Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ CHƯƠNG II:: Giiớii thiiệu chung CHƯƠNG G th ệu chung Đ1.1 đặc điểm chung cầu kim loại 1.1-Đặc ®iĨm vỊ vËt liƯu thÐp: ThÐp lμ vËt liƯu hoμn chỉnh đợc sử dụng rộng rÃi ngnh kinh tế quốc dân, đặc biệt ngnh xây dựng v giao thông vận tải Đặc điểm bậc l: ã Có độ bền cao ứng với loại ứng suất nh kéo, nén, cắt, uốn, xoắn, ã Vật liệu có tính đồng nhất, đẳng hớng cao Do đợc sử dụng để xây dựng tất loại cầu khác nh cầu dầm, cầu dn, cầu treo, cầu vòm v hệ liên hợp Thép có trọng lợng thân nhẹ số C thep = cđa thÐp nhá h¬n (lμ tû R sè trọng lợng riêng v cờng độ tính toán vật liệu) Do thép có khả vợt nhịp lớn m vật liệu khác không thực đợc Hiện nhịp lớn cầu dây văng dầm cứng BTCT vòm BTCT dới 500m cầu dn thép đạt đến 550m, cầy dây văng dầm thép gần 1000m, cầu treo dây võng đạt đến 2000m v có dự án lên đến 4500m Thép có môđun đn hồi lớn nên độ cứng lớn, độ võng nhỏ nên cầu thép đáp ứng đợc điều kiện khai thác bình thờng, chịu đợc ảnh hởng loại tải trọng có tính chu kỳ nh động đất, gió bÃo Thép có độ dẻo cao Sự phá hoại thép thờng diễn trạng thái dẻo tức l kèm theo biến dạng lớn lm phân bố lại nội lực v ứng suất Do thép chịu xung kích v mỏi tốt Về mặt lý hoá thép có tính đồng cao Dới ảnh hởng nhiệt ®é, c−êng ®é vμ m«®un ®μn håi Ýt thay ®ỉi nên thờng lm việc tốt điều kiện nhiệt độ môi trờng biến đổi Môđun đn hồi tốt v tính chịu nhiệt cao l u điểm thép so với loại vật liệu chất dẻo Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn dập, đúc cán, hn nên tạo thnh chi tiết, loại kết cấu thoả mÃn yêu cầu hình dáng kiến trúc; đồng thời tạo khả công nghiệp hoá, tự động hoá chế tạo công xởng, giới hoá cao vận chuyển v lắp ráp tạo điều kiện thi công nhanh v sớm đa công trình vo sử dụng Một đặc điểm quan trọng cầu thép l có nhiều dạng liên kết tin cậy nh bulông, đinh tán, hn v dán Các loại liên kết ny đảm bảo tính lắp ghép cao, dễ lắp, dễ tháo, dùng đợc công trình vĩnh cửu, kết cấu phụ tạm v công trình quốc phòng Thép trình sử dụng bị gỉ tác dụng môi trờng ẩm, mặn, acid v khí độc khác Hiện tợng gỉ ăn mòn thép lm giảm tiết diện chịu lực, h hỏng liên kết v giảm tuổi thọ công trình Hiện có nhiều biện pháp chống gỉ nh sơn, mạ v dùng thép không gỉ nhng nói chung cầu thép thờng xuyên đợc kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ v sơn phủ định kỳ Chơng I: Giới thiệu chung -1- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Mặc dù có nhợc điểm nhng không hạn chế việc sử dụng vật liệu thép công trình cầu vợt nhịp lớn đờng ôtô, đờng sắt, loại cầu tạm, công trình có yêu cầu thi công nhanh, vận chuyển dễ dng v công trình quân 1.2-u nhợc điểm cầu thép: 1.2.1-u điểm: Thép l loại vật liệu hon chỉnh Nó có tính đồng nhất, đẳng hớng, lm việc hon ton đn hồi trớc đạt cờng độ chảy, có cờng độ chịu nén v chịu kéo cao Thép có độ dự trữ biến dạng v cờng độ cao m vật liệu khác đợc chị đợc ổn định v tải trọng động tốt Thời gian xây dựng cầu thép nhanh cầu bêtông Nó đợc lắp dựng dễ dng qua sông suối, thung lũng điều kiện môi trờng khác nên giảm giá thnh xây dựng Kết cấu cầu thép có trọng lợng nhẹ nên lm giảm giá thnh kết cấu phần dới Điều ny cng có ý nghĩa gặp địa chất xấu Kết cấu nhịp cầu thép thiết kế chiều cao thấp cầu bêtông nên giảm đợc chiều cao kiến trúc sử dụng cầu vợt, cầu đờng cao tốc, Cầu thép dễ sửa chữa v sửa chữa nhanh cầu bêtông 1.2.2-Nhợc điểm: Gỉ thép l vấn đề dai dẳng v tốn việc tu bảo dỡng cầu Đó l nguyên nhân dẫn đến phá hỏng cầu thép Hiện đà sử dụng loại thép chống gỉ nhng không nh công bố nh sản xuất