đồ án cầu thép cầu đường

THIẾT KẾ LAN CAN, LỀ BỘ HÀNH, BẢN MẶT CẦU- Ở phần này chỉ thiết kế cấu tạo và bố trí thép, tính tĩnh tải, không tính toán nội lực và tính toán cốt thép... 28000 DC lancan Cốt thép dùng t

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

- Thép làm hệ liên kết ngang (dầm ngang và khung ngang), sườn tăng cường : M270 M250

có cường độ chảy Fy=250 MPa, Fu= 450 MPa

- Thép bản mặt cầu, lề bộ hành :

+ Thép chịu lực, cấu tạo : CII có Fy = 280 MPa

- Thép làm thanh lan can, cột lan can : M270 cấp 250 có cường độ chảy Fy = 250MPa

- Bê tông bản mặt cầu, lan can, lề bộ hành : C30 có f C 30MPa

- Trọng lượng riêng của thép : S 7.85 10 5N mm/ 3

- Trọng lượng riêng của bê tông có cốt thép : C 2.5 10 5N mm/ 3

1.3 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG CẦU

1.3.1 Chọn số lượng dầm n, khoảng cách dầm S, chiều dài cánh hẫng L C

- Bề rộng toàn cầu: Btc=9000 + 2 x 1400+ 2 x 250 = 12300 mm

- Ta có:

12

tc c

- Tạo dốc bằng thay đổi chiều cao đá kê gối : Là dùng đá kê gối có chiều cao tăng dần để tạo

độ dốc ngang của mặt đường sau khi hoàn thiện Chiều cao tối thiểu của gối là 150 mm

- Chiều cao gối thiết kế:

+ Gối 1 : 150 mm

+ Gối 2 : 150 + S x 2%=192 mm+ Gối 3 : 192 + S x 2%=234 mm

- Các gối còn lại bố trí đối xứng

1.3.3 Thiết kế thoát nước mặt cầu

- Đường kính ống: D≥100mm Diện tích ống thoát nước được tính trên cơ sở 1m2 mặt cầutương ứng với ít nhất 1 cm2 ống thoát nước Khoảng cách ống tối đa 15m, chiều dài ống

- Diện tích mặt cầu S = L x Btc=28 x 12.3 = 344.4 m2 vậy cần bố trí ít nhất 344.4 cm2 = 34440mm2 ống thoát nước.

2

2 1

100

78544

- Vậy ta chọn 6 ống, bố trí đối xứng 2 bên mỗi bên 3 ống , khoảng cách ống là 9m

Hình 1.1 Mặt cắt ngang cầu

1.4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC DẦM

1.4.1 Chiều dài dầm tính toán :

- Chọn khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối là : a=0.3 m

- Chiều dài dầm tính toán : Ltt = Ltd-2xa =28-2x0.3=27.4 m

1 1 1 1

- Tăng chiều cao dầm thêm 10- 15% để đảm bảo về độ võng

=> Vậy chọn chiều cao dầm thép: d = 1100 mm

=> Chiều cao dầm liên hợp: H = 1400 mm

1.4.3 Kích thước tiết diện ngang

Hình 1.2 Tiết diện dầm liên hợp

- Ta có các kích thước tiết diện ngang như sau:

+ Chiều cao phần vút : hV=100mm

+ Chiều dày bản bê tông : tS=200 mm

+ Chiều dày sườn dầm : tW=15 mm

1.5 THIẾT KẾ CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA DẦM CHÍNH:

1.5.1 Sườn Tăng Cường, hệ liên kết ngang:

Hình 1.3 Bố trí STC và hệ liên kết ngang

- Chỉ bố trí sườn tăng cường đứng, không bố trí sườn tăng cường dọc( d< 2m)

- Bố trí 2 sườn tăng cường gối tại đầu mỗi dầm, khoảng cách 200 mm

- Bố trí sườn tăng cường đứng trung gian khoảng cách 1500 mm, riêng tại đoạn đầu dầm thì

- Thiết kế loại neo hình nấm với các số liệu sau :

