cầu giàn thép (truss bridge)

2. Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge)
• Khác biệt với cầu dầm ?
• Kết cấu chịu lực chính là vòm
• Mỹ quan, chịu lực hợp lý, vượt nhịp lớn
• Các vấn đề cần lưu ý: Thiết kế, thi công, ổn định,
động lực học, mỏi..
• Phân loại: rất nhiều cách

Cầu Long Biên, 1902
11

12

3

08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

2. Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge)

2. Cầu vòm thép (Steel Arch Bridge)

Through arch bridge (chạy dưới)

Sydney
Harbour
bridge, Úc
New
River
Gorge Bridge,
Mỹ (nhịp
(nhịp 503,1932)
518.5,1977)

Deck
arch bridge
vòm
chạygiữa)
trên)
Half-through
arch(cầu

bridge
(chạy
13

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

3. Cầu dây văng thép (Steel cable-stayed bridge)
•
•
•
•
•
•

14

3. Cầu dây văng thép (Steel cable-stayed bridge)

Vượt nhịp lớn
Chịu lực: Dầm + Dây
Dây treo có tác dụng như gối đàn hồi
Thi công đúc hẫng, lắp hẫng; không yêu cầu neo
Khác cầu dầm?
So với cầu dây văng BTCT? ( Thiết kế, chi tiết, chế
tạo, thi công, vận hành, bảo dưỡng)

Cầu Stromsund (Thụy Điển) - 1956
15

16

4


08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

3. Cầu dây văng (Steel cable-stayed bridge)

Russky Island Bridge, Russian ( main span 1104 m), dài nhất thế giới

3. Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

17

Sutong Bridge, China ( main span 1088 m)

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

3. Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

3. Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

18

Cầu Mỹ Thuận, cầu dây văng đầu tiên của Việt Nam (350 m, 2000)
Tatara Bridge, Japan ( main span 890 m, 1999)

19

(dầm BTCT DUL)

20

5


08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

3. Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

3. Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

Cầu Bính, Việt Nam (100 +260+100 m, 2005)
Cầu Bãi cháy, cầu dây văng 1 mp đầu tiên của Việt Nam (nhịp 435 m, 2006)

21

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

22

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

3. Cầu dây văng (cable-stayed bridge)

4. Cầu treo dây võng (suspension bridge)
• Kết cấu chịu lực chủ yếu là dây võng (cáp chủ)
• Vượt nhịp rất lớn; thi công ít cản trở
• Chịu tải động đất tốt
• Thay thế được mặt cầu
• Phương thức chịu lực vs cầu vòm?
• Phân loại: Self-anchored (tự neo) và neo ngoài

Cầu Nhật Tân, Việt Nam ( 150+4*300+150, 2015)

23

24

6


08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

4. Cầu treo dây võng (suspension bridge)

4. Cầu treo dây võng (suspension bridge)

25

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

Akashi-Kaikyo Bridge, Japan ( main span 1991 m), dài nhất thế giới

26

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

4. Cầu treo dây võng (suspension bridge)

5. Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge)
• Dầm và trụ (hoặc mố) liên kết cứng với nhau, cùng
làm việc
• Là cầu lai giữa cầu dầm và cầu vòm
• Loại 1 nhịp phân thành kiểu cổng hay kiểu chân xiên
• Loại nhiều nhịp có cầu liên tục và không liên tục

Cầu Thuận Phước, Việt Nam ( nhịp chính 405 m, 2009, dài nhất Việt Nam)

27

28

7

08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

5. Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge)

Sfalassa bridge ( span 376 m) World longest rigid frame bridge

5. Cầu khung cứng (Rigid Frame Bridge)

29

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

Jiang han bridge, China ( span 176 m) Chinese longest

30

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

6. Cầu thép hệ liên hợp

6. Cầu thép hệ liên hợp

• Do 2 hay nhiều loại kết cấu tạo thành
• Có các loại chủ yếu như: (1) Dầm và vòm kết hợp; (2)

dầm và dây treo; (3) dầm và dây văng; (4) dây treo và
dây văng.