Hình 1-1: Hiện tợng gỉ cầu thép Giá thnh sơn cầu thép suốt thời gian phục vụ l lớn Vấn đề cạo gỉ ảnh hởng đến môi trờng v sức khoẻ ngời Việc cạo sơn cũ v thu gom phế thải độc hại vô đắt đỏ, giá thnh ny lại lớn việc bỏ cầu cũ v xây Chơng I: Giới thiệu chung -2- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ dựng cầu Việc sơn cầu gây nhiều phiền toái nh vậy cần có dẫn riêng sơn cầu Chính nhợc điểm ny m lm giảm hấp dẫn so với cầu bêtông ứng suất trớc 1.3-Vi nét lịch sử phát triển cầu thép: 1.3.1-Trên giới: Cầu thép đời v phát triển với lớn mạnh công nghiệp luyện kim giới Những cầu kim loại đợc xây dựng Trung Quốc, ấn Độ vo năm đầu Công nguyên, l cầu thô sơ có dây xích sắt để lm cầu treo, kỷ 17 đợc xây dựng tơng tự châu Âu, châu Mỹ châu Âu, cầu kim loại xt hiƯn thÕ kû 18 cïng víi sù ®êi ngnh công nghiệp luyện kim Sản phẩm giai đoạn đầu l gang v sắt Vì gang chịu uốn v kéo nên cầu gang dạng dầm phát triển m phát triển dạng vòm Chiếc cầu vòm gang đợc xây dựng Anh qua sông Severn năm 1776-1779 (Hình 1-2) Cầu vòm gang đợc lm từ mÃnh không chịu đợc mômen v xung kích lớn nên phát triển theo hớng dùng khối lớn có tiết diện hình hộp chữ I Điển hình cho dạng cầu ny l cầu Kerbetze St Peterburg xây dựng năm 1850 (Hình 1-3) Hình 1-2: Cầu vòm gang đợc xây dựng Anh năm 1776-1779 Hình 1-3: Cầu Kerbetze (Trinity) có nhịp vòm từ 48-52m, vòm có tiết diện chữ I Chơng I: Giới thiệu chung -3- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Đồng thời với cầu vòm gang, cầu treo dây xích sắt đời sớm v đợc phát triển mạnh mẽ Mỹ, Pháp, Anh, Nga, cầu treo dây xích đợc xây dựng Pensylvaria (Mỹ) Đặc điểm cầu treo l trọng lợng thân nhẹ, lắp ráp nhanh, đơn giản, vợt qua sông sâu v không cần trụ Chiều di nhịp tăng lên đồng thời kết cấu đợc hon thiện hơn; ví dụ thay mắt xích thép tròn thép có liên kết khớp, bulông v đa dầm cứng vo nh phận chịu lực cầu Điển hình cho cầu loại ny l cầu Menai Anh (Hình 1-4) hon thnh 30-1-1826 có nhịp 176.6m, nằm cao mặt nớc 31m Hình 1-4: Cầu Menai Anh Đến đầu kỷ 19, cầu treo phát triển mạnh nhờ việc thay dây xích dấy cáp sợi Pháp, cầu Freibourg đà có nhịp đến 265m, xây dựng năm 1834 Một cầu tiếng dợc xây dựng khoảng kỷ 19, đầu kỷ 20 l cầu Chain (Hình 1-5) qua sông Danuble Budapest (Hungary) với nhịp 203m, cầu ny bị phá huỷ chiến tranh giới lần thứ v đợc xây dựng lại năm 1949 Hình 1-5: Cầu Chain xây dựng năm 1839, chiều di cầu 380m Nửa đầu kỷ 19, đạt đợc nhiều thμnh tùu vỊ cÇu treo nh−ng ch−a hiĨu hÕt tính lm việc, vai trò phận kết cấu v lý luận tính toán nên công trình không đủ độ cứng theo phơng dọc v phơng ngang Nhợc điểm ny l nguyên nhân loạt tai nạn cầu treo thời giờ: ã Một số cầu bị phá huỷ bÃo nh cầu qua sông Vilen Pháp nhịp 198m xây dựng năm 1836 bị phá huỷ năm 1852 ã Một số cầu bị phá huỷ tải trọng có tính chu kỳ nh cầu qua sông Suikin Philadenphia (Mỹ) xây dựng năm 1809 bị phá huỷ 1811 có đon xúc vật Chơng I: Giới thiệu chung -4- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ qua v cầu ny đợc khôi phục lại năm 1816 v lại phá huỷ tuyết đọng Cầu qua sông Men (Pháp) xây dựng năm 1828 đến năm 1850 bị sập có đon quân qua cầu lúc gió bÃo lm 226 ngời thiệt mạng Các tai nạn cầu treo ảnh hởng đến phát triển v cấu tạo cầu treo sau ny Những ngời a thích cầu treo tìm cách tăng độ cứng cầu cách dùng dầm cứng, dây chéo, Tuy nhiên cải thiện phần no điều kiện chịu lực nhng thân l hệ mềm, lm việc hoạt tải lớn Cuối kỷ 18, công nghiệp phát triển với ngnh luyện kim, chế tạo máy Sự phát minh đầu máy nớc v xuất đờng sắt đòi hỏi phơng tiện vợt