CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ DẦM THÉP BỤNG RỖNG 1.1 Giới thiệu chung về hiện trạng xây dựng cầu thép 1.1 Hiện trạng xây dựng cầu thép trên thế giới 1.1Lịch sử phát triển của cầu thép: Cầu thép ra đời và phát triển cùng với sự lớn mạnh của công nghiệp luyện kim trên thế giới. Khoảng thế kỉ XVİİİ công nghiệp kim loại của châu Âu còn ở giai đoạn đầu của sự phát triển, các sản phẩm chính là gang và sắt. Gang chịu uốn và kéo kém nên những chiếc cầu bằng gang đầu tiên thường có dạng vòm, và kết cấu giống các cầu gỗ thời bấy giờ. Cầu vòm gang ghép từ các thanh mảnh không chịu được mô men lớn và lực xung kích khi hoạt tải nặng qua cầu.Tiêu biểu cho loại cầu này là cầu Ker-bet-zơ qua sông Neva (Nga).
Phát triển song song với loại cầu này là cầu treo dây xích bằng sắt với đặc điểm là trọng lượng nhẹ, lắp ráp nhanh, đơn giản để vượt các sông lớn mà không cần làm trụ. Tiêu biểu cho loại cầu này là cầu Menai ở Anh. Vào các năm 20-30 của thế kỷ XIX sự phát triển của dây cáp bằng thép sợi đã thay thế cho dây xích làm cho tốc độ cầu treo phát triển nhanh chóng, nhưng do chưa hiểu hết tính năng làm việc và vai trò của từng loại bộ phận kết cấu nên các công trình thường không đủ độ cứng theo cả hay phương. Nhược điểm này là nguyên nhân dẫn đến một loạt các tai nạn về cầu treo thời bấy giờ, các tai nạn này ảnh hưởng rõ rệt đến sự phát triển và cấu tạo của cầu treo sau này.
Việc tăng cường độ cứng của cầu treo chỉ cải thiện được phần nào điều kiện chịu lực, nhưng bản thân nó là hệ mềm, điều kiện làm việc kém. Không đáp ứng được các tải trọng lớn, đặc biệt là sự ra đời của đầu máy hơi nước đầu thế kỉ XIX, nên thời kì này là thời kì ứng dụng và phát triển của hệ dầm. Các cầu dầm hình hộp thường tỏ ra không kinh tế với các nhịp lớn vì không sử dụng hết cường độ vật liệu của vách dầm, do đó kết cấu nặng nề, tốn kém cộng với chiều cao kiến trúc lớn và khai thác không thuận tiện, từ đó bắt đầu thời kì chuyển cầu dầm sang cầu giàn. Học viên: Nguyễn Hữu Sinh – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 15- GVHD: TS.
Nguyễn Quốc Hùng Những chiếc cầu giàn đầu tiên chịu ảnh hưởng rõ rệt của cầu gỗ về hình dáng bên ngoài lẫn đặc điểm cấu tạo. Tiêu biểu cho loại cầu này là cầu qua kênh Erie ở New York(Mỹ) Nhược điểm của loại cầu giàn nhiều thanh xiên là có cấu tạo phức tạp, rất khó đánh giá chính xác sự làm việc của các thanh. Sự phát triển của cầu giàn thép trong thời gian dài và đi theo các hướng khác nhau Cuối thế kỷ XIX đầu thế kỷ XX là thời kỳ khoa học kỹ thuật trên thế giới phát triển mạnh do đó trực tiếp ảnh hưởng đến ngành xây dựng cầu. sự ra đời của cầu dầm hẫng, cầu giàn hẫng, cầu vòm trước đây làm bằng gang nay đã được làm bằng thép và được ứng dụng rộng rãi.