31

Dầm và vòm kết hợp

32

8


08/03/2016

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

6. Cầu thép hệ liên hợp

6. Cầu thép hệ liên hợp

Dầm và dây treo kết hợp

Dầm và dây văng kết hợp
33

34

II. Lịch sử phát triển

I. Phân loại – theo cách thức chịu lực

1. Tổng quan sự phát triển

6. Cầu thép hệ liên hợp

Dây treo và dây văng kết hợp
35

•

Từ những năm 1820, khi đầu máy hơi nước ra đời, đường
sắt bắt đầu phát triển, cầu đường sắt cũng phát triển từ đó.
Động cơ đốt trong của ô tô ra đời sau đầu máy xe lửa, cầu
thép đường bộ ra đời sau cầu đường sắt.

•

Trước khi vật liệu thép ra đời, cầu được làm bằng gỗ, gạch,
đá, gang (cast iron). Những cầu thép thời kỳ đầu được làm
bằng gang và sắt rèn (wrought iron).

•

1870, thép xuất hiện, từ 1890 mới được ứng dụng nhiều.

•

Từ 1930, đường bộ phát triển, các cầu nhịp lớn của đường

sắt đều bị vượt nhịp bởi cầu đường bộ. Từ sau thế chiến
thứ 2, Đức và Nhật xây dựng nhiều sau chiến tranh. Lý
thuyết thiết kế, kỹ thuật chế tạo được hoàn thiện.
36

9


08/03/2016

II. Lịch sử phát triển

II. Lịch sử phát triển

2. Các giai đoạn phát triển

Một số công trình tiêu biểu

2.1 Trước 1890

• Nhịp 100 ft (30.5 m)

• Chủ yếu là cầu sắt, dùng vật liệu gang và sắt rèn là chủ yếu.

• Xây dựng 1777-1779

• Lýthuyết thiết kế sơ khai, chưa có tiêu chuẩn, chủ yếu dựa
trên kinh nghiệm. Sự cố nhiều (trung bình 4 vụ/ năm). i.e.:
cầu Ashtabulam, US, do va chạm và mỏi, sập năm 1877,
chết 92 người. Cầu Tay River, UK, sập năm 1879, chết 75

người.

• Sử dụng 400 tấn sắt
• Tạo thành bởi các vòm sắt
hình bán nguyệt
• Thiết kế theo nguyên lýcủa
cầu đá

• Cầu sắt đầu tiên là xây dựng năm 1777 (coalbrookdale
bridge). Nay vẫn được sử dụng cho một số giao thông nhẹ
và người đi bộ.
37

38

II. Lịch sử phát triển

II. Lịch sử phát triển

Một số công trình tiêu biểu

Một số công trình tiêu biểu
• Royal Abert bridge, UK
(xây dựng: 1854-1859)
• Tổng chiều dài: 666.8 m
• Nhịp chính: 138.7 m
• Liên hợp: Vòm + Võng
+ dàn+ dầm

• Forth bridge, UK (xây dựng: 1882-1890)

• Tổng chiều dài: 2528.7 m
• Thiết kế, thi công theo nguyên lýcầu dầm hẫng (cantilever)

39

40

10


08/03/2016

II. Lịch sử phát triển
2. Các giai đoạn phát triển
2.1 Từ 1890 - 1920
• Nhiều cầu thép được xây dựng, loại hình cầu phong phú
• Thép bắt đầu được ứng dụng rỗng rãi trong cầu thép

41

II. Lịch sử phát triển

42

II. Lịch sử phát triển

Một số công trình tiêu biểu

Một số công trình tiêu biểu
• Quebec bridge

• Cantilever
• Tổng dài: 987 m
• Nhịp chính: 549 m
• Hoàn thành 1919
• Chết 13 Công nhân

• Quebec first bridge
• Failed on 1907, 75 deaths

43

44

11


08/03/2016

II. Lịch sử phát triển

II. Lịch sử phát triển

2. Các giai đoạn phát triển

Một số công trình tiêu biểu

2.1 Từ 1920 - 1945
• Lýthuyết thiết kế cầu thép phát triển mạnh. 1923, nước Anh
thành lập hội cơ học cầu, đi sâu nghiên cứu các vấn đề nổi
trội trong tk cầu. 1929 ứng suất cho phép tăng 12%. 1926,

Đức có tiêu chuẩn kết cấu thép.
• 1931, Mỹ xây cầu treo dây võng nhịp chính 1067 m.
• 1932, Cầu vòm Sydney Harbour nhịp chính 503 m

