Xem mẫu
- Chương 5 – Cầu dầm nhịp giản đơn bê tông cốt thép
CHƯƠNG 5
NGUYÊN LÝ CẤU TẠO CẦU DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP
* Mục tiêu:
- Hiểu biết cơ bản để phân biệt được kết cấu cầu dầm so với các loại kết cấu khác.
- Phân tích được cấu tạo của cầu dầm BTCT thường và BTCT dự ứng lực.
- Vận dụng các bước phân tích, các yêu cầu tính toán trong việc thiết kế một dầm cầu
BTCT.
- Phân tích các vấn đề chính trong thiết kế, tính toán cầu dầm BTCT, có thể vận dụng
sáng tạo trong công việc thực tế.
* Nội dung:
5.1. Khái niệm về cầu dầm BTCT:
Đối với cầu bản khi chiều dài nhịp tăng thì mô men do tĩnh tải tăng lên nhanh chóng,
trọng lượng bản thân tăng dẫn đến không tiết kiệm được vật liệu, không kinh tế nên người ta
chuyển sang làm cầu dầm. Cầu dầm được áp dụng do việc giảm chi phí của kết cấu bản BTCT
bằng việc loại bỏ phần bê tông trong vùng chịu kéo và tập trung cốt thép trong sườn dầm. Khi
chịu uốn một phần sườn và bản mặt cầu chịu nén. Cốt thép tiếp nhận toàn bộ ứng suất kéo,
chiều rộng sườn dầm được thu nhỏ đủ để bố trí cốt thép và chịu lực cắt vì vậy tiết diện chịu lực
hợp lý hơn về mặt vật liệu. Nếu bố trí cốt thép không đủ có thể làm bầu dầm. Đặc điểm của cầu
dầm BTCT có thể thấy rõ những điểm sau:
- Ưu điểm:
Chịu lực hợp lý hơn cầu bản do đó vượt được nhịp lớn hơn.
Chịu mô men một dấu bố trí cốt thép đơn giản.
Dễ tiêu chuẩn hoá, định hình hoá cấu kiện.
Thích hợp với kết cấu lắp ghép, bán lắp ghép.
Vận chuyển và lắp ráp tương đối thuận tiện thích hợp với cầu nhiều nhịp.
- Nhược điểm:
Kích thước tiết diện sườn nhỏ hẹp, cốt thép dầy đặc đổ bê tông khó khăn.
Vận chuyển dầm cầu dạng chữ T & I kém ổn định (so với cầu bản).
Chiều cao kiến trúc lớn.
Vượt nhịp nhỏ, cầu nhiều trụ.
Bê tông cốt thép thường bị nứt làm hạn chế khả năng sử dụng và giảm độ bền
vững công trình.
Đặng Huy Khánh_VUNI 60
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
5.2. Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép đổ tại chỗ:
5.2.1. Tổng thể:
Cầu dầm bê tông cốt thép đổ tại chỗ có các bộ phận chính trong tiết diện ngang gồm 2
dạng:
Bản mặt cầu, dầm chủ và dầm ngang.
Bản mặt cầu, dầm chủ, dầm ngang và dầm dọc phụ.
Hình 5.1- Mặt cắt ngang cầu dầm đổ tại chỗ
a. MCN có dầm dọc phụ; b. MCN không có dầm dọc phụ; c,d. MCN khổ cầu lớn
1. Dầm chủ; 2. Dầm dọc phụ; 3. Dầm ngang
Nguyên tắc cấu tạo tiết diện ngang cầu dầm đường xe chạy trên là triệt để sử dụng cường
độ vật liệu cấu thành tiết diện. Trong cầu dầm đơn giản, bản mặt cầu bố trí bên trên để làm mặt
đường xe chạy, thường làm việc cục bộ theo phương ngang, đồng thời theo phương dọc có tác
dụng như biên trên chịu nén của dầm, thớ dưới dầm chịu kéo do toàn bộ cốt thép chịu. Cốt thép
dọc chịu kéo được bố trí gọn trong vách hoặc trong bầu dầm. Sử dụng bản bê tông chịu nén
càng nhiều, vách dầm càng mỏng thì kết cấu sườn dầm càng tỏ ra kinh tế. Do đó vách dầm có
khuynh hướng làm càng mỏng càng tốt, chiều dày nhỏ nhất của vách được xác định từ điều kiện
bê tông đủ dày để chịu ứng suất chính nén, ứng suất cắt, bố trí cốt đai bảo vệ cốt thép, và không
cản trở chế tạo. Theo kinh nghiệm, để tạo điều kiện thuận lợi khi đổ bê tông, chiều dày vách
dầm không nên nhỏ hơn 200mm.
Loại kết cấu này thường sử dụng cho những cầu có chiều dài nhịp nhỏ hơn 22m và chỉ áp
dụng ở nơi không có điều kiện thi công nào khác như miền núi chẳng hạn. Ưu điểm của loại
kết cấu này là đơn giản, dễ thì công, không yêu cầu thiết bị đặc chủng. Tuy nhiên, sử dụng
Đặng Huy Khánh_VUNI 61
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
nhiều đà giáo, ván khuôn, cản trở dòng chảy hoặc thông thuyền, tiến độ thi công chậm. Do đó,
loại kết cấu này ít được sử dụng ngày nay.
5.2.2. Bản mặt cầu:
Bản mặt cầu được thiết kế để phục vụ việc khai thác công trình cầu, chiều rộng bản mặt
cầu tối thiểu 3600mm cho một làn xe, khi thiết kế 2 làn xe cần bố trí tối thiểu 6000mm đến
9000mm, chiều rộng lớn hơn cho các trường hợp nhiều làn xe thiết kế.
