ĐỒ ÁN CẦU THÉP KIẾN TRÚC

THUYẾT MINH THIẾT KẾ CẦU THÉP PHẦN I THIẾT KẾ KỸ THUẬT CẦU THÉP LIÊN HỢP BẢN BTCT CHƯƠNG I LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DẦM CHỦ 1 1 Số liệu thiết kế Kích thước tính toán Khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối a = 0 3m Chiều dài dầm L=48m Chiều dài nhịp tính toán Ltt = L – 2a = 48 – 2 0 3 = 47,4ưm Tải trọng thiết kế Hoạt tải HL93 Tải trọng người đi bộ PL = 4 kNm2 Khổ cầu K = 9 + 2x1,25 m Vật liệu sử dụng Thép sử dụng là thép M270 cấp 345 có + Cường độ chảy min Fy = 345MPa + Cường độ kéo min Fu = 450MPa + Modu.

THUYẾT MINH THIẾT KẾ CẦU THÉP

PHẦN I: THIẾT KẾ KỸ THUẬT CẦU THÉP

LIÊN HỢP BẢN BTCT CHƯƠNG I: LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DẦM CHỦ

1.1 Số liệu thiết kế:

Kích thước tính toán :

Khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối: a = 0.3m

Chiều dài dầm : L=48m

Chiều dài nhịp tính toán : Ltt = L – 2a = 48 – 2.0.3 = 47,4ưm

Tải trọng thiết kế: Hoạt tải : HL93 Tải trọng người đi bộ : PL = 4 kN/m2

Khổ cầu: K = 9 + 2x1,25 m

Vật liệu sử dụng:

Thép sử dụng là thép M270 cấp 345 có:

+ Cường độ chảy min Fy = 345MPa

+ Cường độ kéo min Fu = 450MPa

+ Modul đàn hồi E = 2.105 Mpa

+ Trọng lượng riêng : γs = 78.5 ( kN/m3)

Bêtông sử dụng cho bản mặt cầu là bêtông B30 có f c'= 30 Mpa

Modul đàn hồi của bê tông: E c 0, 043.1,5b . f c' =27691,466

Tiêu chuẩn thiết kế: AASHTO LRFD

1.2 Thiết kế mặt cắt ngang:

Các thông số thiết kế gồm:

Chiều rộng phần xe chạy: Blx = 9,0 (m)

Chiều rộng bệ lan can: Blc = 0,25 (m)

Chiều rộng người đi : Bnđ = 2x1,25 (m)

 Chiều rộng toàn cầu được xác định theo công thức:

Sơ đồ bố trí chung mặt cắt ngang cầu

1.2.1 Bản mặt cầu BTCT:

Các yêu cầu về cấu tạo bản mặt cầu:

- Chiều dày tối thiểu của bản mặt cầu BTCT được quy định ở điều {9.7.1.1} là175mm (không kể lớp bảo vệ và hao mòn)

- Khi chọn chiều dày bản phải cộng thêm lớp hao mòn 15cm

- Đối với bảng hẫng của dầm ngoài cùng do phải thiết kế chịu tải trọng va chạmrào chắn nên chiều dày bản phải tăng lên 25mm (chiều dày tối thiểu ở mút hẫng là200mm)

- Chọn chiều dày bản mặt cầu t s = 200mm

1.3 Lựa chọn tiết diện dầm chủ: ( Dầm tổ hợp chữ I)

1.3.1 Cơ sở chọn tiết diện:

- Theo kinh nghiệm

-Theo điều kiện kinh tế

-Theo điều kiện độ cứng

1.3.2 Chọn chiều cao dầm chủ (d) :

Theo điều kiện hmin

Chiều cao dầm không nhỏ hơn dmin: dmin 0,033L=0,033 x48 =1,584 (m)

Theo công thức kinh nghiệm:

ddc = L = 48 = 21,92

=> chọn chiều cao dầm ddc = 1,92 (m) thõa mãn.