•

Sydney Harbour bridge

•

Tổng chiều dài: 1149 m

•

Nhịp chính 503 m

•

Xây dựng: 1923-1932

•

8 làn ô tô, 2 làn xe lửa, 1 làn

Bộ hành, 1 làn xe dạp

45

II. Lịch sử phát triển

46

II. Lịch sử phát triển

2. Các giai đoạn phát triển

2. Các giai đoạn phát triển

2.1 Từ 1945 - Nay

2.1 Từ 1945 - Nay

• Xuất hiện cầu thép hiện đại: (1) sử dụng thép cường độ cao,
hợp kim thấp; bê tông dự ứng lực; bê tông cường độ cao;
vật liệu composite; (2) sử dụng mặt cầu thép trực giao, kết
cấu thép-bê tông cốt thép liên hợp; dầm hộp; kết cấu có độ
siêu tĩnh cao,các loại kết cấu cầu hệ liên hợp; (3) trong thiết
kế sử dụng phân tích phi tuyến, phân tích không gian, động
lực học, độ tin cậy. (3) trong thi công sử dụng công nghệ
mới, thi công nước sâu, cọc đường kính lớn, thi công lắp
hẫng, đúc hẫng, liên kết sử dụng hàn, bu lông cường độ
cao, dự ứng lực.

• Thiết kế, xây dựng cầu phải kinh tế (tiết kiệm vật liệu, nhân
công, ít ảnh hưởng môi trường), tuổi thọ cao.

47

48

12


08/03/2016

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

II. Lịch sử phát triển

I. Thành phần

Một số công trình tiêu biểu

• Sắt
• Một lượng nhỏ Carbon và manganse
•

Tatara bridge

•

Tổng chiều dài: 1480 m

• Các tạp chất không thể hoàn toàn loại bỏ từ quặng (sulphur,
phosphorus)
• Một số thành phần hợp kim được đưa và để tăng tính chất
cho thép: Copper, Silicon, Nickel, chromium,vv..

(320+890+270)
•

Nhịp chính 890 m

•

4 làn ô tô, 2 làn va xe dạp

•

605.8 Triệu đô

Cường độ của thép tăng theo tỉ lệ carbon, nhưng một số tính
chất như độ dẻo, độ hàn giảm.

•

Vùng động đất và bão

• Đặc tính phụ thuộc phương pháp, công nghệ chế tạo

49

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

• Hot-rolled or welded from flat plate

50

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

II. Một số loại thép cơ bản
1. Thép carbon (carbon steels)

II. Một số loại thép cơ bản
2. Thép cường độ cao (high-strength steels)

• Có thành phần của Mn, Cu, Si

• Fy:300-390 MPa

• Rẻ; dễ hàn

• EN S355; AASHTO M270 (ASTM) cấp 50 (fy=345 MPa)

• Fy up to 275 MPa
• Châu âu: EN S235 và S275; Mỹ AASTHO M270 (vàASTM
A709) cấp 36 (fy=248 Mpa))

51

52

13


08/03/2016

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

II. Một số loại thép cơ bản

II. Một số loại thép cơ bản

3. Thép carbon xử lý nhiệt (heat-treated carbon steels)

4. Thép bền thời tiết (weathering steel)

• Được xử lýnhiệt qua quá trình tôi và ram

• Được xử lýnhiệt qua quá trình tôi và ram

• EN S420, S460; AASHTO M270 (ASTM A709) cấp 100
(fy=621-689 Mpa)

• EN 10155 S235, S355; AASHTO M270 (ASTM A709) cấp
50W, 70W và 100W (fy= 345; 483; 621-689 Mpa)

• Vẫn giữ được tính chất tốt của thép, tăng cường độ

• Chịu gỉ sét tốt

53

Phần 2. Tính chất vật liệu thép
II. Một số loại thép cơ bản

54

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

• Most important
characteristics: Es =
200GPa;
• Yield stress fy: 250 –
400 MPa;
• Strain hardening: 1011 times of Yield strain
• Based on Uniaxial
loading of specimen

55

II. Một số loại thép cơ bản
•

Grade 250: thép carbon;
thềm chảy dẻo rộng

•

Grade 345: Hợp kim thấp,
cường độ cao; cán nóng;
dẻo cao; hàn được.

