Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Chơng 3
3.1

CầU DầM LIêN HợP THéP - bê tông

TổNG QUAN Về CầU DầM THéP LIÊN HợP BảN BÊ TÔNG CốT THéP.

Khái niệm: Dầm liên hợp thép -BTCT gồm hai loại vật liệu: bản BTCT và dầm thép
liên kết với nhau bằng các neo. Bản BTCT vừa làm việc với t cách bản mặt cầu, vừa là
một thành phần của dầm chủ tham gia chịu nén thay cho bản cánh trên của dầm thép do
đó giảm đợc chiều cao và tiết diện dầm thép.

Dầm không có hiệu ứng liên hợp

Dầm liên hợp

Ưu điểm
-

Dầm liên hợp phát huy tối đa khản năng làm việc của vật liệu tiết kiệm đợc vật liệu
cho việc chế tạo dầm. Do đó dầm thép sẽ có kích thớc nhỏ hơn.

-

Bản mặt cầu liên hợp ngoài tham gia chịu lực cùng dầm chủ còn đóng vai trò giống hệ
liên kết dọc trên, do đó có thể bỏ đợc hê liên kết dọc trên.

-

Kết cấu liên hợp tạo thành một mặt cắt có mô men quán tính lớn làm tăng độ cứng,
giảm độ võng do hoạt tải vợt đợc nhịp lớn hơn.

-

Bản bê tông đảm bảo đợc ổn định của bản cánh trên chịu nén.
Nhợc điểm

-

Tĩnh tải bản mặt cầu lớn.

-

Thêm chi phí dành cho neo liên hợp.

-

Đối với kết cấu dầm liên tục phải xử lý neo liên hợp tại vị trí chịu mô men âm trên
đỉnh trụ.
Nguyên lý làm việc của cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép

Trờng hợp 1: Thông thờng khi lắp ráp kết cấu nhịp, hoặc lao lắp không có trụ đỡ
phía dới đầu tiên sẽ đặt các dầm thép lên trụ, sau đó đổ bê tông bản tại chỗ hoặc đặt các
bản BTCT lắp ghép. Sau khi thực hiện công tác này,hoặc bản bê tông còn cha đông cứng
hoặc bản mặt cầu lắp ghép cha liên kết với dầm chủ. khi đó, phần tĩnh tải thứ nhất (gồm
trọng lợng bản thân của dầm thép và của bản bê tông cốt thép) sẽ do dầm thép chịu (giai
đoạn 1). Về sau, khi bê tông đã đông cứng hoặc các khối lắp ghép đã đợc liên kết với
dầm và các tĩnh tải bổ sung (ví dụ trọng lợng lớp phủ mặt cầu, lan can ..) cũng nh hoạt
tải, sẽ do dầm liên hợp chịu (giai đoạn 2)

1
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Nh vậy dầm liên hợp sẽ làm việc theo hai giai đoạn:
Giai đoạn I : Lắp xong dầm thép và các liên kết, đổ bê tông tại chỗ hoặc lắp ghép bản
mặt cầu nhng mặt cầu cha liên kết cứng với dầm thép.
Mặt cắt cắt tinh toán là mặt cắt đầm thép
Tải trọng tính toán
-

Trọng lợng bản thân dầm chủ thép

-

Trọng lợng hệ liên kết dọc và liên kết ngang

-

Trọng lợng bản bê tông và những phần đổ cùng với bản bê tông, tải trọng thi công
Gọi là các tĩnh tải giai đoạn 1
Dầm thép

Giai đoạn I: Sau khi thi công xong dầm thép
Bản bê tông


Dầm thép

Giai đoạn I: Sau khi đổ bản bê tông mặt cầu
Hoạt tải

Bản bê tông

Dầm thép

Lớp phủ mặt cầu

Giai đoạn II: Giai đoạn khai thác

Hình 3.1 Thi công dầm thép không có trụ đỡ

Giai đoạn II: Khi bản mặt cầu đã đạt cờng độ và tham gia làm việc tạo hiệu ứng liên
hợp giữa bản bê tông cốt thép và đầm thép.
Mặt cắt tính toán là mặt cắt liên hợp dầm thép bản bê tông cốt thép.
Tải trọng tính toán
-