- Mối nối sử dụng bulông cường độ cao

Số lượng mối nối là 2 , đặt đối xứng nhau qua tim cầu, cách đầu dầm 9000mm

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ LAN CAN, LỀ BỘ HÀNH, BẢN MẶT CẦU

- Ở phần này chỉ thiết kế cấu tạo và bố trí thép, tính tĩnh tải, không tính toán nội lực và tính toán cốt thép

2.1 LAN CAN

Hình 2.1 Cấu tạo thanh và cột lan can

- Chiều dài nhịp 28 m, bố trí khoảng cách 2 cột lan can là 1850mm vậy mỗi bên cầu gồm 16cột lan can, 15 cặp thanh liên kết, 15 cặp tay vịn

Một cột lan can được tạo bởi 3 tấm thép:

T1 100 x 1,740 x 5

T2 140 x 740 x 5

T3 100 x 150 x 5Thể tích các tấm thép là:

Thể tích tấm thép T1: VT1 = 100 x 1,740 x 5 =870000 mm3

Thể tích tấm thép T2: VT2 = 140 x 740 x 5 =518000 mm3

Thể tích tấm thép T3: VT3 = 100 x 150 x 5 = 75000 mm3

3 cotlancan 870000 518000 75000 1463000

Thanh liên kết:

2 (90 82 ) 100 216142 4

lienket

- Ta tính trọng lượng của từng phần theo phương dọc cầu( Tính cho chiều dài Ldam=28000mm)

28000

DC lancan

Cốt thép dùng trong bản mặt cầu là thép CII có cường độ Fy=250 MPa, bê tông dùng chobản mặt cầu là loại bê tông có cường độ chịu nén f’c=30 MPa

Do trong phạm vi hẹp của đồ án môn học nên ta bố trí cốt thép trong bản mặt cầu theo yêucầu cấu tạo như hình dưới

Hình 2.3 Bố trí thép bản mặt cầu.

''

2579400

76

0668.24

3.1.2 Đặc trưng hình học giai đoạn 2 (Giai đoạn liên hợp)

3.1.2.1 Bề rộng có hiệu dầm trong B i và dầm ngoài B e

3.1.2.2.1 Giai đoạn liên hợp ngắn hạn (ST)

- Bố trí cốt thép trong bản mặt cầu là 14a200 và bê tông bản mặt cầu có cường độf’c=30MPa

- Trong đó: n banmatcau là số thanh thép trong đoạn Bi nằm trong phần bản mặt cầu

- Diện tích phần bê tông quy đổi về thép:

2

2

2100 200 350 100 100

581258

- Khoảng cách từ trục TH1 đến trục TH2

1 52,583,816

525.3100,111.64

31

TH d

3.1.2.2.2 Giai đoạn liên hợp dài hạn (LT)

- Diện tích phần bản bê tông quy đổi về thép:

19, 488, 2

42

,146.42

666, 057, 733.1864

DẦM GIỮA ( DẦM TRONG)

hiệu

Đơnvị

Tiết diện dầm

Chưa liên hợp(NC)

Bảng 3.2 Đặc trưng hình học của dầm biên

3.2 TẢI TRỌNG – HỆ SỐ PHÂN BỐ NGANG

3.2.1 Tải trọng tác dụng lên cầu

+ Trọng lượng bản thân dầm thép:

5 1

38, 600 7.85 10 28000

3.10 /27400

+ Mối nối: (tạm thời): P3 0.5 /N mm

Hình 3.2 STC gối Hình 3.3 STC trung gian

Hình 3.4 STC trung gian tại liên kết ngang

Sườn tăng cường:

- Sườn tăng cường trung gian: Hình 3.3

+ Một dầm có: 10x2 = 20 sườn tăng cường trung gian

+ Khoảng cách các sườn: d= 3000 mm

+ Trọng lượng một sườn tăng cường:

5

- Sườn tăng cường gối: Hình 3.2

+ Một dầm có: 4x2=8 sườn tăng cường gối

+ Khối lượng một sườn: P s2   V s s 168 1040 14 7.85 10    5 192.02N

- Sườn tăng cường trung gian tại vị trí có liên kết ngang: Hình 3.4

- Liên kết khung ngang: Có 18 liên kết khung ngang trên mỗi dầm

+ Khoảng cách giữa các liên kết ngang 3000mm

+ Dùng thép L100x100x10 (cho cả thanh xiên và thanh ngang) (TCVN 1:2006)

7571-+ Trọng lượng trên một đơn vị chiều dài : g LK 0.168 /N mm

+ Thanh ngang dài: 2045 mm

+ Thanh xiên dài: 983 mm

+ Mỗi liên kết ngang có: 2 thanh liên kết ngang, 2 thanh liên kết xiên

- Liên kết ngang ở đầu dầm:

Dầm ngang W760x196 dài 2045 m có khối lượng:

g=A x 2045 x7,85.10-5 =25100 x 2045 x 7,85.10-5=4029.37 N

- Sườn tăng cường tại giữa dầm ngang để đặt kích trong quá trình thay gối sau này: Có

4 sườn tăng cường g = 4 x 192.02= 768.08 N

- Trọng lượng dầm ngang, liên kết ngang, sườn tăng cường dầm ngang:

   

2

5 2

+ Lớp bê tông bản mặt cầu dày 70mm, trọng lượng riêng:  22.5 10 6N mm/ 3

+ Lớp phòng nước: Sử dụng loại chống thấm dạng dung dịch gốc Sodium Silicát biến

tính sinh hóa Thi công theo phương pháp phun thẩm thấu, không tạo màng phủ bên trên bề mặt bêtông bản mặt cầu (tiêu chuẩn 5m2/lít).Trước khi thi công lớp chống thấm cần phải làm sạch bề mặt bản mặt cầu Sau khi thi công lớp chống thấm cần phải phun nhẹ nước bảo dưỡng lên toàn bộ bề mặt được chống thấm (toàn bộ bề rộng phần

Hình 3.5 Đường ảnh hưởng dầm biên theo phương pháp đòn bẫy

0.174

3000 2

SE

LANE SE

m mg

SE

Từ kết quả tính cho dầm 2 và dầm 3, chọn dầm số 3 là dầm đại diện cho các dầm trong

vì có hệ số phân bố ngang lớn hơn, kết quả nội lực sẽ lớn hơn

3

4300

g SI

Dầm chủ làm bằng thép có E B 200000 MPa

200000,110.91 7.11

g : Hệ số phân bố lực cắt cho dầm trong trường hợp xếp >1 làn xe trên cầu

3.2.2.2.2 Dầm Biên Do de=-750 nên không thỏa phương pháp dầm đơn.

 

  Khi tính mặt cắt ở giữa nhịp giản đơn ta có:

Khoảng cách liên kết ngang là: Lb=3000 mm

S I a

B

Như phân tích ở trên, phương pháp dầm đơn đã sử dụng để tính hệ số phân bố ngang

cho hoạt tải HL93 (gồm xe và làn), nên ở đây tính thêm cho tải trọng HL93 chỉ mang

tính tham khảo

3.2.2.3.2 Dầm Biên

Ta có đường ảnh hưởng cho dầm biên:

1 1

2

1 1

2

1 12

1 1'

2

i i i i

a a y

a a y

Hình 3.9 Đường ảnh hưởng dầm biên theo pp nén lệch tâm

+Khi xếp 1 làn xe trên cầu:

+Hoạt tải người:

+Khi xếp 2 làn xe trên cầu:

Hoạt tải người:

Dầm biên: Momen: mgS = 0.497

Lực cắt: mgS = 0.497 (Những hệ số in đậm trong bảng là có sử dụng khi tính nội lực, còn các hệ số còn lạichỉ mang tính tham khảo)

3.2.2.4 Tĩnh Tải Tác Dụng Toàn Cầu

DC1= 5.02 (N/mm)

DC2= 68.25 (N/mm)

DC3= 11.47(N/mm)DW= 14.175 (N/mm)

