CHƯƠNG I: TỔNG QUAN Sinh thời, Chủ tịch Hồ Chí Minh đã nói: “Giao thông là mạch máu của tổ quốc. Giao thông tốt thì mọi việc dễ dàng. Giao thông xấu thì các việc đình trệ”. Câu nói giản dị của Bác không chỉ nhấn mạnh đến vai trò quan trọng của GTVT trong sự nghịêp xây dựng và bảo vệ Tổ quốc, mà còn là lời nhắc nhở nhiệm vụ đối với những người làm công tác giao thông vận tải trong quá khứ, hiện tại và tương lai sau này.
Có thể nói lịch sử hình thành, phát triển và trưởng thành của mình, lớp lớp thế hệ cán bộ, công nhân, lao động ngành GTVT Việt Nam đã luôn theo lời chỉ dạy của Bác Hồ, luôn nỗ lực phấn đấu, góp phần quan trọng vào sự nghiệp đấu tranh giải phóng dân tộc, xây dựng và bảo vệ Tổ quốc của toàn Đảng, toàn dân và toàn quân ta. Bước vào thời bình, trong sự nghiệp tái thiết và phát triển đất nước, ngay từ khi bắt đầu công cuộc ‘Đổi mới’, phát triển nền kinh tế đất nước theo kinh tế thị trường định hướng XHCN, Đảng, Nhà nước đã chủ trương phải ưu tiên đầu tư phát triển GTVT để GTVT đi trước một bước tạo tiền đề và thúc đẩy kinh tế phát triển. Nghị quyết Đại hội Đảng toàn quốc lần thứ VI (1986) xác định: “GTVT là khâu quan trọng nhất của kết cấu hạ tầng’’ và “GTVT phải đi trước một bước để đáp ứng yêu cầu phát triển của nền kinh tế quốc dân’’. Do đó, đã có nhiều dự án cầu đã được triển khai.
Cùng với sự đi lên của nền kinh tế là các yêu cầu, đòi hỏi khắt khe về tính thẩm mỹ của một cây cầu. Ngày nay, con người muốn các cây cầu phải thanh mảnh, gọn nhẹ và có thể mang hình dáng thể hiện một ý tưởng nào đấy bên cạnh yêu cầu về chất lượng. Ngoài vật liệu bê tông thì vật liệu thép đang rất được chú trọng. Đặc điểm của cầu thép: Thép là vật liệu hoàn chỉnh được dùng rộng rãi trong tất cả mọi ngành công nghiệp cũng như đời sống hàng ngày và trong ngành xây dựng cầu nói riêng.
Đặc điểm nổi bật của thép là tính chịu lực cao ứng với mọi loại ứng suất (kéo, uốn, nén, cắt, xoắn,…) do đó có thể dùng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như dầm, giàn, vòm, treo và các hệ liên hợp. Thép có trọng lượng riêng khá lớn nhưng độ bền cao nên trọng lượng bản thân kết cấu rất nhẹ, vì vậy có khả năng làm các cầu nhịp rất lớn mà các loại vật liệu khác không thực hiện được. Hiện nay nhịp lớn nhất của cầu vòm bê tông cốt thép hay cầu dây văng có dầm cứng bằng BTCT còn dưới 500m trong khi đó cầu giàn thép đã đạt 550m cầu dây văng dầm cứng bằng thép đã đạt 1000m và cầu treo đạt 2000m và đang có nhiều dự án cầu treo có nhịp tới 5000m. Thép có cường độ cao nhưng mô đun đàn hồi lớn, do đó độ cứng lớn, độ võng nhỏ, nên cầu thép vẫn đáp ứng được điều kiện khai thác bình thường, chịu được ảnh hưởng của các loại tải trọng có chu kì như động đất, gió bão.
