giáo trình tài liệu môn cầu thép

Trong mỗi trạng thái giới hạn TTGH, mỗi cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiện trong đó: ∑   Q-40i i i quan trọng trong khai thác của cầu; xác trong phân tích và xác suất xảy ra

1.1 Nguyên lý thiết kế

Chương I

MỞ ĐẦU

1

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 bộphận 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

trong đó:

∑   Q-40i i i

quan trọng trong khai thác của cầu;

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;

kết cấu hay liên kết do tải trọng sinh ra;

liên kết Sức kháng danh định được xác định theo kích thước, ứng suất cho phép, biến dạng hoặc cường độ của vật liệu;

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 vềtải trọng thông qua trong quá trình hiệu chỉnh;

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

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:

- 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 bêtông cốt thép dự ứng lực, sự chảy dẻo của kết cấu thép và sự trượt của các liênkết 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

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

- Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

ηD≥ 0,95 cho các cấu kiện hoặc liên kết có biện pháp tăng thêm tính dẻo

1.3.2 Hệ số dư

3

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 làcác 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 bịsụp đổ, dầm chỉ được xem là mất khả năng làm việc khi đồng thời xuất hiện cảhai 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

hơn ở bộ phận có tính dư Quy trình quy định như sau:

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

- Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

1.4 Hệ số sức kháng của kết cấu thép

1.4.1 Đối với trạng thái giới hạn cường độ

Bảng 1-1 Hệ số sức kháng

Hạng mục 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

Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu hoàn toàn:

- Cắt trên diện tích hữu hiệu

√ 1,00 1,00 0,90 0,80 0,95

1,00 0,80 0,85 0,80 0,80

0,85

- 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

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

1.4.2 Đối với các trạng thái giới hạn đặc biệt

5

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

Bảng 1-2 Hệ số tải trọng của các tải trọng thường xuyên

Hệ số tải trọng Loại tải trọng

DC: Cấu kiện và thiết bị phụ

DD: Kéo xuống (ma sát âm)

1,50 0,90 1,35 0,90 1,00 1,00

1,35 Không áp dụng 1,35 1,00

1,30 0,90 1,35 0,90 1,95 0,90 1,50 0,90 1,50 0,75

1 , 2 5

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

Với cầu vượt sông khi kiểm tra các hiệu ứng tải: động đất, lực va xe, lực vatầu 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

Tổ hợp tải

DC

DD DW

LL

IM

Cùng một lúc chỉ dùng một trong các tải trọng trọng

IM Tác dụng xung kích của xe

LS Hoạt tải chất thêm

CELực ly tâm

CT Lực va xe

LL Hoạt tải xe

PLTải trọng người đi

TG Chênh lệch nhiệt độ không đều (gradien nhiệt độ)

WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

WL Tải trọng gió lên hoạt tải.

WS Tải trọng gió lên cầu

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

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, phụkiện 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/m 3 ) Hợp kim nhôm

Mặn 1025

Khoảng cách từ trục trước đến trục giữa

Khoảng cách từ trục giữa đến trục sau

Khoảng cách tim hai bánh theo chiều ngang

Khoảng cách từ trục trước đến trụcsau

Khoảng cách tim hai bánh theo chiều ngang

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

trọng người

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

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

9

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

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

- Nền đắp

11

- Rào chắn độc lập chôn trong đất, chịu được va chạm, cao 1370mm, đặt cách bộphận 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 độgiảm

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

Tốc độ gió thiết kế được xác định theo công thức:

V = VBS (1-4)trong đó:

V – tốc độ gió thiết kế (m/s);

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 V B cho các vùng

Vùng tính gió theo TCVN 2737 – 1995

I

II III

Ghi chú của bảng 1-8: Khi tính gió trong quá trình lắp ráp có thể nhân tốc độ

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

Bảng 1-9 Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió theo địa hình và cao độ

Khu vực có rừng hay có nhà cửa với cây, nhà cao tối đa khoảng 10m

1,00 1,06 1,10 1,13 1,16

Khu vực có nhà cửa với đa số nhà cao trên 10m

0,81 0,89 0,94 0,98 1,01

b Tải trọng gió tác dụng lên cầu:

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

0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2 6 10 14 18 22

Tỷ số b/d

26 14 30

Hình 1- 5 Hệ số cản C d dùng cho kết cấu phần trên có mặt hứng gió đặc

hướng gió, trong trạng thái không có hoạt tải tác dụng với các điều kiện sau:

+ 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 tácdụng lên từng phần bao gồm cả lan can đầu gió và lan can cuối gió khi xem nhưlan can này không ảnh hưởng gì đến lan can kia Khi số lan can lớn hơn hai chỉxét 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

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

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:

Tải trọng gió tổng cộng được tính theo tải trọng gió lên từng phần với hệ số

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

15tương 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

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

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 vềbài 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

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

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

17Các 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

Bê tông đúc tại chỗ

Bê tông đúc tại chỗ, đúc sẵn

(a)

(b)

(c)

1.7.1.2 Xác đị nh 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 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

1-Ghi chú của bảng 1-11:

S – khoảng cách giữa các dầm (mm)

L – chiều dài nhịp (mm)

NL – số làn xe thiết kế

g – hệ số phân bố

e – hệ số hiệu chỉnh

d – chiều cao dầm chủ hoặc dầm dọc phụ (mm)

D – chiều rộng phân bố trên một làn (mm)

−1 63 S

  S

− 1 5 0

g



− 1 5 0 K

95

-g -95  S 

Một làn chịu tải S/2300 nếu t g < 100 mm S/3050 nếu t g ≥ 100 mm

Số làn chịu tải ≥ 2 S/2400 nếu t g < 100 mm S/3050 nếu t g ≥ 100 mm

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

Bảng 1-11 Hệ số phân bố tải trọng theo làn (tiếp theo trang trước)

Nội

Loại kết Hệ số điều chỉnh Phạm vi lực,

dầm cấu Hệ số phân bố tải trọng

Một làn chịu tải

độ chéo

1 − C (tg  ) 1 ,5

áp dụng -300 ≤ d e ≤ 1700

2800

 Lt

s  L 

Nếu  < 30 0 , C 1 =0,0 biên

Số làn chịu tải bất kỳ đều tính theo nguyên tắc đòn bẩy

Số làn chịu tải bất kỳ đều tính theo nguyên tắc đòn bẩy

Tính theo nguyên tắc đòn bẩy +  Lt3 

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

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 ởViệt nam

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

M 270M cấp 250

Thép hợp kim thấp cường độ cao

M 270M M 270M cấp 345 cấp 345W

Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt

M 270M cấp 485W

Thép hợp kim tôi

và gia nhiệt cường

độ chảy cao

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

400 450

250

Tất cả các nhóm

345

Tất cả các nhóm

Đối với tất cả các loại thép khi thiết kế đều lấy môđun đàn hồi E = 200000

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

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 trừsườn 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 lỗôvan

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

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

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

- 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

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 trởlên 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 giaovới 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

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 xẻrãnh) 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

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:

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

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 kềkhông được quá 24t Khi bố trí so le khoảng cách so le của hai bulông ở hai

hàng liền kề phải thỏa mãn:

≤ 15t- ( 8

2.2.3.4 Khoảng cách dọc tối đa cho bulông ghép tổ hợp ở đầu cấu kiện

ch ị u 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

Bảng 2-3 Khoảng cách đến mép tối thiểu

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

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

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:

Bảng 2-5 Các trị số của K h

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 K s

Cho các điều kiện bề mặt loại A Cho các điều kiện bề mặt loại B Cho các điều kiện bề mặt loại C

+ Khi đường ren nằm trong mặt phẳng cắt:

0,33 0,50 0,33

trong đó:

Rn= 0,38 Ab Fub Ns(2-6)

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

29Với 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

- 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:

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

đầu và lấy như sau:

Tn = 0,76 Ab Fub(2-11)trong đó:

Ab – diện tích mặt cắt bulông tương ứng với đường kính danh định (mm2);

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:

trong đó:

kế là một xe tải thiết kế có khoảng cách giữa hai trục 145kN không đổi là 9m

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;

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn