Nghiên cứu ảnh hưởng chiều dày bản bê tông đến nội lực và biến dạng của dầm liên hợp thép bê tông
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.42 MB, 117 trang )
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------oOo------
TRỊNH KỲ QUANG
ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CHIỀU DÀY BẢN BÊ TÔNG ĐẾN NỘI LỰC VÀ
BIẾN DẠNG CỦA DẦM LIÊN HP
THÉP – BÊ TÔNG
CHUYÊN NGÀNH
MÃ SỐ NGÀNH
: CẦU HẦM
: 605825
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 06/2009
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Phùng Mạnh Tiến
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...............................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...............................................................................
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 2009
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------
CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày 10 tháng 06 năm 2009.
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Trịnh Kỳ Quang
Giới tính : Nam
Ngày, tháng, năm sinh : ngày 23 tháng 10 năm 1978
Nơi sinh : Tp Đà Lạt
/ Nữ
Chuyên ngành : Cầu Hầm
Khoá (Năm trúng tuyển) : khóa 2006
1- TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CHIỀU DÀY BẢN BÊ TÔNG ĐẾN NỘI
LỰC VÀ BIẾN DẠNG CỦA DẦM LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
-
Nghiên cứu và ứng dụng lý thuyết tính tốn cầu liên hợp thép – bê tơng cốt thép.
-
Tính toán nội lực và biến dạng của dầm liên hợp khi chiều dày bản bê tông thay đổi.
-
Lập biểu đồ thể hiện sự ảnh hưởng của chiều dày bản bê tông đến nội lực và biến dạng
của dầm liên hợp.
-
Phân tích và xác định sự thay đổi của nội lực và biến dạng trong dầm chủ trên cơ sở thay
đổi chiều dày bản bê tông.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ :
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ :
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi đầy đủ học hàm, học vị ):
TIẾN SĨ PHÙNG MẠNH TIẾN
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)
TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
TS. LÊ BÁ KHÁNH
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)
LỜI CẢM ƠN
Để có được kết quả như ngày hôm nay, tôi xin chân thành gởi lời cảm
ơn sâu sắc đến TS. Phùng Mạnh Tiến đã nhiệt tình hướng dẫn tôi trong suốt
thời gian thực hiện luận án này.
Xin chân thành cảm ơn Thầy Cô giáo trong Khoa Xây Dựng và Bộ
Môn Cầu Đường đã giúp tôi có thêm những kiến thức chuyên sâu cần thiết
về lónh vực Xây Dựng Cầu Đường để tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Cảm ơn Bố Mẹ và gia đình đã tạo mọi điều kiện để tôi có được ngày
hôm nay.
Cuối cùng, xin được gửi lời cảm ơn tới các đồng nghiệp, bạn bè đã
ủng hộ và giúp đỡ tôi rất nhiều trong thời gian qua.
Trân trọng.
TRỊNH KỲ QUANG
LUẬN VĂN THẠC SĨ
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn gồm 5 chương chính:
Lời mở đầu.
Chương 1: Tổng quan về cầu thép liên hợp bê tông cốt thép.
Chương 1 giới thiệu tổng quan về cầu thép liên hợp bê tông cốt thép, giới thiệu
sơ bộ về lịch sử phát triển cầu liên hợp ở Việt Nam và thế giới.
Chương 2: Kết cấu cầu liên hợp thép – bê tông cốt thép.
Giới thiệu tóm tắt về các đặc điểm cơ bản của kết cấu nhịp liên hợp , giới thiệu
về đặc điểm cấu tạo của dầm liên hợp và một số dạng mặt cắt ngang của kết cấu
nhịp thép – bê tông cốt thép liên hợp.
Trong chương 2 cũng giới thiệu về các thành phần cấu tạo nên kết cấu nhịp
thép bê tông cốt thép liên hợp, các điều kiện cơ bản để lựa chọn kích thước tiết diện
theo 22TCN 272-05, và các quy định về kết cấu nhịp cầu thép. Các thành phần được
giới thiệu bao gồm bản mặt cầu, dầm chủ, hệ liên kết dọc, hệ liên kết ngang và cấu
tạo neo liên kết. Ngoài ra trong chương này cũng giới thiệu về nguyên lý làm việc
của dầm liên hợp và nguyên lý tính toán dầm thép – bê tông cốt thép liên hợp. Từ
đó làm cơ sở để xác định phạm vi đề tài cần nghiên cứu.
Chương 3: Cơ sở lý thuyết tính toán cầu liên hợp.
Giới thiệu về đặc điểm tính toán cầu dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép
thông qua việc trình bày các giai đoạn làm việc của cầu liên hợp, cách xác định bề
rộng hữu hiệu của bản cánh, đặc trưng hình học của mặt cắt, các giới hạn trong việc
xác định kích thước mặt cắt, cách xác định tải trọng tác dụng - nội lực trong dầm chủ
theo TCVN 22TCN 272-05.