Tùy số lượng dầm chủ thiết kế, nếu khoảng cách hai dầm chủ 2-3m thì không cần thiết
kế dầm dọc phụ, trong trường hợp khoảng cách từ 5-6m thì nhất thiết phải thiết kế dầm dọc
phụ, khi đó bản mặt cầu được tính toán theo các sơ đồ cụ thể như sau:
Nếu L1/L2 ≥ 2 sử dụng sơ đồ bản kê hai cạnh với chiều dày bản hb ≥ 1/25L2
Nếu L1/L2 < 2 sử dụng sơ đồ bản kê bốn cạnh với chiều dày bản hb ≥ 1/30L2
Tuy nhiên, trong mọi trường hợp hb tối thiểu dày 175mm (mục 7.1.1, phần 9, TCVN). L1
và L2 là kích thước mặt cầu tương ứng theo phương dọc và ngang cầu (xem hình 5.1)
5.2.3. Dầm chủ:
Dầm chủ là bộ phận chịu lực chính, hai đầu dầm kê lên các gối cầu ở trên các trụ, mố. Số
lượng dầm chủ thiết kế ít nhất (để hạn chế khối lượng ván khuôn đổ tại chỗ), số lượng tuỳ thuộc
vào khổ cầu.
Khi mặt cắt ngang gồm 2 dầm chủ, khoảng cách giữa chúng bằng 0,55 - 0,6 chiều rộng
toàn bộ cầu (khổ 7 hoặc khổ 8 khoảng cách sẽ là 5-6m).
Chiều cao dầm chủ: h = (1/8 - 1/16)L
Chiều rộng sườn dầm: b = (1/6 - 1/7)h đủ để bố trí cốt thép và chịu lực cắt.
5.2.4. Dầm ngang:
Dầm ngang có nhiệm vụ liên kết các dầm chủ theo phương ngang cầu, tăng cường làm
việc cho bản mặt cầu, tăng độ cứng và làm nhiệm vụ phân phối tải trọng giữa các dầm chủ.
Khoảng cách giữa các dầm ngang: 4-6m thường có ít nhất một dầm ở giữa nhịp và hai
dầm ngang ở vị trí gối cầu.
Chiều cao dầm ngang:
Tại giữa nhịp: hng = (2/3)h.
Tại gối: hng = h.
Chiều rộng dầm ngang: bng = 15-20cm
5.2.5. Dầm dọc phụ:
Để đảm bảo chiều dày kinh tế của bản mặt cầu khi chịu uốn theo một phương thì chiều
dài nhịp của bản trong khoảng 2-3m. Do đó, khi khoảng cách giữa các dầm chủ lớn nên đặt các
dầm dọc phụ. Kích thước dầm dọc phụ thường chọn như sau:
Chiều cao: hdp = (0,3-0,5)h.
Chiều rộng: bdp = 15-20 (cm).
Đặng Huy Khánh_VUNI 62
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
5.3. Cấu tạo dầm bê tông cốt thép lắp ghép:
5.3.1. Tổng thể:
Kết cấu nhịp được chia thành các khối, các khối này được đúc trước trong nhà máy hoặc
trên bãi đúc ở công trường. Sau đó vận chuyển, lao lắp các cấu kiện và liên kết lại bằng các mối
nối. Kết cấu lắp ghép có các đặc điểm sau:
- Ưu điểm:
Có thể tập trung chế tạo ở nhà máy, công xưởng áp dụng các biện pháp cơ giới
hóa chất lượng tốt, năng suất cao.
Thi công nhanh, giảm khối lượng thi công trên công trường.
Tiết kiệm được vật liệu làm ván khuôn.
Không phải làm giàn giáo.
- Nhược điểm:
Phải có phương tiện vận chuyển và lao lắp.
Nhiều mối nối cấu tạo thi công phức tạp, chịu lực bất lợi.
Tính làm việc không gian kém so với toàn khối.
- Phạm vi sử dụng: Được sử dụng rất rộng rãi cho nhịp nhỏ, nhịp trung bình.
Hình 5.2- Kết cấu dầm BTCT lắp ghép
a. Lắp ghép theo phương dọc; b. Lắp ghép theo phương ngang; c,d. Lắp ghép hoàn
chỉnh (1. Bản mặt cầu dọc, 2. Dầm chủ, 3. Bản mặt cầu ngang)
5.3.2. Một số loại mặt cắt ngang phổ biến hiện nay:
- Dạng mặt cắt chữ trên hình 5.3a, b, c. Loại này có ưu điểm là độ cứng chống xoắn
tốt, ổn định khi lao lắp, vận chuyển. Tuy nhiên, chế tạo khó khăn và phức tạp (các góc, cạnh,
cốt thép dày), đặc biệt khi chiều dài nhịp lớn thường tốn vật liệu.
- Mặt cắt ngang dạng chữ T (Hình 5.3-d), loại này sử dụng khá phổ biến, khi có liên kết
ngang thành mạng dầm có ưu điểm về độ cứng theo phương ngang, tạo nên sự làm việc không
Đặng Huy Khánh_VUNI 63
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
gian của kết cấu nhịp tốt, độ cứng chống xoắn tốt, tăng cường chịu lực của bản mặt cầu. Tuy
nhiên, loại này thi công phức tạp, khó tiêu chuẩn hóa.
Hình 5.3- MCN dầm cầu BTCT lắp ghép phổ biến.
- Dạng mặt cắt chữ I trên hình 5.3e,g cũng được dùng rất phổ biến, dạng mặt cắt này có
thể sử dụng bản mặt cầu dạng lắp ghép hoặc đổ tại chỗ, kết cấu tối ưu nên rất tiện trong công
nghiệp hóa, nhược điểm chính là ổn định ngang kém nên trong thi công cần chú ý tránh để
nghiêng lệch có thể gãy dầm.
5.3.3. Nguyên tắc phân khối:
Trong các cầu dầm bê tông cốt thép lắp ghép, cần quan tâm đến hình dạng và kích thước
của phiến lắp ghép và phương pháp liên kết tại hiện trường để đảm bảo chế tạo, vận chuyển và
lao lắp thuận lợi nhất. Độ bền, độ cứng và phương pháp chế tạo các khối lắp ráp có thể được
đảm bảo nếu thỏa mãn các yêu cầu sau đây:
- Khối lắp ghép tốt nhất có dạng kết cấu không gian, tức là có bản mặt cầu, có dầm chủ
và đôi khi có cả dầm ngang. Cấu tạo như vậy có thể để bản mặt cầu cùng làm việc
tổng thể với kết cấu nhịp và ổn định ngang trong vận chuyển và lao lắp.
