Thiết kế và xây dựng cầu thép 2 - Chương I: Cầu giàn thép

Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Website:  Bộmôn Cầu và Công trình ngầm Website:  THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG  CẦU THÉP 2 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học:  Link dự phòng:  https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐ vietnamese/ cau‐thep‐2 Hà Nội, 11‐2014 2 Tài liệu tham khảo 1. Lê Đình Tâm, “Cầu thép”,  NXB Giao thông vận tải, HN 2004. 2. Lê Đình Tâm, Nguyễn Tiến Oanh, Nguyễn Trâm, “Xây dựng cầu thép”,  NXB Xây dựng, HN 1996 3. Wai Fan Chen and Lien Duan, “Bridge Engineering  Handbook”, NXB CRC press, NewYork, 2000. 4. Bộ GTVT, Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272.05, NXB GTVT,  Hà Nội, 2005. 5. Richard M.Baker, Jay A.Pucket, “Design of highway bridge”,  NXB MC Graw Hill, 1997. Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 2 3 CHƯƠNG I Cầu giàn thép 4 1.1. Khái niệm chung • Đặc điểm cầu giàn thép – Các thanh trong kết cấu giàn chủ yếu chỉ chịu lực dọc – Do vậy, biểu đồ ứng suất là chữ nhật => tận dụng được khả năng làm việc của vật liệu thép trong toàn bộ tiết diện • Về lý thuyết kết cấu nhịp giàn thép sẽ kinh tế hơn kết cấu nhịp cầu dầm làm việc chịu uốn với ứng suất đạt tới cường độ tới hạn của vật liệu thường chỉ 1 phần của tiết diện L Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 3 5 Khái niệm chung (t.theo) • Tuy nhiên, do cấu tạo cầu giàn phức tạp (nhiều thanh, nhiều nút) nên chế tạo và lắp ráp không đơn giản như cầu dầm • Vì vậy, chỉ với nhịp tương đối lớn thì cầu giàn mới thể hiện tính ưu việt – Nhịp kinh tế của cầu giàn: • Lớn hơn 60‐80m đối với cầu ô tô • Lớn hơn 50‐60m đối với cầu xe lửa – Kết cấu nhịp cầu giàn thép dễ tiêu chuẩn hóa và định hình hóa,  thuận lợi cho công nghiệp hóa chế tạo cũng như thi công 6 1.2. Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép • Các bộ phận của kết cấu nhịp Mô hình kết cấu nhịp cầu giàn: (a). Cầu xe lửa ; (b). Cầu ô tô 1. Giàn chủ 2. Hệ liên kết dọc 3. Cổng cầu 4. Liên kết ngang 5. Hệ dầmmặt cầu 6. Hệmặt cầu Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 4 7 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) – Giàn chủ: • Là thành phần chủ yếu của kết cấu nhịp • Được bố trí trong mặt phẳng thẳng đứng • Chịu tĩnh tải và hoạt tải • Cấu tạo bao gồm: các thanh biên trên, thanh biên dưới, thanh xiên,  thanh đứng (các thanh được liên kết với nhau tại các nút giàn) – Hệ thống liên kết:  • Liên kết dọc và • Liên kết ngang Hệ thống liên kết có nhiệm vụ liên kết các giàn chủ với nhau tạo thành một kết cấu không gian cứng, không biến hình => giúp chịu được lực gió và các lực tác dụng nằm ngang theo phương ngang cầu. 8 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 5 9 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) – Cổng cầu • Là một liên kết ngang cứng làm nhiệm vụ truyền lực từ hệ liên kết dọc trên xuống gối cầu • Được bố trí trong mặt phẳng các thanh xiên hoặc thanh đứng tại vị trí gối cầu. – Hệ dầmmặt cầu:  • Dầm dọc • Dầm ngang Làm nhiệm vụ trực tiếp đỡ hoạt tải để truyền tới các giàn chủ 10 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) • Một số sơ đồ cầu giàn e) g) h kt