Nghiên cứu kết cấu dầm thép tạo ứng suất trước trong cầu thép btct liên hợp

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-------oao-------

NGUYỄN THÀNH QUÍ

NGHIÊN CỨU
KẾT CẤU DẦM THÉP TẠO ỨNG SUẤT
TRƯỚC TRONG CẦU THÉP BTCT
LIÊN HỢP
CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU, HẦM
MÃ SỐ NGÀNH

: 60 58 25

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 07 NĂM 2008


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: NGUYỄN THÀNH Q
Giới tính: Nam

Ngày tháng năm sinh: 11/07/1982
Nơi sinh: QUẢNG NGÃI
Chuyên ngành: Xây dựng cầu, hầm
Khóa (Năm trúng tuyển): 2006
1. TÊN LUẬN VĂN
NGHIÊN CỨU KẾT CẤU DẦM THÉP TẠO ỨNG SUẤT TRƯỚC
TRONG CẦU THÉP BTCT LIÊN HỢP
2. NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Dầm thép ứng suất trước có khả năng tạo được miền đàn hồi lớn hơn so với
dầm thép thường (trường hợp lý tưởng có thể tăng miền đàn hồi chịu kéo gấp hai
lần). Ứng suất trước cho phép sử dụng triệt để các loại dầm thép có cường độ
khác nhau, để giảm chiều cao kiến trúc và trọng lượng bản thân kết cấu. Dầm
thép ứng suất trước là dầm bằng thép cường độ cao, tạo ứng suất ngược dấu với
ứng suất do tải trọng gây ra, kết quả là giảm độ võng khi khai thác. Vì vậy, việc
nghiên cứu kết cấu dầm thép ứng suất trước (ƯST) là điều có ý nghĩa. Thơng qua
việc tổng hợp và phân tích kết quả nghiên cứu để dẫn ra những lợi thế của dầm
này khi làm các nhịp cầu vượt.
3. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
PGS. TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY
TS. BÙI ĐỨC TÂN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chun Ngành thơng
qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
(Họ tên và chữ ký)
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

PGS. TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY
TS. BÙI ĐỨC TÂN
TRƯỞNG PHỊNG ĐT-SĐH
(Họ tên và chữ ký)

TS. LÊ BÁ KHÁNH
TRƯỞNG KHOA QL NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: PGS. TS. LÊ THỊ BÍCH THỦY

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2: TS. BÙI ĐỨC TÂN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS. TS. LÊ VĂN NAM

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. LÊ BÁ KHÁNH

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại
HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày. . . tháng . . . .năm 2008


LỜI CẢM ƠN

Em xin gởi lời biết ơn sâu sắc đến: PGS. TS. Lê Thị Bích Thủy và TS.

Bùi Đức Tân đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em hồn thành luận văn này.
Cám ơn các Thầy Cơ trong bộ môn Cầu Đường- Khoa xây dựng đã
truyền đạt cho em nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập tại
trường Đại Học Bách Khoa.
Tơi chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đã tạo điều kiện và động viên
giúp đỡ tơi rất nhiều trong q trình học tập cũng như thực hiện luận văn này.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

NGUYỄN THÀNH QUÍ


TĨM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn gồm 5 chương chính:
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP
Giới thiệu về ưu điểm và nhược điểm của cầu thép. Các phương hướng
phát triển cầu thép. Nêu các biện pháp điều chỉnh nội lực trong cầu dầm thép
BTCT liên hợp nhịp giản đơn. Sơ lược về tình hình sử dụng dầm thép BTCT liên
hợp chế tạo sẵn.
CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN
HỢP VÀ NỘI DUNG CẦN NGHIÊN CỨU
Trình bày đặc điểm về vật liệu và cấu tạo của dầm thép BTCT liên hợp.
Giới thiệu đặc điểm của dầm BTCT liên hợp cốt cứng. Nội dung và phạm vi
nghiên cứu của luận văn.
CHƯƠNG 3. NỘI DUNG TÍNH TỐN DẦM THÉP ƯST TRONG
CẦU BTCT LIÊN HỢP
Tổng quan về các tiêu chuẩn thiết kế cầu dầm thép BTCT liên hợp. Nội
dung tính tốn dầm thép BTCT liên hợp theo tiêu chuẩn hiện hành 22 TCN 27205. Trình tự tính tốn dầm thép ƯST trong cầu BTCT liên hợp.
CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ TÍNH TỐN DẦM THÉP ƯST TRONG
CẦU BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05

Kết quả tính tốn dầm thép BTCT liên hợp và dầm thép ƯST trong cầu
BTCT liên hợp cho các khẩu độ nhịp 20,0m; 24,54m; 33,0m và 40,0m. Tổng hợp
các kết quả phân tích và đưa ra nhận xét.
CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Luận văn trình bày nhận xét tổng quan và đặc điểm dầm thép ứng suất
trước trong cầu BTCT liên hợp nhằm mục đích sử dụng cho cầu vượt hoặc nút
giao thông.


MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP ............................................... 12
1.1.

ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẦU THÉP ............................................... 12

1.1.1. Đặc điểm về vật liệu thép .................................................................. 12
1.1.2. Ưu nhược điểm của cầu thép ............................................................. 13

1.2.

1.1.2.1.

Ưu điểm .................................................................................... 13

1.1.2.2.

Nhược điểm ............................................................................... 14

CÁC LOẠI CẦU DẦM THÉP ........................................................... 15

1.2.1. Cầu dầm thép .................................................................................... 15
1.2.2. Cầu bản trực hướng ........................................................................... 15
1.2.3. Cầu dầm thép ứng suất trước ............................................................. 16
1.2.4. Dầm BTCT liên hợp cốt cứng ........................................................... 17
1.2.5. Cầu dầm thép tiết diện hộp liên tục.................................................... 17
1.3.

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU THÉP ............................... 19

1.3.1. Hướng thứ nhất ................................................................................. 19
1.3.2. Hướng thứ hai ................................................................................... 20
1.3.3. Hướng thứ ba .................................................................................... 21
1.4.

ĐIỀU CHỈNH NỘI LỰC TRONG CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN

HỢP NHỊP GIẢN ĐƠN .................................................................................. 22
1.4.1. Điều chỉnh nội lực bằng đà giáo liên tục ............................................ 22
1.4.2. Điều chỉnh nội lực bằng trụ tạm ........................................................ 23
1.4.3. Điều chỉnh nội lực bằng ép trước bản bêtơng, [10] ............................ 23
1.5.

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP CHẾ TẠO

SẴN

.............................................................................................................. 24

1.5.1. Ở Việt Nam ....................................................................................... 24

1.5.2. Trên thế giới ...................................................................................... 26
1.6.

KẾT LUẬN.......................................................................................... 28

CHƯƠNG 2. ĐẶC ĐIỂM CỦA CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP VÀ
NỘI DUNG CẦN NGHIÊN CỨU .................................................................. 29
2.1.

ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP ........................... 29

2.1.1. Vật liệu ............................................................................................. 29
2.1.1.1.

Thép .......................................................................................... 29

2.1.1.2.

Bêtông ....................................................................................... 29

2.1.2. Đặc điểm tiết diện ............................................................................. 29

2.2.

2.1.2.1.

Dầm thép ................................................................................... 30

2.1.2.2.

Neo chống cắt ............................................................................ 31

2.1.2.3.

Bản bê tông ............................................................................... 32

ĐẶC ĐIỂM CỦA DẦM BTCT LIÊN HỢP CỐT CỨNG ................. 32

2.2.1. Về cấu tạo và vật liệu sử dụng ........................................................... 32
2.2.2. Về điều kiện làm việc ........................................................................ 33
2.2.3. Ưu và nhược điểm của dầm BTCT liên hợp cốt cứng ........................ 33

2.3.

2.2.3.1.

Ưu điểm .................................................................................... 33

2.2.3.2.

Nhược điểm ............................................................................... 34

NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN ................................. 34

2.3.1. Mục đích ........................................................................................... 34
2.3.2. Nội dung ........................................................................................... 34
2.3.2.1.

Chọn tiết diện dầm thép ............................................................. 35

2.3.2.2.

Kích trước dầm thép .................................................................. 35

2.3.2.3.

Đổ bản bêtơng ........................................................................... 35

2.3.2.4.

Hạ kích, khi bê tơng bản đạt cường độ yêu cầu .......................... 35

2.3.2.5.

Lao lắp vào vị trí, đổ bản bê tơng nối mặt cầu ............................ 36


2.3.3. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................... 36
CHƯƠNG 3. NỘI DUNG TÍNH TỐN DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU
BTCT LIÊN HỢP ........................................................................................... 37
3.1.

GIỚI THIỆU VỀ CÁC TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ DẦM THÉP

BTCT LIÊN HỢP ........................................................................................... 37
3.1.1. Tiêu chuẩn thiết kế cầu cống theo trạng thái giới hạn 22TCN 18-79 .. 37
3.1.2. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 ............................................. 37
3.1.3. Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 1998.................................. 39
3.2.

THIẾT KẾ DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN

22TCN 272-05 ................................................................................................. 41
3.2.1. Tổng quát .......................................................................................... 41
3.2.2. Chọn các kích thước cơ bản............................................................... 41
3.2.3. Tính đặc trưng hình học .................................................................... 42
3.2.3.1.

Tiết diện chưa liên hợp .............................................................. 42

3.2.3.2.

Chiều rộng bản cánh có hiệu, [V.4.6.2.6] ................................... 42

3.2.3.3.