Chọn tiết diện vách dầm, bản biên và bản táp

Cấu tạo sơ bộ dầm chủ

1.3.3 Kiểm tra tính cân xứng.

Tính cân xứng của vách được kiểm tra theo công thức: 0.1 ≤ Iyc/Iyt≤10

Trong đó: -Iyc: mô men quán tính của bản biên chịu nén tiết diện thép đối với trục thẳng đứng của mặt phẳng vách:

-Iyt: mô men quán tính của bản biên chịu kéo tiết diện thép đối với trục thẳng đứng của mặt phẳng vách

CHƯƠNG II: NỘI LỰC VÀ TỔ HỢP NỘI LỰC THEO CÁC TRẠNG THÁI

GIỚI HẠN

Nguyên lý chịu lực của dầm liên hợp với bản bê tông cốt thép thép các giai đoạn làmviệc:

- Giai đoạn 1: Giai đoạn không liên hợp

Trọng lượng bản thân của dầm, các hệ liên kết, bản bê tông khi chưa đông cứng dodầm thép chịu

- Giai đoạn 2 : Giai đoạn liên hợp

+ Giai đoạn liên hợp dài hạn: Tải trọng tác dụng gồm lớp phủ mặt cầu, lan can tay vịn.Tiết diện dầm làm việc là tiết diện liên hợp

+ Giai đoạn liên hợp ngắn hạn: Tiết diện làm việc là tiết diện liên hợp ngắn hạn (Hoạttải và lực xung kích)

2.1 Xác định bề rộng có hiệu của bản mặt cầu

a Bề rộng có hiệu của bản bê tông đối với dầm trong:

= min

= 2000 (mm)

Vậy bề rộng có hiệu của bản mặt cầu đối với dầm trong là: be = 2000 (mm).

b Xác định bề rộng bản có hiệu đối với dầm ngoài:

Bề rộng hữu hiệu đối với dầm biên, dầm trong.

2.2 Xác định đặc trưng hình học của tiết diện dầm ở các giai đoạn làm việc: 2.2.1 Giai đoạn 1: (Dầm chưa liên hợp)

- Momen quán tính của tiết diện dầm INC là:

I S

y



Bảng 2.1 Tổng hợp các đặc trưng của dầm giai đoạn chưa liên hợp

b NC

t NC

t NC

b NC

+ Giai đoạn liên hợp dài hạn:

Bề rộng chuyển đổi của bản bê tông :

btr = 3

e

b

n = = 83,33 mm

Với n- Tỷ số mô đun đàn hồi của vật liệu dầm (ES) với mô đun đàn hồi của vật liệu bảnmặt cầu (Ec) và ta tra bảng với fc’=30 Mpa được n=8

- Diện tích tiết diện (bỏ qua phần vút)

ALT = ANC + btr.ts

- Momen tĩnh của tiết diện lấy với trục NC :

QLT = (2 )

t s

t

b t  t y

(với t h =100mm là bề dày phần vút của bản bê tông)

Khi đó trục trung hòa LT của tiết diện liên hợp dài hạn ở vị trí cách trục NC 1 khoảng :

b =

LT LT

Q A

và trục trung hòa LT cách mép trên, mép dưới của dầm thép và mép trên của bản bê tông lần lượt là :

- Momen quán tính của tiết diện liên hợp:

- Momen kháng uốn của tiết diện dài hạn tính đối với mép trên , mép dưới của dầm thép và mép trên bản bê tông :

LT t

LT t

LT

I S

y



;

LT b

LT b LT

I S y

 ;

LT tc

LT tc LT

I S

y



Bảng 2.2 Bảng tổng hợp các đặc trưng hình học của dầm

giai đoạn liên hợp dài hạn

t LT

b LT

tc LT

t LT

b LT

tc LT

+ Giai đoạn liên hợp ngắn hạn

- Bề rộng chuyển đổi bản bê tông :

- Momen tĩnh của tiết diện đối với trục NC :

QST = (2 )

t s

Q A

và trục trung hòa ST cách mép trên, mép dưới của dầm thép và mép trên của bản bê tông lần lượt là :

- Momen quán tính của tiết diện dầm thép :

- Momen kháng uốn của tiết diện ngắn hạn tính đối với mép trên, mép dưới dầm thép

và mép trên bản bê tông :

