CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI DẦM THÉP 1.1 Các dạng mối nối trong cầu dầm thép. Trong thực tế thi công cầu dầm thép, có 2 nguyên nhân khiến phải nối dầm và xuất phát từ đó quyết định cấu tạo của mối nối. Do kích thước thép tấm và thép hình mà nhà máy sản xuất ra.
Trong trường hợp này mối nối được thực hiện ngay tại nhà máy chế tạo dầm và có thể chỉ nối riêng từng bộ phận của tiết diện, chẳng hạn chỗ nối bản biên, nối thép góc biên, nối tấm sườn dầm, hoặc nối toàn bộ tiết diện. Do những hạn chế vì vận chuyển và lao lắp dẫn tới phải nối dầm và thực hiện tại công trường. Mối nối này gọi tên là mối nối lắp ráp, tiến hành với toàn bộ tiết diện. Mối nối lắp ráp phải thuận tiện cho công tác thi công.
Trước đây trong công trình cầu, các mối nối sử dụng đinh tán còn hiện nay sử dụng mối nối bằng bu lông cường độ cao, do việc gia công và thi công mối bằng đinh tán khó khăn, phức tạp. Vị trí nối thường được chọn tại mặt cắt nội lực nhỏ (hoặc dư sức kháng), để chịu mô men và lực cắt. người ta có thể kết hợp việc bố trí mối nối để tạo độ vồng trước cho cầu dầm thép liên hợp với BTCT. Mối nối dầm thông thường được chia thành 2 phần: mối nối bản biên và mối nối sườn.
Mối nối bản biên chủ yếu để chịu mô men, mối nối sườn chủ yếu chịu lực cắt. Trong trường hợp khi tiết diện tại vị trí nối bị giảm yếu do các lỗ đinh, người ta phải bù tiết diện bằng cách hàn các bản thép vào biên dầm và sườn dầm, cấu tạo mối nối có bản bù xem Hình 1-1 10 B¶n nèi B¶n bï B¶n nèi B¶n bï DÇm chñ DÇm chñ ChiÒu dµi b¶n nèi b > 35 b mm a 2 a 1 a2 a 1 Hình 1-1. Cấu tạo mối nối dầm có bản bù Việc hàn thêm bản bù là khó khăn và phức tạp, mặt khác do mối nối thường bố trí tại những nơi nội lực nhỏ, mặt dù đã bị giảm yếu tiết diện nhưng phần còn lại vẫn thừa đủ để chịu lực (ứng suất phát sinh nhỏ hơn cường độ của thép tương đối nhiều), do vậy người ta không cân phải hàn bản bù tại vị trí mối nối, nhằm mục đích đơn giản trong quá trình thi công, Hình 1-2 thể hiện mối nối dầm I không sử dụng bản bù. ii ii - ii ii Hình 1-2.
Cấu tạo mối nối dầm Trong một số trường hợp người ta có thể chỉ sử dụng một bản nối phía ngoài của biên dầm (Hình 1-3). Mối nối không sử dụng bản nối trong của biên dầm Trong một số công trình xây dựng có sử dụng mối nối đấu đầu trực tiếp kết hợp giữa hàn và bu lông cường độ cao, trường hợp này chưa thấy sử dụng trong các dầm cầu. Mối nối đấu đầu trực tiếp Đối với các dầm hộp thép kín hoặc hở, các mối nối được thực hiện tại các biên dầm và sườn dầm, tương tự như mối nối dầm I. 12 Trong thời gian vừa qua để giảm tải tại các nút giao có mật độ giao thông lớn, giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông trước mắt, thành phố Hà Nội đã làm nhiều cầu vượt có kết cấu nhẹ qua các nút giao.
Một trong những kết cấu đã được sử dụng là kết cấu dầm hộp thép. Do đó các mối nối dầm hộp đã được và sử dụng cho các cầu này. Một trong những cầu có kết cấu nhịp dạng hộp như trên mới được đưa vào sử dụng là cầu vượt nút giao đường Lê Văn Lương – đường Láng, tại quận Cầu giấy và Đống Đa – thành phố Hà Nội. Cầu có tổng chiều dài bao gồm cả cầu dẫn là 583,09m.
Thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Cầu được thiết kế với hoạt tải hạn chế 3T. Kết cấu nhịp: Kết cấu cầu gồm 8 nhịp dầm hộp thép bê tông liên hợp có sơ đồ nhịp 35+45+34+3x45+35+30. Tổng chiều dài tính đến đuôi tường cánh mố là 315m; Khổ cầu B = 9,0m với 4 dầm cách nhau 2,45m; Kích thước sườn dầm 14x1350 (mm); Kích thước bản cánh trên biến thiên: 14x850; 24x850; 32x850 (mm).
Kích thước bản cánh dưới biến thiên: 16x850; 26x850; 30x850 (mm). Bản mặt cầu BTCT đúc sẵn, mối nối đổ tại chỗ có chiều dày tối thiểu là 150mm được liên kết với dầm thông qua các neo chống cắt. Kết cấu phần dưới: Mố cầu bằng BTCT dạng tường U trên móng cọc khoan nhồi đường kính D2000 mm, sau mố đặt bản quá độ L = 6m. Trụ cầu dạng trụ 1 thân tròn D1500mm bằng thép đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính D2000mm.
13 Các đoạn dầm hộp được liên kết với nhau bằng mối nối bu lông cường độ cao. Trong dầm có từ 2 đến 4 mối nối ở giữa dầm tùy theo chiều dài nhịp, dạng mối nối xem Hình 1-7, Hình 1-8. Tại vị trí các trụ, các xà mũ được thiết kế và thi công các đầu chờ để liên kết các đầu dầm hộp vào các xà mũ bằng liên kết bu lông cường độ cao, tạo thành kết cấu liên tục hoặc khung dầm liên tục, xem Hình 1-5, Hình 1-6. Mặt đứng xà mũ 14 Hình 1-6.
Mặt bằng xà mũ 15 Hình 1-7. Mối nối điển hình 16 Hình 1-8. Mối nối cánh dầm 1.2 Cấu tạo và sự làm việc của mối nối dầm thép.1 Cấu tạo và sự làm việc của mối nối theo tiêu chuẩn ngành 22TCN18-79: + Cấu tạo mối nối dầm hàn Dầm hàn là dầm được cấu tạo từ ba bản thép, hai bản làm bản biên và một bản làm sườn, do đó cấu tạo mối nối gồm có mối nối bản biên và mối nối sườn dầm (xem Hình 1-1, Hình 1-2) 17 Để tính toán thiết kế mối nối thông thường người ta thường dự kiến trước cấu tạo mối nối, sau đó tiến hành tính toán kiểm tra nội lực trong bu lông splice Sõ¬n dÇm Bu l«ng cõ¬ng ®é cao TÊm nèi sõ¬n TÊm nèi trong TÊm b¶n C¸nh dÇm TÊm nèi ngoµi Hình 1-9. Mối dầm bằng bu lông cườn độ cao Khoảng cách tối thiểu theo chiều ngang và dọc giữa các bu lông cường độ cao là 3,5d và không nhỏ hơn kích thước cần thiết để đặt khóa vặn đai ốc khi xiết bu lông, trong đó d – đường kính lỗ bu lông.
Đường kính ngoài của khóa vặn có lỗ bằng khoảng 2,5d. Khoảng các từ giữa lỗ bu lông đến mép bản không nhỏ hơn 2d theo chiều dọc dầm và 1,5d theo chiều ngang dầm. + Cấu tạo mối nối dầm hàn có bản bù Để bù lại diện tích bị giảm yếu bởi các lỗ đinh trong phạm vi bố trí các bản nối, cần phải sử dụng các kiểu bản bù: bản bù dày, bản bù rộng, bản bù riêng. Bản bù riêng được chế tạo từ những bản thép mỏng (nhưng không mỏng hơn 6mm) hàn táp vào đầu các bản biên phải nối (xem Hình 1-1) Nếu bề rộng các bản bù ở biên dầm vượt quá 35 lần bề dày của nó thì có thể làm thành hai bản có bề rộng nhỏ hơn.
