Giáo trình Thiết kế cầu - Phần 1: Tổng luận cầu - Nguyễn Tấn Dương

................ 7 1.2.1 Các bộ phận cơ bản của cầu ................................................................... 7 1.2.2 Các kích thƣớc cơ bản về cầu ................................................................ 8 1.3 PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG ...................................................... 9 1.3.1 Dựa theo mặt đƣờng xe chạy: ................................................................ 9 1.3.2 Dựa vào mục đích sử dụng ..................................................................... 9 1.3.3 Dựa vào vật liệu xây dựng ..................................................................... 9 1.3.4 Dựa vào chứng ngại vật mà cầu vƣợt qua .............................................. 9 1.3.5 Dựa vào sơ đồ kết cấu nhịp .................................................................. 10 1.4 SƠ LƢỢC LỊCH SỬ VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH XÂY DỰNG CẦU ................................................................................ 12 1.4.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu .................................... 12 1.4.2 Lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu tại Việt Nam .......................... 13 1.4.3 Phƣơng hƣớng phát triển của ngành xây dựng cầu .............................. 14 CHƢƠNG 2: CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ MẶT CẦU ...................... 15 2.1 CẤU TẠO CÁC LỚP PHỦ CỦA HỆ MẶT CẦU ĐƢỜNG Ô TÔ ........... 15 2.1.1 Tác dụng của các lớp phủ ..................................................................... 15 2.1.2 Yêu cầu cấu tạo .................................................................................... 15 2.1.3 Cấu tạo các lớp mặt cầu ....................................................................... 15 2.2 BẢN MẶT CẦU ......................................................................................... 16 2.3 ỐNG THOÁT NƢỚC TRÊN CẦU ............................................................ 16 2.3.1 Tạo dốc ngang và dốc dọc cầu ............................................................. 16 2.3.2 Tính toán bố trí thoát nƣớc trên cầu ..................................................... 16 2.3.3 Cấu tạo và cách bố trí ........................................................................... 17 2.4 LỀ BỘ HÀNH VÀ LAN CAN ................................................................... 17 2.4.1 Lề bộ hành ............................................................................................ 17 2.4.2 Lan can ................................................................................................. 18 2.5 KHE CO GIÃN ........................................................................................... 19 2.5.1 Tác dụng và các yêu cầu kỹ thuật của khe co giãn .............................. 19 2.5.2 Cấu tạo khe co giãn .............................................................................. 19 2.6 BẢN LIÊN TỤC NHIỆT ............................................................................ 20 2.7 ĐƢỜNG ĐẦU CẦU ................................................................................... 21 2.8 GỐI CẦU .................................................................................................... 22 2.8.1 Tác dụng của gối cầu ............................................................................ 22 2.8.2 Cấu tạo một số loại gối cầu .................................................................. 23 CHƢƠNG 3: CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU THEO TIÊU CHUẨN 22 TCN 272-05 26 3.1 QUAN ĐIỂM CHUNG VỀ THIẾT KẾ CẦU ............................................ 26 3.1.1 Giới thiệu tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 – 05 ............................ 26 3.1.2 Quan điểm chung về thiết kế ................................................................ 26 3.2 NGUYÊN TẮC CƠ BẢN CỦA TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU 22 TCN 272- 05 .................................................................................................................. 27 3.3 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN THEO 22 TCN 272-05 .......................... 29 3.3.1 Khái niệm: ............................................................................................ 29 3.3.2 Các trạng thái giới hạn ......................................................................... 29 3.4 TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG .................................................. 30 3.4.1 Phân loại các tải trọng .......................................................................... 30 3.4.2 Hệ số tải trọng ...................................................................................... 31 3.4.3 Hoạt tải xe thiết kế (LL) ....................................................................... 32 PHẦN 2: CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ................................................................... 39 CHƢƠNG 1: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG VỀ CẦU BTCT .............................. 39 1.1 PHÂN LOẠI CẦU BTCT, CÁC ĐẶC ĐIỂM VÀ PHẠM VI ÁP DỤNG. 39 1.1.1 Phân loại: .............................................................................................. 39 1.1.2 Các đặc điểm chung của cầu BTCT ..................................................... 40 1.1.3 Phạm vi áp dụng của kết cấu nhịp BTCT ............................................ 41 1.1.4 Ƣu, khuyết điểm của cầu bê tông cốt thép: .......................................... 42 1.1.5 Các xu hƣớng trong lĩnh vực cầu BTCT hiện nay: .............................. 42 1.2 CÁC HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP ....................................... 43 1.2.1 Cầu dầm................................................................................................ 43 1.2.2 Cầu khung: ........................................................................................... 46 1.2.3 Cầu vòm ............................................................................................... 47 1.2.4 Cầu giàn: .............................................................................................. 48 1.2.5 Cầu treo dây văng – dầm cứng BTCT ................................................. 48 1.3 VẬT LIỆU LÀM CẦU BTCT. ................................................................... 49 1.3.1 Bêtông .................................................................................................. 49 1.3.2 Cốt thép ................................................................................................ 59 CHƢƠNG 2: CẦU BẢN VÀ CẦU DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC LẮP GHÉP ....................................................................................................... 70 2.1 KHÁI NIỆM CHUNG ................................................................................ 70 2.1.1 Các phƣơng pháp tạo dự ứng lực trƣớc ................................................ 70 2.1.2 Các hệ thống tạo dự ứng lực ................................................................ 71 2.2 KẾT CẤU NHỊP BẢN, DẦM BÊ TÔNG DỰ ỨNG LỰC ........................ 72 2.2.1 Cấu tạo một số kết cấu nhịp bản .......................................................... 