Giáo trình môn: Thiết kế Cầu

GIÁO TRÌNH MÔN

THIẾT KẾ CẦU

Cầu là một trong những công trình xây dựng thiết yếu trên đường. Khi tính toán thiết kế và cả khi xây dựng đòi hỏi chúng ta đều phải nghiên cứu, điều tra khảo sát, thực nghiệm khá chặt chẽ. Những năm gần đây và hiện nay cùng với tiến trình hội nhập, nhiều phương pháp tính toán trong thiết kế cùng vật liệu và kết cấu mới, các công nghệ thi công tiên tiến được áp dụng vào thực tiễn xây dựng các công trình cầu ở Việt Nam.

Cuốn giáo trình "Thiết kế cầu" của nhà trường xuất bản năm 2001 đã giúp cho giáo viên, học viên có tài liệu nghiên cứu, giảng dạy, học tập và làm đồ án chuyên ngành khá hiệu quả. Nhưng với “Luật giáo dục” 2005 về thời gian và chương trình khung đào tạo theo quy định của Bộ giáo dục và đào tạo. Để chất lượng đào tạo kỹ thuật viên trung cấp cầu đường ngày càng sát hơn với nhiệm vụ sản xuất kinh doanh ngoài thực tiễn sản xuất. Chúng tôi biên soạn, chỉnh lý giáo trình "Thiết kế cầu" gồm bốn phần với 10 chương.

Chương 1. Khái niệm chung về công trình cầu

Chương 2. Những vấn đề cơ bản về thiết kế cầu

Chương 3. Cầu bản và cầu dầm bê tông cốt thép

Chương 4. Nguyên lý tính toán thiết kế kết cấu nhịp bản BTCT thường

Chương 5. Cầu vòm

Chương 6. Giới thiệu chung về cầu thép

Chương 7. Kết cấu nhịp Cầu dầm thép và dàn thép giản đơn

Chương 8. Một số loại cầu thép khác

Chương 9. Mố trụ cầu

Chương 10. Gối cầu

Nội dung trình bày những nguyên tắc cơ bản trong khảo sát, tính toán thiết kế và cấu tạo các bộ phận cầu. Mỗi loại cầu chúng tôi chỉ đề cập đến những nội dung cơ bản về cấu tạo và phạm vị sử dụng và những nguyên tắc trong tính toán hầu như không đề cập. Mặt khác, một số tên gọi theo quy định trong bản vẽ thiết kế bằng “Tiếng Anh” cũng được đề cấp tới, tuy rằng có mặt chưa được sát lắm. Trong giáo trình đã sử dụng nhiều hình vẽ đặc trưng nhất để khái quát và mô tả những cấu tạo cơ bản, những quy định cùng một số đặc tính chủ yếu về mặt chịu lực theo “Tiêu chuẩn thiết kế”, tạo thuận lợi trong khi học tập và nghiên cứu nội dung môn học.

CHƯƠNG 1
KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH CẦU

1.1. Các bộ phận và kích thước cơ bản của cầu

Khi các tuyến đường gặp các chướng ngại như: Sông ngòi, khe suối, các công trình khác có sẵn (tuyến đường cũ mà tuyến mới cắt qua, công trình công nghiệp, văn hoá...) mà không thể vòng tránh được thì phương án xây dựng các công trình cầu để vượt qua các chướng ngại trên là khả thi hơn cả.

Cầu là công trình nhân tạo để nối liền đường, vượt qua các chướng ngại mà tuyến đường không vòng tránh được. Các bộ phận chính của công trình cầu gồm có: Kết cấu nhịp và mố trụ, giữa kết cấu nhịp và mố trụ là gối cầu, ngoài các bộ phận trên còn có một số công trình phụ khác nữa như: đường đầu cầu, phần tư nón, công trình điều chỉnh dòng sông, thiết bị chiếu sáng, chống sét v.v... mà tuỳ theo từng công trình có bố trí.

Kết cấu nhịp cầu để đỡ mặt đường xe chạy và trực tiếp chịu tải trọng của xe cộ chạy trên cầu và truyền xuống mố trụ thông qua gối cầu. Mố ở hai đầu cầu còn có nhiệm vụ chắn đất nền đường đầu cầu và nối tiếp cầu và đường. Tất cả các tải trọng của cầu và hoạt tải trên cầu đều truyền xuống nền đất thông qua móng. Hai bên mố mái dốc taluy của nền đường đầu cầu được đắp thành những khối lượn theo phần tư hình nón cụt và gọi tắt là mố đất hình nón

Mực nước trên sông luôn thay đổi, về mùa lũ mực nước dâng cao, mực nước cao nhất mà người ta ghi lại hoặc điều tra được gọi là mực nước lịch sử hay mực nước cao nhất (MNCN). Mực nước thiết kế là mực nước cao nhất trong khoảng 100 năm hay 50 năm tuỳ theo quy mô của công trình (được xác định bằng tần suất tính toán). Về mùa khô mực nước sông rút xuống, mực nước thấp nhất mà người ta ghi được trong mùa này gọi là mực nước thấp nhất (MNTN).