sông đảm bảo Cầu treo v cầu vòm gang không thoả mÃn điều kiện xây dựng v kỹ thuật Đây l thời kỳ phát triển hệ dầm Những cầu dầm gang dùng cho cầu xe lửa có dạng chữ I Nhng nhợc điểm l chịu kéo v xung kích nên có nhiều tai nạn xảy Do thay gang sắt v hệ liên hợp sắt-gang ngnh công nghiệp luyện kim cầu gang đợc thay cầu thép Một cầu dầm thép dùng cho cầu xe lửa l cầu Britania qua vịnh Menai Anh (Hình 1-6) xây dựng năm 1846-1850 Cầu có dạng liên tục nhịp, có mặt cắt ngang l hộp kín đờng xe chạy dới Lúc đầu cầu đợc thiết kế l cầu treo có dầm cứng tơng đối lớn nhng qua nghiên cứu thấy riêng dầm chịu đủ nên không cần lắp dây treo tháp cầu đá đà xây dựng xong Hình 1-6: Cầu Britinia sau ny đợc nâng cấp có tầng v tăng cờng kết cấu nhịp dạng vòm thép Các dầm hộp tỏ không kinh tế với nhịp lớn không sử dụng hết cờng độ vật liệu vách dầm, kết cấu nặng nề, tốn thép, chiều cao kiến trúc lớn v khai thác không thuận tiện bố trí đờng xe chạy dới Không lâu đợc thay tiết diện chữ T nh cầu Xemenov Peterbourg năm 1957, , nhng nói chung nặng nề vợt nhịp lớn Từ bắt đầu kỳ chuyển cầu dầm sang cầu dn Những cầu dn chịu ảnh hởng cầu gỗ hình dáng bên ngoi lẫn cấu tạo chi tiết, hầu hết l loại dn xiên Chiếc cầu dn thép xây dựng qua kênh Eric New York nhịp 24.5m năm 1840 Anh xây dựng cầu dn năm 1885 có dạng mắc cáo giống cầu dn gỗ Mỹ Năm 1846 Chơng I: Giới thiệu chung -5- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Bỉ xây dựng cầu dn nhiều xiên nhng đứng kiểu Warren Cầu dn nhiều xiên điển hình đợc xây dựng năm 1853-1857 qua sông Luga (Nga) Nhợc điểm dn nhiều xiên l cấu tạo phức tạp v khó đánh giá xác lm việc Do đợc nghiên cứu v phát triển theo hớng đơn giản hoá hệ nút dn Những năm 50 kỷ 19, dn rỗng phổ biến loại dùng liên kết chốt Nhợc điểm loại ny l tỏ bất lợi chịu lực xung kích, võng v rung lắc nhiều cuối kỷ 19 chuyển sang loại liên kết tiến l đinh tán Cuối kỷ 19, nhiều nh khoa học tìm tòi sơ đồ, kết cấu dn hợp lý nh dn có biên dạng hyperbole, parabole v nhiều dạng biên cong khác Ngoi ra, ngời ta nghiên cứu sơ đồ dn cng gần với sơ đồ tính toán l khớp, giải ứng suất phụ phát sinh độ cứng nút dn v nhiều vấn đề khác Giaứn Warren Giaứn keựp Warren Giàn Howe Giàn biên cương Giàn balti more Giàn phaõn nhoỷ Giaứn chửừ K Hình 1-7: Sự phát triển sơ đồ dn thép Cuối kỷ 19 v đầu kỷ 20 l thời kỳ khoa học kỹ thuật giới phát triển mạnh mẽ, ảnh hởng trực tiếp đến ngnh xây dựng cầu Cầu thép trớc thờng lm cầu dầm liên tục, loại nμy cã chØ tiªu kinh tÕ kü thuËt tèt nh−ng gây ứng suất phụ gối lún không đều, biến dạng nhiệt độ lớn; đồng thời lý thuyết tính toán v công nghệ thi công móng địa chất phức tạp cha hon chỉnh nên có thời kỳ Chơng I: Giới thiệu chung -6- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ ngời ta a chuộng hệ tĩnh định cách thêm liên khớp để tạo thnh hệ dầm hẫng ý tởng ny nảy sinh trình nghiên cứu thí nghiệm dầm hộp kín cầu Britinia Vo năm cuối kỷ 19, đà xây dựng hng loạt cầu dn hẫng có nhịp 100-200m nh cầu qua sông Đơnhiép Smolenco, cầu qua sông Danube nhịp 175m xây dựng năm 1897 Năm 1890 đà xây dựng xong cầu dn hẫng Firth of Forth (H×nh 1-8) lín nhÊt thÕ giíi løc bÊy giê qua vịnh Forth Scotland có nhịp đến 521m Hình 1-8: Cầu qua vịnh Forth Scotland Sang nửa đầu kỷ 20 với nhịp độ phát triển nhanh khoa học kỹ thuật v công nghiệp, ngnh xây dựng cầu đạt nhiều thnh tích rực rỡ chiều di nhịp nh phơng pháp thi công mố trụ Năm 1917 đà xây dựng xong cầu dn nhịp hẫng lớn giới 549m sau lần thất bại l cầu Quebec (Canada) Hình 1-9a: Cầu dn hẫng Quebec Canada có nhịp lớn