CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CẦU MÁNG 1. Khái quát về cầu máng 1. Khái niệm cầu máng và các bộ phận cầu máng Cầu máng là kết cấu thường gặp trong công trình thủy lợi. Trong những trường hợp kênh dẫn phải vượt qua thung lũng, sông suối.
có thể dùng cầu máng để đảm bảo việc dẫn nước trong kênh. Với cầu máng bê tông cốt thép thông thường nhịp cầu máng dạng dầm đơn chỉ vào khoảng từ 15m đến 20m. Để giảm được số lượng các gối đỡ, đặc biệt có hiệu quả khi cầu máng cần vượt qua các khe sâu không bố trí được các mố giữa, cần thiết kế cầu máng bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp lớn. Cầu máng có các bộ phận chính: cửa vào, cửa ra, thân máng và gối đỡ (xem hình 1-1).
Sơ đồ mặt cắt dọc cầu máng 1.Khe co giãn; 6. Kết cấu cửa vào, cửa ra Cửa vào và cửa ra của cầu máng là đoạn nối tiếp thân máng với kênh dẫn nước thượng, hạ lưu, có tác dụng làm cho dòng chảy vào máng thuận, giảm bớt tổn thất do thu hẹp gây ra và dòng nước ra không làm xói lở bờ và đáy kênh. Tường cánh của cửa vào và cửa ra thường làm theo hai kiểu: kiểu lượn cong và kiểu mở rộng hoặc thu hẹp dần. Cửa lượn cong nước chảy vào, chảy ra thuận, nhưng khi thi công khó khăn hơn.
Góc mở rộng của tường cánh có ảnh hưởng đến dòng chảy vào và ra khỏi máng. Thường lấy tỷ số giữa chiều rộng và chiều dài là -3- 1 1 ÷. Sơ bộ chiều dài đoạn cửa vào, cửa ra lấy bằng 4 lần cột nước trong kênh. 4 3 Sân phòng thấm thường làm bằng đất sét, ở trên có lát đá để phòng xói cũng có khi ở dưới nền cửa vào, cửa ra làm chân khay hoặc đóng ván cừ.
Cửa vào, cửa ra của cầu máng h: Chiều sâu nước trong kênh; L1: Chiều dài đoạn cửa vào; L2: Chiều dài đoạn cửa ra. Kết cấu thân máng Thân máng làm nhiệm vụ chuyển nước, mặt cắt ngang dạng chữ nhật, bán nguyệt, parabol hoặc chữ U., có cấu tạo kín hoặc hở. Vật liệu được dùng để xây dựng máng có thể là gỗ, gạch đá xây, bê tông cốt thép hoặc xi măng lưới thép. Tiết diện máng phải đủ chuyển nước, độ nhám nhỏ tránh tổn thất đầu nước, vật liệu thân máng phải bền và ít thấm nước.
Chọn hình thức mặt cắt ngang thân máng phải dựa vào tính toán thủy lực, vật liệu làm thân máng, hình thức kết cấu trụ đỡ, đoạn nối tiếp cửa vào cửa ra. Mặt cắt ngang thân máng a. Hình chữ nhật; b. Hình chữ U -4- Cầu máng vỏ trụ mỏng có khả năng chịu lực theo phương dọc lớn hơn theo phương ngang rất nhiều, để tăng độ cứng theo phương ngang, tăng độ ổn định tổng thể và cục bộ của thân máng, cần bố trí các thanh giằng ngang, các sườn gia cường dọc (còn gọi là tai máng), tại hai đầu mỗi nhịp máng nên bố trí sườn ngang (hình 1- 4).
Với cầu máng có mặt cắt ngang nhỏ, để dễ dàng cho việc thi công có thể không bố trí các thanh giằng ngang, song nếu cần có thể tăng thêm chiều dày thành máng. Gi»ng ngang Gi»ng ngang Sên däc Sên däc Sên ngang Hình 1-4. Kết cấu thân máng hình thang và chữ U có giằng ngang Khi có nhu cầu đi lại trên mặt máng, có thể bố trí đường cho người đi, trường hợp này các cấu kiện cầu máng cần được kiểm tra thêm với tải trọng 250daN/m2. Với cầu máng lớn qua sông suối có thể kết hợp làm cầu giao thông trên đỉnh.