I S y

,

tc ST

ST tc ST

I S y



Bảng 2.3 Bảng tổng hợp các đặc trưng hình học của dầm giai đoạn LH ngắn hạn

t ST

b ST

tc ST

t ST

b ST

tc ST

Hình 2.3: Trục trung hòa ở các giai đoạn tiết diện liên hợp đối với dầm giữa

Thiết kế dầm chủ ta phải kiểm tra theo các TTGH sau:

- Trạng thái giới hạn cường độ

- Trạng thái giới hạn sử dụng và kiểm tra độ võng

- Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy cho các tiết diện

- Yêu cầu mỏi cho các vách dầm

2.4 Xác định các hệ số và tổ hợp tải trọng:

2.4.1 Xác định hệ số sức kháng  :

Đối với TTGH cường độ hệ số sức kháng  phải lấy

- Đối với cấu kiện chịu uốn: f= 1,00

- Đối với cấu kiện chịu cắt: v= 1,00

Các TTGH không thuộc TTGH cường độ:  = 1

+ Tính toán hệ số phân bố hoạt tải theo làn:

Tham số độ cứng dọc hay còn gọi là momen quán tính của BMC đối với dầm thép khichưa liên hợp: Kg= n.(I+A.eg )

n = Es/Ec – Tỷ số modun đàn hồi của vật liệu làm dầm và vật liệu làm bản Với BMC

có fc’=30 Mpa nên n=8 (tra bảng)

Diện tích tiết diện dầm chủ:

2.4.7 Đối với dầm giữa:

Kiểm tra các điều kiện để áp dụng công thức

4900 S = 2000 mm 1100mm

6000 Ld = 47400 mm 73000mm

Nb = 6 dầm > 4

300mm ts = 200mm 110mm

Vậy các điều kiện được thõa mãn nên ta có thể áp dụng công thức theo AASHTO:

2.4.7.1 Hệ số phân bố cho mômen:

+ Khi xếp 1 làn xe trên mặt cầu:

- Ltt: Chiều dài tính toán của kết cấu nhịp

- ts: Chiều dày bản bê tông mặt cầu

+ Khi xếp 2 làn xe trên mặt cầu:

0,1 0,2

+ Khi xếp 1 làn xe trên mặt cầu:

+ Khi xếp 2 làn xe trên mặt cầu:

Hệ số phân bố ngang cho lực cắt:

mg V =max(mg SI mg MI

V )= 0,721

2.4.8Tính toán hệ số phân bố ngang của dầm biên:

2.4.8.1Tính toán hệ số phân bố ngang cho mô men:

+Trường hợp 1 làn chất tải: Dùng phương pháp đòn bẩy xác định hệ số phân bố

ngang

Dah phan luc cua goi

Hình 2.4 Đường ảnh hưởng phản lực gối của dầm ngoài.

–Hệ số phân bố ngang cho momen :

Hai hoặc nhiều làn chất tải :

Trong đó: em : hệ số điều chỉnh dầm trong ra dầm ngoài

Tính toán hệ số phân bố ngang cho lực cắt:

+Trường hợp 1 làn chất tải Dùng phương pháp đòn bẩy xác định hệ số phân bố

Mômen tại các tiết diện do hoạt tải gây ra được tính như sau:

Momen tại các tiết diện do hoạt tải gây ra được tính như sau:

- Theo trạng thái giới hạn cường độ 1:

η = 0,95

+ Pi – trọng lượng các trục xe

+ yi – tung độ đường ảnh hưởng

+ ω – diện tích đường ảnh hưởng

+ (1 + IM) = 1,33 – hệ số xung kích

+ = 0,537 – hệ số tải trọng đối với momen

+ gPL– hệ số tải trọng người đi

ꞷpl = 0.5x(1.375+0.75)x1.25=1.328

+ γLL, γPL – hệ số tải trọng của hoạt tải

TTGHCĐ1: γLL = γPL = 1,75

TTGHSD: γLL = γPL = 1,3

+ hệ số lấy theo tải trọng HL93=9,3 kN

+ PL = 4kN/m2 – tải trọng người đi bộ

47.4 11.85 35 6.738 235.83

2 trục 110110 8.8888.588 977.68944.68 1922.36

Ðah M tai L/8

9.3 kN/mPL

145 145

145 145

Ðah M tai MN1

9.3 kN/mPL

145 145

145 145

Hình 2.5 Đường ảnh hưởng mô men tại các tiết diện

Bảng 2.7 : Mômen do hoạt tải gây ra.

