CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1. Giới thiệu chung 1. Kết cấu cầu dầm liên tục trong hệ liên hợp. Kết cấu cầu dầm liên hợp là một kết cấu trong đó bản mặt cầu và dầm được liên kết chặt chẽ với nhau, trong kết cấu này dầm và bản mặt cầu cùng biến dạng và cùng chuyển vị.1 là một minh họa đơn giản cho kết cấu cầu liên tục hóa triệt để từ các dầm bê tông đúc sẵn dự ứng lực trước được liên hợp với nhau thông qua dầm ngang và bản mặt cầu đổ tại chỗ.
Việc lựa chọn loại kết cấu liên hợp thường được ưu tiên bởi vì khi dầm và bản mặt cầu được liên kết cùng nhau sẽ có một sự gia tăng đáng kể về cường độ và độ cứng trong kết cấu. Tuy nhiên loại kết cấu này gặp không ít khó khăn trong vấn đề tính toán lực, mô men trong kết cấu do hiệu ứng phụ thuộc vào thời gian, đặc biệt trong trường hợp dầm bê tông ứng suất trước với bản mặt cầu đổ tại chỗ.1: Kết cấu cầu dầm liên tục hóa từ các dầm bê tông đúc sẵn dự ứng lực trước được liên hợp với nhau thông qua dầm ngang và bản mặt cầu đổ tại chỗ 8 Các hiệu ứng phụ thuộc thời gian xuất hiện trong dầm và bản mặt cầu do các thuộc tính: từ biến, co ngót và tự chùng của cáp dự ứng lực. Các thuộc tính này được xác định như là nhân tố chính trong việc phát triển lực và mô men do sự co ngót khác nhau giữa bản mặt cầu và dầm. Hiện tượng co ngót khác nhau xuất hiện bởi vì mỗi loại bê tông khác nhau về giá trị giới hạn và tốc độ co ngót, từ biến.
Tuy nhiên, trên mặt cắt ngang của kết cấu phải có sự tương thích với nhau về biến dạng khi dầm và bản mặt cầu được liên hợp thông qua việc đổ bản mặt cầu. Nói một cách khác, ứng suất nén phát triển trong thớ trên của dầm và ứng suất kéo phát triển trong thớ dưới của bản vì mặt cắt liên hợp liên tục về biến dạng thông qua mặt cắt ngang của dầm và bản.2 để minh họa cho vấn đề này.2: Biến dạng và ứng suất trong mặt cắt liên hợp 1. Kết cấu cầu dầm bê tông liên hợp, liên tục hóa từ các dầm bê tông đúc sẵn, dự ứng lực. Kết cấu cầu liên tục là kết cấu trong đó hai hoặc nhiều nhịp giản đơn được kết nối với nhau tại đầu dầm thông qua dầm ngang và bản mặt cầu (xem hình 1.
Để hiểu về sự phát triển của mô men trong mối nối liên tục tại dầm ngang, chúng ta xem xét một kết cấu nhịp giản đơn. Phần cuối của dầm có thể quay tự do trong toàn bộ thời gian sử dụng cầu dưới sự tác dụng của từ biến, co ngót, mất mát ứng suất, hoạt tải, gradient nhiệt độ, và các loại tải trọng khác. Trong kết cấu liên tục, sự quay tự do của đầu dầm bị hạn chế cưỡng bức sau khi mối nối liên tục qua dầm ngang được thi công 9 và khi đó đầu dầm được ngàm cố định. Sau đó mô men cưỡng bức sẽ phát triển trong mối nối liên tục để cân bằng lại với những mô men có khuynh hướng làm quay đầu dầm khi đầu dầm không ngàm cố định.3: Minh họa mô men cưỡng bức Cầu liên tục từ một chuỗi các nhịp giản đơn có nhiều ưu điểm nổi bật.