giới 549m Hình 1-9b: Cầu dn hẫng Quebec bị sụp đỗ lắp ráp Chơng I: Giới thiệu chung -7- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Cầu vòm kim loại trớc lm gang, đến năm 1890 bắt đầu thay thép v đợc ứng dụng rộng rÃi Đức, Nga, Mỹ, Thuỵ Điển, Chiếc cầu vòm thép Eads nhịp 153+159+153m qua sông Mississipi năm 1868-1874, cầu có ln xe lửa chạy v dới (Hình 1-10) Hình 1-10: Cầu Eads Sang đầu kỷ 20 đà sử dụng cầu vòm có đờng tên thoải, đồng thời đà sử dụng cầu vòm có đờng tên rât thoải; nh sử dụng hệ vòm có kéo biến mố trụ cầu vòm lm việc nh mố trụ cầu dầm Chiếc cầu vòm thoải nhịp lớn đờng sắt thời l cầu qua sông Moscow năm 1874 Hình 1-11: Cầu vòm đờng sắt qua sông Moscow Một cầu vòm tiếng giới l cầu Sydney Australia (Hình 1-12) xây dựng năm 1924-1932, có nhịp 503m, có bề rộng ®Õn 48.8m cho lμn xe löa, lμn xe ôtô, ln xe đạp v lề ngời Hình 1-12: Cầu Sydney Harbor nhịp 503m, đỉnh vòm cách mặt nớc 137m Chơng I: Giới thiệu chung -8- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Mặc dù đà đạt đợc thnh công rực rì viƯc ¸p dơng c¸c vËt liƯu míi tõ sắt đến thép, có nhiều tai nạn sập cầu châu Âu v Mỹ Tại nạn l cầu dn Ashtabula Ohio (Mỹ) bị sập năm 1876 đêm có tuyết lm cho 80 ngời thiệt mạng v 11 toa xe lửa rơi xuống sông Hình 1-13: Hình ảnh cầu Ashtabula bị sập Thập kỷ sau vụ sập cầu Ashtabula, khoảng 200 cầu khác Mỹ bị sập Cầu ôtô sập nhiều nh cầu đờng sắt Nhiều cầu châu Âu bị sập vo kỷ 19 nh cầu Tay (Scotland) sập năm 1878, Song song với cầu dầm v vòm, cầu treo tiếp tục đợc phát triển mạnh mẽ Mỹ có nhiều sông rộng v sâu nên buộc phải lm nhiều cầu treo có nhịp lớn Năm 1885 đà xây dựng xong cầu Brooklyn nhịp 786m, năm 1937 cầu Golden Gate nhịp 1280m, năm 1956 cầu Verrzano nhịp 1298.5m Hình 1-14: Cầu Brooklyn xây dựng năm 1885, nhịp 786m Chơng I: Giới thiệu chung -9- Giáo trình:Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Hình 1-15: Cầu Golden Gate nhịp 1280m giữ kỷ lục giới Hình 1-16: Cầu Verrzano nhịp 1298.5m Để đạt thnh tựu trên, nớc Mỹ phải trải qua nhiều thất bại Tai nạn lớn cầu treo xảy cầu Tacoma nhịp 855m, bị phá huỷ bÃo Hình 1-17: Cầu Tacoma bị phá huỷ bÃo Các tai nạn cầu treo cuối kỷ 19 ảnh hởng đến phát triển cầu treo châu Âu Đầu kỷ 20, Pháp theo hớng tìm hệ dn dây chịu kéo v lm việc theo sơ đồ không biến dạng hình học Đứng đầu trờng phái ny l Gisclar Năm 1938, GS ngời Đức Dischinger đà thử thiết kế cầu treo cho đờng sắt đôi qua sông Elbe nhịp 750m, ông đa dây cáp căng xiên vo cầu treo để tăng cờng độ Chơng I: Giới thiệu chung - 10 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Từ ta tính đợc lực gió tác dụng lên liên kết dọc v dọc dới lực gió tác dụng lên kết cấu nhịp v hoạt tải: ã Liên kết dọc (tại mức mặt cầu): Wt = 0.6Wkcn + 0.8Wmc + 0.8Wlc ⎢W = 0.8W h ⎣ t ,h (5.43) ⎡Wd = 0.6Wkcn + 0.4Wmc + 0.4Wlc ⎣ d , h = 0.4Wh ã Liên kết dọc dới: W (5.44) Khi tính với lực lắc ngang v lực ly tâm phân phối lực nh trên: Wt , ng = 0.8.n h Wng ⎢ ⎢Wd , ng = 0.4n h Wng (5.45) Trong đó: +Wng: lực lắc ngang lực ly tâm +nh: hệ số vợt tải hoạt tải Chú ý: ã Khi xác định đợc tải trọng, ta xem hƯ liªn kÕt lμ dμn kª trªn gối l cổng cầu Từ vẽ đờng ¶nh h−ëng, xÕp t¶i, tÝnh néi lùc vμ chän tiÕt diện ã Đối với có đ.a.h dấu tải trọng gió hoạt tải, lực lắc ngang v lực ly tâm đặt đ.a.h dơng âm để tính ã Nếu hệ liên kết có nhiều chéo tính gần đúng: 1/nsin 1/nsin Với n: số chéo khoang Hình 5.52: Sơ đồ tính nội lực hệ liên kết dọc ã Nếu kết cấu nhịp cầu m có hệ liên kết dọc ton tải trọng gió v lực ngang hệ chịu ã Nếu kết cấu nhịp có mặt cầu BTCT, mặt cầu trực giao m liên kết chặt chẽ với biên dầm dn chủ hệ liên kết dọc mức mặt cầu lm việc giai đoạn thi công Lực gió, lực lắc ngang v lực ly tâm mặt cầu chịu 8.3.2.2-Cầu có đờng xe chạy dới: Nhận xét: ã áp lực gió lên dn chủ xem l tác dụng lên ton bề mặt hứng gió dn áp lực gió lên phần mặt cầu đợc tính với giải đặc kín có chiều cao chiều cao phần mặt cầu, có phần diện tích đà kể đến tính gió tác dụng lên dn chủ Nh phần thiên vỊ an toμn nh−ng phÇn cịng xÐt tíi tr−êng hỵp giã thỉi chÕch so víi diƯn tÝch thùc tÕ chắn gió v lm cho cờng độ tăng lên Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 209 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ ã Đối với lan can hệ số chắn gió lấy (k2-k) nhng không < 0.1 Xuất phát từ đà nêu trên, ta xác định tải trọng gió tác dụng lên: ã Kết cấu nhịp: Wkcn = .h.k n (5.46) ã Đon tu: Wh = .(1 k ).h3 n (5.47) ã Mặt cầu: Wmc = .h1 n (5.48) Lan can: Wlc = ω.h2 (k − k ).n (5.49) Wt b H Knω H h2 b (K2-K1)nω h h1 H b l b W1 nω H×nh 5.53: Sơ đồ hệ liên kết dọc cầu dới ã Từ ta tính đợc lực gió tác dụng lªn lªn liªn kÕt däc d−íi vμ däc trªn lực gió tác dụng lên kết cấu nhịp v hoạt t¶i: ⎡Wd = 0.6Wkcn + 0.8Wmc + 0.8Wlc ⎣ d , h = 0.8Wh ã Liên kết dọc dới (tại mức mặt cầu): W Wt = 0.6Wkcn + 0.4Wmc + 0.4Wlc ã Liên kết dọc dới: Wt ,h = 0.4Wh (5.50) (5.51) 8.4-Tính toán khung cổng cầu: Hình 5.54: Sơ đồ tính tải trọng tác dụng lên khung cổng cầu Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 210 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Khung cổng cầu tính toán chịu áp lùc gèi cđa hƯ dμn liªn kÕt däc trªn vμ truyền xuống gối cầu: ã Nếu biên dn chủ song song với biên dới khung cổng cầu chịu v truyền lực H nằm ngang từ hệ liên kÕt → H = ∑W • NÕu biên có dạng đa giác ngoi lực H có lực dọc R theo phơng chân khung Ta cã: V = V ∑Wi Z i ∑Wi Z i → R = sin α = 2B sin α , víi α lμ gãc 2B nghiªng cđa xiên gối Khung cổng cầu tính toán tải trọng ngang gây Riêng chân cổng cầu l xiên gối nên phải kiểm tra với tải trọng đứng Tùy theo kết cấu khung cổng cầu m sơ đồ tính đợc chọn khác Thông thờng chân khung cổng cầu đợc xem l bị ngm bên dới chúng liên kết với dầm ngang đầu dn nên chhuyển vị xoay tiết diện phơng ngang cầu Trờng hợp khung cổng cầu có ngang l đặc: Hình 5.55: Tính nội lực khung cổng cầu ngang l đặc ã Vị trí điểm có mômen chân khung đợc xác định: e= + 3t h + 6t (5.52) Trong đó: +e: khoảng cách chân khung đến điểm có mômen +t: đợc xác định t = I ng h I c B +Ing, Ic: mômen quán tính tiết diện ngang vμ ch©n khung +B, h: bỊ réng kÕt cầu nhịp v chiều cao chân khung cổng cầu ã Từ dễ dng xác định đợc nội lực M, Q, N khung cổng cầu Trờng hợp khung cổng cầu có ngang l dn: ã Ta giả thiết chịu lực H, hệ dịch chuyển nhng CDEF giữ nguyên độ di, ngang CD nằm mức cũ, điểm C v E, D v F nằm thẳng đứng ã Vị trí điểm có mômen 0: Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 211 - Giáo trình: Thiết kế cầu thÐp e= c.(c + 2h ) 2.(c + h ) Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ (5.53) ã Từ ta xác định đợc nội lực hệ v tách nút để xác định nội lực trong khung cổng cầu Hình 5.56: Tính nội lực khung cổng cầu ngang lμ dμn Chơng V: Thiết kế cầu dμn thÐp - 212 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ CHƯƠNG Vi:: THIếT Kế gối cầu thép CHƯƠNG Vi THIếT Kế gối cầu thép Đ6.1 loại gối v cách phân bố gối cầu I.1-Các loại gối cầu: Nhiệm vụ gối cầu l: ã Truyền áp lực từ kết cấu nhịp xuống mố trụ ã Đảm bảo cho kết cấu nhịp lm việc sơ đồ tính ã Đảm bảo chuyển kết cấu nhịp tảu trọng, thay đổi nhiẹt độ, Gối cầu có loại: ã Gối cố định: cho xoay nhng không cho chuyển vị dọc v ngang ã Gối di động: cho xoay v có biến dạng dọc, biến dạng ngang I.2-Bố trí gối cầu: I.2.1-Bố trí mặt bằng: Cầu có dầm, dn chủ nhịp đơn giản: Hình 6.1: Bố trí gối cầu nhịp đơn giản mặt ã Trong cầu rộng (cầu thnh phố), chuyển vị ngang lớn nên cầu bố trí hình 6.1a Khi gối C cấu tạo phức tạp ã Ta cã thĨ thay gèi C thμnh gèi cã thĨ dÞch chuyển theo phơng A-C để cấu tạo gối đơn giản hơn, hình 6.1b Chơng VI: Gối cầu thép - 212 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ ã Khi cầu có bề rộng < 10-12m, cã thĨ cho gèi di ®éng chiỊu, gèi A v B cố định, hình 6.1c ã Trong trờng hợp cầu có bề rộng lớn gồm nhiều dn chủ dựa theo nguyên tắc trên: Hình 6.2: Bố trí gối cầu khổ lớn Cầu liên tục: Hình 6.3: Bố trí gối cầu dầm liên tục I.2.2-Bố trí trên trắc dọc: Cầu dầm đơn giản nhiều nhịp: Hình 6.4: Bố trí gối cầu dầm đơn giản Chơng VI: Gối cầu thép - 213 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ ã Tại trụ bố trí gối cố định v gối di động kết cấu nhịp biến dạng nh nên khe biến dạng giống v đồng thời trụ lm việc Nếu trụ cầu cao bố trí gối di động ã Để giảm số khe nối bố trí gối cố định trụ trụ đảm bảo chịu lực đợc Cầu dầm liên tục ã Gối cố định bố trí trụ chuyển vị phân sang bên bố trí trụ có chiều cao thấp Hình 6.5: Bố trí gối cầu dầm liên tục Đ6.2 cấu tạo gối cầu Gối cầu lm thép đúc hay thép cán ghép lại Nói chung có loại gối sau: ã Gối tiếp tuyến ã Gối lăn ã Gối lăn hình quạt ã Gèi quay II.1-Gèi tiÕp tuyÕn: H×nh 6.6: Gèi tiÕp tuyến a-Gối cố định b-Gối di động Cấu tạo gồm thớt (1) đợc lm phẳng, thớt dới (2) đợc lm cong v chốt (3) Đối với gối cố định chốt lm cho gối xoay đợc m không trợt đợc Đối với gối di động khoét thêm lỗ dạng ôvan gối trợt đợc Gối ny ma sát lớn, dùng cho nhịp nhỏ l 20-25m v phản lực gối 80T ®èi víi gèi di ®éng vμ ≤ 300T ®èi với gối cố định Chơng VI: Gối cầu thép - 214 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ II.2-Gối lăn: Hình 6.7: Gối lăn a-Gối lăn trụ tròn b-Gối lăn vát Đơn giản l lăn trụ tròn Nó đảm bảo di động tốt Khi kết cấu nhịp chuyển vị đoạn lăn di chuyển đoạn /2 (chuyển động song phẳng) Nh chiều di nhịp l tăng áp lực gối tăng đờng kính lăn tăng nên tốn vật liệu Để khắc phục ngời ta lm lăn cắt vát Để lăn cắt vát ổn định v tăng khả Ðp mỈt, ta th−êng chän r = h Khi lăn xoay góc đầu dầm nâng lên đoạn a(1 cos ) đồng thời áp lực từ xuống v phản lực từ dới lên tạo ngẫu lực lm lăn vát có xu hớng trở vị trí ban đầu nên ổn định Loại ny dùng cho gối di động, phản lực gối 70-300T v chiều di nhịp l 50m (nếu tăng lên h lớn) II.3-Gối quay: Hình 6.8: Gối quay cố định Loại gối ny có ma sát khớp nhỏ tiếp xúc điểm, thờng áp dụng cho gối cố định Chơng VI: Gối cầu thép - 215 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Hình 6.9: Gối quay di động Loại gối quay di động thờng có thớt gối (trên, v dới) v hng lăn Để giữ cho lăn chuyển vị, ta dùng giằng liên kết lăn lại với Đờng kính v số lợng lăn tính toán v thờng chọ số co lăn l số chẵn Cả loại gối áp dụng cho nhịp lớn, gối có áp lực lớn 250T Đ6.3 tính toán gối cầu thép Tính toán gối cầu dựa nguyên lý sức bền vật liệu có tính chất gần tính ngắn có chiều cao lớn Ngoi tính toán cần chọn theo yêu cầu cấu tạo: ã Đờng kính lăn không nhỏ 150mm ã Bề dy lăn cắt vát lấy + 60mm với l tổng chuyển vị kết cấu nhịp tất nguyên nhân ã Bề dy sờn thép gối cầu đúc không nhỏ 40mm v bề dy gối cầu không đợc nhỏ 20mm III.1-Xác định tải trọng tính toán: Chơng VI: Gối cầu thép - 216 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Gối