72 2.2.2 Cấu tạo một số kết cấu nhịp dầm DUL ................................................ 73 2.3 NGUYÊN TẮC, SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THÉP DỰ ỨNG LỰC TRONG NHỊP GIẢN ĐƠN........................................................................................................... 76 2.3.1 Nguyên tắc bố trí thép DUL cho dầm giản đơn ................................... 76 2.3.2 Mốt số sơ đồ bố trí thép DUL phổ biến ............................................... 76 2.4 GIỚI THIỆU MỘT SỐ THIẾT KẾ ĐIỂN HÌNH ....................................... 81 CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP THEO TIÊU CHUẨN 22TCN272-05 ..................................................................................................... 101 3.1 BỀ RỘNG DẢI TƢƠNG ĐƢƠNG ĐỐI VỚI CÁC LOẠI CẦU BẢN VÀ BỀ RỘNG CÁNH DẦM HỮU HIỆU................................................................ 101 3.1.1 Bề rộng dải tƣơng đƣơng đối với các loại cầu bản ............................ 101 3.1.2 Bề rộng bản cánh dầm hữu hiệu ......................................................... 101 3.2 CƢỜNG ĐỘ KHÁNG UỐN CỦA MẶT CẮT TRONG TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CƢỜNG ĐỘ .................................................................................... 102 3.2.1 Nguyên tắc chung ............................................................................... 102 3.2.2 Phân bố ứng suất theo hình chữ nhật ................................................. 103 3.2.3 Ứng suất trong cốt thép dự ứng lực ở mức sức kháng uốn danh định 103 3.2.4 Các nhận xét và phân tích .................................................................. 105 3.2.5 Điều kiện duyệt trạng thái giới hạn cƣờng độ .................................... 105 3.3 CÁC GIỚI HẠN VỀ CỐT THÉP ............................................................. 108 3.3.1 Quy định về hàm lƣợng cốt thép tối đa .............................................. 108 3.3.2 Quy định về hàm lƣợng cốt thép tối thiểu .......................................... 108 3.4 KHỐNG CHẾ NỨT BẰNG SỰ PHÂN BỐ CỐT THÉP HỢP LÝ ......... 109 3.4.1 Tính ứng suất kéo cốt thép ở Trạng thái giới hạn sử dụng ................ 109 3.4.2 Điều kiện kiểm toán về hạn chế vết nứt ............................................. 109 3.5 CÁC MẤT MÁT DỰ ỨNG SUẤT TRONG KẾT CẤU BTCT DỰ ỨNG LỰC ................................................................................................................... 111 3.5.1 Tổng mất mát ứng suất ....................................................................... 111 3.5.2 Các mất mát ứng suất tức thời (đàn hồi) ............................................ 111 3.5.3 Ƣớc tính gần đúng toàn bộ mất mát ứng suất theo thời gian ............. 115 3.6 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DỰ ỨNG LỰC THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG VỀ CHỐNG NỨT.................................................................. 116 3.6.1 Nguyên tắc chung ............................................................................... 116 3.6.2 Các đặc trƣng mặt cắt ......................................................................... 117 3.6.3 Các giới hạn ứng suất cho các bó thép dự ứng lực ............................ 117 3.6.4 Các giới hạn ứng suất đối với bê tông trong kết cấu dự ứng lực ....... 118 3.7 TÍNH TOÁN THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG VỀ BIẾN DẠNG ................................................................................................................. 123 3.7.1 Nguyên tắc chung ............................................................................... 123 3.7.2 Tính toán về độ võng và độ vồng ....................................................... 123 3.7.3 Tính toán các biến dạng dọc trục ....................................................... 124 3.7.4 Điều kiện kiểm toán biến dạng dầm BTCT ....................................... 125 3.8 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN DỰ ỨNG LỰC THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN ................................................................................................................ 125 3.8.1 Tổng quát............................................................................................ 125 3.8.2 Trạng thái giới hạn sử dụng ............................................................... 125 3.8.3 Trạng thái giới hạn mỏi ...................................................................... 126 3.8.4 Trạng thái giới hạn cƣờng độ ............................................................. 126 3.8.5 Trạng thái giới hạn đặc biệt................................................................ 126 CHƢƠNG 4: TÍNH TOÁN PHÂN BỐ TẢI TRỌNG CHO CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU NHỊP. .......................................................................................................... 127 4.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG .................. 127 4.2 BỐ TRÍ HOẠT TẢI HL-93 THEO PHƢƠNG NGANG CẦU ............... 127 4.2.1 Số làn xe thiết kế ................................................................................ 127 4.2.2 Bố trí hoạt tải HL-93 theo phƣơng ngang cầu ................................... 127 4.2.3 Hệ số làn xe ........................................................................................ 130 4.3 PHƢƠNG PHÁP ĐÒN BẢY ................................................................... 130 4.3.1 Giả thiết và sơ đồ tính toán ................................................................ 130 4.3.2 Nguyên tắc tính toán .......................................................................... 131 4.3.3 Trình tự tính toán................................................................................ 132 4.3.4 Ƣu nhƣợc điểm và phạm vi áp dụng .................................................. 132 4.4 PHƢƠNG PHÁP TÍNH GẦN ĐÚNG HỆ SỐ PHÂN BỐ TẢI TRỌNG THEO TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05 ............................................................... 133 4.4.1 Điều kiện áp dụng .............................................................................. 133 4.4.2 Công thức tính Hệ số phân bố dùng cho momen và lực cắt .............. 135 4.4.3 Các điểm cần lƣu ý khi áp dụng hệ số phân bố tải trọng ................... 145 4.4.4 Trình tự tính toán hệ số phân bố tải trọng .......................................... 146 CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU, DẦM NGANG VÀ DẦM CHỦ ... ..................................................................................................... 147 5.1 TRÌNH TỰ CHUNG THIẾT KẾ KẾT CẤU NHỊP CẦU BTCT ............ 147 5.2 TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU ............................................................... 148 5.2.1 Phân tích cấu tạo chọn sơ đồ tính toán ............................................... 148 5.2.2 Nguyên tắc tính toán .......................................................................... 149 5.2.3 Thiết kế bản mặt cầu theo phƣơng pháp gần đúng ............................ 149 5.2.4 Tính toán bản mặt cầu ở đầu nhịp ...................................................... 