GS. Nguyễn viết Trung - Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

92
CHƯƠNG 6
KẾT CẤU CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG
6.1. PHÂN LOẠI CẦU VÒM
Có nhiều cách phân loại cầu tuỳ theo đặc điểm - cấu tạo cũng như khả năng chịu lực theo
các sơ đồ khác nhau của cầu vòm. Sau đây giới thiệu một vài cách phân loại cơ bản để thấy
tính đa dạng của cầu vòm.
6.1.1. Phân loại cầu vòm dựa vào liên kết vòm – mố (trụ)
Trong thực tế các cầu đã xây dựng trên thế giới sử dụng sơ đồ kết cấu rất đa dạng: vòm
không chốt, vòm hai chốt, vòm 3 chốt.
Sơ đồ vòm không chốt: hai đầu vòm được ngàm vào mố (trụ). Đây là sơ đồ kết cấu siêu
tĩnh bật 3 nên có xuất hiện các lực phụ do co ngót từ biến của bê tông, do thay đổi nhiệt độ,
đặc biệt là do lún mố trụ khi nền đất không đủ vững chắc.
Sơ đồ vòm hai chốt: là sơ đồ kết cấu siêu tĩnh bật 1, các nội lực phụ sinh ra trong kết cấu
cũng tương tự sơ đồ vòm không chốt nhưng với trị số nhỏ hơn. Khi mố trụ lún thẳng đứng thì
trong không xuất hiện mômen phụ.
Sơ đồ vòm ba chốt: là sơ đồ kết cấu tĩnh định nên không có các nội lực phụ nói trên. Sơ đồ
vòm ba khớp không đòi hỏi điều kiện địa chất thật vững chắc, khi có hiện tượng lún của mố
(trụ) cũng không gây ra nội lực trong vòm.
b)
c)
Cao ®é xe ch¹y
a)
Cao ®é xe ch¹y
Cao ®é xe ch¹y
Cao ®é xe ch¹ y
Cao ®é xe ch¹y
h)
g)

e)
d)

Hình 6-1: a,d: vòm không chốt; b,e,h: vòm hai chốt; c,g: vòm ba chốt.
GS. Nguyn vit Trung Chng 6: Kt cu cu vũm ng thộp nhi bờ tụng

93
6.1.2. Phõn loi cu vũm da vo s tnh hc
Cu vũm cú lc y ngang: khi iu kin a cht thun li cú th chn kt cu vũm cú
lc y ngang. Hin nay thụng thng ngi ta xõy dng kt cu vũm hai khp hoc ba khp
cú lc y ngang.
Cu vũm cú thanh kộo (cu vũm khụng cú lc y ngang): trong iu kin hin nay, kt
cu vũm cú thanh kộo vi ct thộp ng sut trc cú th dựng tng i hp lý vi cỏc khu
nhp 60 80 100m. u im quan trng ca kt cu vũm cú thanh kộo l t cõn bng lc
y ngang, vỡ vy cú th cu to vũm thoi nờn chiu cao kin trỳc nh. Cu vũm cú thanh
kộo cú th xõy dng nhng vựng a cht khụng thun li cho kt cu cu vũm cú lc y
ngang.
Cu vũm mỳt tha: trong nhng nm gn õy, trong cỏc loi cu ba nhp ó thy s dng
nhng kt cu vũm mỳt tha cú thanh kộo phớa trờn. khc phc lc y ngang, ngi ta s
dng thanh kộo phớa trờn cu to bi cỏc b phn mt cu ghộp xớt li vi nhau bng ct thộp
ng sut trc.

Hỡnh 6.2. Cỏc dng s vũm

6.1.3. Phõn loi cu vũm da vo cng vũm - dm:
Vũm cng - dm cng (EJ
v
ằ EJ
d
): trong kt cu ny vũm v dm úng vai trũ chu lc

ngang nhau v h tr nhau. Dm v vũm liờn kt to thnh h cng trong mt phng thng
ng, mi mt phng vũm ging nh mt dm ch.
Vũm mm - dm cng (EJ
v
Ê EJ
d
/80): vũm mm l nhng on cong liờn kt khp vi
nhau ch chu lc nộn dc trc v truyn ti trng lờn dm cng.
Vũm cng - dm mm (EJ
v
/80 EJ
d
): dm mm khụng gỏnh chu mt phn no ni lc
cho vũm m ch tham gia to liờn kt v n nh kt cu. Ton b ti trng cu ch cú vũm
gỏnh chu.
a) Voứm cửựng - dam mem b) Voứm mem - dam cửựng a) Voứm cửựng - dam cửựng

Hỡnh 6.3. Phõn loi da theo cng dm vũm
GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

