11 câu bài tập Thiết kế cầu bê tông cốt thép (có đáp án)

A. Khái niệm chung về cầu thép

Cầu thép là cầu có kết cấu chịu lực chính được làm bằng thép, hợp kim thép hoặc thép liên hợp BTCT, trong đó vật liệu thép đóng vai trò chủ yếu.

B. Các sơ đồ cấu tạo kết cấu nhịp

1. Kết cấu nhịp cầu dầm

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì gối cầu chỉ truyền áp lực thẳng đứng.

Kết cấu nhịp cầu dầm có thể là:

Cầu dầm giản đơn.

Cầu dầm giản đơn mút thừa.

Cầu dầm liên tục.

Do có cấu tạo đơn giản, dễ thi công nên KCN cầu dầm được dùng phổ biến nhất hiện nay.

Các loại kết cấu nhịp cầu dầm:

Cầu dầm đặc.

Cầu dầm liên hợp thép – BTCT.

2. Kết cấu nhịp cầu dàn

Kết cấu chịu lực chính của kết cấu nhịp cầu dàn là các mặt phẳng dàn, với các thanh dàn chỉ chịu lực dọc trục (kéo hoặc nén).

Chiều cao dàn lớn nên khả năng chịu lực và vượt nhịp của kết cấu nhịp cầu dàn lớn hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm.

Nhược điểm chính của kết cấu nhịp cầu dàn là cấu tạo và thi công phức tạp.

Kết cấu nhịp cầu dàn thường được áp dụng cho các cầu chịu tải trọng lớn như cầu đường sắt.

3. Kết cấu nhịp cầu vòm

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng thì gối cầu có cả phản lực thẳng đứng V và phản lực nằm ngang H nên người ta còn gọi vòm là dạng kết cấu có lực đẩy ngang.

Cầu vòm có khả năng chịu lực lớn nhất là dạng cầu dàn – vòm, tuy nhiên kết cấu này có cấu tạo rất phức tạp nên ít được áp dụng.

Kết cấu nhịp cầu vòm thường được áp dụng cho các cầu bắc qua khe sâu, thung lũng hoặc nơi yêu cầu tính thẩm mỹ cao.

4. Kết cấu nhịp cầu khung

Trụ và dầm được liên kết cứng với nhau để chịu lực.

Phản lực gối gồm:

Thành phần thẳng đứng V.

Thành phần nằm ngang H.

5. Kết cấu nhịp cầu treo

Bộ phận chịu lực chủ yếu của cầu treo là dây cáp hoặc dây xích đỡ hệ mặt cầu (dầm hoặc dàn).

Trên quan điểm tĩnh học, cầu treo là hệ tổ hợp giữa dây và dầm (hoặc dàn).

Phân loại:

Cầu treo dây võng (cầu treo).

Cầu treo dây xiên (cầu dây văng).

Cầu treo dây xiên (cầu dây văng)

Là kết cấu dầm cứng tựa trên các gối cứng ở mố, trụ và trên các gối đàn hồi là dây văng.

Dây văng và dầm chủ tạo nên hệ bất biến hình nên độ cứng lớn hơn cầu treo.

Cầu treo dây võng (cầu treo)

Dây làm việc chủ yếu chịu kéo.

Tại vị trí neo cáp có lực nhổ rất lớn.

Phải bố trí hố neo lớn và phức tạp tại mố cầu.

C. Các sơ đồ tĩnh học

1. Sơ đồ giản đơn

Phân bố nội lực

Biểu đồ mômen chỉ có dấu (+).

Giá trị lớn nhất tại giữa nhịp.

Phân bố vật liệu

Vật liệu tập trung chủ yếu ở khu vực giữa nhịp.

Nội lực do tĩnh tải lớn.

Dự trữ khả năng chịu hoạt tải kém.

Khả năng vượt nhịp thấp.