3.3 NỘI LỰC – TỔ HỢP NỘI LỰC THEO CÁC TTGH

3.3.1 Kiểm tra dầm chủ tại các mặt cắt

Tại mặt cắt gối (I-I): cách gối một khoảng L = 0(Vu)

Tại mặt cắt mối nối (II-II): cách gối một khoảng L2 = 8700 mm(Ms,Vs)

Tại mặt cắt liên kết ngang gần mặt cắt giữa dầm (III-III): cách gối một khoảng

L3 = 10700 mm(Mu)

Tại mặt cắt giữa dầm (IV-IV): cách gối một khoảng L4 = 13700mm(Mu,Ms,Mmỏi)

3.3.1.1 Mặt cắt I-I

Hình 3.11 Đ.a.h lực cắt V

Diện tích đường ảnh hưởng:

0137000

M V V

3.3.1.5 Các mặt cắt tính toán neo theo TTGH Mỏi

Thiết kế neo chống cắt, dự định bố trí neo không đổi trong khoảng 3m Vậy cần tínhbiên độ lực cắt mỏi VSR ở các mặt cắt sau :

Tại mặt cắt gối cách gối một khoảng: L0 = 0

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L1 = 1700mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L2 = 4700 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L3 = 7700 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L4 = 10700 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L5 = 13700 mm

Hệ số phân bố ngang của dầm giữa (0.636) lớn hơn của dầm biên (0.497) nên biên độlực cắt được tính và thiết kế cho dầm giữa, rồi sử dụng kết quả để thiết kế cho dầmbiên vì dầm biên chịu tải ít hơn

3.3.1.5.1 Tại L1=0

Xếp tải tính V:

1 1 2 2 3 3

0

1.20.75 (1 0.15)1

19

97402500029333

2

.3716

   ( ) 211250 211250

    '( ) 422500 211250

211250        '( ) 0

422500211250

1 1 2 2 3 3

1.20.497

0.75 (1 0.1354428604

5) 9921892501.2

1 1 2 2 3 3

1.20.419

0.75 (1 0.15) 9921892501.2

(chưa nhân hệ số)

hợp 2: Tĩnh tải + Xe tải 2 trục + tải trọng làn + tải trọng người đi bộ.

Ta thấy tải trọng xe 3 trục gây bất lợi hơn xe 2 trục nên ta dùng tổ hợp 1 để tính toánnội lực cho dầm

Trong đó:

η : Hệ số điều chỉnh tải trọng.h=1.05x1.05 x0.95 =1.047

3tr

 Hệ số tải trọng hoạt tải xe tải 3 trục

2truc: Hệ số tải trọng hoạt tải xe tải 2 trục

lan: hệ sốtải trọng hoạt tải làn

3.3.2.3 Tổng hợp nội lực theo các trạng thái giới hạn:

Để kiểm toán cầu dầm thép và các bộ phận, cần phải xét các tổ hợp tải trọng sau:

Bảng 3.6 Bảng tổng hợp MOMEN do hoạt tải và do tĩnh tải ở TTGH CĐ1(N.mm)

 Tổ hợp tải trọng tác dụng ở giai đoạn 2 – (Mặt cắt dầm thép liên hợp)

Bảng 3.9 Bảng tổng hợp LỰC CẮT do hoạt tải và do tĩnh tải ở TTGH CĐ1(N.mm)

m g

Mỏi bản bụng dầm(uốn và cắt):

DC1+DC2+DC3+DW+2x0.75x(LL+IM) :Momen giữa dầm và lực cắt đầu dầm

Mặt cắt cách gối

một khoảng(mm) 0 1700 4700 7700 10700 13700 11924Neo Vsr 60,477.90 57,853.0 53,289.3 48,733.70 46,223.70 45,493.50 -

một khoảng(mm) 0 1700 4700 7700 10700 13700 11924Neo Vsr 77,392.30 74,033.2 68,193.1 62,363.40 59,151.40 58,217.00 -