Mực nước thông thuyền tính toán (MNTT) là mực nước lớn nhất cho phép tầu bè qua lại trên sông trong mùa lũ, thường MNTT thấp hơn MNCN. Chiều dài toàn cầu (L) là khoảng cách giữa hai đuôi mố, nghĩa là chiều dài toàn bộ công trình.

Nhịp tính toán (ltt) còn gọi là khẩu độ nhịp là khoảng cách giữa hai tim gối của một nhịp. Khoảng cách giữa hai đầu mút dầm (l) được gọi là chiều dài nhịp. Nhịp tĩnh (l₀) là khoảng thông thuỷ giữa hai trụ ở mực nước cao nhất thiết kế. Khẩu độ cầu L₀ là tổng các nhịp tĩnh tức là chiều rộng mặt thoáng của nước dưới tim cầu tính ở mực nước cao nhất thiết kế. Đối với cầu một nhịp khẩu độ cầu là khoảng trống giữa mép hai tường mố về phía sông. Trường hợp MNCN thiết kế không tiếp xúc với hai tường mố mà cắt mố đất hình nón thì khẩu độ cầu lấy theo đường trung bình giữa MNCN thiết kế và MNTN.

Chiều cao cầu (HC) là khoảng cách từ mặt đường phần xe chạy tới MNTN hay mặt đất hoặc mặt đường dưới cầu (với cầu vượt đường). Chiều cao kiến trúc (h) là khoảng cách từ mặt đường xe chạy tới đáy kết cấu nhịp (với cầu dàn thép có đường xe chạy dưới là khoảng cách từ mặt trên của thanh biên trên đến đáy thanh biên dưới).

Chiều cao gầm cầu (Hd và H) còn gọi là khổ giới hạn dưới gầm cầu, là khoảng cách từ đáy kết cấu nhịp tới MNCN thiết kế hoặc MNTT tính toán. Chiều cao này phải đủ bảo đảm an toàn khi có thông thương dưới cầu hoặc thoát nước khi có lũ phụ thuộc vào cấp đường thuỷ nội địa. Đối với cầu vượt đường thì hai trị số H và Hd là một được lấy theo quy định là 4,5m.

1.2. Phân loại cầu

Công trình cầu có thể phân ra nhiều loại tuỳ theo những đặc điểm riêng của chúng.

- Theo tính chất của chướng ngại vật mà cầu vượt qua có thể phân thành các loại sau:

+ Cầu qua sông, là loại cầu thường hay gặp nhất để vượt qua sông, suối.

+ Cầu vượt đường, giải quyết những nút giao thông có mật độ xe lớn phải giao khác mức hoặc ở chỗ hai tuyến đường giao nhau nhưng cao độ khác nhau.

+ Cầu cao, là loại cầu vượt qua thung lũng, khe suối sâu, nếu làm đường thì không kinh tế và không giải quyết được vấn đề thoát nước trong mùa lũ. Dùng thích hợp với những khe suối có bề rộng lớn hơn 20m.

+ Cầu cạn, mục đích đưa mặt đường lên cao hơn nhiều so với mặt đất xung quanh để cho phép sử dụng đất ở dưới cầu hoặc trong trường hợp phải đưa dần cao độ mặt đường lên để tránh những độ dốc vượt quá giá trị cho phép, cầu cạn trong trường hợp này gọi là cầu dẫn.

- Theo tải trọng lưu thông trên cầu có thể phân ra:

+ Cầu đường sắt, chỉ dành cho các đoàn tầu đi qua.

+ Cầu đường ô tô, chỉ dùng cho loại xe cơ giới đi qua. Loại cầu này khác với cầu đường sắt về khổ cầu và cấu tạo mặt cầu.

+ Cầu bộ hành, dành riêng cho người đi bộ qua lại. Thường được xây dựng ở trong công viên, khu nghỉ mát...

+ Cầu thành phố, khác cầu ô tô ở chỗ là xây dựng với mục đích để thoả mãn yêu cầu giao thông lớn và mỹ quan thành phố.