Tiết diện liên hợp ngắn hạn và dài hạn, [V.6.10.3.1.1b] ............. 42

3.2.4. Tính nội lực do nhiệt độ .................................................................... 42
3.2.5. Tính nội lực do co ngót ..................................................................... 47
3.2.6. Tính hệ số phân bố ngang do hoạt tải ................................................ 50
3.2.6.1.

Hệ số phân bố mômen, [V.4.6.2.2.2] ......................................... 50

3.2.6.2.

Hệ số phân bố lực cắt, [V.4.6.2.2.3] ........................................... 50

3.2.7. Tính nội lực dầm chủ do tĩnh tải và hoạt tải ....................................... 51
3.2.8. Tổ hợp nội lực dầm chủ ở các TTGH ................................................ 51
3.2.8.1.

Lựa chọn các hệ số điều chỉnh tải trọng η .................................. 51

3.2.8.2.

Lựa chọn các tổ hợp tải trọng và các hệ số tải trọng, [V.3.4.1] ... 52

3.2.9. Tính mơmen chảy My ........................................................................ 52
3.2.9.1.

Tiết diện không liên hợp ............................................................ 52


3.2.9.2.

Tiết diện liên hợp....................................................................... 53

3.2.10. Tính mơmen dẻo Mp .......................................................................... 55
3.2.10.1. Tiết diện không liên hợp ............................................................ 55
3.2.10.2. Tiết diện liên hợp....................................................................... 56
3.2.11. Kiểm tra tiết diện liên hợp chữ I ở TTGH cường độ .......................... 57
3.2.11.1. Lựa chọn các hệ số sức kháng.................................................... 57
3.2.11.2. Kiểm tra mỏi đối với sườn dầm, [V.6.10.6] ............................... 57
3.2.11.3. Trình tự đặt tải và trình tự đổ bêtơng, [V.6.10.3.2]..................... 57
3.2.11.4. Kiểm tra mặt cắt đặc chắc .......................................................... 57
3.2.11.5. Kiểm tra tính dẻo chịu uốn dương, [V.6.10.4.2.2b] .................... 57
3.2.11.6. Tính sức kháng uốn, [V.6.10.4.2.1 và V.6.10.4.2.2] ................... 58

3.2.11.7. Tính sức kháng cắt, [V.6.10.7.2] ................................................ 59
3.2.12. Kiểm tra các u cầu về tính thi cơng được ....................................... 59
3.2.13. Kiểm tra các yêu cầu về kích thước và cấu tạo .................................. 59
3.2.14. Thiết kế neo chống cắt, [V.6.10.7.4] .................................................. 59
3.2.14.1. Lực trượt danh định ................................................................... 61
3.2.14.2. Sức kháng cắt danh định ............................................................ 62
3.2.14.3. Tính số neo trong trạng thái giới hạn cường độ .......................... 62
3.2.14.4. Sức kháng mỏi của neo đinh ...................................................... 63
3.2.14.5. Kiểm tra bước của neo đinh theo sức kháng mỏi ........................ 63
3.3.

THIẾT KẾ DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU BTCT LIÊN HỢP

THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 ............................................................ 64
3.3.1. Giai đoạn chế tạo dầm thép ƯST (Giai đoạn I) .................................. 64
3.3.1.1.

Giai đoạn A ............................................................................... 64

3.3.1.2.

Giai đoạn B ............................................................................... 67

3.3.1.3.

Giai đoạn C ............................................................................... 71

3.3.2. Giai đoạn lao lắp và đổ bản mặt cầu, lớp phủ,… (Giai đoạn II) ......... 78
3.3.3. Giai đoạn khai thác (Giai đoạn III) .................................................... 78

3.4.

SƠ ĐỒ KHỐI ...................................................................................... 79

3.5.

KẾT LUẬN.......................................................................................... 80

CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ TÍNH TỐN DẦM THÉP ƯST TRONG CẦU
BTCT LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 ............................ 81
4.1.

KHẨU ĐỘ NHỊP L = 20m .................................................................. 81

4.1.1. Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp ..................................................... 82
4.1.2. Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp............................................. 84
4.1.3. Nhận xét ............................................................................................ 86
4.2.

KHẨU ĐỘ NHỊP L = 24,54m ............................................................. 86

4.2.1. Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp ..................................................... 88
4.2.2. Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp............................................. 89
4.2.3. Nhận xét ............................................................................................ 91
4.3.

KHẨU ĐỘ NHỊP L = 33,00m ............................................................. 92

4.3.1. Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp ..................................................... 93

4.3.2. Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp............................................. 95
4.3.3. Nhận xét ............................................................................................ 96
4.4.

KHẨU ĐỘ NHỊP L = 40,00m ............................................................. 97

4.4.1. Sử dụng dầm thép BTCT liên hợp ..................................................... 98
4.4.2. Sử dụng dầm thép ƯST BTCT liên hợp........................................... 100
4.4.3. Nhận xét .......................................................................................... 102
4.5.

