Bài giảng kỹ thuật hạ tầng giao thông

CHƯƠNG 7. CẦU (bridge)
1/56

7.1 Khái niệm
Cầu là loại cơng trình vượt qua phía trên chướng ngại vật như sơng suối, khe
núi. Thung lũng sâu, các tuyến đường khác hoặc các khu vực phải duy trì bình
thường các hoạt động xã hội như sản xuất, giao thông, thương mại…

7.2 Các bộ phận và kích thước cơ bản của cơng trình cầu
7.2.1 Kết cấu nhịp (span)
2/56

Bộ phận trực tiếp mang đỡ hoạt tải và vượt qua khoảng cách chướng ngại vật

Sơ đồ cầu

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

1


7.2.2 Mố cầu và Trụ cầu (Abutment & Piers)
3/56

Bộ phận kê đỡ kết cấu
nhịp, tiếp nhận toàn bộ tải
trọng và truyền xuống nền
đất qua kết cấu móng.
Nếu được xây dựng ở
phía trong thì gọi là trụ,
xây dựng ở hai đầu cầu thì

gọi là Mố. Mố cịn có
nhiệm vụ nối tiếp giữa
đường với cầu.

Cũng có TH cầu khơng có mố mà KCN được
kéo dài một đoạn mút thừa để nối vào nền
đường đắp đầu cầu

Như vậy một kết cấu 1
nhịp có thể khơng có trụ
mà chỉ có 2 mố.

7.2.3 Các mức nước (water level)

4/56

MNLS: Mức nước lịch sử, là mức nước lớn nhất người ta điều tra được
MNCN: Mức nước cao nhất, là kết quả tính tốn ứng với một tần suất quy định (1%
hay 2%). Nếu nói: MNCN ứng với tần suất thiết kế 1% có nghĩa là MN của cơn lũ mà
100 năm mới xuất hiện một lần.
MNTN: Mức nước thấp nhất, được đo trong mùa cạn và ứng với một tần suất quy
định (1% hay 2%), căn cứ vào MNTN để bố trí nhịp thơng thuyền.
MNTT: Mức nước thông thuyền, là mức nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại,
thường lấy với tần suất 5%, từ mức nước này xác định được chiều cao khổ gầm
cầu của nhịp thông thuyền.

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

2

7.2.4 Các kích thước cơ bản của cầu (1/3)

5/56

1: Kết cấu nhịp; 2: Trụ; 3: Mố; 4: Móng
- L: chiều dài tồn cầu, là khoảng cách từ đi mố này đến đuôi mố kia.
- l: chiều dài nhịp, là khoảng cách giữa tim của hai trụ.
- ltt: chiều dài nhịp tính tốn, là khoảng cách giữa tim các gối kê nhịp
- l0: chiều dài nhịp tĩnh, là khoảng cách từ mép trụ này tới mép trụ kia
(hoặc mố) xác định tại mức nước cao nhất.

7.2.4 Các kích thước cơ bản của cầu (2/3)

6/56

∑l

0 khẩu độ thoát nước của cầu, là tổng của các nhịp tĩnh. Trường
hợp cầu có mố vùi thì mức nước cao nhất khơng tiếp xúc với tường thân mố, do
đó thay vì nhịp tĩnh sát mố khẩu độ thốt nước sẽ được lấy với trung bình cộng
của hai trị số tương ứng MNCN và MNTN

- Hc: chiều cao cầu, là khoảng cách từ MNTN tới mặt cầu. Nếu là cầu
vượt hoặc cầu cạn thì tính từ mặt đường hoặc mặt đất bên dưới.

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

3

7.2.4 Các kích thước cơ bản của cầu (3/3)

∑l

7/56

0

- hkt: chiều cao kiến trúc, là khoảng cách từ đáy của KCN đến mặt cầu.
- H: chiều cao khổ gầm cầu, là khoảng cách từ MNCN đến đáy KCN, để
đảm bảo cây trôi không va đập và mắc nghẽn. Nếu là cầu vượt thì được tính từ
mặt đường bên dưới đến đáy KCN.