Thứ nhất, trong các kết cấu này mô men uốn và biến dạng tại giữa nhịp giảm đi đáng kể. Điều này là rất kinh tế bởi vì mặt cắt ngang dầm sẽ được giảm bớt lại hoặc có thể giảm bớt được số lượng cáp dự ứng lực trong dầm. Thứ hai, việc liên tục hóa dầm giản đơn thành kết cấu cầu liên tục còn cải thiện khả năng khai thác bằng việc hạn chế mối nối trên bản mặt cầu. Việc giảm bớt mối nối sẽ cải thiện được bề mặt xe chạy và tính bền lâu của cầu sẽ được gia tăng bởi vì khi không có khe co giãn trên mặt cầu nước và muối từ bản mặt cầu sẽ không thâm nhập vào kết cấu gối cầu.
Rất nhiều kỹ sư xem xét đây là ưu điểm hàng đầu. Thêm vào đó việc loại bớt các mối nối trong 10 thiết kế sẽ giảm giá thành đầu tư ban đầu của cầu và đồng thời cũng giảm chi phí bảo trì. Thứ ba, cầu được liên tục từ nhịp giản đơn sẽ phân phối lại mô men nếu xảy ra việc tăng tải đột ngột cho một dầm trong kết cấu. Điều này sẽ cung cấp tính dư cho cầu.
Mặc dù loại kết cấu liên tục này có vô số các ưu điểm và nó đã được sử dụng nhiều trong các bang của Hoa Kỳ, nhưng có sự không thống nhất, đặc biệt là phương pháp tính toán mô men cưỡng bức phát triển trong mối nối liên tục thông qua dầm ngang hoặc các chi tiết liên kết chịu mô men dương của mối nối. Chú ý rằng, mối nối chịu mô men âm không thảo luận trong luận văn này bởi vì nó đã được thực hiện thông qua cốt thép bản mặt cầu và nó dễ dàng được điều chỉnh hơn cốt thép chịu mô men dương, loại cốt thép này phải được đặt sẵn trong đầu dầm. Luận văn này sử dụng tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO LRFD 2007 vào phân tích liên kết chịu mô men dương trong mối nối liên tục thông qua dầm ngang. Lịch sử phát triển Một trong số những cầu đường bộ có nhịp dài liên tục được xây dựng sớm nhất tại Hoa Kỳ vào những năm đầu của thập 60 của thế kỷ trước, bao gồm cầu Big Sandy River thuộc bang Tennessee và cầu Los Penasquitos thuộc bang California.
Sau một thời gian ngắn thử nghiệm, loại kết cấu này được đánh giá là có tính thẩm mỹ cao và nhiều ưu điểm hơn so với các cầu thông thường, nhiều bang trong Hoa Kỳ đã bắt đầu nghiên cứu và thiết kế loại kết cấu này. Kể từ đó, hệ thống cầu dầm liên tục từ dầm bê tông ứng suất trước trở nên phổ biến và luôn là một phương án được lựa chọn. Phương pháp sớm nhất được sử dụng để liên tục hóa cầu qua hai hay nhiều nhịp là đặt các đầu dầm gần nhau sau đó liên kết chúng lại bằng phương pháp dự ứng lực sau. Tuy nhiên, phương pháp này không hiệu quả bởi vì hệ neo và căng sau phức tạp, có chi phí tương đối cao và phải xem xét tới các mất mát ứng suất do ma sát tại các điểm uốn của loại dự ứng lực căng sau.
Do những hạn chế trên nên những phương pháp khác bắt đầu được nghiên cứu và phát triển. Phương pháp cải tiến mới yêu cầu phải có khoảng trống giữa hai đầu dầm để kéo dài cốt thép chịu mô men dương, thay 11 thế cho các bó cáp dự ứng lực căng sau từ trong dầm. Bê tông sẽ được đổ để lấp đầy khoảng trống này khi đổ bản mặt cầu, tạo thành kết cấu liên tục thông qua mối nối tại dầm ngang. Một chú ý quan trọng là mối nối liên tục tại dầm ngang hoàn toàn hiệu quả đối với mô men dương.