- Kích thước và trọng lượng các khối thỏa mãn điều kiện vận chuyển trên đường cấp
thấp, phương tiện cẩu lắp và vận chuyển trung bình.
- Hình dạng khối lắp ghép đơn giản nhất có thể chế tạo trong xưởng, hoặc ngoài hiện
trường, thuận tiện cho việc lắp ráp và thực hiện các mối nối ngoài thực địa. Trên
nguyên tắc không nên phân thành nhiều khối nhỏ, mặc dù có hình dạng đơn giản.
Đặng Huy Khánh_VUNI 64
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
5.3.4. Các phương pháp phân khối:
Dựa vào nguyên tắc phân khối trên, đối với kết cấu nhịp cầu dầm đơn giản lắp ghép trên
đường ô tô và thành phố, các phiến dầm đúc sẵn chủ yếu được chế tạo trong nhà máy hoặc các
trung tâm sản xuất, có thể áp dụng 3 phương pháp phân khối sau đây:
- Phân khối theo chiều dọc (Hình 5.2a): Phân khối theo chiều dọc, trong đó chiều dài khối
đúc sẵn đúng bằng chiều dài nhịp dầm. Các khối đúc sẵn sau đó được lắp đặt vào vị trí và nối
với nhau hoặc bằng các mối nối ướt ở bản mặt cầu và dầm ngang. Ưu điểm là Dễ thi công, có
thể sản xuất hàng loạt, sử dụng mối nối thứ yếu, lắp ráp nhanh, thi công mối nối đơn giản.
Nhược điểm là trọng lượng khối lắp lớn dẫn đến thi công phải có thiết bị chuyên dụng (Ví dụ:
Ld = 20m → P 30T; Ld = 30m → P 50T; Ld = 40m → P 80T.
Hình 5.4 - Mối nối dọc dầm T và dầm
- Phân khối theo chiều ngang: Phân khối theo chiều ngang, trong đó theo chiều dọc cầu
kết cấu nhịp được chia thành nhiều đoạn nhỏ. Các khối đúc sẵn sau đó được lắp đặt vào vị trí
và nối lại với nhau bằng cốt thép dự ứng lực, mối nối hàn hoặc bu lông cường độ cao. Ưu điểm
là trọng lượng khối lắp ghép nhỏ, vận chuyển và cẩu lắp dễ dàng. Tuy nhiên, số mối nối nhiều,
mối nối bố trí vào vị trí chịu lực chủ yếu.
Hình 5.5 – Mối nối theo phương ngang
- Phân khối theo chiều dọc và ngang: Phân khối theo chiều dọc và ngang, trong đó mỗi
khối theo chiều dọc lại được cắt thành nhiều khối ngắn theo chiều ngang (Hình 5.2b). Các khối
ngắn này được được chuyên chở (thuận lợi hơn) đến công trường, ghép lại thành khối lớn, sau
đó lắp đặt và liên kết thành cầu hoàn chỉnh. Loại này thường áp dụng trong điều kiện vận chuyển
Đặng Huy Khánh_VUNI 65
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
các cấu kiện lắp ghép khó khăn. Ưu điểm là trọng lượng khối lắp ghép nhỏ, vận chuyển và cẩu
lắp dễ dàng. Nhược điểm là mối nối bố trí vào vị trí chịu lực chủ yếu, rất ít áp dụng cho dầm
đơn giản, chỉ dùng với bê tông cốt thép ứng suất trước.
- Ngoài ra còn phân khối bằng cách tách bản mặt cầu, sườn dầm, dầm ngang thành các
khối riêng sau đó liên kết chúng lại với nhau bằng các mối nối.
5.3.5. Cấu tạo mối nối:
Các khối đúc sẵn sau khi chuyên chở và lắp đặt vào vị trí cần được liên kết với nhau thông
qua các mối nối. Mối nối dầm lắp ghép thường bố trí tại bản mặt cầu và dầm ngang. Cũng có
trường hợp mối nối chỉ thực hiện ở bản mặt cầu trong cầu không có dầm ngang, hoặc chỉ nối ở
dầm ngang. Tùy theo đặc điểm cấu tạo và chịu lực của kết cấu mà chọn mối nối thích hợp, ví
dụ nếu mối nối chỉ thực hiện ở dầm ngang thì bản mặt cầu làm việc như bản hẫng tựa trên dầm
chủ, hoặc nếu mối nối chỉ thực hiện ở bản mặt cầu, thì bản mặt cầu làm việc thay cho dầm
ngang khi phân bố tải trọng lên các dầm chủ. Có thể phân ra hai loại mối nối chính là mối nối
khô và mối nối ướt.
5.3.5.1. Mối nối khô:
Mối nối khô là mối nối không cần đến đổ bê tông tại hiện trường. Các mối nối này được
thực hiện thông qua bu lông, hàn hoặc cốt thép căng theo phương ngang. Các mối nối khô qua
bản thép hàn và căng cốt thép thường chỉ có hiệu quả chịu uốn tại dầm ngang. Mối nối khô hàn
bản thép và cốt thép căng ngang đơn giản về cấu tạo và thi công nhanh nhưng cốt thép bản mặt
cầu thường không được nối, bản làm việc như bản hẫng, nên khi nhịp bản lớn thường xuất hiện
các vết nứt dọc trên mặt cầu. Mối nối khô thường được thực hiện bằng hàn một bản thép thông
qua các bản thép chờ hàn sẵn vào cốt thép chịu lực của dầm ngang (hình 5.6). Để tránh hiện
tượng bản thép bị kênh do chế tạo không chính xác, các bản thép chờ được thay thế bằng các
thép góc chờ. Nhược điểm là các mối nối hàn chịu tải trọng xung kích kém và thường không
khống chế được chất lượng mối nối hàn ngoài hiện trường. Trong cầu có các tấm bản lắp ghép,
mối nối khô có thể thực hiện thông qua bu lông cường độ cao nối bản lắp ghép với dầm.
