Tài liệu Bài giảng kỹ thuật hạ tầng giao thông.

CHƯƠNG 7. CẦU (bridge) 1/56 7.1 Khái niệm Cầu là loại công trình vượt qua phía trên chướng ngại vật như sông suối, khe núi. Thung lũng sâu, các tuyến đường khác hoặc các khu vực phải duy trì bình thường các hoạt động xã hội như sản xuất, giao thông, thương mại… 7.2 Các bộ phận và kích thước cơ bản của công trình cầu 7.2.1 Kết cấu nhịp (span) 2/56 Bộ phận trực tiếp mang đỡ hoạt tải và vượt qua khoảng cách chướng ngại vật Sơ đồ cầu Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 1 7.2.2 Mố cầu và Trụ cầu (Abutment & Piers) 3/56 Bộ phận kê đỡ kết cấu nhịp, tiếp nhận toàn bộ tải trọng và truyền xuống nền đất qua kết cấu móng. Nếu được xây dựng ở phía trong thì gọi là trụ, xây dựng ở hai đầu cầu thì gọi là Mố. Mố còn có nhiệm vụ nối tiếp giữa đường với cầu. Cũng có TH cầu không có mố mà KCN được kéo dài một đoạn mút thừa để nối vào nền đường đắp đầu cầu Như vậy một kết cấu 1 nhịp có thể không có trụ mà chỉ có 2 mố. 7.2.3 Các mức nước (water level) 4/56 MNLS: Mức nước lịch sử, là mức nước lớn nhất người ta điều tra được MNCN: Mức nước cao nhất, là kết quả tính toán ứng với một tần suất quy định (1% hay 2%). Nếu nói: MNCN ứng với tần suất thiết kế 1% có nghĩa là MN của cơn lũ mà 100 năm mới xuất hiện một lần. MNTN: Mức nước thấp nhất, được đo trong mùa cạn và ứng với một tần suất quy định (1% hay 2%), căn cứ vào MNTN để bố trí nhịp thông thuyền. MNTT: Mức nước thông thuyền, là mức nước cao nhất cho phép tàu bè qua lại, thường lấy với tần suất 5%, từ mức nước này xác định được chiều cao khổ gầm cầu của nhịp thông thuyền. Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 2 7.2.4 Các kích thước cơ bản của cầu (1/3) 5/56 1: Kết cấu nhịp; 2: Trụ; 3: Mố; 4: Móng - L: chiều dài toàn cầu, là khoảng cách từ đuôi mố này đến đuôi mố kia. - l: chiều dài nhịp, là khoảng cách giữa tim của hai trụ. - ltt: chiều dài nhịp tính toán, là khoảng cách giữa tim các gối kê nhịp - l0: chiều dài nhịp tĩnh, là khoảng cách từ mép trụ này tới mép trụ kia (hoặc mố) xác định tại mức nước cao nhất. 7.2.4 Các kích thước cơ bản của cầu (2/3) 6/56 ∑l 0 khẩu độ thoát nước của cầu, là tổng của các nhịp tĩnh. Trường hợp cầu có mố vùi thì mức nước cao nhất không tiếp xúc với tường thân mố, do đó thay vì nhịp tĩnh sát mố khẩu độ thoát nước sẽ được lấy với trung bình cộng của hai trị số tương ứng MNCN và MNTN - Hc: chiều cao cầu, là khoảng cách từ MNTN tới mặt cầu. Nếu là cầu vượt hoặc cầu cạn thì tính từ mặt đường hoặc mặt đất bên dưới. Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 3 7.2.4 Các kích thước cơ bản của cầu (3/3) ∑l 7/56 0 - hkt: chiều cao kiến trúc, là khoảng cách từ đáy của KCN đến mặt cầu. - H: chiều cao khổ gầm cầu, là khoảng cách từ MNCN đến đáy KCN, để đảm bảo cây trôi không va đập và mắc nghẽn. Nếu là cầu vượt thì được tính từ mặt đường bên dưới đến đáy KCN. 7.3 Phân loại cầu (bridge type) 8/56 1. Phân loại theo chướng ngại vật phải vượt qua 2. Phân loại theo khẩu độ 3. Phân loại theo mục đích sử dụng 4. Phân loại theo vị trí đường xe chạy 5. Phân loại theo vật liệu làm kết cấu nhịp 6. Phân loại theo sơ đồ tĩnh học Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 4 1. Phân loại theo chướng ngại vật phải vượt qua 