Mặt khác, thép có tính dẻo dai cao, sự phá hoại của thép thường diễn ra dưới trạng thái dẻo, tức là phá hoại có kèm theo sự biến dạng lớn, tạo điều kiện phân bố lại nội lực và ứng suất, do đó chịu tải trọng xung kích và tải trọng mỏi tốt. Về mặt lý hóa, thép có tính đồng nhất cao, dưới ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ và mô đun đàn hồi thay đổi ít nên cầu thường làm việc tốt trong điều kiện nhiệt độ của môi trường biến đổi. Mô đun đàn hồi tốt và tính chịu nhiệt cao là ưu điểm cơ bản của thép so với các loại vật liệu chất dẻo hiện nay. 11 Về mặt chế tạo, thép dễ gia công, dễ cắt, rèn đập, đúc cán, hàn nên có thể chế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp với đặc điểm các loại cầu khác nhau, đồng thời tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong công xưởng.
Thêm vào đó các bộ phận của cầu thép được vận chuyển từ nơi chế tạo đến công trường và công việc lắp ráp có thể cơ giới hóa triệt để, tạp điều kiện đẩy nhanh thời gian xây dựng công trình. Một đặc điểm của cầu thép là có nhiều dạng liên kết đáng tin cậy nư bu lông, chốt, đinh tán, hàn và dán. Các loại liên kết của thép đảm bảo tính lắp ghép cao, làm cho cầu dễ lắp, dễ tháo có thể dùng được trong các công trình vĩnh cửu, các công trình tạm và các công trình phục vụ quốc phòng. Nhược điểm cơ bản của thép là hiện tượng gỉ do tác động của môi trường ẩm, mặn, axit và các hơi độc khác.
Gỉ ăn mòn thép làm giảm tiết diện chị lực, làm hư hỏng liên kết, làm giảm tuổi thọ của công trình. Hiện nay đã có nhiều biện pháp chống gỉ hữu hiệu như sơn, mạ, dùng thép chống gỉ. Nói chung các công trình bằng thép phải thưởng xuyên được kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ, và tiến hành sơn phủ định kỳ. Do các đặc điểm trên nên thép thường được dùng cho két cấu nhịp của các cầu lớn trên đường sắt, đường ô tô, và các loại cầu tạm, yêu cầu thi công nhanh, cầu quân sự, yêu cầu tháo rỡ nhanh và vận chuyển nhẹ nhàng.
Mố trụ và các kết cấu móng chủ yếu dùng bê tông cốt thép. Ưu khuyết điểm của cầu thép: 1.Ưu điểm: 1) Thép là loại vật liệu xây dưng hoàn chỉnh nhất. Thép có các phẩm chất cao như tính đồng nhất, tính đẳng hướng, làm việc hoàn toàn đàn hồi trước khi đạt cường độ chảy. Thép có cường độ chịu kéo và nén cao.
Qua giới hạn cháy, vì có độ dẻo cao, tạo được độ dự trữ về cường độ lớn mà các vật liệu khác không có được, do đó thép chịu ổn định và tải trọng động tốt. 12 2) Cầu thép xây dựng nhanh hơn cầu BTCT hay BTCT ƯST, có thể lắp dựng dễ dàng qua sông, suối, thung lũng trong các điều kiện môi trường khác nhau và giảm chi phí xây dựng. 3) Kết cấu nhịp cầu thép nhẹ hơn BTCT, do đó giảm giá thành kết cấu phần dưới đặc biệt có ý nghĩa khi địa chất xấu. 4) Kết cấu nhịp cầu thép thường có thể thiết kế với chiều cao thấp hơn cầu BTCT, điều này rất có ý nghĩa khi cầm giảm chiều cao kiến trúc (các cầu vượt, cầu trên đường cao tốc…) 5) Cầu thép dễ sửa chữa và sửa chữa nhanh hơn cầu BTCT, ví dụ trong cầu dầm thép có bản BT, có thể sửa chữa hoặc thay thế dầm thép mà không cần chống đỡ.Nhược điểm Cầu thép có một số nhược điểm quan trọng làm giảm sự hấp dẫn so với cầu bê tông ứng suất trước: 1) Gỉ của thép là vấn đề dai dẳng và tốn kém trong việc duy tu bảo quản cầu và đó là một trong các nguyên nhân chính dẫn tới phá hỏng cầu thép.