Hình 5.6 – Mối nối khô bản thép hàn
5.3.5.2. Mối nối ướt:
Mối nối ướt là mối nối thực hiện bằng bê tông hoặc bê tông cốt thép tại hiện trường, tùy
theo cấu tạo, nếu cốt thép cũng được nối thì mối nối có thể chịu cả mô men và lực cắt, nếu các
cốt thép không được nối thì chỉ chịu được lực cắt. Mối nối ướt có thể dùng để nối bản mặt cầu
và dầm ngang trong cầu dầm T đúc sẵn, khi đó cánh T đúc sẵn thường để cốt thép chờ, các khối
Đặng Huy Khánh_VUNI 66
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
đúc sẵn đặt cách nhau một khoảng đủ để nối cốt thép và đổ bê tông (ít nhất 300mm). Cốt thép
chờ ở bản mặt cầu và dầm ngang có thể nối uốn vòng và thêm các cốt chịu cắt. Hình 5.7 thể
hiện cấu tạo mối nối ướt tại dầm ngang của cầu dầm T. Trong mối nối ướt cũng có thể dùng
các bó cốt thép dự ứng lực đặt ở dầm ngang và bản mặt cầu để ép các khối sau khi đã đổ bê
tông các mối nối.
Trong các cầu bản hoặc cầu dầm tiết diện U ngược, thì mối nối ướt thường được thực
hiện qua khe hở giữa các khối. Trong các mối nối này, cốt thép không được nối nên mối nối chỉ
chịu cắt và sơ đồ tính được xem như liên kết chốt.
Hình 5.7 – Mối nối ướt chờ cốt thép
5.3.6. Các kích thước cơ bản:
5.3.6.1. Bản mặt cầu (điều 14.1.5, Phần 5):
a. Bản cánh trên:
Trong mọi trường hợp hbản không kể lớp hao mòn hbmc ≥ 175mm.
Chiều dày bản trên ≥ 1/20 khoảng cách tĩnh giữa hai đường gờ, nách hoặc sườn dầm. Nếu
nhỏ hơn thì phải đặt dầm ngang để bản làm việc theo hai phương.
Chiều dày bản trên ≥ 225mm: vùng có neo cáp ngang cầu và ≥ 200mm ở ngoài vùng có
neo cáp bản dự ứng lực.
Chiều dày tối thiểu vách dầm = hbmc = 175mm. Trong các trường hợp khác được lấy như
sau:
≥ 200mm: khi không có cốt thép căng sau;
≥ 300mm: có cốt thép dự ứng lực một phương;
≥ 375mm: có cốt thép dự ứng lực hai phương.
b. Bản cánh dưới:
Chiều dày bản đáy không được nhỏ hơn: 140mm hoặc 1/16 khoảng cách tĩnh giữa các
đường gờ hoặc sườn dầm của dầm không dự ứng lực hoặc 1/30 khoảng cách tĩnh giữa các
đường gờ hoặc sườn dầm của dầm dự ứng lực.
Đặng Huy Khánh_VUNI 67
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Ví dụ: Thông thường bản mặt cầu có cấp bê tông (25÷30)MPa, chiều dày bản mặt cầu
hay thiết kế từ (200÷250)mm tương ứng với khoảng cách giữa hai dầm chủ từ (2000÷3000)mm.
5.3.6.2. Dầm chủ:
Là bộ phận chịu lực chính của kết cấu, số lượng dầm chủ chọn phụ thuộc vào khổ cầu,
thường ≥ 2 dầm chủ. Một số kích thước cơ bản có thể chọn tham khảo như sau:
- Chiều cao dầm chủ lấy theo bảng 2 mục 5.2.6.3 phần 2 trong TCVN 11823-2017, đối
với dầm không sử dụng dự ứng lực, tùy thuộc vào loại dầm ta chọn tham khảo:
Đối với kết cấu giản đơn: Hd = (0,035 – 0,07)L
Đối với kết cấu liên tục: Hd = (0,033 – 0,065)L
- Chiều rộng sườn dầm chọn sao cho đủ bố trí cốt thép và chịu được lực cắt, có thể xem
xét xác định theo các điều kiện sau:
1 1
Theo kinh nghiệm: b ( )h .
6 7
Theo điều kiện chịu cắt:
b
0,12 0, 2 : Sườn cốt thép dạng khung.
h0
b
0, 25 0,5 : Sườn cốt thép dạng rời.
h0
Theo điều kiện bố trí cốt thép:
Bố trí dạng khung với C0 là khoảng cách tĩnh
của cốt thép, ta có
b ≥ 2(m+ ) + C0
Bố trí dạng rời với C0’ là khoảng cách tĩnh của
cốt thép
b ≥ 2m+n + (n-1)C0’
- Khoảng cách giữa các dầm chủ thường chọn hợp lý trong khoảng từ 1,4 - 3m, tùy loại
kết cấu dầm cầu mà có thể chọn theo kinh nghiệm từ 1,4 – 2,1m.
5.3.6.3. Dầm ngang:
Dầm ngang có tác dụng làm tăng độ cứng theo phương ngang cầu của kết cấu nhịp. Nhưng
thi công phức tạp, khó tiêu chuẩn hóa và sản xuất Xu hướng chung là ít sử dụng dầm ngang
(chỉ bố trí theo cấu tạo gồm 3 dầm ngang cho một nhịp).
Chiều cao dầm ngang: hdn ≥ 2/3hdc.
