Giáo trình Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương 1: Khái niệm chung về cầu thép - Nguyễn Ngọc Tuyển

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương 1: Khái niệm chung về cầu thép - Nguyễn Ngọc Tuyển

1. 4/18/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU THÉP NGUYỄN NGỌC TUYỂN Bộ môn Cầu và Công trình ngầm website: 4‐2012 TÀI LIỆU THAM KHẢO • 1. Lê Đình Tâm, “Cầuthép”, NXB Giao thông vậntải, Hà Nội, 2004. • 2. Lê Đình Tâm, NguyễnTiến Oanh, NguyễnTrâm, “Xây dựng cầu thép”, NXB Xây dựng, Hà Nội, 1996. • 3. Bộ GTVT, “Tiêu chuẩnthiếtkế cầu 22TCN‐272.05”, NXB Giao thông vậntải, Hà Nội 2007. • 4. Wai Fan Chen and Lien Duan, “Bridge Engineering Handbook”, NXB CRC press, NewYork, 2000. • 5. Richard M.Baker, Jay A.Pucket, “Design of highway bridge”, NXB MC Graw Hill, 1997. 2 2 1
2. 4/18/2012 CHƯƠNG I Khái niệm chung về cầuthép 3 3 1.1. Những đặc điểmcơ bảnvàphạmvi sử dụng • Ưu điểm: – “Độ nhẹ” củavậtliệuthépnhỏ hơncácvậtliệukhácnhư bê tông, gỗ • Trong đó“độ nhẹ” được đánh giá bằng hệ số c là tỉ số giữatỉ trọng và cường độ củavậtliệuc = γ / F • Ví dụ “độ nhẹ” củaBTCT c = 240x10‐5(m‐1), củagỗ c=45x10‐5(m‐1) trong khi củathépchỉ là là c = 37x10‐5(m‐1); – Do độ nhẹ củavậtliệuthépnhỏ nên kếtcấuthépcókhả năng chịu lựclớn mà không cầncómặtcắtchịulựclớn=> kếtcấu thép có hình dáng thanh mảnh hơn – Việctínhtoánkếtcấuthépcóđộ tin cậycao. Vậtliệuthépcócấu trúc đồng đều, có mô đun đàn hồilớn và trong phạmvi làm việc đàn hồikếtcấu thép khá phù hợpvớicácgiả thiếtcủasứcbềnvậtliệu (đồng nhất, đẳng hướng, tiếtdiệnphẳng ) – Tính chịulựccaovớimọiloại ứng suất: kéo, nén, uốn, cắt, xoắn 4 4 2
3. 4/18/2012 Những đặc điểmcơ bản (t.theo) – Thép có modun đàn hồicao, độ cứng lớn, độ võng nhỏđảmbảocác điềukiện khai thác bình thường cũng như các tác động đặcbiệtnhư động đất, gió bão. – Thép có tính dẻocao, trạng thái phá hoạithường ở trạng thái dẻo tứclàtrạng thái phá hoại có kèm theo biếndạng lớntạo điềukiện phân bố lạinộilựcvàứng suất đồng thờicảnh báo sớm tình trạng nguy hiểmcủakếtcấutrướckhibị sụp đổ do quá tải. – Phù hợpvới thi công lắp ghép, khả năng cơ giớihóacaodo các cấu kiệncóthểđượcsảnxuấthàngloạttạixưởng với độ chính xác cao – Kếtcấuthépdễ kiểmtra, sửachữa, gia cố, tăng cường. • Nhược điểm – Kếtcấuthépdễ bị han gỉđặcbiệttrongcácmôitrường có độ xâm thựclớndo đó đòi hỏiphảicócácbiện pháp phòng chống gỉ và bảo dưỡng các kếtcấuthép=> công tác duy tu bảodưỡng tốnkém. 5 5 1.2. Vậtliệu dùng trong cầuthép • Đặc điểmcôngtrìnhcầu – Nằmngoàitrời, chịu ảnh hưởng trựctiếpcủamôitrường – Tảitrọng tác động lên công trình lớnvề cường độ và có tính chất“động và lặp” • Yêu cầucủavậtliệu – Do đặc điểmcủacôngtrìnhcầu nói trên, vậtliệu thép dùng làm cầucầnphảicóchấtlượng cao – Thỏamãncácyêucầu, quy định vềđặctrưng cơ lý, thành phầnhóahọcvàcôngnghệ chế tạo. 6 6 3
