Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 3 Chơng 1. những vấn đề chung 1.1. khái quát 1.1.1. Khái niệm kết cấu dn Dn l một hệ kết cấu, trong đó, mỗi phần tử chính l một thanh, đợc cấu tạo sao cho chịu lực dọc l chủ yếu Kết cấu dn bao giờ cũng đợc gắn với một sơ đồ hỗn hợp no đó, sơ đồ thông thờng nhất l dạng: Dầm Dn. Dn đợc ứng dụng trong các sơ đồ kết cấu: Hệ dầm, Hệ khung, Hệ vòm, Hệ hỗn hợp a) Dầm - dn b) Khung - Dn Hình 1.1 Kết cấu dn- a)Dầm-dn; b) Khung-dn Kết cấu nhịp dầm dạng dn bằng thép đợc gọi tắt l kết cấu nhịp dn thép (dn hoa) /Khi tính toán thiết kế kết cấu BTCT, trong một số trờng hợp có thể phân tích kết cấu bằng phơng pháp chống v giằng (thanh nén v kéo ) hay còn gọi l lý thuyết dn ảo/. 1.1.2. Lịch sử phát triển 1.1.3. Mối liên hệ giữa hai hình thức dầm v dn. Ta đã biết, với kết cấu dạng dầm, thì dạng chịu lực chủ yếu l chịu uốn. Qua một quá trình phát triển lâu di, con ngời đã tìm ra đợc hình dạng thích hợp nhất cho dầm chịu uốn l dầm có mặt cắt ngang dạng chữ I hoặc dạng hình hộp. - Với mặt cắt dầm dạng chữ I, các cánh dầm đ ợc coi l chịu ton bộ mômen. Tuy nhiên, bản bụng khi tính toán vẫn đợc xét chịu một phần mômen - Do phải đảm bảo ổn định chung của dầm v ổn định cục bộ của bản cánh chịu nén, tỷ lệ chiều cao v chiều dầy bản bụng phải đảm bảo ở một giá trị cho phép, khi chiều di nhịp lớn, dầm phải có chiều cao lớn, kéo theo chiều dầy bản bụng tăng theo. Khi đó, kết cấu dầm có những nhợc điểm sau: + Không tận dụng hết vật liệu của bản bụng + Tăng tĩnh tải cho kết cấu nhịp + Tăng chi phí vật liệu, chi phí vận chuyển + Tăng diện tích chắn gió (chịu tác động của lực gió lớn hơn) Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 4 + Tăng thời gian thi công kết cấu nhịp. Dẫn đến tăng giá thnh công trình Với phơng châm tối u hoá kết cấu, ngời ta tìm cách giảm bớt một cách hợp lý vật liệu của bản bụng dầm, từ đó ta đợc kết cấu dạng dn. Kết luận: Dn l một dạng kết cấu dầm, đợc thiết kế tính toán nh dạng kết cấu dầm Phơng pháp kết cấu: Phân bố hiệu ứng tải, các phơng pháp phân tích kết cấu 1.1.4. Đặc điểm của kết cấu dn - Dn l một dầm chịu uốn, có những thớ chịu ứng suất kéo v những thớ chịu ứng suất nén, có những thớ không chịu ứng suât kéo cũng không chịu ứng suất nén. - Kết cấu dn có thể dễ dng thay đổi kích thớc chung, đặc biệt l chiều cao m không lm tăng đáng kể trọng lợng bản thân kết cấu, dễ tạo độ cứng theo phơng ngang. - Dễ dng tiêu chuẩn hoá, môđun hoá. - Vợt đợc khẩu độ lớn hơn dầm 1.1.5. u, nhợc điểm v phạm vi áp dụng của kết cấu dn 1.1.5.1. u điểm - Dn l một hệ thanh, các thanh chỉ chịu lực dọc trục. Do đó, trong cầu nhịp lớn, cầu dn tiết kiệm hơn cầu dầm. Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 5 - Khả năng chịu lực ngang cầu tốt hơn cầu dầm do diện tích chắn gió ngang cầu thực tế nhỏ hơn v khoảng cách tim hai dn chủ lớn. - Cầu dn có hình dáng đẹp, đảm bảo yêu cầu mỹ quan. 1.1.5.2. Nhợc điểm - Cầu dn có nhiều chi tiết, phải gia công chế tạo đảm bảo chính xác. - Kết cấu bằng thép nên dễ bị gỉ, an mòn, việc duy tu, bảo dỡng phải tiến hnh thờng xuyên. - Vật liệu lm bằng thép nên giá thnh đắt hơn cầu dầm bêtông cốt thép. 1.1.5.3. Phạm vi áp dụng Kết cấu dn thờng đợc áp dụng cho các cầu có chiều di nhịp lớn hơn 80 m, các cầu có nhịp 40 50m thờng lm dầm hợp lý hơn, các cầu có chiều di nhịp từ 50m đến 80m phải so sánh về kinh tế v kỹ thuật để xác định dùng dn hay dầm, phuơng án no hợp lý hơn. G L Gdầm Gdn Lo Thích hợp cho Dầm Thích hợp cho Dn Go * Khảo sát thực tế một số cầu dn thép: Long Biên, Chơng Dơng, ThăngLong Về các mặt: Sơ đồ dn chủ, Kết cáu các thanh, Kết cấu hệ mặt cầu, Kết cấu mặt cầu. * Sử dụng ti liệu trên internet: Với cụm từ: Truss Bridge trên trang tìm kiếm: Http://www.google.com Đặc biệt các trang Web có đuôi: . edu, .us, Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 6 1.2. Cấu tạo chung kết cấu nhịp cầu dn thép 1.2.1. Các bộ phận chủ yếu của kết cấu nhịp cầu dn thép I II IV III II I III IV 1/2III-III 1/2II-II Các mặt phẳng dn chủ Hệ liên kết dọc của dn chủ Hệ liên kết ngang Hệ dầm mặt cầu Hệ dầm mặt cầu đỡ phần console. Kết cấu mặt cầu Hệ thống lan can, gờ chắn v các thiết bị khác Gối cầu 1.2.2. Chức năng v đặc điểm lm việc của các bộ phận 1. Bản mặt cầu - Chịu tác dụng trực tiếp tải trọng từ các bánh xe, bản mặt cầu đợc thiết kế chịu lực nh các bản mặt cầu trong các loại cầu khác. - Yêu cầu đối với mặt cầu: Phẳng, nhẳn, có độ dính bám tốt, đảm bảo về độ cứng, chống đợc độ võng cục bộ. Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 7 - đặc điểm chịu lực: Bản mặt cầu chịu lực chung v chịu lực cục bộ, khi lm việc cục bộ nh một bản kê trên hai cạnh hoặc bốn cạnh hoặc bản hẫng. 2. Hệ dầm mặt cầu - Đỡ bản mặt cầu v tiếp nhận tải trọng từ bản mặt cầu truyền xuống. Dầm ngang đặt vuông góc với hớng xe chạy. Dầm ngang v hệ liên kết tạo độ cứng ngang cho các dn, lm gối đỡ cho các dầm dọc v phân bố hoạt tải lên các dầm. Dầm dọc đặt song song với hớng xe chạy v đợc kê trực tiếp trên các dầm ngang. - Các dầm thuộc hệ dầm mặt cầu lm việc chịu uốn. Trong cầu dn chạy trên, dầm ngang lm việc nh một dầm giản đơn kê trên hai gối tựa có khẩu độ lm việc l khoảng cách giữa hai dn chủ. Dầm dọc lm việc nh một dầm liên tục có nhịp tính toán l khoảng cách giữa các dầm ngang. Hệ dầm mặt cầu nhất thiết phải có trong kết cấu nhịp dn chạy dới. 3. Các hệ liên kết - Hệ liên kết gồm có hệ liên kết dọc v hệ liên kết ngang. Liên kết dọc thờng nằm trong mặt phẳng của các thanh biên trên v dới. Liên kết ngang thờng l một khung cứng đặt giữa hai dn, tại vị trí nút. - Hệ liên kết dọc v ngang có chức năng liên kết các mặt phẳng dn chủ th nh một hệ thống không gian thống nhất, đủ ổn định, đủ độ cứng để tiếp nhận tải trọng theo mọi hớng v đảm bảo các yêu cầu theo các trạng thái giới hạn về: cuờng độ, độ võng, dao động. - Liên kết cổng cầu l liên kết ngang đặt tại mặt phẳng của các thanh đầu dn để chịu phản lực từ hệ liên kết dọc trên v truyền tải trọng xuống gối cầu v mố trụ. 4. Các mặt phẳng dn chủ - Các mặt phẳng dn chủ l kết cấu chịu lực chủ yếu của kết cấu nhịp, có vai trò giống nh dầm chủ của kết cấu nhịp dầm. - Mặt phẳng dn chủ đợc cấu tạo từ các phần tử l các thanh chịu lực dọc l chủ yếu v chịu lực kết hợp nếu xét đến lực gió, trọng lợng bản thân, lực ly tâm. 5. Gối cầu - Gối cầu có chức năng tiếp nhận tải trọng từ kết cấu nhịp phía trên v truyền xuống mố, trụ. Gối cầu phải cấu tạo sao cho đảm bảo truyền phản lực gối v đảm bảo chuyển vị cần thiết của kết cầu nhịp theo các phơng. - Gối cầu có các thớt gối v bản gối lm việc chịu uốn, thớt gối v con lăn chịu lực ép trục. Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 8 1.3. Phân loại các sơ đồ dn chủ 1.3.1. Phân loại theo sơ đồ hình học 1. Các sơ đồ dn theo dạng thanh biên Dn có thanh biên song song: Suốt chiều di dn, chiều cao lm việc của dn l hằng số. u điểm của dn có thanh biên song song l cấu tạo đơn giản, phù hợp với việc môđun hoá, tiêu chuẩn hoá. Dễ chế tạo hng loạt các bộ phận. Tuy nhiên, khi chiều cao lm việc không đổi, m nội lực thanh biên lớn hơn nhiều so với nội lực trong thanh biên khác, do đó các thanh phải chế tạo ứng với thanh có nội lực lớn nhất, dẫn đến sự phân bố ứng lực trong thanh biên không đều, lãng phí vật liệu. - Dn có thanh biên đa giác: Chiều cao lm việc của dn thay đổi theo chiều di nhịp. Dn có thanh biên đa giác có sự phân bố ứng lực tơng đối đồng đều, do đó phát huy hết đợc hiệu quả củc vật liệu. Nhng loại dn ny có cấu tạo phức tạp, không sản xuất đợc hng loạt. Tốn nhiều thời gian v chi phí cho việc sản xuất kết cấu nhịp. Hiện nay, các cầu dn thờng có sơ đồ dn có thanh biên song song. 2. Các sơ đồ dn theo hệ thanh bụng Theo hệ thanh bụng gồm có: - Dn có ít thanh bụng - Dn có nhiều thanh bụng 1.3.2. Phân loại theo sơ đồ tĩnh học 1. Theo sơ đồ hoạt tải tĩnh học - Dn giản đơn - Dn liên tục - Dn hẫng có nhịp đeo 2. Theo vị trí mặt xe chạy - Dn chạy trên - Dn chạy giữa - Dn chạy dới Thanh đứn g Thanh treo Mạ hạ Mạ thuợn g Cổn g cầu Thanh xiên Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 9 3. Dạng dn có thanh biên cứng - Thực chất l dạng kết cấu liên hợp giữa dầm v dn. - Đặc điểm: các dầm ngang đợc đặt cả ở ngoi vị trí tiết điểm, thanh biên vừa chịu lực dọc vùa chịu uốn. Chạy trên Chạy duới Chạy giữa Dn có thanh biên cứng Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 10 1.4. vấn đề tiêu chuẩn hoá trong việc thiết kế v chế tạo kết cấu nhịp dn Trong một số cầu đờng ôtô v đa số các cầu đờng sắt đều sử dụng kết cấu nhịp dn, Với một số lợng cầu dn lớn nh vậy, yêu cầu phải tiêu chuẩn hoá, định hình hoá đợc đặt ra nh một yêu cầu cấp thiết. Việc tiêu chuẩn hoá, định hình hoá có tác dụng tăng năng suất chế tạo, tăng chất lợng sản phẩm, công nghệ chế tạo các sản phẩm đợc sử dụng nhiều lần lm giảm giá thnh sản phẩm. Các thông số có thể tiêu chuẩn hoá: - Chiều di khoang dn: d - Chiều cao dn: h - Khoảng cách giữa hai dn chủ: B - Mặt cắt các thanh dn Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 11 Chơng 2. cấu tạo kết cấu nhịp dn thép 2.1. Mặt cầu Mặt cầu đợc cấu tạo phù hợp với mục đích sử dụng của cầu, gồm có: Mặt cầu đờng sắt, mặt cầu đờng đi chung v mặt cầu đờng ôtô - Mặt cầu đờng sắt + Mặt cầu trần: T vẹt đợc đặt trực tiếp trên dầm dọc + Mặt cầu có ray đặt trực tiếp trên dầm dọc + Mặt cầu có máng balat ( it dùng do tĩnh tải máng đá balat lớn ) - Mặt cầu đờng đi chung Mặt cầu trong cầu đờng đi