Bề dày dầm ngang:
b = 20cm: đổ tại chỗ (có khi b = 40cm)
b = 15cm: lắp ghép
Khoảng cách giữa các dầm ngang: (3÷8)m (tính toán)
Đặng Huy Khánh_VUNI 68
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Hình 5.8 – Bố trí dầm ngang
5.3.7. Bố trí cốt thép (mục 10, phần 5, TCVN11823-2017):
5.3.7.1. Bảo vệ cốt thép:
Lớp bê tông bảo vệ tối thiểu đối với các thanh chính, có hay không có bảo vệ cốt thép
riêng bằng êpoxy, không được phép nhỏ hơn 25mm và tối đa là 100mm cho các cấu kiện làm
việc trong môi trường nước muối.
Chi tiết cho từng loại kết cấu được quy định cụ thể trong bảng 13, mục 12.3, phần 5,
TCVN11823-2017. Đối với bê tông bảo vệ cốt giằng, cốt đai có thể mỏng hơn 12mm so với
quy định trong bảng 13 nhưng không được nhỏ hơn 25mm.
5.3.7.2. Cự li cốt thép:
a. Đối với bê tông đúc tại chỗ toàn khối:
Khoảng cách tĩnh giữa các thanh song song trong
một lớp:
≥ 1,5 lần đường kính danh định của thanh;
≥ 1,5 lần kích thước tối đa của cốt liệu;
hoặc 38 mm.
b. Đối với bê tông đúc sẵn: Khoảng cách
tĩnh giữa các thanh song song trong một lớp:
≥ Đường kính danh định của thanh;
≥ 1,33 lần kích thước tối đa cốt liệu;
hoặc 25 mm.
c. Trừ trong các bản mặt cầu, khi có cốt
thép song song được đặt thành hai hoặc nhiều
lớp, với cự ly tịnh giữa các lớp không vượt quá 150mm, các thanh ở các lớp trên phải được đặt
thẳng ngay ở phía trên những thanh của lớp dưới, và cự ly giữa các lớp không được nhỏ hơn
25mm hoặc đường kính danh định của thanh.
Đặng Huy Khánh_VUNI 69
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
d. Khi bố trí cốt thép dạng khung (bó thanh):
Số thanh song song trong mỗi bó ≤ 4 thanh.
Trong kết cấu chịu uốn, số thanh lớn hơn đường kính
36mm không được vượt quá 2 thanh trong mỗi bó.
Bó thanh phải được bao trong cốt đai hoặc giằng.
Khi cắt cốt thép phải kết thúc tại các điểm khác nhau
với khoảng cách so le ít nhất 40d cốt thép.
Một bó thanh được coi như một thanh có đường kính suy ra từ tổng diện tích tương
đương.
e. Cự li tối đa của các thanh cốt thép:
Trong các vách và bản, cự ly các cốt thép không được vượt quá 1,5 lần chiều dày của bộ
phận hoặc 450 mm. Cự ly các thép xoắn ốc, thép giằng, thép chịu nhiệt và co ngót phải theo
quy định riêng trong TCVN11823-2017.
5.3.7.3. Bố trí cốt thép trong dầm chủ:
a. Quy cách uốn cốt thép:
- Với cốt thép dọc :
Uốn 180o, kéo dài thêm 4,0db, và ≥ 65mm ở đầu thanh.
Uốn 90o, kéo dài thêm 12,0db ở đầu thanh.
- Với cốt thép ngang :
Thanh D ≤ 16mm: Uốn 90o kéo dài thêm 6,0db ở đầu thanh.
Thanh D = 19, 22 và 25mm: Uốn 90o kéo dài thêm 12,0db .
Thanh D ≥ 25: Uốn 135o kéo dài thêm 6,0db ở đầu thanh.
Với db là đường kính danh định của thanh
Hình 5.9 - Uốn cốt thép dọc và ngang
Đường kính uốn cong cốt thép lấy theo Bảng 11, mục 10.2.3, phần 5, TCVN:
Đặng Huy Khánh_VUNI 70
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Bảng 1 - Đường kính tối thiểu của đoạn uốn cong
Đường kính
Kích thước thanh và việc dùng
tối thiểu
- Thanh đường kính 10 mm đến 16 mm - nói 6,0 db
chung
- Thanh đường kính 10 mm đến 16 mm - cốt 4,0 db
thép đai U và đai giằng
- Thanh đường kính 19 mm đến 25 mm - nói 6,0 db
chung
- Thanh đường kính 29 mm, 32 mm và 36 mm 8,0 db
- Thanh đường kính 43 mm và 57 mm 10,0 db
b. Các quy định về cốt đai (cốt giằng):
- Cốt đai xoắn:
Cốt xoắn dùng cho các bộ phận chịu nén không phải là cọc, cốt xoắn liên tục đặt đều bằng
cốt thép trơn hoặc cốt thép có gờ, hoặc dây thép với đường kính tối thiểu là 9,5mm.
Tất cả các cốt thép chính dọc nằm bên trong và tiếp xúc với cốt xoắn.
Khoảng tĩnh của cốt đai xoắn ≥ 25mm hoặc 1,33 Dmax-cốt liệu.
Cự ly tim đến tim ≤ 6,0d cốt thép dọc hoặc 150mm.
Các đầu nối của cốt xoắn có thể là một trong các cách sau :
Nối chồng 48,0 lần đường kính thanh không phủ mặt.
72,0 lần đường kính thanh phủ mặt.
48,0 lần đường kính dây thép.
Liên kết giữa các cốt đai xoắn: liên kết hàn hoặc liên kết cơ khí.
- Cốt giằng (cốt đai thẳng):
Trong kết cấu chịu nén được giằng, tất cả các thanh dọc phải được bao quanh bởi các cốt
giằng ngang tương đương với :
Thanh D10 cho các thanh D32 hoặc nhỏ hơn.
Thanh D15 cho các thanh D36 hoặc lớn hơn.
Thanh D13 cho các bó thanh.
Cự ly giữa các cốt giằng không được vượt quá hoặc kích thước nhỏ nhất của bộ phận chịu
nén hoặc 300mm.
Khi hai hoặc nhiều thanh D35 được bó lại, cự ly này không được vượt quá hoặc một nửa
kích thước nhỏ nhất của bộ phận hoặc 150mm.
