ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ CẦU THIẾT KẾ VÀ TÍNH TOÁN CẦU DÀN GIẢN ĐƠN

Chiều dài khoang dàn Chiều dài khoang là khoảng cách giữa hai nút liên tiếp trên đường biên xe chạy và cũng là khoảng cách giữa các dầm ngang, và là khẩu độ tính toán của các dầm dọc.. C

Phương án sơ bộ 1

Cầu dàn Giản đơn

1 Giới thiệu chung về phương án

1.1 Sơ đồ bố trí chung của cầu:

Dựa vào cấp sông, khổ thông thuyền, mặt cắt sông và mặt cắt địa chất của sông, ta

đưa ra phương án cầu dàn giản đơn 3 nhịp với chiều dài các nhịp bố trí như sau:

+ Bảo đảm tĩnh không thông thuyền và thông xe

+ Chiều cao kiến trúc nhỏ đối với cầu dầm chạy trên

+ Đảm bảo độ cứng theo phương đứng của kết cấu nhịp:

f < [f]

+ Đảm bảo mỹ quan và phù hợp với cảnh quan ở khu vực xây cầu

Theo kinh nghiêm thì đối với cầu ô tô, dàn liên tục có chiều cao dàn chủ được chọn theo số liệu sau:

h = (

10

1 : 7

1 )Lchính = (

10

1 : 7

1 )x80 ≈ 11 ữ 8 (m)

Ta chọn chiều cao dàn bằng h = 10 m

1.2.2 Khoảng cách tim hai dàn chủ:

Khoảng cách tim hai dàn chủ của cầu do số làn xe quyết định

Vì cầu có có 2 làn xe chạy nên ta chọn khoảng cách giữa hai tim dàn chủ là 8m + 2*0.8 = 9.6m

Lề người đi bố trí hẫng ngoài dàn để đảm bảo an toàn cho người đi bộ

1.2.3 Chiều dài khoang dàn

Chiều dài khoang là khoảng cách giữa hai nút liên tiếp trên đường biên xe chạy và cũng là khoảng cách giữa các dầm ngang, và là khẩu độ tính toán của các dầm dọc Như vậy chiều dài khoang không những ảnh hưởng đến các thanh trong dàn mà còn ảnh hưởng tới kích thước của dầm dọc và dầm ngang

Đối với dàn tam giác không có thanh đứng thì có thể chọn chiều dài khoang trong khoảng (1.0ữ1.2)*h

Lấy chiều dài khoang d = 10 m

1.2.4 Góc nghiêng của thanh xiên với phương ngang:

Góc nghiêng của thanh xiên dàn không có thanh đứng thanh thanh treo so với phương ngang nằm trong khoảng hợp lí là 300 ữ 700

tgα = 10/5 ⇒ α = 630 nằm trong khoảng hợp lý

1.2.5 Tiết diện các thanh dàn chủ

Các thanh biên trên và biên dưới được chọn có kích thước bằng nhau Các thanh có hình dạng là chữ H được tổ hợp từ các bản thép

Thanh biên dưới 500 500 24 20

1.2.6 Cấu tạo hệ dầm mặt cầu:

Hệ dầm mặt cầu bao gồm dầm dọc và dầm ngang để đỡ mặt cầu và truyền tải trọng từ mặt cầu tới dàn chủ Để đảm bảo cho tải trọng truyền vào các nút dàn chủ, dầm ngang

được bố trí tại các nút dàn còn dầm dọc tựa lên dầm ngang Dầm dọc và dầm ngang phải

được liên kết chắc chắn để tạo thành hệ dầm mặt cầu

Chọn liên kết giữa dầm dọc và dầm ngang là dạng cánh trên dầm dọc và dầm ngang bằng nhau, cánh dưới dầm dọc cao hơn dầm ngang và có vai kê

Dầm dọc và dầm ngang đều chọn thanh mặt cắt chữ I với các kích thước như sau:

Diện tích dầm ngang A=0.03792 m2

Dầm ngang có chiều dài 8.92 m

Tổng số có tất cả 9 dầm ngang

1.3 Mô tả tóm tắt kết cầu phần dưới:

- Hai mố có cấu tạo giống nhau, theo kiểu mố chữ U bằng BTCT, bê tông M300 Thân mố đặt trên móng cọc khoan nhồi kích thước 1500 mm dài 35.0m

- Trụ của dàn đều có cấu tạo giống nhau, là loại trụ thân cột, trụ đặt trên hệ móng cọc bệ cao Các cọc là cọc khoan nhồi có đường kính cọc φ1500 mm Bê tông thân trụ M300

