ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ CẦU THÉP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ CẦU THÉPĐồ án thiết kế cầu thép cho các bạn tham khảo trong quá trình học cũng như làm đồ án tốt nghiệp, một tài liệu hữu ích cho các bạn học sinh, sinh viên các trường giao thông nghiên cứu và học tập

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCM

KHOA CÔNG TRÌNH

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ CẦU THÉP

TP Hồ Chí Minh 01 - 2011

Ch ươ ng I GIỚI THIỆU CHUNGCác số liệu thiết kế:

- Loại dầm thép liên hợp có tiết diện chữ I

- Số sườn tăng cường đứng (một dầm): 42 Trong đó có 8 sườn tăng cườngtại gối

- Khoảng cách các sườn tăng cường: 2440 mm Khoảng cách giữa các sườntại gối là 150 mm Khoảng cách giữa sườn tăng cường tại gối với sườntrung gian là 1145 mm

- Số liên kết ngang (giữa 2 dầm): 11

- Khoảng cách 2 trụ lan can: 2 m

Phương pháp thiết kế:

- Bản mặt cầu tính theo bản hẫng và làm việc theo phương ngang cầu

- Dầm chính: Tính như dầm giản đơn Tiết diện dầm thép liên hợp, khoảngcách - giữa các dầm là 1900 mm

Vật liệu dùng trong thi công:

- Thanh và cột lan can (phần thép): Thép CT3

+

=y

+ Bêtông:

' c

- Dầm chính, sườn tăng cường, liên kết ngang

+ Thép tấm M270M cấp 345: y

Hình 2.1: Sơ đồ tải trọng tác dụng lên thanh lan can

Để bảo đảm an toàn, lan can phải được thiết kế với tải trọng va đập của xe cộ Trị số tải trọng phụ thuộc vào cấp lan can

Thông số thiết kế lan can:

+ Chiều cao tường bêtông: Hw = 800 mm

I.Điều kiện kiểm toán:

Lan can thiết kế phải thoải mãn điều kiện sau:

t e

R: Tổng sức kháng cực hạn của hệ lan can

Ft: Lực va ngang của xe vào lan can

Y: Chiều cao từ mặt cầu đến điểm đặt của lực tác dụng ngang Ft

(mm)

He: Chiều cao từ mặt cầu đến tổng hợp các sức kháng ngang của các thanh lan can (mm)

II Xác định các số liệu thiết kế:

II.1 Xác định lực va ngang của xe Ft:

Cầu được thiết kế cho đường cao tốc với tổ hợp các xe tải và các xe nặng:

Theo bảng A13.7.3.3-1 QT 22TCN 272-05: Cấp lan can là cấp L-3 có

kN F

e

t

810240

II.2 Xác định tổng sức kháng cực hạn của hệ lan can:

Sức kháng của hệ lan can là tổng hợp sức kháng của tường chắn, cột vàdầm lan can

II.2.1 Sức kháng của tường chắn:

Sức kháng của tường chắn có thể được xác định bằng phương pháp đường chảy như sau:

2.2

Trong đó:

Rw: Tổng sức kháng của hệ lan can (N)

Lc: Chiều dài tới hạn của kiểu phá hoại theo đường chảy (mm)

Lt: Chiều dài phân bố của lực va theo hướng dọc Ft (mm), điều 13.7.3.3-1

Mb: Sức kháng uốn phụ thêm của dầm cộng thêm với Mw tại đỉnh tường (Nmm) Do lan can không có tường đỉnh nên Mb = 0

Chiều dài tường giới hạn trên đó xảy ra cơ cấu đường chảy:

Đường kính thanh cốt thép dọc: ddoc = 14 mm

Bước thanh cốt đai: 200 mm

Bảng thông số hình học lan can:

Bài toán xác định khả năng chịu lực của tiết diện đặt cốt đơn.