Kết cấu gối đỡ Cầu máng dựa vào giá đỡ theo nhiều hình thức, tuỳ theo tình hình cụ thể mà lựa chọn. Có thể chỉ kê hai đầu vào bờ theo hình thức gối tự do. Nếu cầu máng dài có thể đặt trên giá đỡ theo hình thức dầm liên tục hoặc dầm công xôn kép. Loại có dầm công xôn kép (hình 1-5) khi chọn chiều dài a l a của nhịp l và chiều dài của mút thừa a Hình 1-5.
Sơ đồ bố trí giá đỡ kiểu công theo quan hệ l = 2,7a thì giá trị mômen xôn kép âm và dương lớn nhất xảy ra trong dầm sẽ bằng nhau, tiện cho bố trí cốt thép. -5- Máng có thể đặt trực tiếp trên giá đỡ (hình 1-6a) hoặc trên hệ thống dầm dọc (hình 1-6b). Trường hợp cầu máng vượt qua lòng sông sâu và không rộng, nước chảy lại khá xiết, nếu hai bờ tốt, vẫn có thể dùng hình thức dầm liên tục và các giá đỡ tựa trên một vòng vòm (hình 1-6a). Trường hợp địa chất hai bên bờ yếu, dùng hình thức vòm treo (hình 1-6b) để giảm lực truyền cho hai bờ.
Lúc đó thành máng chịu kéo theo phương đứng. Giá đỡ cầu máng kiểu vòm (a) và kiểm vòm treo(b) Gối đỡ thân máng gồm có gối đỡ ở bên (mố bên) và gối đỡ ở giữa (trụ giữa). Mố bên thường dùng kiểu trọng lực (hình 1-7), còn trụ giữa khi chiều cao trụ không lớn cũng hay dùng kiểu trọng lực, khi chiều cao của trụ lớn thường dùng kiểu khung hoặc kiểu hỗn hợp. Kết cấu gối đỡ 1.
Mố biên kiểu trọng lực; 2. Phần đất đắp; 5. Thiết bị thoát nước; 6. Mặt đất tự nhiên; 7.
Trụ giữa Trụ giữa kiểu trọng lực có thể bằng gạch xây, bằng đá xây hoặc bê tông, thường dùng có các trụ có chiều cao dưới 10m, trọng lượng bản thân của trụ kiểu -6- trọng lực thường rất lớn, do đó đòi hỏi nền phải có sức chịu tải cao (hình 1-8a). Trụ đỡ kiểu khung có hai loại: khung đơn và khung kép, khung đơn thường dùng cho các trụ cao dưới 15m (hình 1-8b), còn trụ kép thường dùng khi các trụ có chiều cao từ 15 đến 20m (hình 1-8c). Móng của mố và trụ có thể đặt trực tiếp lên nền tự nhiên, khi nền yếu có thể đặt trên nền cọc. Trụ kiểu trọng lực; b.
Trụ kiểu khung đơn; c. Trụ kiểu khung kép 1. Mặt cắt ngang cầu máng 1. Thân máng có mặt cắt hình chữ nhật a) Máng chữ nhật không có thanh giằng ngang (hình 1-9a) Thành bên của loại cầu máng này dưới tác dụng của áp lực nước sẽ chịu lực như một bản công xôn.
Khi thành máng cao thì mômen uốn ở đáy vách máng sẽ lớn, do đó lượng thép dùng trong thân máng sẽ lớn. Nhưng loại máng này có kết cấu đơn giản, dễ thi công, nên vẫn được dùng trong các cầu máng loại nhỏ. b) Máng chữ nhật có thanh giằng ngang (hình 1-9b) Đối với cầu máng loại vừa và lớn cần bố trí thêm các thanh giằng ngang trên đỉnh máng để tăng khả năng chịu lực theo phương ngang của máng, khoảng cách giữa các thanh giằng ngang từ 1~3m. Sự có mặt của các thanh giằng ngang cải thiện được điều kiện chịu lực của thành bên và đáy máng theo phương ngang, do đó có thể giảm bớt được lượng cốt thép.