Đặc điểm

Thường cấu tạo dầm có mặt cắt không đổi.

Các mặt cắt gần gối không phát huy hết khả năng làm việc.

Gây lãng phí vật liệu.

2. Sơ đồ giản đơn mút thừa

Phân bố nội lực

Xuất hiện mômen âm tại gối.

Xuất hiện mômen dương tại giữa nhịp.

Mômen nhỏ hơn cầu giản đơn cùng chiều dài nhịp.

Phân bố vật liệu

Vật liệu tập trung tại gối và giữa nhịp.

Hợp lý hơn cầu giản đơn.

Khả năng vượt nhịp tốt hơn.

Đặc điểm

Tiết kiệm vật liệu hơn cầu giản đơn.

Các mặt cắt giữa nhịp chịu mômen dương.

Các mặt cắt gối chịu mômen âm.

Nhược điểm

Đầu nhịp tiếp giáp nền đường chuyển vị liên tục theo phương đứng.

Nền đường đầu cầu nhanh hư hỏng.

Lực xung kích và tiếng ồn lớn.

Hiện nay ít được áp dụng.

3. Sơ đồ liên tục

Phân bố nội lực

Có mômen âm tại gối.

Có mômen dương tại giữa nhịp.

Mômen nhỏ hơn cầu giản đơn cùng chiều dài nhịp.

Phân bố vật liệu

Tập trung tại gối và giữa nhịp.

Hợp lý hơn cầu giản đơn.

Khả năng vượt nhịp tốt hơn.

Ưu điểm

Các mặt cắt phát huy khả năng làm việc tốt hơn.

Tiết kiệm vật liệu hơn cầu giản đơn.

Nhược điểm

Là hệ siêu tĩnh.

Nhạy cảm với lún gối và thay đổi nhiệt độ.

Phát sinh nội lực phụ.

Với bản mặt cầu BTCT, vùng mômen âm dễ nứt do bê tông chịu kéo.

Cần điều chỉnh nội lực để tạo nén trước trong bê tông.

D. Ưu điểm

Thép có khả năng chịu lực lớn.

Độ tin cậy cao.

Trọng lượng bản thân nhẹ hơn nhiều so với cầu bê tông.

Khả năng vượt nhịp lớn.

Dễ chế tạo, vận chuyển, lắp ráp.

Rút ngắn thời gian thi công.

Thuận lợi cho tiêu chuẩn hóa và định hình hóa.

Dễ kiểm tra, sửa chữa và tăng cường.

E. Nhược điểm

Dễ bị gỉ và ăn mòn trong môi trường tự nhiên.

Chi phí duy tu bảo dưỡng lớn.

Khả năng chịu lực giảm mạnh khi nhiệt độ vượt 500°C.

Nhiều chi tiết cấu tạo phức tạp phải chế tạo trong công xưởng.

F. Phạm vi áp dụng

Công trình cầu chịu tải trọng lớn.

Cầu đường sắt.

Cầu vượt nhịp lớn.

Cầu đường ô tô.

Cầu tạm yêu cầu thi công nhanh.

Cầu quân sự yêu cầu lắp ráp và tháo dỡ nhanh.

Công trình có yêu cầu thẩm mỹ cao.

G. Xu hướng phát triển hiện nay

1. Về vật liệu và dạng kết cấu nhịp

Sử dụng thép chất lượng cao để giảm chi phí sơn và bảo dưỡng.

Nghiên cứu các hệ liên hợp vượt nhịp lớn và có tính thẩm mỹ cao.

Sử dụng cầu dầm thép giản đơn hoặc liên tục có chiều cao không đổi thay thế dàn thép cổ điển.

Phổ biến kết cấu:

Dầm thép liên hợp bản BTCT.

Mặt cầu thép bản trực hướng.

Tiết diện hộp kín.

2. Về liên kết trong cầu thép

Liên kết đinh tán hầu như không còn sử dụng.

