CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI Phần giới thiệu tổng quan nhằm mục đích trình bày những khái niệm, cấu tạo, ưu khuyết điểm, ứng dụng của kết cấu cầu thép liên hợp nói chung và cầu dầm Pre- beam nói riêng trong thực tế và triển vọng áp dụng tại Việt Nam. Làm rõ hơn về phương diện cấu tạo, vật liệu giúp xác định được kích thước của các hạng mục kết cấu chính phục vụ cho đề tài nghiên cứu. Tổng quan về cầu dầm thép Cầu thép ra đời và phát triển cùng với sự lớn mạnh của ngành công nghệ luyện kim trên thế giới. Sau khi bê tông cốt thép ra đời, việc nghiên cứu kết hợp hai loại vật liệu là thép và bê tông cốt thép để tăng cường độ cứng của thép và bê tông bảo vệ cốt thép khỏi ảnh hưởng của môi trường nhằm mục đích sử dụng hiệu quả hai loại vật liệu này.
Kết cấu dầm thép liên hợp bản BTCT là một trong những dạng kết cấu cầu được sử dụng khá phổ biến trên thế giới trong cầu ô tô và cầu đường sắt. Đó là dạng kết cấu làm từ hai loại vật liệu là thép và bê tông cốt thép, được liên kết chặt chẽ với nhau để cùng tham gia chịu lực thông qua các hệ thống neo liên kết. Vật liệu thép ở đây thường là các loại thép hình, vật liệu BTCT có thể là BTCT thường hoặc BTCT dự ứng lực. Một số loại cầu dầm liên hợp đã được sử dụng: 1.
Cầu dầm thép tiết diện hộp Thích hợp cho các nhịp dầm đơn giản nhịp từ 25m trở lên hoặc cầu dầm liên tục nhịp trên 36m, là kết cấu nhịp có dạng ống, trong đó bản đáy và vách được làm bằng thép tấm, bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép. Dầm thép tiết diện hộp có thể là hộp đơn, hộp kép hoặc nhiều hộp. Cầu dầm thép tiết diện hộp có thể có hai hay nhiều tiết diện ngang kín riêng lẻ, bên trên có bản bê tông cốt thép. Vách có thể đứng hoặc xiên; vách xiên có ưu điểm là bản đáy hẹp hơn.
Bản biên trên thường đủ rộng để đỡ bản bê tông và đủ để bố trí neo chống cắt cho tiết diện liên hợp. Trong cầu dầm thép tiết diện hộp liên hợp có trục thẳng đứng đối xứng, mỗi nữa của tiết diện hộp có thể được coi như tương đương với một tiết diện I ghép. Dầm thép hộp có các ưu, nhược điểm giống dầm thép I. Tuy nhiên có ưu điểm vượt trội hơn là độ cứng và cường độ chống xoắn cao do tiết diện ngang kín.
Mặt cắt ngang cầu dầm thép hộp liên hợp 1. Cầu dầm thép tiết diện chữ I Phổ biến cho các nhịp cầu nhỏ và vừa trên đường ô tô. Đối với các nhịp nhỏ (<30m) thông thường thép chủ làm bằng thép hình I cán đặt cách đều và song song với nhau. Đối với các nhịp lớn hơn thường dùng dầm thép tổ hợp, dầm này thường có chiều cao lớn hơn chiều cao lớn nhất của các dầm thép cán.
Bên trên dầm thép thường là bản bê tông cốt thép vừa làm bản mặt cầu cho xe chạy vừa tạo độ cứng ngang cho các dầm dọc. Mặt cắt ngang cầu dầm I liên hợp Loại cầu này được dùng phổ biến trên thế giới và cả Việt Nam. Ở Việt Nam đang được sử dụng cho các cầu vượt nút giao để giảm ùn tắc giao thông, chủ yếu ở 2 thành phố lớn: Hà Nội và Hồ Chí Minh. Dầm thép I liên hợp có nhiều ưu điểm như: tính đồng nhất cao, chịu nhiệt tốt, dễ gia công chế tạo, có thể cơ giới hoá triệt để và kết cấu thanh mảnh, nhẹ.
