‹ Chương 5 CAU VOM (ARCH BRIDGES) Cầu vòm đá Giới thiệu chung về cầu vòm đá Cầu vòm đá là cầu được xây bằng đá thiên nhiên với vữa xi măng. Trường hợp đặc biệt với khẩu độ rất nhỏ có thể xếp khan. Các khối xây đá có khả năng chịu nén tốt, chịu kéo kém. Do ấ khi thiết kế đối với kết cấu chịu lực chủ yêu bằng loại vật liệu này phải bảo đảm chịu nén.
là chính. Nghĩa là cầu luôn được làm thích hợp hơn cả là hệ thống vòm với bộ phận cu lực chủ yếu là kết cầu bản vòm (hay vành vòm). Cầu vòm đá so với những cầu được xây dựng bing các vật liệu khác, có những đặc điểm nỗi bật la: Cầu vòm đá được xây dựn; bằng loại vật liệu a độ bền cáo. Do đó, khi được phòng nước tốt thì có thể sử dụng được one bền lâu, hầu như không cần phải sửa chữa.
Nhờ tính chất cấu tạo thành khối đớn, nặng né, nên cầu ít chịu ảnh hưởng của tác dụng động lực do hoạt tải gây ra. Mặt khác cầu vòm đá có khả năng sử dụng vật Hie thiên nhiên (đá, cát) sẵn có ở nhiều nơi. Cầu vòm đá có hình thức bên ngoài đẹp và dễ trang trí theo yêu cầu kiến trúc. Vì vậy loại cầu này thường | được xây dựng tr ng thành phố, ở công viên, khu du lịch.
Nhược điểm chính của khối xây đá là chịu kéo kém, Trong cầu vòm đá có thể được khắc phục một phần nhờ sự điều chỉnh nhân tạo nội lực trong bản vòm. Việc điều chỉnh này, chủ yêu được thực. hiện trong,giai đoạn xây dựng cầu. Một nhược điểm đáng kể nhất của cầu vòm đá là: tốn nhiều công sức khi xây dựng, vì phải làm đà giáo phức tạp đòi hỏi chất lượng cao.
Trong xây dựng, tất cả các công việc đều rất khó cơ giới hoá. Trọng lượng bản thân rất lớn và vòm là một hệ thống có lực đây ngang, nên mé trụ phải có kích thước lớn. Trong bảñ vòm đá chỉ cho phép xuất hiện ứng suất kéo rất nhỏ, vì vậy phải được xây dung noi nền đất tốt, rat ít lún. Nếu xây dựng bản vòm ba chốt, thì bản vòm là hệ tĩnh định, không Xư hiện ứng suất phụ bat lợi khi móng có chuyén vị ngang hoặc lún.
Nhưng việc làm chốt cho bản vòm lại rất khó khăn, phức tạp, chỉ phí lớn. Vì lẽ đó, đối với cầu vòm đá thường chi 4p dụng thích hợp với kết cầu bản vòm không khớp. Cho nên xây dựng cầu vòm đá yêu cầu nơi có điều kiện nền đất tốt phải thường xuyên được đặt ra. Cấu tạo chung về cầu vòm đá Hiện nay cầu vòm đá được xây dựng với khẩu độ nhỏ không quá 20m (hình 5.
Bộ phận chịu lực chính của cầu vòm đá là bản vòm. Chỗ bản vòm tựa trên mó, trụ là mặt cắt chân vòm. Mặt cắt ngang cao nhất của bản vòm là mặt cắt đỉnh vòm. Đường tim bản vòm là đường hình học đi qua tất cả các trọng tâm của những mặt cắt ngang theo phương bán kính của bản vòm.
Khoảng cách nằm ngang giữa hai tâm bản vòm ở mặt cắt chân vòm là khẩu độ tính toán của bản vòm (/). Khoảng cách từ đường nằm ngang nối hai tâm mặt cắt chân vòm với tâm mặt 10 cắt đỉnh vòm là đường tên tính toán của bản vòm (f). Tuy theo tri số của tỷ lệ giữa đường tên và khâu độ ta có: Khi f/1 > 1/5 gọi là bản vòm dốc và khi f/!< 1/5 gọi là bản vòm thoải. 1/2MẶTCHÍNH | A 1/2CATDOC | B 1 - Bản vòm 2 -Mố _.8 - Kết cấu trên vòm 4 - Tầng phòng nước.