•

Grade 485: HK thấp, xử lý
nhiệt, nhúng nóng-> CĐ,
Độ cứng, độ dai cao; hàn

được

•

Grade 690: gia công nhiệt
cd cao; độ dẻo kém

56

14


08/03/2016

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

III. Một số tính chất cơ bản

III. Một số tính chất cơ bản

• Cường độ (strength)

• Độ dẻo dai (Ductility)

- fy (yield strength): Tham số quan trọng nhất trong KC thép

- Khả năng vật liệu có thể kéo dài được từ lúc chảy – phá
hoại

+ Xác định qua quan hệ US-Biến dạng từ thínghiệm kéo
+ A/h bởi: (1) cấu tạo hình học của mẫu, (2) tốc độ thínghiệm ,
(3) vị trí, hướng của mẫu; (4) độ cứng của máy đo.
- Mô đun đàn hồi (Young’s modulus) E 200-210 GPa

- Có lợi cho: (1) sự phân bố lại ứng suất tại trạng thái giới
hạn cường độ; (2) thiết kế nhóm bulong; (3) giảm rủi ro phá
hoại mỏi.
Cách đánh giá độ dai: Bằng thínghiệm kéo (i.e. ASTM E8)

- Mô đun cắt G

( generally Lo=5.65 sqrt(So))

- Hệ số dãn nở nhiệt (Coefficient of thermal expansion):
(11-13) e-6 mm/mm/oC
57

58

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

Phần 2. Tính chất vật liệu thép
III. Một số tính chất cơ bản

III. Một số tính chất cơ bản
• Độ hàn (Weldability):
• %C <0.3% -> Weldable
%C and Mn tăng-> cường độ tăng, độ cứng tăng-> khó hàn

Nhóm hợp kim (Cr, V (vanadi)..giúp tăng cường độ; Niken (Ni),
Copper (Đồng) giúp chống thời tiết nhưng là giảm độ hàn
Chỉ số: Carbon equivalent, để đảm bảo độ hàn

C

Mn Cr  Mo  V Ni  Cu


6
5
15

Còn chịu ảnh hưởng bởi bề dày cấu kiện
59

60

15


08/03/2016

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

III. Một số tính chất cơ bản
• Notch Ductility (Độ bền khía)

III. Một số tính chất cơ bản

Là khả năng của thép chống lại gãy dòn
Gãy dòn: là phá hoại đột ngột dưới điều kiện tải trọng ở
mức thấp hơn tải trọng làm thép đạt cường độ chảy.
Nguyên nhân: Thay đổi mặt cắt đột ngột-> local stress
concentration (ứng suất tập trung cục bộ)
Cấu kiện bị hàn dễ bị gãy dòn hơn vì: (1) thêm khiếm
khuyết; (2) giảm độ bền ở vùng gần mối hàn: (3) bổ sung
kim loại khác vào cấu kiện; (4) phát sinh ứng suất dư
Xác định bằng thínghiệm: Charpy V-notch impact test
61

Phần 2. Tính chất vật liệu thép
III. Một số tính chất cơ bản

62

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

• Notch Ductility (Độ bền khía)

III. Một số tính chất cơ bản
• Weather resistance (độ bền thời tiết)

BS 5400 Part 3 qui định:

• Weathering steel (i.e. M270 cấp 50W, fu =485; fy=345)

U  T  20

t  50 K (355 /  y )1.4 (1.2) (U T )/10

• Hình thành lớp iron oxide, chống lại rỉ.
• Màu đỏ-vàng đến tím-nâu; không cần sơn nếu hợp mỹ
quan

AASHTO?
Bài tập: Tìm hiểu quy định về Notch Ductility theo aashto và
eurocode. Lấy vídụ. (thời gian: 1 tuần)
63

64

16


08/03/2016

Phần 2. Tính chất vật liệu thép

Phần 3. Các đặc điểm của cầu thép

III. Một số tính chất cơ bản

I. Ưu điểm
• “Độ nhẹ” (tỷ trọng/cường độ) nhở hơn bê tông, gỗ,..-> chịu
lực lớn, kết cấu mảnh.
• Cường độ cao, đồng chất: Chịu kéo, nén, cắt đều tốt; trọng
lượng riêng nhỏ so với nhiều loại vật liệu khác (i.e bê tông).
Vượt được nhịp lớn; dễ gia công

•

Cấu kiện dễ công nghiệp hóa chế tạo, vận chuyển, thi công
đơn giản-> thời gian thi công ngắn.