-3.4 KIỂM TOÁN CÁC ĐIỀU KIỆN CẤU TẠO DẦM THÉP

3.4.1 Kiểm tra tỉ lệ cấu tạo chung

Trong đó:

E = 200000 MPa : môdun đàn hồi của thép

DC: chiều cao của bản bụng chịu nén trong phạm vi đàn hồi

,   – 668.24 – 20 648.24

s t

fc: ứng suất ở trọng tâm bản cánh chịu nén do lực tính toán

Ứng suất thớ trên dầm thép(dầm biên)

Thoả mãn điều kiện

3.4.3 Kiểm tra yêu cầu bốc xếp

Để đảm bảo chống mất ổn định của bụng dưới tác dụng của trọng lượng bản thân dầmkhi gia công và lắp ráp thì khoảng cách của các sườn tăng cường phải thỏa mãn điềukiện:

2 0

260/ tw

Thỏa mãn điều kiện.

3.5 KIỂM TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC Ở GIAI ĐOẠN 1

3.5.1 Tính toán các tham số kiểm toán

3.5.1.1 Momen dẻo Mp

3.5.1.1.1 Xác định lực hoá dẻo trên tiết diện dầm không liên hợp

Hình 3.25 Lực dẻo tác dụng trên tiết diện dầm không liên hợp

Giả thiết không xảy ra mất ổn định cục bộ và tổng thể do đó có thể xuất hiện các lựcdẻo Giá trị lực hoá dẻo trong từng bộ phận của cấu kiện được xác định theo công thứcsau:

Lực dẻo trong bản phủ cánh dưới dầm:

Vị trí trục trung hoà dẻo được xác định trên cơ sở cân bằng lực dẻo chịu kéo với lựcdẻo chịu nén:

 Trục trung hoà PDA sẽ đi qua bản bụng dầm thép

Đặt khoảng cách từ mép trên bản bụng đến trục trung hoà dẻo là Y ta có:

Phần lực dẻo chịu nén trong bản bụng dầm được xác định theo công thức:

w nen

P Y P

3.5.1.2 Momen chảy My

Ở giai đoạn này, chỉ có tiết diện dầm thép (NC) làm việc, và chịu tải trọng DC1

và DC2 Vì trục trung hòa của tiết diện chưa liên hợp gần với biên dưới dầm théphơn, nên biên trên sẽ đạt ứng suất chảy trước biên dưới Momen chảy My được tínhnhư sau :

Trước hết, bản bụng được xem là “đặc chắc” khi thõa các điều kiện:

-Cường độ chảy nhỏ nhất của bản cánh nén: F yc 250 485 MPa.

-Tỷ lệ bản cánh nén phải thỏa mãn:

0.3222333333

(thõa)109

Ta kiểm tra tiếp tục với tiết diện không chắc (không có sườn tăng cường dọc):

Thỏa mãn đối với tiết diện không đặc chắc.

3.5.2.2 Kiểm tra độ mảnh của bản cánh chịu nén không đặc chắc:

- Cánh nén được xem là “không đặc chắc” khi thỏa mãn điều kiện

0.562

Thỏa mãn điều kiện tiết diện không đặc chắc.

3.5.2.3 Kiểm tra giằng bản cánh chịu nén có mặt cắt không đặc chắc:

Kiểm tra giằng bản cánh chịu nén có mặt cắt không chắc theo công thức sau:

Lb = 3000 mm: Chiều dài không giằng

r't: Bán kính quán tính có hiệu ổn định xoắn ngang

fc fc

b

mm D

E = 200,000 MPa: Modul đàn hồi của thép.

Fyc = 250 MPa: Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất của bản cánh chịu nén

Thỏa mãn điều kiện tiết diện không chắc

Kết hợp 3 điều kiện, kết luận tiết diện dầm là không đặc chắc.

