Phần thứ nhất TỔNG LUẬN CẦU CHƯƠ NG NG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜ NG NG 1.1 CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƯỜ NG NG Khi xây dự dựng tuyế tuyến đườ ng ng sẽ gặp phải nhiều chướ chướ ng ng ngại như sông, suố suối, phải nhiề ngại khác khác nhau như mươ ng ng máng, chướ ng ng ngại tuyến đườ ng ng liên tục máng, nú núii cao v.v… Để vượ t qua các các chướ ngại đó đó,, bảo bảo đảm đảm tuyế tục và chuyể động toàn, ngườ tràn và các các công chuyển độ ng đượ c an toàn, ngườ i ta xây dự dựng cầu, cống, hầ hầm, đườ ng ng tràn trình trình khác khác gọ gọii là các các công trình trình nhân tạo tạo trên đườ ng. ng. Cầu là công trình vượ t qua phí qua phíaa trên chướ chướ ng ng ngại vật như như sông, suố suối, khe nú trình vượ ngại vậ núi,i, thung lũng, lũng, hoặặc vượ ho vượ t qua đườ ng, ng, qua nhà máy, chợ v.v… v.v… máy, chợ trình nằm trong nề đắp của của tuyế giải quyế dòng chảy Cống là công trình nền đắp tuyến đườ ng ng nhằ nhằm giải quyết cho dò ng chảy đặt dướ i mặt đườ ng đốii vớ i lưu thông khi giao cắ cắt vớ i tuyế tuyến đườ ng. ng. Cố Cống đặt ng tối thiể thiểu 0.5m đố ng ô tô và 1m đố ng xe lử lửa, vì vậy qua vị trí cống tuyế tuyến đườ ng ng vẫn liên tục. đườ ng đốii vớ i đườ ng tục. Cống chỉ có khả năng thoát m ột lượ lượ ng ng nướ nướ c nhỏ và vừa, vì vậy ngườ ngườ i ta xây dự dựng cố cống khi thoát mộ tuyế tuyến đườ ng ng đi qua dò ng nướ nướ c nhỏ và vừa, hoặ hoặc dò ng nướ nướ c không thườ thườ ng ng xuyên, lư lưu lượ lượ ng ng dòng dòng máng, khe rãnh. rãnh. Cố dùng làm phươ sánh vớ không lớ lớ n lắ lắm như như mươ ng ng máng, Cống đượ c dù ng làm phươ ng ng án so sánh vớ i cầ cầu nhỏ. nhỏ. Hầm dù ng để dẫn đườ ng ng xuyên qua nú trườ ng ng hợ p xây dự dựng ở dùng núi,i, trong lòng lòng đất đất và có trườ trong nướ nướ c. c. Đườ ng tràn đượ c xây dự dòng chảy có mức nướ c không ng tràn dựng khi tuyế tuyến đườ ng ng cắt ngang dò ng chảy thoát qua kế vài giờ hãn lớ n, n, lưu lượ ng ng có thể thể thoát kết cấu thân đườ ng. ng. Mộ Một năm chỉ có một vài giờ ho hoặặc hãn hữu mộ một vài nướ c ngậ ngập và tràn mặt đườ ng, ng, song xe cộ c ộ vẫn qua lại c. vài ngày ngày nướ tràn qua mặ lại đượ c. như cầu tràn, tườ ng ng chắ chắn, bế bến phà v.v… Ngoài Ngoài ra còn còn có các các công trình trình khác khác như tràn, tườ các công trình trình nhân tạo tạo trên, cầ trình phổ tạp về Trong số số các cầu là công trình phổ biế biến nh nhấất, vừa ph phứức tạp tạo, thiế đầu tư đốii lớ cấu tạo, thiết kế kế và thi công, kinh phí kinh phí đầu tư tươ ng ng đố lớ n. n.
1.2 CÔNG TRÌNH CẦU I- Các bộ phận và kí ch ch thướ c cơ bả ơ bản của cầu 1. Các bộ phận cơ bả ơ bản của cầu hoạt tải tải và vượ t qua khoảng khoảng cách cách chướ ngại - Kết cấu nh nhịịp: Bộ ph phậận trự trực tiế tiếp mang đỡ hoạt chướ ng ng ngại vật. Bộ ph phậận chịu m v.v…Kế v.v…Kết cấu nh nhịịp còn phầần xe chạy, chịu lực chính chính là dầm, dàn, dàn, vò vòm còn có ph chạy, 1
đườ ng các bộ đỡ phầần xe chạy, chạy, truyề tải trọng trọng cho bộ chịu ng ngườ ngườ i đi và lan can, các b ộ ph phậận đỡ ph truyền tải bộ ph phậận chịu lực chính, giữa các phậận chịu kết để đảm chính, giữ các bộ ph chịu lực chính chính còn còn có hệ liên kế đảm bảo bảo ổn định định và độ cứng ngang cầ cầu. Kế Kết cấ cấu nhị nhịp đượ c đặt gối cầ cầu. Có kết cấ cấu nhị nhịp xe chạy giữa, đặt lên gố chạy trên, chạy chạy giữ chạy chạy dướ dướ i.i. trụ: bộ ph đỡ kết cấu nhịp, nhịp, tiế toàn bộ tải tải trọng trọng và truyề đất - Mố, trụ: phậận kê đỡ k tiếp nh nhậận toàn truyền xu xuốống nền đất thông qua kế kết cấu mó ng. Mố Mố đượ c xây dự dựng ở hai nhiệm vụ nối tiế tiếp móng. ở hai đầu đầu cầu, mố còn còn có nhiệ giữ giữa đườ ng ng vớ vớ i cầ c ầu. Trụ đượ c xây dự dựng ở phía bờ phân phân chia cầ cầu thành Như phía ngoài ngoài bờ thành các các nhịp. nhịp. Như nhịp sẽ không có trụ mà chỉ có hai mố cũng có trườ vậy, vớ v ớ i cầ c ầu mộ m ột nhịp mố, cũng trườ ng ng hợ h ợ p cầ c ầu không có kéo dài dài mộ đoạn mú mútt thừ vào nề đắp đầu đầu cầ mố mà kết cấ cấu nhị nhịp đượ c kéo một đoạn thừa để nối vào nền đườ ng ng đắp cầu. - Ngoài b ộ ph phậận: đườ ng ng dẫ d ẫn vào c ầu, công trình d ẫn dò ng, công trình vệ Ngoài ra còn còn có các các bộ vào cầ trình dẫ dòng, trình bả bảoo vệ hoặặc vậ vật trôi va đập, gối cầ cầu v.v… trụ khỏi khỏi bị tàu tàu bè ho đập, gố
Hình 1-1 Các bộ phận cơ bả ơ bản của công trình cầu trụ; 3- mố móng; 1- kế kết cấ cấu nhị nhịp; 2- trụ; mố; 4- gố gối cầ cầu; 5- mó ng; 6- mô đất n; 7- nề nền đườ ng ng đầu cầu đất đắp đắp ¼ nó nón; đầu cầ
2. Các kí ch ch thướ c cơ bả ơ bản của cầu - Chiề Chiều dài giữa đuôi của mố hay khoảng giữa các dài toàn toàn cầu L(m): là khoảng khoảng cách cách giữ của hai mố khoảng cách cách giữ các nhịịp tiế tiếp xú t rực tiế tiếp vớ i đất nhưư cầu không có mố đầu đầu mú mútt của của kết cấu nh xúcc tr đất đắp đắp đầu đầu cầu nếu nh mútt thừ nhưư cầu mú nh thừa. dài nhịp nhịp tính tính toán toán ltt: là khoảng khoảng cách cách giữ đỡ kết cấ - Chiề Chiều dài giữa tim hai gố gối đỡ k cấu nhị nhịp - Khu độ cầu Lo: là chiều rộng thoát nướ c dướ i cầu, là tổng chiều dài các nhịp tĩ nh nh Lo = Σloi; loi khoảng cách giữa hai mép đối diện từ mép trụ này tớ i mép trụ kia (hoặc mố) xác
ng hợ p cầu có mố vùi thì MNCN không tiếp xúc định tại mực nướ c cao nhất (MNCN). Trườ ng vớ i tườ ng ng thân mố, do đó thay vì nhịp tĩ nh nh sát mố khu độ thoát nướ c sẽ đượ c lấy trung bình cộng của hai trị số tươ ng ng ứng mực nướ c cao nhất và mực nướ c thấp nhất. - Chiều cao cầu H: là khoảng cách từ mặt xe chạy (hoặc đáy ray) đến mực nướ c thấp nhất hay đến điểm thấp nhất của mặt đất nếu là cầu vượ t hoặc cầu cạn.
2
đườ ng các bộ đỡ phầần xe chạy, chạy, truyề tải trọng trọng cho bộ chịu ng ngườ ngườ i đi và lan can, các b ộ ph phậận đỡ ph truyền tải bộ ph phậận chịu lực chính, giữa các phậận chịu kết để đảm chính, giữ các bộ ph chịu lực chính chính còn còn có hệ liên kế đảm bảo bảo ổn định định và độ cứng ngang cầ cầu. Kế Kết cấ cấu nhị nhịp đượ c đặt gối cầ cầu. Có kết cấ cấu nhị nhịp xe chạy giữa, đặt lên gố chạy trên, chạy chạy giữ chạy chạy dướ dướ i.i. trụ: bộ ph đỡ kết cấu nhịp, nhịp, tiế toàn bộ tải tải trọng trọng và truyề đất - Mố, trụ: phậận kê đỡ k tiếp nh nhậận toàn truyền xu xuốống nền đất thông qua kế kết cấu mó ng. Mố Mố đượ c xây dự dựng ở hai nhiệm vụ nối tiế tiếp móng. ở hai đầu đầu cầu, mố còn còn có nhiệ giữ giữa đườ ng ng vớ vớ i cầ c ầu. Trụ đượ c xây dự dựng ở phía bờ phân phân chia cầ cầu thành Như phía ngoài ngoài bờ thành các các nhịp. nhịp. Như nhịp sẽ không có trụ mà chỉ có hai mố cũng có trườ vậy, vớ v ớ i cầ c ầu mộ m ột nhịp mố, cũng trườ ng ng hợ h ợ p cầ c ầu không có kéo dài dài mộ đoạn mú mútt thừ vào nề đắp đầu đầu cầ mố mà kết cấ cấu nhị nhịp đượ c kéo một đoạn thừa để nối vào nền đườ ng ng đắp cầu. - Ngoài b ộ ph phậận: đườ ng ng dẫ d ẫn vào c ầu, công trình d ẫn dò ng, công trình vệ Ngoài ra còn còn có các các bộ vào cầ trình dẫ dòng, trình bả bảoo vệ hoặặc vậ vật trôi va đập, gối cầ cầu v.v… trụ khỏi khỏi bị tàu tàu bè ho đập, gố
Hình 1-1 Các bộ phận cơ bả ơ bản của công trình cầu trụ; 3- mố móng; 1- kế kết cấ cấu nhị nhịp; 2- trụ; mố; 4- gố gối cầ cầu; 5- mó ng; 6- mô đất n; 7- nề nền đườ ng ng đầu cầu đất đắp đắp ¼ nó nón; đầu cầ
2. Các kí ch ch thướ c cơ bả ơ bản của cầu - Chiề Chiều dài giữa đuôi của mố hay khoảng giữa các dài toàn toàn cầu L(m): là khoảng khoảng cách cách giữ của hai mố khoảng cách cách giữ các nhịịp tiế tiếp xú t rực tiế tiếp vớ i đất nhưư cầu không có mố đầu đầu mú mútt của của kết cấu nh xúcc tr đất đắp đắp đầu đầu cầu nếu nh mútt thừ nhưư cầu mú nh thừa. dài nhịp nhịp tính tính toán toán ltt: là khoảng khoảng cách cách giữ đỡ kết cấ - Chiề Chiều dài giữa tim hai gố gối đỡ k cấu nhị nhịp - Khu độ cầu Lo: là chiều rộng thoát nướ c dướ i cầu, là tổng chiều dài các nhịp tĩ nh nh Lo = Σloi; loi khoảng cách giữa hai mép đối diện từ mép trụ này tớ i mép trụ kia (hoặc mố) xác
ng hợ p cầu có mố vùi thì MNCN không tiếp xúc định tại mực nướ c cao nhất (MNCN). Trườ ng vớ i tườ ng ng thân mố, do đó thay vì nhịp tĩ nh nh sát mố khu độ thoát nướ c sẽ đượ c lấy trung bình cộng của hai trị số tươ ng ng ứng mực nướ c cao nhất và mực nướ c thấp nhất. - Chiều cao cầu H: là khoảng cách từ mặt xe chạy (hoặc đáy ray) đến mực nướ c thấp nhất hay đến điểm thấp nhất của mặt đất nếu là cầu vượ t hoặc cầu cạn.
2
- Chiều cao khổ gâm cầu Ho là khoảng cách t ừ mực n ướ c cao nh ất đến đáy kết c ấu nhịp, để ng đảm bảo cây trôi không va đập và mắc nghẽn. N ếu là cầu v ượ t thì đượ c tính t ừ mặt đườ ng bên dướ i đến đáy kết cấu nhịp. Theo quy trình 79: đối v ớ i c ầu ô tô: nếu không có cây trôi, đá lăn H o ≥0.5m; nếu có cây trôi, đá lăn Ho ≥ 1m ng đườ ng ng thủy thì chiều cao khổ gầm c ầu phải đảm bảo N goài ra nếu sông có thông thươ ng chiều cao khổ thông thuyền cho các phươ ng ng tiện đườ ng ng thủy qua lại. - Chiều cao kiến trúc h kt là khoảng cách t ừ mặt xe chạy đến điểm th ấp nh ất của đáy kết c ấu nhịp. - Chiều rộng tính toán của kết cấu nhịp B là khoảng cách giữa trục của hai dầm biên (hay dàn biên) trên mặt cắt ngang. Khái niệm về các mự c nướ cc::
- MNLS - Mực nướ c lịch sử, là mực nướ c lớ n nhất từ trướ c đến nay mà ngườ i ta điều tra c. đượ c. - MNCN - Mực nướ c cao nhất, là kết quả tính toán ứng vớ i tần suất đượ c quy định tùy theo loại công trình (1% hay 2%). N ếu nói MNCN ứng v ớ i t ần su ất thiết k ế 1% có nghĩ a là mực nướ c của cơ n lũ mà 100 năm mớ i xuất hiện một lần. - MNTN - mực nướ c thấp nhất, đượ c đo trong mùa cạn và ứng vớ i một tần suất quy định (1% hay 2%), c ăn cứ vào MNTN để bố trí nhịp thông thuyền. - MNTT - m ực nướ c thông thuyền, là mực nướ c cao nh ất cho phép tàu bè qua lại, thườ ng ng lấy vớ i tần suất 5%, từ mực nướ c này xác định chiều cao khổ gầm cầu của nhịp thông thuyền.
II- Phân loại công trình cầu Có nhiều cách khác nhau để phân loại công trình cầu.
Phân loại theo ch ướ ng ng ngại vật cầu phải vượ t qua: - Cầu qua sông, qua suối là loại cầu phổ biến - Cầu qua đườ ng ng hay cầu vượ t,t, như cầu vượ t N gã Tư Sở , cầu vượ t đườ ng ng sắt v.v… - Cầu cạn hay cầu dẫn, là cầu đượ c xây dựng ngay trên mặt đất nhằm dẫn lên một cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đườ ng ng lên để giải phóng không gian bên dướ i như cầu dẫn ở hai đầu cầu chính Thăng Long. - Cầu cao, là loại cầu có chiều cao trụ rất lớ n đượ c bắc qua các thung lũng sâu như cầu Châu Âu ở Áo.
Phân loại theo mục đí ch ch sử dụng: - Cầu ô tô (c ầu đườ ng ng bộ) 3
- Cầu xe lửa (cầu đườ ng ng sắt) - Cầu ngườ i đi bộ (cầu bộ hành) - Cầu hỗn hợ p - Cầu thành phố - Cầu tàu (dùng ở các bến cảng) - Cầu đặc biệt dùng để dẫn khí, dẫn dầu, dẫn nướ c, c, dẫn cáp điện v.v…
Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp - Cầu gỗ - Cầu đá - Cầu bê tông, c ầu BTCT - Cầu thép
Phân loại theo cao độ mặt đườ ng ng xe chạy - Cầu có đườ ng ng xe chạy trên - Cầu có đườ ng ng xe chạy dướ i - Cầu có đườ ng ng xe chạy giữa
Phân loại theo sơ đồ nh học: ơ đồ tĩ nh Theo sơ đồ nh học của kết cấu chịu lực chính có thể phân chia công trình c ầu thành các ơ đồ tĩ nh hệ thống sau: - Cầu dầm: dướ i tác dụng của tải trọng thẳng đứng kết cấu nhịp làm việc chịu uốn và chỉ truyền áp lực thẳng đứng xuống mố trụ. Hệ thống cầu dầm bao gồm dầm giản đơ n, n, dầm liên tục và dầm mút thừa. Theo cấu tạo của kết cấu chịu lực chính có thể phân thành cầu dầm có sườ n đặc và cầu dàn. - Cầu vòm: đặc điểm cơ bả bản của hệ vòm là tại vị trí chân vòm luôn xuất hiện thành phần phản lực theo phươ ng ng nằm ngang (lực xô). - Cầu khung: là loại cầu mà mố, trụ đượ c ngàm cứng vớ i kết cấu nhịp tạo thành khung cùng tham gia chịu lực. - Cầu liên hợ p: p: là loại cầu đượ c kết hợ p từ các hệ đơ n giản hoặc hệ đơ n giản đượ c tăng cườ ng ng các bộ phận chịu lực. Bằng cách đó ngườ i ta có thể tạo ra những kết cấu chịu lực hợ p ng diện kính tế, kỹ thuật đặc biệt trong các trườ ng ng hợ p nhịp lý và có hiệu quả về các phươ ng lớ n. n. - Cầu treo: là loại kết cấu trong đó bộ phận chịu lực chính là các dây làm việc chịu kéo. Dướ i tác dụng của hoạt tải hệ dầm m ặt cầu và dây làm vi ệc nh ư một h ệ liên hợ p. p. C ầu treo gồm có cầu treo parabol còn gọi là cầu treo và cầu dây văng
Theo quy mô công trình 4
- Cầu nhỏ: L≤ 25m - Cầu trung L = 25-100m - Cầu lớ n: L> 100m hoặc có nhịp l≥30m
Theo đặc điểm công trình Cầu phao, cầu quay, cầu nâng
Theo thờ i hạn sử dụng Cầu tạm dướ i 5 năm, cầu bán vĩ nh cửu 10-50 năm, cầu vĩ nh cửu trên 50 năm
5
Hình 1-2 Các sơ đồ cầu a,b,c- cầu dầm giản đơ n, liên tục, mút thừa; d- cầu dàn; e- cầu khung; f, g- cầu vòm có đườ ng xe chạy trên và xe chạy giữa; h- cầu liên hợ p dầm-vòm; i- cầu treo; k- c ầu dây văng
III- Lịch sử tóm tắt và phươ ng hướ ng phát triển ngành xây dự ng cầu 1. Lịch sử tóm tắt Cầu là công trình nhân tạo, vì vậy lịch sử phát triển của nó gắn liện v ớ i s ự phát triển của xã hội. Vào thờ i kỳ khai sơ của loài ngườ i, con ngườ i dựa vào tự nhiên để vượ t qua các con suối, khe sâu nhờ những thân cây đổ vắt ngang, những dàn dây leo hoặc nh ững cây trôi nổi mắc vào các vật chướ ng ngại. Có thể coi đó là những hình ảnh đầu tiên của cu dầm, cầu treo và cầu phao ngày nay. Ngườ i cổ xưa bắt chướ c các hiện tượ ng tự nhiên để tạo ra các phươ ng tiện để vượ t qua các dòng sông, con suối. Di tích của chiếc c ầu c ổ xưa nh ất là cầu qua sông Euphrate ở Babylon đượ c làm bằng thân cây cọ, nhịp dài 9m vớ i tổng chiều dài là 300m (khoảng 2000 năm trướ c công nguyên). Thờ i kỳ chiếm h ữu nô lệ, để phục vụ các cu ộc chiến tranh giữa các b ộ lạ c c ần thiết phải xây dựng những tuyến đườ ng và các cây c ầu, hệ thống giao thông vận tải bắt đầu phát triển. Đầu tiên là cầu gỗ xuất hi ện, sau đó là cầu đá. Rất nhiều những công trình cầu c ổ xưa đượ c xây dựng cách đây hàng ngàn năm còn tồn tại ở các khu vực Babylon, Iran, La Mã.
6
Hình 1-3 Cầu vòm gang qua sông Severn-Anh n ăm 1776-1779 Trong xã hội phong kiến, ở giai đoạn sau khi chủ nghĩ a tư bản xuất hiện, nhu cầu giao lưu buôn bán ngày càng tăng đã trở thành động lực thúc đy sự phát triển mạnh mẽ của giao thông vận tải. Tuy vậy ở thờ i kỳ này vẫn chỉ có cầu đá và cầu gỗ, lý luận tính toán chưa có. Sang thờ i kỳ tư bản chủ nghĩ a giao thông vận tải phát triển. C ầu c ống không chỉ tăng v ề mặt s ố lượ ng mà có nhiều thay đổi v ề dạng k ết c ấu và vật li ệu. Bên cạnh cầu đá, cầu gỗ bắt đầu xuất hiện cầu gang, cầu thép và sau đó là cầu BTCT. Về hình dạng kết cấu đã xuất hiện cầu dầm, cầu dàn và cầu treo... Nh ờ các ngành toán học và cơ học phát triển mạnh, các công trình cầu đượ c xây dựng dựa trên cơ sở lý luận tính toán kết cấu và thiết kế vớ i tải trọng nặng hơ n (đầu máy hơ i nướ c ra đờ i) đồng thờ i vượ t nhịp lớ n hơ n. Năm 1776 một kỹ sư ngườ i Nga tên là Ku-li-bin đã thực hiện đồ án thiết kế chiếc cầu vòm gỗ nhịp 310m bắc qua sông Nêva ở Pê-téc-bua. Cũng trong thờ i kỳ này, xuất hiện cầu kim loại, đầu tiên là chiếc cầu bằng gang bắc qua sông Severn (Anh), nhịp 31m vào năm 1776-1779. Bằng dây xích sắt, năm 1741 ngườ i Anh đã xây dựng cầu treo đầu tiên nhịp 22m qua sông Tess. Cầu treo có ư u điểm là vượ t nhịp l ớ n và có hiệu quả kinh tế cao. Vào n ăm 1820 khi xây dựng chiếc cầu treo qua sông Tvid (Anh) nhịp dài 110m ngườ i ta đã so sánh và thấy giá thành rẻ hơ n 4 lần so vớ i phươ ng án cấu đá. Do có nhiều ưu điểm nên sau khi ra đờ i cầu treo đã phát triển mạnh, chỉ trong một thờ i gian ngắn đã đượ c ứng dụng nhiều và đạt tớ i nhịp hàng trăm mét. Năm 1834 ở Thụy Sỹ xây dựng chiếc cầu treo dây cáp nhịp 265m và đến năm 1848 cầu Virginia (Mỹ) đã đạt đượ c nhịp 308m. Tuy nhiên ở thờ i kỳ này v ề lý thuyết tính toán đặc biệt về ổn định động học còn nhiều vấn đề chưa đượ c giải quyết, do đó đã xảy ra một số tai nạn đối vớ i cầu treo, như cầu qua sông Meine (Pháp) đã bị sập khi có một đoàn quân đi đều qua cầu làm ch ết 226 ngườ i. Những tai nạn cùng vớ i sự hạn chế về khả năng chịu hoạt tải n ăng so vớ i các loại c ầu khác khiến vi ệc áp dụng c ầu treo có xu h ướ ng chững lại và chuyển sang những hệ thống cầu cứng như dầm, dàn, vòm.
7
Hình 1-4 Cầu dàn mút thừ a qua vịnh Forth-năm 1890 Những năm cuối của thế kỷ XIX, đầu thế kỷ XX ngành xây dựng cầu phát triển mạnh mẽ và phong phú về mọ i ph ươ ng diện, c ầu BTCT bắt đầu xu ất hi ện vớ i nh ững công trình đượ c xây dựng ở Pháp, Đức. Hàng loạt các cầu kim loại ( chủ yếu là thép) đượ c xây dựng vớ i các dạng dàn, vòm và đạt nhịp hàng trăm mét trong cuộc chạy đua rất sôi động về chiều dài nhịp kỷ lục. Về cầu dàn thép có cầu qua vịnh Forth (Scotland) dạng mút thừa nhịp 521m đượ c sây dựng năm 1890 và cầu Quebec (Canada) vượ t nhịp 549m (1917), năm 1931 cầu vòm thép qua vịnh Sydney (Australia) đạt nhịp 503m và bốn tháng sau tại New York ngườ i ta thông xe cầu Bayonne có nhịp 504 m, tiếp đến là cầu Kyll-wan-koul (New York) nhịp 511m.
Hình 1-5 Cầu vòm qua vịnh Sydney – năm 1931 Trướ c nhu cầu v ượ t qua các con sông rộng, sâu và các eo biển l ớ n, vào những n ăm n ửa đầu th ế kỷ XX c ầu treo đượ c ch ấp nh ận trở lại trên cơ sở hoàn thiện hơ n nh ững nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, chính thờ i kỳ này đã có bướ c nhảy vọt về khả năng vượ t nhịp của cầu treo: năm 1929 cầu treo có nhịp lớ n nhất thế giớ i – cầu Ambassasdor (Mỹ) vượ t nhịp 564m, 3 năm sau cầu G. Washington ở NewYork (1932) đã vượ t nhịp dài 1067m và tiếp theo là Golden Gate nhịp 1280m ở San Francisco (1937). 8
Năm 1940 ở Mỹ đã xả y ra vụ tai nạn sập cầu treo Tacoma nhịp 853m (công trình mớ i hoàn thành đượ c 6 tháng). Đây là vụ tai nạn gây nhiều chú ý và đã thu thập đượ c nhiều s ố liệu liên quan, đặc biệt ngườ i ta đã quay phim đượ c toàn bộ diễn biến của tai nạn.
Hình 1-6 Tai nạn cầu Tacoma năm 1940 Vụ đổ cầu Tacoma không làm các nhà xây dựng lảng tránh c ầu treo mà ngượ c lại đã bổ sung cho ngành xây dựng cầu những vấn đề cần nghiên cứu hoàn thiện. Vớ i các phươ ng hướ ng chính là tăng cườ ng độ cứng cho dầm chủ và tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để tìm ra các dạng tiết diện thoát gió, các công trình cầu treo nhịp lớ n vẫn đượ c tiếp tục xây dựng như cầu Verrazano-Narrow ở NewYork nhịp 1298.45m (1964), cầu Humber ở Anh nhịp 1410 (1981) và kỷ lục về nhịp cuối cùng của thế kỷ XX thuộc về cầu treo AkashiKaikyo (Nhật Bản) vớ i nhịp chính dài 1991m, công trình đượ c hoàn thành năm 1998.
Hình 1-7 Cầu treo Tacoma sau khi xây dự ng lại
9
Hình 1-8 Cầu treo Golden Gate Một dạng cầu treo nữa là cầu dây văng d ầm cứng đượ c áp dụng khá phổ biến ở các nướ c châu Âu bắt đầu t ừ giữa th ế kỷ XX và hiện đang đượ c ưa chuộng. Vào khoảng những n ăm 70 của th ế kỷ này nh ững nghiên cứu cho thấy c ầu dây văng có các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật rất tốt đối vớ i nhịp 200-300. Tuy nhiên đến nay vớ i những thay đổi về quan niệm kết cấu cũng như công nghệ thi công, tính ưu vi ệt của cầu dây văng còn thể hiện vớ i cả các nhịp có chiều dài lớ n hơ n: cầu Normandie bắc qua sông Seine ( Pháp) xây dựng xong năm 1994, nhịp chính dài 856m, cầu Tatara (Nhật Bản) nhịp 890m hoàn thành năm 1999 là nhịp lớ n nhất thế kỷ đối vớ i cầu dây văng.
Hình 1-9 Cầu dây văng Normandie - Pháp Song song vớ i cầu thép, cầu bê tông cốt thép ứng suất trướ c trong những năm nửa cuối thế kỷ này đã chiếm lĩ nh một vị trí quan trọng. Vớ i việc sử dụng vật liệu có cườ ng độ cao cùng v ớ i s ự phát triển của công nghệ thi công, kết c ấu nh ịp bê tông cốt thép ứng suất tr ướ c đến nay đã đạt đượ c nhịp hàng trăm mét. Ở nướ c ta từ năm 1960 trở lạ i đây, nhất là sau khi giải phóng miền Nam 1975, tổ quốc thống nhất, nhiều c ầu thép và BTCT hiện đại đượ c xây dựng trong cả nướ c. Đáng chú ý là 10
cầu Thăng Long qua sông Hồng ở thủ đô Hà Nội dài trên 5km g ồm kết cấu nhịp dàn thép giữa hai bờ sông xe lửa chạy d ướ i, ô tô chạy trên, mặt c ầu ô tô r ộng 31m, hệ thống cầu dẫn hai đầu c ầu là nhịp BTCT dự ứ ng l ực xây dựng vào n ăm 70-80 của th ế kỷ XX này. Những năm g ần đây cầu BTCT đã đượ c xây dựng vớ i nhiều cầu lớ n như cầu Quán Hàu ở Quảng Bình, cầu Phù Đổng, cầu Thanh Trì, cầu Vĩ nh Tuy ở Hà Nội v.v… Cầu dây văng cũng đượ c xây dựng nhiều, cầu Mỹ Thuận nối bắc qua sông Tiền Giang vớ i nhịp chính 350m có hai mặt phẳng dây, cầu Bãi Cháy ở Quảng Ninh- cầu dây văng một mặt phẳng dây nhịp dài nhất thế giớ i 435m.
2. Phươ ng hướ ng phát triển của ngành xây dự ng cầu Cho đến nay ngành xây dựng cầu đã đạt đượ c những thành tựu to lớ n về nhiều phươ ng diện, từ những vấn đề về kết cấu công trình đến kỹ thuật công nghệ, sự hoàn chỉnh của lý thuyết đi đôi vớ i những nghiên cứu th ực nghiệm đã mở ra khả năng ứng dụng vào thực tiễn những công trình đạt đượ c các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt, khả năng vượ t nhịp ngày một lớ n. Thực v ậy, m ột trong những phươ ng án v ượ t eo biển Gibralta nối Tây Ban Nha v ớ i Ma rốc là sử dụng cầu dây văng có sơ đồ 3100+8400+4700m đã cho thấy những tiến bộ vượ t bậc trong lĩ nh vực xây dựng nói chung và ngành cầu nói riêng. Phân tích các công trình cầu hiện đại xây dựng trên thế giớ i trong những năm gần đây thấy rõ các khuynh hướ ng: V ề vậ t liệ u: sử dụng vật liệu cườ ng độ cao (thép cườ ng độ cao, thép hợ p kim, bê tông mác cao) và vật liệu nhẹ (bê tông cốt liệu nhẹ, hợ p kim nhôm), nhằm mục đích giảm khối lượ ng vật liệu và giảm nhẹ trọng lượ ng bản thân kết cấu. V ề kế t cấ u: sử dụng những kết cấu hợ p lý áp dụng các biện pháp điều chỉnh ứng suất nhằm tiết kiệm vật liệu. - Kết cấu bản trực giao - Kết cấu thép-bê tông cốt thép liên hợ p - Kết cấu ứng suất trướ c - Kết cấu dầm tiết diện hộp - Các s ơ đồ cầu treo vớ i các biện pháp tăng cườ ng độ cứng, cầu dây văng, cầu khung dầm bê tông cốt thép ứng suất trướ c. V ề liên kế t và ghé p n ố i: sử dụng các biện pháp liên kết ghép nối có chất l ượ ng cao, thực hiện đơ n giản, tiết kiệm như liên kết hàn và bu lông cườ ng độ cao cho kết cấu thép, dán keo epoxy vớ i kết cấu bê tông. V ề công ngh ệ thi công: có thể nói những tiến bộ về công nghệ thi công đóng một vai trò đặc biệt quan trọng trong sự phát triển của ngành xây dựng cầu trong thờ i gian gần đây. Các
11
công nghệ thi công tiên tiến như lắp hẫng, đúc hẫng, đúc đy cùng vớ i các thiết bị công nghệ hiện đại đã mang lại hiệu quả cao về kinh tế cũng như kỹ thuật. N goài ra lý thuyết tính toán thiết kế vẫn tiếp tục đượ c nghiên cứu và hoàn chỉnh. Vớ i phươ ng tiện máy tính điện t ử quá trình tính toán ngày càng đạt đượ c độ chính xác cao bằng cách xét tớ i đầy đủ hơ n các yếu tố ảnh hưở ng (vật lý, hình học). Bên cạnh đó, các nghiên cứu thực nghiệm đượ c đề cao và tiến hành một cách quy mô. Th ực tế cho thấy những kết quả thực nghiệm có ý nghĩ a r ất lớ n trong việc ki ểm ch ứng, bổ sung và hoàn thiện lý thuyết tính toán.
CHƯƠ NG 2: NHỮ NG VẤN ĐỀ CƠ BẢN TRONG THIẾT KẾ CẦU 2.1 CÁC GIAI ĐOẠN THIẾT KẾ CẦU Theo quy định hiện hành, trình tự đầu tư và xây dựng một công trình bao gồm 3 giai đoạn: - Chun bị đầu tư - Thực hiện đầu tư - Kết thúc xây dựng đưa dự án vào khai thác sử dụng Tuy nhiên trong qua trình thực hiện dự án thì việc thiết kế công trình cầu cũng phân theo giai đoạn sau:
1. Giai đoạn thiết kế sơ bộ: Thiết kế sơ bộ thuộc bướ c nghiên cứu khả thi : là đưa ra một vài phươ ng án cầu,các phươ ng án khác nhau về vật liệu kết cấu v.v… trên cơ sở mặt cắt địa chất, điều kiện thuỷ lực thuỷ văn và một số các tài liệu khác đã đượ c xác định từ trướ c. Từ đó chọn ra một phươ ng án thích hợ p nhất để thiết kế kỹ thuật và xây dựng. Nội dung công việc thiết kế sơ bộ gồm - Vẽ lại bình đồ, trắc dọc vị trí cầu - Tính toán lưu lượ ng, khu độ cầu, xác định coa độ vai đườ ng đầu cầu - Phân chia nhịp và lập các phươ ng án cầu. Có thể dùng kết cấu định hình để sơ bộ tính khối lượ ng, xác định các kích thướ c cơ bản. - Chọn lo ại móng và mố trụ dựa vào tình hình địa ch ất c ụ thể và sơ bộ xác định cao độ đáy móng, kích thướ c cơ bản của móng mố trụ. Sơ bộ xác định số lượ ng cọc và độ sâu chôn cọc. - Lập bảng so sánh khối lượ ng và giá thành các b ộ phận chính của cầu - Khi so sánh về chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật cần phải chú ý đến mức độ công nghiệp hoá, cơ giớ i hoá thi công, việc áp dụng công nghệ mớ i và đặc bi ệt hi ện nay thì rất cần chú ý đến vẻ đẹp mỹ quan của công trình cầu. 12
Như vậy sau khi so sánh lựa ch ọn đượ c ph ươ ng án thích hợ p, lúc đó k ết thúc thiết k ế sơ bộ và chuyển sang thiết kế kỹ thuật.
2. Thiết kế kỹ thuật: Phần thiết kế kỹ thuật gồm thuyết minh tính toán và bản vẽ chi tiết các bộ phận. Phầ n thuyế t minh tính toán: Tiến hành tính toán các bộ phận c ầu nh ư kết cấu nhịp, m ố, trụ theo các trạng thái giớ i h ạn, đảm b ảo các cấu ki ện đủ khả năng chịu t ải c ả tất c ả các tải trọng tác dụng. Phầ n bả n vẽ gồ m: Bản v ẽ bố trí chung theo chính diện th ể hiện cách bố trí kết cấu nh ịp có lan can tay vịn, cách bố trí mố trụ và móng. Theo ngang c ầu th ể hiện b ề rộng c ầu, b ề rộng phần xe chạy và đườ ng ngườ i đi, số dầm chính và thể hiện liên kết ngang. Các kích thướ c cơ bản của cầu đượ c ghi trên b ản vẽ bố trí chung cùng vớ i các loại mực n ướ c, các loại cao độ như cao độ vai đườ ng đầu cầu, cao độ mặt đườ ng xe chạy, cao độ đáy dầm, cao độ đỉnh, đáy móng…Bảng vật liệu chủ yếu cho các c ấu kiện. Bản vẽ chi tiế t c ấ u t ạo các bộ phận: Cấu t ạo móng, mố, tr ụ, c ấu t ạo k ết cấu nh ịp, chi tiết một số kết cấu liên quan.
3. Thiết kế tổ chứ c thi công: Thiết kế tổ chức thi công gồm: Bố trí mặt bằng công trườ ng, tính toán bố trí nhân lực, máy móc thiết bị phục vụ thi công, tính toán các kết cấu phụ tạm phục vụ thi công như: Chọn máy bơ m, tính vòng vây c ọc ván, tính ván khuôn, chọn búa đóng cọc…. Trong phần này chủ yếu các đơ n vị nhà thầu đưa ra phươ ng án thi công, từ đó các nhà thầu tự thiết kế ra các biện pháp tổ chức thi công cho t ừng hạng mục của công trình.
2.2 CÁC TÀI LIỆU KHẢO SÁT PHỤC VỤ THIẾT KẾ 1. Lự a chọn vị trí cầu Đối v ớ i c ầu nhỏ, c ầu trung nói chung vị trí cầu phụ thuộc vào tuyến đườ ng, còn c ầu l ớ n thì vị trí cầu lại quyết định, cần l ựa chọn c n th ận để giá thành công trình rẻ nhất. Yêu cầu khi lựa chọn vị trí cầu là: - Không làm tăng kinh phí xây dựng đườ ng quá mức - Các tài liệu địa chất thủy văn khu vực định làm cầu phải ổn định - Nơ i dòng sông hẹp nhất và không có khả năng đổi hướ ng dòng chảy - Tim cầu nên vuông góc vớ i dòng chảy để dòng chảy êm thuận - Bảo đảm giao thông đườ ng thủy nếu có - Phải phục vụ yêu cầu phát triển kinh tế xã hội hiện tại và tươ ng lai, phục vụ quốc phòng 13
2. Các tài liệu cần đo đạc điều tra khảo sát ở vị trí cầu Sau khi lựa chọn đượ c vị trí cầu hợ p lý ta cần tiến hành thu thập các tài liệu sau đây tại vị trí cầu làm cơ sở cho thiết kế. a) Đ o vẽ bì nh đồ khu vự c kể cả khu vực d ự kiến bố trí công trườ ng và đườ ng đầu cầu, trắc ngang sông tại vị trí cầu. Phạm vi đo đạc v ề phía th ượ ng l ưu b ằng hoặc g ấp r ưỡ i chiều rộng sông về mùa lũ, về phía thượ ng lưu bằng chiều rộng sông về mùa lũ. b) Điề u tra thủ y v ă n: điều tra các m ực n ướ c MNCN, MNTN, MNTT, MNTC v.v…v ận tốc dòng chảy, độ dốc lòng sông, bề rộng dòng sông, tình hình xói b ồi, v ật trôi cây trôi vào mùa lũ. Các tài liệu này dùng để phục vụ tính toán khu độ cầu, đườ ng xói lở , quyết định chiều cao đáy dầm, thiết kế các công trình bảo vệ và nắn dòng chảy. N goài ra phải xác định thông thươ ng đườ ng thủy, c ấp sông, tải trọng tàu bè, các yêu cầu về luồng lạch. Nếu sông nằm trong khu vực gần biển cần điều tra về ảnh hưở ng của thủy triều, khả năng xâm thực và các ảnh hưở ng khác của hơ i nướ c mặn. c) Điề u tra đị a chấ t công trì nh: bao gồm công việc xác định vị trí các lỗ khoan và khoan thăm dò để biết địa chất chỗ xây dựng, lấy mẫu đất đá về thí nghiệm, xác định các chỉ tiêu cơ lý của đất, cuối cùng vẽ đượ c m ặt c ắt địa ch ất của sông tại vị trí cầu th ể hiện chiều dày các lớ p đất, loại đất, các tính năng cơ lý của đất v.v…nhằm phục vụ cho việc thiết kế nền móng, chọn loại móng và chiều sâu đặt móng. Trong quá trình điều tra cần phát hiện có hiện tượ ng cát chảy, đất trượ t, xói ngầm, nướ c xâm thực, phong hóa v.v…không. Nhiều trườ ng hợ p phải thay đổi thiết kế kỹ thuật và phươ ng pháp thi công do điều tra không chính xác không đầy đủ. d) Điề u tra khí tượ ng: bao gồm thờ i tiết, khí hậu, mùa khô, mùa mưa bão, hướ ng gió, tốc độ gió, thờ i gian lũ, nhiệt độ cao nhất, thấp nhất v.v…Các tài liệu này rất cần cho việc bố trí công trườ ng, vạch tiến độ thi công và cũng liên quan tớ i thiết kế kỹ thuật chẳng hạn như cần tính lực gió, tính ảnh hưở ng biến dạng do nhiệt độ v.v… e) Điề u tra khả nă ng cung cấ p nhân l ự c, nguyên vậ t liệ u đị a phươ ng, các xí nghiệp công nghiệp có liên quan cung ứng v ật t ư, máy móc, thiết bị, n ăng l ượ ng, phươ ng tiện v ận chuyển, đườ ng giao thông sắt, thủy b ộ, tình hình cung cấp l ươ ng thực, thực ph m, chất đốt phục vụ sinh hoạt, tình hình an ninh chính trị và phong tục tập quán địa phươ ng. Các tài liệu này r ất cần cho thiết k ế tổ chức thi công nhằm rút ng ắn thờ i hạn xây dựng và hạ giá thà nh công trình.
14
2.3 LỰ A CHỌN CÁC CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO- PHÂN CHIA HNP- KHỔ THÔNG THUYỀN- KHỔ CẦU 1. Lự a chọn các công trình nhân tạo Đối vớ i dòng nướ c nhỏ, dòng nướ c không thườ ng xuyên vớ i lưu lượ ng nhỏ, chiều cao đất đắp lớ n dùng cống là hợ p lý, cấu tạo và thi công đơ n giản, tốn ít vật liệu, mặt đườ ng lại liên tục. Cống có thể là cống đơ n, cống đôi hay cống ba. Đối vớ i dòng nướ c thườ ng xuyên hay chu kỳ lưu lượ ng tươ ng đối lớ n cống không thể thoát nướ c đượ c, hoặc so sánh vớ i cống không có hiệu quả về kinh tế kỹ thuật thì nên xây dựng cầu nhỏ. Đối v ớ i dòng nướ c l ưu l ượ ng lớ n h ơ n (Q>100m3 /s) ngườ i ta xây dựng cầu trung hay cầu lớ n. Đối vớ i cầu nhỏ và cầu trung thườ ng làm cầu BTCT . Đối vớ i cầu lớ n thườ ng làm cầu thép, khi không có điều kiện xây dựng trụ có thể làm cầu treo. Khi địa chất là đá không bị lún có thể làm cầu vòm BTCT. Đối vớ i cầu vượ t đườ ng thườ ng làm cầu khung.
2. Phân chia nhịp Việc phân chia nhịp xuất p hát t ừ yêu cầu kinh tế kỹ thuật và thông thươ ng. Trườ ng h ợ p có thông thươ ng thì nhịp thông thươ ng phải đảm bảo quy định t ối thiểu phụ thuộc vào cấp sông. Các nhịp khác có thể tham khảo kết luận sau đây: “giá thành một nhịp (không kể phần xe chạy) bằng giá thành một trụ là kinh tế nhất” Trườ ng hợ p sông không thông thươ ng cũng phải xác định vị trí của hai trụ ở nhịp bắc qua dòng chủ trướ c để tránh làm trụ ở giữa dòng chủ. T ừ đó xác định vị trí của các trụ khác và vị trí mố. Khoảng cách các mố trụ phải đảm bảo điều kiện thoát nướ c.
3. Khổ thông thuy ền Nếu trên sông có các phươ ng tiện giao thông đườ ng thủy thì phải bố trí một số nhịp thông thuyền. Thông thườ ng là hai nhịp, nhịp xuôi dòng và nhịp ngượ c dòng. Nếu điều ki ện dòng sông không cho phép bố trí hai nhịp thông thuyền thì có thể chỉ đặt một nhịp vớ i khu độ láy theo kích thướ c của khổ xuôi dòng. N hịp thông thuyền trướ c h ết bố trí ở dòng chủ. Khổ thông thuyền là khoảng không gian trống dướ i gầm cầu dành cho các phươ ng tiện giao thông đườ ng thủy qua lại một cách an toàn mà không một kết cấu nào đượ c phép vi phạm để đảm bảo an toàn giao thông. Khổ thông thuyền phải đượ c đặt lọt dướ i gầm cầu ở cao độ MNTT. Các kích thướ c của kh ổ thông thuyền quy định phụ thuộc vào loại ph ươ ng tiện vận tải và cấp sông. 15
Bảng 2-1
Cấp sông
I II III IV V VI VII
Độ sâu đảm bảo thông thuyền (m) >2.0 1.6-2.6 1.1-2.0 0.8-1.4 0.6-1.1 0.45-0.8 <0.6
Chiều rộng B (m) N hịp N hịp xuôi ngượ c Không nhỏ hơ n 140 120 140 100 120 80 80 60 60 40 40(30) 20 20(10) 10(9)
Chiều cao (m) Ở phần Ở gối h giữa nhịp H Không nhỏ hơ n 13.5 5.0 12.5(10.0) 4.0 10.0 3.5 10.0(7.0) 2.5 7.0 2.0 3.5 1.5 3.5(1.5) 1.0
Trị số trong ngoặc đượ c dùng khi có sự đồng ý của cơ quan hữu quan.
Hình 2-1 Khổ thông thuy ền
4. Khổ cầu Là khoảng không gian trống dành cho phươ ng tiên giao thông qua lại trên cầu an toàn.
b) Đườ ng xe chạy dướ i a) Đườ ng xe chạy trên Hình 2-2 Khổ cầu đườ ng ô tô Đối v ớ i c ầu ô tô, chi ều cao khổ giớ i hạn th ống nhất là 4.5m, bề rộng K phụ thuộc vào s ố làn xe. Một số khổ cầu đượ c sử dụng hiện nay: K-4.5; K-6; K-7; K-8; K-9; K-10.5; K-14; K-21; K-8+C+8; K9+C+9. Chiều rộng giải phân cách C phải phù hợ p vớ i giải phân cách 16
của đườ ng đầu cầu, tuy nhiên trong một số trườ ng hợ p vì những lý do nhất định có thể giảm kích thướ c nhưng không đượ c nhỏ hơ n 1.2m. Khổ đườ ng ngườ i đi có chiều cao 2.5m, chi ều rộng lấy bằng bội số 0.75m (tươ ng ứng khả năng thông qua 1000 ngườ i trong một giờ ). Đối vớ i cầu thành phố cáo khổ từ K-10.5 trở xuống, chiều rộng đườ ng ngườ i đi tối thiểu là 1.5m, nếu khổ lớ n hơ n lấy b ằng 2.25m. Các kích thướ c khác xem trong bảng. Bảng 2-2
Khổ cầu
K-9+C+9 K-8+C+8 K-21 K-14 K-10.5 K-9 K-8 K-7 K-6 K-4.5
Khoảng cách tĩ nh (m) Giữa các kết cấu trên độ cao 3.0m kể từ 4.5m kể từ Giữa các vỉa đỉnh phần đỉnh phần (K) đườ ng xe chạy đườ ng xe chạy (B) (A) 2x9.0 9.5 8.0 2x8.0 8.5 7.0 21.0 21.5 20.0 14.0 14.5 13.0 10.5 11.0 9.5 9.0 9.5 8.0 8.0 8.5 7.0 7.0 7.5 6.0 6.0 6.5 5.0 4.5 5.0 3.5
Chiều cao tiêu chun của đườ ng ngườ i đi bộ (e) 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25 0.25
2.4 TẢI TRỌNG VÀ CÁC TÁC ĐỘNG I Các loại tải trọng 1. Tĩ nh tải Là tải trọng có tác dụng thườ ng xuyên và không có sự thay đổi vị trí. Chẳng hạn như trọng l ượ ng bản thân kết c ấu, trọng l ượ ng đất là tĩ nh tải th ẳng đứng. Áp l ực ngang của đất, áp lực thủy tĩ nh. Trọng l ượ ng bản thân kết cấu xác định dựa vào kích thướ c hình học, hình dạng và loại vật liệu.
2. Hoạt tải
17
Là tải trọng có tính chất di động và không thườ ng xuyên. Ví dụ như trọng lượ ng của ô tô, xe lửa, đoàn ngườ i và các phươ ng tiện vận tải khác là hoạt tải th ẳng đứng. N goài ra còn có các tác dụng khác của hoạt tải như áp lực đất do hoạt tải thẳng đứng gây ra, l ực hãm phanh, lực ly tâm, l ực lắc ngang là các tải trọng nằm ngang.
3. Các tải trọng khác Như tải trọng gió, lực động đất, tải trọng thi công v.v…
II- Tổ hợ p tải trọng Mỗi bộ phận c ầu chỉ tính v ớ i m ột số tả i trọng nhất định. Số tải trọng xuất hi ện đồng thờ i trong tính toán gọi là tổ hợ p tải trọng. Có 3 tổ hợ p tải trọng là
1. Tổ hợ p tải trọng cơ bản: Bao gồm tĩ nh tải và hoạt tải thẳng đứng của ô tô, đoàn ngườ i, lực xung kích, áp lực ngang đất do bản thân và do hoạt tải đi trên lăng thể trượ t gây ra. Các bộ phận chịu lực chủ yếu của cầu đều tính vớ i tổ hợ p cơ bản. Tuy nhiên mỗi b ộ phận không nhất thiết phải tính v ớ i tất cả các lực trong tổ hợ p. Chẳng hạn tính kết cấu nhịp thườ ng không có áp lực ngang của đất. Mố trụ cứng không tính xung kích.
2. Tổ hợ p tải trọng phụ Bao gồm một số lực trong tổ hợ p cơ bản và thêm vào các lực khác như lực hãm phanh hay lực gió
3. Tổ hợ p tải trọng đặc biệt Bao gồm một số lực trong tổ hợ p cơ bản và thêm vào tải trọng thi công hay lực động đất
III- Xác định các loại hoạt tải thẳng đứ ng Trên cầu ô tô thườ ng có các hoạt tải thẳng đứng như ô tô, xe xích, xe bánh nặng, máy kéo, các loại máy móc thi công, đoàn ngườ i. Vì vậy khi thiết kế thườ ng tính vớ i đoàn ô tô tiêu chun và ngườ i đi bộ, sau đó kiểm tra vớ i một chiếc xe xích hoặc xe bánh nặng đặc biệt (khi kiểm tra không có hoạt tải đoàn ngườ i).
1. Các đoàn xe ô tô tiêu chun Vì có nhiều loại ô tô đi trên cầu khác nhau về tải trọng, khoảng cách, nguồn gốc sản xuất, nên khi thiết kế ngườ i ta quy định một số sơ đồ dựa trên cơ sở thực t ế là m tiêu chu n tính toán th ể hiện cả trọng l ượ ng và cự ly giữa các xe. Chiều dài đoàn xe không hạn ch ế. C ự ly giữa các xe không cho phép nhỏ hơ n trong sơ đồ. Cho phép t ăng c ự ly và xếp xe gián đoạn nếu việc làm đó đạt đượ c vị trí bất lợ i nhất Hiện nay có 5 đoàn xe ô tô tiêu chun H8, H10, H13, H18, H30.
18
Trong đoàn xe H8, H10, H13 có một chiếc xe nặng gấp 1.3 l ần xe tiêu chun, như vậy tươ ng ng ứng băng 10.4T, 13T, 16.9T. Trong đoàn xe H18 có một chiếc xe nặng 30T Đoàn xe H30 không có chiếc nào nặng hơ n. n. Các đặc trưng kỹ thuật chủ yếu của các đoàn xe ô tô tiêu chun xem trong bảng 2-3
Hình 2-3 Sơ đồ ơ đồ các đoàn xe ô tô tiêu chu n
ng kỹ thuật các đoàn xe ô tô tiêu chu n Bảng 2-3 Đặc trư ng Loại hoạt tải tiêu chun của ô tô S T T
1
2
3
4
5
Chỉ tiêu kỹ thuật
Trọng lượ ng ng 1 xe Số xe trong đoàn Áp lực trục sau Áp lực trục trướ c Bể rộng bánh sau
H18
Đơ n vị
H30
T
H13
H10
H8
Xe nặng
Xe tiêu chun
Xe nặng
Xe tiêu chun
Xe nặng
Xe tiêu chun
Xe nặng
Xe tiêu chun
30
30
18
16.9
13
13
10
10.4
8
Xe
Tùy ý
1
Tùy ý
1
Tùy ý
1
Tùy ý
1
Tùy ý
T
2×12
2×12
12
12.35
9.5
9.5
7
7.6
5.6
T
6
6
6
4.55
3.5
3.5
3
2.8
2.4
m
0.6
0.6
0.6
0.6
0.4
0.4
0.3
0.3
0.3
19
6
7
8
9
10
Bề rộng bánh trướ c Bề rộng tiếp xúc dọc cầu Cự ly tim các trục sau Cự ly tim bánh sau Bề rộng thùng xe
m
0.3
0.3
0.3
0.25
0.2
0.2
0.15
0.15
0.15
m
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
0.2
m
6+1.6
6+1.6
6
4
4
4
4
4
4
m
1.9
1.9
1.9
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
1.7
m
2.9
2.9
2.9
2.7
2.7
2.7
2.7
2.7
2.7
ng kỹ thuật của xe bánh xí ch ch và xe bánh nặng Bảng 2-4 Đặc trư ng Chỉ tiêu kỹ thuật cơ bả bản
STT 1 2 3 4 5 6 7 8
ng toàn bộ Trọng lượ ng Áp lực lên m ột trục Áp lực trên m ột mét dài của đai xích Chiều dài tiếp xúc của đai xích Chiều dài tiếp xúc của bánh xe theo dọc cầu Bề rộng tiếp xúc theo ngang c ầu Cự ly giữa các trục bánh xe Cự ly tim hai đai xích và hai bánh xe theo ngang cầu
Đơ n vị T T T/m m m m m
X30 30 3.75 4.0 0.5 -
m
2.5
Loại tải trọng X60 HK80 60 80 20 6.0 5.0 0.2 0.7 0.8 1.2 2.6
2.7
3. Hoạt tải trên đườ ng ng xe lử a Đượ c cho dướ i dạng các đoàn tàu tiêu chu n. Tải trọng ngườ i và các máy móc thiết bị trên phần bộ hành lấy bằng 1000kg/m2 H ệ số là n xe: Khi tính toán, cần phải xếp tải trọng trên các làn xe sao cho gây b ất lợ i nhất ệ s cho công trình. Thực tế, xác suất các xe cùng lúc xuất hiện trên cầu ở vị trí bất lợ i là khó xảy ra. Vì vậy phải kể đến hệ số triết giảm tải trọng, còn gọi là hệ số làn xe. Trong cầu ô tô hoặc c ầu đườ ng ng s ắt khi chiều dài đặt tải l ớ n h ơ n 25m, hệ số là l àn xe β lấy như sau: Số làn xe 2 3 ≥4 β
0.9
0.8
0.7 20
Trong cầu hỗn hợ p, p, có cả đườ ng ng xe lửa và đườ ng ng ô tô, h ệ số β có giá trị bằng 0.75
Nguyên tắc xếp xe theo h ướ ng ng dọc và ngang cầu để xác định vị trí bất lợ i nhất và bộ phận nguy hiểm nhất Theo dọ c cầu:
Các bánh xe xếp thành hàng song song vớ i tim cầu. Các xe đi theo một chiều và có thể bố trí gián đoạn vớ i cự ly không nhỏ hơ n quy định ở sơ đồ ơ đồ hình 2-3 để đạt đượ c vị trí bất lợ i nhất (M,N,Q) l ớ n nhất. Theo hướ ng ngang c ầu: Số làn xe có thể một hai hay nhiều hơ n phụ thuộc vào khổ cầu rộng hay hẹp. Nếu có hai làn xe trở lên, phải đảm bảo khoảng cách giữa hai mép thùng xe cạnh nhau không nhỏ hơ n 0.1m và mép thùng xe ngoài cùng không vượ t quá phạm vi mặt cầu xe chạy ho ặc ra ngoài khổ giớ i hạn của cầu. Đối vớ i ô tô, c ự ly tim hai bánh xe đến mép gờ chắn bánh phải ≥0.5m Đối vớ i xe xích, mép ngoài đai xích cách mép gờ chắn bánh ≥0.25m Ta có thể xê dịch các xe theo ngang c ầu để có vị trí bất lợ i nhất và tìm bộ phận nguy hiểm nhất đưa vào tính toán. XÕp xe xÝch
>=0.25m
XÕp xe «t« >=0.1m
>=0.5m
Hình 2-6 Sơ đồ ơ đồ xếp xe ngang cầu ng Có thể dù ng tải trọ ng tươ ng đươ ng thay thế cho việc xếp xe. Trị số tải trọng tươ ng ng ứng vớ i các dạng đườ ng ng ảnh hưở ng ng và ứng vớ i mỗi loại hoạt tải có nêu trong quy đươ ng trình 22TCN18-79
3. Hoạt tải thẳng đứ ng ng của đoàn ngườ i Theo quy trình 22TCN18-79 hoạt tải tiêu chun của đoàn ng ườ i là 300KG/m2. Khi kiểm tra vớ i xe xích và xe bánh nặng đặc biệt nặng thì không tính tải trọng đoàn ngườ i.i. Khi tính ng ngườ i đi bằng gỗ phải kiểm tra thêm l ực t ập trung 180kG, l ực đy vào tay vịn ván đườ ng theo phươ ng ng ngang và thẳng đứng là 130kG.