Song song với sự phát triển của cầu dầm, vòm và cầu giàn thì cầu treo cũng phát triển mạnh mẽ, tiêu biểu trong thời kì này như cầu Cổng Vàng ở San Francisco, cầu Ve-ra-za-na ở NewYork( Mỹ). Đầu thế kỷ XX ở Pháp đi theo hướng tìm các hệ giàn dây trong đó các thanh chỉ chịu kéo và làm việc theo sơ đồ không biến dạng hình học. Tuy nhiên phải đến năm 1955 chiếc cầu có dầm cứng liên tục ba nhịp làm bằng thép hợp kim và các dây văng làm bằng dây cáp cường độ cao áp dụng cho cầu Stromsund ở Thụy Điển. Loại cầu này thể hiện nhưng ưu điểm nổi bật như độ cứng lớn và chỉ tiêu kinh tế kĩ thuật tốt nên chỉ trong một thời gian ngắn đã được áp dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới.
Cuối thế kỉ 20 là giai đoạn chạy đua về chiều dài nhịp của cầu treo và cầu treo dây văng. Tiêu biểu như cầu Scarsundet ở Na Uy, cầu Normandie ở Pháp, cầu Tatara ở Nhật, cầu Akashi ở Nhật… 1.2Xu hướng phát triển cầu thép trên thế giới hiện nay: Cầu thép trên thế giới hiện nay phát triển theo 3 xu hướng cơ bản như sau: - Sử dụng các loại vật liệu thép chất lượng cao, nhằm giảm giá thành, công tác di tu sửa chữa về sau. Nghiên cứu, tìm kiếm giải pháp, các hệ kết cấu, các loại mặt cắt hợp lý có tính kinh tế và mỹ quan cao. - Việc sử dụng các loại vật liệu chất lượng cao nhằm hạn chế khả năng gỉ của kết cấu thép, các loại vật liệu thép chất lượng cao như HPS được chú ý phát triển ở Mỹ, Châu Âu, Nhật Bản.
Học viên: Nguyễn Hữu Sinh – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 16- GVHD: TS. Nguyễn Quốc Hùng Các loại vật liệu thép này có đặc trưng chính là cường độ cao và rất cao, có các đặc trưng về cơ học, lý hóa đồng điều và ổn định. Việc sử dụng các loại vật liệu có cường độ cao gắn liền với sự phát triển các loại mặt cắt hợp lý với vật liệu HPS này. Các loại mặt cắt này chủ yếu cải tiến vách dầm, tiến đến sử dụng tối ưu các loại vật liệu Hình 1.
Các loại mặt cắt điển hình với vật liệu HPS - Cải tiến và hoàn thiện các hình thức liên kết giữa các bộ phận kết cấu. Các vị trí liên kết các bộ phận kết cấu, là nơi chuyển tiếp nội lực trong kết cấu, ví dụ như các vị trí nút giàn trong cầu giàn, hay các vị trí đinh neo giữa dầm thép và bản bê tông liên hợp… Các bộ phận này thường xảy ra hư hỏng, nên cần nghiên cứu cải tiến các hình thức liên kết - Giảm khối lượng và chi phí chế tạo, lắp ráp, sử dụng các kết cấu có tính cơ giới hóa cao, nhằm giảm chi phí xây dựng cầu 1.2 Hiện trạng xây dựng cầu thép ở Việt Nam Ở Việt Nam cầu thép phát triển trải qua nhiều giai đoạn, gắn liền với lịch sử đấu tranh của dân tộc. Thời kỳ Pháp thuộc, mạng lưới giao thông đường sắt và đường bộ được phát triển, chủ yếu là tuyến đường sắt xuyên Việt, kéo theo sự ra đời của nhiều cầu giàn thép, đặc điểm nổi bật là các cầu này có khổ hẹp, tải trọng cổ điển. Tiêu biểu như các cầu: cầu Đuống, cầu Ninh Bình, cầu Bến Lức… Học viên: Nguyễn Hữu Sinh – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 17- GVHD: TS.
