Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương I: Khái niệm chung về cầu thép

4/18/2012 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG  CẦU THÉP NGUYỄN NGỌC TUYỂN Bộmôn Cầu và Công trình ngầm website:  4‐2012 2 TÀI LIỆU THAM KHẢO • 1. Lê Đình Tâm, “Cầu thép”,  NXB Giao thông vận tải, Hà Nội, 2004. • 2. Lê Đình Tâm, Nguyễn Tiến Oanh, Nguyễn Trâm, “Xây dựng cầu thép”,  NXB Xây dựng, Hà Nội, 1996. • 3. Bộ GTVT, “Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN‐272.05”, NXB Giao thông vận tải, 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 4/18/2012 2 3 CHƯƠNG I Khái niệm chung về cầu thép 3 4 1.1. Những đặc điểm cơ bản và phạm vi sử dụng • Ưu điểm: – “Độ nhẹ” của vật liệu thép nhỏ hơn các vật liệu khác như bê tông,  gỗ  • Trong đó “độ nhẹ” được đánh giá bằng hệ số c là tỉ số giữa tỉ trọng và cường độ của vật liệu c = γ / F • Ví dụ “độ nhẹ” của BTCT c = 240x10‐5(m‐1), của gỗ c=45x10‐5(m‐1) trong khi của thép chỉ là là c = 37x10‐5(m‐1);  – Do độ nhẹ của vật liệu thép nhỏ nên kết cấu thép có khả năng chịu lực lớn mà không cần có mặt cắt chịu lực lớn => kết cấu thép có hình dáng thanh mảnh hơn – Việc tính toán kết cấu thép có độ tin cậy cao. Vật liệu thép có cấu trúc đồng đều, có mô đun đàn hồi lớn và trong phạm vi làm việc đàn hồi kết cấu thép khá phù hợp với các giả thiết của sức bền vật liệu (đồng nhất, đẳng hướng, tiết diện phẳng) – Tính chịu lực cao với mọi loại ứng suất: kéo, nén, uốn, cắt, xoắn 4 4/18/2012 3 5 Những đặc điểm cơ bản (t.theo) – Thép có modun đàn hồi cao, độ cứng lớn, độ võng nhỏ đảm bảo các điều kiện khai thác bình thường cũng như các tác động đặc biệt như động đất, gió bão. – Thép có tính dẻo cao, trạng thái phá hoại thường ở trạng thái dẻo tức là trạng thái phá hoại có kèm theo biến dạng lớn tạo điều kiện phân bố lại nội lực và ứng suất đồng thời cảnh báo sớm tình trạng nguy hiểm của kết cấu trước khi bị sụp đổ do quá tải. – Phù hợp với thi công lắp ghép, khả năng cơ giới hóa cao do các cấu kiện có thể được sản xuất hàng loạt tại xưởng với độ chính xác cao – Kết cấu thép dễ kiểm tra, sửa chữa, gia cố, tăng cường. • Nhược điểm – Kết cấu thép dễ bị han gỉ đặc biệt trong các môi trường có độ xâm thực lớn do đó đòi hỏi phải có các biện pháp phòng chống gỉ và bảo dưỡng các kết cấu thép => công tác duy tu bảo dưỡng tốn kém. 5 6 1.2. Vật liệu dùng trong cầu thép • Đặc điểm công trình cầu – Nằm ngoài trời, chịu ảnh hưởng trực tiếp của môi trường – Tải trọng tác động lên công trình lớn về cường độ và có tính chất “động và lặp” • Yêu cầu của vật liệu – Do đặc điểm của công trình cầu nói trên, vật liệu thép dùng làm cầu cần phải có chất lượng cao – Thỏa mãn các yêu cầu, quy định về đặc trưng cơ lý, thành phần hóa học và công nghệ chế tạo. 6 4/18/2012 4 7 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) • Cấu tạo và các thành phần của thép – Vật liệu thép là hợp chất của sắt (Fe), cácbon (C) và nhiều thành phần phụ 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 tạo ra các loại thép có các đặc tính khác nhau. Các ảnh hưởng của phụ gia tới tính chất của thép được liệt kê ở Bảng 1.1 – Ngoài ra, đặc tính của thép còn phụ thuộc vào phương pháp và công nghệ chế tạo. Ví dụ, thép cán nóng làm nguội chậm sẽ làm tăng tính dẻo và độ bền nứt vỡ nhưng lại làm giảm độ cứng và ứng suất dư. Với thép làm nguội nhanh dưới dạng tôi bằng nước hoặc dầu sẽ làm tăng độ cứng và cường độ. 7 8 Bảng 1.1. Ảnh hưởng của phụ gia đến tính chất của thép 8 Hợp kim Tác dụng 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 