Bài giảng Nguyên lý kết cấu thép

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 1 Chương I MỞ ĐẦU 1.1 Nguyên lý thiết kế Hiện nay việc tính toán thiết kế kết cấu công trình được dựa trên các trạng thái giới hạn. Trạng thái giới hạn là trạng thái mà nếu vượt quá nó, cầu hoặc bộ phận của cầu sẽ không còn thỏa mãn các yêu cầu đặt ra khi thiết kế nữa. Trong mỗi trạng thái giới hạn (TTGH), mỗi cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiện ∑ =Φ≤γη rniii RRQ (1-1) trong đó: iη – hệ số điều chỉnh tải trọng, là hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng trong khai thác của cầu; γi – hệ số tải trọng, là hệ số xét đến sự biến thiên của tải trọng, sự thiếu chính xác trong phân tích và xác suất xảy ra cùng một lúc của các tải trọng khác nhau, nhưng cũng liên quan đến thống kê về sức kháng trong quá trình hiệu chỉnh; Qi – hiệu ứng của tải trọng: lực dọc, lực cắt , mômen uốn v.v…ở một bộ phận kết cấu hay liên kết do tải trọng sinh ra; Rn – sức kháng danh định hay sức kháng tiêu chuẩn của một cấu kiện hoặc liên kết. Sức kháng danh định được xác định theo kích thước, ứng suất cho phép, biến dạng hoặc cường độ của vật liệu; Φ – hệ số sức kháng là hệ số chủ yếu xét đến sự biến thiên các tính chất của vật liệu, kích thước của kết cấu và tay nghề của công nhân và sự không chắc chắn trong dự đoán về sức kháng, nhưng cũng liên quan đến những thống kê về tải trọng thông qua trong quá trình hiệu chỉnh; Rr – sức kháng tính toán. 1.2 Các trạng thái giới hạn Về tổng quát có ba trạng thái giới hạn: - Trạng thái giới hạn về cường độ là trạng thái giới hạn có liên quan đến cường độ và ổn định. - Trạng thái giới hạn sử dụng là trạng thái giới hạn liên quan đến ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện khai thác bình thường. - Trạng thái giới hạn đặc biệt là trạng thái giới hạn liên quan đến các sự cố như động đất, va xô của tàu bè, xe cộ vào công trình, có thể cả trong điều kiện xói lở. Do trạng thái giới hạn về cường độ được chia làm nhiều trường hợp khác nhau nên trong tính toán các cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiện (1-1) trong các trạng thái giới hạn cụ thể sau đây: Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 2 - Trạng thái giới hạn cường độ I là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng cơ bản khi trên cầu có xe và không có gió. - Trạng thái giới hạn cường độ II là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng khi trên cầu không có xe nhưng có gió với tốc độ gió lớn hơn 25m/s. - Trạng thái giới hạn cường độ III là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng khi trên cầu có xe và có gió với vận tốc 25m/s. - Trạng thái giới hạn mỏi là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng gây ra mỏi và đứt gãy liên quan đến tác dụng lặp đi lặp lại và xung kích của một xe tải với khoảng cách trục cố định (khoảng cách trục giữa và trục sau là 9m). - Trạng thái giới hạn sử dụng là tải trọng giới hạn tính với tổ hợp tải trọng liên quan đến khai thác bình thường của cầu với gió vận tốc 25m/s và với tất cả các tải trọng lấy theo giá trị danh định (trong quy trình cũ gọi là tải trọng tiêu chuẩn) dùng để kiểm tra độ võng, bề rộng vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép dự ứng lực, sự chảy dẻo của kết cấu thép và sự trượt của các liên kết có nguy cơ trượt do tác dụng của hoạt tải xe. - Trạng thái giới hạn đặc biệt là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng có liên quan đến động đất, lực va của tầu thuyền, xe cộ. 1.3 Hệ số điều chỉnh tải trọng Hệ số iη liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng của cầu trong khai thác theo quan hệ: 95.0≥IRDi ηηη=η (1-2) trong đó Dη , Rη và Iη lần lượt là hệ số độ dẻo, hệ số dư và hệ số tầm quan trọng khai thác. Các hệ số này được lấy theo hướng dẫn dưới đây. 1.3.1 Hệ số độ dẻo ηD Khi vật liệu có tính dẻo nếu một bộ phận kết cấu làm việc ra ngoài miền đàn hồi, biến dạng sẽ tăng lên và có sự phân bố lại nội lực sang các bộ phận khác của kết cấu và như vậy kết cấu hay liên kết có tính dẻo làm việc an toàn hơn kết cấu và liên kết không dẻo. Hệ kết cấu cầu phải được xác định kích thước và cấu tạo đảm bảo cho sự phát triển của biến dạng dẻo ở trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc biệt. Cần phải xét đến ảnh hưởng của tính dẻo trong tính toán, ở đây hệ số dẻo được đặt ở vế trái của biểu thức (1-1), ở phần hiệu ứng của tải trọng nên các cấu kiện và liên kết không dẻo có hệ số ηD lớn hơn. Quy trình quy định như sau: - Đối với trạng thái giới hạn cường độ: ηD ≥ 1,05 cho cấu kiện và liên kết không dẻo. ηD = 1,00 cho các thiết kế thông thường. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 3 ηD ≥ 0,95 cho các cấu kiện hoặc liên kết có biện pháp tăng thêm tính dẻo. - Đối với các trạng thái giới hạn khác: ηD = 1,00. 1.3.2 Hệ số dư Xét đến tính dư là xét đến bậc siêu tĩnh hay số liên kết thừa so với yêu cầu bất biến hình của kết cấu. Tuy nhiên không phải bộ phận nào của kết cấu siêu tĩnh cũng được xem là có tính dư, chẳng hạn dàn trên hình 1-1 là dàn siêu tĩnh bậc 1, các thanh có đánh dấu x là các bộ phận có tính dư vì hư hỏng của một thanh nào đó trong chúng không gây nên sập đổ cầu, trái lại các thanh không đánh dấu x là các thanh không có tính dư vì hư hỏng một trong số các thanh này làm cho dàn trở thành kết cấu biến hình. Xét dầm liên tục hai nhịp như trên hình 1-2, dầm được xem là có tính dư vì khi xuất hiện một khớp dẻo A hoặc B dầm vẫn là hệ bất biến hình và không bị sụp đổ, dầm chỉ được xem là mất khả năng làm việc khi đồng thời xuất hiện cả hai khớp dẻo A và B. Hình 1-1. Cầu dàn Hình 1-2. Cầu dầm Qua hai thí dụ trên có thể thấy ngay trong một kết cấu siêu tĩnh các bộ phận hay cấu kiện mà hư hỏng của chúng gây ra sụp đổ cầu là các bộ phận hay cấu kiện không có tính dư, trái lại các bộ phận hay cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây ra sụp đổ cầu là các bộ phận hay cấu kiện có tính dư. Cũng như hệ số dẻo, hệ số dư ηR được xét đến ở vế trái của biểu thức (1-1), ở phần hiệu ứng của tải trọng nên ở bộ phận không có tính dư, ηR có giá trị lớn hơn ở bộ phận có tính dư. Quy trình quy định như sau: - Đối với trạng thái giới hạn cường độ ηR : ηR ≥ 1,05 cho các bộ phận không có tính dư. ηR = 1,00 cho các bộ phận có mức dư thông thường. ηR ≥ 0,95 cho các bộ phận có mức dư đặc biệt. - Đối với các trạng thái giới hạn khác: ηR = 1,00. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 4 1.3.3 Hệ số tầm quan trọng trong khai thác Tùy theo tính chất quan trọng trong khai thác chủ đầu tư có thể quyết định một cầu hoặc một bộ phận nào của cầu là quan trọng trong khai thác. Quy trình quy định lấy hệ số tầm quan trọng trong khai thác ηI như sau: - Đối với trạng thái giới hạn cường độ: ηI ≥ 1,05 cho các cầu quan trọng; ηI = 1,00 cho các cầu thông thường; ηI ≥ 0,95 cho các cầu ít quan trọng. - Đối với các trạng thái giới hạn khác : ηI = 1,00. 1.4 Hệ số sức kháng của kết cấu thép 1.4.1 Đối với trạng thái giới hạn cường độ Hệ số sức kháng Φ được lấy theo các chỉ dẫn trong bảng 1-1. Bảng 1-1. Hệ số sức kháng Hạng mục Φ Kết cấu chịu uốn Kết cấu chịu cắt Kết cấu thép hoặc thép liên hợp chịu nén dọc trục Kết cấu chịu kéo, đứt trong mặt cắt thực Kết cấu chịu kéo, chảy trong mặt cắt nguyên Ép mặt tựa trên các chốt, các lỗ doa, khoan hoặc bắt bulông trên các bề mặt cán Bulông ép mặt trên vật liệu Neo chịu cắt Bulông A325M và A490M chịu cắt Cắt khối Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu hoàn toàn: - Cắt trên diện tích hữu hiệu - Kéo và nén trực giao với diện tích hữu hiệu - Kéo hoặc nén song song với trục đường hàn Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu cục bộ: - Cắt song song với trục đường hàn - Kéo hoặc nén song song với trục đường hàn - Nén trực giao với diện tích hữu hiệu - Kéo trực giao với diện tích hữu hiệu Kim loại hàn các mối hàn: - Kéo hoặc nén song song với trục đường hàn - Cắt trong chiều cao tính toán của kim loại hàn 1,00 1,00 0,90 0,80 0,95 1,00 0,80 0,85 0,80 0,80 0,85 Lấy theo kim loại được hàn Lấy theo kim loại được hàn 0,80 Lấy theo kim loại được hàn Lấy theo kim loại được hàn 0,80 Lấy theo kim loại được hàn 0,80 Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 5 1.4.2 Đối với các trạng thái giới hạn đặc biệt Hệ số sức kháng trong trạng thái giới hạn đặc biệt, trừ bulông, lấy bằng 1,00. 1.5 Hệ số tải trọng Hệ số tải trọng phụ thuộc vào loại tải trọng: tải trọng thường xuyên, tải trọng tức thời hay tải trọng thi công. Hệ số tải trọng còn phụ thuộc vào tổ hợp tải trọng. Trong mỗi tổ hợp tải trọng các hệ số tải trọng phải chọn sao cho gây ra tổng nội lực tính toán là cực trị (cả giá trị âm và dương), ở đó nếu tác dụng của một tải trọng làm giảm tác dụng của một tải trọng khác thì phải lấy giá trị nhỏ nhất của tải trọng đã làm giảm tác dụng của tải trọng kia bằng cách lấy hệ số tải trọng nhỏ nhất. Hệ số tải trọng của các tải trọng thường xuyên được lấy theo bảng 1-2, còn hệ số tải trọng của các tải trọng tức thời được lấy theo bảng 1-3. Khi cần kiểm tra cầu với xe đặc biệt do chủ đầu tư quy định hoặc xe có giấy phép qua cầu thì hệ số tải trọng của hoạt tải (LL) trong tổ hợp cường độ I có thể giảm xuống còn 1,35. Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải trên hoạt tải rất cao (cầu nhịp lớn) cần kiểm tra tổ hợp không có hoạt tải trên cầu (tổ hợp cường độ II) nhưng với hệ số tải trọng bằng 1,5 cho tất cả các tải trọng thường xuyên (γP = 1,5). Bảng 1-2. Hệ số tải trọng của các tải trọng thường xuyên Hệ số tải trọng Loại tải trọng Lớn nhất Nhỏ nhất DC: Cấu kiện và thiết bị phụ 1,25 0,90 DD: Kéo xuống (ma sát âm) 1,80 0,45 DW: Lớp phủ mặt cầu và các tiện ích 1,50 0,65 EH: Áp lực ngang của đất Chủ động Bị động 1,50 1,35 0,90 0,90 EL: Các ứng suất do lắp ráp 1,00 1,00 EV: Áp lực đất thẳng đứng Ổn định tổng thể Kết cấu tường chắn Kết cấu cứng bị vùi lấp Khung cứng Kết cấu mềm bị vùi lấp và không phải cống hộp thép Cống hộp mềm bằng thép 1,35 1,35 1,30 1,35 1,95 1,50 Không áp dụng 1,00 0,90 0,90 0,90 0,90 ES: Tải trọng đất chất thêm 1,50 0,75 Với cầu vượt sông ở các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử dụng phải xét đến xói móng mố, trụ do lũ thiết kế. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 6 Với cầu vượt sông khi kiểm tra các hiệu ứng tải: động đất, lực va xe, lực va tầu ở trạng thái giới hạn đặc biệt thì tải trọng nước và chiều sâu xói có thể dựa trên lũ trung bình hàng năm, tuy nhiên kết cấu phải được kiểm tra với các hậu quả do lũ như kiểm tra xói ở trạng thái giới hạn đặc biệt và tải trọng nước tương ứng nhưng không có các tải trọng động đất, va xô của xe, của tầu thuyền. Khi kiểm tra chiều rộng vết nứt trong kết cấu bê tông dự ứng lực ở trạng thái giới hạn sử dụng có thể giảm hệ số tải trọng của hoạt tải xuống là 0,80. Khi kiểm tra kết cấu thép của trạng thái giới hạn sử dụng thì hệ số tải trọng của hoạt tải phải tăng lên là 1,30. Bảng 1-3. Tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng TU WA WS WL FR CR TG SE SH Cùng một lúc chỉ dùng một trong các tải trọng Tổ hợp tải trọng TTGH DC DD DW EH EV ES LL IM CE BR PL LS EL EQ CT CV Cường độ I γP 1,75 1,00 - - 1,00 0,50/1,20 γTG γSE - - - Cường độ II γP - 1,00 1,40 - 1,00 0,50/1,20 γTG γSE - - - Cường độ III γP 1,35 1,00 0,40 1,00 1,00 0,50/1,20 γTG γSE - - - Đặc biệt γP 0,5 1,00 - - 1,00 - - - 1,00 1,00 1,00 Sử dụng 1,00 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 0,50/1,20 γTG γSE - - - Mỏi, chỉ có LL, IM và CE - 0,75 - - - - - - - - - Ghi chú của bảng 1-3: BR Lực hãm xe. CE Lực ly tâm. CR Từ biến. CT Lực va xe. CV Lực va tàu thuyền. EQ Động đất. IM Tác dụng xung kích của xe. LL Hoạt tải xe. LS Hoạt tải chất thêm. PL Tải trọng người đi. SE Lún. SH Co ngót. TG Chênh lệch nhiệt độ không đều (gradien nhiệt độ). TU Chênh lệch nhiệt độ đều. WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 7 WL Tải trọng gió lên hoạt tải. WS Tải trọng gió lên cầu. Hệ số tải trọng của gradien nhiệt độ γTG được lấy bằng: 0,00 ở trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt; 1,00 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi không xét hoạt tải; 0,50 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi có xét hoạt tải. Đối với cầu thi công phân đoạn, phải xem xét tổ hợp sau đây ở trạng thái giới hạn sử dụng: DC + DW + EH + EV + ES + WA + CR + SH + TG + EL 1.6 Tải trọng và các hệ số 1.6.1 Tải trọng thường xuyên Tải trọng thường xuyên là tải trọng và lực tác động không đổi hoặc được xem là không đổi sau khi hoàn thành việc xây dựng cầu. Tải trọng thường xuyên của cầu nói chung bao gồm tĩnh tải và tải trọng đất. Đối với kết cấu nhịp thì tải trọng thường xuyên là tĩnh tải bao gồm trọng lượng tất cả cấu kiện của kết cấu, phụ kiện và tiện ích công cộng kèm theo, trọng lượng mặt cầu, dự phòng phủ bù và mở rộng. Khi không có đủ số liệu chính xác có thể lấy khối lượng riêng như trong bảng 1-4 để tính tĩnh tải. Bảng 1-4. Khối lượng riêng của vật liệu Vật liệu Khối lượng riêng (kg/m3) Hợp kim nhôm 2800 Lớp phủ nhựa đường 2250 Xỉ than 960 Cát chặt, phù sa hay đất sét 1925 Nhẹ 1775 Cát nhẹ 1925 Bê tông Thường 2400 Cát rời, phù sa, sỏi 1600 Đất sét mềm 1600 Sỏi, cuội, đá dăm nện hoặc balat 2250 Thép 7850 Đá xây 2725 Ngọt 1000 Nước Mặn 1025 Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 8 1.6.2 Hoạt tải và các hệ số 1.6.2.1 Xe tải thiết kế Xe tải thiết kế (LL) là một xe gồm 3 trục có các thông số như sau (hình 1-3): Tải trọng trục trước 35kN. Tải trọng mỗi trục giữa và trục sau 145kN. Tải trọng tổng cộng 325kN. Khoảng cách từ trục trước đến trục giữa 4300mm. Khoảng cách từ trục giữa đến trục sau (4300 ÷ 9000)mm. Khoảng cách tim hai bánh theo chiều ngang 1800mm. Hình 1-3. Xe tải thiết kế 1.6.2.2 Xe hai trục thiết kế Xe hai trục thiết kế là một xe gồm hai trục có các thông số như sau: Tải trọng mỗi trục 110kN. Tải trọng tổng cộng 220kN. Khoảng cách từ trục trước đến trục sau 1200mm. Khoảng cách tim hai bánh theo chiều ngang 1800mm. Ghi chú: Đối với xe tải và xe hai trục thiết kế, trên các đường cấp IV và thấp hơn, tải trọng xe có thể lấy là tải trọng trục nhân với 0,5 hoặc 0,65 còn khoảng cách trục xe và bánh xe không thay đổi. 1.6.2.3 Tải trọng làn thiết kế Tải trọng làn thiết kế gồm tải trọng 9,30N/mm phân bố đều theo chiều dọc cầu. Theo chiều ngang cầu tải trọng làn được xem là phân bố đều trên chiều rộng 3000mm. Không tính hệ số xung kích với tải trọng làn. 1.6.2.4 Tải trọng người đi Tải trọng người đi trên cầu ô tô khi lề người đi rộng bằng hoặc hơn 600mm được lấy bằng 3.10-3 MPa. Đối với cầu dành riêng cho người đi bộ hoặc đi xe đạp tải trọng người lấy bằng 4,1.10-3MPa. Không tính hệ số xung kích cho tải trọng người. 4300 mm 4300 mm tíi 9000 mm 35 kN 145 kN 145 kN 1800 mm Lµn thiÕt kÕ 3500 mm 600 mm nãi chung 300 mm mót thõa mÆt cÇu Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 9 1.6.2.5 Hoạt tải thiết kế HL - 93 Hoạt tải thiết kế HL – 93 là một tổ hợp của: - Xe tải và tải trọng làn thiết kế. - Xe hai trục và tải trọng làn thiết kế. Trong mỗi làn xe tải trọng HL - 93 được xếp chồng giữa xe tải hoặc xe hai trục với tải trọng làn. Trên mỗi làn chỉ có một xe tải hoặc một xe hai trục trừ trường hợp có quy định riêng (xem điều 3.6.1.3.1 quy trình). 1.6.2.6 Hệ số làn xe Khi trên cầu đồng thời có một số làn xe cần phải nhân với hệ số làn để xét đến xác suất xảy ra hiệu ứng cực trị. a. Số làn xe thiết kế: Số làn xe thiết kế được xác định bởi phần số nguyên của tỷ số w/3500, ở đây w là bề rộng khoảng trống của lòng đường giữa hai đá vỉa hoặc hai rào chắn, đơn vị là mm. Cần xét đến khả năng thay đổi chiều rộng phạm vi xe chạy trong tương lai. Trong trường hợp bề rộng làn xe nhỏ hơn 3500mm thì số làn xe thiết kế lấy bằng số làn giao thông và bề rộng làn xe thiết kế phải lấy bằng bề rộng làn giao thông. Lòng đường rộng từ 6000mm đến 7200mm phải có 2 làn xe thiết kế, mỗi làn bằng một nửa bề rộng lòng đường. b. Hệ số làn: Nội lực cực trị của hoạt tải được xác định bằng cách xét mỗi tổ hợp có thể của số làn chịu tải nhân với hệ số làn xe như trong bảng 1-5. Bảng 1-5. Hệ số làn xe Số làn chất tải Hệ số làn 1 1,20 2 1,00 3 0,85 > 3 0,65 Không áp dụng hệ số làn cho trạng thái giới hạn mỏi vì khi tính mỏi chỉ dùng một xe tải thiết kế bất kể số làn xe là bao nhiêu. Không áp dụng hệ số làn kết hợp với hệ số phân bố tải trọng trừ khi dùng quy tắc đòn bẩy hay khi có yêu cầu riêng cho dầm ngoài cùng trong cầu dầm - bản. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 10 1.6.2.7 Hệ số xung kích Để xét đến tác dụng động của tải trọng, tác dụng tĩnh của xe tải hoặc xe hai trục thiết kế (không kể lực ly tâm và lực hãm phanh) phải được nhân thêm với hệ số xung kích 1+IM/100, trong đó lực xung kích IM được tính theo phần trăm của lực tác dụng và được lấy theo bảng 1-6. Không áp dụng hệ xung kích cho tải trọng làn thiết kế và tải trọng người đi, tường chắn không chịu lực thẳng đứng từ kết cấu phần trên và phần móng nằm hoàn toàn dưới mặt đất. Bảng 1-6. Lực xung kích IM Cấu kiện IM Mối nối bản mặt cầu: Tất cả các trạng thái giới hạn 75% Tất cả các cấu kiện khác: Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gẫy Các trạng thái giới hạn khác 15% 25% 1.6.2.8 Lực ly tâm Lực ly tâm xuất hiện khi xe chạy trên đường cong. Lực ly tâm tác dụng theo phương nằm ngang ở phía trên và cách mặt đường 1800mm, có độ lớn bằng tích số trọng lượng trục của xe tải hay xe hai trục với hệ số C: gR3 V4C 2 = (1-3) trong đó: V – vận tốc thiết kế (m/s); g – gia tốc trọng trường, lấy bằng 9,807 (m/s2); R – bán kính cong của làn xe (m). Khi tính lực ly tâm phải áp dụng hệ số làn. 1.6.2.9 Lực hãm xe Lực hãm xe được lấy bằng 25% trọng lượng các trục của xe tải hoặc xe hai trục thiết kế đặt lên mỗi làn cho tất cả các làn được quy định theo phần 1.6.2.6.a và có xe chạy cùng hướng. Các lực này được xem là tác dụng theo phương nằm ngang cách phía trên mặt đường 1800mm theo một hướng dọc cầu để gây ra nội lực lớn nhất. Đối với những cầu có thể trở thành một chiều trong tương lai thì phải chất tải đồng thời trên tất cả các làn thiết kế. Khi tính lực hãm phải áp dụng hệ số làn. 1.6.2.10 Lực va của xe Không cần tính lực va của xe cộ và tầu hỏa nếu công trình được bảo vệ bởi: Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 11 - Nền đắp. - Rào chắn độc lập chôn trong đất, chịu được va chạm, cao 1370mm, đặt cách bộ phận cần bảo vệ trong phạm vi 3000mm. - Rào chắn cao 1070m đặt cách bộ phận cần bảo vệ hơn 3000mm. a. Xe cộ, tầu hỏa va vào kết cấu: Nếu không được bảo vệ thì mố, trụ đặt trong phạm vi cách lòng đường bộ 9000mm hay trong phạm vi 15000mm đến tim đường sắt đều phải tính với lực tĩnh tương đương đặt trong mặt phẳng nằm ngang, cách mặt đất 1200mm với trị số bằng 1800kN. b. Xe cộ va vào rào chắn, lan can (hình 1-4): Các lực thiết kế lan can và các tiêu chuẩn hình học phải như quy định trong bảng 1-7 và được minh họa trong hình 1-4. Các mức độ ngăn chặn của lan can được lấy theo các chỉ dẫn sau: L1 Mức cấp một, áp dụng cho các khu vực công trường với tốc độ xe cộ thấp và các đường phố địa phương có lưu lượng nhỏ, tốc độ thấp. L2 Mức cấp hai, áp dụng cho các khu vực công trường, hầu hết các đường địa phương và đường thu gom có điều kiện tốt nơi có ít xe nặng và tốc độ giảm. L3 Mức cấp ba, áp dụng cho các đường chính có hỗn hợp các xe tải và các xe nặng. L4 Mức cấp bốn, áp dụng cho đường cao tốc với tốc độ cao, lưu lượng giao thông lớn với tỷ lệ cao hơn của các xe nặng và cho đường bộ với điều kiện tại chỗ xấu. L5 Mức cấp năm, áp dụng cho các đường giống như mức cấp bốn khi có điều kiện tại chỗ chứng minh cần mức độ ngăn chặn cao hơn. Bảng 1-7. Lực thiết kế và các thông số tác dụng đối với lan can đường ô tô Mức độ ngăn chặn của lan can Lực thiết kế và các thông số tác dụng L1 L2 L3 L4 L5 Ft Ngang (kN) 60 120 240 516 550 FL Dọc (kN) 20 40 80 173 183 FV Thẳng đứng (kN) hướng xuống dưới 20 20 80 222 355 Lt và LL (mm) 1220 1220 1070 2440 2440 LV (mm) 5500 5500 5500 12200 12200 He (min) (mm) 460 510 810 1020 1070 Chiều cao lan can nhỏ nhất H (mm) 810 810 810 1020 1370 Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 12 Hình 1-4. Các lực va vào rào chắn, lan can 1.6.2.11 Tải trọng gió a. Tốc độ gió thiết kế: Ở đây chỉ xét tốc độ gió nằm ngang tác dụng vào công trình cầu thông thường, đối với những kết cấu nhịp lớn hay kết cấu nhạy cảm với gió như cầu treo dây võng, cầu dây văng…, cần có những khảo sát, nghiên cứu riêng và thí nghiệm trong các hầm thổi gió để xác định tác động của gió. Tốc độ gió thiết kế được xác định theo công thức: SVV B= (1-4) trong đó: V – tốc độ gió thiết kế (m/s); VB – tốc độ gió giật cơ bản trong 3 giây với chu kỳ xuất hiện 100 năm (p = 1%) lấy theo bảng 1-8; S – hệ số hiệu chỉnh theo địa hình và cao độ, lấy theo bảng 1-9. Bảng 1-8. Các giá trị của VB cho các vùng Vùng tính gió theo TCVN 2737 – 1995 Tốc độ gió giật cơ bản VB (m/s) I II III IV 38 45 53 59 Ghi chú của bảng 1-8: Khi tính gió trong quá trình lắp ráp có thể nhân tốc độ gió giật cơ bản VB cho trong bảng với hệ số 0,85. Lv H Fv Lt và LL FL R1 R2 _ R _ Y Ft Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 13 Bảng 1-9. Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió theo địa hình và cao độ Độ cao mặt cầu trên mặt đất khu vực xung quanh hay trên mặt nước (m) Khu vực trống trải hay mặt nước thoáng Khu vực có rừng hay có nhà cửa với cây, nhà cao tối đa khoảng 10m Khu vực có nhà cửa với đa số nhà cao trên 10m 10 1,09 1,00 0,81 20 1,14 1,06 0,89 30 1,17 1,10 0,94 40 1,20 1,13 0,98 50 1,21 1,16 1,01 b. Tải trọng gió tác dụng lên cầu: - Gió ngang Tải trọng gió ngang PD có phương nằm ngang, đặt ở trọng tâm diện tích chắn gió và có trị số (kN): tdt 2 D A8,1CAV0006,0P ≥= (1-5) trong đó: V – tốc độ gió thiết kế (m/s); At – diện tích chắn gió (m2); Cd – hệ số chắn gió lấy theo đồ thị trên hình 1-5. Hình 1- 5. Hệ số cản Cd dùng cho kết cấu phần trên có mặt hứng gió đặc Diện tích chắn gió At phải là diện tích đặc chiếu lên mặt trước vuông góc với hướng gió, trong trạng thái không có hoạt tải tác dụng với các điều kiện sau: 0,4 0,8 1,2 2,4 2,0 1,6 2,8 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2 6 10 14 2218 14 26 30 Hệ số tối thiểu cho hệ mặt cầu đặt trên dầm I hoặc hệ có nhiều hơn 4 dầm loại khác hoặc hệ dầm hộp H ệ số c ản C d Tỷ số b/d Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 14 + Đối với kết cấu phần trên có lan can đặc, diện tích At phải bao gồm cả diện tích của lan can đặc hứng gió (lan can đầu gió), không cần xét ảnh hưởng của lan can không hứng gió (lan can cuối gió hay lan can ở phía sau). + Đối với kết cấu phần trên có lan can hở, khi đó phải lấy bằng tổng tải trọng tác dụng lên từng phần bao gồm cả lan can đầu gió và lan can cuối gió khi xem như lan can này không ảnh hưởng gì đến lan can kia. Khi số lan can lớn hơn hai chỉ xét hai lan can có diện tích chắn gió lớn nhất. + Đối với cầu dàn tải trọng gió được tính riêng cho từng dàn, không xét tác dụng chắn gió của dàn nọ đối với dàn kia. + Đối với trụ không xét đến ảnh hưởng của các mặt che chắn. Hệ số cản gió Cd lấy theo hình 1-5, trong đó trục hoành là tỷ số b/d với b là chiều rộng cầu giữa hai mặt lan can và d là chiều cao kết cấu phần trên bao gồm cả lan can đặc nếu có với các chú ý sau: + Khi kết cấu phần trên có mặt chính đặc, mép dốc đứng, không có góc vuốt thoát gió đáng kể thì Cd lấy như trên hình 1-5. + Trong cầu dàn, lan can, kết cấu phần dưới tính riêng, mỗi bộ phận có hệ số Cd tương ứng. + Mọi kết cấu phần trên khác, Cd được xác định theo thí nghiệm trong hầm thổi gió. + Giá trị Cd cho trong hình 1-5 ứng với mặt chắn gió thẳng đứng và gió tác dụng nằm ngang. + Nếu mặt chắn gió xiên với mặt phẳng thẳng đứng, Cd có thể giảm 0,5% cho mỗi độ xiên và giảm tối đa 30%. + Nếu mặt chắn gió có phần đứng và phần xiên hoặc hai phần xiên với góc nghiêng khác nhau thì: Hệ số cản Cd tính với chiều cao toàn bộ kết cấu; Đối với từng phần hệ số cản Cd giảm theo ghi chú ở trên; Tải trọng gió tổng cộng được tính theo tải trọng gió lên từng phần với hệ số cản gió Cd tương ứng. + Nếu kết cấu phần trên có độ dốc phải lấy Cd tăng thêm 3% cho mỗi độ nghiêng so với đường nằm ngang nhưng không quá 25%. + Nếu kết cấu phần trên chịu gió xiên không quá 5% so