9/56 1.1 Cầu qua sông: Cầu Tháp (London, Anh) 10/56 1.2 Cầu qua đường (cầu vượt): cầu bắc qua tuyến đường khác giao cắt ngang Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 5 11/56 1.3 Cầu cạn hay cầu dẫn: là cầu được xây dựng ngay trên mặt đất nhằm dẫn lên một cầu chính hoặc nâng cao độ tuyến đường lên để giải phóng không gian bên dưới. Cầu cạn Milau (Pháp) bắc qua thung lũng sông Tarn gần Milau, phía nam nước Pháp 1.4 Cầu vượt biển: 12/56 Cầu vịnh Giao Châu là cây cầu vượt biển dài nhất thế giới tại vịnh Giao Châu, thành phố Thanh Đảo, tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc. Cây cầu có tổng chi phí xây dựng lên tới 2,3 tỷ USD và dài 41,58 km này nối liền trung tâm thành phố Thanh Đảo với huyện Hoàng Đảo. Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 6 13/56 1.5 Cầu cao: là loại cầu có chiều cao trụ rất lớn được bắc qua các thung lũng sâu. Cầu Milau (Pháp) Là cây cầu cao nhất thế giới với đỉnh cao nhất một cột là 343m 2. Phân loại theo khẩu độ 14/56 Cầu lớn: L > 100m hoặc có nhịp l ≥ 30m Cầu trung: L = 25 - 100m Cầu nhỏ : L < 25 m Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 7 3. Phân loại theo mục đích sử dụng 15/56 - Cầu đường bộ - Cầu đường sắt - Cầu bộ hành - Cầu hỗn hợp - Cầu thành phố - Cầu tàu (dùng ở các bến cảng) - Cầu phao (quân sự) - Cầu đặc biệt (dùng để dẫn dầu khí, dẫn nước, dẫn cáp điện…) Cầu phao (mục đích quân sự, tính cơ động cao) 4. Phân loại theo vị trí đường xe chạy 16/56 - Cầu có đường xe chạy trên - Cầu có đường xe chạy dưới Cầu Lupu, Thượng Hải, Trung Quốc, khánh thành năm 2003 là cầu vòm lớn nhất thế giới với tổng chiều dài cầu 3900m, nhịp lớn nhất là 550m Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 8 5. Phân loại theo vật liệu (Bridge types by material) 17/56 Cầu đá xây. Cầu gỗ. Cầu thép và cầu kim loại Cầu bê tông cốt thép. Cầu BTCT dự ứng lực. Cầu liên hợp thép+BTCT Cầu vòm đá (cầu Carvalha, Bồ Đào Nha) Cầu gỗ (cầu Thê Húc, Việt Nam, xây dựng năm 1865) 6. Phân loại cầu theo sơ đồ tĩnh học 18/56 (structure type) Theo sơ đồ tĩnh học của kết cấu chịu lực chính có thể phân chia công trình cầu thành hệ thống sau: - Cầu dầm - Cầu dàn - Cầu vòm - Cầu liên hợp - Cầu treo Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 9 6.1 Cầu dầm (beam bridge) 19/56 Dưới tác dụng của tải trọng thẳng đứng KCN làm việc chịu uốn và chỉ truyền áp lực thẳng đứng xuống mố trụ. Hệ thống cầu dầm bao gồm: a) Cầu dầm đơn giản (beam bridge); b) Cầu dầm liên tục (continuous beam bridge); c) Cầu dầm mút thừa (cantilever bridge) 6.1 Cầu dầm (beam bridge) 20/56 Cầu dầm liên tục (cầu Vĩnh Tuy, Hà Nội, Việt Nam, khánh thành năm 2009, tổng chiều dài cầu 3690m, mặt cầu rộng 38m) Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 10 6.1 Cầu dầm (beam bridge) 21/56 Cầu dầm mút thừa qua vịnh Forth (Scotland) nhịp 521m (năm 1890) 6.2 Cầu dàn (frame bridge) 22/56 Sơ đồ cầu khung dàn Cầu dàn: KCN và trụ liên kết cứng với nhau tạo thành khung, cùng tham gia chịu lực dưới dạng một kết cấu thống nhất Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 11 6.2 Cầu dàn (frame bridge) 23/56 Cầu dàn thép. (cầu Hàm Rồng, Thanh Hóa, Việt Nam, khánh thành năm 1964, gồm 2 nhịp dầm thép) 6.2 Cầu dàn (frame bridge) 24/56 Cầu dàn