Ta chia tường thành 3 phần có chiều cao lần lượt là b1, b2, b3 như hình vẽ

h

Xét phần 1 của tường:

Các giá trị tính toán:

Chiều cao trụ bêtông (chính là chiều rộng b tính toán trong phương pháp tính cốt đơn): b = b1 =400 mm

Chiều rộng trụ bêtông ( chính là chiều cao h tính toán trong phương pháp tính cốt đơn):h = A = 300 mm

d

mm b

f

f A a

c

y s

45.8400.30.85,0

280.88,307

.85,0

05 , 0 85 , 0 ) 28 (

7

05 , 0 85 ,

a h

107 , 10 836 , 0

45 , 8

107 ,

Suy ra:

45 , 0

≤

s

c

d C

Nên:

68 , 19378 )

2

45 , 8 254 (

1000

280 88 , 307 9 , 0 ) 2 (

kNmm(Lấy hệ số kháng uốn φ =0,9)

Xét phần 2 của tường:

Xem tường là một hình chữ nhật có bề dày không đổi

mm B

A

2

500 300

B A

Các giá trị tính toán:

d

A =π =π = mm

mm b

f

f A a

c

y

200.30.85,0

280.94,153

.85,0

=

d d

a h

45 , 8

107 ,

Suy ra:

45 , 0

≤

s

c

d C

Neân:

58 , 13568 )

2

45 , 8 354 (

1000

280 94 , 153 9 , 0 ) 2 (

2

94,1534

14.4

f

f A a

c

y s

45.8200.30.85,0

280.94,153

.85,0

a h

45 , 8

107 ,

Suy ra:

45 , 0

≤

s

c

d C

Nên:

82 , 17447 )

2

45 , 8 454 (

1000

280 94 , 153 9 , 0 ) 2 (

kNmmVậy tổng sức kháng uốn dọc của tường chắn:

07 , 50395 82

, 17447 58

, 13568 68

, 19378

3 2 1 3

1

= +

+

= + +

=

i

i w

®o¹n b

DiƯntÝchcètthÐp

As

ChiỊ

u caocãhiƯu d

b f

f A a

c

y s

85,0

.'

H

b M

Xác định sức kháng thép ngang Mc trên một đơn vị chiều đứng

Bài toán xác định khả năng chịu lực của tiết diện đặt cốt đơn

Các giá trị tính toán:

Chiều cao trụ bêtông (chính là chiều rộng b tính toán trong phương pháp tính cốt đơn): b = 1 mm

Chiều rộng trụ bêtông ( chính là chiều cao h tính toán trong phương pháp tính cốt đơn): h = A = 300 mm

Diện tích thép:

2 2

2

77 , 0 4

14 200

1 4

200

f

f A a

c

y s

45.81.30.85,0

280.77,0 85,0

a h

2

14 25

45 , 8

107 ,

Suy ra:

45 , 0

≤

s

c

d C

Nên:

16 , 51 ) 2

45 , 8 268 (

1000

280 77 , 0 9 , 0 ) 2 (

kNmm/mm(Lấy hệ số kháng uốn ϕ=0,90)

Xét phần 2 của tường:

b = 1 mm

Xem tường là một hình chữ nhật có bề dày không đổi

mm B

A

2

500 300

2

77 , 0 4

14 200

1 4

200

f

f A a

c

y s

45.81.30.85,0

280.77,0 85,0

a h

2

14 25

45 , 8

107 ,

Suy ra:

45 , 0

≤

s

c

d C

Neân:

56 , 70 ) 2

45 , 8 368 (

1000

280 77 , 0 9 , 0 ) 2 (

2

77 , 0 4

14 200

1 4

200

f

f A a

c

y

1.30.85,0

280.77,0 85,0

mm d

a h

2

14 25

45 , 8

107 ,

Suy ra:

45 , 0

≤

s

c

d C

Nên:

95 , 89 ) 2

45 , 8 468 (

1000

280 77 , 0 9 , 0 ) 2 (

kNmm/mmVậy tổng sức kháng uốn dọc của tường chắn:

71,65800

200.95,89200.56,70400.16,51

3

1

=+

b M

M

kNmmBảng tổng hợp giá trị Mc:

As

ChiỊ

u caocãhiƯud

b f

f A a

c

y s

85,0

.'