Có thể dùng trong các công trình tạm cũng như vĩnh cửu. Tuy nhiên cũng có 1 số nhược điểm: hiện tượng gỉ làm ăn mòn kim loại, làm giảm tiết diện chịu lực, phá hoại các liên kết, do đó làm giảm tuổi thọ của công trình và chi phí duy tu bảo dưỡng cao. Dầm thép liên hợp uốn trước (Preflex girder) 1. Dầm thép liên hợp uốn trước (loại 1): Công nghệ này được giới thiệu tại Bỉ vào năm 1951, sau đó được áp dụng rộng rải ở Nhật, Đức, Hàn Quốc,… Cấu tạo tương tự như dầm thép I liên hợp bản bê tông cốt thép.
Tuy nhiên loại dầm này được thiết kế bê tông bọc bản cánh thép phía dưới và bản bê tông này được tạo ứng suất trước bằng cách uốn dầm thép bởi 2 lực kích đặt cách dầu dầm 1/3 hoặc 1/4 chiều dài nhịp, sau đó bổ bê tông bản cánh dưới và khi bê tông đạt cường độ thiết kế thì dỡ tải. Dầm thép liên hợp ứng suất trước (Preflex girder), [9] Công nghệ này được áp dụng đầu tiên cho kết cấu dân dụng như tòa nhà Southern Tower ở Bỉ có 144 dầm, tòa nhà Berlaymont Building có 319 dầm và sau đó được ứng dụng rộng rải trong các công trình cầu đường bộ, sắt. Dầm thép liên hợp uốn trước (loại 2- Prebeam): Tương tự như loại 1, dầm thép được bao bọc toàn bộ bằng bê tông và cũng gây ứng suất trước cho bản bê tông cánh dưới dầm. Trong đề tài luận văn tập trung nghiên cứu loại kết cấu này.
Giới thiệu về cầu dầm “Pre- beam” Trước đây dầm thép và bê tông cùng làm việc với nhau chỉ mang tính chất liên hợp giữa hai loại vật liệu, chưa tạo dự ứng lực trong bê tông ngoại trừ các biện pháp điều chỉnh ứng suất sau khi chế tạo. Vì vậy không phát huy tối đa khả năng của bê tông trong cơ chế làm việc của kết cấu, với quan điểm đó bê tông bọc ngoài dầm thép và tạo dự ứng lực cho bê tông trong quá trình chế tạo đã được nghiên cứu. Kết cấu này phát triển chủ yếu ở Nhật Bản với tên gọi tắt là ’’Pre- beam’’, đã có nhiều công trình cầu và các công trình khác sử dụng. Cầu Makabi, [14] Bảng 1.
Một số công trình cầu Pre-beam, [14] Chiều rộng Khai STT Tên cầu Vị trí Chiều dài cầu (m) cầu (m) thác 1 Makabi Okinawa- Japan 45+210+53 11,2 2006 2 New Itajima Aichi- Japan 21,4+3@28,5+21,9 12 2001 3 Dah Chih Taipie city- Taiwan 30+55@20 13,55 1996 4 Shichijunihou Toyama- Japan 17,2 4,2 1992 Cầu dầm Pre-Beam dùng làm cầu vượt qua các công trình giao thông quan trọng hoặc vượt địa hình yêu cầu về kiến trúc. Dầm Pre-beam có thể được hiểu là 7 dầm liên hợp thép và bê tông hay dầm bê tông cốt thép hình được dự ứng lực nhờ công nghệ gia tải lên thép hình có độ vồng sẵn. Sự tiếp xúc đơn giản giữa bê tông và thép có được khi đổ bê tông không đủ để đảm bảo một sự dính kết tốt nhất giữa hai loại vật liệu. Sự dính kết này phụ thuộc trạng thái bề mặt của thép và dường như không đủ để chống lại tác dụng mỏi.