158 5.2.5 Tính toán bản mặt cầu khi có chiều dài làm việc theo phƣơng dọc cầu .. ............................................................................................................ 158 5.2.6 Tính toán cốt thép và kiểm toán bản .................................................. 159 5.2.7 Tính toán và bố trí cốt thép trong bản ................................................ 160 5.3 TÍNH TOÁN DẦM NGANG .................................................................. 161 5.3.1 Giả thiết tính toán ............................................................................... 161 5.3.2 Tải trọng tác dụng lên dầm ngang ...................................................... 161 5.3.3 Tính nội lực trong dầm ngang ............................................................ 162 5.3.4 Tính toán và bố trí cốt thép trong dầm ngang .................................... 166 5.4 TÍNH TOÁN DẦM CHỦ ........................................................................ 167 5.4.1 Thiết kế cấu tạo các bộ phận của kết cấu nhịp ................................... 167 5.4.2 Phân tích kết cấu ................................................................................ 169 5.4.3 Tính toán hệ số phân bố ngang do hoạt tải ........................................ 170 5.4.4 Tính toán nội lực dầm chủ.................................................................. 170 5.4.5 Lựa chọn cốt thép chủ và kích thƣớc mặt cắt .................................... 172 5.4.6 Bố trí thép chủ theo chiều dọc dầm .................................................... 173 5.4.7 Tính duyệt theo các TTGH ................................................................ 176 5.4.8 Trình tự tính toán dầm giản đơn BTCT DUL .................................... 176 Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 7 PHẦN 1: TỔNG LUẬN CẦU CHƢƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH CẦU 1.1 CÁC LOẠI CÔNG TRÌNH NHÂN TẠO TRÊN ĐƢỜNG Công trình nhân tạo trên đƣờng là những công trình vƣợt qua các chƣớng ngại trên đƣờng nhƣ sông, suối, khe núi, vực sâu, Các loại công trình nhân tạo chủ yếu bao gồm:  Cầu: là một công trình nhân tạo để cho đƣờng giao thông vƣợt qua các dòng nƣớc, thung lung, bãi sông (cầu dẫn), vƣợt qua đƣờng hay các chƣớng ngại vật khác.  Công trình thoát nước nhỏ: gồm đƣờng tràn, cầu tràn, cống  Tường chắn: đƣợc sử dụng khi xây dựng nền đƣờng trong điều kiện không thể duy trì đƣợc độ dốc tự nhiên của taluy. Tránh hiện tƣợng trƣợt, sụt lở mái taluy.  Hầm: khi cao độ mặt đƣờng nằm thấp hơn nhiều so với cao độ mặt đất tự nhiên ngƣời ta có thể làm hầm xuyên qua núi. Khi tuyến đƣờng đi men theo sƣờn núi có độ dốc lớn, địa chất quá xấu nhƣ có đá lăn, đất trƣợt ngƣời ta dịch tuyến đƣờng vào núi và xây dựng đƣờng hầm. Khi vƣợt qua các sông lớn, eo biền sâu ngƣời ta cũng có thể làm hầm. Trong các thành phố đông dân cƣ, ngƣời ta cũng có thể làm hầm để phục vụ cho ngƣời đi bộ, các phƣơng tiện giao thông, hệ thống tàu điện ngầm. 1.2 CÁC BỘ PHẬN VÀ KÍCH THƢỚC CƠ BẢN CỦA CẦU Hình 1.1:Công trình cầu 1-Kết cầu nhịp; 2-Trụ; 3-Mố; 4-Móng 1.2.1 Các bộ phận cơ bản của cầu  Kết cấu nhịp: Bao gồm: dầm cầu, bản mặt cầu, lan can, lề bộ hành Nhiệm vụ của kết cấu nhịp là vƣợt chứng ngại vật, kê đỡ mặt cầu và gánh chịu toàn bộ tải trọng lƣu thông trên cầu.  Mố trụ cầu: 1 2 2 3 3 4 4 4 4 Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 8 Là bộ phận kê đỡ kết cấu nhịp, tiếp nhận toàn bộ tải trọng từ kết cấu nhịp, truyền xuống nền đất qua kết cấu móng. Tùy theo số lƣợng nhịp mà có loại cầu một nhịp (không có trụ) và cầu nhiều nhịp. Mố nằm ở hai đầu cầu, trụ đƣợc bố trí ở khoảng giữa hai mố. Ngoài ra mố còn có tác dụng chắn đất đầu cầu, chịu áp lực của đất và là vị trí chuyển tiếp từ đƣờng vào cầu.  Đường dẫn vào cầu: Có tác dụng vuốt nối cao độ từ đƣờng vào cầu. Thông thƣờng là đƣờng đắp cao do đó để giảm chiều cao nền đắp có thể thay bằng cầu cạn. 1.2.2 Các kích thƣớc cơ bản về cầu  Mực nước  Mực nƣớc cao nhất (MNCN): đƣợc đo trong mùa lũ, ứng với một tần suất quy định (với cầu lớn, trung là 1%; cầu nhỏ là 2%). Căn cứ vào MNCN để xác định cao độ đáy dầm  Mực nƣớc thấp nhất (MNTN): đƣợc đo trong mùa cạn, ứng với một tần suất quy định (với cầu lớn, trung là 1%; cầu nhỏ là 2%). Căn cứ vào MNTN để bố trí nhịp thông thuyền.  Mực nƣớc thông thuyền (MNTT): là mức nƣớc cao nhất cho phép tàu bè qua lại, thƣờng lấy với tần suất 5%, từ MNTT xác định đƣợc chiều cao khổ gầm cầu của nhịp thông thuyền.  Chiều dài  Chiều dài toàn cầu Lbr: là khoảng cách tính từ hai đuôi mố  Cầu nhỏ: Lbr  20m  Cầu trung : Lbr > 20 đến 100m  Cầu lớn: Lbr ≥ 100m  Nhịp tĩnh không L0 : khoảng cách giữa mép hai trụ (hoặc hai mố) tại MNCN  Chiều dài nhịp Lsp : là khoảng cách giữa tim hai trụ  Chiều dài nhịp tính toán L: là khoảng cách giữa tim các gối kê nhịp.  Chiều cao  Chiều cao cầu HC là khoảng cách từ MNTN tới mặt cầu. Nếu là cầu vƣợt hoặc cầu cạn thì tính từ mặt đƣờng hoặc mặt đất bên dƣới.  Chiều cao kiến trúc hkt là khoảng cách từ đáy kết cấu nhịp đến mặt cầu  Chiều cao gầm cầu (tĩnh không dƣới cầu) H là khoảng cách từ MNCN đến đáy kết cấu nhịp.  Sông không có thông thuyền: H tối thiểu là 0.5m, trong trƣờng hợp có cây trôi thì H tối thiểu là 1m Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 9  Sông có thông thuyền: phụ thuộc vào khổ thông thuyền HTT và BTT 1.3 PHÂN LOẠI VÀ PHẠM VI SỬ DỤNG Có nhiều cách phân loại dựa trên các tiêu chí khác nhau. Sau đây là một số tiêu chí thƣờng dùng: 1.3.1 Dựa theo mặt đƣờng xe chạy:  Cầu có đƣờng xe chạy dƣới: đƣờng xe chạy bố trí dọc theo biên dƣới của kết cấu nhịp  Cầu có đƣờng xe chạy trên: đƣờng xe chạy bố trí trên đỉnh của kết cấu nhịp  Cầu có đƣờng xe chạy giữa: đƣờng xe chạy bố trí trong phạm vi chiều cao của kết cấu nhịp 1.3.2 Dựa vào mục đích sử dụng  Cầu đƣờng sắt: dùng cho tàu lửa  Cầu đƣờng ôtô: dùng cho tất cả các phƣơng tiện giao thông trên đƣờng ôtô  Cầu chạy chung: ô tô và tàu lửa  Cầu ngƣời đi bộ  Cầu đặc biệt: dùng cho đƣờng ống dẫn dầu, nƣớc, khí gas, cáp điện 1.3.3 Dựa vào vật liệu xây dựng  Cầu gỗ, tre  Cầu đá  Cầu kim loại (gang, thép )  Cầu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực 1.3.4 Dựa vào chứng ngại vật mà cầu vƣợt qua  Cầu thông thƣờng: cầu vƣợt qua các dòng nƣớc nhƣ sông, suối, thậm chí là vƣợt biển.  Cầu vƣợt hay cầu qua đƣờng: các tuyến đƣờng giao thông có lƣu lƣợng lớn giao cắt nhau hoặc đƣờng ô tô giao với đƣờng sắt.  Cầu cạn: dùng cho đƣờng ô tô, tàu điện ngầm, đƣờng sắt chạy riêng trong thành phố.  Cầu cao: là cầu vƣợt qua các thung lũng sâu. Trụ cầu rất cao > 20m thậm chí hàng trăm mét.  Cầu mở: dùng khi yêu cầu chiều cao thông thuyền lớn (40-60m). Các loại cầu mở nhƣ cầu cất, cầu nâng, cầu quay.  Cầu phao: dùng trong thời chiến hoặc tại vị rí mà khi xây các loại cầu khác quá phức tạp, tốn kém. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 10 1.3.5 Dựa vào sơ đồ kết cấu nhịp  Cầu dầm:  Cầu dầm giản đơn dƣới tác dụng của lực thẳng đứng tại gối chỉ có phản lực gối. Cầu BTCT thƣờng có L=12 - 20m, BTCT DUL có L=20-40m. cầu dầm thép L= 6 - 40m  Cầu dầm liên tục, dầm hẫng dƣới tác dụng của lực thẳng đứng tại gối xuất hiện phản lực gối và momen. Hình 1.2: Các loại cầu dầm a-Cầu dầm giản đơn; b-Cầu liên tục; c: Cầu hẫng đeo  Cầu dàn thép:  Cầu dàn giản đơn: chiều dài nhịp từ 50 đến 80m  Cầu dàn liên tục: có nội lực nhỏ hơn cầu dàn giản đơn nên cho phép vƣợt nhịp lớn hơn  Cầu khung:  Cầu khung liên tục  Cầu khung T dầm đeo  Cầu khung – dầm liên tục Hình 1.3: Cầu Khung liên tục Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 11  Cầu vòm:  Cầu vòm có lực đẩy ngang: Cầu vòm chạy trên, chạy giữa, chạy dƣới  Cầu vòm không có lực đẩy ngang: cầu có một thanh kéo, hệ vòm dầm liên hợp dầm cứng vòm cứng. Phản lực gối của cầu giống với cầu dầm giản đơn.  