ăn mòn Đồng (Cu) Tăng khả năng chống chịu ăn mòn Mangan (Mn) Tăng cường độ, khử những ảnh hưởng xấu của lưu huỳnh (S) Moly (Mo) Tăng khả năng chịu kéo ở nhiệt độ cao, giảm ảnh hưởng từ biến Niken (Ni) Tăng cường độ và độ bền Nitơ (N) Tăng cường độ và độ cứng Phốtpho (P) Tăng cường độ và độ cứng; giảm độ dẻo và độ bền; tăng khả năng chốngchịu ăn mòn Lưu huỳnh (S) Đây là thành phần có hại; giảm độ dẻo, độ bền và khả năng hàn Titan (Ti) Giảm ảnh hưởng của từ biến; tăng độ cứng và cường độ phá hoại 4/18/2012 5 9 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) • Phân loại thép – Việc phân loại và đặt tên mã hiệu thép theo quy định riêng của từng nước. Mã hiệu của thép có chữ và số để chỉ thành phần của kim loại cơ bản có trong thép hoặc chỉ các đặc trưng cơ học của thép. – Ví dụmột số loại thép của Liên Xô (cũ): • Thép cacbon: CT3M, M16C, st37, A37 • Thép hợp kim thấp: 15XCHÄ,10XCHÄ, ST52, A52 – Giới hạn chảy và bền tối thiểu của thép than là 240MPa và 380MPa; của thép hợp kim thấp là 340MPa và 490MPa – Một số loại thép của Mỹ : • Thép cacbon: Grade 250 (có giới hạn chảy fy = 250MPa và giới hạn bền fu = 400MPa; chiều dày đạt tới 100mm) 9 10 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) • Thép hợp kim thấp: Grade 345 (có giới hạn chảy fy = 345MPa và giới hạn bền fu = 450MPa; chiều dày đạt tới 100mm) • Thép hợp kim thấp có qua xử lý nhiệt: Grade 485 (có giới hạn chảy fy =  485MPa và giới hạn bền fu = 620MPa; chiều dày đạt tới 100mm) • • => Chi tiết liệt kê ở Bảng 1.2 (cấp thép có có ký hiệu “W” là thép có khả năng chống gỉ cao hơn thép cacbon và có thể được sử dụng trong nhiều trường hợp mà không cần sơn bảo vệ). • Hai thuộc tính của tất cả các cấp thép được coi là không đổi:  Mô đun đàn hồi Es = 200 GPa, và Hệ số giãn nở nhiệt α = 11.7x10‐6 10 4/18/2012 6 11 Bảng 1.2. Đặc trưng cơ học của thép cán dùng cho các công trình cầu theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ 11 Thép Cacbon Thép hợp kim thấp cường độ cao Thép hợp kim thấp tôi nhúng Thép hợp kim thấp tôi nhúng cường độ cao Ký hiệu theo AASHTO M270  Grade 250 M270  Grade 345 M270  Grade 345W M270  Grade 485W M270  Grade 690/690W Ký hiệu tương đương theo ASTM A709M Grade 250 A709M Grade 345 A709M Grade 345W A709M Grade 485W A709M Grade 690/690W Chiều dày của bản (mm) Tới 100mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 100mm Tới 65mm Trên 65mm  tới 100mm Thép hình Tất cả cácnhóm Tất cả các nhóm Tất cả các nhóm Không áp dụng Không áp dụng Không áp dụng Cường độ bền kéo nhỏ nhất Fu (MPa) 400 450 485 620 760 690 Cường độ chảy nhỏ nhất Fy (MPa) 250 345 345 485 690 620 12 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) 12 Các thuộc tính cơ học của 4 cấp thép điển hình được biểu diễn bằng 4 đường cong Ứng suất – Biến dạng. Các cấp thép khác nhau có các ứng xử khác nhau ngoại trừ vùng biến dạng nhỏ gần gốc tọa độ. Bốn cấp thép này có đặc tính khác nhau do sự khác nhau về thành phần hóa học và cách gia công xử lý nhiệt. 4/18/2012 7 13 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) 13 Grade 250 là thép cacbon. Thềm chảy của loại thép này rất rộng, có nghĩa là độ dẻo cao, cho phép phân phối lại ứng suất mà kết cấu không bị phá hoại. Grade 345 là thép hợp kim thấp cường độ cao. Đây là loại thép cán nóng có điểm chảy khá rõ và có tính dẻo cao, có thể chế tạo được nhiều hình dạng. Loại này có tính hàn được và là sự lựa chọn ưu tiên của các nhà thiết kế cho cầu nhịp nhỏ và nhịp trung. Grade 458 là thép hợp kim thấp qua xử lý nhiệt có