Nguyễn Quốc Hùng Sau năm 1954 ở miền Nam, Mỹ đầu tư khá nhiều vào giao thông vận tải, chủ yếu là các công trình phục vụ quân sự, các công trình cầu thép được xây dựng như: cầu Sài Gòn, cầu Bình Triệu, cầu Tân An… Sau 1975 đất nước ta bước vào thời kì mới. các công trình cầu cũ được nâng cấp, sửa chữa, thay thế, các công trình mới tiêu biểu như : cầu Thăng Long, cầu Việt Trì… Với những nhược điểm về chi phí xây dựng, về chi phí di tu sửa chữa, phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường, các đơn vị nhà thầu trong nước chưa có các thiết bị cơ giới để chế tạo, thi công các kết cấu nên trong 1 thời gian dài cầu thép nhường chỗ cho giai đoạn phát triển của cầu bê tông cốt thép và cầu bê tông cốt thép ứng suất trước. Trong vài năm trở lại đây, một loạt các công trình cầu thép đã được xây dựng, phần nào đã thể hiện tiềm năng phát triển của loại kết cấu này trong tương lai. Các công trình cầu thép tiêu biểu như: - Cầu Bính ( Hải Phòng) cầu dây văng dầm thép liên hợp - Cầu treo dây võng Thuận Phước( Đà Nẵng) gồm 3 nhịp dây võng 655m, nhịp chính 405m, dầm chủ dạng dầm hộp thép.
Hiện nay tình trạng ùn tắc, tai nạn giao thông ngày càng nghiêm trọng, đặc biệt là ở hai thành phố lớn là Hà Nội và thành phố Hồ Chí Minh. Vì vậy, việc làm thế nào để giảm bớt tình trạng kẹt xe, tắc đường trong giờ cao điểm tại các thành phố lớn luôn là một trong những vấn đề được các nhà quản lý, quy hoạch quan tâm hàng đầu. Trong bối cảnh đó Bộ Giao Thông Vận Tải đã có ý tưởng xây dựng cầu vượt nhẹ, thí điểm xây các cầu vượt nhẹ ở các nút giao cắt ngã tư đồng mức cho xe tải nhỏ, xe ô tô con và xe máy nhằm mục đích giảm thiểu ùn tắc giao thông. Kết cấu cầu vượt nhẹ đang được sử dụng là cầu dầm thép liên hợp dạng I và cầu dầm hộp thép đã được áp dụng rộng rãi ở các nước đang phát triển.
Các dạng cầu vượt trên có kết cấu thanh mảnh, phù hợp cho không gian chật hẹp nên không làm ảnh hưởng đến mỹ quan thành phố. Không chỉ hiệu quả ở mục đích sử dụng, loại Học viên: Nguyễn Hữu Sinh – Lớp Cao học cầu hầm K20-1 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật - 18- GVHD: TS. Nguyễn Quốc Hùng cầu vượt này còn rất tiện lợi trong việc xây dựng và có thể di chuyển đi vị trí khác một cách dễ dàng. Thời gian xây dựng nhanh, chi phí xây dựng thấp.2 Tổng quan về các loại kết cấu cầu thép liên hợp hiện nay - Cầu thép liên hợp bản bê tông gồm hai loại vật liệu cơ bản: Bản bê tông cốt thép, và phần dầm( hay giàn thép) liên kết bằng các loại neo liên kết.
- Bản bê tông cốt thép vừa làm việc với tư cách là 1 bản mặt cầu vừa là 1 phần của dầm chủ - Với đặc điểm cấu tạo trên nên hệ dầm liên hợp tiết kiệm thép cho dầm chủ, ngoài ra bản mặt cầu còn thay thế cho hệ thống liên kết dọc. - Nguyên lý làm việc của kết cấu cầu thép liên hợp gồm hai giai đoạn: Giai đoạn 1: Sau khi lắp xong dầm, các bộ phận liên kết thi công phần bản mặt cầu lắp ghép hay đổ bê tông tại chỗ nhưng bản mặt cầu chưa liên kết cứng với phần dầm thép nên ở giai đoạn này chỉ có phần dầm thép là chịu lực, tĩnh tải giai đoạn này gồm có trọng lượng bản thân dầm thép, hệ liên kết, trọng lượng bản thân bản mặt cầu bê tông cốt thép. Giai đoạn 2: Sau khi dầm thép đã liên kết cứng với bản bê tông cốt thép, tĩnh tải giai đoạn 2 còn có thêm lớp phủ, lan can, lề bộ hành.