H

b M

H M M H L

L

L

c

w b t

t

71,65

)07,503950

(800.82

10702

1070)

(.822

=

kN H

L M H M M

L L

R

w

c c w

b t

c

800

17,2814.71,6507,50395.8)107017,2814.2(

2

.8.8)2

−

=

Đối với va chạm ở đầu tường hoặc mối nối:

mm M

H M M H L

L L

c

w b t

t

71,65

)07,503950

(8002

10702

1070)

(2

=

kN H

L M H M M L L

R

w

c c w

b t c

800

17,2814.71,6507,50395)

107017,2814.2(

2

)2

−

=

Đây là cầu nằm trên đường cao tốc; không có lề bộ hành cho người đi bộ nên

ta chọn lan can thép kê trên tường chắn

I Thiết kế thanh lan can:

Chọn tiết diện thanh lan can là tiết diện tròn rỗng có:

1. Tải trọng tác dụng lên thanh lan can:

Do không có lề bộ hành nên khi thiết kế lan can ta thiết kế với tải trọng đặc biệt là tải trọng va xe

d D

Sức kháng của dầm và cột lan can:

Chọn đường kính thanh lan can:

Đường kính ngoài: D = 110 mmĐường kính trong: d = 100 mmXét trường hợp xe va vào cột lan can:

Số nhịp tham gia vào đường chảy là chẵn:

p p R

L L n

L n P M R

−

+

=

2

.

(1)Trong đó:

Pp: Sức kháng ngang cực hạn của 1 cột đơn ở độ cao Y

Mặt cắt ngang tại đế cột lan can

5 b'

=

⇔

=

chan n

N n

M L P L

P L

P L P n

dn dR

P P t

P t

P P P

:

64).( 210

2

(2)Chọn kích thước cột:

2

518012

5.130.2 212

.2

2 3

2 ' 3

δδ

B I

= 9.955.106 (mm4)Sức kháng ngang cực hạn của 1 cột đơn ở độ cao Y:

1000.180)

8001050(

10.955,9.260.9,0.2)

(

I f H

H

M P

w R

u w

R

c p

φ

= 103,53 (kN)Momen kháng uốn của thanh lan can:

4 3

4

110

1001

110.1,01

1,

D

d D

.99,1192000.99,119

2 2

2000 2 99 , 119 67 , 9872 16

2

.

L L n

L n P M R

= 142,32 (kN)Số nhịp tham gia vào đường chảy là lẻ (trường hợp xe va vào giữa nhịp lan can):

2 ( ) 64 4

.

2

1

L P M

L P L

L P L

L P L P

P

− +

+

=

<=>

(119,99.2000.1070) (119,99.2000.1070) 64.119,99.2000 9872,67 4.119,99.2000 )(

.1.2

67,9872.16

.2

.)1)(

1(.16

=

t

p p

R

L L n

L P n n M R

= 53,91 (kN)

Trường hợp xe va vào cột lan can thì sức kháng của phần gờ bêtông bị giảm

do phải chịu tải trọng cột và dầm lan can:

Sức kháng của gờ bêtông trong trường hợp này được xác định theo côntg thức:

w

R P w w w

H

H P H R

R' = . − .

Trường hợp xe va vào cột lan can + đầu tường hoặc mối nối:

800

1050 99 , 119 800 29 , 462

.

w

R P w w w

H

H P H R

R

= 326,40 (kN)Trường hợp xe va vào cột lan can + một phần đoạn tường:

800

1050 99 , 119 800 71 , 243

.

w

R P w w w

H

H P H R

R

= 107,81 (kN)Kiểm toán lan can:

TH1: Giữa nhịp lan can + đầu tường hoặc tại mối nối

Sức kháng của hệ lan can:

R

= Rw + RR = 243,71 + 53,91 = 297,62 (kN) > Ft = 240 (kN) => ĐẠT

Chiều cao kháng:

62,297

1050.91,53800.71,243

=

R

H R H R

Y w w R R

= 845,29 (mm) > He = 810 (mm)