+ Cầu hỗn hợp, dùng chung cho ô tô, người đi bộ hoặc cả ô tô, tầu hoả, người đi bộ (cầu Thăng Long là một trong những cầu thuộc loại này).

+ Cầu tầu, xây dựng ở các bến sông và hải cảng để ô tô và cần trục ra vào bốc dỡ hàng hoá và neo buộc tầu thuyền.

+ Các loại cầu đặc biệt, chuyên dùng cho một nhu cầu đặc biệt như: máng dẫn nước, ống dẫn dầu hoặc khí đốt, dây cáp điện... qua sông hoặc qua đường.

- Theo vật liệu xây dựng kết cấu nhịp người ta phân ra: Cầu gỗ, cầu đá, cầu bê tông, cầu bê tông cốt thép, cầu thép...

- Theo sơ đồ và tính chất chịu lực của công trình có thể phân ra: Hệ thống cầu dầm, hệ thống cầu khung, hệ thống cầu vòm, hệ thống cầu treo.

- Theo vị trí mặt đường xe chạy trên cầu gồm có: Cầu có đường xe chạy trên, cầu có đường xe chạy dưới và cầu có đường xe chạy giữa.

- Theo đặc điểm và điều kiện sử dụng của cầu được phân ra:

+ Cầu cố định, là loại cầu thông dụng nhất hiện nay, đối với cầu không có thông thuyền thì đáy dầm cầu được đặt cao hơn mực nước cao nhất để bảo đảm cho dòng nước chảy dưới cầu một cách tự do, đối với cầu có thông thuyền phải bảo đảm khổ gầm cầu không cản trở thuyền bè qua lại trên sông. Những loại cầu này còn gọi là cầu mực nước cao. Ngoài loại cầu cố định thiết kế với mực nước cao còn có cầu tràn thiết kế với mặt cầu thấp hơn mực nước lũ thiết kế, cho phép nước lũ tràn qua cầu và tính toán với mức độ ngừng thông xe trên tuyến trong thời gian ngắn về mùa lũ, tuỳ theo thời gian cho phép ngừng thông xe và thoát lưu lượng nước lũ để tính toán cao độ mặt cầu.

+ Cầu di động như cầu quay, cầu cất... là loại cầu có kết cấu nhịp được thiết kế đặc biệt, kết cấu nhịp được gắn với cơ cấu quay, nhịp cầu có thể quay một góc 900 đến vị trí dọc với dòng chảy hoặc cẩu nhấc lên được khi có tầu đi dưới cầu mà không muốn nâng khổ gầm cầu (cầu Sông Hàn - Thành phố Đà Nẵng là cầu có hai nhịp thông thuyền ở giữa được thiết kế theo kiểu cầu quay).

+ Cầu phao còn gọi là cầu nổi có dầm cầu đặt trên thuyền hoặc phao nổi, dùng trong trường hợp qua sông rộng, nước sâu, bảo đảm giao thông khi đang xây dựng cầu mới hoặc giải quyết giao thông khi chưa có dự án xây dựng cầu ở tuyến đường có mật độ giao thông lớn. Cầu phao làm trên sông có thông thuyền thì phải làm một nhịp đặc biệt có thể tháo cắt rời dễ dàng khi có tầu bè qua lại.

- Theo thời hạn sử dụng cầu có thể phân ra:

+ Cầu vĩnh cửu, cầu được thiết kế với loại vật liệu sử dụng lâu bền, ít bị phá hoại do ảnh hưởng của thời tiết, môi trường.

+ Cầu bán vĩnh cửu, gồm các loại cầu có mố trụ được thiết kế với những loại vật liệu sử dụng lâu bền, vĩnh cửu. Còn kết cấu nhịp được làm bằng kết cấu dầm thép tháo lắp dễ dàng (dầm quân dụng, các thanh vạn năng...), sau một thời gian sử dụng có điều kiện sẽ thay kết
cấu nhịp thành vĩnh cửu.

+ Cầu tạm, gồm tất cả các loại cầu có các bộ phận được thiết kế đáp ứng với thời hạn sử dụng ngắn (bảo đảm giao thông khi xây dựng cầu mới, hoặc bảo đảm nhu cầu giao thông trên đoạn tuyến trong thời gian ngắn...). Loại cầu này tất cả các bộ phận đều được xây dựng
bằng các kết cấu lắp ghép lại và sự liên kết không cần chắc chắn... Tuy nhiên mỗi loại cầu thuộc loại vĩnh cửu, bán vĩnh cửu hay tạm thời, thì kèm theo nó là các quy định khác trong các tiêu chuẩn thiết kế.