Cầu có kết cấu liên hợp  Cầu treo 1. Dây cáp chủ; 2. Dây đeo; 3. Dầm cứng 4. Trụ cầu; 5. Mố neo 6. Tháp cầu a. Cầu vòm chạy trên b. Cầu vòm chạy giữa c. Cầu vòm chạy dƣới Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 12 Ưu điểm: Cáp cƣờng độ cao nên trọng lƣợng bản thân nhỏ, vƣợt đƣợc nhịp rất lớn. Trong quá trình thi công thì cáp chủ đƣợc thi công trƣớc rồi mới đến dầm nên không cần làm trụ tạm Nhược điểm: kết cấu rất nhạy cảm với tải trọng động (gió, lực xung kích). Cấu tạo mố neo rất phức tạp và tốn kém.  Cầu dây văng 1. Dây văng; 2. Dầm cứng; 3. Tháp cầu; 4. Trụ cầu; 5. Mố cầu Ưu điểm: Cáp cƣờng độ cao nên trọng lƣợng bản thân nhỏ, làm việc chịu kéo. Dầm cứng làm việc nhƣ dầm liên tục trên gối cứng (tại vị trí mố trụ) và các gối đàn hồi (tại vị trí neo cáp vào dầm). Cáp thƣờng neo vào dầm cứng nên không cần bố trí các mố neo phức tạp nhu cầu treo. Nhược điểm: Chịu tải trọng động kém hơn so với các cầu dầm cứng khác. 1.4 SƠ LƢỢC LỊCH SỬ VÀ PHƢƠNG HƢỚNG PHÁT TRIỂN CỦA NGÀNH XÂY DỰNG CẦU 1.4.1 Sơ lƣợc lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu Cùng với sự phát triển của khoa học kỹ thuật và sự tiến bộ của xã hội loài ngƣời, ngành xây dựng cầu ngày càng phát triển mạnh mẽ.  Cầu gỗ Cầu gỗ là loại cầu đƣợc xây dựng lâu đời nhất. Gỗ là vật liệu tự nhiên tƣơng đối tốt nhƣng để dùng xây dựng cầu thì phải chọn loại gỗ tứ thiết (gụ, lim, sến ) và phải phòng mục. Cầu gỗ có thời gian sử dụng ngắn, vƣợt những nhịp nhỏ.  Cầu đá Đá cũng là một loại vật liệu tự nhiên tốt và cầu đá là một trong những loại cầu xuất hiện từ thời cổ xƣa. Một số cầu đá đƣợc xây dựng từ hàng ngàn năm trƣớc (thời La Mã cổ) đến nay vẫn còn tồn tại và sử dụng đƣợc. Đại bộ phận cầu đá đƣợc xây dựng theo kiểu vòm phù hợp với tính chất chịu nén tốt của đá.  Cầu thép (kim loại) Cầu thép xuất hiện vào khoảng nửa cuối thế kỷ 19. Chiếc cầu kim loại đầu tiên đƣợc làm bằng gang, xây dựng vào năm 1776-1779 tại Anh. Cầu thép có khả năng Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 13 vƣợt đƣợc nhịp rất lớn. Ƣu điểm nổi bật của cầu thép là hoàn toàn công nghiệp hóa chế tạo và lắp ghép nhƣng nhƣợc điểm chính của cầu thép là gỉ.  Cầu bê tông cốt thép Cuối thế kỷ 19, trong xây dựng cầu đã sử dụng một loại vật liệu mới là BTCT. Chiếc cầu BTCT đầu tiên đƣợc xây dựng tại Pháp dành cho ngƣời đi bộ với chiều dài 16m, rộng 4m, dạng vòm. Mãi đến những năm 30 của thế kỷ 20, sau khi kỹ sƣ ngƣời Pháp là Freyssinet nghiên cứu thành công BTCT dự ứng lực (BTCTDUL) cầu BTCT bắt đầu phát triển mạnh mẽ. Hiện nay, cầu BTCT ngày càng phát triển và mở ra một kỷ nguyên mới dùng BTCT they thế cho kết cấu thép. Kỹ thuật và công nghệ xây dựng ngày càng hoàn thiện nên sơ đồ kết cấu ngày phong phú, chiều dài nhịp ngày cành lớn, công trình ngày càng thẩm mỹ hơn. 1.4.2 Lịch sử phát triển ngành xây dựng cầu tại Việt Nam So với thế giới thì ngành xây dựng cầu nƣớc ta vẫn còn non trẻ. Thời kỳ trƣớc cách mạng tháng 8, trên các tuyến đƣờng ôtô chủ yếu là cầu BTCT nhịp nhỏ từ 3- 20m với một làn xe, tải trọng nhỏ. Thời kỳ này cũng có một số cầu thép lớn nhƣ cầu Đuống, cầu Ninh Bình trong đó nổi bật là cầu Long Biên dành cho đƣờng sắt và ôtô đi chung. Từ sau hòa bình lập lại (1954) một loạt cầu mới đƣợc xây dựng. Cầu thép có cầu Hàm Rồng, cầu Việt Trì Cầu BTCT có cầu Đoan Vĩ, cầu Giẽ Cầu BTCTDUL có cầu Phủ Lỗ, cầu Cửa Tiền nhƣng đến năm 1964 – 1972 thì các cầu này bị đế quốc Mỹ ném bom phá hoại. Từ nam 1975 đến nay chúng ta đã xây dựng hàng loạt các cầu mới trên tuyến đƣờng sắt và đƣờng ôtô điển hình nhƣ:  Cầu Thăng Long qua sông Hồng cho đƣờng sắt và ôtô đƣợc xây dựng xong năm 1982 có các nhịp chính là dàn thép liên tục, nhịp lớn nhất là 112m, chiều dài toàn cầu là 1680m.  Cầu Chƣơng Dƣơng qua sông Hồng (1985), nhịp chính là dàn thép, nhịp lớn nhất là 97.6m, chiều dài toàn cầu là 1211m  Cầu Phú Lƣơng (Hải Dƣơng) năm 1996, cầu khung dầm BTCTDUL, nhịp lớn nhất 102m  Cầu Hoàng Long (Thanh Hóa), cầu khung dầm BTCTDUL có nhịp lớn nhất 130m  Ngoài ra còn có hàng loạt các cầu dây văng hiện đại đƣợc xây dựng nhƣ cầu quay sông Hàn (Đà Nẵng), cầu Mỹ Thuận (Vĩnh Long) với nhịp chính 350m, cầu Bính (Hải Phòng) nhịp chính 250m, cầu Kiền (Quốc lộ 10) nhịp chính 200m, cầu Bãi Cháy (Quảng Ninh) nhịp lớn nhất 435m với cấu tạo một mặt phẳng dây, cầu Cần Thơ có nhịp chính 550m. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 14 1.4.3 Phƣơng hƣớng phát triển của ngành xây dựng cầu  Về vật liệu: sử dụng rộng rãi các loại vật liệu có cƣờng độ cao nhƣ bê tông chất lƣợng cao, bê tông siêu dẻo có cƣờng độ sớm, thép cƣờng độ cao và các loại vât liệu nhẹ nhƣ bê tông nhẹ, hợp kim nhôm  Về kết cấu: các kết cầu hợp lý đƣợc áp dụng chủ yếu trong xây dựng cầu nhƣ kết cấu thép bê tông liên hợp, BTCTDUL, bản trực hƣớng, tiết diện hộp, cầu dây văng, cầu khung dầm liên tục BTCTDUL  Về công nghệ thi công: áp dụng công nghệ tiên tiến nhƣ đúc đẩy, đúc hẫng, lắp hẫng Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 15 CHƢƠNG 2: CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA HỆ MẶT CẦU 2.1 CẤU TẠO CÁC LỚP PHỦ CỦA HỆ MẶT CẦU ĐƢỜNG Ô TÔ 2.1.1 Tác dụng của các lớp phủ  Trực tiếp chịu tải trọng bánh xe.  Chống mài mòn cho bản mặt cầu.  Chịu tác động trực tiếp của các yếu tố thời tiết: mƣa, gió 2.1.2 Yêu cầu cấu tạo  Bằng phẳng, đủ độ nhám, chống hao mòn  Có độ đàn hồi nhất định  Đảm bảo chống thấm và thoát nƣớc tốt 2.1.3 Cấu tạo các lớp mặt cầu 2.1.3.1 Lớp đệm  Có tác dụng tạo phẳng và độ dốc ngang cầu. Dùng vật liệu là hỗn hợp vữa xi măng để tạo dốc ngang i = 1-2%.  Bề dày lớp đệm phụ thuộc vào độ dốc ngang và bề rộng của cầu.  Trƣờng hợp bản mặt cầu đã có độ dốc ngang ta rải đều lớp đệm dày 1-1,5cm. 2.1.3.2 Lớp phòng nước Có tác dụng chống thấm nƣớc từ trên mặt cầu xuống kết cấu bên dƣới, thƣờng có bề dày 1cm. Vật liệu dùng làm lớp này là bitum và giấy dầu. 2.1.3.3 Lớp bảo vệ  Có tác dụng bảo vệ lớp phòng nƣớc (thƣờng dùng khi lớp trên là bê tông nhựa) Lớp phủ Lớp bảo vệ Bản mặt cầu Lớp đệm Lớp phòng nƣớc Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 16  Cấu tạo lớp bảo vệ: dùng lƣới thép dạng ô vuông 5x5cm hoặc 10x10cm. Bê tông M200 hoặc cao hơn, có chiều dày 3-5cm 2.1.3.4 Lớp phủ Là lớp trên cùng và thƣờng dùng một trong hai loại vật liệu sau:  Bê tông nhựa dày 5-7cm nếu rải 1 lớp. Nếu rải 2 lớp thì lớp dƣới dày 4- 4,5cm và lớp trên là 2-2,5cm.  Bê tông xi măng dày 6-8cm, M300, lúc này lớp phủ đặt trực tiếp lên lớp phòng nƣớc (bỏ lớp bảo vệ). 