TỔNG HỢP KẾT QUẢ .................................................................... 102

4.5.1. Trọng lượng dầm thép ƯST BTCT liên hợp .................................... 102
4.5.2. Độ võng khi khai thác với hoạt tải HL-93 ........................................ 103
4.5.3. Ứng suất bản cánh dưới giữa nhịp khi khai thác với hoạt tải HL-93 103
4.5.4. So sánh về chiều cao dầm chủ ......................................................... 103


4.5.5. So sánh về trọng lượng dầm chủ ...................................................... 104
4.6.

KẾT LUẬN........................................................................................ 104

CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................... 105
5.1.

KẾT LUẬN........................................................................................ 105

5.2.

KIẾN NGHỊ....................................................................................... 105


- 12 -

CHƯƠNG 1.

TỔNG QUAN VỀ CẦU THÉP

1.1.

ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẦU THÉP

1.1.1.

Đặc điểm về vật liệu thép
Thép là vật liệu hoàn chỉnh được sử dụng rất rộng rãi trong mọi ngành

kinh tế quốc dân, đặc biệt trong ngành xây dựng và giao thơng vận tải. Đặc điểm
nổi bật là:
• Có độ bền cao ứng với mọi loại ứng suất như kéo, cắt, uốn, xoắn,...
• Vật liệu có tính đồng nhất, đẳng hướng cao.
Do vậy, nó được sử dụng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như
cầu dầm, cầu dàn, cầu treo, cầu vòm và hệ liên hợp.
Thép có khả năng vượt nhịp rất lớn mà các vật liệu khác không thực hiện
được. Hiện nay, nhịp lớn nhất của cầu dây văng dầm cứng BTCT hoặc vòm
BTCT còn dưới 500m trong khi cầu dàn thép đạt đến 550m, cầy dây văng dầm
thép gần 1000m, cầu treo dây võng đạt đến 2000m và cịn có dự án lên đến
4500m.

Thép có mơđun đàn hồi lớn nên độ cứng lớn, độ võng nhỏ do đó đáp ứng
được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng
có tính chu kỳ như động đất, gió bão.
Thép có độ dẻo cao. Sự phá hoại của thép thường diễn ra ở trạng thái dẻo
tức là kèm theo biến dạng lớn làm phân bố lại nội lực và ứng suất. Do đó thép
chịu xung kích và mỏi tốt.
Về mặt lý hố, thép có tính đồng nhất cao. Dưới ảnh hưởng của nhiệt độ,
cường độ và mơđun đàn hồi ít thay đổi nên thường làm việc tốt trong điều kiện
nhiệt độ của môi trường biến đổi. Môđun đàn hồi tốt và tính chịu nhiệt cao là ưu
điểm cơ bản của thép so với các loại vật liệu chất dẻo hiện nay.


- 13 Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn dập, đúc cán, hàn nên có thể
tạo thành các chi tiết, các loại kết cấu thoả mãn các yêu cầu hình dáng kiến trúc.
Đồng thời, tạo khả năng cơng nghiệp hố, tự động hố chế tạo trong cơng xưởng,
cơ giới hố cao trong vận chuyển và lắp ráp tạo điều kiện thi công nhanh và sớm
đưa công trình vào sử dụng.
Một đặc điểm rất quan trọng nữa của cầu thép là có nhiều dạng liên kết
tin cậy như bulông, đinh tán, hàn và dán. Các loại liên kết này đảm bảo tính lắp
ghép cao, dễ lắp, dễ tháo, có thể dùng được trong các cơng trình vĩnh cửu, kết
cấu phụ tạm và cơng trình trong quốc phịng.
Trong quá trình sử dụng thép bị gỉ do tác dụng của mơi trường ẩm, mặn,
acid và các hơi khí độc khác. Hiện tượng gỉ sẽ ăn mòn thép làm giảm tiết diện
chịu lực, hư hỏng liên kết và giảm tuổi thọ cơng trình. Hiện nay có nhiều biện
pháp chống gỉ như sơn, mạ và dùng thép không gỉ. Khi sử dụng cần thường
xuyên kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ và sơn phủ định kỳ.
Mặc dù có những nhược điểm trên nhưng vẫn không hạn chế việc sử
dụng vật liệu thép trong cơng trình cầu vượt nhịp lớn trên đường ơtơ, đường sắt,
các loại cầu tạm, cơng trình có u cầu thi cơng nhanh, vận chuyển dễ dàng và
các cơng trình quân sự.

1.1.2.

Ưu nhược điểm của cầu thép

1.1.2.1. Ưu điểm
Thép là loại vật liệu hồn chỉnh nhất. Nó có tính đồng nhất, đẳng hướng,
làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy, có cường độ chịu nén và
chịu kéo cùng cao. Thép có độ dự trữ biến dạng và cường độ cao mà các vật liệu
khác khơng có được do đó chịu được ổn định và tải trọng động tốt.
Thời gian xây dựng cầu thép nhanh hơn cầu bêtơng. Nó có thể được lắp
dựng dễ dàng qua sơng suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác
nhau nên giảm giá thành xây dựng.


- 14 Kết cấu cầu thép có trọng lượng nhẹ nên làm giảm giá thành kết cấu
phần dưới. Điều này càng có ý nghĩa khi gặp địa chất xấu.
Kết cấu nhịp cầu thép có thể thiết kế chiều cao thấp hơn cầu bêtông nên
giảm được chiều cao kiến trúc khi sử dụng cầu vượt, cầu trên đường cao tốc,...
Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu bêtông.
Tạo dáng kiến trúc đẹp.
1.1.2.2. Nhược điểm
Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo dưỡng
cầu. Đó là ngun nhân chính dẫn đến phá hỏng cầu thép. Hiện nay, đã sử dụng
các loại thép chống gỉ nhưng không như công bố của các nhà sản xuất.

Hình 1-1. Hiện tượng gỉ cầu thép
Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất lớn. Vấn đề
cạo gỉ ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ con người. Việc cạo sạch sơn cũ
và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành này lại lớn hơn

- 15 việc bỏ cầu cũ và xây dựng cầu mới. Việc sơn cầu cũng gây nhiều phiền toái như
vậy do vậy cần có chỉ dẫn riêng về sơn cầu.
1.2.

CÁC LOẠI CẦU DẦM THÉP

1.2.1.

Cầu dầm thép
Kết cấu nhịp dầm thép có thể là khơng liên hợp hoặc liên hợp. Trong kết

cấu không liên hợp, dầm thép làm việc độc lập với bản mặt cầu cả khi chịu tĩnh
tải và hoạt tải. Trong kết cấu liên hợp, tải trọng tĩnh chỉ do dầm thép chịu,trong
khi tải trọng tĩnh chất thêm và hoạt tải do bản và dầm thép cùng chịu như một
khối dầm liên hợp. Dầm thép không liên hợp và liên hợp đều có thể dùng cho các
nhịp giản đơn cũng như liên tục. Đối với các nhịp nhỏ và vừa (< 30m) thì có thể
dùng các thép cán dạng I hoặc I cánh rộng kí hiệu là W, đối với các nhịp lớn hơn
thì dùng dầm ghép từ các tấm thép.
1.2.2.

Cầu bản trực hướng
Cầu bản trực hướng là loại cầu trong đó dùng bản mặt cầu bằng thép thay

cho bản mặt cầu bằng BTCT. Không kể chiều dày lớp áo đường bằng bêtơng át
phan dày từ 40÷ 65mm, thì các cầu này được coi như kết cấu nhịp hoàn tồn
bằng thép. Trong cầu có bản trực hướng, bản có độ cứng theo cả hai phương
(Hình 1-2). Trong hầu hết trường hợp bản thép mặt cầu hoặc được hàn với các
sườn tăng cường thép hoặc là bản liên tục qua các sườn dọc làm điểm đỡ, đặt
tương đối gần nhau song song với hướng xe chạy. Hệ đỡ này biến kết cấu mặt

cầu từ đẳng hướng sang không đẳng hướng. Nếu các sườn dọc này lại kê lên các
sườn ngang thì bản mặt cầu chuyển từ khơng đẳng hướng sang trực hướng. Bản
mặt cầu trực hướng làm việc như tác động của nhiều bộ phận riêng rẽ. Cầu bản
trực hướng có trọng lượng bản thân nhẹ nên nó đặc biệt thích hợp cho các nhịp
dài khi tỉ số giữa mơmen do tĩnh tải và hoạt tải tương đối cao.


- 16 -

Hình 1-2. Cầu có bản trực hướng
1.2.3.

Cầu dầm thép ứng suất trước
Cầu dầm thép ứng suất trước là loại cầu trong đó lực căng trước dùng để

tăng khả năng chịu tải của các bộ phận cầu, giống như trong cầu bêtông ứng suất
trước. Thép gây ứng suất trước thường là thép có cường độ cao, ép trước một
dầm thép cácbon thông thường, nhằm tạo kết cấu khỏe hơn và làm việc hiệu quả
hơn.
Kết cấu thép ứng suất trước được xem như biện pháp tốt khi sử dụng
nhiều loại thép có cường độ khác nhau cho dầm, giàn và các kết cấu khác, có thể
giảm chiều cao kết cấu.
Trong kết cấu thép ứng suất trước, lực căng trước có độ lệch tâm để tạo
ra trạng thái ứng suất ngược dấu với ứng suất do tải trọng. Kết quả là tổng hợp
ứng suất không vượt quá một giới hạn qui định.
Kết cấu thép ứng suất trước có thể dùng để xây dựng các cầu mới và đặc
biệt có hiệu quả khi tăng cường cầu cũ.
Bó cáp ứng suất trước cịn được dùng có hiệu quả trong việc tăng cường
các bộ phận chịu lực chính của cầu cũ như dầm, giàn, mặt cầu.

- 17 Nhiều cầu thép ứng suất trước đã được xây dựng mới cả trên đường sắt
và đường ôtô ở châu Âu như Đức, Anh và Nga.
1.2.4.

Dầm BTCT liên hợp cốt cứng
Đây là một loại kết cấu nhịp của dầm thép ứng suất trước. Dầm được tạo

ứng suất trước bằng kĩ thuật uốn trước dầm do Lipski đề nghị năm 1949. Dầm
được cấu tạo bởi dầm thép hình I (cốt cứng), dầm I được chế tạo sẵn có độ cong
(độ vồng) thích hợp được hàn các đinh chống cắt và được bọc bằng BTCT. Để
cho bêtông bọc không bị bong trong quá trình chịu lực, cần gây các chuyển vị
ngược dấu với trạng thái khai thác khi đổ bêtơng.

Hình 1-3. Dầm BTCT liên hợp cốt cứng
Mặt dù dầm BTCT liên hợp cốt cứng có thể áp dụng cho mọi loại kết
cấu, nhưng việc áp dụng cho cầu còn hạn chế, do tăng tải trọng tĩnh so với dầm
thép trần.
1.2.5.

Cầu dầm thép tiết diện hộp liên tục
Cầu dầm thép tiết diện hộp, thích hợp cho các cầu dầm liên tục nhịp trên

36m, là kết cấu nhịp có dạng hộp, trong đó bản đáy và sườn dầm được làm bằng


- 18 thép tấm, bản mặt cầu bằng bêtông cốt thép (BTCT). Dầm thép tiết diện hộp có
thể là hộp đơn, hộp kép hoặc nhiều hộp (Hình 1-4). Cầu dầm thép tiết diện hộp
có thể có hai hay nhiều tiết diện ngang kín riêng rẽ bên trên có bản BTCT. Sườn
dầm có thể đứng hoặc xiên; sườn dầm xiên có ưu điểm là bản đáy hẹp hơn. Bản

biên trên thường đủ rộng để đỡ bản bêtông và đủ để bố trí neo chống cắt cho tiết
diện liên hợp. Trong cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp có trục thẳng đứng đối
xứng, mỗi nửa của tiết diện hộp có thể được coi như tương đương với một tiết
diện I ghép. Trong cầu dầm thép tiết diện hộp liên tục hoặc có gối ở trụ trung
gian là gối di động, cố định, hoặc dầm hộp có thể được liên kết cứng vào trụ
bằng thép ở giữa tạo thành một kết cấu khung.

Hình 1-4. Các loại tiết diện liên hợp hình hộp
Dầm thép hộp có nhiều ưu điểm. Vì tiết diện ngang kín nên có độ cứng
và cường độ chống xoắn cao so với tiết diện I hở làm bằng thép cán hoặc dầm
ghép.
Độ cứng chống xoắn cao thích hợp với cầu cong chịu mơmen xoắn lớn.
Đặc biệt thích hợp với cầu trên mặt cắt ngang có nhiều cấp cao độ trong các cầu
thành phố. Bên trong dầm hộp (thường chiếm một nửa diện tích bề mặt thép)
được bảo vệ chống gỉ mơi trường và do đó việc bảo quản dễ hơn cầu dầm thép.


- 19 Tiết diện hộp có sườn nghiêng có dạng kiến trúc tốt hơn và thường là lí do để
chọn dạng hộp.
1.3.

PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU THÉP
Phân tích một loạt các cầu thép hiện đại được xây dựng trên thế giới

trong những năm gần đây, ta thấy nổi bậc có 3 phương hướng rõ rệt:
• Hướng 1: Sử dụng các loại thép chất lượng cao nhằm giảm khối lượng
thép sử dụng và giá thành công tác duy tu bảo dưỡng, một việc làm tốn kém ảnh
hưởng đến sức khoẻ cộng đồng, gây ơ nhiễm mơi trường.
• Hướng 2: Tiếp tục nghiên cứu, tìm kiếm các hệ liên hợp để vượt nhịp
dài, có tính thẫm mỹ cao.

• Hướng thứ 3: Giảm khối lượng và chi phí chế tạo, xây dựng cầu thép.
1.3.1.

Hướng thứ nhất
Các chuyên gia tiếp tục nghiên cứu các biện pháp chống gỉ cho vật liệu

thép. Các loại thép hợp kim (không sơn) đã thành thương phẩm và đã được
AASHTO chấp nhận đưa vào tiêu chuẩn thiết kế. Tuy nhiên theo bản hướng dẫn,
thép không gỉ mới chỉ được dùng trong những điều kiện đặc biệt và vẫn cần sơn
những bộ phận nhạy cảm gỉ. Vì vậy, việc nghiên cứu hồn thiện chất lượng thép
khơng gỉ vẫn phải tiếp tục tiến hành.
Hiện nay vẫn phải sử dụng các biện pháp bọc lót hữu hiệu các cơng trình.
Nhiều loại sơn mới chất lượng cao được nghiên cứu nhằm kéo dài tuổi thọ cầu
(cho phép 15÷20 năm sơn lại).
Vấn đề bọc các bó cáp cường độ cao trong cầu treo và cầu dây văng cũng
cần được quan tâm vì đã phát hiện hiện tượng gỉ bó cáp và việc thay cáp rất phức
tạp.


- 20 -

Hình 1-5. Cầu Tancarville (Pháp) với nhịp chính 608m, phải thay cáp
1.3.2.

Hướng thứ hai
Các sơ đồ cầu thép hệ liên hợp tiếp tục được nghiên cứu áp dụng thành

công. Các kỷ lục về chiều dài nhịp treo và cầu dây văng liên tục bị phá trong
những năm cuối thế kỷ 20. Hiện có nhiều dự án với chiều dài nhịp rất lớn như
cầu treo Messina (Italia) 3300m, cầu treo liên hợp dây võng và dây văng

Gibraltar 5000m,...đang được nghiên cứu triển khai.
Cầu dây văng ra đời và được phát triển hầu như thay thế cho cầu dàn
thép trên đường ơtơ, cầu dàn thép chỉ cịn được sử dụng cho cầu đường sắt có tải
trọng lớn. Cầu vịm thép dạng dàn sau thời gian bị quên lãng vì phức tạp trong
chế tạo và thi cơng thì cầu vịm thanh kéo thế hệ mới gồm vòm chủ bằng ống
thép nhồi bêtông đang được nghiên cứu áp dụng cho các cầu qua kênh rạch trong
thành phố, khu du lịch và có yêu cầu thẫm mỹ cao.


- 21 -

Hình 1-6. Cầu Cần Giuộc (Quận 7, Tp.HCM)- vịm thép nhồi bêtơng
1.3.3.

Hướng thứ ba
Trên đường ơtơ áp dụng hệ cầu dầm thép, liên tục, chiều cao không đổi

để giảm giá thành chế tạo và thi công thay cho việc dùng dàn cổ điển, dùng các
cầu dầm có đường xe chạy trên liên hợp với bản BTCT hoặc mặt cầu bằng thép
trực hướng và hiện nay tiết diện hộp kín được nghiên cứu áp dụng để tăng độ
cứng chống xoắn và để tạo môi trường không gỉ bên trong lòng hộp.
Về liên kết trong cầu thép, cùng với sự tiến bộ về thép chất lượng cao,
liên kết đinh tán khơng cịn thích hợp nữa. Hiện nay 2 loại liên kết mang tính
cơng nghiệp và hiện đại đang được ưa dùng là liên kết hàn và bulơng cường độ
cao. Ngồi ra cịn có liên kết dán đang bước vào giai đoạn ứng dụng. Liên kết
dán hoàn toàn hoặc dán kết hợp với bulông cường độ cao không làm giảm yếu
tiết diện thanh và bản nút nên tiết kiện thép, liên kết dán có ưu điểm là cấu tạo
bản nút đơn giản.
Vấn đề hiệu chỉnh nội lực trong kết cấu từ lâu được coi là biện pháp có
hiệu quả lớn trong việc chủ động phân bố một cách hợp lý nội lực và ứng suất

trong kết cấu cơng trình nhằm nâng cao khả năng chịu lực và tiết kiệm vật liệu.


- 22 1.4.

ĐIỀU CHỈNH NỘI LỰC TRONG CẦU DẦM THÉP BTCT LIÊN
HỢP NHỊP GIẢN ĐƠN
Trong cầu liên hợp giản đơn mục đích chính của điều chỉnh nội lực là

chuyển tĩnh tải giai đoạn I cho tiết diện liên hợp chịu vì tĩnh tải giai đoạn I (giai
đoạn chỉ có dầm thép làm việc, bê tơng bản có cường độ cịn nhỏ hơn 75%f’c,
trong đó f’c là cường độ chịu nén nhỏ nhất qui định của bê tông bản) khá lớn,
trong khi đó đặc trưng hình học giai đoạn I nhỏ hơn nhiều so với đặc trưng hình
học tương ứng của giai đoạn II. Điều chỉnh nội lực trong dầm giản đơn cũng có
thể cịn nhằm tạo ra trong các mặt cắt dầm một mômen uốn ngược dấu với
mômen uốn do tải trọng sinh ra để nâng cao khả năng chịu tải trọng của kết cấu
nhịp.
Thông thường đối với cầu liên hợp giản đơn có ba giải pháp điều chỉnh
nội lực có thể sử dụng: làm đà giáo liên tục, làm trụ tạm và ép trước bản bê tông.
Sau đây ta nghiên cứu những cơng việc chính của từng phương pháp.
1.4.1.