4. 4/18/2012 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) • Cấutạo và các thành phầncủathép – Vậtliệuthéplàhợpchấtcủasắt(Fe), cácbon (C) và nhiều thành phầnphụ gia khác nhau như nhôm (Al), Bo (B), Crôm (Cr), đồng (Cu), mangan (Mn), niken (Ni), phốt pho (P), lưu huỳnh (S), silic (Si), titan (Ti) – Các phụ gia kể trên được cho thêm vào theo tỷ lệ nhất định để tạoracácloạithépcócácđặc tính khác nhau. Các ảnh hưởng củaphụ gia tớitínhchấtcủathépđượcliệtkêở Bảng 1.1 – Ngoài ra, đặctínhcủa thép còn phụ thuộcvàophương pháp và công nghệ chế tạo. Ví dụ, thép cán nóng làm nguộichậmsẽ làm tăng tính dẻovàđộ bềnnứtvỡ nhưng lạilàmgiảm độ cứng và ứng suấtdư. Với thép làm nguội nhanh dướidạng tôi bằng nướchoặcdầusẽ làm tăng độ cứng và cường độ. 7 7 Bảng 1.1. Ảnh hưởng củaphụ gia đếntínhchấtcủathép Hợpkim Tácdụng Nhôm (Al) Tăng cường độ và độ bền thép, khử bọt Bo (B) Tỷ lệ nhỏ (0.0005%), tăng độ cứng cho thép tôi Cacbon (Ca) Tăng cường độ và độ cứng; giảm độ dẻo, độ bền và tính hàn được Crôm (Cr) Tăng cường độ và khả năng chống chịu ănmòn Đồng (Cu) Tăng khả năng chống chịu ănmòn Mangan (Mn) Tăng cường độ,khử những ảnh hưởng xấucủalưuhuỳnh (S) Moly (Mo) Tăng khả năng chịukéoở nhiệt độ cao, giảm ảnh hưởng từ biến Niken (Ni) Tăng cường độ và độ bền Nitơ (N) Tăng cường độ và độ cứng Tăng cường độ và độ cứng; giảm độ dẻovàđộ bền; tăng khả năng chống Phốtpho (P) chịu ănmòn Lưuhuỳnh (S) Đây là thành phầncóhại; giảm độ dẻo, độ bềnvàkhả năng hàn Titan (Ti) Giảm ảnh hưởng củatừ biến; tăng độ cứng và cường độ phá hoại 8 8 4
5. 4/18/2012 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) • Phân loạithép – Việc phân loạivàđặttênmãhiệu thép theo quy định riêng của từng nước. Mã hiệucủathépcóchữ và sốđểchỉ thành phần của kim loạicơ bản có trong thép hoặcchỉ các đặctrưng cơ họccủa thép. – Ví dụ mộtsố loạithépcủaLiênXô(cũ): • Thép cacbon: CT3M, M16C, st37, A37 • Thép hợpkimthấp: 15XCHÄ,10XCHÄ, ST52, A52 – Giớihạnchảyvàbềntốithiểucủa thép than là 240MPa và 380MPa; củathéphợpkimthấp là 340MPa và 490MPa – Mộtsố loạithépcủaMỹ : • Thép cacbon: Grade 250 (có giớihạnchảyfy = 250MPa và giớihạnbền fu = 400MPa; chiềudàyđạttới 100mm) 9 9 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) • Thép hợpkimthấp: Grade 345 (có giớihạnchảyfy = 345MPa và giới hạnbềnfu = 450MPa; chiềudàyđạttới 100mm) • Thép hợpkimthấp có qua xử lý nhiệt: Grade 485 (có giớihạnchảyfy = 485MPa và giớihạnbềnfu = 620MPa; chiềudàyđạttới 100mm) • • => Chi tiếtliệtkêở Bảng 1.2 (cấpthépcócókýhiệu“W” là thép có khả năng chống gỉ cao hơn thép cacbon và có thểđượcsử dụng trong nhiềutrường hợp mà không cầnsơnbảovệ). • Hai thuộctínhcủatấtcả các cấpthépđược coi là không đổi: Mô đun đàn hồiEs= 200 GPa, và Hệ số giãn nở nhiệt α = 11.7x10‐6 10 10 5
6. 4/18/2012 Bảng 1.2. Đặctrưng cơ họccủa thép cán dùng cho các công trình cầu theo tiêu chuẩnHoaKỳ Thép Thép hợpkimthấp Thép hợpkim Thép hợpkimthấptôi Cacbon cường độ cao thấp tôi nhúng nhúng cường độ cao Ký hiệutheo M270 M270 M270 M270 M270 AASHTO Grade 250 Grade 345 Grade 345W Grade 485W Grade 690/690W Ký hiệutương A709M A709M A709M A709M A709M đương theo Grade 250 Grade 345 Grade 345W Grade 485W Grade 690/690W ASTM Chiềudàycủa Trên 65mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 65mm bản (mm) tới 100mm Tấtcả các Tấtcả các Tấtcả các Không Không Không Thép hình nhóm nhóm nhóm áp dụng áp dụng áp dụng Cường độ bền kéo nhỏ nhất 400 450 485 620 760 690 Fu (MPa) Cường độ chảynhỏ nhất 250 345 345 485 690 620 Fy (MPa) 11 11 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) Các thuộctínhcơ họccủa 4 cấpthépđiểnhìnhđược biểudiễnbằng 4 đường cong Ứng suất–Biến dạng. Các cấp thép khác nhau có các ứng xử khác nhau ngoạitrừ vùng biếndạng nhỏ gầngốctọa độ. Bốncấpthépnàycóđặc tính khác nhau do sự khác nhau về thành phầnhóa họcvàcáchgiacôngxử lý nhiệt. 12 12 6
7. 4/18/2012 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) Grade 250 là thép cacbon. Thềmchảycủa loạithépnàyrấtrộng, có nghĩalàđộ dẻo cao, cho phép phân phốilại ứng suấtmà kếtcấu không bị phá hoại. Grade 345 là thép hợpkimthấpcường độ cao. Đây là loại thép cán nóng có điểmchảy khárõvàcótínhdẻocao, có thể chế tạo được nhiềuhìnhdạng. Loại này có tính hàn đượcvàlàsự lựachọn ưutiêncủa các nhà thiếtkế cho cầunhịpnhỏ và nhịp trung. Grade 458 là thép hợpkimthấp qua xử lý nhiệt có thành phầnhóahọcgiống củathép Grade 345. Gia công nhiệt nhúng nóng làm thay đổicấutrúccủa thép và nâng cao cường độ, độ cứng và độ dai. Thép này hàn đượcnhưng chỉ sảnxuấtdướidạng tấm. Grade 690 là thép hợp kim gia công nhiệtcường độ cao. Quá trình tôi, nhúng giống như với thép Grade 345 nhưng có thành phầnhợpkimkháchẳn để nâng cao cường độ chảy, độ dai ở nhiệt độ thấp. Loạinàycóđộ dẻokémvàchỉ có ở dạng tấmchocáccông trình cầu. 13 13 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) • Ứng suấtdư Ứng suấtdư phát sinh do sự nguộilạnh không đều trong quá trình gia công nhiệt, do biếndạng dẻo không đềukhibị cán dướicáccon lăn trong quá trình gia công cơ học, hoặcsự thay đổikếtcấuvi phân tử của thép trong quá trình luyện thép. (a) MặtcắtthéphìnhH cán nóng (b) Mặtcắthìnhhộphàn (c) Bản thép cán nóng (d) Bảnthépcắtmépbằng lửa (e) MặtcắtdầmI tổ hợphàncắtmép bằng lửa 14 14 7
8. 4/18/2012 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) • Hiệntượng mỏi – Khi xe cộ chạylặp đilặplạitrêncầu trong quá trình sử dụng, trong các cấukiệnthépxuấthiệncácứng suấtlặp. – Các ứng suấtnàysẽ gia tăng tạicácvị trí mà vậtliệuhoặckích thướchìnhhọccủacấukiện không liên tục. – Mặcdùcácứng suấtnàynhỏ hơncường độ củathépnhưng nếunólặplại nhiềulần, các hỏng hóc sẽđượctíchlũy, các vết nứtsẽ hình thành và phá hoạicủakếtcấucóthể xảyra. – Mỏilàmộtdạng phá hoạirấtphổ biếncủakếtcấu thép. Như vậyngườithiếtkế phảichúý chọncácphầntử và các liên kết có khả năng chịumỏicao. 15 15 Vậtliệu dùng trong cầuthép(t.theo) • Hiệntượng gỉ – Thép cầuphảithỏamãnđiềukiệnchống gỉ trong quá trình khai thác. Do đó, bắtbuộcphải dùng sơnchống gỉ hoặc dùng các loạithépchống gỉ. – Việcápdụng thép chống gỉ phải phù hợpvớinghiêncứuvềđộ gỉ củamôitrường. Ngoài ra còn phảichúý về các yêu cầuvề chiềudàytốithiểucủacấukiện để đảmbảotuổithọ trong điềukiệnbị gỉ (tính đếnhaomòndo bị gỉ). 16 16 8
9. 4/18/2012 1.3. Các hệ thống chính củacầuthép Về mặtkếtcấucóthể phân loạicầuthépnhư sau: • 1.3.1. Cầudầm. – Đượcsử dụng phổ biếnnhấttrước đây và cho đếnnay vẫn còn đượcápdụng tương đối nhiều. Cầudầmcóđặc điểm: • Chỉ truyềnáplựcthẳng đứng (dưới tác dụng củatảitrọng thẳng đứng) lên mố, trụ • Vớicầudầmphẳng: cấutạokháđơngiản, dễ tiêu chuẩnhóavàđịnh hình hóa do đó thi công tương đối đơngiản. – Cầudầmcóthể là: cầmdầmgiản đơn, dầm liên tục, hoặcdầm mút thừa(dầmmútthừa ít dùng). 17 17 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) – Vớinhịpgiản đơn, cầudầmphẳng bằng thép có thể vượt đượcnhịplêntới 61m. – Vớinhịp liên tục, cầudầmhộpthépcóthể vượtnhịplêntới 200‐300m. • CầuPonteCostaE Silva ở Brazil xây dựng năm 1974 có nhịp 300m • Cầu Neckartalbruecke‐1 ở Đứcxâydựng năm 1978 có nhịp 263m • 1.3.2. Cầugiàn. – Cầugiànthépđượcsử dụng tương đốirộng rãi nhấtlàtrong cầu đường sắt. – Khi nhịplớn, cầugiàntiếtkiệmvậtliệuhơncầudầm. Trong cầugiàn, các thanh giàn chỉ chịulựcdọclàchủ yếunêntận dụng đượctối đakhả năng làm việccủatoàntiếtdiện. 18 18 9
10. 4/18/2012 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) – Tương tự như cầudầm, cầugiànchỉ truyềnáplựcthẳng đứng lên mố, trụ dướitácdụng củatảitrọng thẳng đứng. – Dễ tiêu chuẩnhóavàđịnh hình kếtcấu – Thi công đơngiản, có thể áp dụng công nghệ lắphẫng không cần giàn giáo. – Sơđồkếtcấucóthể là đơngiản, liên tục, hoặcmútthừa. – Trong cầugiàn, mặtcầucóthểđượcbố trí đitrênhoặc đi dưới. Chiềudàinhịp thông thường từ 50m đến 150m và có thểđạtnhịptới trên 500m. • CầuForth (1890) ở Scottland (L = 521m) • Cầu Quebec (1917) ở Canada (L = 549m) • Cầu Minata Ohashi (1975) ở Nhật(L = 510m). 19 19 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) 20 20 10