Ngay cả đối với các loại thép được gọi là chống gỉ cũng không được như các nhà sủa xuất thép công bố. 2) Giá thành sơn cầu thép trong suốt thời gian phục vụ là rất cao. Vấn đề cạo gỉ khi sơn cầu làm ảnh hưởng đến môi trường, sức khỏe con người. Việc cạo sạch các lớp sơn cũ và thu gom các phế thải độc hại vô cùng đắt đỏ, đôi khi giá thành của việc cạo gỉ và thu gom phế thải độc hại đủ lớn để vứt bỏ cầu cũ và thay bằng một cầu mới.
Vì sơn cầu dễ gây vấn đề phiền toái như vậy, hiện nay nhiều nơi đang soạn thảo một chỉ dẫn riêng về sơn cầu. 3) Cách đây khoảng vài chục năm thường dùng thép không gỉ (A588) trong xây dựng cầu coi nhu biện pháp giảm giá thành bằng cách không cần sơn, nhưng theo thời gian, gỉ vẫn phát triển. Sơ lược về cầu thép tiết diện hộp: Cầu dầm thép có khả năng vượt nhịp lớn hơn cầu bê tông. Tiết diện dầm có dạng hình hộp có khả năng chống xoắn cao, cho phép vươn tới những nhịp rất lớn (200-300m).
Do đó, việc nghiên cứu, tính toán cầu dầm thép tiết diện hộp nhằm củng cố kiến thức đồng thời đáp ứng được nhu cầu công việc hiện nay. Cầu thép tiết diện hộp có một ưu điểm nổi bật là sử dụng thép rất hợp lý. Hệ số xây dựng đạt tới trị số rất thấp, hầu như toàn bộ thép kết cấu nhịp đều trực tiếp làm việc trong thạng thái ứng suất. Tấm biên trên của tiết diện hộp đồng thời làm nhiệm vụ của bản mặt cầu trực giao và cũng làm thay hệ liên kết dọc, tấm đáy hộp cũng làm nhiệm vụ hệ liên kết dọc dưới.
Dầm tiết diện hộp cấu tạo đơn giản, thuận lợi cho công việc chế tạo, thi công cũng như bảo quản trong quá trình khai thác. Một điều cần nhấn mạnh là có thể sử dụng có hiệu quả liên kết hàn với máy hàn tự động. Dầm hộp được sử dụng rất rộng rãi trong kết cấu cầu thành phố, cầu cong theo phương ngang và cầu có chiều dài nhịp lớn. Cầu dầm hộp có khả năng kháng uốn và độ cứng chống xoắn cao, với hình dáng kết cấu kín sẽ làm giảm nhỏ bề mặt tiếp xúc với môi trường vì vậy ít bị ảnh hưởng do ăn mòn.
Dầm hộp cũng tạo được sự bằng phẳng êm thuận cho xe chạy, tạo sự thẩm mỹ hài hòa cho kết cấu. Nếu dầm liên tục và áp dụng các biện pháp điều chỉnh ứng suất thì chiều cao dầm có thể giám tới l/60 hoặc hơn nữa. Hiện nay có hai loại dầm hộp thép là dầm hộp thép liên hợp bê tông và dầm hộp thép có bản trực hướng. Thông thường cầu dầm hộp liên hợp có mặt cắt một hộp và nhiều hộp.
Dầm hộp đơn dễ dàng cho phân tích độ cứng chống xoắn đối với tải trọng lệch tâm. Yêu cầu của độ cứng chống uốn thì không phụ thuộc vào độ cứng chống xoắn. Dầm hộp đơn nhiều khoang rất kinh tế đối với nhịp lớn. Do tiết diện ngang có nhiều sườn nên sẽ giảm lực cắt và 14 chia nhỏ lực cắt đều ra toàn bộ tiết diện.
Bản cánh dưới nhằm mục đích tạo nên biến dạng bằng nhau và phân bố tải trọng tốt hơn giữa các dầm liền kề nhau. Các hộp trong tiết diện dầm nhiều hộp thì sự liên quan và tương tác với nhau sẽ nhỏ, tạo ra độ cứng chống uốn và xoắn rất cao. Độ cứng chống xoắn của các hộp riêng biệt nói chung không quan trọng bằng sự liên quan của chúng với độ cứng chống uốn nói chung.