Trọng lợng lớp phủ mặt cầu, chân lan can, gờ chắn bánh và trọng lợng của các bộ
phận kết cấu phụ trợ ( hệ thống chiếu sáng, hệ thống thoát nớc.)
Gọi là tĩnh tải giai đoạn 2.

-

Hoạt tải khai thác và các tải trọng khác.

Trờng hợp 2: Cầu dầm liên hợp thi công theo phơng pháp lắp ghép trên đà giáo cố

định hoặc có trụ tạm đỡ phía dới.

2
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP
Bản bê tông

Dầm thép

Giai đoạn I: Giai đoạn thi công
Hoạt tải

Bản bê tông

Dầm thép

Lớp phủ mặt cầu

Giai đoạn II: Giai đoạn khai thác

Hình 3.2 Thi công dầm thép có hệ đà giáo đỡ

Giai đoạn 1: Trong quá trình thi công toàn bộ trọng lợng kết cấu nhịp và tải trọng thi
công sẽ do đà giáo chịu do đó trong giai đoạn này mặt cắt cha làm việc. Tính toán đối hệ
đà giáo.
Giai đoạn 2: Sau khi dỡ đà giáo thì trọng lợng của kết cấu nhịp mới truyền lên các

dầm chủ, mặt cắt làm việc là mặt cắt liên hợp thép bản bê tông cốt thép. Tính toán đợc
thực hiện đối với giai đoạn khai thác.
3.2

Cấu tạo bản mặt cầu trong dầm thép liên hợp

Là bản mặt cầu liên hợp với dầm thép qua các neo chống cắt, bản mặt cầu bê tông liên
hợp vừa làm nhiệm vụ bản mặt cầu vừa tham gia chịu tải trọng cùng dầm chủ nh một bản
táp của bản cánh đầm thép.
Khi làm nhiệm vụ bản mặt cầu sơ đồ làm việc nh một dầm liên tục kê lên các dầm
dọc chịu uốn ngang. Do đó chịu mô men âm trên các dầm dọc và chịu mô men dơng ở
khoảng giữa các nhịp. Đoạn giữa nhịp yêu cầu bố trí cốt thép ở đáy bản và ở vị trí dầm
dọc yêu cầu bố trí cốt thép cốt thép đỉnh bản. Tuy nhiên trong thực tế đối với bản mặt cầu
cần bố trí ở cả vị trí phía trên và vị trí phía dới bản.
Khi làm nhiệm vụ chịu lực cùng đầm chủ nó có tác dụng nh một bản táp của cánh
dầm thép chịu nén(trong kết cấu giản đơn) nên không cần bố trí cốt thép chịu lực dọc, tuy
nhiên vẫn bố trí cốt thép dọc do yêu cầu cấu tạo và chịu lực co ngót và từ biến.
Bản mặt cầu bê tông có thể thi công bằng phơng pháp đúc tại chỗ hoặc thi công lắp
ghép.
Theo quy định của 22TCN272-05
Thì chiều chiều dày bản mặt cầu bê tông không đợc nhỏ hơn 175mm cộng thêm
khoảng 15mm hao mòn.
Trên toàn bộ chiều dài cần phải bố trí cốt thép 2 lớp, diện tích cốt thép phải không
nhỏ hơn 1% diện tích bản. Đối với vùng chịu uốn âm các thanh thép thép phải có cờng
độ nhỏ nhất 420 Mpa và đờng kính thanh không lớn hơn No 19.
3
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II



Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Bản bê tông có thể cấu tạo vút (haunch) dạng đờng vát chéo, theo dạng đờng cong
tròn hoặc có thể không cần cấu tạo vút. Mục đích của việc cấu tạo vút bản bê tông là
nhằm làm tăng chiều cao dầm tăng khả năng chịu lực của dầm, tạo ra chỗ để bố trí hệ neo
liên kết và giảm ứng suất cục bộ tại vị trí liên kết bản cánh trên và bản bê tông.
Thông thờng để thuận tiện cho việc ghép ván khuôn đổ bêtông bản thì vút thờng có
cấu tạo dạng vát chéo với kích thớc bh = th = (10-:-20)cm.
3.3

Cấu tạo hệ dầm chủ và neo

3.3.1 Cấu tạo hệ dầm chủ
Dầm chủ có thể là dầm tán đinh hoặc dầm hàn. Mặt cắt của dầm thông thờng đợc
cấu tạo có một thành đứng kiểu chữ I hoặc có hai thành đứng kiểu hình hộp.
Dầm mặt cắt chữ I đợc dùng phổ biến nhất, dầm mặt cắt hình hộp sử dụng trong
những trờng hợp phải tăng cờng ổn định và khả năng chống xoắn.
Dầm tán đinh mặt cắt chữ I gồm có một bản thép đứng , bốn thép góc gọi là thép góc
cánh và những bản thép nằm ngang gọi là bản cánh. Số lợng các bản thép cánh thay đổi
trên chiều dài dầm tơng ứng với sự thay đổi của biểu đồ mô men uốn trong dầm.
Với những nhịp có chiều dài tơng đối lớn thì các dạng mặt cắt dầm tổ hợp đợc sử
dụng phổ biến do tận dụng đợc tối đa sự làm việc của vật liệu.

4
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II



Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Bản cánh trên
Bản bụng
dầm

Đờng hàn
Bản cánh dới
Hình 3.3 Dầm tổ hợp

Các kích thớc cơ bản đối với hệ dầm chủ
Btf: Chiều rộng bản cánh
trên
Bbt: Chiều rộng bản cánh
dới
ttf: Chiều dày bản cánh trên
tbt: Chiều dày bản cánh dới
tw: Chiều dày bản bụng(
sờn dầm)
Hsb,(D):Chiều cao dầm thép
ts: Chiều dày bản bê tông
H: Chiều cao tổng thể dầm.

1. Chiều cao dầm chủ
Chiều cao dầm chủ đợc lựa chọn nhằm thõa mãn các điều kiện sau:
- Đảm bảo yêu cầu về cờng độ, độ cứng và ổn định.
- Cố gắng giảm thiểu tối đa chiều cao dầm, và trọng lợng dầm.
- Kích thớc và trọng lợng của các mảnh dầm phải đáp ứng đợc điều kiện chuyên
chở và lao lắp.
- Hạn chế số lợng dầm chủ theo phơng ngang cầu nhằm đơn giản hóa cấu tạo của