Ngoài ra trong chương này còn giới thiệu phương pháp tính toán nội lực của
cầu theo phương pháp phần tử hữu hạn. Phương pháp này cũng là phương pháp
chính để phân tích giải quyết vấn đề luận văn đặt ra. Phần mềm ứng dụng là
Midas/Civil, được lập trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn hiện đang được sử
dụng rộng rãi trong tính toán cầu bởi tính năng tối ưu của chương trình.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chương 4: Phân tích ảnh hưởng chiều cao tiết diện dầm liên hợp đến bố trí
mặt cắt ngang nhịp.
Nội dung chính trong chương này là việc ứng dụng phần mềm Midas/Civil để
tính toán ảnh hưởng chiều dày bản bê tông đến nội lực và biến dạng của dầm liên
hợp thép – bê tông cốt thép dạng chữ I, nhịp giản đơn. Thực hiện tính toán, phân tích
để tìm mối quan hệ giữa sự thay đổi chiều dày bản bê tông đến nội lực và biến dạng
của dầm thép trong kết cấu nhịp liên hợp .
Luận văn phân tích tính toán cho nhịp giản đơn với chiều dài nhịp 22.2m,
27.6m, 33m, 38.4m và 43.8m, mặt cắt ngang bố trí cho các trường hợp khoảng cách
2 dầm kề nhau từ 2.1m – 6m, đảm bảo bố trí 4 làn xe. Chiều dày bản bê tông thay
đổi trong phạm vi 175mm – 350mm, chiều cao vút thay đổi từ 50 – 300mm. Khoảng
cách giữa các dầm ngang là 5.4m và được bố trí cách đều nhau trong một nhịp. Kết
quả được tổng hợp dưới dạng bảng và biểu đồ để thể hiện sự thay đổi của nội lực và
biến dạng trong dầm chủ khi thay đổi chiều dày của bản bê tông.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị .
Luận văn nêu một số kết luận tổng quan về ảnh hưởng của chiều dày bản bê
tông đến nội lực và biến dạng trong cầu dầm thép I liên hợp bản bêtông cốt thép với
sơ đồ nhịp giản đơn.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU DẦM LIÊN HỢP THÉP BÊ TÔNG CỐT
THÉP.
1.1 Giới thiệu cầu dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép…………………………..1
1.2 Lịch sử phát triển cầu liên hợp thép – bê tông cốt thép trên thế giới…………..3
1.3 Lịch sử phát triển cầu dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép ở Việt
Nam…………………………………………………………………………………8
CHƯƠNG 2: KẾT CẤU CẦU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP
2.1 Các đặc điểm cơ bản của cầu kết cấu nhịp liên hợp thép – BTCT…………... 13
2.1.1 Đặc điểm cấu tạo của dầm liên hợp………………………………………… 13
2.1.2 Các dạng mặt cắt ngang của kết cấu nhịp thép – BTCT liên hợp…………... 14
2.2 Cấu tạo kết cấu nhịp thép – bê tông cốt thép liên hợp………………………. 15
2.2.1
Bản mặt cầu……………………………………………………………… 15
2.2.2
Dầm chủ………………………………………………………………… 16
2.2.3
Hệ liên kết…………………………………………………………………17
2.2.3.1 Hệ liên kết ngang…………………………………………………………. 17
2.2.3.2 Hệ liên kết dọc……………………………………………………………. 18
2.3 Cấu tạo neo trong cầu dầm liên hợp…………………………………………. 19
2.3.1
Neo cứng…………………………………………………………………. 19
2.3.2
Neo mềm………………………………………………………………….. 20
2.3.3
Liên kết bản BTCT và dầm thép bằng bulong cường độ cao……………. 21
2.4 Nguyên lý làm việc của dầm liên hợp ……………………………………… 23
2.5 Nguyên lý tính toán dầm thép – bê tông cốt thép liên hợp........................... 23
CHƯƠNG 3:CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU LIÊN HP
3.1 Đặc điểm tính toán dầm liên hợp thép – bê tông…………………………... 25
3.1.1 Giai đoạn 1 – trạng thái chưa liên hợp...................................................
25
3.1.1.1 Đặc trưng hình học giai đoạn I ………………………………………… 25
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MANH TIEÁN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
3.1.1.2 Các bài toán kiểm tra ………………………………………………….
25
3.1.2 Giai đoạn 2 – trạng thái đã liên hợp ………………………………...
26
3.1.2.1 Đặc trưng hình học giai đoạn II ………………………………………… 26
3.1.2.2 Tính nội lực của cầu liên hợp trong tải trọng chính theo các trạng thái làm
việc ……………………………………………………………………………… 27
3.1.3 Tính toán nội lực và ứng suất do từ biến, co ngót của bêtông và nhiệt độ
thay đổi ………………………………………………………………………….. 30
3.1.3.1 Ứng suất trong dầm liên hợp do ảnh hưởng của từ biến………………… 31
3.1.3.2 Ứng suất trong dầm liên hợp do co ngót………………………………..