7.3 Phân loại cầu (bridge type)
8/56

1. Phân loại theo chướng ngại vật phải vượt qua
2. Phân loại theo khẩu độ
3. Phân loại theo mục đích sử dụng
4. Phân loại theo vị trí đường xe chạy
5. Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp
6. Phân loại theo sơ đồ tĩnh học

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

4


1. Phân loại theo chướng ngại vật phải vượt qua

9/56

1.1 Cầu qua sông:

Cầu
Tháp
(London,
Anh)

10/56

1.2 Cầu qua đường (cầu vượt): cầu bắc qua tuyến đường khác giao cắt ngang

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

5


11/56

1.3 Cầu cạn hay cầu dẫn: là cầu được xây dựng ngay trên mặt đất nhằm dẫn
lên một cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng khơng gian
bên dưới.

Cầu cạn
Milau
(Pháp)
bắc qua
thung

lũng
sơng
Tarn gần
Milau,
phía nam
nước
Pháp

1.4 Cầu vượt biển:

12/56

Cầu vịnh Giao Châu là cây cầu vượt biển dài nhất thế giới tại vịnh Giao Châu,
thành phố Thanh Đảo, tỉnh Sơn Đơng, Trung Quốc. Cây cầu có tổng chi phí
xây dựng lên tới 2,3 tỷ USD và dài 41,58 km này nối liền trung tâm thành phố
Thanh Đảo với huyện Hồng Đảo.

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thơng - Phần 3 - Chương 7

6


13/56

1.5 Cầu cao: là loại cầu có chiều cao trụ rất lớn được bắc qua các thung lũng
sâu.

Cầu
Milau
(Pháp)

Là cây
cầu cao
nhất
thế giới
với
đỉnh
cao
nhất
một cột
là
343m

2. Phân loại theo khẩu độ
14/56

Cầu lớn: L > 100m hoặc có nhịp l ≥ 30m
Cầu trung: L = 25 - 100m
Cầu nhỏ : L < 25 m

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

7


3. Phân loại theo mục đích sử dụng
15/56

- Cầu đường bộ
- Cầu đường sắt
- Cầu bộ hành

- Cầu hỗn hợp
- Cầu thành phố
- Cầu tàu (dùng ở các
bến cảng)
- Cầu phao (quân sự)
- Cầu đặc biệt (dùng
để dẫn dầu khí, dẫn
nước, dẫn cáp điện…)

Cầu phao (mục đích quân sự, tính cơ động cao)

4. Phân loại theo vị trí đường xe chạy
16/56

- Cầu có đường xe chạy trên
- Cầu có đường xe chạy dưới

Cầu Lupu, Thượng Hải, Trung Quốc, khánh
thành năm 2003 là cầu vòm lớn nhất thế giới với
tổng chiều dài cầu 3900m, nhịp lớn nhất là 550m

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

8


5. Phân loại theo vật liệu (Bridge types by material)

17/56

Cầu đá xây.
Cầu gỗ.
Cầu thép và cầu kim loại
Cầu bê tông cốt thép.
Cầu BTCT dự ứng lực.
Cầu liên hợp thép+BTCT

Cầu vòm đá
(cầu Carvalha,
Bồ Đào Nha)
Cầu gỗ
(cầu Thê Húc,
Việt Nam, xây
dựng năm 1865)

6. Phân loại cầu theo sơ đồ tĩnh học

18/56

(structure type)

Theo sơ đồ tĩnh học của kết cấu chịu
lực chính có thể phân chia cơng trình
cầu thành hệ thống sau:
- Cầu dầm
- Cầu dàn
- Cầu vòm
- Cầu liên hợp
- Cầu treo