hệ liên kết ngang.
Theo công thức kinh nghiệm chiều cao dầm thép thờng đợc lựa chọn theo tỉ số sau
5
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Dầm giản đơn D/L 1/30
Dầm liên tục D/L 1/40
Trong cầu đờng sắt chiều cao dầm giản đơn nhịp < 25m chiều cao dầm nên lấy bằng
1/10-1/15 chiều dài nhịp.
Với các nhịp lớn, chiều cao dầm nên làm thay đồi tăng dần vào các vị trí gối giữa.
Nếu chiều cao tăng theo đờng thẳng bằng hình thức cấu tạo vút thì tại gối chiều cao dầm
bằng 1.2 - 1.3 chiều cao dầm tại giữa nhịp. Khi nhịp lớn, dầm nên làm với chiều cao thay
đổi theo đờng cong và thờng ngời ta cho bản mặt cầu cùng tham gia làm việc với dầm
chủ thì chiều cao dầm có thể đạt tới 1/45 - 1/60 chiều dài nhịp đối với mặt cắt giữa nhịp
và 1/20-1/30 đối với mặt cắt tại gối.
Trong cầu đờng bộ dầm chủ thờng đợc đặt cách đều nhau và có khoảng cách 2-3m
để phù hợp với sự làm việc của bản mặt cầu , trờng hợp khi khoảng cách các dầm chủ lớn
hơn 5m có thể bố trí thêm dầm dọc phụ hoặc các biện pháp tăng cờng độ cứng ngang
phân bố tải trọng đối với dầm chủ. Đối với cầu đờng săt thờng bố trí 2 dầm chủ dới 2
vị trí ray.
2. Sờn dầm
Sờn dầm đóng vai trò chịu cắt là chủ yếu. Ngoài ra nó còn tham gia vào sức kháng
uốn và đảm bảo ổn định cục bộ dới tác dụng của ứng suất pháp (giữa dầm) và ứng suất
tiếp (đầu dầm).
Chiều cao sờn dầm chủ thông thờng lấy từ 1/18-1/20 chiều dài nhịp cầu đối với cầu

đờng bộ và nhỏ hơn đối với cầu đờng sắt.
Theo 22TCN272-05 quy định chiều dày bản bụng của các dầm thép cán không đợc
nhỏ hơn 7mm. Đối với dầm hàn thông thờng chọn chiều dày sờn dầm không nhỏ hơn
12mm.
Theo quy định AASHTO giới hạn tỉ số sau phải đợc thão mãn D/tw 150 (6.10.2.11)
3. Bản cánh (bản biên)
Bản cánh sẽ cung cấp khẳn năng chịu uốn. Chiều rộng và bề dày bản cánh thờng
đợc xác định bởi sự lựa chọn diện tích của bản cánh trong phạm vi giới hạn của tỉ số giữa
bề rộng và bề dày b/t và các yêu cầu kỹ thuật trong chỉ dẫn kỹ thuật để đảm bảo khẳn
năng ổn định cục bộ.
Bản cánh có thể bao gồm nhiều bản có kích thớc khác nhau gọi là dầm ghép, loại
dầm này có u điểm có thể lựa chọn đợc số lợng các bản ghép khác nhau phù hợp với
biểu đồ chịu lực.
Bề dày của mỗi bản cánh không nên quá 20 mm để dể bảo đảm chất lợng thép.
Ngoài ra nếu các bản cánh có bề dày nhỏ thì dễ cắt để cho biểu đồ bao vật liệu là phù hợp
nhất với biểu đồ mô men tính toán và tiết kiệm thép hơn. Tuy nhiên về mặt cấu tạo cũng
yêu cầu các bản cánh không đợc mỏng hơn 8 mm.
Bề rộng bản cánh trên của dầm thép trong cầu xe lử có mặt cầu đặt trực tiếp trên dầm
thép, bề rộng tối thiểu của các bản cánh 240mm đẻ đảm bảo yêu cầu đặt ray trên bản
cánh.
Theo AASHTO khi lựa chọn kích thớc bản cánh các công thức sau nên đợc thõa
mãn Bf/2tf 12, twD/6.
6
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP


4. Sờn tăng cờng
Sờn tăng cờng: Sờn tăng cờng là một bộ phận của dầm để tăng cờng ổn định
cho sờn dầm, bản cánh, phân bố tải trọng, và truyền lực cắt. Ngoài ra sờn tăng cờng
còn là chỗ để lắp các liên kết ngang của kết cấu nhịp.
Sờn tăng cờng bao gồm 2 loại : sờn tăng cờng đứng và sờn tăng cờng ngang.
Sờn tăng cờng đứng đợc bố trí tại vị trí gối cầu gối gọi là sờn tăng cờng gối và
bố trí tại vị trí giữa nhịp gọi là sờng tăng cờng trung gian. Sờn tăng cờng đứng đặt tại
gối để chịu và truyền phản lực gối xuống mố trụ.
Sờn tăng cờng dọc để tăng khả năng chịu uốn cho sờn dầm và chống biến dạng
ngang, thờng áp dụng cho dầm có nhịp >90m và chiều cao dầm >2m. Sờn tăng cờng
dọc đợc đặt ở trong phạm vị chịu nén của mặt cắt.
Sờn tăng cờng làm bằng thép góc,Hiện nay đối với các dầm hàn sờn tăng cờng là
thép bản.
Sờn tăng cờng đứng cho sờn dầm nên đợc đặt đối xứng ở cả hai bên của sờn
dầm.
Sờn tăng cờng của dầm hàn dày 10-12 mm (nhỏ nhất là 8mm), sờn tăng cờng tại
gối là 20 -30 mm.
3.3.2 Cấu tạo hệ neo trong dầm liên hợp (neo chống cắt và bu lông liên kết)
Khi dầm liên hợp làm việc chịu uốn thì trong mặt phẳng liên kết bản với dầm thép sản
sinh ra lực trợt lớn. Tuy ở đây cũng có lực dính kết giữa bản BTCT và cánh dầm thép,
nhng không thể bảo đảm chống lại đợc lực trợt nhất là với tải trọng thay đổi. Trong
tính toán thờng bỏ qua lực dính kết cho thêm an toàn.
Dới tác dụng của tải trọng tại vị trí tiếp xúc giữa bản cánh trên và bản mặt cầu có xu
hớng trợt theo cả 2 phơng thẳng đứng và nằm ngang do đó neo chống cắt phải đảm
bảo khẳn năng chịu lực theo cả hai phơng
Đối với kết cấu nhịp giản đơn phải bố trí neo trên suốt chiều dài nhịp
Cấu tạo các loại neo
a) Neo cứng
Neo cứng thờng đợc chế tạo từ thép bản, thép góc và thép hình. Neo cứng có cấu
tạo gọn nhẹ nên thờng dùng khi bản mặt cầu lắp ghép vì khi đó trên bản mặt cầu các lỗ

neo thờng nhỏ và đơn giản.
Neo cứng có khả năng chịu lực tốt nhng liên kết với bê tông kém. Một loại neo đợc
dùng khá phổ biến hiện nay là neo hình chiếc đinh có mũ ở trên. Neo đợc liên kết với
cánh trên của dầm bằng cách hàn, tán đinh hoặc bắt bulông cờng độ cao.

7
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

a)

b)
Hình 3.4 Cấu tạo neo cứng

Đối với bản mặt cầu lắp ghép thì neo cứng đặt vào các lỗ chừa sẵn trong tấm bản khi
đúc. Trớc khi đặt các tấm bản, biên trên dầm thép đợc rải một lớp bêtông có bề dày ít
nhất 5cm, hoặc đặt các tấm bản lên những miếng đệm và đổ vữa ớt qua các lỗ và mối
nối.

>5cm

Hiên nay neo cứng không còn đợc sử dụng nhiều do các nghiên cứu cho thấy việc sử
dụng neo ảnh hởng đến tuổi thọ cầu.