31
3.1.3.3 Ứng suất trong dầm liên hợp do thay đổi nhiệt độ……………………….. 32
3.2 Kiểm tra điều kiện cường độ trong tổ hợp tải trong phụ …………………… 35
3.3 Các bước tính nội lực cầu liên hợp thép – bê tông ………………………… 35
3.3.1 Xác định bề rộng bản cánh tham gia làm việc với dầm chủ ……………….35
3.3.2 Kiểm tra các giới hạn trong việc xác định kích thước mặt cắt …………… 36
3.3.3 Xác định tải trọng tác dụng………………………………………………. 36
3.3.3.1 Tónh tải tác dụng lên dầm chủ ………………………………………..
36
3.3.3.2 Hoạt tải tác dụng lên dầm chủ …………………………………………. 37
3.3.3.2.1 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với moment ……………………. 37
3.3.3.2.2 Hệ số phân bố theo làn đối với lực cắt……………………………….. 38
3.3.3.3 Các hệ số phân phối tải trọng ...…………………………………………39
3.3.4 Xác định nội lực trong dầm chuû …………………………………………. 39
3.4 Phương pháp phần tử hữu hạn………………………………………………. 42
3.4.1 Giới thiệu phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH)………………………... 42
3.4.2 Khả năng ứng dụng PTHH trong tính tốn kết cấu………………………...45
3.5 Một số phần mềm tính tốn theo phương pháp PTHH……………………… 49
3.5.1 Phần mềm SAP2000………………………………………………………. 49
3.5.2 Phần mềm MIDAS/Civil…………………………………………………... 49
HVTH: TRÒNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MANH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CHIỀU CAO TIẾT DIỆN DẦM
LIÊN HP ĐẾN BỐ TRÍ MẶT CẮT NGANG NHỊP
4.1 Lựa chọn trường hợp phân tích……………………………………………… 52
4.1.1 Chiều dài nhịp…………………………………………………………….. 52
4.1.2 Khỏ ngang cầu…………………………………………………………….. 52
4.1.3 Tải trọng………………………………………………………………….. 52
4.1.4 Chiều cao tiết diện dầm liên hợp………………………………………… 53
4.1.5 Kích thước hệ dầm ngang………………………………………………… 55
4.1.6 Các bài toán nghiên cứu………………………………………………… 56
4.2
Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều dày bản bê tông đến nội lực và biến dạng
của dầm chủ ……………………………………………………..………… 57
4.2.1 Mô hình kết cấu………………………………………………………….. 58
4.2.2 Kết quả phân tích………………………………………………………….. 59
4.2.2.1Trường hợp cầu có 8 dầm chủ, khoảng cách dầm 2.1m…………………... 59
4.2.2.1.1 Trường hợp nhịp 22.2m........................................................................... 59
4.2.2.1.2 Trường hợp nhịp 27.6m ……………………………………………… 62
4.2.2.1.3 Trường hợp nhịp 33m............................................................................... 63
4.2.2.14 Trường hợp nhịp 38.4m………………………………………….……. 64
4.2.2.1.5 Trường hợp nhịp 43.8m ………………………………………………. 65
4.2.2.1.6 So sánh và phân tích sự thay đổi về nội lực và biến dạng………….. 66
4.2.2.2 Trường hợp cầu có 7dầm chủ, khoảng cách dầm 2.3m………………… 72
4.2.2.2.1 Trường hợp nhịp 22.2m……………………………………………….. 72
4.2.2.2.2 Trường hợp nhịp 27.6m………………………………………………
74
4.2.2.2.3 Trường hợp nhịp 33m………………………………………………… 76
4.2.2.2.4 Trường hợp nhịp 38.4m ………………………………………………. 77
4.2.2.2.5 Trường hợp nhịp 43.8m ………………………………………………. 78
4.2.2.2.6 So sánh và phân tích sự thay đổi về nội lực và biến dạng…………... 79
4.2.3 Tổng hợp các trường hợp phân tích………………………………………. 84
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MANH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
4.3 Nghiên cứu ảnh hưởng của chiều cao dầm thép đến nội lực và biến dạng của
dầm liên hợp………………………………………….………….…………. 85
4.3.1 Trường hợp nhịp 22.2m………………………………………………..….. 87
4.3.2 Trường hợp nhịp 27.6m…………………………………………………... 87
4.3.3 Trường hợp nhịp 33m…………………………………………………….. 88
4.3.4 Trường hợp nhịp 38.4m ……………………………………………….….. 89
4.3.5 Trường hợp nhịp 43.8m ……………………………………………….….. 90
4.2.3 Tổng hợp các trường hợp nghiên cứu……………………………………. 91
4.4 Nghiên cứu ảnh hưởng tỷ lệ ht /hbt đến nội lực và biến dạng khi dầm liên hợp
có chiều cao tối thiểu…………………………………….………….……… 92
4.4.1 Trường hợp nhịp 27.6m…………………………………………………... 92
4.4.2 Trường hợp nhịp 33m…………………………………………………….. 93
4.4.3 Trường hợp nhịp 38.4m ……………………………………………….….. 93
4.4.4 Trường hợp nhịp 43.8m ……………………………………………….….. 94
4.4.5 Tổng hợp các trường hợp nghiên cứu……………………………………. 94
4.5 Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao vút của bản bê tông đến nội lực và biến dạng
trong dầm dầm chủ liên hợp…………………………………………….….. 95
4.5.1 Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao vút của bản bê tông đến nội lực và biến
dạng khi giữ nguyên khoảng cách giữa 2 dầm chủ………………………... 96
4.5.2 Xác định chiều cao vút cho số lượng dầm chủ tối thiểu ………………….. 100
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN – KIẾN NGHỊ
5.1 Kết luận……………………………………………………………………… 104
5.2 Kiến nghị…………………………………………………………………….. 105
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MANH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHƯƠNG 1.