Mặt

cắt mω2

PLkN/

kN.m kN.mM

3 trục 2 trục max

Gối 0 0 0 0 4 1.328 0 0

L/2 280.845 3464.250 2541.000 3464.3 4 1.328 8925.329 6630.244L/4 210.646 2657.48 1922.36 2657.5 4 1.328 6764.603 5025.133L/8 122.861 1,569.310 1123.980 1569.3 4 1.328 3968.445 2947.9883L/8 263.28

8408.784

6246.525MN

1 126.000 1590.688 1138.500 1590.7 4 1.328 4047.611 3006.797MN

2

270.00

0 3328.375

2425.500

3328

1.328

8578.17

2.5.2.Tính toán lực cắt :

Lực cắt tại các tiết diện do hoạt tải gây ra được tính như sau:

- Theo trạng thái giới hạn cường độ 1:

+ yi – tung độ đường ảnh hưởng

+ ω+ – diện tích dương đường ảnh hưởng

+ (1 + IM) = 1,33 – hệ số xung kích

+ = 0,721 – hệ số tải trọng đối với momen

+ gPL = 1,328 – hệ số tải trọng người đi

+ γLL, γPL – hệ số tải trọng của hoạt tải

TTGHCĐ1: γLL = γPL = 1,75

TTGHSD: γLL = γPL = 1,3

+ hệ số lấy theo tải trọng HL93

+ PL = 4kN/m2 – tải trọng người đi bộ

-Tại các tiết diện:

9.3 kN/mPL

Loại xe L(m) X(m) Tải trọng yi Pi.yi ΣPi.yi maxΣPi.yi

145 145 35

1101,21104,3 4,347400

9.3 kN/m PL

Loại xe L(m) X(m) Tải trọng yi Pi.yi ΣPi.yi maxΣPi.yi

L/2 5.925 143.115 107.250 143.12 4 1.328 193.639 143.846

L/4 13.331 224.365 162.250 224.37 4 1.328 372.832 276.961

L/8 18.145 264.845 189.750 264.85 4 1.328 481.37 357.5893L/8 9.258 183.595 134.750 183.6 4 1.328 276.802 205.625MN1 18.37

5

265.060

189.75

0 265.06 4 1.328 485.45 360.62MN2 9.375 183.810 134.750 183.81 4 1.328 278.945 207.217

2.6 Xác định nội lực tại các tiết diện của dầm do tĩnh tải gây ra:

2.6.1 Các thành phần tĩnh tải.

Bảng 2.10 Thống số tính toán sơ bộ

Dung trọng của bê tông cốt thép γBT 25kN/m3

Dung trọng của lớp phòng nước γPN 22kN/m3

Dung trọng của bê tông nhựa γBTN 22,5kN/m3

a Lan can – tay vịn

Gồm có phần bệ làm bằng bê tông cốt thép đổ liên tục theo chiều dài của dầm

và phần phía trên làm bằng kim loại Để tính khối lượng của lan can ta tính chotừng bộ phận như sau:

Hình 2.7 Chi tiết bệ lan can và lan can

có 2 đoạn ống kéo dài để tăng cường độ cứng liên kết với tay vịn, tuy nhiên ta xemphần khối lượng này là không đáng kể và bỏ qua khi tính toán khối lượng của lancan

Hình 2.9 Quy đổi mặt cắt tiết diện tính toán của lan can.

Hình 2.8 Chi tiết tay vịn theo phương dọc cầu

Tay vịn trên cầu có 2 loại, loại có D = 120mm, t=5mm và loại D = 100mm, t =5mm Mỗi đoạn ống tay vịn dài 2m và được liên kết tại các lan can cầu Để tínhtoán khối lượng tay vịn, ta tiến hành tính toán khối lượng của mỗi loại tay vịn rồi

từ đó tính toán cho cầu

Khối lượng tay vịn D = 120mm, L = 2m được tính như sau:

Hình 2.10 Chi tiết gờ chắn bánh xe.