94

6.1.4. Kiểu dáng cầu vòm ống thép nhồi bê tông:
Kiểu dáng kiến trúc của loại cầu này khá đa dạng.
a. Kiểu dáng mặt phẳng vòm:
- Dạng một mặt phẳng vòm thẳng đứng, vuông góc với mặt cầu.
- Dạng hai mặt phẳng vòm song song, thẳng đứng và liên kết giằng bởi hệ giằng ngang
trên.
- Dạng hai mặt phẳng vòm xiên tựa vào nhau tại đỉnh vòm.
- Dạng ba mặt phẳng vòm thẳng đứng, song song và giằng ngang trên.

b. Kiểu dáng hệ thanh treo:
- Thanh treo có thể cấu tạo từ thép thanh có cường độ cao hoặc các bó cáp.
- Thanh treo có dạng thẳng đứng, xiên hình kim cương hoặc kết hợp vừa thẳng vừa xiên.
c. Kiểu dáng thanh giằng:
- Ống thép thẳng hoặc tổ hợp từ nhiều ống thép theo dạng giàn phẳng.
- Thép hình hoặc tổ hợp từ nhiều thép hình tạo thành dàn phẳng.
GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

95
x
Bo
Bj
y
z
B
d
B
o
x
y
z
z
B
j
B
j
B
o
B
d

x
y
z

Hình 6.3 Một số kiểu cấu tạo cầu vòm ở Trung Quốc

6.2. ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG
Theo sơ đồ chịu lực, kết cấu vòm có thể là dạng 3 khớp với sơ đồ tĩnh định, 2 khớp với sơ
đồ 1 bậc siêu tĩnh và không khớp với sơ đồ siêu tĩnh bậc 3. Với liên kết khớp, tại chân vòm sẽ
đặt các gối, còn với liên kết ngàm chân vòm sẽ được chôn trong đầu trụ.
Về cấu tạo, vòm có thể được bố trí với mặt cầu xe chạy dưới, chạy trên, chạy giữa. Theo
tương quan độ cứng giữa vòm chính và hệ dầm mặt cầu thì có thể chia thành dầm cứng vòm
mềm và vòm cứng dầm mềm.
GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

96
Tuỳ theo chiều dài nhịp, chiều rộng mặt cầu và loại tải trọng, cấu tạo vành vòm có thể
được tổ hợp từ 1 đến 4 ống thép nhồi bêtông liên kết với nhau thông qua hệ thanh giằng. Theo
một số thiết kế như cầu Ông Lớn, Xòm Củi, Cần Giuộc ở TP HCM cũng như một số cầu ở
Trung Quốc thì vòm chính được tổ hợp như hình 6.11.
Để có được tổng quan đầy đủ về loại cầu này chúng ta đi xét một số đặc điểm sau:
+ Nếu mặt cầu không quá rộng – tỉ số giữa khoảng cách tim hai cánh vòm chủ (D) và chiều
dài nhịp tính toán (L) f/L = 1/5~1/10 với L = 30~120m và chiều dài nhịp không quá 60m, thì
có thể dùng 1 ống thép nhồi bêtông như hình 6.11 và 6.13.
+ Nếu D/L £ 1/5 và chiều dài nhịp không quá 120m thì:
· Có thể bố trí 2 ống thép nhồi bêtông theo chiều đứng có nhồi bêtông ở phần liên kết 2
ống để tăng cường độ cứng trong mặt phẳng vành vòm và giảm phạm vi chiếm dụng
của kết cấu theo phương ngang kết hợp với việc dùng loại kết cấu vòm cứng – dầm
mềm để việc thi công đơn giản hơn. Độ cứng ngang ngoài mặt phẳng vành vòm trong
trường hợp này được đảm bảo bằng hệ thống liên kết giữa 2 vành vòm.

· Có thể bố trí 2 ống thép nhồi bêtông theo chiều đứng không nhồi bêtông ở phần liên
kết 2 ống. Để tăng cường độ cứng theo phương đứng nên dùng loại kết cấu vòm mềm
– dầm cứng. Độ cứng ngang ngoài mặt phẳng vành vòm trong trường hợp này được
đảm bảo bằng hệ thống liên kết giữa 2 vành vòm.
+ Nếu mặt cầu rộng D/L >1/5 hoặc nếu chỉ bố trí một vành vòm đơn nằm giữa mặt cầu và
chiều dài nhịp ở mức 120m, thì nên bố trí 2 ống thép nhồi bêtông theo chiều ngang nhằm đảm
bảo độ cứng ngoài mặt phẳng vành vòm kết hợp với sử dụng loại kết cấu vòm mề – dầm cứng
để tăng cường độ cứng theo phương thẳng đứng của toàn kết cấu nhịp.

Hình 6.6. Cầu chỉ có một vòm đơn nằm giữa cầu
t
D

GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

97
Hình 6.7 Mặt cắt ngang vành vòm gồm 2 ống liên kết ngang
+ Nếu mặt cầu rộng D/L >1/5 và chiều dài nhịp trên 120m thì cần bố trí 4 ống thép nhồi
bêtông để đảm bảo độ cứng cả trong và ngoài mặt phẳng vành vòm (hình 6.12).
HÖ gi»ng ngang
S -ên vßm
HÖ c¸p treo
DÇm ngangDÇm däc HÖ dÇm mÆ t cÇ u

Hình 6.8. Mặt chiếu đứng cầu vòm

HÖ gi»ng ngang
S -ên vßm
DÇm däc
C¸p neo ch© n vßm

C¸p tre o
HÖ dÇm mÆ t cÇu

Hình 6.9. Mặt cắt ngang cầu vòm

Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bêtông là một kết cấu hỗn hợp gồm ống thép và lõi bêtông
cùng làm việc. Khi chịu cùng ứng suất như nhau thì kết cấu bêtông nhồi trong ống thép có
những ưu điêm chính như sau:
GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

98
- Khi so sánh với kết cấu bêtông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài, bêtông trong ống
thép có đặc điểm:
+ Độ bền của lõi bêtông tăng khoảng 2 lần.
+ Bêtông không bị co ngót mà bị trương nở vì không có sự trao đổi độ ẩm giữa bêtông và
môi trường bên ngoài.
+ Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt.
+ Tính phi tuyến của biến dạng từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi
+ Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bêtông nhỏ hơn so với cấu kiện bêtông cốt thép
+ Không cần ván khuôn trong thi công
- Khi so sánh với kết cấu thép dạng ống:
+ Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép
+ Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn
+ Giảm độ mảnh của cấu kiện
- Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở:
+ Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bêtông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảo dưỡng
thấp hơn
+ Độ bền chống gỉ cao hơn
+ Khả năng ổn định đều hơn
+ Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió

+ Tăng độ cứng chống xoắn
Chính vì vậy, nhiều công trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống nhồi
bêtông cho những cấu kiện chịu nén. ống thép được nhồi bêtông C60 có phụ gia trương nở.
Phụ gia chậm ninh kết được tròn vào bêtông để tăng khả năng làm việc của bêtông. Tỉ lệ
nước/ximăng là 0.35 với độ sụt 18-20cm.
Cáu tạo cầu vòm ống thép nhồi bêtông gồm các bộ phận: Vành vòm, dàm ngang, dầm dọc,
thanh căn chân vòm, dây treo, hệ mặt cầu. Cụ thể ta nghiên cứu từng bộ phân như sau.
6.2.1. Cấu tạo sườn vòm

Hình 6.10. Cấu tạo vành vòm
GS. Nguyễn viết Trung Chương 6: Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông

99
Tuỳ theo cường độ tải trọng tác dụng sườn vòm có cấu tạo từ một ống thép hay nhiều ống
thép tròn liên kết nhau thông qua bản thép tăng cường. Các ống thép thường dùng có đường
kính ngoài từ 30-120cm, chiều dày thành ống từ 5-20mm. ống thép được chế tạo từ thép tấm
cuốn tròn có đường kính tuỳ thuộc vào công trình thiết kế. Có 2 cách cuốn ống thép: cuốn
tròn hàn dọc, cuốn dạng lò xo. Loại cuốn tròn hàn dọc phải có thiết bị chuyên dụng mới cuốn
được, việc hàn và cuốn phải thực hiện trong nhà máy và làm từng đốt, sau khi mang ra công
trường sẽ nối bằng đường hàn đối đầu cường độ cao hay hàn mặt bích. Loại ống này có
nhược điểm là năng lực chịu tải của đường hàn có thể kém hơn nên kết cấu bị phá hoại
thường xảy ra ở những đường hàn, các đốt ống thường làm thẳng nên việc uốn cong cho đúng
đường trục vòm là khó khăn. Loại ống hàn bằng các giải bản cuốn lò xo thì việc chế tạo có thể
làm ở cômg trường, việc cuốn ống theo các đường kính khác nhau có thể lấy có thể lấy bất kỳ
theo thiết kế và có thể hàn ống cong theo đường cong trục vòm, có thể làm những đốt dài tuỳ
ý, thậm chí có thể dài bằng cả nhịp, hàn theo đường lò xo thì mối hàn chịu lực cắt là chính
nên khả năng chịu tải của ống là tốt hơn.

Hình 6.11: Các dạng mặt cắt ngang sườn vòm.

Theo một số tài liệu của Trung Quốc, thông thường các ống của vành vòm thường có kích
thước D = 45 ~ 150cm. Vành vòm có thể có cấu tạo 1 ống thì D/L = 1/60 ~ 1/150 (L là chiều
dài nhịp vòm), khi vành vòm là dạng tổ hợp có chiều cao vành vòm H = 120 ~ 270 cm thì H/L
= 1/30 ~ 1/60; D/H = 1/2.11 ~ 1/.67, trung bình có thể lấy D/H = 1/2.5; ống dày t = 8 ~
16mm.

Một cầu ở Trung Quốc

Cầu Qingchuan – Trung Quốc
Hình 6.12. Cầu có vành vòm được liên kết bằng 4 ống thép Trung Quốc