Hơn nữa sự co ngót theo chiều ngang của bê tông có xu hướng bóc bê tông ra khỏi các mặt thẳng đứng của sườn dầm thép. Khi mà điều này xảy ra thì sẽ không còn sự dính kết giữa bê tông và thép nữa. Vì vậy cần phải bố trí các cốt thép thường để liên kết hai vật liệu này và đảm bảo sự liên kết chắc chắn giữa bê tông và thép. Ngoài ra trên dầm thép cán còn bố trí các sườn tăng cường để tăng khả năng ổn định của dầm thép.
Công nghệ dầm Pre-beam là một dạng của công nghệ tạo dự ứng lực dùng giải pháp uốn trước (Pre-flexion) dầm thép một cách hợp lý. Công nghệ này được thực hiện trong nhà máy, dầm thép được bao bọc hoàn toàn bởi bê tông, riêng phần bê tông bản cánh dưới được tạo ứng suất nén trước, phần bê tông bản mặt cầu và bê tông bản bụng được đổ tại chỗ ngoài công trường. Dầm thép và bản bê tông được liên hợp với nhau nhờ các đinh neo hay lưới cốt thép và trở thành dầm có các đặc tính nổi bật. Cấu tạo dầm “Pre- beam” Hình 1.
Cầu dầm Pre- beam Dầm Pre-Beam tương tự như dầm thép liên hợp bê tông cốt thép. Tuy nhiên ở đây dầm thép I được bọc bởi bê tông và cùng với bê tông bọc chịu tải trọng, lúc này liên kết giữa bê tông và dầm thép giống như dầm bê tông cốt thép mà dầm thép I đóng vai trò là cốt thép chủ (cốt cứng), bao gồm:. – Dầm thép là dầm I tổ hợp hàn các tấm thép được chế tạo có độ vồng trước. Vật liệu làm dầm thép theo AASHTO M270M cấp 345 (345W) ; 8 Hình 1.
Gia công chế tạo dầm thép I – Dầm thép được bao bọc bằng bê tông. Lớp bê tông này được đổ theo từng phân đoạn trên từng vị trí của dầm thép: + Bản cánh dưới sử dụng bê tông cường độ cao f’c≥ 50Mpa; + Bản sườn, bản cánh trên, dầm ngang sử dụng bê tông có cường độ chịu nén f’c≥30Mpa. Bê tông bọc dầm thép – Đối với bản cánh dưới thiết kế các đinh neo (neo hộp) để liên hợp dầm thép với bê tông. – Đối với bản cánh trên được thiết kế các chốt đinh neo.
– Ngoài ra, các thanh cốt đai được hàn vào dầm thép, có thể được xem như là các neo liên kết trong kết cấu dầm thép liên hợp BTCT. Liên kết bản bê tông và dầm thép Để bê tông bọc quanh cùng làm việc với dầm thép tạo thành 1 kết cấu liên hợp. Vì vậy tính toán thiết kế, bố trí các đinh neo và thiết lập các cốt đai: – Neo chống cắt: bản cánh trên, cánh dưới của dầm thép phải bố trí neo đinh chống cắt ở mặt tiếp xúc giữa bản bê tông và thép để chịu lực cắt. Các neo chống cắt thiết kế cho phép khi đầm kỹ bê tông vẫn bảo đảm toàn bộ bề mặt của chúng được tiếp xúc với bê tông.
Các neo phải có khả năng chống lại cả 9 hai chuyển vị thẳng đứng và ngang giữa bê tông và thép. Tỷ lệ của chiều cao với đường kính của neo đinh chịu cắt không được nhỏ hơn 4,0. – Cốt thép bố trí chống bóc: khi đổ bê tông bản bụng, bản đáy, để bê tông không bị bóc tách và không bị nứt, người ta bố trí vào cốt thép dọc trục và cốt đai. – Sườn gờ tăng cường ngang gồm có các tấm hoặc thép góc được hàn hoặc liên kết bằng bulông vào một hoặc cả hai bên của bản bụng.
Các sườn tăng cường không sử dụng như là các tấm nối, phải lắp khít chặt vào bản cánh chịu nén, nhưng không cần phải ép vào mặt bản cánh chịu kéo. Neo chèng c¾t ThÐp chèng bãc t¸ch BT Hình 1. Bê tông bọc dầm thép 1.