thành phần hóa học giống của thép Grade 345. Gia công nhiệt nhúng nóng làm thay đổi cấu trúc của thép và nâng cao cường độ, độ cứng và độ dai. Thép này hàn được nhưng chỉ sản xuất dưới dạng tấm. Grade 690 là thép hợp kim gia công nhiệt cường độ cao. Quá trình tôi, nhúng giống như với thép Grade 345 nhưng có thành phần hợp kim khác hẳn để nâng cao cường độ chảy, độ dai ở nhiệt độ thấp. Loại này có độ dẻo kém và chỉ có ở dạng tấm cho các công trình cầu. 14 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) • Ứng suất dư 14 Ứng suất dư phát sinh do sự nguội lạnh không đều trong quá trình gia công nhiệt,  do biến dạng dẻo không đều khi bị cán dưới các con lăn trong quá trình gia công cơ học, hoặc sự thay đổi kết cấu vi phân tử của thép trong quá trình luyện thép. (a) Mặt cắt thép hình H cán nóng (b) Mặt cắt hình hộp hàn (c) Bản thép cán nóng (d) Bản thép cắt mép bằng lửa (e) Mặt cắt dầm I tổ hợp hàn cắt mép bằng lửa 4/18/2012 8 15 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) • Hiện tượng mỏi – Khi xe cộ chạy lặp đi lặp lại trên cầu trong quá trình sử dụng,  trong các cấu kiện thép xuất hiện các ứng suất lặp.  – Các ứng suất này sẽ gia tăng tại các vị trí mà vật liệu hoặc kích thước hình học của cấu kiện không liên tục.  – Mặc dù các ứng suất này nhỏ hơn cường độ của thép nhưng nếu nó lặp lại nhiều lần, các hỏng hóc sẽ được tích lũy, các vết nứt sẽ hình thành và phá hoại của kết cấu có thể xảy ra. – Mỏi là một dạng phá hoại rất phổ biến của kết cấu thép. Như vậy người thiết kế phải chú ý chọn các phần tử và các liên kết có khả năng chịu mỏi cao. 15 16 Vật liệu dùng trong cầu thép (t.theo) • Hiện tượng gỉ – Thép cầu phải thỏa mãn điều kiện chống gỉ trong quá trình khai thác. Do đó, bắt buộc phải dùng sơn chống gỉ hoặc dùng các loại thép chống gỉ.  – Việc áp dụng thép chống gỉ phải phù hợp với nghiên cứu về độ gỉ của môi trường. Ngoài ra còn phải chú ý về các yêu cầu về chiều dày tối thiểu của cấu kiện để đảm bảo tuổi thọ trong điều kiện bị gỉ (tính đến hao mòn do bị gỉ).  16 4/18/2012 9 17 1.3. Các hệ thống chính của cầu thép Vềmặt kết cấu có thể phân loại cầu thép như sau: • 1.3.1. Cầu dầm. – Được sử dụng phổ biến nhất trước đây và cho đến nay  vẫn còn được áp dụng tương đối nhiều. Cầu dầm có đặc điểm: • Chỉ truyền áp lực thẳng đứng (dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng)  lên mố, trụ • Với cầu dầm phẳng: cấu tạo khá đơn giản, dễ tiêu chuẩn hóa và định hình hóa do đó thi công tương đối đơn giản. – Cầu dầm có thể là: cầm dầm giản đơn, dầm liên tục, hoặc dầm mút thừa (dầmmút thừa ít dùng). 17 18 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) – Với nhịp giản đơn, cầu dầm phẳng bằng thép có thể vượt được nhịp lên tới 61m.  – Với nhịp liên tục, cầu dầm hộp thép có thể vượt nhịp lên tới 200‐300m. • Cầu PonteCosta E Silva ở Brazil xây dựng năm 1974 có nhịp 300m • Cầu Neckartalbruecke‐1 ở Đức xây dựng năm 1978 có nhịp 263m • 1.3.2. Cầu giàn. – Cầu giàn thép được sử dụng tương đối rộng rãi nhất là trong cầu đường sắt. – Khi nhịp lớn, cầu giàn tiết kiệm vật liệu hơn cầu dầm. Trong cầu giàn, các thanh giàn chỉ chịu lực dọc là chủ yếu nên tận dụng được tối đa khả năng làm việc của toàn tiết diện. 18 4/18/2012 10 19 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) – Tương tự như cầu dầm, cầu giàn chỉ truyền áp lực thẳng đứng lên mố, trụ dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng. – Dễ tiêu chuẩn hóa và định hình kết cấu – Thi công đơn giản, có thể áp dụng công nghệ lắp hẫng không cần giàn giáo. – Sơ đồ kết cấu có thể là đơn giản, liên tục, hoặc mút thừa. – Trong cầu giàn, mặt cầu có thể được bố trí đi trên hoặc đi dưới. Chiều dài nhịp thông thường từ 50m đến 150m và có thể đạt nhịp tới trên 500m. • Cầu Forth (1890) ở Scottland (L =  521m) • Cầu Quebec (1917) ở Canada (L = 549m) • Cầu Minata Ohashi (1975) ở Nhật (L = 510m). 