Dây thép có gờ hoặc tấm lưới dây thép hàn có diện tích tương đương có thể được dùng
thay cho thép thanh.
Trừ khi có quy định khác, ở mỗi phía dọc theo cốt giằng không được bố trí bất cứ thanh
nào xa quá (tính từ tim đến tim) 610mm tính từ thanh dọc được giữ chống chuyển dịch ngang
đó. Trong trường hợp thiết kế cột trên cơ sở khả năng chịu tải của khớp dẻo thì ở mỗi phía dọc
Đặng Huy Khánh_VUNI 71
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
theo cốt giằng không được bố trí bất cứ thanh nào xa hơn 150mm (cự ly tịnh) tính từ thanh dọc
được giữ chống chuyển dịch ngang đó.
- Cự li cốt đai:
Theo kinh nghiệm cốt đai thường đặt với cự li như sau để tăng cường khả năng kháng cắt
cho dầm:
10cm – trong đoạn đầu dầm và d ≥ 10mm.
15cm - trong đoạn tính từ đoạn giáp giới với đoạn đầu dầm đến 1/4 L, và d ≥ 8mm.
20cm - trong đoạn giữa của dầm có chiều dài bằng 1/2L, và d ≥ 8mm.
c. Cốt thép chống co ngót và thay đổi nhiệt độ (mục 10.8, phần 5)
Cốt thép để chịu các ứng suất co ngót và nhiệt độ phải được đặt gần các bề mặt bê tông
phơi lộ trước các thay đổi nhiệt độ hàng ngày và trong bê tông kết cấu khối lớn. Cốt thép chịu
nhiệt độ và co ngót phải được bố trí để đảm bảo tổng cốt thép ở các bề mặt phơi lộ không nhỏ
hơn quy định.
Có thể bố trí cốt thép chịu co ngót và nhiệt độ bằng loại cốt thanh, tấm lưới sợi thép hàn
hoặc bó thép dự ứng lực. Với các thép thanh hoặc tấm lưới sợi thép hàn, diện tích cốt thép trên
mỗi mm, trên mỗi mặt và trong mỗi hướng phải thỏa mãn:
0,75bh
A ≥
2(b + h)f
Với 0,233 ≤ As ≤ 1,27
Trong đó:
As là diện tích cốt thép trong mỗi hướng và mỗi mặt (mm2/mm)
b là bề rộng tối thiểu mặt cắt cấu kiện (mm)
h là bề dày tối thiểu mặt cắt cấu kiện (mm)
fy là cường độ chảy quy định của thanh cốt thép ≤ 520 MPa
Thép phải được phân bố đều trên hai mặt, trừ các bộ phận mỏng bằng hoặc mỏng hơn
150 mm, cốt thép có thể đặt trong một lớp.
Khoảng cách tĩnh cốt thép co ngót và nhiệt độ ≤ 3,0 lần chiều dày cấu kiện hoặc 450 mm.
Nếu bó thép dự ứng lực được dùng như thép chịu co ngót và nhiệt độ, thì các bó thép phải
đủ để tạo nên một ứng suất nén bình quân tối thiểu 0,75 MPa trên tổng diện tích bê tông trong
hướng được xem xét, dựa trên dự ứng lực hữu hiệu sau các mất mát. Cự ly các bó thép không
được vượt quá hoặc 1800 mm. Khi đặt cự ly lớn hơn 1400 mm, phải đặt cốt thép dính bám.
* Riêng đối với Bê tông khối lớn:
Đối với các cấu kiện bê tông kết cấu khối lớn mà kích thước nhỏ nhất của nó vượt quá
1200mm, kích cỡ thanh nhỏ nhất là D19 và cự ly của chúng không vượt quá 450mm.
Đặng Huy Khánh_VUNI 72
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Cốt thép co ngót và nhiệt độ tối thiểu trong mỗi hướng, được phân bố đều trên cả hai mặt,
s (2d c db )
phải thoả mãn: As
100
Trong đó:
As là diện tích tối thiểu của thanh (mm2);
s là cự ly các thanh (mm);
dc là chiều dày lớp bê tông bảo vệ đo từ thớ ngoài cùng đến tim thanh hoặc sợi đặt
gần nó nhất (mm);
db là đường kính danh định của thanh hoặc sợi thép (mm).
d. Cốt xiên:
Sau khi xác định được điểm cắt thực tế của cốt chủ, từ vị trí đó đến đầu dầm có thể uốn
cốt chủ để tạo thành cốt xiên. Góc nghiêng của cốt xiên với trục dầm thường lấy là 450 (thường
600 trong các dầm cao và ngắn; 300 trong các dầm có chiều cao không lớn) việc bố trí cốt xiên
theo chiều dọc của dầm căn cứ vào các yêu cầu cấu tạo sau:
Cốt xiên phải bố trí theo chiều dọc của dầm sao cho bất kỳ một mặt phẳng nào
thẳng góc với trục dầm cũng phải cắt qua một cốt xiên. Nếu phân bố cốt xiên theo
biểu đồ vật liệu mà yêu cầu đó không được thoả mãn thì dùng những cốt xiên phụ
(thường có đường kính nhỏ 16-18mm) hàn vào cốt chủ chịu lực (Hình 5.10). Khi
bố trí như vậy, mỗi đầu dầm không được hàn quá hai cốt xiên phụ vào mỗi thanh
cốt thép chịu lực.
Các cốt xiên và cốt phụ nên bố trí theo nguyên tắc đối xứng với trục dọc của tiết
diện sườn dầm (ví dụ từng cặp một).
e. Mối nối:
Mối nối giữa các thanh cốt thép tốt nhất là dùng mối hàn điện tiếp xúc bằng phương pháp
nóng chảy, các mối nối lắp ghép thì dùng phương pháp hàn hồ quang. Cũng cho phép nối cốt
thép bằng phương pháp hàn các cặp thanh ốp (bố trí mối hàn ở một bên và hai bên). Tổng chiều
dài của mối hàn không nhỏ quá 10 lần đường kính cốt thép.