• Tính dẻo cao, phá hoại kèm biến dạng lớn-> phân bố lại ứng
suất, cảnh báo nguy hiểm
• Bị hư hỏng dễ sửa chữa, thay thế
65

Phần 3. Các đặc điểm của cầu thép

• Cầu cũ có thể tái sử dụng, tốt cho môi trường

66

Phần 3. Các đặc điểm của cầu thép

I. Ưu điểm

I. Ưu điểm

• Độ bền cao (durability)

• Tính thẫm mỹ cao

- Dễ sửa chữa

- Nhiều kiểu tạo hình

- Tuổi thọ được kéo dài

- Chất lượng bề mặt cao

bằng việc sơn bảo trì

- Chi tiết dễ điều chỉnh

- Dễ gia cố, gia cường

- Màu sắc

• Lowry Bridge, Manchester, UK
Golden gate Bridge, US
67

68

17


08/03/2016

Phần 3. Các đặc điểm của cầu thép

Phần 3. Các đặc điểm của cầu thép

II. Nhược điểm

III. Kết cấu và chịu lực

• Dễ bị ăn mòn, gỉ sét. cần thường xuyên kiểm tra, sơn bảo
dưỡng (tốn thời gian, chi phí, ảnh hưởng sức khỏe, môi
trường)
• Cầu đường sắt tiếng ồn và rung động cao

(1) Kết cầu thành mỏng (thin-walled): Cầu thép chủ yếu
được chế tạo thành kết cầu thành mỏng, tính toán ứng suất
cần tính đến biến dạng cắt xuất hiện sau (shear lag), xoắn (tự
do, ràng buộc).
(2) Ổn định (stability): Cầu thép độ cứng thấp,vấn để ổn định
cần được lưu ý. Để tránh mất ổn định cục bộ, cần bố trísườn
gia cường, hạn chế tỉ lệ bề rộng và bề dày cấu kiện
(3) Độ cứng (stiffness): Để đảm bảo độ cứng, trong thiết kế
thông qua độ mảnh (slenderness ratio), độ võng (deflection),
tỉ lệ nhịp/bề rộng cầu) để khống chế.

69

70

Phần 4. Xu thế phát triển của cầu thép

Phần 3. Các đặc điểm của cầu thép

I. Các vấn đề cần nghiên cứu giải quyết

III. Kết cấu và chịu lực
(4) Mỏi (fatigue): Nơi mà ứng suất kéo thay đổi độ lớn hoặc
xuất hiện ứng suất kéo, nén thay đổi cần tính đến ảnh hưởng

của độ mỏi.

(1) Đánh giá an toàn cầu và phương pháp thiết kế dựa trên lý
thuyết độ tin cậy và trạng thái xác suất cực hạn

(5) Liên kết (connection): Cấu kiện cầu thép chủ yếu do thép
bản hoặc thép hình hàn kết mà thành. Tại công trường sử
dụng liên kết hàn hoặc bu lông cường độ cao (high-strength
bolt) để kết nối.

(3) Nghiên cứu về cấu tạo chi tiết để chống lại vấn để mỏi của
cầu thép

(2) Sản phẩn thép, bu lông, vật liệu hàn mới

(4) Cấu tạo hợp lýcủa bản mặt cầu trực giao dị tính
(5) Mất ổn định tổng thể, cục bộ, hình thái phá hoại của bản
chịu nén
(6) Vấn đề xoắn và kỳ biến của cầu dầm hộp

71

72

18


08/03/2016

Phần 4. Xu thế phát triển của cầu thép

Phần 4. Xu thế phát triển của cầu thép

I. Các vấn đề cần nghiên cứu giải quyết
(7) Độ cứng hợp lývà hệ số động lực cộng hưởng cầu-xe
(8) Thiết kế và chế tạo cầu thép điển hình, độ chính xác cao
(9) Nghiên cứu về chống gỉ
(10) Kỹ thuật đánh giá, khống chế chất lượng cầu