cầu đợc tính với phản lực thẳng đứng v phản lực nằm ngang Ta phải xét trờng hợp đặt lực sau đây: ã Trờng hợp 1: Phản lực thẳng đứng A tĩnh tải v hoạt tải có xét đến hệ số vợt tải v hệ số xung kích (tổ hợp tải trọng chính) ã Trờng hợp 2: Phản lực thẳng đứng A v lùc ngang H lùc h·m céng víi lùc giã dọc cầu lực ma sát lực ny cho giá trị H lớn ( có tổ hợp phụ) Khi tính gối cố định, coi chúng chịu hoμn toμn lùc däc lùc h·m vμ giã (hc lực ma sát) Khi tính gối cầu di động, phản lùc H lÊy 50% ®èi víi gèi tiÕp tun, 25% gối lăn ton lực dọc nhng không lớn lực ma sát III.2-Tính quay di động: III.2.1-Xác định độ dịch chuyển gối theo phơng dọc cầu: Do nhiệt độ: = tL (6.1) Do biến dạng dới tác dụng hoạt tải: σ tb L Δ2 = (6.2) E Trong đó: +L: chiều di nhịp dn khoảng cách từ gối di động khảo sát đến gối cố định +α: hƯ sè gi·n në nhiƯt ®é, lÊy b»ng 0.000012 +t = tmax - tmin: ®é chƯnh lƯch nhiƯt ®é +tb: ứng suất trung bình biên dới dn tải trọng tác dụng tính với tiết diện nguyên +E: môđun đn hồi thép lm kết cấu nhịp Độ dịch chuyển lớn phía gối: = + 2 (6.3) III.2.2-Tính lăn: III.2.2.1-Xác định kích thớc: Khi gối cầu dịch chuyển đoạn lăn dịch chuyển đoạn k: k = (6.4) Đờng kính lăn chọn sơ theo công thức kinh nghiệm: bk = (L + 130 )mm (6.5) bk = Δ + 6cm (6.6) víi L tÝnh b»ng m BỊ réng lăn cắt vát: Khoảng cách tim lăn cắt vát: Chơng VI: Gối cầu thép - 217 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép ak = Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ bk + 2cm cos nhng không lớn bk b k d k ⎞ ⎟ ⎟ ⎠ (6.7) vμ nÕu ®Ĩ nguyên lăn tròn: a k = d k + 2cm (6.8) với l góc xoay lăn dịch chuyển đến vị trí xa nhất: k d k (6.9) ChiỊu dμi cÇn thiÕt cđa quay d−íi vμ thít d−íi: a = (k − 1) + Δ + 2c (6.10) Trong ®ã: +k: sè lăn +c: khoảng cách lại tính từ mép quay đến điểm lăn tiếp xúc lăn dịch chuyển đến vị trí xa nhất, c không nhỏ 5cm Chiều cao gối di động tính từ mặt đá tảng đến khớp gối không đợc nhỏ h¬n 0.5a, tøc lμ: ht + d k + h ≥ 0.5a → h = 0.5a − ht − d k (6.11) víi ht lμ bỊ dμy thít d−íi lÊy 7-10cm Từ xác định đợc chiều cao h quay d−íi III.2.2.2-TÝnh to¸n kiĨm tra: TÝnh lùc t¸c dụng lên lăn ngoi l lăn lm việc nặng nhất: ã Khi tính với tổ hợp tải träng chÝnh: P= A A.Δ k a max + k ai2 (6.12) ã Khi tính với tổ hợp tải trọng phụ: thêm lực H tác dụng chiều với chiều dịch chuyển lăn P= A A. k a max H (h + d k )a max + + k ∑ ai2 ∑ ai2 (6.13) Trong ®ã: +amax: khoảng cách lăn ngoi +ai: khoảng cách lăn đối xứng qua trung tâm lăn Lấy P lớn công thøc (6.12) vμ (6.13) ®Ĩ kiĨm tra øng st: σ= P ≤ m2 × 0.04 R0 d k lk (6.14) Trong đó: +lk: chiều di lăn, lấy bỊ réng quay d−íi +m2: hƯ sè ®iỊu kiƯn lμm viƯc, lÊy b»ng 1.4 cã hc lăn; 1.2 có lăn III.2.3-Tính quay dới: Chơng VI: Gối cầu thép - 218 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Con quay dới lm việc bất lợi lăn dịch chuyển đến vị trí xa nhất, lực H tác dụng ngợc chiều với chiều chuyển dịch lăn Khi đó, phản lực từ lăn thứ i tác dụng lên quay dới đợc tính: ã Đối với tổ hợp chính: Pi = (6.15) Pi = • A A.Δ k − k ∑ ai2 A A.