2.2 BẢN MẶT CẦU Bản mặt cầu là cấu kiện, có hoặc không có lớp áo đƣờng, trực tiếp chịu tải trọng của bánh xe. Nhiệm vụ chính của bản là tạo mặt cầu xe chạy và truyền tải trọng lên các dầm. Chiều dày tối thiểu của bản mặt cầu là 175mm Sơ đồ làm việc gồm 2 phần: phần hẫng ở dầm biên tính theo sơ đồ consol, phần phía trong tính theo sơ đồ dầm liên tục kê trên các gối cứng tại vị trí dầm chủ. 2.3 ỐNG THOÁT NƢỚC TRÊN CẦU Trong quá trình khai thác và sử dụng dƣới tác dụng của tải trọng và các yếu tố khác nhƣ thời tiết xuất hiện vết nứt trong kết cấu. Nƣớc mƣa (hơi nƣớc) thấm qua vết nứt làm gỉ thép từ đó làm giảm tuổi thọ công trình. Do đó việc thoát nƣớc tốt trên cầu sẽ tang cƣờng bảo vệ kết cấu nhịp. Giải pháp tăng cƣờng thoát nƣớc trên cầu nhƣ sau: 2.3.1 Tạo dốc ngang và dốc dọc cầu Loại cầu kết cấu các lớp mặt cầu dốc dọc id (%) dốc ngang in (%) trung bình lớn nhất trung bình lớn nhất cầu nhỏ BTN và BTXM 1-2 theo tiêu chuẩn của đƣờng 1,5-2 1,5-2 trung bình BTN và BTXM 1-2 2 1,5-2 cầu lớn BTN và BTXM 1-2 3 1,5-2 1,5-2 2.3.2 Tính toán bố trí thoát nƣớc trên cầu  Để đảm bảo thoát nƣớc cần bố trí 1m2 mặt cầu có tối thiều 1cm2 diện tích ngang ống thoát nƣớc. Ngoài ra cần phải căn cứ vào chết độ mƣa của từng ...í cầu:  Cầu qua sông suối  Cầu vƣợt đƣờng  Cầu cạn  Cầu có trụ cao để vƣợt qua thung lũng, hẻm núi 1.1.1.2 Phân loại theo tải trọng qua cầu:  Cầu đƣờng ô tô  Cầu đƣờng sắt  Cầu thành phố  Cầu đi bộ  Cầu đi chung đƣờng sắt, đƣờng ô tô  Cầu máng dẫn nƣớc  Cầu dành cho đƣờng ống dẫn nƣớc, hay dẫn dầu, dẫn khí đốt 1.1.1.3 Phân loại theo cao độ tương đối của một xe chạy:  Cầu chạy trên  Cầu chạy dƣới  Cầu chạy giữa 1.1.1.4 Phân loại theo sơ đồ tĩnh học trong giai đoạn khai thác của kết cấu chịu lực chính  Cầu dầm: dầm giản đơn, dầm liên tục, dầm hẫng  Cầu khung: khung T có dầm đeo, khung T liên tục nhiều nhịp, khung T chân xiên,  Cầu giàn  Cầu có kết cấu liên hợp  Cầu dầm – vòm  Cầu giàn – vòm Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 40  Cầu dầm – dây 1.1.1.5 Phân loại theo hình dạng mặt cắt ngang của kết cấu chịu lực chính  Kết cấu nhịp bản  Kết cấu nhịp có sƣờn  Kết cấu nhịp mặt cắt hình hộp 1.1.1.6 Phân loại theo phương pháp thi công kết cấu nhịp  Với các cầu có nhịp nhỏ và trung bình (L < 25m với cầu 1 nhịp và L < 100m với cầu nhiều nhịp)  Cầu đúc tại chỗ  Cầu lắp ghép toàn nhịp  Cầu nửa lắp ghép (sƣờn dầm lắp ghép, phần bản đúc tại chỗ)  Với cầu có nhịp lớn  Cầu đúc tại chỗ trên đà giáo cố định  Cầu đúc tại chỗ với đà giáo di động  Cầu thi công theo phƣơng pháp hẫng  Cầu thi công theo phƣơng pháp đẩy  Cầu thi công theo phƣơng pháp đặc biệt (quay hoặc chở nổi) 1.1.2 Các đặc điểm chung của cầu BTCT 1.1.2.1 Vật liệu: Khi xây dựng cầu BTCT thƣờng dùng các vật liệu địa phƣơng: cát, đá, ximăng là chủ yếu, phần cốt thép chỉ chiểm tỷ lệ nhỏ so với trọng lƣợng toàn kết cấu và thƣờng dùng loại thép tròn với giá rẻ hơn loại thép dùng để xây dựng cầu thép. 1.1.2.2 Độ bền và độ cứng Kết cấu nhịp cầu BTCT có độ cứng rất lớn, khai thác an toàn, thuận lợi. Tuổi thọ cầu BTCT cao. Ít phải duy tu bảo dƣỡng do bê tông tƣơng đối bền với môi trƣờng nếu thiết kế kết cấu và thành phần vật liệu bê tông hợp lý. Chi phí duy tu, bảo dƣỡng thấp so với kết cấu thép 1.1.2.3 Hình dáng, hệ thống Kết cấu nhịp cầu BTCT có hình dáng hợp lý về mặt cơ học, thỏa mãn các yêu cầu thuận tiện khai thác, vẻ đẹp kiến trúc, ví dụ cầu cong trên mặt bằng, cầu rẽ nhánh( cầu chữ Y)... 1.1.2.4 Tính liền khối Kết cấu nhịp BTCT đúc tại chỗ cũng nhƣ lắp ghép hiện đại đều đảm bảo đƣợc tính liền khối vững chắc Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 41 1.1.2.5 Trọng lượng bản thân Do có trọng lƣợng bản than lớn nên kết cấu nhịp cầu BTCT không vƣợt qua đƣợc những chiều dài nhịp kỷ lục nhƣ cầu thép. Nhịp cầu vòm BTCT dài nhất thế giới có L=360m, trong khi đó nhịp cầu treo thép dài nhất có L>1990m. Tuy nhiên chính do nặng nề mà cầu BTCT ít bị ảnh hƣởng xung kích của hoạt tải qua cầu hơn so với cầu thép, tiếng ồn khi xe qua cầu cũng nhỏ hơn, dao động ít hơn. Do đó nhiều cầu trong thành phố đƣợc làm bằng cầu BTCT. 1.1.2.6 Vết nứt Nói chung khó tránh khỏi những vết nứt nhỏ trong cầu BTCT dù là BTCT dự ứng lực. Các vết nứt nhỏ hơn 0,3mm ở vùng khí hậu không ăn mòn đƣợc coi là chƣa ảnh hƣởng xấu đến tuổi thọ kết cấu. Để thiên về an toàn, các Tiêu chuẩn thiết kế cầu và kết cấu BTCT đều có những khoản nhằm hạn chế độ rộng vết nứt sao không quá mức nguy hiểm về mặt ăn mòn và chịu lực. 1.1.3 Phạm vi áp dụng của kết cấu nhịp BTCT Trong các cầu BTCT trên đƣờng ô tô, thƣờng dùng nhiều dầm giản đơn ở các nhịp 6 – 33m, đặc biệt 42m. Nếu nhịp lớn hơn thƣờng dùng các sơ đồ kết cấu siêu tĩnh nhƣ dầm liên tục, dầm hẫng, cầu khung BTCT dự ứng lực, cầu vòm. Các loại kết cấu thƣờng dùng nhƣ sau:  Dạng cầu bản giản đơn BTCT thƣờng  Nhịp từ 3 – 6m đối với cầu ô tô  Nhịp từ 2 – 3m đối với cầu đƣờng sắt  Dạng cầu dầm giản đơn BTCT thƣờng  Nhịp từ 7 – 24m đối với cầu ô tô  Nhịp từ 4 – 15m đối với cầu đƣờng sắt  Dạng cầu bản và dầm giản đơn BTCT dự ứng lực  Nhịp từ 12 – 42m đối với cầu ô tô  Nhịp từ 12 – 30m đối với cầu đƣờng sắt  Dạng cầu dầm liên tục hoặc cầu khung BTCT dự ứng lực  Nhịp từ 33 đến 200m của cầu ô tô, ít khi áp dụng cho cầu đƣờng sắt  Dạng cầu vòm BTCT thƣờng  Trƣớc kia có dùng cho cầu nhịp từ 15 đến 30m, có thể dùng đến nhịp 300m cho cầu ô tô. Ngày nay ít xây dựng cầu vòm do khó công nghiệp hóa công tác thi công và chỉ xây dựng cầu vòm khi có yêu cầu đặc biệt về kiến trúc  Dạng cầu treo dây văng – dầm cứng BTCT Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 42  Dạng cầu này có ƣu điểm hình dáng đẹp, vƣợt đƣợc nhịp dài, có thể đến 200m và hơn nữa, thƣờng đƣợc xây dựng theo những yêu cầu đặc biệt  Dạng cầu giàn BTCT dự ứng lực  Dạng này thƣờng đƣợc xây dựng trên đƣờng sắt Liên Xô cũ, nhƣng không phổ biến ở các nƣớc khác cũng nhƣ ở Việt Nam vì cấu tạo phức tạp, khó thi công và không ƣu việt hơn cầu giàn thép. 1.1.4 Ƣu, khuyết điểm của cầu bê tông cốt thép: 1.1.4.1 Ưu điểm:  Dùng đƣợc nguồn vật liệu tại địa phƣơng khi xây dựng cầu. Vật liệu thép thanh rẻ hơn so với thép hình làm cầu thép ( H, T, V).  Tuổi thọ cao, độ bền đáp ứng mọi yêu cầu khai thác an toàn. Độ cứng rất lớn.  Hình dáng đa dạng, hợp lí về mặt cơ học, thoả mãn các yêu cầu về thuận tiện khai thác, vẻ đẹp kiến trúc.  Cầu BTCT ít chịu ảnh hƣởng xung kích của hoạt tải so với cầu thép vì có trọng lƣợng bản thân lớn. 1.1.4.2 Nhược điểm:  Khó đảm bảo chất lƣợng, nhất là việc chế tạo tại hiện trƣờng.  Trọng lƣợng bản thân lớn nên khả năng vƣợt nhịp nhỏ hơn so với cầu thép.  Khó tránh khỏi vết nứt trong BTCT dù là BTCT DƢL, trong vùng khí hậu ăn mòn làm giảm tuổi thọ kết cấu. 1.1.5 Các xu hƣớng trong lĩnh vực cầu BTCT hiện nay: Cầu BTCT trong những năm gần đây nổi bật mấy hƣớng phát triển sau:  Tăng cƣờng độ bê tông: nâng cao chất lƣợng vật liệu...  Về mặt cốt thép vấn đề chủ yếu là chống ăn mòn. Tạo lớp phủ mặt ngoài cốt thép. Các lớp phủ có thể là mạ kẽm, phủ epốcxy. Dùng thép không gỉ.  Về mặt kết cấu, thì kết cấu liên hợp dầm và dây trong cầu treo, cầu dây văng. Các kết cấu liên hợp thƣờng là hệ siêu tĩnh nhiều bậc, tạo độ dự trữ an toàn khi chịu tải, tạo khả năng điều chỉnh theo hƣớng tối ƣu hoá nội lực.  Về mặt tiết diện, chú trọng áp dụng các kết cấu không gian, đơn giản về chế tạo, hoàn thiện về chịu lực. Một trong các tiết diện hiện đại đáp ứng đƣợc các phẩm chất trên là các tiết diện hộp. Tiết diện hộp là tiết diện chịu nén, uốn, xoắn đều tốt.  Phƣơng hƣớng cuối cùng trong sự nghiệp phát triển cầu nói chung và cầu BTCT nói riêng là nghiên cứu các công nghệ thi công thích hợp. Sự phát triển cầu BTCT gắn liền với sự phát triển công nghệ thi công cầu trên thế giới. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 43 1.2 CÁC HỆ THỐNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.2.1 Cầu dầm  Cầu dầm đơn giản  Cầu dầm mút thừa  Cầu dầm liên tục Hình 1.1: Sơ đồ tĩnh học cầu dầm 1.2.1.1 Cầu dầm đơn giản  Biểu đồ mô men chỉ có một dấu (dƣơng)  Chiều dài nhịp <= 40 m (đặc biệt thì <= 60-70m). Tại các gối chỉ tồn tại phản lực thẳng đứng. Tiết diện mặt cắt ngang gồm có các dạng sau:  Dạng Bản: Dùng cho nhịp ngắn: Lnhịp  9m: BTCT thƣờng Lnhịp  18m: BTCT ứng suất trƣớc  Dạng Dầm: Dùng cho nhịp dài  Bê tông cốt thép thƣờng: Đƣờng ôtô l = 10 -22m Đƣờng sắt l = 8-16m  Bê tông cốt thép ứng suất trƣớc: Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 44 Đƣờng ôtô l = 15-40m Đƣờng sắt l = 16-33m  Ƣu điểm cầu dầm đơn giản:  Tính toán thiết kế đơn giản,  Bố trí cốt thép dễ dàng.  Sơ đồ kết cấu tĩnh định  không ảnh hƣởng bởi các yếu tố lún  áp dụng cho địa chất và móng bất kỳ.  Thi công dễ tiêu chuẩn hoá, cơ giới hóa sản xuất, dễ thi công hơn so với các loại cầu khác, dễ lắp ghép và cẩu lắp thuận lợi.  Nhƣợc điểm cầu dầm đơn giản :  Tốn vật liệu (so với sơ đồ khác) .  Không vƣợt đƣợc nhịp lớn . 1.2.1.2 Cầu dầm liên tục:  Các dạng cầu dầm liên tục  Dạng có chiều cao dầm không thay đổi:  Dạng có chiều cao dầm thay đổi theo đƣờng gấp khúc: Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 45  Dạng có chiều cao dầm thay đổi theo đƣờng cong:  Ƣu điểm cầu dầm liên tục:  Chiụ lực hợp lý hơn  tiết kiệm vật liệu hơn so với dầm đơn giản.  Khả năng vƣợt nhịp của dầm liên tục lớn hơn nhiềuso với dầm đơn giản.  Với BTCT thƣờng l = 30-60m  Với BTCT ƢST l = 60-300m  Đối với các gối di động chỉ tồn tại thành phần phản lực thẳng đứng  trụ chịu nén đúng tâm.  Đƣờng đàn hồi liên tục  xe chạy êm thuận.  Độ cứng tốt hơn  độ võng nhỏ hơn.  Dáng kiến trúc, mỹ quan đẹp  ứng dụng phù hợp với các công trình cầu nhịp lớn, cầu trong đô thị  Nhƣợc điểm Cầu dầm liên tục:  Sơ đồ kết cấu siêu tĩnh, do đó rất nhạy với các tác động của những yếu tố sau:  Mố trụ bị lún, nghiên lệch  Ảnh hƣởng của biến thiên nhiệt độ, co ngót và từ biến của bê tông.  Quá trình căng kéo cốt thép ứng suất trƣớc.  Biểu đồ mô men có hai dấu, do đó phải bố trí cốt thép về hai phía của dầm  phức tạp cho thi công.  Tốn nhiều ván khuôn giàn giáo.  Công tác thi công đòi hỏi trình độ kỹ thuật cao và máy móc hiện đại. 1.2.1.3 Cầu dầm mút thừa:  Cầu mút thừa một nhịp: Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 46  Cầu mút thừa có dầm đeo:  Ƣu điểm cầu dầm mút thừa:  Giá trị M tại giữa nhịp giảm đi do có mô men gối  vƣợt nhịp lớn hơn so với dầm đơn giản.  Với BTCT thƣờng l2 có thể đạt đến 50-60m  Với BTCT ƢST l2 có thể đạt đến 150m.  Trong cầu mút thừa có dầm đeo có thể điều chỉnh nội lực nhờ thay đổi vị trí của khớp, hoặc thay đổi đối trọng ở mút thừa.  Do biểu đồ làm việc chịu lực hợp lý . Trụ có một hàng gối ở giữa  trụ chịu nén đúng tâm.  Nhƣợc điểm dầm mút thừa:  Lực xung kích lớn (xe chạy không êm thuận)  cấu tạo khớp rất phức tạp.  Bố trí cốt thép, cấu tạo ván khuôn khó khăn 1.2.2 Cầu khung: Dạng kết cấu nhịp cầu khung thƣờng có các sơ đồ: khung T dầm đeo, khung T có chốt, khung T liên tục nhiều nhịp, khung T chân kiểu chống, chân kiểu xiên. Hình 1.2: Cầu khung liên tục Cầu khung thƣờng đƣợc làm:  Cầu vƣợt qua bãi cạn, nút giao thông,  Cầu tạo dáng bất kỳ cho phù hợp yêu cầu kiến trúc. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 47 Hình 1.3: Cầu khung vượt qua đường ô tô  Ƣu điểm:  Trụ và kết cấu nhịp cùng tham gia chịu lực.  Mô men tại các vị trí trong kết cấu nhịp nhìn chung là nhỏ  tiết kiệm vật liệu.  Khả năng vƣợt nhịp khá lớn L >= 40m  Nhƣợc điểm:  Cấu tạo thi công phức tạp.  Dễ phát sinh ứng suất phụ trong hệ siêu tĩnh. 1.2.3 Cầu vòm  Phân loại theo sơ đồ:  Vòm 3 khợp  Vòm 2 khợp  Vòm không khợp  Vòm 1 nhịp hoặc vòm nhiều nhịp.  Phân loại theo cao độ mặt đƣờng xe chạy:  Cầu vòm có đƣờng xe chạy trên  Cầu vòm có đƣờng xe chạy dƣới  Cầu vòm có đƣờng xe chạy giữa  Ƣu điểm:  Hình thức đẹp  tạo vẽ mỹ quan kiến trúc. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 48  Tận dụng khả năng chịu nén của vật liệu (khi chọn trục vòm hợp lý)  Vƣợt nhịp lớn l = 90-100m. Hiện nay đã đạt 500m.  Tận dụng đƣợc vật liệu địa phƣơng  giá thành xây lắp rẻ.  Nhƣợc điểm:  Có lực xô ngang H  chỉ phù hợp với địa chất tốt.  Chiều cao kiến trúc Hkt lớn.  Thi công phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao  Khó tiêu chuẩn hoá  ít dùng. 1.2.4 Cầu giàn: Kết cấu nhịp giàn BTCT ngày nay ít đƣợc sử dụng, kết cấu giàn thép tỏ ra ƣu thế hơn. 1.2.5 Cầu treo dây văng – dầm cứng BTCT  Đặc điểm làm việc của cầu treo-cầu dây:  Các dạng cầu treo thực chất là hệ liên hợp trong đó  Các dây văng chịu kéo  Dầm cứng chịu uốn và nén  Khả năng vƣợt nhịp rất lớn: Một số kỷ lục về vƣợt nhịp của cầu dây văng đƣợc thống kê  Cầu Thƣợng Hải - 1993 (Trung Quốc) l = 602m  Cầu Normandie - 1995 (Pháp) l = 856 m  Cầu Tatara - 1999 (Nhật) l = 890m  Cầu treo qua vịnh Messina (Italia) l = 3300m  Ƣu điểm:  Khả năng vƣợt nhịp rất lớn.  Kết cấu thanh mảnh, tạo mỹ quan kiến trúc rất đẹp  Sử dụng vật liệu chịu kéo có cƣờng độ rất cao, và chịu lực rất lớn  tiết kiệm vật liệu xây dựng cầu  Trong quá trình thi công ít ảnh hƣởng đến điều kiện thông thƣơng dƣới cầu.  Sử dụng phƣơng pháp lắp ghép rất thuận lợi  Nhƣợc điểm:  Ổn định theo phƣơng ngang cầu kém, rất nhạy cảm với các tác tác động của gió bão và các lực tác dụng có tính chất chu kỳ.  Hệ thống dây cáp dễ chịu ảnh hƣởng của môi trƣờng nƣớc mặn, độ ẩm lớn, có nồng độ hóa chất cao Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 49 1.3 VẬT LIỆU LÀM CẦU BTCT. Các vật liệu chủ yếu hiện nay để làm cầu BTCT là bê tông, cốt thép thƣờng, cốt thép cƣờng độ cao và một số loại thép hình, thép bản. Trong các môn học Vật liêu Xây Dựng và Kết Cấu BTCT đã giới thiệu các đặc trƣng cơ lý của các vật liệu này. Ở đây nhắc lại các kiến thức liên quan đến kết cấu cầu. 1.3.1 Bêtông 1.3.1.1 Phân loại bê tông 1.3.1.1.1 Theo thành phần của bê tông tươi (hỗn hợp bê tông) Bê tông là một loại đá nhân tạo đƣợc tạo thành từ các vật liệu thành phần, bao gồm: đá dăm, sỏi (cốt liệu lớn); cát (cốt liệu nhỏ); xi măng (chất kết dính), nƣớc và phụ gia (nếu có). Các vật liệu này sau khi nhào trộn đều với nhau sẽ đông cứng và có hình dạng theo khuôn đúc. Tỷ lệ của các vật liệu thành phần trong hỗn hợp sẽ có ảnh hƣởng đến thuộc tính của bê tông sau khi đông cứng (bê tông). Trong phần lớn các trƣờng hợp, ngƣời kỹ sƣ cầu sẽ chọn cấp bê tông cụ thể từ một loạt hỗn hợp thiết kế thử, trên cơ sở cƣờng độ chịu nén mong muốn ở tuổi 28 ngày, ' cf . Đặc trƣng tiêu biểu đối với các cấp bê tông khác nhau đƣợc cho trong bảng sau: Bảng 1.1: Các đặc trưng trộn của bê tông theo cấp Loại bê tông Lƣợng xi măng tối thiểu Tỉ lệ N/X tối thiểu Độ chứa khí Kích thƣớc cốt liệu theo AASHTO M43 Cƣờng độ chịu nén 28 ngày kg/m 3 kg/kg % Kích thƣớc lỗ vuông sàng (mm) MPa A A (AE) B B (AE) C C (CE) P S 362 362 307 307 390 390 334 390 0,49 0,45 0,58 0,55 0,49 0,45 0,49 0.58 - 6,0  1,5 5,0  1,5 - 7,0  1,5 - Quy định riêng - 25 đến 4,75 25 đến 4,75 50 đến 4,75 50 đến 4,75 12,5 đến 4,75 12,5 đến 4,75 25 đến 4,75 hoặc 19 đến 4,75 25 đến 4,75 28 28 17 17 28 28 Quy định riêng - Tỉ trọng thấp 334 Nhƣ quy định trong hồ sơ hợp đồng  Loại A nói chung đƣợc sử dụng đối với tất cả các cấu kiện của kết cấu và đặc biệt đối với bê tông làm việc trong môi trƣờng nƣớc mặn. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 50  Loại B dùng làm sàn, lối đi bộ, than mố trụ khối lớn và tƣờng chắn kiểu trọng.  