Trang 1
TỔNG QUAN VỀ CẦU DẦM LIÊN HỢP
THÉP BÊ TÔNG CỐT THÉP
1.1
Giới thiệu cầu dầm liên hợp thép – bê tơng cốt thép
Cầu liên hợp thép – bêtông cốt thép được hình thành trên cơ sở đưa
bản bêtông cốt thép mặt cầu tham gia làm việc chịu uốn đồng thời với dầm
thép. Trong đó dầm thép và bản bê tông cốt thép được liên kết chặt chẽ với
nhau thông qua hệ neo liên kết. Bản BTCT vừa làm việc với tư cách bản mặt
cầu, vừa là một thành phần của dầm chủ. Do có đặc điểm cấu tạo như trên nên
dầm liên hợp tiết kiệm thép cho dầm chủ và tận dụng được tối đa sự làm việc
của vật liệu.
Dầm thép ở đây thường là các loại thép hình, bản bê tông cốt thép có
thể là BTCT thường, BTCT ứng suất trước hoặc bản trực hướng.
Có thể coi kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp là loại trung gian giữa kết
cấu nhịp thép và kết cấu nhịp BTCT.
Phân tích sự phát triển kỹ thuật của ngành xây dựng cầu cho thấy kết
cấu nhịp thép BTCT liên hợp được sản sinh từ ba xu hướng sau đây:
- Sự ứng dụng rộng rãi BTCT nhằm tiết kiệm thép.
- Sự hoàn chỉnh phần mặt cầu, dùng mặt cầu bản BTCT, máng đá
dăm BTCT ( trong cầu xe lửa ) có chất lượng sử dụng tốt và tuổi thọ
cao.
- Sự cố gắng tạo kết cấu nhịp thành một hệ kết cấu không gian làm
việc như một kết cấu toàn khối thống nhất chứ không phải là lắp ghép
các kết cấu phẳng làm việc riêng rẽ.
Trong kết cấu thép bê tông cốt thép liên hợp, tỷ lệ giữa phần bê tông
cốt thép và phần thép có thể khác nhau. Trong một số trường hợp vai trò của
phần thép khá nhỏ, chẳng hạn như kết cấu nhịp có bản mặt cầu bê tông cốt
thép chỉ liên hợp với các dầm mặt cầu. Ngược lại cũng có các kết cấu nhịp
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2
mà trọng lượng các thanh thép không liên hợp với bê tông rất bé như các
thanh treo hoặc thanh xiên nối hệ vòm bê tông cốt thép với thanh kéo bằng
bê tông cốt thép. Xuất phát từ đó người ta chia mức độ của phần bê tông cốt
thép trong kết cấu nhịp bê tông cốt thép ra làm 2 loại:
- Loại thứ nhất là những kết cấu nhịp có phần bản mặt cầu làm bằng
bê tông cốt thép, còn các bộ phận khác hoàn toàn bằng thép. Trường
hợp này kết cấu nhịp gần với kết cấu nhịp thép đơn thuần, bao gồm các
dạng;
+ Dầm hoặc dàn cầu đi trên có bản mặt cầu bê tông cốt thép liên
hợp với dầm hoặc dàn chủ.
+ Kết cấu nhịp đi dưới hoặc đi giữa có bản bê tông cốt thép mặt
cầu liên hợp với hệ dầm mặt cầu, và hệ dầm mặt cầu này có thể
cùng tham gia chịu lực với dàn chủ hoặc không.
+ Kết cấu nhịp đi dưới hoặc đi giữa có hệ mặt cầu hoàn toàn bằng
bê tông cốt thép và thường cùng tham gia làm việc với dàn chủ.
- Loại thứ hai là những kết cấu nhịp không những có phần mặt cầu
mà có cả những bộ phận khác nữa làm bằng bê tông cốt thép. Trường
hợp này kết cấu nhịp gần với kết cấu nhịp bê tông cốt thép hơn, bao
gồm các dạng:
+ Kết cấu nhịp cầu dầm đi trên, có bản bê tông cốt thép mặt cầu ở
phía trên và bản mặt bê tông cốt thép ở cả mức biên dưới, cùng
tham gia chịu lực với dầm chủ.
+ Kết cấu nhịp cầu dàn có hệ mặt cầu và dầm cứng hoặc thanh
biên dưới cứng hoàn toàn bằng bê tông cốt thép.
+ Kết cấu nhịp có kết cấu mặt cầu là bê tông cốt thép và một số
thanh, các bộ phận khác không ở mức mặt cầu cũng bằng thép.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 3
Ngày nay trong ngành xây dựng cầu kết cấu nhịp dầm đặc có bản
mặt cầu liên hợp hay được sử dụng hơn cả. Các loại khác ít được sử
dụng.
So với các kết cấu nhịp thép đơn thuần và kết cấu nhịp BTCT, kết cấu
nhịp thép BTCT liên hợp có những ưu điểm như sau:
- Đối với kết cấu nhịp cầu thép có mặt cầu bê tông cốt thép thì nếu sử
dụng mặt cầu liên hợp sẽ tiết kiệm thép khoảng 15 – 20%. Thêm vào
đó có sự liên kết chặt chẽ giữa mặt cầu và kết cấu nhịp, độ cứng của
kết cấu cũng được gia tăng. Trong cầu xe lửa có mặt cầu là tà vẹt gỗ
đặt trực tiếp, tuy tónh tải hệ mặt cầu có phần nhẹ hơn phương án bản bê
tông cốt thép liên hợp trên đó đặt tại ray qua đệm số cao su, song bản
mặt cầu bê tông cốt thép liên hợp giảm được chi phí sửa chữa bảo
quản, giữ được vệ sinh cho không gian dưới cầu. Ngoài ra độ cứng
trong cả phương ngang và phương đứng của kết cấu nhịp cũng tăng
hơn.
- Đối với nhịp bê tông cốt thép thì loại kết cấu nhịp thép bê tông cốt
thép liên hợp chỉ ở phần mặt cầu thường tốn thép hơn từ khoảng 1,5 – 3
lần. Nhịp càng lớn thì sự chênh lệch về khối lượng thép sử dụng càng
giảm bớt đi do tónh tải trọng lượng bản thân kết cấu nhịp tăng rất nhiều.
Kết cấu nhịp thép bê tông cốt thép liên hợp cả ở phần mặt cầu lẫn các
phân tố chịu lực chính có thể chỉ tốn thép xấp xỉ như đối với kết cấu
nhịp thép bê tông cốt thép đơn thuần, trong khi đó khối lượng bê tông
sử dụng ít hơn.
1.2
Lịch sử phát triển cầu liên hợp thép – bê tông cốt thép trên thế giới.
Trong lịch sử phát triển cầu, kết cấu nhịp liên hợp thép BTCT thực sự
bùng nổ khi nền công nghệ luyện thép phát triển mạnh vào thế kỷ 19. Cho đến
nay chiếc cầu dạng này được xây dựng rất nhiều trên thế giới.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 4
Vào thế kỷ 19, với sự phát triển của kết cấu cầu và các sản phẩm ứng
dụng cơng nghệ luyện thép, cầu High Road (hình 1.1) laø 1 trong những cầu liên
hợp đầu tiên trên thế giới được thiết kế bởi Teng & Associates Inc. of Chicago
đã được xây dựng vào năm 1935. Cầu có chiều dài nhịp 17.4m, khoảng cách
dầm chủ 2,2m, chiều dày bản bê tơng 20cm.
Hình 1.1. Cầu High Road
Năm 1949 cầu có dạng kết cấu nhịp khung mút thừa được áp dụng lần
đầu tiên Ucraina (hình 1.2) có nhịp L=121m bắt qua kênh Volga-Đôn mang
tên V.I.Lênin đđã được xây dựng.
Hình 1.2. Cầu Volga-Dôn
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 5
Theo thời gian cùng với sự phát triển của máy tính điện tử cũng như cơng
nghệ máy móc thi cơng, vật liệu xây dựng và trình độ khoa học kỹ thuật xây
dựng cầu thép- BTCT liên hợp càng ngày càng ứng dụng rộng rãi
Năm 1958, cầu Pearl Harbor Memorial (hình 1.3) bắt ngang qua sơng
Quinnipiac, New Havan (Mỹ) đã được xây dựng. Đây là loại cầu thép – BTCT
liên hợp nhịp liên tục, tổng chiều dài 1,443.2m. Mặt cắt ngang dầm có tiết diện
chữ I, bề rộng mặt cầu 25.6m, khổ thơng thuyền 18.3m.
Hình 1.3. Cầu Pearl Harbor Memorial
Cầu Dunn (hình 1.4)- bắt ngang qua sơng Hudson, nối liền Anbany và
Renssenlaer –New York là chiếc cầu thép – BTCT liên hợp đầu tiên có sử dụng
cả nhịp giản đơn và nhịp liên tục. Dầm chủ cầu có tiết diện chữ I với chiều cao
787mm, chiều dài nhịp từ 35-57.6m Cầu được hoàn thành năm 1969.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 6
Hình 1.4. Cầu Dunn
Một số cầu dầm liên hợp có nhịp chính >100m trên thế giới được trình
bày dưới đây:
-
Cầu Saint John River ở Canada ( hình 1.5) có tổng chiều dài 1062m, là
chiếc cầu dài nhất trên đại lộ Moncton bắt ngang qua sông Saint John.
Cầu có nhịp chính dài 120m, được hồn thành năm 2001.
Hình 1.5. Cầu Saint Jonh River
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
-
Trang 7
Cầu Thewall Viaduct (Anh hình 1.6) được xây xong năm 1996 bắt ngang
qua kênh Manchester Ship, có tổng chiều dài 1.35km. Cầu gồm có 30
nhịp 33.5m, chiều cao dầm 2.6m; 2 nhịp đôi 54.8m và nhịp chính dài
102.4m, chiều cao của các dầm này thay đổi từ 3.05 đến 6.1m.
Hình 1.6. Cầu Thewall Viaduct
-
Cầu Rhine (hình 1.7) được xây dựng tại Schierstein (Đức) năm 1958
có tổng chiều dài 1281.6m. Chiều cao dầm chủ 7.9m tại gối và 4.2m
tại giữa nhịp. Nhịp chính của cầu có chiều dài 205m.
Hình 1.7. Cầu Rhine
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 8
Một số cầu dầm liên hợp trên thế giới được thống kê trong bảng 1.1 sau:
Bảng 1.1 Một số cầu liên hợp thép - BTCT
Chiều dài
Năm hoàn
cầu (m)
thành
Mỹ
1443.2
1958
Thewall Viaduct
Anh
1350
1996
3
Rhine
Đức
1281.6
1958
4
Kingsferry
Anh
1250
2006
5
Saint Jonh River
Canada
1062
2001
6
Barton high level
Anh
740
1994
7
Dole
Pháp
497.6
1994
8
Trenton-Morrisville Toll
Mỹ
403.56
1952
9
Hindmarsh Island
Australia
319
2001
10
Hantoni
Nhật
197
1998
11
Koning – Karl
Stuttgart
184.7
1972
12
Volga – Đơn
Nga
121
1949
STT
Tên cầu
Quốc gia
1
Pearl Harbor Memorial
2
1.3
Lịch sử phát triển cầu dầm liên hợp thép – bê tông cốt thép ở Việt
Nam
Trải qua bao nhiêu thăng trầm của lịch sử, đến năm 1945 nước ta mới xây
dựng được cầu có kết cấu nhịp liên hợp đầu tiên trên tuyến đường Mơng Dương
– Dương Huy tình Quảng Ninh. Theo số liệu của Cục Đường Bộ Việt Nam, tính
đến tháng 10-1995 thì trên các quốc lộ có 615 cầu với tổng chiều dài là 22.600m
sử dụng kết cấu thép liên hợp với bản BTCT. Các cầu này chủ yếu là cầu dầm
đơn giản, chẳng hạn như cầu mới ở ngã tư Sở - Hà Nội, cầu Văn Điền trên Quốc
lộ 1A, cầu Bến Chang ở huyện Lập Thạch tỉnh Vĩnh Phúc, cầu Đoan Vĩ bắc qua
sông Đáy thuộc tỉnh Hà Nam…
Cho đến nay, với trình độ kỹ thuật ngày càng được cải tiến không ngừng
cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, bên cạnh các loại cầu giản
đơn, liên tục thuần túy thì một số giải pháp cầu dây văng dầm thép liên hợp
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 9
BTCT đã được nghiên cứu từng bước đưa vào ứng dụng, cụ thể như cầu dây
văng có quy mơ tương đối lớn đã được triển khai xây dựng đó là cầu Bính (hình
1.8) tại TP. Hải Phịng.
Cầu Bính được thiết kế với quy mơ khẩu độ lớn, hiện đại, mang tính thẩm
mỹ cao. Cầu có kết cầu dầm thép liên hợp bản BTCT, liên tục dài 1280m tính từ
tim 2 mố cầu theo sơ đồ nhịp 50+6x60+100+260+6x60+50. Trong đó có 3 nhịp
dây văng 100+260+100 với 2 dầm chính cao 1,75m; các nhịp dẫn có 4 dầm
chính cao 2,75m. Dầm thép mặt cắt hình chữ I liên kết hàn. Bản mặt cầu BTCT
đúc sẵn thi công theo phương pháp lắp ghép và liên kết với dầm thép thông qua
các vấu neo tại mối nối đổ tại chỗ. Mặt cầu hình chữ S với đoạn cầu dây văng
nằm trên đường thẳng, cịn đoạn cầu dẫn 2 phía nằm trên đường cong R=3500m.