II. Xu hướng phát triển
(1) Nhịp dài hơn, cầu lớn hơn, mềm hơn: Sử dụng các hệ
cầu hỗn hợp, phát huy hiệu quả tính chất vật liệu. (2) Nghiên
cứu ứng dụng các loại thép mới: Cường độ cao, độ dẻo tốt,
nhẹ, khả năng hàn tốt; nghiên cứu các thiết bị cách chấn,
giảm chấn hiệu quả.
(3) Sử dụng mô phỏng chính xác trong quá trình thiết kế
(trong điều kiện động đất, bão, sóng biển…) để tối ứu hóa
thiết kế cầu
(4) Tôn trọng mỹ thuật cầu, môi trường sống hơn
(5) Công xưởng hóa chế tác quy mô lớn, thiết bị thi công lớn
(6) Thiết kế và vận hành cầu hiệu quả.

73

74

CÁC NỘI DUNG CẦN NẮM
(1) Cách phân loại cầu và đặc điểm chịu lực của các loại cầu
(2) Các tính chất quan trọng của vật liệu thép
(3) Các đặc điểm của cầu thép

(4) Các xu hướng phát triển và các vấn đề cần nghiên cứu
giải quyết

75

19


08/03/2016

NỘI DUNG CHÍNH:

Chương 2: Nguyên lý thiết kế

Phần 1: Các yêu cầu và nguyên tắc cơ bản
Phần 2: Các triết lý thiết kế
Phần 3: Tác dụng lên cầu
Phần 4: TK cầu thép theo TCN 272-05

Khoa CTGT
TS. Nguyễn Tiến Thủy
2

1

Phần 1: Các nguyên lý cơ bản

Phần 1: Các nguyên lý cơ bản

I. Nguyên lý và các yêu cầu cơ bản

I. Nguyên lý và các yêu cầu cơ bản

Cầu thép chủ yếu sử dụng thép bản, thép hình. Công đoạn
gia công nhiều, phức tạp, yêu cầu kỹ thuật cao, sản xuất
công nghiệp hóa. Sử dụng cấu kiện hàn tại xưởng, lắp ghép
tại hiện trường (bu lông cường độ cao, hàn).
• Thiết kế phải đảm bảo phù hợp phương án thi công,
thuận lợi gia công, vận tải, lắp đặt, kiểm tra, dưỡng hộ.
• Là kết cấu cường độ cao, nhẹ, thành mỏng, vượt nhịp lớn.
Độ cứng nhỏ, biến dạng, dao động lớn hơn cầu bê tông.
Cầu thép phải có độ cứng tổng thể phù hợp để đảm bảo
xe cộ di chuyển an toàn, thoải mái.

KC Cầu

Cầu DBTQ

Cầu DS TQ

Nhật

Mỹ

Cầu dàn giản đơn

L/800

L/900

L/600

-

Cầu dầm bản

L/600

L/800

L/500

L/800

Dây văng

L/400

-

L/350

-

Dây võng

L/400

-

L/400

-

Việt nam

L/800

Độ võng cho phép của cầu do tải trọng xe
3

4

1


08/03/2016

Phần 1: Các nguyên lý cơ bản

Phần 1: Các nguyên lý cơ bản

I. Nguyên lý và các yêu cầu cơ bản

I. Nguyên lý và các yêu cầu cơ bản

• Đối với cầu có độ võng do tải trọng bản thân và hoạt tải
tĩnh lớn (>L/1600), cần thiết kế độ vồng. (= tải trọng bản
thân+ ½ hoạt tải).
• Đối với cầu sử dụng liên kết hàn tại công trường, phải

tính đến biến dạng kết cấu do quá trình hàn sinh ra.
• Phải đủ độ cứng theo phương ngang để tránh mất ổn
định theo phương này. Đặc biệt là cầu đường sắt, cầu
nhịp lớn (i.e. cầu vòm thép). Nếu L/b>20, cần đảm bảo
ổn định ngang.
• Tính đến ứng suất trong quá trình thi công.
5