=> ĐẠT

TH2: Giữa nhịp lan can + một phần đoạn tường

Sức kháng của hệ lan can:

R

= Rw + RR = 462,29 + 53,91 = 516,21 (kN) > Ft => ĐẠT

Chiều cao kháng:

1050.91,53800.91,462

=

R

H R H R

Y w w R R

= 826,11 (mm) > He => ĐẠTTH3: Cột lan can + đầu tường hoặc tại mối nối

Sức kháng của hệ lan can:

R

= Rw + RR = 326,40 + 142,32 = 468,72 (kN) > Ft => ĐẠT

Chiều cao kháng:

72,468

1050.32,142800.40,326

=

R

H R H R

Y w w R R

= 875,91 (mm) > He => ĐẠTTH4: Cột lan can + một phần đoạn tường

Sức kháng của hệ lan can:

R

= Rw + RR = 107,81 + 142,32 = 250,13 (kN) > Ft => ĐẠT

Chiều cao kháng:

13,250

1050.13,250800.81,107

=

R

H R H R

Y w w R R

> 942,24 (mm) > He => ĐẠTBẢNG TỔNG HỢP KIỂM TOÁN LAN CAN:

Tổ hợp va xe

Sức kháng gờbêtông

Sức kháng cột + dầm

Sức kháng hệ lan can

Chiều cao kháng

Điều kiện kiểm toán

)

1 Giữa nhịp lan can + đầu tường hoặc

3 Cột lan can + đầu tường hoặc tại

II.1 Tính toán liên kết bu lông

II.1.1 Chọn bu lông:

Chọn bu lông đường kính d=20mm được bố trí như hình vẽ

35 35

II.1.2 Sức kéo danh định của bu lông:

Ta tính sức kéo danh định của bu lông theo (6.13.2.10.2-1):

π 2 = π 2

Ml N

n l

=

∑Với M là momen tại mặt cắt nối bu lông đựơc tính như sau:

)8001050.(

54,103)

.

2

6 2

= 51770 (N)

II.1.4 Kiểm toán bu lông :

Nmax = 51770 (N) < Tu = φ.Tn = 0.9.200,55.103 = 180297 (N)

Vậy bu lông thoả mản cường độ

II.2 Tính toán chống cắt cho lan can ngay tại mặt cắt tiếp xúc với bản mặt cầu:

3.Kiểm tra trượt của lan can :

Sự truyền lực của thanh lan can và bản mặt cầu

Giả thuyết Rw Phát triển theo góc nghiêng 1:1 bắt đầu từ Lc lực cắt tại chân tường do va chạm xe cộ VCT trở thành lực kéo T trên 1 đơn vị chiều dài bản hẫng được cho bởi :

H L

R V

T

c

w cT

* 2 +

=

=

VCT : Lực cắt do va chạm xe

Trong 4 trường hợp vừa tính ở trên, ta chọn trường hợp xe xô vào cột lan can + đầu tường hoặc tại mối nối

72,468

R V

T

c cT

= 0,1449 (kN/mm) = 144,9 (N/mm)

Sức kháng cắt danh định Vn của mặt tiếp xúc theo (A 5.8.4.1-1)

Nhưng không vượt quá 0.2*fc’ hoặc 5.5* Acv

Trong đó:

Acv : diện tích tiếp xúc chịu cắt, Acv = 500*1 = 500 ( mm2/mm )

Avf : diện tích cốt thép neo của mặt chịu cắt, Avf = 4.200

14

)

* (

*

P2: Trọng lượng của thanh lan can tay vịn.