Gối cầu dùng con lăn bằng thép

Lan can trên cầu dùng lan can thép

2 Nội dung tính toán:

2.1 Tĩnh tải của cầu:

Tĩnh tải của cầu gồm trọng lượng bản thân các cấu kiện cầu DC (trọng lượng các thanh dàn chủ, trọng lượng dầm dọc và trọng lượng dầm ngang), và tĩnh tải chất thêm (tĩnh tải phần 2 hay tĩnh tải của bản mặt cầu và các công trình phụ khác)

2.1.1 Trọng lượng bản thân các cấu kiện cầu DC:

Thanh cổng cầu (tiết diện hộp) 500 600 20 24 0.04704

Trọng lượng của từng loại thanh đó được tính trong bảng sau:

Bảng 4.4

A Dung trọng Chiều dài

Trọng l−ợng

Loại thanh

Thanh cổng cầu (tiết diện hộp) 0.04704 78.5 11.18 41.2837

Tổng trọng l−ợng các thanh dàn chủ đ−ợc cho trong bảng sau:

Bảng 4.5

Trọng l−ợng

Số thanh Pthanh,iLoại thanh

Thanh cổng cầu (tiết diện hộp) 41.2837 4 165.1348

Mặt cắt ngang dầm dọc đã cho trong bảng 4.2

Từ đó ta tính đ−ợc trọng l−ợng dầm dọc nh− sau:

974.2799

=

nhip I

l

DC DC

DCI = 34.9996 (KN/m)

2.1.1.4 Trọng lượng hệ liên kết dọc:

Lấy theo qui trình ta có trọng lượng hệ liên kết dọc là 2x1kN/m

2.1.1.5 Trọng lượng phần lề người đi và hệ liên kết:

Lấy bằng 25% trọng lượng dàn chủ tức là:

Glk = 0.25*34.9996 = 8.7499 (KN/m)

2.1.1.6 Tĩnh tải giai đoạn 1 tính cho 1 m dài cầu(cho một dàn chủ):

DC = 22.875 (KN/m)

2.1.1.7 Tĩnh tải phần 2 của cầu:

Tĩnh tải phần 2 gồm có mặt cầu và lớp phủ cùng các thiết bị công trình phụ khác trên cầu sau khi sơ đồ kết cầu đã hoàn chỉnh

2.2.1.1 Tính hệ số phân bố ngang cho dầm dọc:

Tính hệ số phân bố ngang theo nguyên tắc đòn bẩy, vẽ đường ảnh hưởng phản lực gối của dầm ngang (coi dầm ngang kê lên các gối là các dầm dọc) Xếp xe thiết kế trên mặt cắt ngang cầu để xác định tung độ đường ảnh hưởng phản lực gối Tính hệ số phân bố ngang theo công thức:

g – hệ số phân bố ngang của dầm dọc

m- hệ số làn xe, cầu 1 làn xe thì m =1.2; 2 làn m = 1.0 ;

yi – tung độ đường ảnh hưởng tại tại vị trí trục xe thiết kế

- Đối với dầm trong

+ Một làn chịu tải

K1= 0.57

ĐAH phản lực gối trong của dầm ngang (xếp 2 làn)

+ Hai làn chịu tải

Không thể xếp hai làn xe trong trường hợp này nên K2=0

- Đối với dầm giữa:

+ Một làn chịu tải

K1= 0.39

ĐAH phản lực gối giữa của dầm ngang (xếp 1 làn)

+ Hai làn chịu tải

K2 = 0.65

ĐAH phản lực gối giữa của dầm ngang (xếp 2 làn)

- Đối với dầm biên (Theo phương pháp đòn bẩy)

+ Một làn chịu tải:

K1= 0.588

ĐAH phản lực gối biên của dầm ngang

+ Hai làn thiết kế chịu tải:

Kb = e.Kt

Do khoảng cách giữa hai dầm dọc không đủ để bố trí hai làn xe nên trong trường hợp này hệ số phân bố ngang lấy bằng 0 và ta lấy hệ số phân bố ngang của một làn chịu tải để khống chế

- Đối với dầm trong

+ Một làn thiết kế chịu tải

Kt= 0.57

§AH ph¶n lùc gèi trong cña dÇm ngang (xÕp 2 lµn)

+ Hai lµn chÞu t¶i

Kh«ng thÓ xÕp hai lµn xe trong tr−êng hîp nµy nªn K2=0

- §èi víi dÇm gi÷a:

+ Mét lµn chÞu t¶i

K1= 0.39

§AH ph¶n lùc gèi gi÷a cña dÇm ngang (xÕp 1 lµn)

+ Hai làn chịu tải

K2 = 0.65

ĐAH phản lực gối giữa của dầm ngang (xếp 2 làn)