19 20 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) 20 4/18/2012 11 21 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) • 1.3.3. Cầu vòm. – Cầu vòm thép thường dùng để vượt nhịp lớn. Trong cầu vòm có lực đẩy ngang nên mố, trụ thường có kích thước lớn.  – Ở những nơi địa hình địa chất thích hợp như cầu vượt khe núi có thể cấu tạo chân vòm chống được lực xô ngang thì cầu vòm rất kinh tế. – Kết cấu cầu vòm thép khó định hình hóa và tiêu chuẩn hóa kích thước. – Cầu vòm có thể là hệ vòm không khớp nhưng phổ biến là vòm có 2 hoặc 3 khớp. – Mặt cầu có thể đi trên, đi dưới hoặc đi giữa tùy theo địa hình. 21 22 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) – Chiều dài nhịp vòm có thể lên tới trên 500m – Ví dụmột số 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 4/18/2012 12 23 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) • 1.3.4. Cầu hệ liên hợp. – Cầu hệ liên hợp là kết hợp các hệ đơn giản ghép lại với nhau. – Hệ liên hợp là hệ siêu tĩnh nên thường được điều chỉnh hoặc tạo nội lực ngược dấu với nội lực do tải trọng tác dụng. – Trong cầu thép, thường áp dụng hệ dầm cứng vòm dẻo, dầm cứng có biên phụ đỡ dưới – Hệ liên hợp ngày nay có thể sử dụng cho cầu xây dựng mới hoặc để gia cố tăng cường khả năng chịu lực của cầu cũ, chiều dài nhịp đạt tới 150‐200m 23 24 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) • 1.3.5. Cầu treo. – Cầu treo thực chất là một dạng liên hợp giữa dầm (hoặc giàn)  và dây trong đó, dầm cứng (hoặc giàn) được dây treo đỡ – Cầu treo dây parabon hay còn gọi là cầu treo dây võng có thể vượt được nhịp rất lớn (tới hàng ngàn mét) – Cầu treo có thể chia làm 2 loại: • Có lực ngang truyền xuống đất (qua mố hoặc hầm neo) • Không có lực ngang truyền xuống đất (lực ngang truyền vào dầm cứng) – Trong cầu treo, kết cấu chịu lực chủ yếu là dây – Dây chịu kéo được làm bằng thép sợi cường độ rất cao (lên tới 1800‐2000 MPa) – Cầu treo thường vượt nhịp lớn từ 500 đến 1600m hoặc hơn nữa. 24 4/18/2012 13 25 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) – Một số cầu treo nổi tiếng về chiều dài nhịp như: • Cầu Golden Gate (1937) ở Mỹ (L = 1280m) • Cầu Great Belt (1997) ở Đan Mạch (L = 1624m) • Cầu AkashiKaikyo (1998) ở Nhật (L = 1991m) • Cầu Ải Trại (Aizhai 31‐3‐2012) ở Trung Quốc (L = 1146m) – Chiều cao tĩnh không lớn nhất 350m – Ở Việt Nam • Cầu Thuận Phước trên sông Hàn (Đà Nẵng) xây dựng năm 2008 có chiều dài nhịp (L = 405m) 25 26 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) 26 Cầu Ải Trại – Trung Quốc 4/18/2012 14 27 Các hệ thống chính của cầu thép (t.theo) • 1.3.6. Cầu dây văng. – Cầu dây văng xuất hiện từ nửa sau thế kỷ 20 và được sử dụng khá phổ biến ngày nay. – Trong cầu dây văng, các dây được bố trí xiên và có tác dụng như gối tựa đàn hồi cho dầm cứng. – Trước đây cầu dây văng thường xây dựng với nhịp khoảng 150m và ngày nay có thể đạt tới nhịp hàng ngàn mét. – Một số cầu nổi tiếng thế giới bao gồm: • Cầu Tatara (1999) ở Nhật (L = 890m) • Cầu Normandie (1995) ở Pháp (L = 856m) • Cầu Stonecutter ở Hồng Kông (L = 1018m) • Cầu Suton vượt sông Dương Tử ở Trung Quốc (L = 1088m) – Ở Việt Nam có • Cầu Cần Thơ (L = 500m); Cầu Bãi Cháy (L = 435m) 27