P2 = γthep

( ).14

.D2−d2π

=

4

100110 10.85,7

2 2

− π

= 0.129 (N/mm)

P3: Trọng lượng của cột thép

Chiều cao cột lan can: hcot = 340 (mm)

1)

180.5130.5.2.(

10.85,7

thep thep s

= 17,27 (N/mm)

=> Pc = 7,5 + 0,129 + 17,27 = 24,899 (N/mm)

c : hệ số dính kết (A 5.8.4.2), c = 0.52

: hệ số ma sát (A 5.8.4.2), = 0.6*λ

λ = 1 (Bê tông tỉ trọng thông thường)

c, Dùng cho bêtông đổ trên lớp bêtông đã đông cứng được rửa sạch vữa bẩn nhưng không làm nhám mặt

Thỏa điều kiện chống trượt của lan can

II.3 Tính toán chiều dài neo của cốt thép vào trong bản mặt cầu:

Chiều dài neo thép vào bản mặt cầu lấy theo cấu tạo = 30.d (d là đường kính của thép neo)

µ

)

* (

Kết luận: Lan can thoả mãn các yêu cầu chịu lực.

Ch ươ ng III BẢN MẶT CẦUSố liệu tính toán:

- Bản mặt cầu làm việc theo một phương

- Chiều dày bản mặt cầu: hf = 200 mm

- Chọn lớp phủ mặt cầu gồm các lớp sau:

+ Lớp bêtông Ximăng bảo vệ dày 30 mm

+ Lớp phòng nước dày 4 mm

Sơ đồ tính toán bản mặt cầu:

- Bản mặt cầu sẽ được tính toán theo 2 sơ đồ: Bản công-xôl và bản loạidầm Trong đó phần bản loại dầm đơn giản được xây dựng từ sơ đồ dầmliên tục do đó sau khi tính toán dầm đơn giản xong phải nhân với hệ sốkể đến tính liên tục của bản mặt cầu

Hình 3.1: Sơ đồ tính bản mặt cầu.

Sh =1100

Tính nội lực cho bản công-xôl: (bản hẫng):

Hình 3.2: Sơ đồ tính cho bản công-xol.

III.1.1 Tĩnh tải và nội lực do tĩnh tải tác dụng lên bản công-xôl: (bản

hẫng):

III.1.1.1 Tĩnh tải:

Tải trọng tác dụng lên bản có tĩnh tải, ta sẽ xét tĩnh tải tác dụng lên dảibản rộng 1000 mm theo phương dọc cầu:

Lớp bêtông atphan:

g atphan = γ atphan h atphan 1000 = 1,125 (N/mm)

Lớp bêtông ximăng bảo vệ:

Chiều dày: h pn = 4 (mm)

Lớp mui luyện thoát nước:

Vậy trọng lượng lớp phủ mặt cầu:

Trọng lượng bản thân bản mặt cầu:

Trọng lượng của cột lan can trên 1 mét dài cầu:

Trọng lượng của tường chắn trên 1 mét dài cầu:

Tổng trọng lượng của hệ lan can truyền xuống bản mặt cầu:

Tổng trọng lượng của lớp phủ và trọng lượng bản thân bản mặt cầu:

DW + DC =3,61 + 4,8 = 8,41 (N/mm)

III.1.1.2 Nội lực

Do giải bản chính nằm ngang có nhịp không quá 4,6 m nên giải bản ngang được

thiết kế theo trục bánh xe là 145 kN.

Xét ở trạng thái giới hạn cường độ và sử dụng

III.1.2 Hoạt tải và nội lực do hoạt tải tác dụng lên bản công-xôl: (bản

hẫng):

III.1.2.1 Hoạt Tải: Hoạt tải xe 0,5 HL93

Nội lực: Chiều dày lớp phủ:

50 30 4 85

DW atphan btbv pn ml

= 169 (mm) Diện tích tiếp xúc của bánh xe được giả thiết là hình chữ nhật.

Chiều rộng phân bố của tải trọng bánh xe dọc theo nhịp tính toán của bản:

Khoảng cách từ tim gối đến mép vệt bánh xe khi đã phân bố tải trọng xuống lớp phủ về

Tải trọng của một trục bánh xe truyền xuống bản: P = 145000 N.

Suy ra áp lực bánh xe truyền xuống bản:

Sh =1100

848

510 45

300

725

b SW

= 29,645 (N/mm) Trạng thái giới hạn cường độ1:

=

2 )

1.75,

1 93

b l b p IM m

8480,95 1,75.1, 2.(1 0, 25).29,645.848 1100

Tính nội lực cho bản dầm giữa:

III.1.3 Tĩnh tải và nội lực do tĩnh tải tác dụng lên bản dầm:

III.1.3.1 Tĩnh tải:

III.1.3.2 Nội lực: Hoạt tải xe 0,5 HL93

III.1.4 Hoạt tải và nội lực do hoạt tải tác dụng lên bản dầm :

III.1.4.1 Xét trường hợp 1 chỉ có 1 bánh xe:

0,5.145000

P p b

Hệ số làn: m = 1

Áp lực bánh xe truyền xuống bản:

93 '

1

0,5.145000 2048

Vậy trong 2 trường hợp đặt 1 bánh và 2 bánh, ta tìm được giá trị

momen max ở gối và giữa nhịp như sau:

- Trạng thái giới hạn cường độ:

7 1,720.10

- Trạng thái giới hạn sử dụng:

71,094.10

−

(Nmm)

M sgiua = max(M sgiua1 , M sgiua2 ) =

67,783.10

(Nmm)

Thiết kế cốt thép cho bản mặt cầu:

Ta sẽ thiết kế cốt thép tương ứng với các giá trị nội lực ở TTGH cường độ

vừa tính ở trên:

III.1.5 Thiết kế cho bảng hẫng:

Bài toán đặt cốt đơn, xét trên 1 mét dài theo phương dọc cầu.

Dữ liệu thiết kế:

a c

β

= 20,783

20, 738 150

≤

s

d c

(thép thoả mãn hàm lượng thép tối đa)

'

280

c s

y

f a b A

'

y

c s

f

f h b A

Thép ở dưới bản bố trí theo cấu tạo (kéo thép từ bản trong ra).

III.1.6 Thiết kế cho bản giữa:

III.6.1.1 Thiết kế thép trên gối:

Bài toán đặt cốt đơn, xét trên 1 mét dài theo phương dọc cầu.

Dữ liệu thiết kế:b = 1000 mm, h = 200 mm, Lớp bảo vệ: a = 50 (mm)

a c

β

= 6,079 (mm),

6,079 150

≤

s

d c

y

f a b A

'

y

c s

f

f h b A

6π d2 = π 2

III.6.1.2.Thiết kế thép cho giữa nhịp:

Không xét đến cốt thép chịu nén.

Số liệu thiết kế:b = 1000 mm, h = 200 mm, Lớp bảo vệ: a = 25 (mm)

a c

β

= 3,674,

3,674 175

≤

s

d c

y

f a b A

'

y

c s

f

f h b A

6π d2 = π 2

Kiểm tra nứt cho bản mặt cầu:

Ta sẽ kiểm tra nứt của bản mặt cầu bằng trạng thái giới hạn sử dụng

III.6.1.Kiểm tra nứt với mômen âm cho bảng hẫng:

Đối với gối (momen âm):

6 3

max =11,022 .f d A.10−

a n β s c

(mm) Trong đó:

nhất và không vượt quá 50 mm

d c = 50 + 2

16 50

043,0

.043,

= 6,793

c

s

E E

n=

III.6.2.Kiểm tra nứt với cho bản trong:

a Đối với gối (momen âm):

6 3

max =11,022 .f d A.10−

a n β s c

(mm) Trong đó:

nhất và không vượt quá 50 mm

2

16 50

d

→

043,0

.043,

n=

A d

b Đối với momen âm dương:

6 3

max =11,022 .f d A.10−

a n β s c

(mm) Trong đó:

14 50

A d

Z f

c sa

Do đó ta dùng

→

Ch ươ ng IV DẦM CHÍNHKích thước cơ bản của dầm chính:

IV.1.1 Phần dầm thép:

kim thấp cường độ cao (hình 4.1)

- Chiều rộng cánh dưới dầm: bf =350 mm

' f

b 450 mm

- Bề dày bản phủ:

' f

IV.1.2 Phần bản bê tông cốt thép:

' c

- Chiều cao đoạn vút bê tông: th =100 mm

- Góc nghiêng phần vút:

0

45

Hình 4.1: kích thước dầm