- Đối với dầm biên (Theo phương pháp đòn bẩy)

+ Một làn chịu tải:

K1= 0.588

ĐAH phản lực gối biên của dầm ngang

+ Hai làn thiết kế chịu tải:

Kb = e.Kt

Do khoảng cách giữa hai dầm dọc không đủ để bố trí hai làn xe nên trong trường hợp này hệ số phân bố ngang lấy bằng 0 và ta lấy hệ số phân bố ngang của một làn chịu tải để khống chế

K2= 0

Lấy các giá trị lớn nhất trường hợp thiết kế cho 1 làn chịu tải và thiết kế cho 2 làn chịu tải, ta có :

Hệ số pbn mômen Hệ số pbn lực cắt Dầm

+ Hoạt tải: xe 3 trục thiết kế và tải trọng làn

Dầm dọc thực chất làm việc như dầm liên tục kê trên các gối đàn hồi là các dầm ngang, ở

đây ta tính gần đúng thiên về an toàn, coi dầm dọc là dầm giản đơn kê trên hai gối cứng là các dầm ngang Nhịp tính toán của dầm dọc là khoảng cách giữa hai dầm ngang và bằng chiều dài khoang dàn (bằng 10m) Vẽ đường ảnh huởng và xếp tải trên đường ảnh hưởng của dầm dọc ta tính được sơ bộ mômen tại mặt cắt giữa nhịp dầm (M0.5)

35kn

Mô men và lực cắt không hệ số của dầm trong

Mô men và lực cắt không hệ số của dầm ngoài

+ Tổ hợp tải trọng tác dụng TTGH cường độ I:

U = η(1.25DC + 1.5DW+ 1.75*g(LLtruck+ LLlane+ IM))

Cánh

2.2.1.4 Kiểm toán

2.2.1.4.1 Kiểm tra yêu cầu cấu tạo chung (6.10.2)

Cấu kiện chịu uốn phải đảm bảo yêu cầu sau về cấu tạo:

9.0I

I1.0

- Iy = 112718700 mm4, là mômen quán tính của mặt cắt đối với trục thẳng đứng

trong mặt phẳng của bản bụng

- Iyc = 56250000 mm4, là mômen quán tính của bản cánh chịu nén của mặt cắt

thép quanh trục đứng trong mặt phẳng của bản bụng

I1.0

y

yc

Đạt

Mô men quán tính của dầm dọc đối với trục x là: Ix = 0,0029673 m4

Sức kháng uốn tính toán đối với mô men và ứng suất phải đ−ợc lấy nh− sau:

n f

2.2.1.4.2 Độ mảnh của bản bụng của mặt cắt đặc chắc (6.10.4.1.2)

Điều kiện để bản bụng có mặt cắt đặc chắc:

yc w

cp

F

E3.76t

Dc

= = 0.225 m vì mặt cắt chọn đối xứng

- tw = 0.018 m, là chiều dày của bản bụng

- E = 200000 Mpa, là môđuyn đàn hồi của dầm thép

- F = 345 Mpa, là ứng suất ở bản cánh chịu nén do lực tính toán

3 F

E 3.76 25

018 0

225 0 x 2 t

2D

yc w

f

F

E382.0t

382.0F

E382.0603.0x2

25.0t

2

b

yc f

w

cp

F

E0.75x3.76F

E.3.76t

2D

=ϕ

≤

Vµ

yc yc

f

f

F

E0.75x0.382F

E0.3822t

b

=ϕ

t

2D

yc w

2t

b

yc f

f

§¹t

Giả thiết biên chịu nén đ−ợc liên kết dọc toàn bộ và tiết diện đặc chắc, ta có Mn =Mp

2 2

c c

w

t t

p

t D P

D P t

D P

⎠ +

2.2.2.1 Đặc tr−ng hình học của mặt cắt ngang dầm ngang

Dầm dọc mặt cắt hình chữ I, là mặt cắt tổ hợp hàn

0 0ư

34320

5274600A

S

=

=

∑ ∑

Mômen quán tính của mặt cắt so với trục ngang I = 0.003722136 m4

Mômen quán tính so với trục thẳng đứng I = 0.000214734640 m4

2.2.6.3 Xác định mômen dẻo của mặt cắt dầm

Ta có:

Các bộ phận b, D (m) t (m) Các lực dẻo Cánh tay đòn Cánh trên 0.35 0.03 Pt 3622.5 dt 0.385 Cánh dưới 0.35 0.03 Pb 3622.5 db 0.385 Bản bụng 0.74 0.018 Pw 4595.4 dw 0.185