với phương nằm ngang phải tăng Cd lên 15%, nếu góc xiên vượt quá 5% phải có thí nghiệm riêng để xác định Cd. + Nếu kết cấu phần trên dốc đồng thời chịu gió xiên phải lấy Cd theo kết quả khảo sát riêng. - Gió dọc: Đối với mố, trụ, kết cấu phần trên có bề mặt cản gió song song với tim dọc của kết cấu lớn thì phải tính tải trọng gió dọc cầu. Cách tính tải trọng gió dọc Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 15 tương tự cách tính tải trọng gió ngang. Đối với kết cấu phần trên có mặt trước đặc, tải trọng gió dọc lấy bằng 0,25 tải trọng gió ngang tính như phần trên. Các tải trọng gió dọc và ngang phải tính riêng rẽ, trường hợp cần thiết cần kiểm toán theo hợp lực thì không lấy hai trường hợp riêng rẽ trên mà phải tính theo hướng thực của gió. - Gió thẳng đứng: Tải trọng gió thẳng đứng PV tác dụng vào trọng tâm diện tích chắn gió thích hợp có giá trị bằng (kN): v 2 V AV00045,0P = (1-6) trong đó V là tốc độ gió thiết kế được lấy theo công thức (1-4) ở trên, Av là diện tích phẳng của mặt cầu hay cấu kiện dùng để tính tải trọng gió thẳng đứng (m2). Tải trọng gió thẳng đứng chỉ tính trong các trạng thái giới hạn không liên quan đến gió tác dụng lên hoạt tải, chỉ tính khi lấy hướng gió vuông góc với trục dọc cầu. Tải trọng gió thẳng đứng tác dụng cùng gió nằm ngang. Công thức (1-6) áp dụng với điều kiện góc nghiêng của gió tác dụng vào kết cấu nhỏ hơn 50, nếu lớn hơn cần xác định bằng thí nghiệm. c. Tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải WL: Trong trạng thái giới hạn cường độ III phải xét cả tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải. Tải trọng gió ngang lên hoạt tải được lấy là một lực rải đều hướng ngang cầu có trị số 1,5N/mm đặt tại độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy. Tải trọng gió dọc lên hoạt tải cũng là một lực rải đều nằm ngang đặt tại độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy, phân bố dọc cầu và có cường độ 0,75N/mm. Tải trọng gió ngang cầu và dọc cầu được tính riêng rẽ, nếu cần kiểm toán theo hợp lực thì phải tính theo hướng thực của gió. 1.7 Phân bố ngang của tải trọng Cầu là một kết cấu không gian. Có nhiều phương pháp để tính ra nội lực, chuyển vị ở từng vị trí của kết cấu, các phương pháp này đã được thể hiện trong các phần mềm tính toán mà khi thiết kế người kỹ sư có thể dùng để tính toán. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta có thể đưa bài toán không gian về bài toán phẳng thông qua hệ số phân bố ngang của tải trọng. Có rất nhiều phương pháp tính hệ số phân bố ngang đã được nghiên cứu, ở đây chỉ xét phương pháp đã được chấp nhận trong quy trình 22TCN-272-05. So với các phương pháp khác, phương pháp tính hệ số phân bố ngang theo quy trình 22TCN-272-05 có các đặc điểm sau: - Tính hệ số phân bố ngang riêng cho lực cắt, riêng cho mômen uốn. - Có hệ số phân bố ngang riêng cho dầm biên và cho dầm trong. - Có hệ số hiệu chỉnh khi cầu xiên. - Cầu dầm và cầu tiết diện hộp có phương pháp tính khác nhau. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 16 1.7.1 Tính hệ số phân bố ngang cho các cầu dầm - bản Cầu dầm - bản là loại cầu hay gặp nhất, trong đó dầm chủ có thể là thép, gỗ, bê tông, mặt cầu cũng có thể là thép, gỗ, bê tông. Tuy nhiên trong phạm vi cầu thép thì dầm chủ bằng thép còn mặt cầu bằng gỗ, thép hoặc bê tông. Nếu mặt cầu không liên hợp với dầm chủ thì tạo thành cầu dầm thép bản kê. Nếu mặt cầu bằng bê tông được liên kết cứng với dầm thép thì tạo thành cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép. Nếu mặt cầu bằng thép và được cấu tạo sao cho cùng làm việc với dầm thép thì tạo thành cầu dầm có bản trực hướng. Phương pháp tính hệ số phân bố ngang cho cầu dầm - bản (từ đây gọi tắt là cầu dầm) trong quy trình 22TCN-272-05 chỉ áp dụng cho cầu thỏa mãn các điều kiện sau: - Bề rộng mặt cầu không đổi trên suốt chiều dài nhịp. - Số dầm không nhỏ hơn 4 trừ khi có quy định khác. - Các dầm song song với nhau và có độ cứng xấp xỉ nhau. - Phần hẫng của đường xe chạy không vượt quá 910mm trừ khi có quy định khác. - Độ cong trong mặt bằng nhỏ. - Mặt cắt ngang cầu phù hợp với quy định trong bảng 1-10. Khi đã thỏa mãn các điều kiện trên, tải trọng thường xuyên của bản mặt cầu và trên bản mặt cầu được xem là phân bố đều cho các dầm chủ hoặc phân bố đều cho dầm chủ và dầm dọc hoặc phân bố đều cho dầm dọc như trong cầu dàn. Để tính hệ số phân bố ngang của hoạt tải cần thực hiện theo trình tự: Đầu tiên tính tham số độ cứng dọc, sau đó từ tham số độ cứng dọc tra bảng để xác định hệ số phân bố ngang. Hệ số phân bố ngang của hoạt tải ở đây có thể sử dụng cho các loại xe mà bề rộng của chúng tương đương với bề rộng của xe tải thiết kế. 1.7.1.1 Tính tham số độ cứng dọc Tham số độ cứng dọc gK được tính theo công thức: ( )2gg AeInK += (1-7) với D B E En = (1-8) trong đó: EB – mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo dầm (MPa); ED – mô đun đàn hồi của vật liệu bản (MPa); I – mômen quán tính của dầm (mm4); A – diện tích tiết diện dầm chủ hay dầm dọc phụ (mm2); eg – khoảng cách từ trọng tâm dầm đến trọng tâm bản (mm). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 17 Các thông số I và A trong công thức (1-7) phải được lấy theo dầm không liên hợp. Bảng 1-10. Các loại mặt cắt ngang kết cấu nhịp Cấu kiện đỡ Loại mặt cầu Mặt cắt điển hình Dầm thép Bê tông đúc tại chỗ, đúc sẵn, lưới thép mắt cáo (a) Dầm thép hộp kín Bê tông đúc tại chỗ (b) Dầm thép hộp hở Bê tông đúc tại chỗ, đúc sẵn (c) 1.7.1.2 Xác định công thức tính hệ số phân bố ngang Căn cứ vào loại kết cấu dầm, mặt cắt thích hợp (a hoặc b hoặc c trong bảng 1- 10), phạm vi áp dụng, tra bảng 1-11 để tìm công thức tính hệ số phân bố ngang, sau đó thay các giá trị tương ứng vào để tìm giá trị của hệ số phân bố ngang. Với các cầu chỉ có hai dầm, hệ số phân bố ngang được tính theo phương pháp đòn bẩy. Hệ số phân bố ngang được tính theo công thức ở bảng trên đã được nhân với hệ số làn xe m. Khi tính theo phương pháp đòn bẩy cần phải nhân thêm với hệ số làn xe m. Ghi chú của bảng 1-11: S – khoảng cách giữa các dầm (mm). L – chiều dài nhịp (mm). ts – chiều dày bản bê tông (mm). tg – chiều dày lưới thép hoặc tấm thép lượn sóng (mm). NL – số làn xe thiết kế. Nb – số dầm, dầm dọc phụ. de – khoảng cách từ tim dầm ngoài đến mép trong của đá vỉa hoặc lan can. g – hệ số phân bố. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 18 e – hệ số hiệu chỉnh. d – chiều cao dầm chủ hoặc dầm dọc phụ (mm). D – chiều rộng phân bố trên một làn (mm). θ – góc chéo (độ). Kg – tham số độ cứng dọc (mm4). Bảng 1-11. Hệ số phân bố tải trọng theo làn Nội lực, dầm Loại kết cấu Hệ số phân bố tải trọng Hệ số điều chỉnh độ chéo Phạm vi áp dụng Một làn chịu tải 1,0 3 s g 3,04,0 Lt K L S 4300 S06,0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+ Số làn chịu tải ≥ 2 0,10,6 0,2 g 3 s KS S0,075 2900 L Lt ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ 1100≤S≤4900 110 ≤ts≤ 300 6000≤L≤73000 Nb ≥ 4 loại a, mặt cầu bằng bản bê tông Dùng giá trị nhỏ hơn: tính theo công thức trên với Nb=3 hoặc tính theo nguyên tắc đòn bẩy. 5,1 1 )tg(C1 θ− 5,0 3 s g 1 L S Lt K 25,0C ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= Nếu θ < 300, C1=0,0 Nếu θ > 600, sử dụng θ = 600 Nb = 3 loại a, mặt cầu bằng lưới mắt cáo Một làn chịu tải S/2300 nếu tg < 100 mm S/3050 nếu tg ≥ 100 mm Số làn chịu tải ≥ 2 S/2400 nếu tg < 100 mm S/3050 nếu tg ≥ 100 mm Không áp dụng S ≤ 1800mm S ≤ 3200mm loại b và c, mặt cầu bằng bản bê tông Số làn chịu tải bất kỳ Lb L N 425,0 N N85,005,0 ++ Không áp dụng 5,1 N N5,0 b L ≤≤ Mô men, dầm trong loại a, mặt cầu bằng tôn lượn sóng Một làn chịu tải S / 2800 Số làn chịu tải ≥ 2 S / 2700 Không áp dụng S ≤ 1700mm tg ≥ 50 Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 19 Bảng 1-11. Hệ số phân bố tải trọng theo làn (tiếp theo trang trước) Nội lực, dầm Loại kết cấu Hệ số phân bố tải trọng Hệ số điều chỉnh độ chéo Phạm vi áp dụng Một làn chịu tải Tính theo nguyên tắc đòn bẩy Số làn chịu tải ≥ 2 g = e·gdầm trong 2800 d77,0e e+= -300 ≤de≤ 1700 Nb ≥ 4 loại a, mặt cầu bằng bản bê tông Dùng giá trị nhỏ hơn: tính theo công thức trên với Nb=3 hoặc tính theo nguyên tắc đòn bẩy. 5,1 1 )tg(C1 θ− 5,0 3 s g 1 L S Lt K 25,0C ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= Nếu θ < 300, C1=0,0 Nếu θ > 600, sử dụng θ = 600 Nb = 3 Mô men, dầm biên loại a, mặt cầu lưới mắt cáo Số làn chịu tải bất kỳ đều tính theo nguyên tắc đòn bẩy. Không áp dụng áp dụng cho mọi trường hợp Một làn chịu tải 7600 S36,0 + Số làn chịu tải ≥ 2 2 10700 S 7600 S20,0 ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+ 1100≤S≤4900 110 ≤ts≤ 300 6000≤L≤73000 4.109≤Kg≤3.1 012 Nb ≥ 4 loại a, mặt cầu bằng bản bê tông Nguyên tắc đòn bẩy. θ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ tg K Lt 20,000,1 3,0 g 3 s với 00≤ θ ≤ 600 Nb = 3 Lực cắt, dầm trong loại a, mặt cầu lưới mắt cáo Số làn chịu tải bất kỳ đều tính theo nguyên tắc đòn bẩy. Không áp dụng Áp dụng cho mọi trường hợp Một làn chịu tải Tính theo nguyên tắc đòn bẩy. Số làn chịu tải ≥ 2 g = e. gdầm trong 3000 d60,0e e+= 300 ≤de≤ 1700 Nb ≥ 4 loại a, mặt cầu bằng bản bê tông Nguyên tắc đòn bẩy. θ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛+ tg K Lt 20,000,1 3,0 g 3 s với 00≤ θ ≤ 600 Nb = 3 Lực cắt dầm biên loại a, mặt cầu lưới mắt cáo Số làn chịu tải bất kỳ đều tính theo nguyên tắc đòn bẩy. Áp dụng cho mọi trường hợp Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 20 1.7.2 Tính hệ số phân bố ngang cho các cầu dầm hộp Với cầu dầm hộp kể cả hộp đơn và hộp có hai hoặc nhiều ngăn tốt nhất là tính nội lực bằng các phương pháp không gian như phương pháp phần tử hữu hạn, dải hữu hạn… trong các phần mềm tính toán đã có sẵn. Với cầu nhiều hộp (hình b và c trong bảng 1-8) bạn đọc có thể tính theo các công thức cho trong quy trình, ở đây không nêu công thức tính vì trường hợp này cho đến nay chưa gặp ở Việt nam. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 21 Chương 2 THÉP VÀ CÁC LIÊN KẾT 2.1 Các loại thép kết cấu Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05, trong cầu thép thường dùng 4 loại thép sau: - Thép cácbon hay thép kết cấu M 270M cấp 250. - Thép hợp kim thấp cường độ cao M 270M cấp 345 và 345W. - Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt M 270M cấp 485W. -Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt với cường độ chảy dẻo cao M270M cấp 690 và 690W. Bảng 2-1 cho các đặc tính cơ học tối thiểu của thép, trong đó có cường độ chịu kéo nhỏ nhất (Fu) là cường độ nhỏ nhất khi đứt trong thí nghiệm kéo thép và cường độ chảy nhỏ nhất (Fy) là cường độ của vật liệu ở giới hạn chảy trong thí nghiệm kéo thép. Bảng 2-1. Các đặc tính tối thiểu của thép kết cấu theo hình dáng, cường độ và chiều dày Thép kết cấu Thép hợp kim thấp cường độ cao Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt Thép hợp kim tôi và gia nhiệt cường độ chảy cao Ký hiệu AASHTO M 270M cấp 250 M 270M cấp 345 M 270M cấp 345W M 270M cấp 485W M 270M cấp 690/690W Ký hiệu ASTM tương đương A 709M cấp 250 A 709M cấp 345 A 709M cấp 345W A 709M cấp 485W A 709M các cấp 690/690W Chiều dày bản thép, mm Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65 đến 100 Thép hình Tất cả các nhóm Tất cả các nhóm Tất cả các nhóm Không áp dụng Không áp dụng Không áp dụng Cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fu (MPa) 400 450 485 620 760 690 Điểm chảy nhỏ nhất hoặc cường độ chảy nhỏ nhất Fy (MPa) 250 345 345 485 690 620 Đối với tất cả các loại thép khi thiết kế đều lấy môđun đàn hồi E = 200000 MPa và hệ số giãn nở vì nhiệt 11,7. 10-6 mm/mm/00C. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 22 Trong các loại thép ở bảng 2-1 thì M 270M là ký hiệu thép còn cấp của loại thép là cường độ chảy tính bằng MPa. Thí dụ thép cấp 345 thì cường độ chảy của thép là 345MPa, còn chữ W ở sau cấp thép là chỉ thép chống gỉ, thí dụ thép cấp 690W là thép chống gỉ có cường độ chảy 690MPa. Tất cả các loại thép cho trong bảng 2-1 đều là thép hàn được. Chiều dày nhỏ nhất của thép trong cầu thép quy định ở điều 6.7.3 như sau: - Thép kết cấu bao gồm cả liên kết ngang, liên kết dọc và các loại bản nút trừ sườn dầm của thép hình, sườn tăng cường kín trong mặt cầu có bản trực hướng (bản orthotrope), tấm đệm và thép lan can đều phải có chiều dày tối thiểu là 8mm. - Chiều dày sườn của thép hình, sườn tăng cường kín trong mặt cầu có bản trực hướng phải có chiều dày tối thiểu là 7mm. - Với những kết cấu hoặc bộ phận kết cấu chịu ảnh hưởng ăn mòn nghiêm trọng thì phải được bảo vệ đặc biệt chống ăn mòn hoặc phải quy định chiều dày bị ăn mòn để tăng thêm chiều dày thép khi thiết kế. 2.2 Liên kết bulông Bulông dùng trong cầu có thể là bulông thường hoặc bulông cường độ cao. Bulông thường được dùng chủ yếu trong các bộ phận phụ như lan can, ống thoát nước v.v... Bulông cường độ cao được dùng phổ biến trong cầu nhất là ở các mối nối thực hiện tại công trường. Liên kết bulông cường độ cao có thể làm việc theo ma sát hay theo ép tựa. Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu, tải trọng va chạm mạnh, chấn động lớn… phải dùng liên kết ma sát, cụ thể là: - Các mối ghép chịu tải trọng mỏi. - Các mối nối chịu cắt với các bulông lắp vào lỗ quá cỡ. - Các mối nối chịu cắt với các bulông lắp vào lỗ ôvan ngắn hoặc dài, lực tác dụng lên mối nối khác với phương thẳng góc với trục dài của lỗ ôvan. - Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu. - Các mối nối trong đó các bulông cũng tham gia truyền tải trọng ở bề mặt được tạo nhám. - Các mối nối kéo dọc trục hoặc kéo dọc trục đồng thời cắt. - Các mối nối chịu nén dọc trục với các lỗ tiêu chuẩn hoặc các lỗ ôvan chỉ trong một lớp của liên kết, phương của tải trọng thẳng góc với phương của trục dài lỗ ôvan. Các liên kết chịu ép tựa được dùng cho các mối nối chịu nén dọc trục hoặc các mối nối trên hệ liên kết với điều kiện phải thỏa mãn sức kháng tính toán trong trạng thái giới hạn cường độ. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 23 2.2.1 Cấu tạo bulông cường độ cao Bulông cường độ cao bao gồm có bulông, đai ốc và vòng đệm. 2.2.1.1 Bulông Bulông cường độ cao dùng trong liên kết của các kết cấu thép phải có cường độ chịu kéo tối thiểu 830MPa cho các bulông có đường kính từ 16mm đến 27mm và 725MPa cho các bulông có đường kính từ 30mm tới 36mm. Đường kính bulông không được nhỏ hơn 16mm. Không được dùng bulông 16mm trong các cấu kiện chủ yếu, trừ khi tại các cạnh thép góc 64mm và các bản cánh của các mặt cắt có kích thước yêu cầu các bulông liên kết đường kính 16mm. Bulông liên kết đường kính 16mm chỉ nên dùng cho lan can, không dùng cho thép hình. Các thép góc mà kích thước không yêu cầu cần phải xác định bằng tính toán thì có thể dùng các bulông như sau: - Bulông đường kính 16mm cho cạnh 50mm. - Bulông đường kính 20mm cho cạnh 64mm. - Bulông đường kính 24mm cho cạnh 75mm. - Bulông đường kính 27mm cho cạnh 90mm. Đường kính của bulông trong các thép góc của các thanh chủ yếu không được vượt quá một phần tư chiều rộng cạnh của thanh có bố trí bulông. Tùy theo công nghệ thi công bulông có các cấu tạo khác nhau: - Kiểu 1 (hình 2-1- a), bulông có cấu tạo thông thường gồm thân bulông, đai ốc và hai vòng đệm. Khi xiết dùng một cờlê hãm đầu bulông, một cờlê đo lực xiết đến lực căng yêu cầu. Hình 2-1. Các loại bulông - Kiểu 2 (hình 2-1-b), bulông có đầu chỏm cầu, đai ốc và hai vòng đệm. Khi xiết dùng cờlê máy xoay hai chiều, một chiều hãm đầu bulông ngoài đai ốc, một chiều xiết đai ốc đến khi đứt đầu bulông. (a) (b) (c) (d) (e) Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 24 - Kiểu 3 (hình 2-1-c,d), bulông có đầu chỏm cầu, dưới chỏm cầu có một hoặc hai ngạnh (các ngạnh này được đặt trong lỗ có rãnh), đai ốc và một vòng đệm. Khi xiết dùng một cờlê đo lực xiết đến lực căng yêu cầu. - Kiểu 4 (hình 2-1-e), bulông có đầu loe hình nón cụt (chìm) sát phần đầu loe cấu tạo đoạn gai tạo ma sát với lỗ, đai ốc và một vòng đệm. Khi xiết dùng một cờlê đo lực xiết đến lực căng yêu cầu. 2.2.1.2 Đai ốc Đai ốc phải được chế tạo đúng tiêu chuẩn và được tráng kẽm. Đai ốc phải có độ cứng tối thiểu 89HRB. 2.2.1.3 Vòng đệm Vòng đệm phải được chế tạo theo đúng tiêu chuẩn và được tráng kẽm. Mặt ngoài của phần được bắt bulông phải có độ dốc so với mặt phẳng trực giao với trục bulông lớn hơn 1:20. Trong bất cứ trường hợp nào cũng phải có vòng đệm ở dưới cấu kiện được xiết chặt. Các vòng đệm tôi cứng phải được trùm qua các lỗ rộng quá cỡ hoặc rãnh khía ở tấm ngoài. Chiều dày của các vòng đệm tấm kết cấu hoặc thanh với các lỗ tiêu chuẩn không được nhỏ hơn 8mm. 2.2.2 Lỗ bulông Lỗ bulông thường có các loại sau: - Lỗ tiêu chuẩn là lỗ có đường kính lớn nhất lớn hơn đường kính bulông từ 2mm đến 3mm. - Lỗ quá cỡ là lỗ có đường kính lớn nhất lớn hơn đường kính bulông từ 4mm trở lên. Lỗ quá cỡ được dùng trong liên kết ma sát ở bất kỳ lớp nào của liên kết và không đựơc dùng trong liên kết kiểu ép tựa. - Lỗ ôvan ngắn và lỗ có xẻ một rãnh là lỗ có chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều nhất là 7mm và có thể dùng cho bất kỳ lớp nào của liên kết ma sát hay liên kết ép tựa. Cạnh dài của lỗ ôvan không phụ thuộc vào phương của tải trọng trong liên kết ma sát, còn trong liên kết ép tựa chiều dài phải được trực giao với phương của tải trọng. - Lỗ ôvan dài và lỗ có xẻ hai rãnh là lỗ có chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều rộng và chỉ dùng trong một lớp của liên kết ma sát hay liên kết ép tựa. Cũng như lỗ ôvan ngắn trong liên kết ma sát cạnh dài của lỗ ôvan có thể có vị trí bất kỳ so với phương của tải trọng, còn trong liên kết ép tựa cạnh dài phải được trực giao với phương của tải trọng. Kích thước của các loại lỗ phụ thuộc và đường kính bulông và không được vượt quá giá trị cho trong bảng 2-2. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 25 Bảng 2-2. Các kích thước lỗ lớn nhất Đường kính bulông Tiêu chuẩn Quá cỡ Ôvan ngắn Ôvan dài D Đưòng kính Đường kính Rộng x dài Rộng x dài 16 18 20- 18 x 22 18 x 40 20 22 24 22 x 26 22 x 50 22 24 28 24 x 30 24 x 55 24 26 30 26 x 33 26 x 60 27 30 35 30 x 37 30 x 67 30 33 38 33 x 40 33 x 75 36 39 44 39 x 46 39 x 90 2.2.3 Khoảng cách giữa các bulông 2.2.3.1 Khoảng trống và khoảng cách tối thiểu Khoảng cách từ tim đến tim của bulông với lỗ tiêu chuẩn không được nhỏ hơn ba lần đường kính bulông. Khi dùng bulông lỗ quá cỡ hoặc lỗ ôvan (hay lỗ xẻ rãnh) thì khoảng trống (khoảng cách từ mép lỗ đến mép lỗ liền kề theo phương của lực hay vuông góc với phương của lực) không được nhỏ hơn hai lần đường kính bulông. Hình 2-2. Các kích thước trong liên kết bulông Ghi chú hình 2.2: a - khoảng cách giữa các đinh (bước bulông); b - khoảng cách từ đinh đến đầu cấu kiện; c - khoảng trống giữa các bulông; d - khoảng trống từ bulông đến đầu cấu kiện; g - khoảng cách ngang; b1 - khoảng cách so le; a2 - khoảng cách ngang đến mép cấu kịên. 2.2.3.2 Khoảng cách tối đa Để bảo đảm cho các tấm ghép ép xít vào nhau và cách ẩm khoảng cách giữa các bulông trên một hàng đơn liền kề với mép tự do của bản táp ngoài hay thép hình phải thỏa mãn điều kiện: S ≤ (100 + 4t) ≤ 175 (2-1) a b c d g b1 a2 Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 26 Cũng để đảm bảo các điều kiện trên nếu có một hàng thứ hai bố trí so le với hàng liền kề với mép tự do và có khoảng cách không nhỏ hơn 38 + 4t thì cự ly so le S giữa hai hàng đinh đó phải thỏa mãn điều kiện: S ≤ 100 + 4t ( 4 g3 ) ≤ 175 (2-2) Khoảng cách so le này không được nhỏ hơn một nửa khoảng cách cho một hàng đơn. Trong các công thức (2-1) và (2-2), t là chiều dày nhỏ hơn của bản táp hay thép hình (mm); g là khoảng cách ngang giữa các bulông (mm). 2.2.3.3 Bước tối đa cho bulông ghép tổ hợp Bulông ghép tổ hợp khi mặt cắt ngang có hai hay lớn hơn hai tấm bản hay thép hình tiếp giáp với nhau. Khoảng cách giữa các bulông theo chiều dọc khi ghép các cấu kiện chịu nén không được vượt quá 12t. Khoảng cách ngang (g) giữa các hàng bulông liền kề không được quá 24t. Khi bố trí so le khoảng cách so le của hai bulông ở hai hàng liền kề phải thỏa mãn: S ≤ 15t- ( 8 g3 ) ≤ 12 (2-3) Khoảng cách dọc giữa các bulông trong thanh chịu kéo không được vượt quá hai lần quy định đối với thanh chịu nén. Khoảng cách ngang giữa hai hàng bulông liền kề không được vượt quá 24t. Khoảng cách dọc tối đa của các bulông trong các cấu kiện có mặt cắt tổ hợp không được vượt quá trị số nhỏ hơn giữa hai yêu cầu chống ẩm (xem phần 2.2.3.2) và ghép tổ hợp (xem phần 2.2.3.3). 2.2.3.4 Khoảng cách dọc tối đa cho bulông ghép tổ hợp ở đầu cấu kiện chịu nén Bước dọc của bulông liên kết các bộ phận của cấu kiện chịu nén không được vượt quá bốn lần đường kính bulông cho một đoạn dài bằng 1,5 chiều rộng lớn nhất của cấu kiện. Ngoài đoạn này (đoạn ở đầu cấu kiện) bước dọc có thể được tăng dần trên đoạn chiều dài bằng 1,5 lần chiều rộng tối đa của cấu kiện cho đến khi nào đạt bước dọc tối đa như quy định ở 2.2.3.3. 2.2.3.5 Khoảng cách bulông ở đầu mút cấu kiện Khoảng cách từ tim lỗ đến đầu cấu kiện của mọi loại lỗ không được nhỏ hơn khoảng cách đến mép quy định trong bảng 2-3. Đối với lỗ quá cỡ hoặc ôvan khoảng từ mép lỗ đến mép cấu kiện không đựơc nhỏ hơn đường kính bulông. Khoảng cách từ tim bulông đến đầu cấu kiện lớn nhất phải lấy không lớn hơn tám lần chiều dày của bản nối dày nhất và 125mm. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 27 Bảng 2-3. Khoảng cách đến mép tối thiểu Đường kính bulông Các mép cắt Các mép tấm bản hay thép hình được cán hoặc các mép được cắt bằng khí đốt 16 28 22 20 34 26 22 38 28 24 42 30 27 48 34 30 52 38 36 64 46 2.2.3.6 Khoảng cách đến mép bên cấu kiện Khoảng cách tối thiểu từ tim bulông đến mép bên của cấu kiện quy định trong bảng 2-3. Khoảng cách từ tim bulông đến mép cấu kiện không được lớn hơn tám lần chiều dày của bản nối dày nhất và 125mm. 2.2.4 Sức kháng của bulông Ở đây cần xét sức kháng trượt dùng cho liên kết ma sát, sức kháng cắt và sức kháng ép mặt dùng cho liên kết ép tựa và các sức kháng khác. 2.2.4.1 Sức kháng trượt Sức kháng trượt danh định của bulông trong liên kết ma sát được lấy như sau: Rn = Kh Ks Ns Pt (2-4) trong đó: Ns – số lượng mặt ma sát tính cho mỗi bulông; Pt – lực căng tối thiểu yêu cầu của bulông (N) lấy theo bảng 2-4; Kh – hệ số kích thước lỗ, lấy theo bảng 2-5; Ks - hệ số điều kiện bề mặt, lấy theo bảng 2-6, trong đó có mặt loại A, loại B, loại C như sau: + Loại A: Làm sạch các lớp bẩn, không sơn, bề mặt đựơc làm sạch bằng thổi với các lớp phủ loại A. + Loại B: Làm sạch bề mặt bằng thổi, không sơn, bề mặt đựơc làm sạch bằng thổi có các lớp phủ loại B. + Loại C: Bề mặt mạ kẽm nóng và làm nhám bằng bàn chải sắt sau khi mạ. 2.2.4.2 Sức kháng cắt Sức kháng cắt danh định của bulông cường độ cao hoặc bulông ASTM A307 ở trạng thái giới hạn cường độ trong các mối nối mà khoảng cách giữa các Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 28 bulông xa nhất theo phương song song với đường tác dụng của lực nhỏ hơn 1270mm lấy như sau: + Khi đường ren nằm ngoài mặt phẳng cắt: Rn = 0,48 Ab Fub Ns (2-5) Bảng 2-4. Lực kéo nhỏ nhất yêu cầu của bulông Lực kéo yêu cầu Pt (kN) Đường kính bulông mm M164 (A325M) M253 (A490M) 16 91 114 20 142 179 22 176 221 24 205 257 27 267 334 30 326 408 36 475 595 Bảng 2-5. Các trị số của Kh Cho các lỗ tiêu chuẩn 1,00 Cho các lỗ quá cỡ và khía rãnh ngắn 0,85 Cho các lỗ khía rãnh dài với rãnh thẳng góc với phương lực 0,70 Cho các lỗ khía rãnh dài với rãnh song song với phương lực 0,60 Bảng 2-6. Các trị số của Ks Cho các điều kiện bề mặt loại A 0,33 Cho các điều kiện bề mặt loại B 0,50 Cho các điều kiện bề mặt loại C 0,33 + Khi đường ren nằm trong mặt phẳng cắt: Rn= 0,38 Ab Fub Ns (2-6) trong đó: Ab – diện tích mặt cắt ngang bulông theo đường kính danh định (mm2); Fub – cường độ kéo nhỏ nhất của bulông ( MPa ); Ns – số mặt cắt cho mỗi bulông. Sức kháng danh định của bulông trong các mối nối mà khoảng cách giữa các bulông xa nhất lớn hơn 1270mm lấy bằng 0,8 lần sức kháng danh định tính theo công thức (2-5) hoặc (2-6). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 29 Với bulông A307 nếu sức kháng danh định xác định theo (2-6) thì khi chiều dày tập bản vượt quá 5 lần đường kính bulông, sức kháng phải giảm 1% cho mỗi 1,5mm lớn hơn của chiều dày tập bản với 5 lần đường kính. 2.2.4.3 Sức kháng ép mặt Diện tích chịu ép mặt hiệu dụng của bulông lấy bằng đường kính của nó nhân với chiều dày bản nối nhỏ nhất về một phía. Khi lỗ khoét có miệng loe (cho bulông đầu chìm) thì chiều dày phải trừ đi một nửa chiều cao của miệng loe. Đối với các lỗ tiêu chuẩn, lỗ quá cỡ, các lỗ ôvan ngắn có lực tác dụng theo mọi hướng và tất cả các lỗ ôvan song song với lực ép mặt thì sức kháng ép mặt danh định của các lỗ bulông ở phía trong và ở đầu cấu kiện trong trạng thái giới hạn cường độ, Rn được lấy như sau: - Với các bulông có khoảng trống (khoảng cách từ mép lỗ đến mép lỗ) không nhỏ hơn 2d và khoảng trống ở đầu không nhỏ hơn 2d: un Ftd4,2R = (2-7) - Nếu khoảng trống giữa các lỗ nhỏ hơn 2d hoặc khoảng trống ở đầu nhỏ hơn 2d: Rn = 1,2 Lc t Fu (2-8) Đối với các lỗ ôvan có cạnh dài vuông góc với lực ép tựa, Rn được lấy như sau: - Khi khoảng trống giữa các lỗ không nhỏ hơn 2d và khoảng trống ở đầu không nhỏ hơn 2d: Rn = 2 d t Fu (2-9) - Khi khoảng trống giữa các lỗ nhỏ hơn 2d và khoảng trống ở đầu nhỏ hơn 2d: Rn = Lc t Fu (2-10) trong đó: d – đường kính danh định của bulông (mm); t – chiều dày tấm bản (mm); Fu – cường độ chịu kéo của vật liệu (MPa); Lc – khoảng trống giữa các lỗ hoặc giữa mép lỗ với đầu cấu kiện (mm). 2.2.4.4 Sức kháng kéo Các bulông cường độ cao chịu kéo dọc trục phải được căng đến lực quy định như trong bảng 2-4. Lực kéo tác dụng lên bulông bao gồm ngoại lực tính toán và lực nhổ do biến dạng của các bộ phận liên kết. - Sức kháng kéo danh định của bulông (Tn) không phụ thuộc vào lực căng ban đầu và lấy như sau: Tn = 0,76 Ab Fub (2-11) trong đó: Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 30 Ab – diện tích mặt cắt bulông tương ứng với đường kính danh định (mm2); Fub – cường độ chịu kéo nhỏ nhất quy định của bulông lấy theo phần 2.2.1.1 (MPa). - Tác dụng nhổ lên: Lực kéo do tác dụng nhổ lên lấy như sau: u 2 u P328000 t a8 b3Q ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −= (2-12) trong đó: Qu – lực kéo nhổ lên trên một bulông do các tải trọng tính toán, lấy bằng 0 khi là âm (N); Pu – lực kéo trực tiếp trên một bulông do các tải trọng tính toán (N); a – khoảng cách từ tim bulông đến mép tấm (mm); b – khoảng cách từ tim bulông đến chân đường hàn của bộ phận liên kết (mm); t – chiều dày nhỏ nhất của bộ phận liên kết (mm). - Sức kháng mỏi: Bulông cường độ cao chịu kéo dọc trục bị mỏi, ứng suất trong bulông do hoạt tải mỏi thiết kế có xét xung kích cộng với lực nhổ lên do tác dụng lặp của tải trọng mỏi phải thỏa mãn điều kiện: γ (ΔF) ≤ (ΔF)n (2-13) trong đó: γ – hệ số tải trọng với tổ hợp tải trọng mỏi, lấy theo bảng 1-2. ΔF – ứng suất trong bulông do hoạt tải mỏi sinh ra (MPa). Hoạt tải mỏi thiết kế là một xe tải thiết kế có khoảng cách giữa hai trục 145kN không đổi là 9m. (ΔF)n – sức kháng mỏi danh định (MPa), xác định theo công thức sau: (ΔF)n = 3 1 N A ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ≥ 2 1 (ΔF)TH (2-14) với N = (365)(100) n (ADTT) (2-15) trong đó: A – hằng số (MPa3), lấy theo bảng (2-7); n – số chu kỳ ứng suất cho một lần chạy của hoạt tải, lấy theo bảng (2-8); ADTT – số xe tải trong một ngày theo một chiều tính trung bình trong tuổi thọ thiết kế; (ΔF)TH – giới hạn mỏi với biên độ không đổi, lấy theo bảng (2-9). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 31 Bảng 2-7. Hằng số loại chi tiết, A Loại chi tiết Hằng số A ( x 1011 MPa3) A 82,0 B 39,3 B’ 20,0 C 14.4 C’ 14,4 D 7,21 E 3,61 E’ 1,28 Bulông M164M (A325M) chịu kéo dọc trục 5,61 Bulông M253M (A490M) chịu kéo dọc trục 10,3 Bảng 2-8. Các chu kỳ đối với mỗi lượt xe tải chạy qua, n Chiều dài nhịp Các cấu kiện dọc > 12000 mm ≤ 12000 mm Dầm giản đơn 1,0 Dầm liên tục 1. Gần gối tựa ở phía trong 1,5 2,0 2. Ở nơi khác 1,0 2,0 Dầm hẫng 5,0 Dàn 1,0 Khoảng cách > 6000 mm ≤ 6000 mm Các cấu kiện ngang 1,0 2,0 2.2.4.5 Sức kháng kéo và cắt kết hợp Sức kháng kéo danh định của bulông chịu kéo dọc trục và cắt kết hợp (Tn) lấy như sau: + Khi 33,0 R P n u ≤ thì ubbn FA76,0T = (2-16) Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 32 Bảng 2-9. Giới hạn mỏi - biên độ không đổi Loại chi tiết Giới hạn (MPa) A 165 B 110 B’ 82,7 C 69,0 C’ 82,7 D 48,3 E 31,0 E’ 17,9 Bulông M164M (A325M) chịu kéo dọc trục 214 Bulông M253M (A490M) chịu kéo dọc trục 262 + Nếu 33,0 R P n u > thì 2 ns n ubbn R P1FA76,0T ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ϕ−= (2-17) trong đó: Ab – diện tích mặt cắt bulông ứng với đường kính danh định (mm2); Fub – cường độ chịu kéo nhỏ nhất quy định của bulông, lấy theo phần 2.2.1.1 (MPa); Pn – lực cắt tác động lên bulông do tải trọng tính toán (N); Rn – sức kháng cắt danh định của bulông (N), lấy theo 2.2.4.2. Sức kháng danh định của bulông trong các liên kết ma sát ở tổ hợp tải trọng trong trạng thái giới hạn sử dụng (bảng 1-2) khi bulông chịu kéo dọc trục và cắt kết hợp không được vượt quá sức kháng trượt danh định tính theo công thức (2- 4) nhân với: t u P T1− (2-18) trong đó: Tu – lực kéo do tải trọng tính toán trong tổ hợp tải trọng sử dụng (N); Pt – lực căng tối thiểu yêu cầu của bulông (N), lấy theo bảng (2-4). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 33 2.3 Liên kết hàn Liên kết hàn được dùng phổ biến trong kết cấu thép nhất là các mối nối trong công xưởng vì liên kết hàn đơn giản về mặt cấu tạo, tiết kiệm vật liệu, tuy nhiên trong các mối hàn lớn cần quan tâm đặc biệt đến biến dạng và ứng suất dư. Để giảm biến dạng và ứng suất dư cần phải quan tâm đến công nghệ hàn cũng như trình tự hàn, thí dụ khi hàn một dầm chữ I trình tự hàn được thực hiện theo thứ tự 1, 2, 3 và 4 (hình 2-3) và khi mối hàn nhiều lớp thì lớp sau được hàn theo hướng ngược lại với lớp trước v.v… Hình 2-3. Trình tự hàn ghép Khi hàn kim loại cơ bản, kim loại hàn phải tuân theo các yêu cầu của quy chuẩn. Phải sử dụng kim loại hàn (kim loại của que hàn, dây hàn) phù hợp với kim loại cơ bản (kim loại của vật liệu được hàn) trừ trường hợp có quy định riêng. 2.3.1 Các liên kết hàn thường gặp 2.3.1.1 Hàn góc Mối hàn góc có thể dùng khi hai tấm cơ bản được đặt chồng lên nhau (hình 2- 4 a,b) hoặc khi hai tấm cơ bản vuông góc (cũng có thể xiên góc) với nhau (hình 2-4c). Mối hàn góc có thể hàn cùng mối hàn rãnh (hình 2-4c). Hình 2-4. Mối hàn góc Trong đường hàn góc trên mặt cắt đường hàn điểm giao giữa hai tấm cơ bản được gọi là gốc của đường hàn, mặt tự do của đường hàn là mặt cong nhưng khi tính có thể xem đó là mặt phẳng, chiều dài đường vuông góc từ gốc đường hàn đến mặt đưòng hàn là chiều cao hay chiều dày của đường hàn (đoạn AI trên hình 2-5). 4 2 31 (a) (b) (c) Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 34 Hình 2-5. Chi tiết hàn góc Diện tích hiệu dụng là tích của chiều cao đường hàn với chiều dài hiệu dụng của đường hàn. AB, AC được gọi là kích thước của đường hàn góc. Kích thước lớn nhất của đường hàn góc lấy như sau: - Bằng chiều dày của tấm cơ bản khi tấm cơ bản có chiều dày nhỏ hơn 6mm. - Nhỏ hơn chiều dày của tấm cơ bản 2mm khi tấm cơ bản có chiều dày lớn hơn hay bằng 6mm. Kích thước nhỏ nhất cần lấy theo bảng 2-7, đồng thời không vượt quá chiều dày của tấm cơ bản mỏng hơn. Bảng 2-7. Kích thước nhỏ nhất của các đường hàn góc Chiều dày kim loại cơ bản của bộ phận mỏng hơn được nối ghép T (mm) Kích thước nhỏ nhất của đường hàn góc (mm) T ≤ 20 6 20 < T 8 Chiều dài hiệu dụng nhỏ nhất của đường hàn góc phải lấy bằng bốn lần kích thước của nó và không nhỏ hơn 40mm. Sức kháng tính toán của đường hàn góc được lấy như sau: - Khi đường hàn góc chịu kéo hoặc nén song song với trục đường hàn, sức kháng tính toán được lấy bằng sức kháng tính toán của kim loại cơ bản. - Khi đường hàn góc chịu cắt, sức kháng tính toán được lấy trị số nhỏ hơn sức kháng tính toán của vật liệu tấm cơ bản và sức kháng tính toán của kim loại hàn: ⎩⎨ ⎧ Φ Φ= exx2C yy r F60,0 F58,0 minR (2-19) trong đó: Φy – hệ số sức kháng đối với cắt, lấy theo phần 1-5 đã nêu trên; Fy – cường độ chảy nhỏ nhất của cấu kiện liên kết (MPa); Fexx – cường độ phân loại của kim loại hàn (MPa); C B I Gốc đường hàn Chiều cao A Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 35 ΦC2 – hệ số sức kháng đối với kim loại hàn, lấy theo phần 1-5 đã nêu trên. 2.3.1.2 Hàn có vát Mối hàn có vát là mối hàn trong rãnh do mép đường hàn được vát đi. Mối hàn này thường được dùng khi hàn đối đầu, tuy nhiên cũng có thể dùng để hàn ở góc, chẳng hạn bốn góc của mặt cắt thanh hình hộp. Rãnh có thể là rãnh vuông khi chiều dày tấm cơ bản nhỏ, rãnh chữ V đơn, chữ X, chữ U… (hình 2-6). Hình 2-6. Một số kiểu vát mép khi hàn a. Sức kháng tính toán của liên kết hàn có vát ngấu hoàn toàn: - Sức kháng kéo và nén: Sức kháng tính toán của các liên kết hàn có vát ngấu hoàn toàn chịu kéo hoặc nén vuông góc với diện tích hiệu dụng của đường hàn hoặc song song với trục đường hàn được lấy như sức kháng tính toán của kim loại cơ bản. - Sức kháng cắt: Sức kháng cắt tính toán của liên kết hàn có vát ngấu hoàn toàn trên diện tích hiệu dụng phải được lấy theo trị số nhỏ hơn cho trong (2-20) hoặc 60% sức kháng tính toán của kim loại cơ bản chịu kéo. Rr = 0,60 ΦC1Fexx (2-20) trong đó: Fexx – cường độ phân loại của kim loại hàn (MPa); ΦC1 – hệ số sức kháng đối với kim loại hàn, lấy theo phần 1-5 đã nêu trên. b. Sức kháng tính toán của liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn: - Sức kháng kéo và nén: Sức kháng kéo, nén của các liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn theo phương song song với trục đường hàn hoặc sức kháng nén (a) Rãnh vuông (c) Rãnh chữ X (b) Rãnh chữ V (a) Rãnh chữ U Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 36 vuông góc với diện tích hiệu dụng lấy như sức kháng tính toán của kim loại cơ bản. Sức kháng kéo của các liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn chịu kéo trực giao với diện tích hiệu dụng lấy theo giá trị nhỏ hơn của (2-21) hoặc sức kháng tính toán của kim loại cơ bản. Rr = 0,60 ΦC1 Fexx (2-21) trong đó ΦC1 và Fexx như đã nêu ở trên. - Sức kháng cắt: Sức kháng tính toán về cắt của các liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn chịu lực song song với trục đường hàn phải lấy theo giá trị nhỏ hơn của sức kháng tính toán của vật liệu cơ bản hoặc sức kháng tính toán của kim loại hàn: ⎩⎨ ⎧ Φ Φ= exx2C yy r F60,0 F58,0 minR (2-22) trong đó Φy , Fy , ΦC2 , Fexx như đã nêu ở trên. 2.4 Sức kháng phá hoại cắt khối Trong các liên kết cần phải xem xét tất cả các mặt phẳng có thể bị phá hoại ở các bộ phận và tấm bản liên kết bao gồm các bản song song và vuông góc với lực tác dụng. Các mặt song song với lực tác dụng phải được xét như chỉ chịu cắt, các mặt vuông góc với lực tác dụng được xem như chỉ chịu kéo. Sức kháng tính toán của tổ hợp hai mặt phẳng đã nêu là sức phá hoại cắt khối lấy như sau: - Nếu Atn ≥ 0,58 Avn thì Rr = Φbs( 0,58 Fy Avg + Fu Atn) (2-23) - Nếu Atn < 0,58 Avn thì Rr = Φbs ( 0,58 Fu Avn + Fy Atg) (2-24) trong đó: Avg – diện tích nguyên dọc theo mắt cắt chịu cắt (mm2); Avn – diện tích thực dọc theo mắt cắt chịu cắt (mm2); Atg – diện tích nguyên dọc theo mắt cắt chịu kéo (mm2); Atn – diện tích thực dọc theo mắt cắt chịu kéo (mm2); Φbs – hệ số sức kháng đối với cắt khối, lấy theo lấy theo phần 1-5 đã nêu trên; Fy – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của vật liệu liên kết (MPa); Fu – cường độ kéo nhỏ nhất quy định của vật liệu liên kết (MPa). Diện tích nguyên được lấy bằng chiều dài mặt phẳng nhân với chiều dày của chi tiết. Diện tích thực là diện tích nguyên trừ đi tích của chiều dày chi tiết với số lỗ trong mặt phẳng nhân với kích thước của lỗ trong phương của mặt phẳng cộng với 2mm. Sức kháng phá hoại cắt khối phải được xét cả liên kết bulông và liên kết hàn. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 37 2.5 Sức kháng của các cấu kiện liên kết Sức kháng của các cấu kiện liên kết bao gồm sức kháng kéo và sức kháng cắt phải được xét đến khi thiết kế các cấu kiện liên kết như: bản nối, bản nút … 2.5.1 Sức kháng kéo Sức kháng kéo tính toán phải lấy giá trị nhỏ nhất về giới hạn chảy (2-25) hoặc về giới hạn đứt gẫy (2-26), hoặc theo sức kháng phá hủy cắt khối (2-23), (2-24). Rr = Φy Fy Ag (2-25) Rr = Φu Fu An U (2-26) trong đó: Φy – hệ số sức kháng đối với chảy dẻo của bộ phận chịu kéo lấy theo phần 1-5 đã nêu trên. Fy – cường độ chảy (MPa). Ag – diện tích nguyên của bộ phận (mm2). Φu – hệ số sức kháng đối với đứt gẫy của bộ phận chịu kéo lấy theo phần 1- 5 đã nêu trên. Fu – cường độ chịu kéo (MPa). An – diện tích thực của bộ phận (mm2). U – hệ số triết giảm; U = 1. Chú ý rằng quy trình cũng quy định diện tích thực An trong công thức (2-26) không được lớn hơn 85% diện tích nguyên của bộ phận. 2.5.2 Sức kháng cắt Đối với các cấu kiện liên kết chịu cắt, sức kháng cắt danh định (Rn) và sức kháng cắt tính toán như sau: ⎩⎨ ⎧ Φ= = nyr ygn RR FA58,0R (2-27) trong đó: Φy – hệ số sức kháng đối với cắt, lấy theo phần 1-5 đã nêu trên; các ký hiệu khác như công thức (2-26). 2.6 Các mối nối 2.6.1 Tổng quát Ở các phần trên chúng ta đã nghiên cứu liên kết bulông, trong đó có liên kết ép tựa (cắt và ép mặt) và liên kết ma sát cũng như liên kết đường hàn. Về nguyên tắc cả hai loại liên kết trên đều có thể dùng cho mối nối ở công xưởng hoặc công trường tuy nhiên với các mối nối ở công xưởng nên ưu tiên dùng liên Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 38 kết hàn, còn các mối nối ở công trường nên ưu tiên dùng liên kết bulông. Công việc thiết kế một mối nối thường có các bước như sau: - Xác định tải trọng tính toán tác dụng lên mối nối. - Chọn hình thức liên kết. - Bố trí liên kết (bulông, đường hàn) theo đúng yêu cầu cấu tạo. - Kiểm tra liên kết theo các trạng thái gới hạn theo quy định như đã nêu ở các phần trên. - Hoàn chỉnh mối nối để bảo đảm các yêu cầu về cấu tạo cũng như về sức kháng. Quy trình quy định: Các liên kết và các mối nối của cấu kiện chính phải được tính toán ở trạng thái giới hạn cường độ không nhỏ hơn số lớn hơn của một trong hai giá trị sau: - Trị số trung bình của mômen uốn, lực cắt hay lực dọc do tải trọng tính toán ở vị trí nối và sức kháng uốn, cắt, hay dọc trục tính toán của cấu kiện hoặc: - 75% sức kháng uốn, cắt hoặc dọc trục tính toán của cấu kiện. 2.6.2 Mối nối bulông Khi thiết kế mối nối bulông phải tuân theo một số nguyên tắc sau: - Ở nơi mà tại mối nối thay đổi thì mặt cắt ở bên nhỏ hơn phải được sử dụng để tính toán thiết kế. - Các mối nối chịu kéo và chịu uốn phải sử dụng liên kết ma sát (bulông cường độ cao); - Các mối nối thép góc, bản cánh gồm hai thép góc, mỗi thép góc ở một bên của cấu kiện chịu uốn - Bản táp có chiều dày không nhỏ hơn 8mm. 2.6.2.1 Mối nối chịu kéo nén Mối nối của các cấu kiện chịu kéo phải thỏa mãn yêu cầu sức kháng kéo của cấu kiện liên kết (2-25) và (2-26). Mối nối của các cấu kiện chịu nén có thể được thiết kế cho không nhỏ hơn 50% sức kháng tính toán thấp hơn của các mặt cắt ghép nối (hình 2-7). Hình 2-7. Mối nối cấu kiện chịu kéo-nén Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 39 2.6.2.2 Mối nối của cấu kiện chịu uốn Hình 2-8. Mối nối cấu kiện chịu uốn Mối nối điển hình là mối nối dầm chữ I (hình 2-8) bao gồm mối nối sườn dầm và mối nối cánh dầm. a. Mối nối cánh dầm: Trong mối nối cánh dầm của dầm chữ I sẽ có một cánh dầm chịu kéo và một cánh dầm chịu nén. Khi tính toán quan niệm cánh dầm chịu toàn bộ mômen đã xác định theo phần 2.6.1 hoặc có thể trừ đi phần mômen do sườn dầm chịu, như vậy mỗi cánh chịu một lực kéo hoặc nén dọc trục có trị số bằng mômen chia cho khoảng cách giữa trọng tâm của hai cánh. Với cánh dầm chịu kéo mối nối phải thỏa mãn điều kiện (2-25) và (2-26). Với cánh dầm chịu nén mối nối phải thỏa mãn điều kiện: Pr = Φc Pn (2-28) trong đó: Φc – hệ số sức kháng đối với nén, lấy theo 6.5.4.2 Quy trình; Pn – sức kháng nén danh định (sẽ nghiên cứu ở phần kết cấu chịu nén). Quy trình cũng khuyên là trong kết cấu chịu uốn không nên dùng mối nối bulông cho bản cánh với các mối nối ở công trường và bất kỳ bản cánh nào cũng không có quá một mối nối trong một mặt cắt ngang. b. Mối nối sườn dầm: Khi ghép nối bằng bulông sườn dầm phải được ghép nối đối xứng với hai bản nối (hay còn gọi là bản táp) ở hai bên. Các bản nối cho lực cắt phải có chiều cao bằng chiều cao sườn dầm do lực cắt phân bố trên toàn bộ chiều cao sườn và với mặt cắt chữ I thì ứng suất tiếp ở mép trên và dưới sườn dầm có giá trị đáng kể so với ứng suất tiếp lớn nhất. Ở mỗi bên của mối nối có không được ít hơn hai hàng bulông. Với các mối nối sườn dầm khi bề dày chênh lệch nhỏ hơn hoặc bằng 2mm thì không cần có bản đệm. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 40 Quy trình quy định các bản nối sườn dầm và các liên kết (bulông) phải được tính ở trạng thái giới hạn cường độ cho: - Một phần mômen tính toán bằng tích số giữa mômen xác định theo 2.6.1 nhân với tỷ số giữa mômen quán tính của sườn dầm với mômen quán tính của toàn bộ diện tích tiết diện. - Lực cắt quy ước (trong quy trình gọi là lực cắt tưởng tượng) lấy bằng lực cắt do tải trọng tính toán nhân với một hệ số. Hệ số này bằng tỷ số giữa mômen thiết kế xác định theo phần 2.6.1 chia cho mômen gây ra bởi các tải trọng tính toán và mômen gây ra do lực cắt (mômen này lấy bằng tích của lực cắt với khoảng cách từ trọng tâm nhóm bulông ở một bên mối nối đến lực cắt). - Mômen do sự lệch tâm của lực cắt quy ước bằng tích của lực cắt quy ước với khoảng cách từ trọng tâm nhóm bulông của mối nối đến lực cắt này, tức là đến mặt tiếp xúc giữa hai sườn dầm. Ở trạng thái giới hạn cường độ ứng suất uốn trong các bản nối không được vượt quá cường độ chảy nhỏ nhất quy định của bản nối. 2.6.3 Mối nối hàn Các mối nối hàn được thiết kế để chịu mômen, lực cắt hoặc lực dọc thiết kế xác định như trong phần 2.6.1. Các bộ phận chịu kéo và nén có thể được nối ghép bằng mối nối hàn đối đầu ngấu hoàn toàn, tránh sử dụng các bản nối vì vậy trong mối nối dầm I có thể cánh dầm dùng mối hàn còn sườn dầm ghép nối bằng bulông. Các mối hàn ở công trường cần hạn chế việc hàn ở tư thế ngửa mặt. Khi hàn đối đầu các tấm có bề rộng khác nhau phải có sự chuyển tiếp đối xứng như trên hình 2-9. Khi hàn đối đầu các tấm có bề dày khác nhau, tấm dày hơn phải được mài hoặc bào với một độ dốc đều không lớn hơn 1: 2,5. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 41 B¸n kÝnh 610 mm ĐÇu b¸n kÝnh cong ĐÇu nèi (a) Chi tiÕt chuyÓn ®æi bÒ réng ChiÒu réng b¶n réng h¬n ĐÇu nèi ChiÒu réng b¶n hÑp h¬n (b) ChuyÓn ®æi vuèt th¼ng B¸n kÝnh 610mm ĐÇu nèi ChiÒu réng b¶n hÑp h¬n (c) ChuyÓn ®æi theo b¸n kÝnh 610mm 19 8, 7 2, 4 Hình 2-9. Chuyển tiếp tiết diện tại vị trí hàn Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 42 Chương 3 CẦU DẦM 3.1 Khái niệm chung Khi nghiên cứu về cầu thép theo quy trình Thiết kế cầu cống theo các trạng thái giới hạn đã xét ba loại cầu dầm: - Cầu dầm bản hay cầu dầm đặc là các cầu mà giữa dầm thép và bản mặt cầu (có thể bằng bê tông, gỗ hay thép) chỉ có các liên kết để chống xê dịch tương đối, không có liên kết chống trượt (neo). Ở cầu dầm bản mặt cầu không tham gia chịu uốn cùng với dầm chủ. Hiện nay các cầu này chỉ dùng làm cầu tạm để phục vụ thi công hoặc các cầu có thời gian khai thác ngắn. - Cầu liên hợp dầm thép – bản bê tông cốt thép (gọi tắt là cầu liên hợp) gồm có bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép, dầm chủ bằng thép, giữa bản và dầm có neo liên kết chắc chắn để tạo thành một kết cấu liền khối. Trong cầu liên hợp bản mặt cầu tham gia làm việc với dầm chủ. Hiện nay với những cầu có bề rộng không quá lớn (hơn 20m) trong điều kiện tịnh không thông thuyền cho phép người ta hay áp dụng cầu liên hợp hai dầm chủ, khi đó khoảng cách giữa hai dầm chủ có thể từ 3m đến 14m, dầm ngang với khoảng cách khoảng 4m được đẩy lên cao ngang với mặt cánh trên dầm chủ. Neo liên kết được bố trí ở cả dầm chủ và dầm ngang, khi đó tùy khoảng cách giữa hai dầm chủ và khoảng cách dầm ngang mà bản mặt cầu có thể làm việc như bản kê trên 4 cạnh hoặc trên hai cạnh (hai dầm ngang). Cầu liên hợp hai dầm chủ tiết kiệm thép, giảm thời gian thi công và có giá thành thấp nên được dùng khá phổ biến cho cả kết cấu nhịp giản đơn và liên tục. - Cầu có bản trực hướng là cầu có mặt bằng thép được tăng cường bằng các sườn tăng cường dọc và ngang. Bản mặt cầu tham gia chịu uốn với dầm chủ. Ưu điểm của cầu có bản trực hướng là trọng lượng mặt cầu nhẹ nên thường dùng cho các cầu có khẩu độ lớn. Cầu dầm thường có ba bộ phận chính: mặt cầu, dầm chủ và hệ liên kết. Mặt cầu đã được nghiên cứu trong môn học Tổng luận cầu, ở đây chỉ xét cấu tạo của dầm chủ và hệ liên kết, trong đó những khái niệm đã nghiên cứu ở phần trước sẽ không được nhắc lại. 3.2 Cấu tạo của dầm chủ 3.2.1 Tỷ lệ cấu tạo chung Dầm chịu uốn phải được cấu tạo theo tỷ lệ sao cho: 9,0 I I 1,0 y yc ≤≤ (3-1) trong đó: Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 43 Iyc – mômen quán tính của bản cánh chịu nén đối với trục thẳng đứng y (hình 3-1); Iy – mômen quán tính của mặt cắt dầm thép đối với trục thẳng đứng y. Ngoài ra chiều dày của cánh dầm, sườn dầm, trừ sườn dầm của thép I cán không được nhỏ hơn 8mm, còn chiều dày sườn dầm của thép I hoặc U cán không nhỏ hơn 7mm. Hình 3-1. Mặt cắt ngang dầm I 3.2.2 Chiều cao dầm Với cầu dầm bản hoặc dầm đặc: chiều cao của dầm thép không nhỏ hơn 0,025L, trong đó L là chiều dài nhịp. Với cầu liên hợp: chiều cao của riêng dầm thép, nhịp giản đơn h ≥ 0,033L; nhịp liên tục h ≥ 0,027L. Chiều cao toàn bộ của dầm liên hợp (bao gồm chiều cao dầm thép và chiều dầy bản bê tông kể cả chiều cao vút), với nhịp giản đơn h ≥ 0,04L; với nhịp liên tục h ≥ 0,032L. Chú ý: Các quy định trên áp dụng cho dầm có chiều cao không đổi. Khi dầm có chiều cao thay đổi phải hiệu chỉnh các giá trị có tính đến những thay đổi về độ cứng tương đối của các mặt cắt chịu mômen dương và âm hoặc có thể lấy theo chỉ dẫn sau đây: chiều cao ở trụ giữa h = (0,05 ÷ 0,07)L, chiều cao ở giữa nhịp chính và trên hai đầu h = (0,02 ÷ 0,025)L. 3.2.3 Độ mảnh của sườn dầm Sườn dầm phải được cấu tạo sao cho: - Khi không có sườn tăng cường dọc (sườn tăng cường theo chiều dọc dầm): cw c f E77,6 t D2 ≤ (3-2) - Khi có sườn tăng cường dọc: cw c f E63,11 t D2 ≤ (3-3) trong đó: tw – bề dày sườn dầm; y x Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 44 Dc – chiều cao vùng chịu nén của sườn dầm trong giai đoạn đàn hồi (mm); fc – ứng suất ở trọng tâm cánh chịu nén do tải trọng tính toán (MPa). 3.2.4 Chiều cao vùng chịu nén của các mặt cắt không liên hợp 3.2.4.1 Mômen chảy và mômen dẻo Mômen chảy của mặt cắt không liên hợp (My) là mômen cần thiết để gây ra chảy đầu tiên ở một trong các bản cánh khi không xét bất kỳ sự chảy nào ở sườn dầm của mặt cắt lai (dầm lai hay dầm kết hợp là dầm thép mà sườn dầm được làm bằng thép có cường độ chảy dẻo tối thiểu quy định thấp hơn cường độ trên của một hoặc cả hai cánh dầm). Nói cách khác, mômen chảy là mômen mà ứng với nó, điểm đầu tiên trên mặt cắt có ứng suất lớn nhất đạt tới cường độ chảy. Mômen dẻo (Mp) của một mặt cắt không liên hợp là mômen tổng cộng của các phần trên mặt cắt khi toàn mặt cắt đã đạt đến trạng thái chảy. 3.2.4.2 Chiều cao chịu nén trong miền đàn hồi Trục trung hòa của mặt cắt khi vật liệu làm việc trong giai đoạn đàn hồi là trục đi qua trọng tâm của mặt cắt. Vị trí của trục trung hòa được xác định từ điều kiện tổng mômen tĩnh của các phần diện tích của mặt cắt đối với trục trung hòa bằng không. Khi đã xác định được vị trí trục trung hòa dễ dàng xác định được chiều cao vùng chịu nén của sườn dầm (Dc). 3.2.4.3 Chiều cao chịu nén của sườn dầm ứng với mômen dẻo Nếu Fyw Aw ≥ Fyc Ac - Fyt At thì )AFAFAF( FA2 DD cycwywtyt yww cp −+= (3-4) Ngược lại thì Dcp = D. Trong đó: Dcp – chiều cao chịu nén của sườn dầm ứng với mômen dẻo; D – chiều cao sườn dầm (mm); At – diện tích cánh chịu kéo (mm2); Ac – diện tích cánh chịu nén (mm2); Aw – diện tích sườn dầm (mm2); Fyc – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cánh nén (MPa); Fyt – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cánh kéo (MPa); Fyw – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn dầm (MPa). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 45 3.2.5 Chiều cao vùng chịu nén của các mặt cắt liên hợp Trong mặt cắt liên hợp quy định tải trọng dài hạn trước khi bê tông bản đạt được 75% fc (ứng suất trong bản cánh chịu nén do tải trọng tính toán) chỉ do tiết diện dầm thép chịu và được gọi là tĩnh tải giai đoạn I. Tải trọng dài hạn (tĩnh tải giai đoạn II) và hoạt tải do tiết diện liên hợp chịu. 3.2.5.1 Trình tự chất tải Ứng suất đàn hồi ở một vị trí bất kỳ trên mặt cắt liên hợp do tải trọng tác dụng phải bằng tổng các ứng suất gây ra bởi các lực riêng rẽ tác dụng vào: - Dầm thép (tĩnh tải giai đoạn I). - Mặt cắt liên hợp ngắn hạn (các tải trọng tác dụng ngắn hạn nên từ biến chưa kịp phát sinh như hoạt tải, nhiệt độ …). - Mặt cắt liên hợp dài hạn (các tải trọng giai đoạn II có thời gian tác dụng lâu dài như tĩnh tải giai đoạn II, co ngót của bê tông, điều chỉnh nội lực… phải xét đến từ biến trong bê tông bản). 3.2.5.2 Mặt cắt có mômen uốn dương Khi tính ứng suất ở giai đoạn II phải dùng mặt cắt liên hợp, ở đó có tiết diện dầm thép, cốt thép dọc và mặt cắt tính đổi của bản bê tông (trong phạm vi bề rộng cánh tham gia làm việc với dầm chủ gọi là bề rộng hiệu dụng). - Với mặt cắt liên hợp ngắn hạn: n AA btđ = (3-5) - Với mặt cắt liên hợp dài hạn: 'n A'A btđ = , với n’ = 3n (3-6) Trong đó: Atđ, A’tđ – diện tích tính đổi của bê tông sang thép khi không xét từ biến và khi có xét từ biến; Fb – diện tích tiết diện bản; n, n’ – tỷ số môđun đàn hồi của thép và bê tông khi không xét từ biến và có xét từ biến. Đối với bê tông thông thường, n có thể lấy như sau: 16 ≤ fc < 20, n = 10 20 ≤ fc < 25, n = 9 25 ≤ fc < 32, n = 8 32 ≤ fc < 41, n = 7 41 ≤ fc, n = 6 trong đó fc là ứng suất ở trọng tâm cánh chịu nén do tải trọng tính toán (MPa). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 46 Qua những quy định ở trên có thể nhận thấy để tính được tỷ số môđun đàn hồi cần phải thực hiện phép tính lặp, với bước tính đầu tiên có thể lấy như sau: b t E En = với Et = 200000 MPa, 'fy043,0E c 5,1 cb = , trong đó: yc – khối lượng riêng của bê tông, với bê tông thông thường có thể lấy yc = 2400 kg/m3; fc’ – cường độ quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày, trong cầu liên hợp có thể lấy fc’ = 30 MPa (tất nhiên người thiết kế có thể quy định một fc’ nào đó khác 30 MPa). 3.2.5.3 Mặt cắt có mômen uốn âm Để tính ứng suất do mômen uốn gây ra cả ở giai đọan II không phân biệt dài hạn hay ngắn hạn có xét từ biến hay không xét từ biến mặt cắt liên hợp bao gồm mặt cắt dầm thép và cốt thép dọc trong phạm vi bề rộng hiệu dụng. Cốt thép tối thiểu trong vùng mômen âm: Trong các miền chịu mômen âm của bất kỳ nhịp liên tục nào, tổng diện tích mặt cắt ngang của cốt thép dọc không được nhỏ hơn 1% tổng diện tích mặt cắt ngang của bản hay nói cách khác hàm lượng cốt thép dọc không được nhỏ hơn 1%. Cốt thép dọc phải có cường độ chảy dẻo nhỏ nhất không nhỏ hơn 420MPa và có cỡ không lớn hơn thanh N019 (là thanh có đường kính 18,8mm). Cốt thép dọc phải được bố trí làm hai lớp và phân bố đều trên suốt bề rộng bản. Hai phần ba số lượng phải đặt ở lớp trên, khoảng cách giữa các cốt thép trong mỗi lớp không được quá 150mm. Có thể bố trí neo chống cắt ở miền chịu uốn âm. Khi không có neo chống cắt thì thông thường cốt thép dọc phải được kéo dài đến miền uốn dương và vượt quá neo chống cắt một đoạn không nhỏ hơn chiều dài khai triển. Chiều dài này không nhỏ hơn: - Chiều cao hữu hiệu của mặt cắt dầm; - 12 lần đường kính cốt thép; - 0,0625 lần chiều dài tính toán của nhịp. 3.2.5.4 Bề rộng hữu hiệu của bản bê tông cốt thép Bề rộng hữu hiệu là bề rộng bản bê tông tham gia làm việc với dầm chủ. a. Đối với dầm trong: Bề rộng hữu hiệu được lấy là giá trị nhỏ nhất của: - 1/4 chiều dài nhịp hữu hiệu (với dầm giản đơn lấy bằng chiều dài nhịp thực tế, với dầm liên tục bằng khoảng cách giữa các điểm thay đổi mômen uốn tức là điểm uốn của biểu đồ mômen uốn do tải trọng thường xuyên). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 47 - 12 lần bề dày trung bình của bản bê tông cộng với số lớn hơn của bề dày sườn dầm hoặc 1/2 bề rộng cánh trên dầm thép. - Khoảng cách trung bình của các dầm kề nhau. b. Đối với dầm biên: Bề rộng hữu hiệu được lấy bằng 1/2 bề rộng hữu hiệu của dầm trong cộng thêm trị số nhỏ nhất của: - 1/8 chiều dài nhịp hữu hiệu. - 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn hơn của hai đại lượng: 1/2 chiều dày sườn dầm hoặc 1/4 chiều rộng cánh trên của dầm chủ. - Chiều rộng của phần hẫng. 3.2.5.5 Mômen chảy Mômen chảy (My) ở mặt cắt liên hợp được lấy bằng tổng các mômen tác dụng vào dầm thép, mặt cắt liên hợp ngắn hạn và dài hạn để gây ra trạng thái chảy đầu tiên ở một trong hai cánh dầm thép (không xét đến chảy sườn dầm của mặt cắt lai). Ký hiệu: My1 – mômen uốn ở mặt cắt xét do tĩnh tải tính toán giai đoạn I; My2 – mômen uốn ở mặt cắt xét do tĩnh tải tính toán giai đoạn II, co ngót...; My3 – mômen uốn ở mặt cắt xét do tải trọng ngắn hạn. Khi đó: 3y2y1yy MMMM ++= (1) Khi đã bố trí mặt cắt ta sẽ tính được My1, My2, còn cần phải xác định My3. Ứng suất ở mép trên và dưới của dầm thép do My1, My2, và My3 như sau: - Do My1: dIt t 1yd 1t tI t t 1yt 1t yI M ,y I M =σ=σ - Do My2: dIIt tđ 2yd 2t tII t tđ 2yt 2t 'y'I M ,'y 'I M =σ=σ - Do My3: dIIt tđ 3yd 3t tII t tđ 3yt 3t yI M ,y I M =σ=σ Từ đó có: y t 3t t 2t t 1t F=σ+σ+σ (2) y d 3t d 2t d 1t F=σ+σ+σ (3) Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 48 Trong các phương trình (2) và (3) đều có ẩn số là My3. Giải hệ phương trình này và lấy giá trị nhỏ hơn của My3 để tính ra mômen chảy của mặt cắt theo công thức (1). 3.2.5.6 Mômen dẻo Mômen dẻo (Mp) là mômen ứng với khi toàn mặt cắt trừ phần bê tông chịu kéo đạt đến cường độ chảy. Khi tính mômen dẻo phải lấy mômen đối với trục trung hòa dẻo. Để xác định trục trung hòa dẻo có thể tiến hành theo trình tự sau: - Giả định vị trí trục trung hòa dẻo, chẳng hạn nằm trên sườn dầm khi đó sẽ có một ẩn số là khoảng cách từ trục trung hòa dẻo đến mép trên hoặc mép dưới dầm thép. - Tính lực dẻo của các phần: cánh dầm thép, sườn dầm thép, cốt thép dọc (trong tính toán có khi bỏ qua cốt thép dọc), bê tông ở vùng nén. Lực dẻo ở mỗi phần bằng diện tích của phần đó nhân với cường độ chảy tương ứng. Lực dẻo trong phần bê tông chịu nén được tính dựa trên cơ sở: quan hệ tự nhiên giữa ứng suất trong bê tông chịu nén và ứng biến có thể coi như một khối chữ nhật tương đương có cạnh bằng 0,85 fc’ phân bố trên một vùng giới hạn bởi mặt ngoài cùng chịu nén của mặt cắt và đường thẳng song song với trục trung hòa cách thớ chịu nén ngoài cùng một khoảng cách a = β1 c. Khoảng cách c phải được tính vuông góc với trục trung hòa. Hệ số β1 lấy bằng 0,85 đối với bê tông có cường độ không lớn hơn 28MPa. Với bê tông có cường độ lớn hơn 28MPa thì β1 giảm đi theo tỷ lệ 0,05 cho từng 7MPa vượt quá 28MPa, nhưng không lấy nhỏ hơn 0,65. Chú ý: c – khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hòa (mm) nếu trục trung hòa rơi vào bản bê tông cốt thép. Trường hợp trục trung hòa không rơi vào bản thì c có thể được lấy là: + Chiều dày bản bê tông nếu bản không có vút hoặc xem như bỏ qua phần bê tông chịu nén ở vút; + Chiều dày bản bê tông tương đương lấy bằng diện tích bản và vút chia cho bề rộng cánh bê tông của dầm. fc’– cường độ nén quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa). - Cân bằng các lực dẻo ở các phần kéo và nén sẽ xác định được ẩn số khi giả định vị trí trục trung hòa. Kiểm tra lại vị trí trục trung hòa theo ẩn số đã tìm được, nếu phù hợp thì ngừng tính toán, nếu không phải giả định lại vị trí trục trung hòa và lặp lại quá trình tính ở trên. Cũng có thể dùng công thức ở phần (b) của 3.2.5.7 để tính ra chiều cao chịu nén của sườn dầm (Dcp) từ đó xác định được vị trí trục trung hòa dẻo. 3.2.5.7 Chiều cao sườn dầm chịu nén Có hai chiều cao chịu nén của sườn dầm: chiều cao ứng với mômen đàn hồi (Dc) và chiều cao ứng với mômen dẻo (Dcp). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 49 a. Với mômen uốn đàn hồi Với mặt cắt có mômen uốn dương, vị trí trục trung hòa là trọng tâm của tiết diện tính đổi. Khi đã có trục trụng hòa đàn hồi dễ dàng xác định được chiều cao chịu nén của sườn dầm Dc. Với mặt cắt có mômen uốn âm, xác định vị trí trục trung hòa cho tiết diện gồm dầm thép và cốt thép dọc trong bản sau đó tính ra Dc. b. Với mômen dẻo Chiều cao chịu nén của sườn dầm (Dcp) có thể xác định được nhờ trục trung hòa dẻo (xem phần 3.2.5.6), tuy nhiên cũng có thể xác định theo các công thức cho trong quy trình. - Đối với các mặt cắt chịu mômen uốn dương khi trục trung hòa dẻo đi qua sườn dầm: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−−−= 1 AF AFA'f85,0AFAF 2 DD wyw ryrsccyctyt cp (3-7) trong đó: D – chiều cao sườn dầm thép (mm); At, Ac – diện tích cánh chịu kéo, cánh chịu nén (mm2); Aw – diện tích sườn dầm (mm2); Ar – diện tích cốt thép dọc (mm2); Fyt, Fyc – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cánh chịu kéo, cánh chịu nén (MPa); Fyr - cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cốt thép dọc (MPa); Fyw - cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn dầm (MPa); fc’ - cường độ nén quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa); As – diện tích bản (mm2). - Đối với tất cả các mặt cắt chịu uốn dương khác Dcp phải lấy bằng không và coi như yêu cầu độ mảnh trong các mặt cắt đặc chắc đã thỏa mãn. - Đối với các mặt cắt chịu mômen uốn âm khi trục trung hòa dẻo đi qua sườn dầm: ( )cycwywtyt wyw cp AFAFAFAF2 DD −+= (3-8) - Đối với các mặt cắt chịu mômen uốn âm loại khác, Dcp = D. 3.2.6 Cấu tạo của sườn tăng cường Sườn tăng cường gồm các tấm thép cắt từ thép bản hoặc thép góc, được hàn hay liên kết bulông vào một hoặc cả hai bên sườn dầm. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 50 Có hai loại sườn tăng cường dầm chủ: sườn tăng cường đứng và sườn tăng cường dọc (trước đây gọi là sườn tăng cường ngang) (hình 3-2). Do tính chất làm việc khác nhau, sườn tăng cường đứng được phân ra hai loại: sườn tăng cường gối và sườn tăng cường đứng trung gian. Để đảm bảo an toàn khi vận chuyển và lao lắp, quy trình quy định: Khi không có sườn tăng cường dọc, phải bố trí sườn tăng cường đứng nếu: 150 t D w > (3-9) Hình 3-2. Sườn tăng cường và liên kết ngang và khoảng cách giữa các sườn tăng cường đứng (d0) phải thỏa mãn điều kiện: 2 w 0 t/D 260Dd ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛≤ (3-10) trong đó: tw – chiều dày sườn dầm chủ (mm); D – chiều cao sườn dầm (mm); D/tw – tỷ số giữa chiều cao và chiều dày sườn dầm, khi D/tw = 150 thì d0 ≈ 3D. 3.2.6.1 Sườn tăng cường đứng trung gian Sườn tăng cường đứng trung gian phải được lắp khít chặt vào cánh dầm chịu nén nhưng không cần phải ép vào cánh dầm chịu kéo. Các sườn tăng cường đứng để lắp liên kết ngang (vách ngang hoặc khung ngang) phải được liên kết vào cả hai cánh dầm bằng hàn hoặc bulông. Sườn tăng cường gối Sườn tăng cường dọc Sườn tăng cường đứng trung gian Vách ngang Khung ngang Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 51 Khoảng cách giữa đầu của mối hàn sườn tăng cường vào sườn dầm chủ và mép gần của đường hàn bản cánh vào sườn dầm phải nằm trong khoảng từ 4tw đến 6tw, trong đó tw là chiều dày sườn dầm. a. Chiều rộng sườn tăng cường bt (hình 3-3) Hình 3-3. Sườn tăng cường đứng trung gian Chiều rộng (bt) của sườn tăng cường đứng trung gian phải thỏa mãn điều kiện: ⎪⎭ ⎪⎬ ⎫ ≤≤ ≤≤+ ptf ys pt t16bb25,0 F Et48,0b 30 d50 (3-11) trong đó: d – chiều cao tiết diện thép (mm); tp – chiều dày sườn tăng cường (mm); Fys – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn tăng cường (MPa); bf – chiều rộng toàn bộ của cánh rộng hơn của dầm thép trên một mặt cắt (mm). b. Mômen quán tính (điều 6.10.8.1.3) Mômen quán tính của bất kỳ sườn tăng cường đứng nào đều phải thỏa mãn điều kiện: It ≥ d0 3wt J (3-12) với 0,52,0 d D 2,5J 2 o p ≥−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= (3-13) trong đó: It – mômen quán tính của sườn tăng cường đứng quanh mép tiếp xúc với bản bụng đối với các sườn đơn và quanh trục giữa chiều dày của bản bụng đối với các sườn kép (mm4); tw – chiều dày bản bụng (mm); do – khoảng cách giữa các sườn tăng cường đứng (mm); bf bt tw bt Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 52 Dp – chiều cao bản bụng đối với các bản bụng không có các sườn tăng cường dọc hoặc chiều cao lớn nhất của panen phụ đối với các bản bụng có các sườn tăng cường dọc (mm). Khi trên dầm có cả sườn tăng cường đứng và dọc, mômen quán tính của sườn tăng cường đứng trung gian còn phải thỏa mãn điều kiện: 1 0l t t Id3 D b bI ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛≥ (3-14) trong đó: bl – chiều rộng của sườn tăng cường dọc (mm); Il – mômen quán tính của diện tích hiệu dụng của sườn tăng cường dọc lấy đối với trục tiếp xúc với sườn dầm chủ (mm4); D – chiều cao bản bụng (mm). c. Diện tích mặt cắt ngang: (6.10.8.1.4) Sườn tăng cường đứng trung gian còn phải thỏa mãn điều kiện về mặt cắt ngang: ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−≥ ys yw2 w r u ws F F t0,18 V V)C0,1(BDt15,0A (3-14a) trong đó: Vr – sức kháng cắt tính toán, xác định trong điều 6.10.2.1 Quy trình; Vu – lực cắt do tải trọng tính toán trong trạng thái giới hạn cường độ (N); As – diện tích của sườn tăng cường, được lấy bằng tổng diện tích các sườn trong trường hợp sườn kép (mm2); B – hệ số lấy bằng 1 cho sườn kép; 1,8 cho sườn đơn bằng thép góc; và 2,4 cho sườn đơn bằng thép bản; C – tỷ số giữa ứng suất uốn cắt và cường độ chịu cắt quy định trong điều 6.10.7.3.3a Quy trình; Fyw – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn dầm; Fys – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn tăng cường. 