3.5.3 Kiểm tra sức kháng uốn của dầm không liên hợp

- Bản cánh chịu nén có giằng gián đoạn:

13

f  f  F

- Bản cánh chịu kéo có giằng gián đoạn:

13

f  f  F

Bản cánh chịu kéo được giằng gián đoạn:

Kiểm tra giới hạn chảy danh định của bản cánh chịu kéo:

Tính ứng suất trong bản cánh f : bu

+Sử dụng tổ hợp nội lực ở khoang có trạng thái giới hạn cường độ 1 lớn nhất

+Tải trọng được tổ hợp ở giai đoạn thi công chỉ bao gồm tĩnh tải DC1 và DC2 và tảitrọng thi công

- Tính ứng suất uốn ngang f:

Ứng suất uốn ngang của bản cánh chịu nén theo phân tích bậc 2 (Do xét kết cấu làm việc đến trạng thái tới hạn nên về nguyên tắc, việc phân tích phải xét đến ứng xử phi tuyến tính của kết cấu)

cr

F Ứng suất ổn định xoắn ngang đàn hồi trong bản cánh

2 2

b b cr

b t

F

L r

=> :r Bán kính quán tính có hiệu chịu ổn định xoắn ngang t

f Ứng suất không xét đến uốn ngang ở điểm giữa của đoạn bản cánh giữa 2 điểm

có giằng của bản cánh đang xét, phải tính với tải trọng tính toán và lấy dấu dương khi nén và dấu âm khi kéo

* Tính toán các loại ứng suất:

s t NC

s NC

s NC

00

83 3

b b cr

b t

F

L r

b b cr

b t

F

L r

2

83 3

b b cr

b t

F

L r

2

83 3

b b cr

b t

F

L r

 

 0.972 2,156,408,96

1,547

5.6311,114,520.0412

1,547

.6317,202,072.6212

1,547

5.1411,114,520

F Sức kháng ổn định uốn danh định của bản bụng (MPa), Điều 10.1.9

- Đối với bản bụng không có sườn tăng cứng dọc, ta có:

D t

   

126.42 0.926 127.35 1 1 250 250

3.5.4 Kiểm toán sức kháng cắt (Điều 10.3.3 TCVN 11823 – 6:2017)

- Trong tất cả các giai đoạn thi công, sức kháng cắt của bản bụng phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

Ek F

o

k

d D

( )320,170.61 2,262,00 ( )0

3.6 KIỂM TOÁN DẦM THÉP LIÊN HỢP THEO CÁC TTGH

3.6.1 Tính toán các tham số kiểm toán

3.6.1.1 Momen dẻo , Momen chảy

3.6.1.1.1Momen dẻo Mp

a/ Dầm biên (B e =1950)

Xác định lực dẻo trên tiết diện:

Hình 3.26 Lực dẻo tác dụng trên tiết diện dầm biên

Để đơn giản tính toán ta quy đổi phần vút bê tông từ tiết diện hình thang sang tiết diệnhình chữ nhật tương đương (theo nguyên tắc có cùng thể tích):

Chiều cao vút bằng chiều cao quy đổi: hv = th = 100 mm

b b

mmGiả thiết không xảy ra mất ổn định cục bộ và tổng thể do đó có thể xuất hiện các lựcdẻo Giá trị lực hoá dẻo trong từng bộ phận của cấu kiện được xác định theo công thứcsau (lưu ý bỏ qua phần bê tông nằm trong vùng kéo):

Lực dẻo trong cánh trên dầm:

nrb = 10: số thanh thép dọc (lưới dưới) nằm trong phần tiết diện bản tính toán

Arb = 153.94 mm2 : diện tích mặt cắt ngang 1 thanh thép Ф14

Cường độ chảy của vật liệu thép bản mặt cầu: Fy = 280 MPa

* Xác định vị trí trục trung hoà dẻo (PDA)

Vị trí trục trung hoà dẻo được xác định trên cơ sở cân bằng lực dẻo chịu kéo với lựcdẻo chịu nén:

 Trục trung hoà PDA sẽ đi qua lớp bê tông bảo vệ phía dưới của bản mặt cầu (abv)

- Đặt khoảng cách từ trục trung hoà dẻo PDA đến mép trên bản bê tông là Y, ta có:+ Phần lực dẻo chịu nén trong bản bản bê tông được xác định theo công thức: