1 Chương I NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CẦU BÊ TÔNG – HỌC PHẦN 1 S 2 CHƯƠNG I NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1. Khái niệm về kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép 2. Tổng quan về các dạng, các sơ đồ cầu bê tông 3. Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5. Lịch sử phát triển cầu bê tông 6. Xu hướng phát triển cầu bê tông hiện đại Cầu bê tông – Chương I 2 S 3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG 1 Khái niệm chung về kết cấu nhịp cầu bê tông23456 1. Đặc điểm của cầu bê tông cốt thép •Vật liệu 9 Cát, đásẵn có ở hầu hết các địa phương 9 Xi măng là loại vật liệu xây dựng phổ biến 9 Thép cường độ cao, thép thường chiếm tỉ lệ nhỏ -> giá thành thấp • Độ bền và độ cứng 9 Đảm bảo mọi yêu cầu theo các tiêu chuẩn nếu thiết kế hợp lý 9 Có tuổi thọ cao, Ít phải duy tu bảo dưỡng do bê tông tương đối bền với môi trường nếu thiết kế kết cấu và thành phần vật liệu bê tông hợp lý. 9 Chi phí duy tu, bảo dưỡng thấp so với kết cấu thép • Hình dáng và hệ thống 9 Dễ tạo mọi hình dáng do tính linh động của bê tông ướt 9 Tạo ra các kết cấu có hình dáng chịu lực hợp lý, có kiến trúc đẹp, có hình dáng phức tạp do yêu cầu sử dụng (cầu cong, cầu chữ Y ) S 4 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU NHỊP CẦU BÊ TÔNG 1 Khái niệm chung về kết cấu nhịp cầu bê tông23456 1. Đặc điểm của cầu bê tông cốt thép • Tính liền khối 9 Tính liền khối cao đối với các kết cấu đổ tại chỗ hay lắp ghép với các giải pháp kết cấu và cấu tạo thích hợp •Trọng lượng bản thân 9 Trọng lượng bản thân lớn, đến 60% tĩnh tải cho kết cấu phần trên 9 Ít rung, ồn, dao động trong quá trình khai thác -> Tiện nghi khai thác, sử dụng thường xuyên trong các cầu thành phố 9 Trọng lượng lớn nên khẩu độ vượt không lớn như đối với nhịp cầu thép 9 Chi phí tăng do phải làm kết cấu nền móng lớn hơn so với nhịp cầu thép. •Vết nứt 9 Thường có các vết nứt trong quá trình ch ịu lực, kể cả kết cấu bê tông dựứng lực 9 Thường phải thiết kế không cho phép nứt hoặc độ mở rộng vết nứt không quá 0.2mm đối với kết cấu btct thường (tùy theo vùng khí hậu) 3 S 5 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG, CÁC SƠ ĐỒ CẦU BÊ TÔNG 1 2: Tổng quan về các dạng, các sơ đồ cầu bê tông 3456 •Theo vị trí cầu 9 Cầu qua sông, qua suối 9 Cầu vượt đường 9 Cầu cạn 9 Cầu cao, vượt các thung lũng, hẻm núi •Theo tải trọng qua cầu 9 Cầu đường ôtô 9 Cầu đường thành phố 9 Cầu đường sắt 9 Cầu đi bộ 9 Cầu đi chung giữa các loại trên • Theo cao độ tương đối mặt xe chạy với kết cấu chịu lực chính 9 Cầu chạy trên, cầu chạy giữa, cầu chạy dưới S 6 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG, CÁC SƠ ĐỒ CẦU BÊ TÔNG 1 2: Tổng quan về các dạng, các sơ đồ cầu bê tông 3456 •Theo sơ đồ tĩnh học trong giai đoạn khai thác của kết cấu chịu lực chính 9 Cầu dầm giản đơn, cầu dầm hẫng, cầu dầm liên tục 9 Cầu khung, dầm đeo kiểu kê, kiểu chốt, khung liên tục, khung chân xiên 9 Cầu dàn bê tông (ít được sử dụng) 9 Cầu vòm, cầu vòm kết hợp với dàn, dầm 9 Cầu dạng dây: Dây văng, extradose • Theo hình dạng mặt cắt ngang của kết cấu nhịp 9 Kết cấu nhịp bản 9 Kết cấu nhịp dầm có sườn, dầm bản liên hợp 9 Dạng lòng máng liên hợp với bản, Kết cấu dạng hộp •Theo phương pháp thi công kết cấu nhịp 9 Phương pháp đổ tại chỗ 4 S 7 TỔNG QUAN VỀ CÁC DẠNG, CÁC SƠ ĐỒ CẦU BÊ TÔNG 1 2: Tổng quan về các dạng, các sơ đồ cầu bê tông 3456 •Theo phương pháp thi công kết cấu nhịp 9 Phương pháp đổ tại chỗ 9 Phương pháp lắp ghép toàn nhịp 9 Phương pháp bán lắp ghép • Theo Công nghệ thi công đặc thù 9 Đúc tại chỗ trên đàgiáo cố định 9 Đúc tại chỗ trên đàgiáo di động 9 Đúc/ lắp ghép theo công nghệ hẫng 9 Đúc, lắp ghép theo công nghệ đẩy 9 Một số phương pháp đặc biệt khác S 8 ƯU KHUYẾT ĐiỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1 2 3.Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng 456 • Ưu điểm của cầu bê tông 9 Khả năng tạo hình tốt, tạo ra được nhiều kết cấu với hình dáng hình học hợp lý, tạo ra được nhiều kết cấu với hình dáng hình học phức tạp thỏa mãn các yêu cầu sử dụng. 9 Tính bền tương đối cao, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp 9 Có khả năng đảm bảo tất cả các yêu cầu thiết kế đề ra về  Tính an toàn  Khả năng khai thác: Tính bền, khả n ăng tự bảo vệ, Khả năng kiểm tra  Khả năng duy tu  Khả năng thông xe thuận tiện  Khả năng cung cấp các tiện ích công cộng khác  Thỏa mãn các yêu cầu về biến dạng  Khả năng mở rộng cầu trong tương lai 9 Khả năng thi công 9 Tính kinh tế và Tính mỹ quan 5 S 9 ƯU KHUYẾT ĐiỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1 2 3.Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng 456 •Nhược điểm của cầu bê tông 9 Xuất phát từ những hạn chế của kết cấu bê tông và bê tông dựứng lực 9 Khó khống chế tính nứt của kết cấu bê tông do có nhiều yếu tốảnh hưởng đến tính nứt của bê tông. 9 Các đặc tính của vật liệu bê tông không ổn định theo thời gian và các yếu tố khác của khí hậu và môi trường  Tính từ biến và co ngót 9 Vấn đề về thi công kết cấu bê tông cũng có những nhượ c điểm  Thi công bê tông đổ tại chỗ có thể bịảnh hưởng bởi thời tiết quá nóng hay khi có mưa.  Cần có các biện pháp thi công đặc thù cho kết cấu bê tông là bộ ván khuôn và vấn đề đảm bảo ván khuôn cứng trong quá trình bê tông đông kết 9 Tính toán thiết kế phức tạp tùy theo đặc điểm chịu lực của các bộ phận khác nhau cũng như công nghệ thi công khác nhau mà ứng sử của kết cấu trong quá trình khai thác s ẽ khác đi. S 10 ƯU KHUYẾT ĐiỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1 2 3.Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng 456 •Phạm vi áp dụng 9 Tùy theo sơ đồ kết cấu được áp dụng, dạng kết cấu, dạng mặt cắt ngang, loại vật liệu bê tông được sử dụng mà có phạm vi áp dụng khác nhau. 9 Kết cấu nhịp dầm bản bê tông cốt thép đúc sẵn hay đổ tại chỗ  Các nhịp từ 3-> 6m cho cầu ôtô  Các nhịp từ 2-> 4m cho các cầu đường sắt 9 Các nhịp dầm giản đơn bê tông cốt thép thường  Từ 6->24m đối với cầu ôtô  Từ 4->15m đối với cầu đường sắt 9 Các nhịp giản đơn bê tông dựứng lực: Áp dụng hiệu quả và hợp lý với các khẩu độ đến 40m. 9 Nhịp dầm hoặc khung liên tục bê tông dựứng lực: Áp dụng phổ biến ở khẩu độ đến 200m 6 S 11 ƯU KHUYẾT ĐiỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG 1 2 3.Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng 456 •Phạm vi áp dụng 9 Cầu vòm bê tông cốt thép hay bê tông dựứng lực: Được ưu tiên sử dụng tại những khu vực vùng núi, cầu vượt qua thung lũng, có địa chất tốt. Thường sử dụng đến nhịp 15- >30m cho cả đsắt và đường ôtô. Hiện nay có thể sử dụng đến nhịp 300m nhưng ít áp dụng vì thi công khó khăn. 9 Cầu dạng extradose: Thông thường được sử dụng đến 250m, là một dạng điển hình của kết cấu dựứng lực ngoài, là dạng trung gian giữa cầu dầm và cầu dây văng. 9 Cầu dạng treo dây văng: Đã vượt khẩu độ đến ~900m tùy