Hình 5.10 – Mối nối hàn cốt thép
Đặng Huy Khánh_VUNI 73
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Tại những chỗ có nội lực tính toán lớn nhất, cũng như ở miền chịu kéo của cấu kiện các
mối hàn cần được phân bố với những khoảng cách ≥ 50cm. Có thể hàn các thanh có đường kính
khác nhau nếu tỷ số diện tích của chúng ≤ 1,5.
Chiều dài mối hàn tại những vị trí liên kết cốt xiên lấy bằng 12d nếu hàn một bên, và 6d
nếu hàn hai bên.
Trong các khung cốt thép hàn, tại những chỗ uốn hoặc cắt cốt thép, cũng tại một số vị trí
trung gian ở giữa những chỗ đó, cần bố trí thêm các mối hàn “liên kết”, cách nhau không xa
quá 3h/4 (h - chiều cao của dầm). Chiều dài cho mối hàn này là lấy bằng 6d nếu hàn một bên
và bằng 3d nếu hàn cả hai bên.
Chiều dày tối thiểu của mối hàn nối và mối hàn “liên kết” là 4mm.
f. Một số yêu cầu khác:
Tất cả các thanh cốt thép vỏ trơn, chịu lực kéo, ở hai đầu phải có móc câu nửa vòng tròn
với bán kính trong ≥ 2,5 đường kính của thanh. Đoạn thẳng của móc câu không được nhỏ quá
3d. Đầu tự do của cốt xiên vỏ trơn kéo thêm vào trong miền chịu ép và đầu các thanh chịu ép
nếu cắt đứt trong miền chịu kéo, thì chỉ cần bố trí móc câu hình thước thợ.
Trong phạm vi gối tựa, phải bố trí lưới cốt thép đường kính 10-12mm. Kích thước của
mắt lưới là 10-15cm. Các lưới này đều bố trí theo chiều cao.
Ở đầu kết cấu nhịp mút thừa, tại vị trí kê dầm treo, khung cốt thép chính sẽ kết thúc bằng
những cốt xiên; còn cốt thép của phần kê là các khung phụ, gồm những thanh cốt thép nhỏ, có
gờ cách nhau nhiều nhất là 10cm. Bán kính cong của các thanh ngang tại góc của vai kê không
được lấy nhỏ quá 2d. Các quy định khác xem Tiêu chuẩn.
5.4. Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép bán lắp ghép:
Cầu dầm BTCT bán lắp ghép là sự kết hợp ưu điểm của hai loại cầu trên
Hình 5.11 - Mặt cắt ngang kết cấu nhịp bán lắp ghép (PCI)
Kết cấu này gồm một phần là các khối lắp ghép và một phần đổ bê tông tại chỗ để liên
kết các cấu kiện. Dạng cầu bán lắp ghép có các dạng sau:
Cấu kiện đúc sẵn là các dầm chữ T có cánh ngắn hoặc dầm chữ I, hay tiết diện
chữ nhật, bản mặt cầu đổ tại chỗ. Có thể cánh trên của dầm tạo khấc đặt tấm đan
bê tông cốt thép mỏng làm ván khuôn đổ bê tông bản.
Phần đúc sẵn có dạng chữ U.
Ưu điểm:
Đặng Huy Khánh_VUNI 74
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Trọng lượng nhẹ thuận tiện cho việc vận chuyển lao lắp.
Không phải làm các mối nối, tính toàn khối tốt hơn kết cấu lắp ghép.
Nhược điểm:
Phần đổ bê tông tại chỗ nhiều, thi công lâu.
5.5. Cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước:
5.5.1. Nguyên lý cấu tạo:
Giải quyết nhược điểm của cầu bê tông cốt thép thường bị nứt làm gỉ cốt thép giảm khả
năng chịu lực của kết cấu.
Thông thường độ dãn dài của bê tông khi chịu kéo khoảng: (0,1-0,15)mm/1m dài cấu kiện
bê tông, khi đó ứng suất kéo truyền lên cốt thép mới đạt đến giá trị:
k = e.E = (0,15/1000).2.105 = 30Mpa
Trong khi đó ứng suất của cốt thép là 190 – 240Mpa, do đó bê tông sẽ nứt khi mà cốt thép
chưa làm việc.
Như vậy, nguyên lý làm việc của bê tông cốt thép ứng suất trước (BTCT ƯST) là tại
những miền chịu kéo của cấu kiện do tải trọng gây ra, khi chế tạo người ta sẽ tạo ra một trạng
thái ứng suất nén trước, ứng suất này sẽ làm giảm hay triệt tiêu ứng suất kéo phát sinh trong
quá trình khai thác kết cấu.
Đặc điểm:
Sử dụng được vật liệu có cường độ cao, tăng cường được khả năng chịu lực và độ
cứng, tiết kiệm được vật liệu, giảm được kích thước của kết cấu do đó vượt được nhịp lớn hơn
BTCT thường (bê tông ứng suất trước dùng mác 30-60Mpa).
Cốt thép giảm được từ 10 - 60% trung bình 30%.
Khống chế được nứt: Bảo vệ được cốt thép, tăng tuổi thọ của công trình.
Độ cứng của kết cấu tăng, độ võng nhỏ nên vượt được nhịp lớn.
Chịu tác động của tải trọng trùng phục tốt hơn BTCT thường.
Chỉ có nhược điểm là thi công phức tạp hơn, cần có thiết bị neo, căng kéo, tuy nhiên ngày
nay công nghệ tiên tiến đã khắc phục được nhược điểm này. Cho nên kết cấu ƯST được sử
dụng rộng rãi trong xây dựng cầu.
5.5.2. Mặt cắt điển hình:
5.5.2.1. Mặt cắt ngang dầm chữ T:
a. Cấu tạo:
Các dầm chữ T có thể thi công theo công nghệ căng trước hoặc
căng sau. Khả năng vượt nhịp có thể đạt đến 40m (42m).