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

9


6.1 Cầu dầm (beam bridge)

19/56

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng KCN làm việc chịu uốn và chỉ truyền
áp lực thẳng đứng xuống mố trụ. Hệ thống cầu dầm bao gồm:
a) Cầu dầm đơn giản (beam bridge);
b) Cầu dầm liên tục (continuous beam bridge);
c) Cầu dầm mút thừa (cantilever bridge)

6.1 Cầu dầm (beam bridge)

20/56

Cầu dầm liên tục (cầu Vĩnh Tuy, Hà Nội, Việt Nam, khánh thành năm
2009, tổng chiều dài cầu 3690m, mặt cầu rộng 38m)

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

10


6.1 Cầu dầm (beam bridge)

21/56

Cầu dầm mút thừa qua vịnh Forth (Scotland) nhịp 521m (năm 1890)

6.2 Cầu dàn (frame bridge)
22/56

Sơ đồ cầu khung dàn

Cầu dàn: KCN và trụ liên kết cứng với nhau tạo thành khung,
cùng tham gia chịu lực dưới dạng một kết cấu thống nhất

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

11


6.2 Cầu dàn (frame bridge)

23/56

Cầu dàn thép. (cầu Hàm Rồng, Thanh Hóa, Việt Nam, khánh thành năm
1964, gồm 2 nhịp dầm thép)

6.2 Cầu dàn (frame bridge)

24/56

Cầu dàn thép (cầu Long Biên, Hà Nội, Việt Nam, do Pháp xây dựng từ
1899-1902, chiều dài cầu 1862m)

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

12


Cầu quay (swing bridge)

25/56

Cầu quay sông Hàn (Đà Nẵng)

6.3 Cầu vịm (arch bridge)

26/56

Cầu vịm có thể có dạng 3 khớp, 2 khớp hoặc vịm khơng khớp. Đặc điểm của
cầu hệ vịm là tại vị trí chân vịm ln xuất hiện thành phần phản lực theo
phương nằm ngang (lực xơ).
Cầu vịm
có đường
xe chạy
trên

Cầu vịm
có đường
xe chạy
dưới

Sơ đồ cầu vịm

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

13


6.3 Cầu vòm (arch bridge)

27/56

Cầu vòm thép.
Cầu Hàm Rồng
cũ, Thanh Hóa,
Việt Nam, do
Pháp xây dựng
năm 1904. Là
cầu vịm thép
khơng có trụ ở
giữa. Cầu bị
phá hủy trong
cuộc chiến
tranh kháng
chiến chống Mỹ

6.4 Cầu liên hợp (conjugated bridge)

28/56

Cầu liên hợp là loại cầu được kết hợp từ các hệ đơn giản hoặc hệ đơn
giản được tăng cường các bộ phận chịu lực. Bằng cách đó người ta có thể tạo ra
những KC chịu lực hợp lý và có hiệu quả về các phương diện kinh tế, kỹ thuật

đặc biệt trong các trường hợp nhịp lớn

Cầu liên hợp dầm vòm

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

14


29/56

Cầu dầm công xôn kết hợp dây văng

6.4 Cầu treo (suspension bridge)

30/56

Cầu treo (cầu treo dây văng, cầu treo dây võng) là loại kết cấu
trong đó bộ phận chịu lực chính là dây làm việc chịu kéo. Dưới tác
dụng của hoạt tải hệ dầm mặt cầu và dây cùng làm việc như một hệ
liên hợp
Cầu treo có ưu điểm là có thể vượt nhịp lớn và hiệu quả kinh tế cao

Sơ đồ cầu treo dây văng (cable - stayed suspension bridge)

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

15

6.4 Cầu treo (suspension bridge)

31/56

Sơ đồ cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

32/56

Cầu treo dây võng (cầu Ambassador, Mỹ, 1929) vượt nhịp 564 m

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

16


6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

33/56

Cầu treo dây võng (cầu G.Washington, New York, Mỹ, 1932) vượt nhịp 1067 m

6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

34/56

Cầu treo dây võng (cầu Cổng vàng, San Francisco, Mỹ, 1937) vượt nhịp 1280 m

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

17


6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

35/56

Vụ sập cầu treo Tacoma nhịp 853 (Mỹ)
năm 1940 sau khi công trình hồn thiện 6 tháng

6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

36/56

Cầu treo Verrazano Narrow, New York, 1964. Vượt nhịp 1298,45m

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

18


6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

37/56

Cầu treo Humber ở Anh vượt nhịp 1410m năm 1981

6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge)

38/56

Cầu treo Akashi Kaikyo, Nhật Bản, 1988-1998, bắc qua eo biển Akashi. Tổng
chiều dài 3911m. Cầu lập kỷ lục thế kỷ XX với chiều dài nhịp chính dài 1991m.

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thơng - Phần 3 - Chương 7

19


6.4.2 Cầu treo dây văng (cable stayed suspension bridge)

39/56

Cầu treo Normandie bắc qua sơng Seine, Pháp, 1988-1995, nhịp chính dài 856 m

6.4.2 Cầu treo dây văng (cable stayed suspension bridge)

40/56

Cầu treo Tatara, Nhật Bản, 1999. Nhịp chính dài 890 m là nhịp cầu treo dây văng
dài nhất thế kỷ XX

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

20


6.4.2 Cầu treo dây văng (cable stayed suspension bridge)

41/56

Cầu treo dây văng. Cầu Mỹ Thuận, Vĩnh Long, Việt Nam, 1997- 2000.
Nhịp chính dài 350m. Cầu dài 1535,2 m. Phần cầu dẫn 875,2m gồm 22 nhịp

6.4.2 Cầu treo dây văng (cable stayed suspension bridge)

42/56

Cầu treo dây văng. Cầu Phú Mỹ, TP Hồ Chí Minh, Việt Nam. Thời gian
thi cơng: 2005 – 2009. Cầu có nhịp dây văng dài 705 m, nhịp cầu dẫn dài
1396 m, chiều rộng mặt cầu 27,5m.

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

21


43/56

Cầu Cầu
Thuận
Phước, Đà
Nẵng, Việt
Nam.

Cầu Thuận Phước được khởi công xây dựng vào năm 2003 với vốn đầu tư gần 1000
tỷ đồng. Công ty CP TVXD 533 liên danh với Viện Thiết kế cầu đường số 2 Trung
Quốc thiết kế. Công ty Cơ khí XDCT 623 và TCTy Xây dựng CTGT 6 là nhà thầu
chính. Cầu khánh thành ngày 19 tháng 7 năm 2009.

44/56

Cầu dài 1856 m (dài hơn cầu Mỹ Thuận 300m) và là cầu treo dây võng dài nhất
Việt Nam. Chiều rộng cầu: 18m. Số làn xe: 4 làn; Trọng tài: 13 tấn; Độ tĩnh
không thông thuyền: 27 m; Số lượng trụ tháp: 2; Độ cao tháp trụ: 80m tính từ
bệ cọc; Khoảng cách giữa 2 trụ: 405 m

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

22


6.5 Mặt cầu (deck)

45/56

6.5 Mặt cầu (deck)

46/56

Kết cấu mặt cầu bằng gỗ

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

23


6.5 Mặt cầu (deck)

47/56

Kết cấu mặt cầu bằng thép tấm

6.5 Mặt cầu (deck)

48/56

Kết cấu mặt cầu có máng đá dăm

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

24


49/56

6.6 Gối cầu (bearing of bridge)

Gối cầu là thiết bị rất cần thiết cho cơng trình cầu đường, đảm bảo độ êm thuận
khi truyền lực từ dầm xuống xà mũ hoặc đỉnh trụ, tùy vào thiết kế từng loại cầu
và loại tải trọng mà có các loại gối cầu khác nhau.

Gối con lăn (Roller bearings)

Gối chậu (Pot bearings)

50/56

Gối cao su di động

(Electrometric Laminated bearings)

Gối cao su cốt bản thép cố định

Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7

25