Δ k H (h + d k )ai − + k ∑ ai2 ∑ ai2 (6.16) Đối với tổ hợp phụ: Hình 6.10: Tính quay di động Căn vo hình thức cấu tạo quay, ta xác định tiết diện cần kiĨm tra øng st nh− tiÕt diƯn I-I vμ II-II hình 6.10 Mômen uốn tiết diện cần khảo sát đợc tính theo công thức: (6.17) M = Pi xi Trong đó: Chơng VI: Gối cầu thép - 219 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép + xi = Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ + xi' : khoảng cách từ điểm tiếp xúc (điểm đặt lực Pi) quay với lăn thứ i đến tiết diện khảo sát +xi: khoảng cách từ tiết diện khảo sát đến trục đối xứng quay d−íi KiĨm tra øng st ph¸p: σ= M ≤ Ru W (6.18) víi W lμ m«men chèng n tiết diện xét III.2.4-Tính thớt dới: Để xác định mômen uốn thớt dới, ta xác định biểu đồ ứng suất lên bêtông bên dới thớt dới phản lực A v lực ngang H tác dụng: ã Đối với tổ hợp chính: A A k − ab ba A AΔ k = + ≤ Rb ab ba (6.19) A AΔ k H (h + d k + ht ) ≤ Rb − + ab ba ba A AΔ k H (h + d k + ht ) = + − ≤ Rb ab ba ba (6.20) tr = ph ã Đối với tổ hợp phụ: tr = ph Trong đó: +a, b: kích thớc mặt phẳng nằm ngang thớt +ht: chiều dy thớt +Rb: cờng độ chịu ép mặt bêtông đá tảng Ta cần kiểm tra ứng suất tiết diện dới lăn thứ i: • M«men: j M i = ω i ei b − ∑ Pi ( j − i )a k i (6.21) Trong đó: +j: số lợng lăn đứng trớc lăn thứ i +i: diện tích phần biểu đồ øng suÊt σ cã chiÒu dμi [c + Δ + ( j i )a k ] +ei: khoảng cách từ trung tâm phần biểu đồ đến tiết diƯn thø i cđa thít • øng st: σ= 6M Ru bht2 (6.22) III.2.5-Tính quay trên: Chơng VI: Gối cầu thép - 220 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Chiều di a theo phơng dọc cầu quay thờng lấy khoảng 40-50cm, bệ rộng theo phơng ngang cầu chọn phụ thuộc vo bề rộng biên dầm chủ biên dn chủ Chiều cao quay h không nhỏ a/2 Con quay cần phải tính toán kiểm tra cờng độ ép mặt Trớc hết cần vo thực tế cấu tạo biên dầm biên dn chủ kê lên gối cầu để xác định kích thớc tiết diện ép mặt (chủ yếu lực truyền từ đứng, nút dn), sau kiểm tra ứng suất: Hình 6.11: Tính quay ã Tổ hợp tải trọng chính: = ã A 1.5R0 Fem (6.23) Tổ hợp tải trọng phụ: σ max = σ A H h + ≤ 1.5R0 Fem Wem A H h = − Fem Wem (6.24) Trong đó: +Fem, Wem: diện tích v mômen chống uốn phần thép bị ép mặt Với hình 6 6.11a th× Fem = b1 a + b2 a1 , Wem = b1a + b2 a12 vμ víi h×nh 6.11b th× Fem = b1 a , Wem = b1 a Cã biÓu đồ ứng suất pháp đợc xác định trên, ta dƠ dμng tÝnh to¸n kiĨm tra tiÕt diƯn bÊt kỳ thuộc quay trên: ã Mômen uốn tiết diÖn x bÊt kú: M x = ω x e x b1 (6.25) Chơng VI: Gối cầu thép - 221 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Trong đó: +x: diện tích biểu đồ nằm ngoi tiết diện x +ex: khoảng cách từ trọng tâm biểu đồ đến tiết diện x +b1: bề rộng diện tích ép mặt, hình 6.11 ã ứng st: σ= Mx ≤ Ru Wx (6.26) víi Wx: m«men chèng n t¹i tiÕt diƯn x III.3-TÝnh quay cè ®Þnh: ChiỊu cao quay d−íi cè ®Þnh th−êng lÊy chiều cao gối di động kể từ mặt dới thít ®Õn khíp gèi, chiỊu dμi vμ chiỊu réng cđa quay d−íi cịng lÊy b»ng thít d−íi cđa gèi di động ứng suất quay đợc tính nh sau: ã Tổ hợp tải trọng chính: = ã A ≤ Rb ab (6.27) A H h + ≤ Rb ab ba A H h = − ab ba (6.28) Tổ hợp tải trọng phụ: tr = ph Có biểu đồ ứng suất pháp đợc xác định trên, ta dễ dng tính to¸n kiĨm tra tiÕt diƯn bÊt kú thc quay trên: ã Mômen uốn tiết diện x bất kỳ: M x = ω x e x b (6.29) • øng suÊt: σ= Mx ≤ Ru Wx (6.30) CÊu t¹o vμ kÝch th−íc cđa quay trªn hoμn toμn gièng nh quay gối di động Ch−¬ng VI: Gèi cÇu thÐp - 222 - ... - 19 - Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ CHƯƠNG Ii:: Vật liệu thép xây dựng cầu CHƯƠNG Ii Vật liệu thép xây dựng cầu Đ2.1 khái niệm chung v loại thép dùng cầu thép 1.1-Khái... liệu thép xây dựng cầu - 40 - Giáo trình Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Hn đối đầu l thép phải đặt mặt phẳng, thờng dùng để nối thép v dùng để liên kết thép hình khó gia công mép thép. .. - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Ngoi số cầu thép giữ kỷ lục chiều di nhịp dạng kết cấu: Hình 1-27: Cầu Lupu l cầu vòm có nhịp lớn giới 550m, hon thnh 2003 Hình 1-28: Cầu