Một số dạng mặt cắt chữ T cải tiến như trên hình 5.12
Đặng Huy Khánh_VUNI 75
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Hình 5.12. Các loại tiết diện chữ T
a, b. tiết diện chữ T kép; b. tiết diện chữ T mối nối khô; d. tiết diện chữ T mối nối ướt
b. Các kích thước cơ bản:
Lựa chọn tiết diện dầm có yêu cầu
chung là làm sao cho tiết kiệm vật liệu (kinh
tế). Thông thường ta chọn các kích thước tối
thiểu nhưng phải đủ để bố trí cốt thép và các
yêu cầu cấu tạo, cụ thể:
- Bản mặt cầu: tối thiểu hb=175mm
theo quy định TCVN.
- Dầm chủ:
Chiều dày tối thiểu sườn dầm tại
vị trí giữa nhịp b=hb=175mm, để dễ thi công người ta thường chọn 200m. Ở đầu
dầm thường mở rộng sườn để chịu cắt và bố trí cáp DƯL nên thường chọn b1 =
(360 – 620)mm tùy thuộc kết cấu nhịp.
Chiều cao dầm chủ: thường chọn tối thiểu khoảng h = 0,045L cho nhịp giản đơn
và h = 0,04L cho nhịp liên tục.
Khoảng cách giữa các dầm chủ (d hay bb) phụ thuộc vào khổ cầu, loại dầm. Chọn
trên cơ sở so sánh tính toán điều kiện kinh tế giữa dầm và bản.
Theo kinh nghiệm với loại dầm chữ T lắp ghép d = bb = (1,8 ÷ 2,5)m.
5.5.2.2. Mặt cắt ngang dầm chữ I:
Thuộc kết cấu bán lắp ghép, dầm I đúc sẵn được lắp đặt vào vị trí, bản mặt cầu và dầm
ngang đổ tại chỗ, liên hợp với dầm chủ.
Một nhược điểm của dầm I là dễ mất ổn định trong quá trình lao lắp dầm.
Đặng Huy Khánh_VUNI 76
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Dầm I làm việc kém hiệu quả hơn dầm T, nhưng chế tạo đơn
giản hơn. Theo AASHTO dầm I (PCI) được định hình thành các
dạng tối ưu như sau:
Hình 5.13 - Các định hình tiết diện dầm I theo AASHTO
5.5.2.3. Mặt cắt ngang dầm hộp kín:
Tiết diện hộp có thể có một ngăn hoặc nhiều ngăn phụ thuộc vào bề rộng cầu. Tiết diện
dầm hộp thường là kết cấu căng sau.
Tiết diện có độ cứng chống uốn và xoắn cao chiều dài vượt nhịp là rất lớn (có thể đạt
đến 200-300m)
Đặng Huy Khánh_VUNI 77
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
B B
hc
hx
1
c
h
h
bc
h1
4-6m
B B = 16,0m
ho = 0,24
0,4 - 0,52
c = 2,3m B = 10,76m
Hình 5.14 - Mặt cắt ngang dầm hộp kín
5.5.2.4. Mặt cắt ngang dầm hộp căng trước:
Tiết diện hộp căng trước có bề rộng từ 1000-1200mm. Áp dụng thích hợp với nhịp 18-
30m. Các tiết diện hộp có thể bố trí xa nhau để đỡ bản mặt cầu đổ tại chỗ. Các hộp có thể liên
kết với nhau thông qua dầm ngang.
Tiết diện hộp Theo AASHTO đã được áp dụng như sau:
Hình 5.15 - Mặt cắt ngang cầu áp dụng tiết diện hộp theo AASHTO
Các tiết diện hộp có thể đặt sát nhau tạo nên một kết cấu nhiều dầm làm việc như kết cấu
bản rỗng. Loại này hkt nhỏ áp dụng thích hợp với cầu vượt trong thành phố.
5.5.2.5. Mặt cắt ngang dầm hộp hở:
a. Tiết diện hộp hở chữ U:
Tiết diện hộp hở chữ U theo AASHTO áp dụng cho nhịp 30-38m:
Đặng Huy Khánh_VUNI 78
- Chương 5 – Nguyên lý cấu tạo cầu dầm bê tông cốt thép
Hình 5.16 - MCN cầu tiết diện hộp hở theo ASSHTO
Cầu gồm các dầm dự ứng lực chữ U đúc sẵn và bản mặt cầu đổ tại chỗ. Một trong các ưu
điểm của dầm U: rất thích hợp trong cầu cong lắp ghép (Thiết kế chiều cao các vách không
bằng nhau để tạo siêu cao)
Nhược điểm dầm U: bản mặt cầu chỉ làm việc khi đã liên hợp (chịu tĩnh tải chất thêm và
hoạt tải) chưa khai thác hết khả năng làm việc của bản mặt cầu. Độ cứng chống xoắn nhỏ
hơn tiết diện hộp kín (mặc dù tiết diện khi khai thác là giống nhau).
Hình 5.17 – MCN kết cấu nhịp dầm U rộng 15m
b. Tiết diện hộp hở Super-T:
Đây là dạng tiết diện khai thác các ưu điểm của dầm chữ T và khắc phục nhược điểm
chính là trọng lượng lớn và khả năng vượt nhịp của dầm T.
Ưu điểm của loại tiết diện này là tiết kiệm chi phí do giảm được khối lượng bê tông, ván
khuôn và thời gian xây dựng; An toàn trong thi công do tính ổn định cao, hình dáng đẹp, hiểu
quả kết cấu cao do khả năng chống xoắn tốt, khả năng vượt nhịp lớn 40m. Tuy nhiên, dầm
SuperT cũng có một số nhược điểm như khó điểu chỉnh kết cấu khi thi công cầu cong, bê tông
thành mỏng đòi hỏi kỹ thuật thi công cao, thường xuất hiện các vết nứt bê tông đầu dầm khó
xử lý.
Cấu tạo dầm Super T thông thường:
Chiều rộng bản cánh B = 1120-2500mm tùy thuộc chiều rộng cầu.
Đặng Huy Khánh_VUNI 79
nguon tai.lieu . vn