3.2.6.2 Sườn tăng cường gối Sườn tăng cường gối chịu phản lực gối và các tải trọng tập trung khác nên cần phải đặt sườn tăng cường gối ở vị trí gối và tại các vị trí có tải trọng tập trung mà ở đó: Vu ≥ 0,75 ϕbVn (3-15) trong đó: Vu – lực cắt do các tải trọng tính toán (N); ϕb – hệ số sức kháng đối với gối; Vn – sức kháng danh định (N) của sườn dầm (xem ở phần sau). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 53 Sườn tăng cường gối cần được bố trí ở cả hai bên sườn dầm và càng khít với cả hai cánh dầm chủ càng tốt. Đầu sườn tăng cường phải được mài để lắp khít vào cánh dầm hoặc dùng đường hàn rãnh ngấu hoàn toàn. a. Chiều rộng sườn tăng cường gối: phải đảm bảo điều kiện ys p1 F Et48,0b ≤ (3-16) trong đó: tp – chiều dày sườn dầm (mm); Fys – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn tăng cường (MPa). b. Mặt cắt hiệu dụng của sườn tăng cường gối: Sườn tăng cường gối chịu nén và được xem như là một cột chịu nén. Khi sườn tăng cường liên kết bằng bulông vào sườn dầm, mặt cắt hiệu dụng chỉ bao gồm các cấu kiện của sườn tăng cường. Khi sườn tăng cường hàn vào sườn dầm chủ, mặt cắt hiệu dụng bao gồm tất cả các cấu kiện của sườn tăng cường cộng với dải nằm ở trung tâm sườn dầm kéo dài ra không quá 9tw sang mỗi bên tính từ tim nếu có một đôi sườn tăng cường, tính từ mép nếu có nhiều hơn một đôi sườn tăng cường (hình 3-4). Hình 3-4. Mặt cắt hiệu dụng của tiết diện chịu nén ở sườn tăng cường gối liên kết hàn Diện tích sườn dầm không được tính vào mặt cắt hiệu dụng chịu nén tại các trụ trung gian của cầu liên tục trong các bộ phận lai của nhịp khi: 7,0 F F yt yw < (3-17) trong đó: Fyw – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn dầm (MPa); Fyt – số lớn hơn trong các cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cánh dầm (MPa). c. Khoảng cách giữa các sườn tăng cường đứng ở đầu dầm: Quy trình quy định khoảng cách giữa các sườn tăng cường đứng ở đầu dầm: - Không vượt quá 1,5 lần chiều cao sườn dầm khi không có sườn tăng cường dọc. Sườn tăng cường Sườn dầm chủ tw Sườn tăng cường tw 9tw 9tw 9tw 9tw Sườn dầm chủ Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 54 - Không vượt quá 1,5 lần chiều cao mảnh sườn dầm lớn nhất khi có sườn tăng cường dọc. Các quy định này không áp dụng cho mặt cắt lai. 3.2.6.3 Sườn tăng cường dọc Khi sườn tăng cường đứng không đủ đảm bảo ổn định cho sườn dầm chủ thì cần thiết phải bố trí thêm sườn tăng cường dọc. Sườn tăng cường dọc có thể là thép bản hàn vào một bên sườn dầm hoặc thép góc liên kết bulông vào sườn dầm. Khoảng cách từ mép trong của cánh dầm chịu nén đến sườn tăng cường dọc là 2Dc/5 với Dc là chiều cao phần chịu nén của sườn dầm ở mặt cắt có ứng suất nén do uốn sinh ra có giá trị tuyệt đối lớn nhất. a. Chiều rộng sườn tăng cường dọc: phải thỏa mãn điều kiện yc s1 F Et48,0b ≤ (3-18) trong đó: ts – chiều dày của sườn tăng cường dọc (mm); Fyc – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cánh chịu nén (MPa). b. Mômen quán tính: Các đặc trưng mặt cắt của sườn tăng cường tính theo diện tích hiệu dụng bao gồm có sườn tăng cường dọc và dải trung tâm của sườn dầm không vượt quá 18tw. Mômen quán tính của sườn tăng cường dọc phải thỏa mãn điều kiện: ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛≥ 13,0 D d4,2tDI 2 03 ws (3-19) Bán kính quán tính của diện tích hiệu dụng phải đảm bảo: E F d234,0r yc0≥ (3-20) trong đó: Is, r – mômen quán tính và bán kính quán tính của tiết diện hiệu dụng (mm4, mm); D – chiều cao sườn dầm chủ (mm); d0 – khoảng cách giữa các sườn tăng cường đứng (mm); tw – chiều dày sườn dầm chủ (mm); Fyc – cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cánh nén (MPa). Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 55 3.3 Cấu tạo của hệ liên kết Trong cầu dầm thường có hai hệ liên kết: liên kết ngang bao gồm vách ngang, khung ngang; và hệ liên kết dọc. Nhiệm vụ của hệ liên kết là: - Liên kết các dầm chủ thành một hệ không gian, bảo đảm tính bất biến hình của hệ, tăng độ cứng ngang cho kết cấu nhịp. - Chịu các tải trọng ngang: lực gió ngang cầu, lực động đất, lực ly tâm khi cầu nằm trên đường cong … - Truyền tải trọng ngang xuống gối. 3.3.1 Liên kết ngang Liên kết ngang có thể là vách ngang hoặc khung ngang (hình 3-5). Hình 3-5. Liên kết ngang Liên kết ngang có thể đặt ở đầu kết cấu nhịp và cách quãng theo nhịp (liên kết ngang trung gian). Sự cần thiết của liên kết ngang trung gian phải được xem xét trong các giai đoạn vận chuyển, lao lắp và trong giai đoạn khai thác. Cần xem xét các nội dung chính sau: - Sự truyền tải trọng ngang từ đáy dầm tới mặt cầu và từ mặt cầu truyền tới gối. - Sự ổn định của cánh dưới dầm khi chịu nén dưới tác dụng của tải trọng. - Sự ổn định của cánh trên dầm chủ khi chưa hoàn thiện bản mặt cầu. - Sự phân bố của tĩnh tải và hoạt tải thẳng đứng cho các dầm vì liên kết ngang có tác dụng phân phối điều hòa tải trọng cho các dầm chủ. Các bộ phận của liên kết ngang phải đảm bảo điều kiện độ mảnh để truyền được tải trọng ngang, cụ thể là: - Với các bộ phận chịu kéo r L ≤ 240, trong đó L là chiều dài không giằng (mm); r là bán kính quán tính nhỏ nhất (mm) (điều 6.8.4 Quy trình). - Với các bộ phận chịu nén r KL ≤ 140, trong đó L và r như trên, còn K là hệ số chiều dài hiệu dụng. Với liên kết bulông hoặc hàn ở cả hai đầu, K = 0,75; với liên kết chốt ở cả hai đầu, K = 0,875 (điều 6.9.3 Quy trình). Các bản liên kết của liên kết ngang phải được hàn hoặc bắt bulông vào cả cánh chịu nén và cánh chịu kéo của dầm chủ khi: (a) Vách ngang (b) (a) Khung ngang (b) Vách ngang Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 56 - Liên kết ngang được gắn nối vào bản liên kết hoặc sườn tăng cường đứng thực hiện chức năng như các bản liên kết. - Các dầm mặt cầu được gắn nối vào bản liên kết, hoặc sườn tăng cường đứng thực hiện chức năng như các bản nối. Khi không có thông tin, cần thiết kế liên kết hàn hoặc bulông chịu được tải trọng nằm ngang 90 kN đối với cầu thẳng. 3.3.1.1 Liên kết ngang trong cầu dầm thẳng mặt cắt chữ I Liên kết ngang bằng dầm thép định hình (thép cán) phải cao ít nhất bằng nửa chiều cao dầm và càng cao càng tốt (trong phạm vi chiều cao dầm). Liên kết ngang ở đầu dầm phải vuông góc với trục dầm để đảm bảo truyền hết lực ngang xuống gối, nếu liên kết ngang ở đầu chéo thì phải xem xét thành phần dọc do liên kết ngang truyền tới. Khi các trụ đều chéo hơn 200 thì các liên kết ngang trung gian phải bố trí trực giao với cấu kiện chính. Nếu các trụ đều chéo thì liên kết ngang không cần song song với đường qua tim các gối. 3.3.1.2 Liên kết ngang trong cầu dầm thẳng mặt cắt hình hộp Phải bố trí liên kết ngang ở trong các tiết diện hình hộp ở tại mố, trụ để chống lại chuyển vị và cong vênh. Liên kết ngang phải được thiết kế để truyền mômen xoắn và các lực ngang từ hộp tới gối cầu. Nếu liên kết ngang là thép bản thì phải được liên kết vào sườn và cánh của mặt cắt hộp. Trên liên kết ngang cần bố trí khoảng hở đủ rộng để người chui qua. Tác động của các cửa này đến ứng suất trong tấm vách cần được xem xét và cân nhắc có cần gia cố vách không. Trong các hộp đơn phải có các liên kết ngang trung gian và phải xem xét khoảng cách giữa các liên kết ngang để hạn chế biến dạng của mặt cắt ngang hộp. 3.3.2 Liên kết dọc Liên kết dọc trước đây được gọi là giằng gió còn quy trình mới gọi là hệ giằng ngang. Liên kết dọc phải được xét đến cả trong giai đoạn thi công và trong giai đoạn khai thác. Có những liên kết dọc chỉ cần trong giai đoạn thi công và không cần trong giai đoạn khai thác thì sau khi thi công có thể tháo bỏ và gọi là liên kết dọc tạm. Ở vị trí cần thiết nên bố trí liên kết dọc trong hoặc gần mặt phẳng cánh dầm. Liên kết dọc phải được thiết kế để: - Truyền tải trọng gió ngang xuống gối. - Truyền các tải trọng ngang theo điều 4.6.2.8 Quy trình. - Bảo đảm tính bất biến hình của kết cấu nhịp trong quá trình chế tạo và lao lắp. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 57 Các bộ phận của liên kết dọc phải đảm bảo yêu cầu về độ mảnh như hệ liên kết ngang (xem 3.3.1). Các bản nút (bản liên kết) của hệ liên kết dọc phải được liên kết vào sườn dầm chủ. Khi sườn dầm chủ có sườn tăng cường, khoảng cách thẳng đứng từ bản nút đến cánh dầm ở gần phải đảm bảo: - Không nhỏ hơn một nửa chiều rộng bản cánh ở gần. - Không nhỏ hơn 150mm. Đầu các thanh của hệ liên kết dọc trên bản nút phải có khoảng cách tối thiểu 100mm đến sườn dầm và đến bất kỳ sườn tăng cường nào. Ở vị trí có sườn tăng cường thì bản nút của hệ liên kết dọc phải được định tâm trên sườn tăng cường dù bản nút ở cùng hoặc khác bên với sườn tăng cường. Nếu bản nút cùng bên với sườn tăng cường thì bản nút phải được liên kết với sườn tăng cường. Khi có thiết kế cho liên kết dọc chịu tải trọng động đất phải tham khảo các quy định ở điều 4.6.2.8 của quy trình. 3.4 Neo chống cắt Trong cầu liên hợp neo liên kết dầm thép với bản bê tông cốt thép thành một kết cấu liền khối, do đó bản mặt cầu cùng tham gia chịu uốn với dầm chủ. Ở phần trước đã nghiên cứu cấu tạo neo gồm các loại neo mềm (chế tạo từ thép tròn), neo cứng và neo đinh (goujon). Trong quy trình 22TCN-272-05 phổ biến là neo chữ [ và neo đinh, các neo này vừa chống được trượt của bản bê tông trên dầm thép vừa chống được bóc bê tông khỏi dầm thép. Việc bố trí các neo phụ thuộc vào nhịp giản đơn hay liên tục và nếu là nhịp liên tục thì phụ thuộc vào vùng mômen âm hay mômen dương. Xuất phát từ đó quy trình đã có những chỉ dẫn như sau: - Trên nhịp giản đơn phải bố trí neo chống cắt trên suốt chiều dài nhịp. - Trên các nhịp liên tục cũng nên bố trí neo chống cắt trên suốt chiều dài nhịp. Trong vùng mômen âm phải bố trí neo chống cắt ở nơi mà cốt thép dọc trong bản được xem là một phần của mặt cắt liên hợp. Tuy nhiên trong vùng mômen uốn âm mà mặt cắt không liên hợp thì không cần bố trí neo nhưng cần bố trí neo bổ sung ở các vùng biểu đồ mômen uốn do tĩnh tải có điểm uốn để tránh hiện tượng chuyển đột ngột từ tiết diện liên hợp sang tiết diện không liên hợp. - Trong vùng mômen uốn âm của dầm liên hợp liên tục có bố trí neo chống cắt, cốt thép dọc trong bản phải được kéo dài vào vùng mômen uốn dương và vượt ra ngoài neo một khoảng cách không nhỏ hơn: + Chiều cao dầm. + 12 lần đường kính danh định của cốt thép; + 0,0625 lần chiều dài nhịp tính theo khoảng cách tim gối. Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn 58 3.4.1 Cấu tạo neo 3.4.1.1 Neo chữ [ Neo chữ [ được đặt trên cánh dầm như trên hình 3-6 và được hàn vào cánh dầm bằng đường hàn có chiều cao không nhỏ hơn 5mm. Hình 3-6. Neo chữ [ Chiều cao lớn nhất của neo phải đảm bảo để neo được chôn sâu ít nhất 50mm trong bê tông và chiều dày lớp bê tông trên mặt neo không nhỏ hơn 50mm, có nghĩa chiều cao neo chữ [ phải thỏa mãn