chung thờng có dạng bản bêtông cốt thép - Mặt cầu đờng ôtô Trong cầu dn, mặt cầu đờng ôtô cũng có cấu tạo giống nh trong kết cấu nhịp dầm + Mặt cầu bản bêtông cốt thép, lớp phủ bằng bêtông ximăng hoặc bêtông atphan + Mặt cầu có bản trực hớng Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 12 2.2. Hệ dầm mặt cầu Hệ thống mạng dầm đỡ mật cầu gồm có các dầm dọc v dầm ngang 2.2.1. Cấu tạo hệ dầm mặt cầu Dầm dọc Dầm ngang 2.2.2. Đặc điểm lm việc - Dầm ngang v dầm dọc lm việc nh dầm chịu uốn. - Hệ dầm mặt cầu đợc liên kết (kê) với các bộ phận khác của kết cấu nhịp dn : Dầm dọc đợc kê bởi dầm ngang, dầm ngang đợc kê bởi dn chủ. - Nếu xét trên một nhịp lm việc có chiều di không lớn thì cấu tạo hệ mặt cầu thờng không đổi trên ton bộ chiều di nhịp. 2.2.3. Cấu tạo mặt cắt dầm mặt cầu 2.2.3.1. Dạng mặt cắt Các dầm mặt cầu l kết cấu chịu uốn nên mặt cắt hợp lý nhất l mặt cắt chữ I, gồm có: - Mặt cắt tổ hợp liên kết bằng đinh tán, có cánh hoặc không có cánh, loại ny ít dùng vì lúc đó dới tác dụng của tải trọng, thép góc chịu mỏi lớn. - Mặt cắt tổ hợp bằng hn - Mặt cắt từ những thép cán định hình, l loại có chất lợng tốt, nhng đắt v không phong phú. - Trong thực tế thờng dùng nhiều loại mặt cắt tổ hợp ghép nối, đặc biệt l loại mặt cắt tổ hợp hn. 2.2.3.2. Các kích thớc cơ bản của mặt cắt dầm 2.2.3.3. Liên kết dọc, liên kết ngang trong hệ dầm mặt cầu Trong cầu đờng bộ, do khẩu độ lm việc của dầm dọc v dầm ngang ngắn, nên thông thờng không bố trí hệ liên kết dọc, liên kết ngang cho dầm. [...]... cấu dn mới, hiện đại ) 16 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm Dn chủ Gờ tam giác Dầm Dọc Dầm ngang Thép góc LK DN với DC 2.3 cấu tạo dn chủ 2.3.1 Khái niệm chung Dn chủ l kết cấu chịu lực chủ yếu của kết cấu nhịp Kết cấu nhịp thờng gặp thờng có hai mặt phẳng dn chủ Nếu coi kết cấu nhịp l phẳng thì các dn chủ đợc bố trí trong mặt phẳng thẳng đứng Phạm vi nghiên cứu về dn chủ gồm có cấu. .. n1 Trong kết cấu nhịp dn, việc tận dụng sỏ đồ nội lực của nhịp liên tục đợc thể hiện ở việc xử lý mặt cắt thanh Thông thờng, n2 n1 để đảm bảo nhịp thông thuyền 29 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm Chơng 3 tính toán thiết kế kết cấu nhịp dn thép 3.1 những vấn đề chung Trong tính toán, thiết kế kết cấu nhịp dn thép, việc tiếp cận, phân tích, xử lý kết cấu giống các kết cấu nhịp cầu... giữa hai thép góc Nếu nội lực lớn, dùng mặt cắt chữ I, H dạng thép cán hoặc ghép nối từ các thép góc 25 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm 4 Cấu tạo liên kết các thanh thuộc hệ liên kết dọc 26 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm 2.4.3 Liên kết ngang 1 Vị trí, chức năng: Hệ liên ngang chỉ tồn tại trong kết cấu dn kín Hệ liên kết ngang đợc đạt trong mặt phẳng hệ thanh... nhất quán 30 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm 3.2 phân tích kết cấu 3.2.1 Khái quát Việc phân tích kết cấu nhằm mục đích đa ra mô hình tính toán cuả kết cấu dới tác dụng của các tải trọng, từ đó xác định đợc nội lực trong các bộ phận của kết cấu nhịp Xây dựng v xác lập mô hình phân tích, gồm có: - Mô hình sơ đồ kết cấu - Mô tả tác động của tải trọng - Phân tích kết cấu Độ chính xác... trong mặt phẳng khác 2.3.4.3 Ví dụ các bản tiết điểm cụ thể b b b b b 2.3.4.4 Các hình thức liên kết hiện đại 23 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm 2.4 Cấu tạo các hệ thống liên kết trong kết cấu nhịp cầu dn thép 2.4.1 Khái quát Trong kết cấu cầu dn, để tạo thnh hệ kết cấu không gian đủ độ cứng chịu đợc tải trọng tác dụng từ các hớng, cần pahỉ tồn tại các hệ liên kết Hệ liên kết gồm... thnh đứng hoặc hai mặt phẳng thnh đứng Dạng cấu tạo của thanh biên sẽ quyết định cấu tạo chung cho cả dn 19 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm 2.3.3.1 Dạng thanh biên có một mặt phẳng thẳng đứng Đặc điểm cấu tạo thanh biên: Bản bụng thẳng đứng (1) hoặc bản tiếp điểm trong (2) l nơi để liên kết cho các thanh bụng Cấu tạo thanh bụng: Thanh bụng có cấu tạo tồn tại một mặt phẳng để liên kết... sát thực của mô hình, của sơ đồ với kết cấu thực Việc xây dựng mô hình dựa trên cơ sở kết cấu v điều kiện lm việc thực tế của kết cấu thực tế Tuỳ thuộc vo điều kiện cụ thể, có thể đa ra mô hình sát thực, nhng tính toán phức tạp, hoặc một mô hình tính toán đơn giản hơn nhng chấp nhận sai số lớn hơn 3.2.2 Nguyên lý phân tích kết cấu dn thép Kết cấu nhịp dn l một kết cấu không gian, bao gồm các thnh phần:... hai dn chủ: B 24 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm C B B C D D Dạng chữ "De" 3 Cấu tạo mặt cắt ngang các thanh trong hệ liên kết dọc Mặt cắt ngang các thanh đợc quyết định bởi chiều cao dn: d, khoảng cách giữa hai dn chủ: B, chiều di nhịp tính toán Nếu nội lực nhỏ, thờng dùng dạng mặt cắt chữ T, có thể l thép cán định hình, cắt từ thép chữ I hoặc tổ hợp giữa hai thép góc Nếu nội lực... ngang 13 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm Liên kết chồng có cấu tạo đơn giản, đáp ứng tốt tất cả các yêu cầu đặt ra cho liên kết, chiều cao kiên trúc lớn 2.2.3.2 Liên kết bằng - Đặc điểm: Cánh trên của dầm dọc đặt ngang bằng ( một cách tơng đối ) với dầm ngang Dn chủ Dầm Dọc Dầm ngang Dầm Dọc Bản cá Dầm Dọc Thép góc liên kết Vai kê Dầm ngang 14 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần... thấp, không cần cấu tạo hệ liên kết ngang 27 Bi giảng Thiết kế cầu thép F2 PGS.TS.Trần đức nhiệm 3 Mặt cắt ngang các thanh thuộc hệ liên kết ngang 4 Cấu tạo liên kết 2.4.3 Dn hãm 1 Vị trí: Thờng đợc đặt ở giữa nhịp trong những trờng hợp chiều di nhịp Ln 50 m đặt trong mặt phẳng cùng với hệ mựt cầu v hệ liên kết dọc dới ở vị trí đó 2 Sơ đồ - Hình thoi - Hình tam giác 3 Cấu tạo Dn hãm đợc cấu tạo từ các . Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 21 Các thanh bụng có cấu tạo tơng tự mặt cắt thanh biên bb b b b A A B B 1/2 A-A 1/2 B-B Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần. dạng dn bằng thép đợc gọi tắt l kết cấu nhịp dn thép (dn hoa) /Khi tính toán thiết kế kết cấu BTCT, trong một số trờng hợp có thể phân tích kết cấu bằng phơng pháp chống v giằng (thanh nén v. chuyển + Tăng diện tích chắn gió (chịu tác động của lực gió lớn hơn) Bi giảng Thiết kế cầu thép F2. PGS.TS.Trần đức nhiệm 4 + Tăng thời gian thi công kết cấu nhịp. Dẫn đến tăng giá thnh công