- Theo vị trí tương đối giữa trục tim cầu và hướng dòng nước chảy, người ta có thể chia ra:

+ Cầu thẳng, trục tim cầu nằm vuông góc hay tạo với hướng dòng nước chảy một góc lớn hơn 850.

+ Cầu chéo, trục tim cầu nằm tạo với hướng dòng nước chảy một góc nhỏ hơn 850.

+ Cầu cong, khi bình đồ tim cầu nằm trên đường cong. Ngoài ra còn có cầu nằm nằm trên đường cong đứng gọi là cầu vồng và cầu nằm trên đoạn đường dốc một chiều gọi là cầu dốc.

- Tuỳ theo chiều dài toàn cầu và khẩu độ từng nhịp người ta chia ra: Cầu nhỏ, cầu trung, cầu lớn và cầu đặc biệt. Theo quy trình 22 TCN 18

- 79 thì được phân chia như sau:

+ Cầu lớn: Nếu chiều dài toàn cầu lớn hơn 100m hay khẩu độ tính toán của mỗi nhịp lớn hơn 30m.

+ Cầu trung: Nếu chiều dài toàn cầu từ 30 đến 100m hay khẩu độ tính toán của mỗi nhịp từ 16m đến 30m.

+ Cầu nhỏ: Nếu chiều dài toàn cầu nhỏ hơn 30m hay khẩu độ tính toán của mỗi nhịp nhỏ hơn 16m.

Trong trường hợp đặc biệt, tuy cầu bé nhưng điều kiện kỹ thuật phức tạp thì tuỳ tình hình cụ thể mà phân chia.

1.3. Tầm quan trọng của ngành xây dựng cầu

Trong nền kinh tế quốc dân, ngành giao thông vận tải giữ một vai trò rất quan trọng. Vì tất cả những sản phẩm của quá trình sản xuất (tất cả các sản phẩm của các ngành kể cả các sản phẩm thuộc về văn hoá và trí tuệ) cần thiết cho sự phát triển các ngành của nền kinh tế và
đời sống xã hội hàng ngày của con người đều phải được lưu thông vận chuyển từ chỗ này đến chỗ khác (hoặc giữa các quốc gia) bằng phương tiện giao thông. Có thể ví giao thông của mỗi nước như mạch máu trong cơ thể con người. Nhìn vào mạng lưới giao thông của mỗi quốc gia có thể khẳng định về mức độ phát triển nền kinh tế của nước đó.

Trong mạch máu giao thông, nhất là giao thông đường bộ, đường sắt, thì công trình cầu có vị trí đặc biệt quan trọng của mỗi tuyến đường, nhất là đối với những nước có nhiều sông ngòi, đồi núi như ở nước ta. Nó chính là yết hầu của mạng lưới giao thông, nhưng bản thân nó chiếm kinh phí đầu tư xây dựng khá lớn. Ngay trên những vùng có địa hình tương đối bằng phẳng, nó cũng chiếm một số vốn khá lớn (khoảng 8 đến 10% giá thành toàn bộ tuyến đường). Đối với những tuyến đường vùng đồi núi hoặc vùng đồng bằng có nhiều sông ngòi thì chi phí cho công trình cầu còn chiếm một tỷ lệ lớn hơn nhiều, đặc biệt những công trình cầu trọng điểm vượt qua sông lớn (Chẳng hạn trên Quộc lộ 5, đoạn tuyến từ Km47 đến Km62 giá thành xây dựng của 15Km đường không kể cầu là 19,2 triệu USD, trong khi đó chỉ tính riêng một Cầu Phú Lương cũng trong đoạn tuyến trên thì giá thành xây dựng trên 15,5 triệu USD).

Về phương diện kỹ thuật thì ngành xây dựng cầu là một trong những ngành kỹ thuật phức tạp và tổng hợp. Nó đòi hỏi vừa phải có cơ sở lý luận chặt chẽ và kinh nghiệm thực tế dồi dào, vừa phải có sáng tạo và kỹ năng tinh xảo. Công trình cầu không những là một công trình kỹ thuật phục vụ cho nền kinh tế quốc dân, mà về phương diện văn hoá nó góp phần trao đổi và phát triển đời sống văn hoá giữa các vùng với nhau. Mặt khác bản thân công trình cầu cũng là một công trình nghệ thuật kiến trúc tô điểm cho khung cảnh thiên nhiên, nó là một công trình sáng tạo của con người. Về mặt quốc phòng thì công trình cầu trên những tuyến đường chiến lược quan trọng có tác dụng không nhỏ góp phần về mặt xây dựng chiến thuật, chiến lược trong phòng thủ đất nước và giữ gìn an ninh quốc gia.