4. Các tác dụng của hoạt tải và tải trọng khác Lự c xung kí ch ch và hệ số xung kí ch ch Xét đến vi ệc tăng lên của tải trọng do yếu t ố lệch tâm của động cơ ô tô, ghồ ghề của mặt ng mà gây ra va cham, ch ấn động. Lực tăng thêm đó gọi là lực xung kích. Cầu thép đườ ng 21
ng bản thân nhẹ, tính đàn hồi lớ n nên tác dụng xung kích lớ n hơ n cầu BTCT. Hệ trọng lượ ng số xung kích phụ thuộc vào loại vật liêu, bộ phận kết cấu, sơ đồ ơ đồ kết cấu, loại tải trọng và chiều dài đặt tải. ng ô tô (trừ cầu treo): (1+µ) = 1+ Đối vớ i kết cấu nhịp cầu thép trên đườ ng
15 37.5 + λ
ng ô tô: (1+µ) =1.3 khi λ≤5m; Đối vớ i kết cấu nhịp cầu dầm bê tông cốt thép trên đườ ng =1.0 khi λ≥50m; nội suy khi 5<λ<45m thì tính (1+µ) bằng cách nội suy 18 ng xe lửa (1+µ) = 1+ Đối vớ i kết cấu nhịp cầu thép trên đườ ng
30 + λ
Nhưng không nhỏ hơ n 1.2 khi tính về cườ ng ng độ và không nhỏ hơ n 1.1 khi tính về độ chịu mỏi. Không tính tác dụng xung kích đối vớ i cầu gỗ, mố trụ cứng, cầu đá, cống. Đối vớ i xe xích, xe bánh nặng, đoàn ngườ i cũng không tính xung kích.
Lự c lắc ngang Hiện tượ ng ng lắc ngang rất dễ nhận thấy khi ta đi xe lửa, nguyên nhân chính là do đườ ng ng ray bị lún đàn h ồi, cao độ của hai thanh ray không đều nhau, toa tàu có bộ phận giảm xóc (trong cầu ô tô cũng có hiện tượ ng ng tươ ng ng tự) gây ra dao động theo phươ ng ng ngang. Dao động ng ray (hoặc lực ma sát giữa bánh xe và mặt đườ ng ng ) cản trở , tạo nên lực tác nàybị chính đườ ng ng ngang cầu. Điểm đặt lực là đỉnh ray (cầu xe lửa) hoặc mặt đườ ng ng xe chạy dụng theo phươ ng (cầu ô tô). - Lực lắc ngang do ô tô gây ra coi là tải trọng phân bố đều, xe H30 có giá trị 0.4T/m; xe H10, H13 có giá trị 0.2T/m. không phụ thuộc số làn xe. - Do xe xích và xe bánh l ốp đặc bi ệt là lực t ập trung: vớ i xe xích XB60 là 4T; xe HK80 là 5T. đ ều vớ i c ườ ng - Đối v ớ i xe lửa trên đườ ng ng đơ n l ấy d ướ i dạng tải trọng phân bố đề ng độ 0.025Z (T/m) vớ i Z là cấp hoạt tải thẳng đứng của đoàn tàu tiêu chun.
Lự c hãm xe Khi xe đang chạy trên cầu, phanh lại đột ng ột, cũng như xe đang dừng b ắt đầu xu ất phát ng dọc cầu, gọi chung là lực hãm. đều gây ra l ực quán tính, tác dụng theo phươ ng ng xe chạy, giá trị tiêu chun Đối vớ i ô tô, l ực hãm lấy dướ i dạng tập trung đặt ở mặt đườ ng vớ i một làn xe bằng: 0.3P; 0.6P và 0.9P tươ ng ng ứng vớ i chiều dài đặt tải 25m; = 25-50; 50m, trong đó P là trọng lượ ng ng của xe nặng trong đoàn xe. Khi có nhiều làn xe cùng chạy theo một hướ ng ng thì lực hãm phải tính vớ i tất cả các làn.
22
Đối v ớ i xe lửa, l ực hãm l ấy d ướ i dạng phân bố đề u đặt ở độ cao 2m tính t ừ đỉ nh ray, giá trị tiêu chun bằng 10% tải trọng tươ ng đươ ng (vớ i cầu đườ ng đôi tính lực hãm do một đoàn, khi có từ 3 đườ ng trở lên tính lực hãm do hai đoàn).
Lự c ly tâm Đối vớ i cầu nằm trên đườ ng cong nằm, khi xe chạy qua sẽ có lực quán tính ly tâm tác dụng theo phươ ng ngang cầu, hướ ng ra ngoài đườ ng cong. - Đối vớ i cầu ô tô ( chỉ tính khi R<600m): điểm đặt tại mặt đườ ng xe chạy - Đối vớ i cầu xe lửa: điểm đặt ở độ cao 2m tính từ đỉnh ray Độ lớ n của tải trọng xem trong quy trình 79.
Lự c gió Lực gió vuông góc vớ i mặt chắn gió của công trình. Điểm đặt lực gió ở trọng tâm mặt chắn gió. P= q.F.ϕ q là cườ ng độ gió. q=0.063v2 (kg/m2), vớ i v là tốc độ gió (m/s) khi không có số liệu về tốc độ gió, có thể lấy: q=180kg/m2 khi không có tàu, xe trên cầu; q=100kg/m2 khi có đoàn tàu (cầu xe lửa) q=50kg/m2 khi có ô tô (cầu ô tô). F: diện tích chắn gió tính theo đườ ng viền thiết kế ϕ hệ số đặc gió, ϕ=1 nếu đặc hoàn toàn. N goài ra có quy định riêng để chọn ϕ thích hợ p
Lực gió chỉ tính cho công trình độc lập, không tính lực gió lên hoạt tải, mố cầu, không tính lực gió cùng vớ i lực hãm phanh. Hệ số giật của lực gió lấy bằng 1.4
Lự c va của tàu bè Đặt ở cao độ MNTT và ở giữa trụ. Trị số phụ thuộc cấp sông (xem quy trình).
Lự c do tác dụng thay đổi nhiệt độ, lự c ma sát ở gối cầu, v.v… III- Hệ số vượ t tải và tải trọng tí nh toán Tải trọng tác dụng theo quy trình là tải trọng tiêu chun. Trên thực t ế tả i trọng có thể sai khác vớ i tải trọng tiêu chun. Vớ i tĩ nh tải: do một số yếu tố như trọng lượ ng thể tích của vật liệu thực tế có thể sai khác vớ i con số lý thuyết; do chế tạo, đo đạc không chính xác v.v…Vớ i hoạt tải: xét đến tải trọng thực t ế có thể lớ n h ơ n tải trọng thiết kế (ví dụ xe trọng tải 5T thực tế có thể chở 5.5-6T)
23