Mô men dương xuất hiện tại vị trí mối nối liên tục do từ biến dưới tác dụng của dự ứng lực trước và hiệu ứng nhiệt. Năm 2004, dự án NCHRP 12-53 kết luận rằng nứt của dầm ngang do mô men dương không ảnh hưởng đến hệ thống kết cấu liên tục, báo cáo đưa ra ước tính rằng tính liên tục chỉ giảm khoảng 30% khi liên kết gần phá hủy (Miller và cộng sự, 2004). Tuy nhiên, báo cáo vẫn khuyến cáo rằng nên đạt được tính liên tục hoàn toàn tại vị trí mối nối dưới tác dụng của mô men dương. Mô men âm xuất hiện trong mối nối liên tục tại dầm ngang do sự co ngót, từ biến do tĩnh tải, mất mát ứng suất, hoạt tải và tĩnh tải giai đoạn hai.
Cốt thép mô men âm được đặt trong bản mặt cầu, không cần thiết phải đặt vào đầu dầm. Nứt phát triển do mô men tại mối nối liên tục có thể làm xuất hiện các vấn đề về bảo trì và tính thẩm mỹ của cầu. Ngoài ra, nứt trên đỉnh trụ sẽ làm giảm độ cứng của kết cấu, có thể đó sẽ là nguyên nhân làm cho cầu ứng xử giống như một chuỗi các nhịp giản đơn dưới sự tác động của tải trọng gia tăng đột biến. Kết quả của sự gia tăng mô men tại giữa nhịp có thể là nguyên nhân của sự phá hoại tại cấp tải trọng nhỏ hơn mong đợi hoặc có thể giảm thời gian phục vụ của kết cấu.
Cốt thép nối liên tục trong dầm ngang. Dự án NCHRP 12-53 kiểm tra các phương pháp tạo mối nối mô men dương cho cầu liên tục trên đỉnh các trụ cầu (Miller và cộng sự, 2004). Nứt của mối nối liên tục tại dầm ngang làm giảm hiệu quả của tính liên tục đối với tải trọng khai thác và đồng thời cũng làm giảm tính mềm dẻo của kết cấu. Cốt thép mô men dương sẽ làm hạn chế và loại trừ những vết nứt này.
Vì vậy, mục tiêu quan trọng là thiết kế lượng cốt thép tương thích với tổng mô men dương để nứt tại mối nối liên tục tại dầm ngang có thể khống chế được và có thể tránh được sự giảm tính liên tục của kết cấu. Hai chi tiết cơ bản được sử dụng cho cốt thép mô men dương trong kết cấu nhịp liên tục được so sánh trong báo cáo NCHRP 519. Các biến thể của hai chi tiết 12 này đại diện cho phần lớn cốt thép mô men dương trong mối nối liên tục tại dầm ngang mà ngày nay thường được sử dụng trong các đồ án thiết kế. Chi thiết thứ nhất gồm các tao cáp dự ứng lực được kéo dài ra ngoài đầu dầm vào trong nối nối tại dầm ngang và uốn lên một góc 90o.
Chi tiết thứ hai sử dụng các thanh thép thường được gắn vào đầu dầm, kéo dài vào trong nối nối tại dầm ngang và uốn lên một góc 90o. Từ các thí nghiệm, báo cáo NCHRP 519 đưa ra kết luận rằng liên kết mô men dương có thể được sử dụng cả hai phương pháp trên, mặt dù chi tiết liên kết thứ hai có cải tiến tốt hơn chi tiết liên kết thứ nhất. Tuy nhiên việc thi công chi tiết thứ hai bằng cách uốn thanh thép thường là khó khăn hơn việc uốn tao cáp dự ứng lực (Miller và cộng sự, 2004). Charles Newhouse đã công bố nghiên cứu về mối nối liên tục tại dầm ngang năm 2005, một phần trong nghiên cứu thực hiện các phân tích cho nhiều loại mối nối mô men dương khác nhau cho các dầm Precast Concrete Bulb Tee (PCBT).