Loại C dùng cho cấu kiện mỏng hơn 100mm, nhƣ là lan can, hay dùng để lấp đầy các khoảng trống của bản mặt cầu kiểu lƣới thép chèn bê tông.  Loại P dùng khi cần đạt cƣờng độ lớn hơn 28 MPa.  Loại S dùng cho lớp bê tông đổ dƣới nƣớc để bịt đáy trong các vòng vây. Tỉ lệ nƣớc/xi măng (N/X) theo trọng lƣợng là thông số quan trọng nhất ảnh hƣởng đến cƣờng độ bê tông. Tỉ lệ N/X càng gần mức tối thiểu thì cƣờng độ càng lớn. Hiển nhiên là, đối với một lƣợng nƣớc đã cho trong hỗn hợp, việc tăng hàm lƣợng xi măng sẽ làm tăng cƣờng độ bê tông. Đối với mỗi cấp bê tông đều có quy định rõ lƣợng xi măng tối thiểu tính bằng kG/m3. Khi tăng lƣợng xi măng trên mức tối thiểu này, có thể tăng lƣợng nƣớc và vẫn giữ nguyên tỉ lệ N/X. Sự tăng lƣợng nƣớc có thể không tốt vì lƣợng nƣớc thừa, không cần thiết cho phản ứng hoá học với xi măng và và làm ƣớt bề mặt cốt liệu, khi bốc hơi sẽ gây ra hiện tƣợng co ngót, làm bê tông kém đặc chắc. Do vậy, Tiêu chuẩn quy định lƣợng xi măng tối đa là 475 kG/m3 để hạn chế lƣợng nƣớc của hỗn hợp. Bê tông AE (bê tông bọt) phát huy đƣợc độ bền lâu dài khi làm việc trong các môi trƣờng lạnh. Bê tông bọt đƣợc chế tạo bằng cách thêm vào hỗn hợp một phụ gia dẻo để tạo ra sự phân bố đều các lỗ rỗng rất nhỏ. Sự phân bố đều các lỗ rông nhỏ này trong bê tông tránh hình thành các lỗ rỗng lớn và cắt đứt đƣờng mao dẫn từ mặt ngoài vào cốt thép. Để đạt đƣợc chất lƣợng của bê tông là độ bền lâu dài và chịu lực tốt, cần phải hạn chế hàm lƣợng nƣớc. Nhƣng nƣớc làm tăng độ lƣu động của hỗn hợp bê tông, đặc biệt làm cho bê tông dễ đức trong khuôn. Để cải thiện tính công tác của hỗn hợp bê tông mà không phải tăng lƣợng nƣớc, ngƣời ta đƣa vào các phụ gia hoá học. Các phụ gia này đƣợc gọi là phụ gia giảm nƣớc mạnh (phụ gia siêu dẻo), rất có hiệu quả trong việc cải thiện thuộc tính của cả bê tông ƣớt và bê tông đã đông rắn. Các phụ gia này phải đƣợc sử dụng rất thận trọng và nhất thiết phải có chỉ dẫn của nhà sản xuất vì chúng có thể có những ảnh hƣởng không mong muốn nhƣ làm rút ngắn thời gian đông kết. Vì vậy trƣớc khi sử dụng cần làm các thí nghiệm để xác minh chất lƣợng của cả bê tông ƣớt lẫn bê tông cứng. Trong vài năm gần đây, ngƣời ta đã chế tạo đƣợc bê tông có cƣờng độ rất cao, cƣờng độ chịu nén có thể tới 200MPa. Mấu chốt của việc đạt cƣờng độ này cũng nhƣ độ chắc chắn là đảm bảo cấp phối tốt nhất, sao cho tất cả các lỗ rỗng đều đƣợc lấp đầy bằng các hạt mịn cho đến khi không còn lỗ rỗng nữa. Trƣớc đây ngƣời ta chỉ chú ý tới cấp phối tốt nhất của cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ là đá và cát. Việc lấp đầy các khe hở giữa các hạt nhỏ có thể là các hạt xi măng Poóc lăng, mà sau này phản ứng với nƣớc sẽ tạo lực dính và gắn kết thành khối. Trong bê tông CĐC và rất cao, ngƣời ta còn tiến thêm một bƣớc nữa là chèn thêm vào khe hở giữa các hạt xi măng Poóc lăng. Các loại vật liệu mịn để chèn này có thể là đất Puzolan hạt nhỏ, tro bay, muội silíc,... Chúng có thể thay thế một phần cho XM và vẫn giữ nguyên lƣợng XM tối thiểu và tỉ lệ N/X. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 51 1.3.1.1.2 Theo tỷ trọng của bê tông: Theo tỷ trọng, bê tông đƣợc phân thành  Bê tông tỷ trọng thƣờng: Là BT có tỷ trọng trong khoảng 2150 ÷ 2500kG/m3.  Bê tông tỷ trọng thấp: Là BT có chứa cấp phối nhẹ và có tỷ trọng khi khô không vƣợt quá 1925kG/m3. 1.3.1.2 Các tính chất tức thời (ngắn hạn) của bê tông cứng Các tính chất của bê tông xác định từ thí nghiệm phản ánh sự làm việc ngắn hạn khi chịu tải vì các thí nghiệm này thƣờng đƣợc thực hiện trong vòng vài phút, khác với tải trọng tác dụng lên công trình có thể kéo dài hàng tháng, thậm chí hàng năm. Các thuộc tính ngắn hạn này rất hữu dụng trong đánh giá chất lƣợng của bê tông và sự làm việc chịu lực ngắn hạn nhƣ dƣới hoạt tải xe cộ, gió, động đất,... Tuy nhiên, những thuộc tính này phải đƣợc điều chỉnh khi chúng đƣợc sử dụng để đánh giá sự làm việc dƣới tải trọng tác dụng kéo dài (thƣờng xuyên) nhƣ trọng lƣợng bản thân của dầm, lớp phủ mặt cầu, lan can,... 1.3.1.2.1 Cường độ chịu nén và mô đun đàn hồi - Cƣờng độ chịu nén của bê tông đƣợc xác định bằng thí nghiệm nén dọc trục phá hoại mẫu trụ tròn có kích thƣớc (hxd). Ký hiệu cƣờng độ chịu nén của bê tông là fc, ta có: 4/2 maxmax d P A P fc   - Cƣờng độ chịu nén của bê tông khi đƣợc thí nghiệm trong điều kiện tiêu chuẩn quy định (tuổi bêtông là 28 ngày; mẫu trụ tròn có kích thƣớc (hxd) = (300x150)mm, bảo dƣỡng ở điều kiện tiêu chuẩn (bảo dƣỡng ẩm,...); lực nén dọc trục không kiềm chế) đƣợc gọi là cƣờng độ chịu nén quy định hay cƣờng độ chịu nén thiết kế của bê tông, ký hiệu là f'c. Bêtông có f'c càng lớn thì chất lƣợng càng tốt và ngƣợc lại. - Hình 1.4 biểu diễn đƣờng cong ứng suất-biến dạng điển hình của mẫu thử hình trụ khi chịu nén dọc trục không có kiềm chế (không có cản trở biến dạng ngang). Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 52 Hình 1.4: Đường cong ứng suất-biến dạng parabol điển hình đối với bê tông chịu nén không có kiềm chế - Biến dạng tại đỉnh ứng suất nén ' cf là 'c  0,002 và biến dạng có thể lớn nhất cu  0,003. Một quan hệ đơn giản đối với bê tông có cƣờng độ nhỏ hơn 40 MPa đƣợc đƣa ra dƣới một hàm bậc hai nhƣ sau: (2.1) Trong đó: fc = là cƣờng độ chịu nén tƣơng ứng với độ biến dạng c, ' cf = là ứng suất lớn nhất từ thí nghiệm khối trụ 'c = là độ biến dạng ứng với ứng suất ' cf . Quy ƣớc dấu ở đây là ứng suất nén và biến dạng nén mang giá trị âm. - Mô đun đàn hồi của bê tông theo Tiêu chuẩn 05 độ nghiêng của đƣờng thẳng đi từ gốc toạ độ qua điểm của đƣờng cong ứng suất - biến dạng có ứng suất bằng 0,4 ' cf . Khi bê tông có tỷ trọng từ 1440 - 2500kG/m3, thì Ec có thể đƣợc xác định theo công thức sau: (MPa) Trong đó: c = Tỷ trọng của bê tông (kG/m3) ' cf = Cƣờng độ chịu nén quy định của bê tông (MPa). 2 2                        c c c c c c f f 1,50,043. . c c cE f Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 53 Ví dụ: Đối với bê tông có: c = 2300 kg/m3 và ' cf = 28 MPa  - TC 05 quy định (A5.4.2.1), cƣờng độ chịu nén quy định ở tuổi 28 ngày (f'c) tối thiểu là 16 MPa đƣợc khuyến cáo đối với tất cả các bộ phận của kết cấu và cƣờng độ chịu nén tối đa đƣợc quy định là 70 MPa, trừ khi có những thí nghiệm bổ sung. Các bản mặt cầu và BTCT DUL thì f'c ít nhất là 28 MPa. 1.3.1.2.2 Cường độ chịu kéo Cƣờng độ chịu kéo của bê tông có thể đƣợc đo trực tiếp hoặc gián tiếp. Thí nghiệm kéo trực tiếp [hình 1.5(a)] đƣợc sử dụng để xác định cƣờng độ nứt của bê tông, đòi hỏi phải có thiết bị đặc biệt (chuyên dụng). Thông thƣờng, ngƣời ta tiến hành các thí nghiệm gián tiếp nhƣ thí nghiệm uốn phá hoại dầm và thí nghiệm ép chẻ khối trụ. Các thí nghiệm này đƣợc mô tả trên hình 1.5. Hình 1.5: Thí nghiệm kéo bê tông trực tiếp và gián tiếp a) Thí nghiệm kéo trực tiếp b)Thí nghiệm phá hoại dầm c)Thí nghiệm chẻ khối trụ Thí nghiệm uốn phá hoại dầm [hình 1.5(b)] đo cƣờng độ chịu kéo khi uốn của bê tông với một dầm bê tông giản đơn chịu lực nhƣ trên hình vẽ. Ứng suất kéo lớn nhất ở đáy dầm khi phá hoại gọi là ứng suất kéo uốn giới hạn, đƣợc ký hiệu là fr. Tiêu chuẩn 05 đƣa ra các công thức xác định fr nhƣ sau:   1,5 0,043. 2300 . 4800. 4800. 