>2,5cm


Hình 3.5 Cấu tạo neo đinh

b) Neo mềm
Neo mềm đợc chế tạo bằng thép tròn uốn cong thành 1 nhánh hoặc 2 nhánh. Cũng
có trờng hợp neo mềm đợc cấu tạo nh một lò xo đặt dọc theo trục dầm, loại neo này có
nhợc điểm là khó liên kết vào cánh trên dầm.
8
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Neo mềm còn có thể làm bằng cốt thép thờng dới hình thức quai sanh hoặc những
nhánh đơn hàn đính vào cánh trên của dầm thép. Cấu tạo neo kiểu quai sanh có u điểm là
sự liên kết bản BTCT với dầm thép đảm bảo rất tốt vì nội lực do neo truyền sang bêtông
không những qua dính bám mà nhờ cả sự ép mặt bêtông vào quai sanh.
Neo làm từ những nhánh đơn nghiêng thờng có móc ở đầu để tăng thêm sức liên kết
với bêtông. Ưu điểm của chúng là có thể đặt chéo trên mặt bằng nên bảo đảm chịu ứng
suất kéo chính tốt hơn.
Neo đặt cách quãng trên mặt bằng dùng đặc biệt hiệu quả trong các dầm liên tục và
dầm mút thừa có cốt thép đặt dọc trong bản. ở đây cốt thép đặt giữa các nhánh neo. Nếu
tại cùng một mặt cắt dầm mà có thể xuất hiện lực cắt hai dấu thì sẽ cấu tạo neo nghiêng cả
về hai hớng. Số lợng neo trong mỗi hớng tỷ lệ với lực cắt tơng ứng của hớng đó.
Để đơn giản việc chế tạo và tránh khả năng bị h hỏng trong quá trình vận chuyển, sẽ
hàn đính neo mềm vào các bản thép đặc biệt rồi sẽ liên kết cả bộ phận đó với dầm thép tại
công trờng bằng cách hàn hoặc dùng bulông cờng độ cao
Đối với bản mặt cầu đổ tại chỗ nên dùng neo mềm vì neo mềm liên kết với bêtông tốt
hơn so với neo cứng. Nhợc điểm của neo mềm là tốn nhiều thép so với các loại neo khác;

ngoài ra lại phải dùng kiểu máy hàn kết cấu đặc biệt để hàn trên bản thép tránh ảnh hởng
đến khẳn năng chịu lực của bê tông.

Hình 3.6 Cấu tạo neo mềm

c) Liên kết bằng bu lông cờng độ cao.
Liên kết bản mặt cầu BTCT lắp ghép với dầm thép bằng bulông cờng độ cao có u
điểm là tăng khả năng làm việc chung của kết cấu nhịp thép- BTCT liên hợp dới tác dụng
của tải trọng trùng phục, đồng thời cho phép tiến hành lắp kết cấu liên hợp không phụ
thuộc vào thời tiết.

Hình 3.7 Liên kết bản BTCT và dầm thép bằng bulông cờng độ cao
9
Nguyễn Danh Huy
Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II


Bài giảng THIếT Kế CầU THéP

Trong kết cấu liên kết có: bu lông cờng độ cao đờng kính 20 - 24mm kèm theo êcu và vòng đệm. Khoảng cách từ tim lỗ đến mép bản bêtông không đợc nhỏ hơn 10cm
đối với bulông đờng kính 22mm, và 12 cm đối với bulông đờng kính 24mm, còn
khoảng cách từ tim đến tim các lỗ là 14 - 16 cm.
Các quy định của 22TCN272-05 đối với hệ thông neo:
Trong mặt cắt liên hợp phải làm các neo chữ U và neo đinh chống cắt ở mặt phân chia
giữa bản mặt cầu bêtông và mặt cắt thép để chịu lực cắt ở mặt tiếp xúc. Các neo phải có
khả năng chống lại cả hai chuyển vị thẳng đứng và nằm ngang giữa bêtông và thép.
Tỉ lệ của chiều cao với đờng kính của neo đinh chịu cắt không đợc nhỏ hơn 4.
Bớc neo từ tim đến tim của các neo chống cắt không đợc vợt quá 600mm và
không đợc nhỏ hơn 6 lần đờng kính đinh, theo phơng ngang không đợc đặt gần hơn 4
lần đờng kính.

Chiều cao tịnh của lớp bêtông phủ trên đỉnh neo chống cắt không đợc nhỏ hơn
50mm. Các neo chống cắt cần đặt sâu ít nhất 50mm vào trong bê tông.

10
Nguyễn Danh Huy

Trờng ĐH Giao thông vận tải CS II