Mặt cắt ngang máng chữ nhật a. Không thanh giằng; b. Có thanh giằng; c) Kích thước mặt cắt ngang của cầu máng chữ nhật Chọn sơ bộ như sau: - Chiều cao thành máng: h= H + ∆H (m) (1-1) trong đó: H là chiều cao cột nước tính toán, ∆H = 0,1~0,2m là độ vượt cao an toàn để tránh nước trào ra khi có sóng gió, được chọn phụ thuộc vào cấp công trình. - Chiều rộng đáy máng thường chọn để bảo đảm điều kiện thủy lực: B = (1,5~1,7)H (1-2) - Mặt cắt thanh giằng có chiều cao h g = (10~20)cm, bề rộng b g = (8~15)cm, khoảng cách giữa các thanh giằng L g = 1~3m.
- Mặt cắt sườn ngang trong thân máng có chiều cao h s = 15~30cm, bề rộng b g = 12~20cm, sườn ngang tại gối chọn kích thước lớn hơn. Thân máng có mặt cắt ngang hình chữ U Hình dạng máng chữ U thường dùng hiện nay có đáy là nửa trụ tròn, có thêm hai thành bên thẳng đứng (hình 1-10). Cũng tương tự như máng chữ nhật, để tăng độ cứng thân máng thường được gia cường bằng các sườn dọc (tai máng) theo phương ngang và bằng các các thanh giằng ngang theo phương dọc. Do đó máng chữ U cũng được phân thành hai loại: loại không có thanh giằng ngang (hình 1-10a) và loại có thanh giằng ngang (hình 1-10b).
Chọn sơ bộ kích thước mặt cắt ngang thân máng hình chữ U theo các số liệu sau đây: - Chiều cao đoạn thẳng đứng của thành máng f=(0,1~0,3)D o. (1-6) - Kích thước mặt cắt của thanh giằng có chiều cao h g = 10~20cm, bề rộng b g - =8~15cm, khoảng cách giữa các thanh giằng L g =1~3m. - Mặt cắt của các sườn ngang (đai) có chiều cao h s =(4~5)t, bề rộng b s =8~15cm. Mặt cắt ngang máng chữ U không thanh giằng và có thanh giằng Sườn ngang tại vị trí gối tựa có kích thước lớn hơn sườn ngang ở trong nhịp, đường viền ngoài thường có dạng đường gấp khúc tạo thành kết cấu gối tựa cho thân máng.
Để thỏa mãn điều kiện chống nứt theo phương ngang, đoạn đáy máng thường làm dày hơn, kích thước phần này có thể lấy như sau: t 0 =(2,5~4,5)t, d 0 =(0,5~0,6)R o , S o =(0,3~0,4)R o (1-7) Ngoài ra còn phải thỏa mãn điều kiện chiều dày đáy máng tối thiểu để bố trí cáp khi thiết kế cầu máng ứng suất trước. Tính toán cầu máng 1. Các tải trọng tác dụng lên cầu máng Tải trọng tác dụng lên cầu máng gồm có: - Trọng lượng bản thân cầu máng. - Áp lực nước ứng với mực nước thiết kế và mực nước kiểm tra.
-9- - Tải trọng người qua lại trên cầu lấy bằng 250daN/m2 (nếu có). - Áp lực gió ở độ cao z (m) so với mốc chuẩn xác định theo công thức: W = W o kc (daN/cm2) (1-9) trong đó: W o - áp lực gió cơ bản theo bản đồ phân vùng áp lực gió (TCVN 2737-1995); k - hệ số xét tới áp lực gió thay đổi theo chiều cao; c - hệ số khí động. - Lực ma sát ở gối đỡ: Lực ma sát xuất hiện theo phương dọc máng tác dụng lên trụ khi thân máng bị giãn nở hay co ngót do nhiệt độ thay đổi, được tính theo công thức: T=Gf (kN) (1-10) trong đó: G - lực thẳng đứng tác dụng lên gối đỡ; f - hệ số ma sát giữa thân máng và gối đỡ, lấy bằng 0,3.