Điều chỉnh nội lực bằng đà giáo liên tục
Phương pháp này thường được sử dụng khi sông không sâu, cầu không

cao và có điều kiện làm đà giáo. Trình tự tiến hành điều chỉnh theo phương pháp
đà giáo liên tục như sau:
• Làm đà giáo liên tục ở ngay vị trí cầu chính.
• Lắp đặt kết cấu nhịp thép trên đà giáo đã xây dựng bao gồm cả dầm
chủ và hệ liên kết.

• Kê các điểm ở đáy dầm theo đúng độ vồng đã tính tốn để sau khi xây
dựng xong cầu các dầm có vị trí đúng như thiết kế.
• Làm ván khn, lắp đặt cốt thép bản mặt cầu.
• Đổ bê tông bản mặt cầu. Khi bê tông bản mặt cầu đạt cường độ, tháo
dỡ ván khuôn đà giáo.


- 23 • Thi cơng tĩnh tải giai đoạn II và hoàn thiện.
Chú ý: Đà giáo phải đảm bảo vững chắc và không bị lún khi đổ bê tông
bản, do đó trước khi lắp dầm tốt nhất nên chất tải trọng tĩnh để khử lún.
1.4.2.

Điều chỉnh nội lực bằng trụ tạm
Điều chỉnh nội lực trong dầm giản đơn bằng trụ tạm thường dùng khi

làm đà giáo liên tục gặp khó khăn, trình tự thực hiện như sau:
• Làm trụ tạm, có thể làm một trụ tạm ở giữa nhịp hoặc hai trụ tạm ở hai
bên, khi đó vị trí trụ tạm phải được xác định theo yêu cầu điều chỉnh nội lực.
• Chất tải trọng tĩnh lên trụ tạm, trọng lượng tải trọng tĩnh xác định theo
phản lực của dầm liên tục do trọng lượng dầm thép, bản bê tông và ván khn.
• Lắp đặt hệ dầm thép trên mố, trụ chính và các trụ tạm đã được lắp gối
tạm đúng cao độ để đảm bảo độ vồng thiết kế.
• Làm ván khn, lắp đặt cốt thép bản mặt cầu.
• Đổ bê tông bản mặt cầu, chú ý đổ bê tông vùng mômen dương trước,
vùng mômen âm sau. Vùng mômen dương và mômen âm được xác định trên sơ
đồ dầm liên tục (vì có thên gối tạm trên trụ tạm) với tải trọng phân bố đều do tĩnh
tải của hệ dầm thép và bê tông bản, tiết diện chịu lực là tiết diện dầm thép.
• Khi bê tơng bản đạt cường độ, tháo dỡ trụ tạm.
• Thi cơng tĩnh tải giai đoạn II, hoàn thiện cầu.
1.4.3.

Điều chỉnh nội lực bằng ép trước bản bêtông, [8]
Khi điều chỉnh nội lực bằng cách dùng kích nằm ngang ép bản BTCT

trước khi liên hợp bản BTCT với dầm thép (Hình 1-7). Các yếu tố lực sẽ truyền
lên các bộ phần dầm thép và bản BTCT chịu lực riêng biệt, nhưng phải xét tới
lực ma sát giữa các bộ phận này.


- 24 Bản BTCT

Bản BTCT

Kích bản BTCT

Dầm thép

Hình 1-7. Ép trước bản BTCT
1.5.

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG DẦM THÉP BTCT LIÊN HỢP CHẾ TẠO
SẴN

1.5.1.

Ở Việt Nam
Dự án phát triển quốc lộ 18, các cầu vượt trên tuyến đoạn Nội Bài- Bắc

Ninh sử dụng kết cấu dầm mới là dầm BTCT liên hợp cốt cứng. Đây là loại dầm
thép được bọc bằng bêtơng.

Hình 1-8. Lao lắp dầm Pre-beam tại dự án đường Nội Bài- Bắc Ninh
Do sử dụng tốt tính chất của hai loại vật liệu là thép và bêtông, nên chiều
cao dầm thấp hơn so với các loại dầm khác có cùng chiều dài nhịp. Trong giai
đoạn này, tổng công ty xây dựng Thăng Long đã kí hợp đồng chuyển giao thiết
kế và công nghệ chế tạo dầm BTCT liên hợp cốt cứng.


- 25 Sau đây là một vài hình ảnh về chế tạo và lắp dầm BTCT liên hợp cốt
cứng.