Khổ cầu rộng 25,5m gồm 4 làn xe cơ giới (4x3,75) và 2 làn bộ hành và xe thơ sơ
chiều rộng (2x2,3m). Thiết kế có tính đến khả năng sử dụng 6 làn xe. Tĩnh
không thông thuyền cao 25m, rộng 125m cho tàu 3000DWT. Tải trọng thiết kế ô
tô H30 và XB80. Tốc độ thiết kế 80km/h. Độ dốc dọc tối đa 4%; độ dốc ngang
mặt cầu 2%. Cấp động đất cấp 7 MSK-64. Cầu được thực hiện dựa trên nguồn
vốn vay của Nhật Bản 8,02 tỷ Yên và nguồn vốn đối ứng trong nước 141,5 tỷ
đồng. Tiến độ thực hiện 1998 – 2005.
Hình 1.8. Cầu Bính
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 10
Cầu Đò Quan ( hình 1.9 ) có chiều dài 436,55m được hòan thành năm
1994 là cầu liên hợp lớn thứ nhì ở Việt Nam với các nhịp 5x18 + 2x33 + 42 +
63 + 42 + 4x33m có đoạn giữa 42 + 63 + 42 là nhịp liên tục.
Hình 1.9. Cầu Đị Quan
Cầu Kênh Xáng ( hình 1.10 )thuộc huyện Tháp Mười tỉnh Đồng Tháp,
trên đường tónh 846 có chiều dài nhịp 37,7m, khổ cầu 9,05m gồm 3 nhịp giản
đơn 12,2 + 12,8 + 12,2m.
Hình 1.10.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
Cầu Kênh Xáng
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 11
Cầu Bến Chang ( hình 1.11 ) tỉnh Vónh Phúc được đưa vào sử dụng năm
1992 với kết cấu gồm 3 nhịp đơn giản 3x28m, kết cấu nhịp liên hợp đầu tiên
có sử dụng biện pháp điều chỉnh ứng suất ở nước ta.
Hình 1.11.
Cầu Bến Chang
Cầu Cái Bèo ( hình 1.12 )thuộc huyện Tháp Mười tỉnh Đồng Tháp,
đường tỉnh 846 có chiều dài nhịp 37,7m, khổ cầu 8,95m gồm 3 nhịp giản đơn
12,3 + 12,3 + 12,3m.
Hình 1.12.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
Cầu Cái Bèo
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 12
Cầu Mỹ Đông ( hình 1.13 ) thuộc huyện Tháp Mười tỉnh Đồng Tháp,
đường tỉnh 847 có chiều dài nhịp 38m, khổ cầu 9,05m gồm 3 nhịp giản đơn
12,5 + 12,2 + 12,2m.
Hình 1.13.
Cầu Mỹ Đơng
Một số cầu ở nước ta được thống kê trong bảng dưới đây:
STT
Tên Cầu
Địa điểm
Chiều
Chiều
Chiều
Số lượng
dài cầu
rộng cầu
dài nhịp
nhịp
18; 33;
1
Cầu Đò Quan
TP Nam Định
436,55m
2
Cầu Ngã Sáu
Huyện Cao Lãnh
97m
3
Cầu Bến Chang
Huyện Lập Thạch
84m
4
Cầu ng Điệp
Thị Xã Sóc Trăng
72m
7m
5
Cầu Đắc San
Quốc Lộ 27
48m
6
Cầu Vónh Châu
Huyện Vónh Châu
7
Cầu Mỹ Đông
8
Cầu Kênh
Xáng
42; 63
7m
14
5
28
3
7m
24
2
42m
8m
21
2
Huyện Tháp Mười
38m
9,05m
Huyện Tháp Mười
37,7m
9,05m
12,2;
12,5
12,2;
12,8
3
3
9
Cầu Cái Bèo
Huyện Tháp Mười
37,7m
8,95m
12,3
3
10
Cầu Lắc Bưng
Xã Thạnh Thới An
36m
8m
18
2
11
Cầu Phi Liêng
Quốc Lộ 27
12,5m
7m
12,5
1
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 13
CHƯƠNG 2
KẾT CẤU CẦU LIÊN HỢP THÉP – BÊ TÔNG CỐT THÉP
2.1.
Các đặc điểm cơ bản của cầu kết cấu nhịp liên hợp thép - BTCT
2.1.1
Đặc điểm cấu tạo của dầm liên hợp
Khái niệm liên hợp thép và BTCT thông thường được hiểu là hai loại
vật liệu tham gia làm việc cùng nhau trong một tiết diện của phân tố kết cấu.