Hd) h k t H L L h kt H L L1 2 h kt H L a) h k tH d b) h k tH d c) Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 6 11 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) – Phân loại theo vị trí đường xe chạy: • Đường đi trên => chiều cao kiến trúc lớn => tăng khối lượng đường dẫn vào cầu • Đường đi dưới => tăng tĩnh không dưới cầu => giảm khối lượng đường dẫn vào cầu => phổ biến hơn đường đi trên – Với chiều dài nhịp từ 80‐100m thường cấu tạo chiều cao giàn H không đổi (biên trên và dưới song song) – Với nhịp lớn từ 120‐150m trở lên có thể cấu tạo chiều cao H thay đổi để giàn chủ làm việc phù hợp với biểu đồmômen => tiết kiệm hơn – Phân loại theo sơ đồ tĩnh học: • Nhịp giản đơn • Nhịp liên tục • Sơ đồmút thừa L H 12 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) Phạm vi áp dụng: • Nhịp giản đơn: dùng cho các nhịp L = 80‐100m • Nhịp liên tục: thường dùng cho nhịp lớn trên 100‐120m – Sơ đồ 2 nhịp: chiều dài nhịp bằng nhau – Sơ đồ 3 nhịp: L1 = (0.75‐0.8)L2 – Sơ đồ nhiều nhịp ít khi gặp (do biến dạng tích lũy nên chuyển vị tại khe biến dạng rất lớn => cấu tạo khe biến dạng cho mặt cầu phức tạp) – Khi cầu dài có thể chia làm nhiều liên: ví dụ cầu Thăng Long gồm 3 liên,  mỗi liên 3 nhịp 112m. • Sơ đồmút thừa: thường dùng cho nhịp lớn trên 100‐120m – Thường áp dụng tại nơi có địa chất xấu không cho phép làm cầu liên tục vì có thể xảy ra lún không đều tại mố, trụ Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 7 13 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) – Tỉ lệ giữa chiều dài các nhịp trong cầu mút thừa lấy như sau: L2 = (1.3‐1.4)L1 Lk = (0.2‐0.25)L2 – Ngoài ra chiều dài phần mút thừa Lk phải đảm bảo sự ổn định và độ võng tại mút không quá lớn: fk < Lk/250 – Cầu mút thừa thường có chiều cao thay đổi. Chiều cao giàn tại gối Hg có thể tới 2Lk/3 để đảm bảo độ cứng. 27.5 75 107.5 75 27.5 52.527.5 27.5 L1 L1L2 Lk Lk 14 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) • Các kích thước cơ bản – Chiều dài nhịp “L” được xác định dựa trên: • Kinh tế • Đảm bảo khẩu độ thoát nước • Đảm bảo thông thương dưới cầu • Có khả năng sử dụng kết cấu nhịp định hình – Chiều cao giàn “H” được xác định dựa trên: • Chi phí vật liệu ít nhất • Bảo đảm độ cứng của kết cấu nhịp • Khổ tĩnh không trong cầu h>5300mm Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 10/31/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 8 15 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) • Khi biên giàn song song • Khi biên giàn cong • Đối với cầu mút thừa và liên tục 1 1 7 10 H L   1 1 5 8 H L   1 1 10 12 H L   L H d 16 Cấu tạo chung kết cấu nhịp giàn thép (t.theo) – Chiều dài khoang giàn “d” và góc nghiêng “α” của thanh xiên: • Cần cấu tạo hợp lý sao cho vật liệu sử dụng ít nhất • Bảo đảm vấn đề cấu tạo nút giàn theo điều kiện về chế tạo, lắp ráp và khai thác, bảo dưỡng • Nếu giàn có thanh đứng: d = (0.6‐0.8)H • Nếu giàn không có thanh đứng: d = (1‐1.2)H • Góc nghiêng của thanh xiên α = 40o‐60o so với phương nằm ngang – Khoảng cách giữa tim 2 giàn chủ • Phụ thuộc khổ cầu và độ cứng ngang kết cấu nhịp • Cầu ô tô thường có bề rộng B lớn nên vấn đề độ cứng ngang đảm bảo • Cầu đi dưới: B/L > 1/20 – 1.25 • Cầu đi trên: B/L > 1/16 – 1.18