28 25GPa    c c cE f f Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 54 + Đối với bê tông tỷ trọng thông thƣờng ,.63,0 cr ff  (2.3) + Đối với bê tông cát tỷ trọng thấp ,.52,0 cr ff  + Đối với bê tông tỷ trọng thấp các loại ,.45,0 cr ff  - Trong thí nghiệm ép chẻ khối trụ [hình 1.5(c)], khối trụ tiêu chuẩn đƣợc đặt nằm và chịu tải trọng đƣờng phân bố đều. Ứng suất kéo gần nhƣ phân bố đều xuất hiện vuông góc với ứng suất nén sinh ra do tải trọng thẳng đứng. Khi các ứng suất kéo này đạt tới giới hạn cƣờng độ, khối trụ bị chẻ làm đôi dọc theo mặt chịu tải. Theo một lý thuyết về sự làm việc đàn hồi (Timoshenko và Goodier, 1951), công thức tính ứng suất kéo chẻ fsp đƣợc đƣa ra nhƣ sau: (2.4) trong đó Pcr là toàn bộ tải trọng gây chẻ khối trụ, L là chiều dài của khối trụ và D là đƣờng kính của khối trụ. - Cả hai giá trị ứng suất kéo uốn (fr) và ứng suất kéo chẻ (fsp) đều đƣợc xác định lớn hơn so với ứng suất kéo dọc trục (fcr) đƣợc xác định trong thí nghiệm kéo trực tiếp [hình 1.5(a)]. Các tác giả Collins và Mitchell (1991) và Hsu (1993) đƣa ra công thức xác định cƣờng độ chịu kéo trực tiếp fcr nhƣ sau: (2.5) - Tuy nhiên, khả năng chịu kéo của bê tông thƣờng đƣợc bỏ qua trong tính toán cƣờng độ các cấu kiện BTCT vì cƣờng độ chịu kéo của bê tông rất nhỏ. - Mô đun đàn hồi của bê tông khi chịu kéo có thể đƣợc lấy nhƣ khi chịu nén. 1.3.1.3 Các tính chất dài hạn của bê tông cứng 1.3.1.3.1 Cường độ chịu nén của bê tông theo thời gian - Tính chất của BT đƣợc đặc trƣng bởi cƣờng độ chịu nén quy định ở tuổi 28 ngày (f'c). Tuy nhiên trong một số trƣờng hợp, nhƣ đối với BTCT DUL thì ta cần phải biết cƣờng độ chịu nén fci và Eci của BT ở thời điểm căng cốt thép DUL, cũng nhƣ ở các thời điểm khác trong lịch sử chịu tải của kết cấu. - Thông thƣờng, cƣờng độ chịu nén của BT có xu hƣớng tăng theo thời gian và phụ thuộc vào nhiều tham số nhƣ loại XM, điều kiện bảo dƣỡng,... Có các phƣơng pháp không phá huỷ để xác định cƣờng độ chịu nén, thƣờng bằng con đƣờng gián tiếp thông qua việc xác định trƣớc hết mô đun đàn hồi rồi tính ngƣợc trở lại để tìm cƣờng độ chịu nén. Theo một phƣơng pháp khác, ngƣời ta đo độ nảy lên của một viên bi bằng thép, viên bi này đã đƣợc định kích thƣớc dựa vào độ nảy trên bê tông đã biết cƣờng độ chịu nén. Hiệp hội quốc tế BTCT DUL (FIP) kiến nghị xác định cƣờng độ chịu nén của BT theo thời gian theo biểu đồ có dạng nhƣ sau: 2 /   crsp P L f D 0,33. cr cf f Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 55 0,0 0,5 1,0 1,5 3 7 14 28 56 90 180 360 t (ngµy) cf /f'c BTXM PL th-êng BTXM PL ®«ng cøng nhanh Hình 1.6: Sự thay đổi cường độ của bê tông theo thời gian - Theo Branson (1977) thì biểu thức xác định cƣờng độ chịu nén của BT theo thời gian có dạng nhƣ sau: ,. . cci f t t f    Trong đó: f’c = cƣờng độ chịu nén 28 ngày t = thời gian tính theo ngày;  = là hệ số phụ thuộc vào loại xi măng và điều kiện bảo dƣỡng.  = 4,0 đối với xi măng loại I, bão dƣỡng ẩm  = 2,3 đối với xi măng loại III, bão dƣỡng ẩm  = 1,0 đối với xi măng loại I, bão dƣỡng hơi nƣớc  = 0,7 đối với xi măng loại III, bão dƣỡng hơi nƣớc  = hệ số phụ thuộc vào tham số tƣơng ứng 0,85; 0,92; 0,95 và 0,98 Nhƣ vậy đối với xi măng loại I, bão dƣỡng ẩm thì  = 4,0;  = 0,85. Khi đó: ,. .85,00,4 cci f t t f   - Tiêu chuẩn ASTM (C150) quy định có 5 lọai XM cơ bản đƣợc sản xuất nhƣ sau: + XM loại I: Là loại chuẩn, đƣợc sử dụng trong các công trình bình thƣờng, nơi không cần phải có các thuộc tính đặc biệt. + Loại II: Là loại đã đƣợc biến đổi, nhiệt thủy hóa thấp hơn laọi I, loại này thƣờng đƣợc sử dụng ở nơi chịu ảnh hƣởng vừa phải của sự ăn mòn do sunfat hoặc ở nơi mong muốn có nhiệt thủy hóa vừa phải. + Loại III: Là loại có CĐC sớm, đƣợc sử dụng khi mong muốn BT đạt CĐC sớm, nhiệt thủy hóa cao hơn nhiều so với laọi I. + loại IV: Là loại tỏa nhiệt thấp, đƣợc sử dụng trong các đập BT khối lớn và các kết cấu khác mà nhiệt thủy hóa giảm chậm. Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 56 + Loại V: là loại chịu đƣợc sunfat, thƣờng đƣợc sử dụng trong các đế móng, tƣờng hầm, cống rãnh,..., nơi tiếp xúc với đất chứa sunfat. 1.3.1.3.2 Co ngót của bê tông - Khái niệm: Co ngót của bê tông là hiện tƣợng giảm thể tích dƣới nhiệt độ không đổi do hơi nƣớc bốc hơi khi bê tông đã đông cứng. - Co ngót thay đổi theo thời gian và nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố nhƣ: hàm lƣợng nƣớc của bê tông tƣơi, vào loại xi măng và cốt liệu đƣợc sử dụng, vào điều kiện môi trƣờng (nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió) tại thời điểm đổ bê tông, vào quá trình bảo dƣỡng, vào lƣợng cốt thép và vào tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt cấu kiện. - Có hai loại co ngót cơ bản: + Co ngót dẻo: Là loại co ngót xuất hiện trong vòng ít giờ đầu tiên sau khi đúc BT tƣơi trong ván khuôn. Ở giai đoạn này do phần bề mặt khối bê tông co ngót nhanh hơn và cƣờng độ BT còn nhỏ nên thƣờng gây ra các vết nứt bề mặt có dạng chân chim. Do đó, để hạn chế các vết nứt bề mặt này ngƣời ta thƣờng chú ý bão dƣỡng tốt hơn trong những ngày đầu bảo dƣỡng bê tông. + Co ngót khô: Là loại co ngót xuất hiện sau khi BT đã hoàn toàn ninh kết và các phản ứng thủy hóa đã hoàn thành. - Trƣờng hợp BT nằm trong môi trƣờng ẩm ƣớt và BT chƣa bão hòa nƣớc thì nƣớc sẽ thấm vào BT làm tăng thể tích BT, hiện tƣợng này gọi là nở ƣớt. Khi BT đã hoàn toàn bão hòa nƣớc thì sẽ không xảy ra hiện tƣợng nở ƣớt. - Co ngót là một quá trình rất phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 đƣa ra công thức kinh nghiệm để tính biến dạng do co ngót (Trƣờng hợp bảo dƣỡng ẩm và cốt liệu không co ngót) nhƣ sau: Trong đó: t = là thời gian khô tính bằng ngày, ks = là một hệ số kích thƣớc đƣợc tra từ Hình 1.7 kh = là hệ số độ ẩm đƣợc lấy theo Bảng 1.2. 3. . .0,51.10 35 sh s h t k k t           Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 57 Hình 1.7: Hệ số ks đối với tỉ số thể tích/diện tích bề mặt Bảng 1.2: Hệ số kh đối với độ ẩm tương đối H Độ ẩm tƣơng đối trung bình của môi trƣờng, H (%) kh 40 50 60 70 80 90 100 1,43 1,29 1,14 1,00 0,86 0,43 0,00 1.3.1.3.3 Từ biến của bê tông - Từ biến của BT là hiện tƣợng tăng biến dạng theo thời gian khi tải trọng không đổi. - Tải trọng không đổi là tải trọng tác dụng lâu dài - dài hạn - thƣờng xuyên lên kết cấu. Ví dụ độ võng của dầm, biến dạng dọc trục trong cột tăng theo thời gian khi chúng chịu tác dụng của tải trọng thƣờng xuyên tác dụng lên nhƣ trọng lƣợng bản thân, trọng lƣợng kết cấu bên trên,...Trong dầm BTCT DUL, dƣới tác dụng dài lâu của UST làm cho BT bị co lại theo thời gian  làm mất mát ứng suất trong cốt thép DUL. - Sự thay đổi biến dạng theo thời gian cũng phụ thuộc vào các nhân tố có ảnh hƣởng đối với biến dạng co ngót, ngoài ra còn phải kể đến độ lớn và khoảng thời Thiết kế cầu Bộ môn cầu đường – Trường CĐXD TP.HCM 58 gian tồn tại của ứng suất nén, cƣờng độ chịu nén của bê tông và tuổi của bê tông khi bắt đầu chịu tải trọng dài hạn. - Từ biến của bê tông là một quá trình phức tạp, Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 đƣa ra công thức kinh nghiệm xác định biến dạng do từ biến nhƣ sau: Trong đó: t = tuổi của bê tông theo ngày kể từ thời điểm đổ bê tông; ti = tuổi của bê tông theo ngày kể từ khi tải trọng thƣờng xuyên tác dụng. (t, ti) = hệ số từ biến, xác d8i5nh nhƣ sau: Trong đó: H = độ ẩm tƣơng đối của môi trƣờng (%), kc = một hệ số điều chỉnh đối với ảnh hƣởng của tỉ số giữa thể tích và diện tích bề mặt và thời gian chất tải, đƣợc lấy theo Hình 1.8. f’c = cƣờng độ chịu nén của BT 28 ngày (MPa) (t-ti) = thời gian chịu tải Hình 1.8: Hệ số kc đối với tỉ số thể tích/diện tích bề mặt      , , .CR i i cit t t t      