Khối lượng gờ chắn trên 1 nhịp cầu:

Trong đó : - =0,95: Hệ số điều chỉnh tải trọng

- DC: Tĩnh tải của kết cấu nhịp phân bố lên dầm

- DW: Tĩnh tải của lớp phủ mặt cầu phân bố lên dầm

-γDC Hệ số tải trọng: +Trạng thái CĐI: γDC = 1.25

Bảng 2.9 Momen do tĩnh tải gây ra theo các trạng thái giới hạn.

Giá trị do tĩnh tải gây ra Cường độ 1 Sủ dụngMặt cắt ω (m2) DW(kN/m) DC (kN/m) M (kN.m) M (kN.m)

Trong đó : - =0,95: Hệ số điều chỉnh tải trọng

- DC: Tĩnh tải của kết cấu nhịp phân bố lên dầm

- DW: Tĩnh tải của lớp phủ mặt cầu phân bố lên dầm

-γDC Hệ số tải trọng: +Trạng thái CĐI: γDC = 1.25

+Trạng thái SD: γDC = 1

-γDW Hệ số tải trọng: +Trạng thái CĐI: γDW = 1.5

+Trạng thái SD: γDW = 1

-+ : diện tích đường ảnh hưởng dương

-- : diện tích đường ảnh hưởng âm:

Bảng 2.11 Lực cắt do tĩnh tải gây ra theo các trạng thái giới hạn.

Giá trị do tĩnh tải gây ra Cường độ1 Sủ dụngMặt cắt ω+ (m2) ω- (m2) DW(kN/m

2.6.5.Tính toán tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt gây ra.

- Tổ hợp nội lực theo TTGH cường độ 1.

Bảng 2.14 Tổng hợp nội lực tại các mặt cắt trong dầm chủ.

Mặt cắt

MomenkN.m Lực cắtkN.m MomenkN.m Lực cắtkN.m

, (

1

6 )

Fyc=345 (Mpa) Bỏ qua lực dẻo trong cốt thép dọc của bản.

trục PNA không đi qua bản

trục PNA không đi qua biên trên

trục PNA đi qua vách

Trục trung hòa hóa dẻo PNA đi qua vách

Gọi Y là khoảng cách từ trục PNA tới mép trên của bản vách (chiều cao chịu nén củadầm thép)

Vậy Y=443,134 (mm)

- Xác định cánh tay đòn của các lực dẻo đến trục trung hòa hóa dẻo PNA:

Bản bê tông ds = 200 / 2 +100+Y= 643,134 mm

Bản biên trên dc = 20/2+Y = 453,134 mm

+Ứng suất tại thớ trên:

+Ứng suất tại thớ dưới:

2.6.2 Giai đoạn 2:

+Ứng suất tại thớ trên:

+Ứng suất tại thớ dưới:

42.6.3 Giai đoạn 3:

+Ứng suất tại thớ trên:

+Ứng suất tại thớ dưới: a)

Bảng 2.15 Bảng tổng hợp giá trị nội lực theo các trạng thái giới hạn CĐ1

Ứng suất Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Tổng ứng suất

Ứng suất tại thớ trên

CHƯƠNG III: KIỂM TOÁN DẦM CHỦ.

1 Kiểm toán các điều kiện để đảm bảo ổn định.

1.1 Mất ổn định của vách dầm

- Cơ chế 1: khi tiết diện chữ I chịu uốn, độ cong sinh ra ứng suất giữa biên và váchdầm, nếu vách quá mạnh thì nó làm việc như một cột gây ra cho bản biên mất đisự chống đỡ ngang và mất ổn định thẳng đứng phía vách dầm trước khi đạt tớimomen chảy

Khi có sườn tăng cường ngang:

≤ 150 <=> = 84,636 ≤ 150

=> thỏa mãn điều kiện

- Cơ chế 2: vách mất ổn định khi uốn, bởi vì momen uốn gây ra ứng suất nén trênmột phần vách nên mất ổn định ngoài mặt phẳng vách có thể xảy ra

Theo AASSHTO, yêu cầu độ mảnh cho vách uốn khi uốn dọc xảy ra được xácđịnh như sau:

Khi có sườn tăng cường ngang:

2 Kiểm toán dầm chủ theo TTGH cường độ 1.

2.1 Kiểm tra sức kháng uốn

Đối với tiết diện liên hợp chắc, sức kháng uốn có hệ số được xác định:

Mu = 17336,686 kN.m ≤ Mr = φ.Mn =1 22659,181 = 22659,181 kN.m

=> Tiết diện chọn thõa mãn yêu cầu về sức kháng uốn

Với:

- Mn = Mp = 22659,181 kN.m – sức kháng danh định của tiết diện chắc

- Mr – sức kháng uốn tính toán đối với momen

- Vu = 1312,661 kN – lực cắt tính toán lớn nhất tại gối ở TTGH cường độ 1

- Vr – sức kháng tính toán của vách

- Vn – sức kháng cắt danh định của vách không tăng cường

- Vậy dầm thuộc trường hợp không mất ổn định nên ta có c = 1,0

- Kiểm tra điều diện:

=> Tiết diện chọn thõa mãn yêu cầu về sức kháng cắt

3 Kiểm toán dầm chủ theo TTGH sử dụng.

3.1 Kiểm tra trạng thái ứng suất

Ứng suất đàn hồi lớn nhất của bản biên trong giai đoạn sử dụng:

+Ứng suất tại thớ dưới:

Giai đoạn 2:

+Ứng suất tại thớ trên:

+Ứng suất tại thớ dưới:

Giai đoạn 3:

+Ứng suất tại thớ trên:

+Ứng suất tại thớ dưới: a)

Bảng 2.15 Bảng tổng hợp giá trị nội lực theo các trạng thái giới hạn SD

Ứng suất Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3 Tổng ứng suấtỨng suất tại thớ trên

3.2 Kiểm tra độ võng của dầm

- Độ võng do hoạt tải sử dụng được giới hạn bởi:

ΔCL ≤ = = 59,25 mm

Trong đó:

+ ΔCL (mm) – độ võng lớn nhất do hoạt tải sử dụng có kể đến xung kích

+ Ltt = 47400mm – chiều dài tính toán nhịp.

- Độ võng do hoạt tải gây ra có thể được xét đối với hai trường hợp hoạt tải:

+ Trường hợp có một xe tải thiết kế

+ Trường hợp 25% xe tải thiết kế và tải trọng làn thiết kế

- Hệ số phân bố để xác định độ võng của dầm:

Hình 3 Sơ đồ xếp xe

a Độ võng lớn nhất của dầm do 1 xe tải thiết kế gây ra

- Các tải trọng gây võng cho một dầm:

+ I = IST = 8,31.1010 (mm4) - momen quán tính giai đoạn ngắn hạn

+ L = 47400mm – chiều dài tính toán nhịp

- Lưu lượng xe tải trung bình hàng ngày:

ADTT = 0,2.ADT.2 = 0,2.20000.2 = 8000 xe tải/ngày

- Hệ số xét tới làn xe tải: p = 0,85 (với 2 làn xe)

- Số lượng xe tải của 1 làn đơn trong 1 ngày:

ADTTSL = p.ADTT =0,85.8000 = 6800 xe/ngày/làn

- Số chu kỳ xe tải qua cầu trong thời gian (tuổi thọ) của cầu 100 năm là:

N = 365.100.n.ADTTSL = 365.100.1 6800 = 248,2.106 chu kỳ

Với n = 1 – chu kỳ mỗi lần tải đi qua

4.2 Biên độ ứng suất cho phép mỏi

Sức kháng mỏi danh định:

4.3 Biên độ ứng suất lớn nhất

- Momen lớn nhất do tải trọng mỏi tại giữa nhịp dầm ngoài:

Hình Đường ảnh hưởng momen tại giữa nhịp

- Biên độ ứng suất của dầm:

fL/2 = = = 29,12 N/mm2 = 29,12 Mpa < (ΔF)n = 82,5Mpa (TM)

4.4 Kiểm tra TTGH mỏi ở tiết diện tại gối

- Xác định lực cắt V ở gối do tải trọng thường xuyên không hệ số và tải trọng mỏi có

hệ số gây ra

= γLL.mgLLV.(1 + IM)

= 0,75 0,721.(1 + 0,15) 305,615 = 190,06 kNTrong đó:

+ γLL = 0,75