thép (cầu Long Biên, Hà Nội, Việt Nam, do Pháp xây dựng từ 1899-1902, chiều dài cầu 1862m) Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 12 Cầu quay (swing bridge) 25/56 Cầu quay sông Hàn (Đà Nẵng) 6.3 Cầu vòm (arch bridge) 26/56 Cầu vòm có thể có dạng 3 khớp, 2 khớp hoặc vòm không khớp. Đặc điểm của cầu hệ vòm là tại vị trí chân vòm luôn xuất hiện thành phần phản lực theo phương nằm ngang (lực xô). Cầu vòm có đường xe chạy trên Cầu vòm có đường xe chạy dưới Sơ đồ cầu vòm Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 13 6.3 Cầu vòm (arch bridge) 27/56 Cầu vòm thép. Cầu Hàm Rồng cũ, Thanh Hóa, Việt Nam, do Pháp xây dựng năm 1904. Là cầu vòm thép không có trụ ở giữa. Cầu bị phá hủy trong cuộc chiến tranh kháng chiến chống Mỹ 6.4 Cầu liên hợp (conjugated bridge) 28/56 Cầu liên hợp là loại cầu được kết hợp từ các hệ đơn giản hoặc hệ đơn giản được tăng cường các bộ phận chịu lực. Bằng cách đó người ta có thể tạo ra những KC chịu lực hợp lý và có hiệu quả về các phương diện kinh tế, kỹ thuật đặc biệt trong các trường hợp nhịp lớn Cầu liên hợp dầm vòm Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 14 29/56 Cầu dầm công xôn kết hợp dây văng 6.4 Cầu treo (suspension bridge) 30/56 Cầu treo (cầu treo dây văng, cầu treo dây võng) là loại kết cấu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây làm việc chịu kéo. Dưới tác dụng của hoạt tải hệ dầm mặt cầu và dây cùng làm việc như một hệ liên hợp Cầu treo có ưu điểm là có thể vượt nhịp lớn và hiệu quả kinh tế cao Sơ đồ cầu treo dây văng (cable - stayed suspension bridge) Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 15 6.4 Cầu treo (suspension bridge) 31/56 Sơ đồ cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 32/56 Cầu treo dây võng (cầu Ambassador, Mỹ, 1929) vượt nhịp 564 m Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 16 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 33/56 Cầu treo dây võng (cầu G.Washington, New York, Mỹ, 1932) vượt nhịp 1067 m 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 34/56 Cầu treo dây võng (cầu Cổng vàng, San Francisco, Mỹ, 1937) vượt nhịp 1280 m Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 17 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 35/56 Vụ sập cầu treo Tacoma nhịp 853 (Mỹ) năm 1940 sau khi công trình hoàn thiện 6 tháng 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 36/56 Cầu treo Verrazano Narrow, New York, 1964. Vượt nhịp 1298,45m Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 18 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 37/56 Cầu treo Humber ở Anh vượt nhịp 1410m năm 1981 6.4.1 Cầu treo dây võng (sag wire suspension bridge) 38/56 Cầu treo Akashi Kaikyo, Nhật Bản, 1988-1998, bắc qua eo biển Akashi. Tổng chiều dài 3911m. Cầu lập kỷ lục thế kỷ XX với chiều dài nhịp chính dài 1991m. Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 19 6.4.2 Cầu treo dây văng (cable stayed suspension bridge) 39/56 Cầu treo Normandie bắc qua sông Seine, Pháp, 1988-1995, nhịp chính dài 856 m 6.4.2 Cầu treo dây văng (cable stayed suspension bridge) 40/56 Cầu treo Tatara, Nhật Bản, 1999. Nhịp chính dài 890 m là nhịp cầu treo dây văng dài nhất thế kỷ XX Kỹ thuật Hạ tầng Giao thông - Phần 3 - Chương 7 20