11. 4/18/2012 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) • 1.3.3. Cầuvòm. – Cầu vòm thép thường dùng để vượtnhịplớn. Trong cầuvòm có lực đẩy ngang nên mố, trụ thường có kích thướclớn. – Ở những nơi địahìnhđịachấtthíchhợpnhư cầuvượt khe núi có thể cấutạochânvòmchống đượclựcxôngangthìcầuvòm rấtkinhtế. – Kếtcấucầu vòm thép khó định hình hóa và tiêu chuẩnhóa kích thước. – Cầuvòmcóthể là hệ vòm không khớpnhưng phổ biếnlàvòm có 2 hoặc3 khớp. – Mặtcầucóthểđitrên, đidướihoặc đigiữatùytheođịa hình. 21 21 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) – Chiềudàinhịpvòmcóthể lên tới trên 500m – Ví dụ mộtsố cầu vòm thép: • Cầu qua vịnh Sydney (1931) ở Australia (L = 503m) • Cầu Bayonne (1931) ở Mỹ (L = 500m) • Cầu Fayetteville (1977) ở West Virginia Mỹ (L = 518m). 22 22 11
12. 4/18/2012 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) • 1.3.4. Cầuhệ liên hợp. – Cầuhệ liên hợplàkếthợpcáchệđơngiảnghéplạivới nhau. – Hệ liên hợplàhệ siêu tĩnh nên thường được điềuchỉnh hoặc tạonộilựcngượcdấuvớinộilựcdo tảitrọng tác dụng. – Trong cầu thép, thường áp dụng hệ dầmcứng vòm dẻo, dầm cứng có biên phụđỡdưới – Hệ liên hợpngàynay có thể sử dụng cho cầuxâydựng mới hoặc để gia cố tăng cường khả năng chịulựccủacầucũ, chiều dài nhịp đạttới 150‐200m 23 23 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) • 1.3.5. Cầutreo. – Cầutreothựcchấtlàmộtdạng liên hợpgiữadầm(hoặcgiàn) và dây trong đó, dầmcứng (hoặcgiàn) đượcdâytreođỡ – Cầu treo dây parabon hay còn gọilàcầutreodâyvõngcóthể vượt đượcnhịprấtlớn(tớihàngngànmét) – Cầutreocóthể chia làm 2 loại: • Có lực ngang truyềnxuống đất (qua mố hoặchầmneo) • Không có lực ngang truyềnxuống đất(lực ngang truyền vào dầmcứng) – Trong cầutreo, kếtcấuchịulựcchủ yếulàdây – Dây chịukéođượclàmbằng thép sợicường độ rấtcao(lêntới 1800‐2000 MPa) – Cầutreothường vượtnhịplớntừ 500 đến 1600m hoặchơn nữa. 24 24 12
13. 4/18/2012 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) – Mộtsố cầutreonổitiếng về chiềudàinhịpnhư: • CầuGolden Gate (1937) ở Mỹ (L = 1280m) • CầuGreat Belt (1997) ở Đan Mạch (L = 1624m) • Cầu AkashiKaikyo (1998) ở Nhật(L = 1991m) • Cầu ẢiTrại (Aizhai 31‐3‐2012) ở Trung Quốc(L = 1146m) – Chiềucaotĩnh không lớnnhất 350m – Ở ViệtNam • CầuThuậnPhướctrênsôngHàn(ĐàNẵng) xây dựng năm 2008 có chiềudàinhịp(L = 405m) 25 25 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) Cầu ẢiTrại – Trung Quốc 26 26 13
14. 4/18/2012 Các hệ thống chính củacầu thép (t.theo) • 1.3.6. Cầudâyvăng. – Cầudâyvăng xuấthiệntừ nửasauthế kỷ 20 và đượcsử dụng khá phổ biếnngàynay. – Trong cầudâyvăng, các dây đượcbố trí xiên và có tác dụng như gốitựa đàn hồichodầmcứng. – Trước đây cầudâyvăng thường xây dựng vớinhịpkhoảng 150m và ngày nay có thểđạttớinhịphàngngànmét. – Mộtsố cầunổitiếng thế giớibaogồm: • Cầu Tatara (1999) ở Nhật(L = 890m) • Cầu Normandie (1995) ở Pháp (L = 856m) • Cầu Stonecutter ở Hồng Kông (L = 1018m) • Cầu Suton vượtsôngDương Tửở Trung Quốc(L = 1088m) – Ở ViệtNam có • CầuCầnThơ (L = 500m); CầuBãiCháy(L = 435m) 27 27 14