Phần 1: Các nguyên lý cơ bản
I. Nguyên lý và các yêu cầu cơ bản
• Thông thường lớp sơn bảo vệ chỉ được tối đa 10 năm.
Tất cả các bộ phận có khả năng bị ăn mòn phải tk không
giao bảo dưỡng cầu (đủ diện tích cho người chui vào
hoặc làm kín). Tránh việc sử dụng mặt cắt hộp có chiều
cao hoặc rộng của dầm quá nhỏ, gây khó khăn cho
dưỡng hộ và a/h mối hàn.
• Vấn đề mỏi chịu ảnh hưởng của (1) phẩn chất thép, (2)
tích chất tải trọng, trạng thái ứng suất, liên kết.. Trong
thiết kế sử dụng thép có độ dẻo cao, tránh ứng suất tập
trung; Tránh biến đổi mặt cắt quá đột ngột.
• Giảm thiểu chủng loại cấu kiện, cố gắng sử dụng cấu
kiện tiêu chuẩn. Kích thước cấu kiện phải tính đến điều
kiện, khả năng vận tải.
7

6

Phần 2: Các triết lý thiết kế
• Mục tiêu của tiêu chuẩn thiết kế cầu là gi?
(đảm bảo cầu là an toàn, tức là sức kháng về mặt cường độ,

độ cứng, ổn định của các cấu kiện cầu và cả hệ thống cầu
vượt qua hiệu ứng lớn nhất do các loại tải trọng gây ra trong
suốt tuổi thọ thiết kế)
• Để đảm bảo an toàn công trình, thông thường yêu cầu:
Resistance (of material and section) ≥ Effect of applied load
• Có 3 quy trình, với triết lýtk khác nhau: (1)ASD; (2)LFD
và (3) LRFD
8

2


08/03/2016

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 2: Các triết lý thiết kế

I. PP ứng suất cho phép (ASD) (WSD)
Quan điểm: Ứng suất tối đa do tải trọng gây ra < Ứng suất
cho phép trong đk làm việc bt

• 1927, tiêu chuẩn tk cầu đầu tiên của Mỹ ra đời (AASHO)
• Trước 1970: triết lý tk duy nhất la ASD

Q

• Sau 1970, xuất hiện LFD (load factor design)

i

• 2002, cả ASD và LFD xuát hiện trong tctk cầu (standard
specifications for highway bridges)

Rn



F .o.S

• Cơ sở là lýthuyết thiết kế đàn hồi; USCP thường là giới
hạn chảy fy/ hệ số an toàn.

• Reliability-based and Probability based LRFD, xuất hiện
trọng LRFD bridge design specifications (1994). LRFD chỉ
được sử dụng rộng rãi khi AASHTO ngừng cập nhật
standard specifications vào 2003.

•

9

Ra đời sớm, áp dụng nhiều

• Độ lớn của F.o.S dựa vào kinh nghiệm có sẵn và các
phán xét kỹ thuật (engineering judgement). i.e. F.o.S của
cấu kiện chịu kéo là 1.82, chịu nén 2.12 (standard
specifications, 2002)

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 2: Các triết lý thiết kế

I. PP ứng suất cho phép (ASD) (WSD)

II. PP Tk theo Hệ số tải trọng (LFD)

• Về mặt thống kê, ASD đối xử với các tổ hợp tải trọng như
nhau, không tính đến tải có thể lớn hơn kỳ vọng, hoặc sức
kháng thấp hơn thực thế xảy ra đồng thời. Các yếu tố này
được đưa hết vào hệ số an toàn.

10

• Còn gọi là thiết kế theo cường độ. Quan điểm là hoạt tải
(vd tải xe, gió), biến động nhiều hơn tĩnh tải. Như vậy sử
dụng các hệ số khác nhau cho các tải khác nhau này.

 Q

• Mặc dù có nhiều khuyết điểm, các cầu thiết kế theo ASD
hầu hết hoạt động tốt và ít gặp vấn đề về an toàn.

i

•

i

  Rn

 i hệ số tải trọng,  : Hệ số triết giảm cường độ
(strength reduction factor)

• Xác suất của việc xuất hiện tải lớn hơn dự tính và sức
kháng nhỏ hơn kỳ vọng là không được tính đến.
11

• Hệ số tải trọng và sức khangs không tính đến xác suất
thống kê của các tham số tk trong tự nhiên.