+ 5 - Bản bê tông cốt thép 6 - Rãnh thoát nước sau mố.1 Cấu tạo chúng cầu vòm đá khẩu độ nhỏ - Đường trục vòm hợp lý phải trùng với đường cong áp lực do tĩnh tải gây ra, để trong vòm luôn có sự phan bố tốt nhất ứng suất tính toán không những chỉ riêng của tĩnh tải mà của cả hoạt tải và sự thay đổi nhiệt độ. Vì vậy đường trục vòm thường được làm dưới dạng đường cong parabol bac’ hai, nhưng để đơn giản trong thi công đối với những vòm khâu độ nhỏ thường được làm theo đường cung tròn hay elip. “Bề đầy bản vòm được tăng dần từ chân vòm đến đỉnh vòm đẻ phù hợp với biểu đồ áp lực tác đựng của tải trọng bên trên. Nhưng thông thường cầu vòm đá được làm với khâu độ nhỏ dưới IŨm, nên để kết cấu được đơn giản và xây dựng dễ dàng, bản vòm được làm có bề dày không đổi trên suốt chiều dài khẩu độ.
Bê rong bản vòm được làm không đổi và ít nhất bằng bản bê tông phần xe chạy của cầu. Khi cầu nhịp lớn và khổ rộng, bộ phận chịu lực chủ yếu của cầu vòm có thể được làm thành nhiều sườn vòm. Để đỡ phần xe chạy và truyền áp lực của hoạt tải xuống bản vòm, phải có kết cầu trên bản vòm. Kết cấu trên bản vòm có thể cấu tạo dưới dạng một khối vật liệu dap (cát hạt to, sỏi san, dé dam.) hay mot khối vật liệu xây đặc (khối xây bằng đá thiên nhiên hoặc bê tông).
Nêu kêt câu trên bản vòm là khôi vật liệu đắp thì phải có tường xây trên bản vòm theo chiêu dọc cầu ở hai bên mép bản vòm để giữ. Nếu kết câu trên vòm là khối vật liệu xây thì có thể 10 xây đặc, nếu khẩu độ nhỏ, khi khẩu độ lớn hơn 10m để giảm trọng lượng bên trên và đỡ tốn vật liệu có thể được xây thành các tường dọc theo suốt chiều đài bản vòm. Nếu khẩu độ cầu vòm đá lớn hơn 15m, thì phía trên bản vòm giữa kết cấu trên bản vòm và mồ trụ phải có khe biến dạng làm suốt bề rộng cầu. Kết cấu bên trên bản vòm thường được xây bằng nhiều vòm nhỏ có đường tim là nửa cung tròn với khẩu độ 3m (hình 5.2), do đó kết cầu có những lỗ rỗng theo chiều dọc hay chiều ngang cầu, nhờ vậy mà trọng lượng kết cấu trên bản vòm được giảm đi nhiều so với khi làm đặc.
A 1/2 (A -A) 4 SC SH Hình 5.2 Cấu tạo cầu vòm đá có phía trên bản vòm được xây bằng nhiều vòm nhỏ Để tạo những lỗ rỗng theo chiều dọc ở kết cấu trên-vòm, có hai cách là: cách thứ nhất: làm các vòm nhỏ tựa lên những bức tường, đọc xây trên bản vòm chính, cách thứ hai được sử dụng nhiều là làm các bản bê tông cốt thép tựa lên các bức tường dọc được xây bằng nhiều vòm nhỏ trên vòm chính hing, #5). Nhu vậy vừa tạo lỗ rỗng theo chiều doc và chiều ngang cầu. Việc cần thiết phải giảm bề rộng bản vont khi cầu rộng, có ý nghĩa rất lớn về mặt kinh tế. Khi đó ứng suất do trọng lượng kết cầu trên bản-vòm và hoạt tải gây ra tăng lên, vì thế vật liệu để xây dựng bản vòm phải chịu lực hết khả năng.