Do vậy đã có nhiều dạng cầu mang màu sắc kết cấu nhịp thép BTCT liên hợp
được xây dựng như cầu dầm; cầu dạng dàn, vòm ,dây văng …. Tuy nhiên,
phần lớn các kết cấu nhịp thép – BTCT liên hợp được xây dựng dưới dạng cầu
dầm có bản BTCT mặt cầu được liên kết với dầm thép và thuộc loại cầu đi
trên.
Trong các dạng cấu tạo của cầu dầm liên hợp nhịp giản đơn hiện nay trên
thế giới, cầu kết cấu nhịp dầm đặc hay được sử dụng nhất và là một trong
những loại cầu có cấu tạo tương đối đơn giản. Các bộ phận kết cấu chính trong
cầu liên hợp nhịp giản đơn bao gồm: dầm thép; neo liên kết; bản mặt cầu; hệ
liên kết. Cầu dầm giản đơn dùng dầm liên hợp rất phù hợp vì tồn bộ bản mặt
cầu bằng BTCT được bố trí trên suốt chiều dài nhịp nằm trong khu vực chịu
nén.
Hình 2.1. Dầm chính chữ I và hệ liên kết ngang
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 14
Trong cầu dầm liên tục thì có những đoạn dầm chịu mơmen âm, mặt cầu
sẽ chịu kéo, khi đó giải pháp thiết kế sẽ hoặc khơng có bản mặt cầu tham gia
chịu lực bằng cách khơng tạo liên kết giữa dầm thép với bản BTCT, hoặc vẫn
cho bản BTCT tham gia chịu lực nhưng có các biện pháp kèm theo như tạo dự
ứng lực trong bản BTCT hoặc bố trí các cốt thép đặc biệt để chịu kéo trong
bản BTCT.
Do bản BTCT mặt cầu cùng tham gia chịu uốn với dầm chủ nên cấu tạo
hợp lý là cánh trên của dầm thép phải nhỏ hơn cách dưới vì vậy dầm liên hợp
giảm được khối lượng thép và tăng được độ cứng đáng kể.
2.1.2
Các dạng mặt cắt ngang của kết cấu nhịp thép – BTCT liên hợp
Dầm chính, có tác dụng đỡ phần mặt cầu và cùng với bản BTCT mặt cầu
chịu trực tiếp tải trọng khai thác. Dầm chính có thể có dạng dầm hộp thép hay
giàn thép và có hình dạng phù hợp với các yêu cầu về kỹ thuật hoặc thẩm mỹ.
Tiết diện dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép thường gặp vẫn là
tiết diện chữ I (hình 2.2). Do vậy trong luận văn chọn tiết dầm thép có tiết diện
chữ I để phân tích.
Hình 2.2.Tiết diện dầm thép – BTCT liên hợp
Dầm thép cấu tạo tiết diện không đối xứng khi chịu momen dương, khi
chịu momen âm thì làm tiết diện đối xứng.
Chiều cao dầm liên hợp bằng khoảng 80% chiều cao dầm thép đơn thuần
cùng chịu tải trọng như nhau.
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 15
Trong một số trường hợp người ta làm dầm tiết diện hình hộp (hình 2.3)
Hình 2.3. Dầm có tiết diện hình hộp
Đối với loại tiết diện này sườn dầm và phần đáy hộp thường làm bằng
thép, tuy nhiên phần đáy hộp (biên dưới dầm) cũng có khi làm bằng BTCT ở
khu vực dầm chịu momen âm, chẳng hạn ở khu vực gối giữa các cầu liên tục.
Sườn dầm có thể cấu tạo là các tấm thép thẳng đứng hoặc bố trí xiên làm thành
tiết diện hình thang.
2.2.
Cấu tạo kết cấu nhịp thép – bê tông cốt thép liên hợp
2.2.1 Bản mặt cầu:
Trong dầm thép liên hợp tiết diện chữ I, bản bê tơng có thể có vút hoặc
khơng có vút, và trong một số trường hợp cịn cấu tạo thêm sườn. Bản khơng có
vút thì ván khn đơn giản, bản có vút để giải quyết tạo dốc ngang cầu và chịu
mơmen gối tốt hơn, bản có sườn phát huy chiều cao làm việc của tiết diện liên
hợp. Tuy nhiên tăng sườn bê tông lên chừng mực nào sẽ khơng kinh tế vì thi
cơng phức tạp, mặt khác ảnh hưởng nhiệt độ thay đổi khơng có lợi.
Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 quy định:
-
Chiều dày tối thiểu bản mặt cầu bê tông không được nhỏ hơn 175mm
(điều 9.7.1.1)
-
Chiều dài hữu hiệu S≤ 4100mm
-
Tỷ lệ giữa chiều dài hữu hiệu và chiều dày thiết kế không vượt quá
18.0 và không ít hơn 6.0 (điều 9.7.2.4)
-
Chiều dày phần lõi của bản khơng được ít hơn 100mm (điều 9.7.2.4)
HVTH: TRỊNH KỲ QUANG
GVHD: TS. PHÙNG MẠNH TIẾN