12

3


08/03/2016

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 2: Các triết lý thiết kế

II. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

II. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

• Pp này xoay quanh hiệu ứng tải trọng Q và sức kháng R,
được mô hình như các biến ngẫu nhiên, độc lập. Triết lý
tk là tách biệt sự phân bố tải và sức kháng, sao cho vùng
diện tích trùng là nhỏ ở mức độ chấp nhận được.

• Từ năm 1993, AASHTO sử dụng LRFD cho thiết kế cầu
• 1994, tiêu chuẩn TK (design specifications) ra đời
• 1998, ra đời bản 2 (2nd edition); 22 TCN 272-05 tham
khảo phiên bản này
• 2012, phiên bản 6.
 Gọi là tk dựa theo xác suất: Để đảm bảo rằng xác suất
phá hoại của 1 kết cấu là nhỏ hơn mức độ mà xã hội chấp
nhận được.

13

14

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 2: Các triết lý thiết kế

II. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

III. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)



i  Qi   Rn  Rr (AASHTO 1.3.2.1-1)
i

Rn : Sức kháng danh định của tiết diện, Rr: Sức kháng tính toán
 : HS sức kháng vật liệu (phụ thuộc trạng thái chịu lực, TTGH)
 : Hệ số DC tải trọng xét đến tính dẻo (ductility), độ dư thừa

(redundancy) và mức độ quan trọng của công trình ((operational
importance)
I : Hệ số tải trọng ( phụ thuộc Trạng thái giới hạn)
Qi : Hiệu ứng tải trọng tại tiết diện đang xét : Moment, Lực cắt…
15

16

4


08/03/2016

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 2: Các triết lý thiết kế

III. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

III. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

1. Về các trạng thái giới hạn (limit state)

1. Về các trạng thái giới hạn (limit state)

Là điều kiện mà vượt qua nó thìcầu hoặc cấu kiện của cầu
ngừng thõa mản các quy định đã được dựa vào để thiêt kế
(theo 22 tcn-272-05)

TTGH đặc biệt: xét đến để đảm bảo sự tồn tại của cầu ky

động đất, lũ lớn hoặc va xe, tàu

TTGH sử dụng: Trạng thái giới hạn liên quan đến US, biến
dạng và vết nứt
TTGH cường độ: TTGH liên quan đến cường độ và ổn
định
TTGH mỏi và phá hoại giòn: là việc hạn chế biên độ US
do 1 xe tải tk gây ra với số chu kỳ biên độ us dự kiến
TTGH phá hoại dòn: yc về tính bên của vật liệu theo tc

17

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 2: Các triết lý thiết kế

III. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

III. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

2. Về hệ số điều chỉnh tải trọng

  Q
i

i

i

  Rn

18

2. Về hệ số điều chỉnh tải trọng

 Rr (AASHTO 1.3.2.1-1)

i Q
i

19

i

  Rn

 Rr (AASHTO 1.3.2.1-1)

20

5


08/03/2016

Phần 2: Các triết lý thiết kế

Phần 3: Tác dụng trên cầu

III. PP hệ số tải trọng và sức kháng (LRFD)

 Xác định chính xác các tác dụng lên cầu là nền tảng quan
trọng cho việc thiết kế các cấu kiện cầu.

2. Về hệ số điều chỉnh tải trọng

i Q
i

i

  Rn

 Rr (AASHTO 1.3.2.1-1)

 Kỹ sư cần phải hiểu rõ đường đi của tải trọng (load path)

21

Phần 3: Tác dụng trên cầu

22

Phần 3: Tác dụng trên cầu

I. Định nghĩa và phân loại

I. Định nghĩa và phân loại

Thông thường chúng ta hay sử dụng “tải trọng” để gọi

cho các yếu tố tạo ra phản ứng cho kết cấu. Điều nay
là chưa thực sự đầy đủ. Nên phân 2 loại:
Loại 1: là ngoại lực tác dụng lên kết cấu: tải trọng bản
thân, hoạt tải xe, người…
Loại 2: Là loại tác dụng mà hiệu ứng do nó sinh ra có
mối lên hệ đến đặc tính, môi trường xung quanh kc
cầu: Động đất, dịch chuyển móng, co ngót và từ biến,
biến đổi nhiệt độ…

23

Phân thành 2 loại: Tải trọng thường xuyên (Permanent
loads) và tải trọng thay đổi (Transient loads or variable
loads)

24

6