Trong khi đó lại giảm được phản lực gỗ đo trọng lượng bản thân gây ra. Kết quả là khối lượng bản vòm và mô trụ giảm đi. Có nhiều biện pháp dễ giảm bề rộng của bản vòm để giảm nhẹ bớt kết cấu nhịp như làm hai hay nhiều vành vờm Song song, các khoảng trong giữa các vành vòm được phủ bởi các vòm nhỏ. Nhưng như vậy vòm chính lại chịu lực đây ngang của các vòm nhỏ.
Vì vậy biện pháp thường được sử dựng nhất là thay các vòm nhỏ bằng bản bê tông cốt thép, bản có thể làm gờ theo hai phương doe và ngang và các gờ này được tựa vào đúng giữa bề rộng các vòm chính. Cầu vòm bê tông ‹ cốt thép , Các sơ đô cầu vòm bê tong cot thép Cầu vòm bê tông cốt thép thường được xây dựng với khẩu độ lớn hơn nhiều so với cầu vòm đá. Kết cấu chịu lực chủ yếu trong cầu vòm bê tông cốt thép là kết cấu vòm có cấu tạo rất đa dạng (cuốn vòm, sườn vòm. Nói chung nó là một thanh cong mà hai đầu được liên kết chốt hoặc liên kết ngàm với mó trụ cầu để chúng không thẻ chuyền vị theo hướng nằm ngang được.
Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng (nh tải, hoạt tải) lên kết cấu nhịp, sẽ gây ra trong mồ trụ các lực day ngang và gây ra trong vòm lực nén, mômen uốn và lực cat. Khi lựa chọn đường trục vòm hợp lý cho trùng với đường cong áp lực của nó thì hầu như tránh được mômen uôn và lực cắt. Tuy nhiên vì trên câu có hoạt tải chạy qua, nên khôn thể tránh được mômen uốn do hoạt tải. Kết quả là mặt cắt vòm luôn chịu nén lệch tâm.
Điều kiện đó tương đối phù hợp với tính chất chịu lực của bê tông là chịu nén tốt. Khi thiết kế một cách 10 hợp lý thì trị số mômen uốn trong vòm không lớn. Do đó kết cấu nhịp vòm tiết kiệm vật liệu hơn các kết cấu nghịp dầm có cùng khẩu độ và tải trọng (xét riêng về mặt vật liệu làm kết cầu nhịp). Tuy nhiên, các lực day ngang ở chân vòm truyền lên mố trụ khá lớn, do đó phải tăng kích thước nền móng và tăng khôi lượng vật liệu làm mô trụ.
Trường hợp đất nền càng yếu thì phí tổn xây dựng mồ trụ cầu vòm càng lớn. Như vậy nói chung khi lựa chọn phương án cầu phải xét toàn diện cả phần kết cấu nhịp và phần mồ trụ. Về sơ đồ kết cấu cầu vòm có thể áp dụng: vòm không khớp, vòm hai khớp và vòm ba khớp. Tiết kiệm nhất và cấu tạo đơn giản nhất là sơ đồ cầu vòm không khớp.
Tuy nhiên đây là sơ đồ kết cấu siêu tĩnh bậc 3, nên có xuất hiện các nội lực phụ do co ngót, từ biến bê tông, do thay đổi nhiệt độ, đặc biệt là do lún khi nền đất không đủ vững chắc. Sơ đồ cầu vòm hai khớp (hai khớp ở chân vòm) có bậc siêu tĩnh là 1, nên các nội lực phụ cũng nhỏ hơn, chẳng hạn khi mồ trụ bị lún thẳng đứng thì trong vòm không xuất hiện mômen phụ. Sơ đồ cầu vòm 3 khớp (hai khớp ở chân vòm và một khớp ở đỉnh vòm) là sơ đồ kết cấu tĩnh định, nên không có các nội lực phụ nói trên. Việc thi công lắp ghép từ các nửa vòm đối xứng tương đối ít phức tạp.
Vi vay câu vòm 3 khớp không đòi hỏi điều kiện địa chất thật vững: chắc (nêu mồ trụ bị lún cũng không xuất hiện nội lực phụ trong vòm). Tuy nhiên do có câu tạo khớp nên thi công khá phức tap. Xét về mặt độ cứng thì cầu vòm không khớp là cứng nhất, cau vom 3 khớp là kém cứng nhất.