Phổ biến:

Liên kết hàn.

Liên kết bu lông cường độ cao.

Liên kết dán đang được nghiên cứu và áp dụng nhờ:

Không làm giảm tiết diện.

Bản nút đơn giản.

3. Về công nghệ thi công

Sử dụng thiết bị vận chuyển và lao lắp có năng lực lớn.

Áp dụng các công nghệ tiên tiến:

Đúc đẩy.

Đúc hẫng.

Lắp hẫng.

4. Tại Việt Nam

Đã và đang xây dựng nhiều cầu thép vượt nhịp lớn, tính thẩm mỹ cao.

Đặc biệt phát triển mạnh cầu dây văng như:

Cầu Mỹ Thuận

Cầu Cần Thơ

Cầu vượt Ngã Ba Huế

Đặc điểm

Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng, gối cầu chỉ truyền áp lực thẳng đứng.

Có thể là:

Cầu dầm giản đơn.

Cầu dầm giản đơn mút thừa.

Cầu dầm liên tục.

Cấu tạo đơn giản, dễ thi công nên được sử dụng phổ biến.

Các bộ phận chính

1. Dầm chủ

Bộ phận chịu lực chủ yếu của kết cấu nhịp.

2. Hệ mặt cầu

Đỡ tải trọng xe.

Truyền tải trọng xuống các dầm chủ.

3. Hệ liên kết ngang cầu

Liên kết các dầm chủ.

Tăng độ cứng ngang của kết cấu nhịp.

Dầm ngang tại gối là vị trí đặt kích trong quá trình lao lắp và nâng hạ dầm.

4. Hệ liên kết dọc cầu

Liên kết các dầm chủ.

Chịu các tải trọng ngang:

Lực lắc ngang.

Lực ly tâm.

Lực gió.

A. Dầm đặc

Khái niệm

Còn gọi là dầm không liên hợp.

Có thể dùng:

Dầm thép định hình.

Dầm thép tổ hợp.

Bản mặt cầu có thể bằng:

Gỗ.

Bê tông.

Không có hệ thống neo tạo hiệu ứng liên hợp giữa dầm thép và bản mặt cầu.

Các dạng mặt cắt

Dầm định hình.

Dầm tổ hợp:

Tổ hợp hàn.

Tổ hợp đinh tán.

Tổ hợp bu lông cường độ cao.

Đặc điểm dầm định hình

Thường có tiết diện chữ I, chữ C.

Đảm bảo tính đồng nhất cao.

Ít tập trung ứng suất cục bộ.

Chiều cao thường H ≤ 1000 mm.

Chỉ phù hợp nhịp ngắn và tải trọng nhỏ.

Đặc điểm dầm tổ hợp

Có thể chế tạo chiều cao lớn.

Phù hợp nhịp dài và tải trọng lớn.

Liên kết bằng:

Hàn.

Đinh tán.

Bu lông cường độ cao.

Đặc điểm dầm đặc

Khi tải trọng lớn, bản bê tông dễ trượt hoặc bong khỏi dầm thép.

Tuổi thọ không cao.

Thường áp dụng:

Cầu ô tô.

Cầu đường sắt nhịp L < 20 m.

Cầu tạm.

B. Dầm liên hợp thép – BTCT

Nguyên lý làm việc

Bố trí hệ thống neo liên kết bản cánh trên dầm thép với bản bê tông mặt cầu để tạo hiệu ứng liên hợp.

Vai trò các bộ phận

Dầm thép:

Chịu kéo.

Chịu uốn.

Bản bê tông:

Tham gia chịu nén.

Tăng chiều cao làm việc.

Giảm chiều cao dầm thép.

Phạm vi áp dụng

Cầu ô tô có chiều dài nhịp lớn.

Thường dùng dầm tổ hợp hàn.

C. Dầm hộp

Đặc điểm

Thích hợp với cầu liên tục nhịp lớn.