Ở hai đầu của mối nối các bản bù được cắt vát để cho lực truyền điều hòa và giảm ứng suất tập trung. Khi đó 18 khoảng cách giữa các mạch hàn của hai bản bù kề nhau không được nhỏ quá 60mm. Khoảng cách từ tim lỗ bu lông đến mép bản bù không được nhỏ hơn hai lần đường kính lỗ. Đối với những bản ốp bù hao phải cắt vát theo bề rộng với độ xiên không quá 1:1.
Các mạch hàn xiên nên lấy tỷ số các cạnh góc vuông của mạch hàn là 1:2. Nhược điểm của trường hợp này là giữa bản nối và bản bủ có khe hở, dẫn đến dễ đọng nước gây han gỉ kết cấu. Sự giảm yếu của sườn dầm do các lỗ đinh tương đối ít ảnh hưởng đến mô men quán tính chung của dầm, cho nên có thể không cần làm bản bù sườn dầm mà chỉ cần tăng kích thước bản bù của biên dầm lên một ít. Có thể chọn bề rộng bản bù nhỏ hơn bề rộng bản biên trong khoảng 24mm đến 4 lần bề dày bản bù để bố trí các mối hàn dọc.
Chiều dày bản bù có thể tính theo công thức gần đúng dựa trên điều kiện cân bằng mô men quán tính của tiết diện đã trừ giảm yếu của bản bù với phần bị giảm yếu của tiết diện dầm tại mối nối: 0,6I s nd b (h b ) 2 'b b 'b nd h 2 (1-1) Trong đó: Is – mô men quán tính tiết diện nguyên của sườn dầm; H và b - chiều cao dầm và chiều dày bản biên khi chưa có bản bù; b'b , 'b - bề rộng, chiều dày của bản bù biên dầm; N, d – số lượng và đường kính lỗ bu lông làm giảm yếu tiết diện biên dầm. Các mối hàn ở cuối các bản bù (đến hàng lỗ bu lông đầu tiên) phải đảm bảo liên kết được toàn bộ diện tích bản bù: 19 R u Fb' 2h h1a1 h 2 a a cos (1-2) 0,75R 0 Trong đó: Ru – cường độ tính toán chịu nén khi uốn của thép làm bản bù; Fb' - diện tích đã trừ giảm yếu của tiết diện bản bù; - góc tạo bởi cạnh vát của bản bù và trục của dầm (thường lấy 45 0 ); Hh1 và hh2 – chiều cao tính toán của các mối hàn góc trên đoạn có chiều dài a1 và a2. Thường chọn cạnh đứng của mối hàn sao cho không lớn hơn bề dày bản bù và không nhỏ hơn 6mm, cạnh nằm của nó gấp 2 lần cạnh đứng, khi đó hh lấy theo Phụ lục 5. Chiều dài mối hàn không nhỏ hơn 6 lần cạnh mối hàn và 60mm, đồng thời không được lớn hơn 50 lần cạnh mối hàn.
Mối hàn bản bù cũng cần thỏa mãn điều kiện chịu mỏi: t cFb' R u Fb' d 2h h1a1 h 2 a a cos hoặc (1-3) 0,75 h R 0 0,75R 0 h nếu tiết diện dầm được chọn theo điều kiện chống mỏi, Trong đó: t c - ứng suất do tải trọng tiêu chuẩn gây ra tại trọng tâm bản bù; d , h - các hệ số giảm cường độ do mỏi của dầm và của mối hàn, tính theo công thức 20 1 ( 1 a b a b 1-4) tc M min với t c phụ thuộc vào nội lực tiêu chuẩn của dầm tại tiết diện M max mối nối. Các mối nối sườn dầm và biên dầm thường dùng hai bản nối, khi đó bản nối nằm phía trong của bản biên được làm dưới hình thức từng cặp hai bản thép hẹp nằm hai bên sườn dầm.