loại kết cấu dây 9 Cầ u dạng treo dây võng: Hiện tại chưa được áp dụng do tính biến dạng lớn S 12 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU BÊ TÔNG 1 2 3 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5 6 •Bê tông 9 Thành phần chính là Cốt liệu mịn (cát, bột đá ), cốt liệu thô (Đá, sỏi, ) Chất kết dính (xi măng), Phụ gia (Phụ gia tăng tính công tác, tăng thời gian ninh kết, giảm nước ), Chất bổ sung mịn (đối với bê tông cường độ cao). Cần phải có thiết kế chi tiết và trộn thử tại điều kiện thi công khi đưa bê tông vào công trình 9 Cường độ chịu nén: f ’ c – Là cường độ nén mẫu thử D=150mm, H=300mm ở tuổi 28 ngày trong điều kiện bảo dưỡng chuẩn. Phạm vi áp dụng với các kết cấu cầu thông thường từ 16MPa đến 70MPa 9 Đối với các kết cấu bê tông dựứng lực và bản mặt cầu thường không sử dụng bê tông có cường độ dưới 28MPa. 9 Bê tông được chia thành từng cấp (A, A(AE), B, B(AE), C, C(AE), P,S). Mỗi cấp được quy định hàm lượng X tối thiểu (kG/m3), N/X tố i đa, Độ rỗng, Đường kính ngoài cốt liệu thô, và cường độ tại 28 ngày tuổi. Việc phân chia cấp bê tông nhằm mục đưa ra các mục đích sử dụng khác nhau. 9 Trong thực tế thi công, cường độ bê tông là cường độ yêu cầu với xác suất số mẫu thử lớn hơn so với cường độ yêu cầu là 95%. Do vậy, khi thiết kế cấp phối bê tông cần phải lấy cường độ th ực tế lớn hơn cường độ yêu cầu là 1.1->1.15f’c (bôlômây) hay f’cr=f’c+1.3s (AASHTO). Cách lấy trị số bình quân cường độ các mẫu thử hiện nay chưa được phù hợp vì sẽ gây ra xác suất phá hủy kết cấu lớn. 7 S 13 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU BÊ TÔNG 1 2 3 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5 6 •Các đặc tính của bê tông 9 Hệ số giãn nở nhiệt: 10.8x10-6 / o C đối với bê tông có trọng lượng thông thường. 9 Từ biến và co ngót: Là hiện tượng bê tông thay đổi thể tích dưới các tác dụng của tải trọng và các yếu tố môi trường khác. Từ biến và co ngót phụ thuộc vào tải trọng tác động, các yếu tố môi trường như độ ẩm, nhiệt độ. Các yếu tố về kết cấu như tỉ suất mặt thoáng, hàm lượng vật liệu trong thành phần bê tông đặc biệt là hàm l ượng xi măng và tỉ lệ nước/xi măng 9 Các yếu tố liên quan đến tính bền (bề mặt bao phủ, hàm lượng xi măng ) 9 Mô đun đàn hồi: 9 Cường độ chịu kéo: 9 Các loại phụ gia được sử dụng phổ biến 1.5 ' ccc E 0.043y f= ' rc f0.63f= Phụ gia hóa dẻo, chậm đông kếtD Phụ gia siêu dẻo ,chậm đông kếtGPhụ gia đóng rắn nhanhC Phụ gia siêu dẻo, giảm nước lớnFPhụ gia chậm đông kếtB Phụ gia hóa dẻo, Đóng rắn nhanhEPhụ gia hóa dẻo giảm nướcA Tính năngLoại phụ giaTính năngLoại phụ gia S 14 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU BÊ TÔNG 1 2 3 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5 6 •Cốt thép 9 Cốt thép được quy định theo giới hạn chảy fy là giới hạn đàn hồi của thép. 9 Có 3 cấp thép chủ yếu là cấp Gr40, Gr60, Gr75. Các giới hạn chảy tương ứng là 300, 420, 520 Mpa. Thông thường không sử dụng thép thường với cường độ lớn hơn 520. trường hợp thấp hơn 420 cần được sự chấp thuận đặc biệt của chủ đầu tư. 9 Các thông số của thép 520 420300Giới hạn chảy 690620500Cường độ kéo đứt Gr75Gr60Gr40Cấp thép •Mô đun đàn hồi E s =200,000 Mpa •Các loại đường kính: 9.5; 12.7; 15.9; 19.1; 22.2; 25.4; 28.7; 32.3; 35.8; 43; 57.3 theo ASTM 615 (theo một số tiêu chuẩn khác, có thể đường kính tiêu chuẩn sẽ khác đi) •Các yêu cầu khác là đường kính uốn 180 0 (3.5d-> 5d) và độ dãn dài tối thiểu (12- >6%) 8 S 15 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU BÊ TÔNG 1 2 3 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5 6 •Thép cường độ cao 9 Thép cường độ cao là thép có khả năng tạo được lực nén lớn hơn tổng mất mát ứng suất của kết cấu bê tông (>5400 kG/cm 2 ) 9 Có ba loại chính là thép thanh, thép sợi tròn trơn và thép tao xoắn 7 sợi 9 Vật liệu có hai loại chính là thép cường độ cao thông thường và thép có độ tự chùng thấp 80% fpu103515-362. Thép gờ 85% fpu103519-351. Thép trơnThép thanh 1860 (Gr270) 1725 (Gr250) Cấp mác thép 90%f pu 18609.53-15.24 85% f pu 17256.35-15.24Tao thép Giới hạn chảy (Mpa) Cường độ chịu kéo (Mpa) Đường kính (mm) Vật liệu •Mô đun đàn hồi E s =197,000 Mpa •Loại phổ biến ở VN là 12.7 và 15.24mm, tự chùng thấp (Gr1860), Các thanh Macaloy S 16 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU BÊ TÔNG 1 2 3 45.Lịch sử phát triển cầu bê tông 6 •Lịch sử phát triển cầu bê tông phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ vật liệu bê tông, thép, thép dựứng lực và khả năng tính toán thiết kế của con người 9 Dạng sơ khai đầu tiên là các dạng cầu vòm bê tông, gạch, đáxây với khẩu độ đến 30m. Khoảng 1860s người ta bắt đầu nghiên cứu đưa cốt thép vào trong kết cấu bê tông và đã xây dựng được cầu vòm với khẩu độ 55m tại Bỉ (năm 1905) 9 Năm 1930 tại Pháp đã xây dựng được cầu vòm với khẩu độ 178m, cungg thời gian đó người ta bắt đầu nghiên cứu sử dụng thép d ựứng lực trong kết cấu bê tông. 9 Năm 1926-1928, Freyssinet phát hiện ra phải sử dụng thép cường độ cao để vượt được các mất mát dựứng lực thì kết cấu bê tông dựứng lực mới bắt đầu xuất hiện. 9 Sau chiến tranh thế giới lần 2, do yêu cầu tái thiết gây ra sự thiếu hụt sắt thép làm thúc đẩy việc sử dụng kết cấu bê tông, bê tông dựứng lực nên cầu bê tông bắt đầu phát tri ển mạnh mẽ. 9 Ngày nay, kết cấu bê tông và bê tông dựứng lực đã phát triển rất mạnh mẽ và là kết cấu chủ yếu được lựa chọn cho các công trình. 9 S 17 XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN CẦU BÊ TÔNG HiỆN ĐẠI 1 2 3 45. 6. Xu hướng phát triển cầu bê tông hiện đại • Theo xu hướng phát triển về vật liệu 9 Bê tông cường độ cao, Bê tông cường độ cao kết hợp với một số vật liệu khác như ống thép •Theo xu hướng phát triển về khả năng tính toán 9 Khả năng xác định các hiệu ứng tải đúng mức và phù hợp 9 Khả năng phân tích kết cấu chính xác dưới các hiệu ứng tải để đánh giá sự làm việc chính xác của kết cấu •Theo xu hướng tăng tính mỹ quan của công trình •Sử dụng các kết cấu có thể vượt được những khẩu độ lớn. •Theo xu hướng mẫu hóa, định hình hóa đối với các cầu đơn giản, không có yêu cầu mỹ quan. S 18 CÂU HỎI 1. Trình bày đặc điểm và phạm vi áp dụng của kết cấu nhịp cầu bê tông? 2. Trình bày về các loại kết cấu và vật liệu áp dụng trong cầu bê tông? . 1 Chương I NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP CẦU BÊ TÔNG – HỌC PHẦN 1 S 2 CHƯƠNG I NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1. Khái niệm về kết cấu nhịp cầu bê tông cốt thép 2 sơ đồ cầu bê tông 3. Ưu khuyết điểm và phạm vi áp dụng 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5. Lịch sử phát triển cầu bê tông 6. Xu hướng phát triển cầu bê tông hiện đại Cầu bê tông – Chương. kết cấu lớn. 7 S 13 VẬT LIỆU SỬ DỤNG TRONG CẦU BÊ TÔNG 1 2 3 4. Vật liệu sử dụng trong cầu bê tông 5 6 •Các đặc tính của bê tông 9 Hệ số giãn nở nhiệt: 10 .8x1 0-6 / o C đối với bê tông có trọng lượng