Tăng khả năng chịu xoắn.

Có thể bố trí:

1 hộp.

2 hộp.

Nhiều hộp.

Ưu điểm

Chịu lực tốt.

Chống xoắn tốt.

Nhược điểm

Chế tạo và bảo dưỡng phức tạp.

Không nên cấu tạo hộp kín hoàn toàn vì khó kiểm tra và sửa chữa.

A. Vai trò của sườn tăng cường

Tăng độ cứng bản bụng.

Chống mất ổn định cục bộ bản bụng.

Chống mất ổn định tổng thể dầm.

Tạo vị trí liên kết dầm ngang.

Tạo vị trí liên kết hệ liên kết ngang và liên kết dọc cầu.

B. Đặc điểm cấu tạo

1. Cấu tạo chung

Các bộ phận:

1. Gối cầu và đá kê gối.
2. Bản bụng.
3. Bản bê tông mặt cầu.
4. Sườn tăng cường đứng tại gối.
5. Sườn tăng cường đứng trung gian.
6. Sườn tăng cường dọc.
7. Bản đệm (bản kê).

2. Quy định chung

Khi không có sườn tăng cường dọc phải bố trí sườn tăng cường đứng theo quy định.

Sườn tăng cường thường làm bằng:

Thép bản.

Thép góc.

Chiều dày tối thiểu:

t ≥ 6 mm.

Thực tế thường chọn:

t ≥ 12 mm.

3. Sườn tăng cường tại gối

Có chiều dày lớn hơn hoặc dạng sườn kép.

Có thể dùng thép góc.

Tiếp nhận phản lực gối.

Kéo dài hết chiều cao dầm.

Lắp khít với bản cánh.

4. Sườn tăng cường trung gian

Bố trí giữa các mặt cắt gối.

Không hàn trực tiếp vào bản cánh chịu kéo.

Phải thông qua bản đệm.

Kích thước bản đệm:

a = b = 30 ÷ 40 mm.

t = 16 ÷ 20 mm.

1. Sườn tăng cường dọc

Bố trí nhằm tăng ổn định cho bản bụng.

Được tính toán theo điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng.

Thường bố trí đối xứng hai bên sườn dầm.

A. Mất ổn định cục bộ

Các tấm bản mỏng trong dầm như bản cánh nén, vách đứng (bản bụng) dưới tác dụng của ứng suất nén, ứng suất cắt có thể bị phình cong cục bộ hay cong vênh từng phần.

Mất ổn định cục bộ xảy ra sẽ cản trở sự làm việc của dầm và có thể khiến dầm mất đi sức kháng lại các tải trọng. Sức kháng do mất ổn định cục bộ rất khó xác định nên các tiêu chuẩn đều đưa ra cách tiếp cận đơn giản là: mất ổn định cục bộ không được phép xảy ra cho đến khi dầm mất ổn định tổng thể.

Mất ổn định cục bộ có thể xuất hiện nếu tỷ số rộng/dày của phần tử chịu nén quá lớn.

Nếu mất ổn định xuất hiện ở biên chịu nén thì gọi là mất ổn định cục bộ bản biên.

Nếu xuất hiện ở vùng chịu nén của vách đứng thì gọi là mất ổn định cục bộ vách đứng.

Biện pháp khắc phục mất ổn định cục bộ

Tăng độ cứng của tấm bản bằng cách giảm tỷ lệ chiều rộng trên chiều dày (b/t hoặc D/tw).

Bố trí sườn tăng cường đứng.

B. Mất ổn định tổng thể

Trong các dầm mặt cắt chữ I thường có độ cứng EIx lớn hơn EIy rất nhiều. Do vậy, cho dù tải trọng tác dụng đúng mặt đối xứng của dầm thì dầm cũng chỉ giữ được ổn định trong một giới hạn tải trọng nhất định.

Khi tải trọng vượt quá giới hạn đó, dầm sẽ bị uốn về phía có độ cứng nhỏ hơn. Do tiết diện dầm tại gối bị cố định nên khi dầm chịu uốn ngang sẽ đồng thời chịu xoắn.

Mômen xoắn này làm cho dầm bị mất ổn định xoắn ngang. Hiện tượng đó được gọi là mất ổn định tổng thể của dầm.

Biện pháp khắc phục mất ổn định tổng thể

Giảm chiều dài tự do của cánh nén.

Bố trí sườn tăng cường ngang.

Bố trí hệ liên kết ngang.

A. Mối nối dầm chủ

a. Cấu tạo chung

Mối nối dầm chủ được sử dụng để liên kết các đoạn dầm chế tạo riêng thành một dầm hoàn chỉnh, thuận tiện cho vận chuyển và lắp ráp.

b. Mối nối bản bụng

Sườn dầm chủ yếu chịu lực cắt nên không nên bố trí mối nối bản bụng tại những mặt cắt có lực cắt lớn như mặt cắt tại gối.

Bản bụng được nối theo mối nối đối đầu để tránh các bản thép chồng lên nhau và hạn chế hiện tượng truyền lực lệch tâm.

c. Mối nối bản cánh

Bản cánh chịu uốn và chịu nén đồng thời nên không nên bố trí mối nối bản cánh tại những mặt cắt có mômen lớn như:

Mặt cắt giữa nhịp.

Mặt cắt trên đỉnh trụ (đối với kết cấu nhịp liên tục).

Mối nối bản cánh có thể là:

Mối nối đối đầu.

Mối nối so le.

Kết hợp cả hai biện pháp nối.

Thông thường để đơn giản trong cấu tạo, nên bố trí mối nối bản bụng và bản cánh tại cùng vị trí có mômen và lực cắt không lớn.

Đối với dầm giản đơn, thường bố trí mối nối ở mặt cắt L/3 hoặc L/4 tùy theo kích thước các bản thép.

d. Bản táp dùng cho mối nối

Đối với thép bản thì nối bằng thép bản.

Đối với thép góc có thể dùng thép bản hoặc thép góc cùng số hiệu để nối.

Chiều dày bản nối

t ≥ 0,23 inch = 0,23 × 2,54 cm ≈ 0,6 cm = 6 mm.

Thực tế thường chọn:

t ≥ 12 mm.

Kích thước thép góc

Thép góc có số hiệu:

L ≥ L100 × 100 × 10.

B. Cách tạo độ vồng bằng xử lý tại mối nối

Dưới tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải, dầm thép sẽ bị võng xuống làm giảm độ cứng, tăng dao động và gây cảm giác bất an trong khai thác.

Vì vậy trong kết cấu nhịp cầu dầm thường chế tạo cho dầm có độ vồng trước.

Nguyên tắc tạo độ vồng

Đối với cầu dầm BTCT dự ứng lực:

Tạo độ vồng bằng cách căng kéo cốt thép dự ứng lực.

Đối với dầm thép:

Tạo độ vồng thông qua xử lý cấu tạo của mối nối dầm.

Đặc điểm

Tạo độ vồng bằng mối nối vừa kinh tế vừa dễ thi công.

Hầu hết các dầm nên tạo độ vồng bằng mối nối.

Những dầm có chiều dài ngắn, không cần cấu tạo mối nối thì cũng không cần thiết phải tạo độ vồng.

Chú ý khi cấu tạo mối nối tạo độ vồng

Các cột đinh trong mối nối bản bụng vẫn song song với mép bản bụng.

Khi lắp ghép mối nối:

Kê các đoạn dầm trên tà vẹt theo góc nghiêng đã thiết kế.

Áp các bản táp nối bản bụng vào lấy dấu.

Sau đó mới tiến hành khoan lỗ.

Các bản táp nối được đặt thẳng nên các cột đinh có thể không song song với mép bản táp.