4.4595d

PdP)YD(YD2

P

b b t t

2 2

2.2.6.4 Tĩnh tải tác dụng từ dầm dọc xuống dầm ngang

Tĩnh tải tác dụng lên dầm ngang thông qua các dầm dọc

- R : Phản lực gối tạo dầm ngang

- q : Tải trọng rải đều tác dụng lên dầm dọc , có lớp phủ: DW và trọng l−ợng bản thân dầm dọc+gờ chắn+bản mặt cầu: DC

- l : Chiều dài lực tác dụng, coi mỗi dầm ngang chịu lực từ 2 đốt dầm dọc hai bên truyền xuống,

l = 2Ldd = 2x10 = 20m

Tĩnh tải tác dụng lên dầm dọc:

Dầm trong:

2.2.6.5 Hoạt tải truyền từ dầm dọc

2.2.6.5.1 Xác định hệ số phân bố ngang của các dầm ngang (4.6.2.2)

+ Để đ−ợc mô men bất lợi nhất ta xếp tải ở chính giữa cầu theo sơ đồ sau :

Xe 2 trục thiết kế

110kn 110kn

145kn

Xe 3 trục thiết kế Hoạt tải làn 9.3kN/m

Xe 3 trục thiết kế

145kn 145kn

1 Ph©n bè ph¶n lùc cho c¸c dÇm däc (tÝnh V)

+ §Ó ®−îc lùc c¾t bÊt lîi nhÊt ta xÕp t¶i lÖch vÒ s¸t mÐp cÇu (c¸ch mÐp cÇu 0.6m)

145kn/2 145kn/2 145kn/2

145kn/2

Ta tính hệ số phân bố ngang theo phương pháp đòn bẩy :

Ta có hệ số phân bố ngang cho từng dầm trong trường hợp xếp tải này này là :

Hệ số làn m = 0.85

η1 = 0.417 η2 = 0.404 η3 = 0.306 η4 = 0.404 η5 = 0.170

2.2.6.6.1.1 Tính các thành phần mômen

Phân bố phản lực cho các dầm dọc (Tính M)

LL+IM: Tải trọng do hoạt tải tiêu chuẩn

Lane: Tải trọng do hoạt tải làn

Yi: Tung độ đường ảnh hưởng mômen do các dầm dọc truyền xuống

Tính M ( mômen do tĩnh tải bản thân ,lớp phủ ,hoạt tải tiêu chuẩn và hoạt tải làn tác dụng lên dần dọc ):

MDW: Mômen do lớp phủ mặt cầu gây ra

MLL+IM: Mômen do hoạt tải tiêu chuẩn gây ra

Mlane: Mômen do tải trọng làn gây ra

Tính V ( Lực cắt do tĩnh tải bản thân ,lớp phủ ,hoạt tải tiêu chuẩn và hoạt tải làn tác dụng lên dần dọc ):

VLL+IM: Lực cắt do hoạt tải tiêu chuẩn

Vlane: Lực cắt do hoạt tải làn

2.2.6.6.1 Do tĩnh tải bản thân

Công thức tính mômen do tải trọng bản thân rải đều

S = ωđahxg (kN/m) Trong đó:

- S : Nội lực trong dầm ngang, là lực cắt hoặc mômen

- ωđah : Là diện tích đường ảnh hưởng mômen hoặc lực cắt

- g : Là tải trọng bản thân dầm dọc

4.5kN/m

4.5kN/m

1 Tính M0.5:

Bảng tổng hợp nội lực dầm ngang có tính dến tĩnh tải bản thân của dầm ngang :

Loại tải trọng M0,5(kNm) Vgối(kN)

DC

1.75V1.5V

1.25V.V

1.75M1.5M

1.25M

M

+

++

+

=

++

=

ηη

Tổ hợp ở trạng thái GHSD:

( DC DW LL IM)

IM LL DW

DC

1V1V

1V.V

1M1M

1M.M

+

+

++

=

++

=ηη

Trong đó:

η= 1.05 là hệ số tải trọng

2.2.6.6.3 Tổng hợp hiệu ứng lực của dầm ngang

Theo trạng thái giới hạn cường độ I

IM LL DW

DC

1.75V1.5V

1.25V.V

1.75M1.5M

1.25M

M

+

+

++

=

++

=ηη

1xV1xV

1xV.V

1xM1xM

1xM.M

+

+

++

=

++

=ηη

2.6.6.7.1 Kiểm tra yêu cầu cấu tạo chung (6.10.2)

Cấu kiện chịu uốn phải đảm bảo yêu cầu sau về cấu tạo:

9.0I

I1.0

y

yc ≤

≤Trong đó:

- Iyc = 238000000 mm4, là mômen quán tính của mặt cắt đối với trục

- Iy = 119000000 mm4, là mômen quán tính của bản cánh chịu nén của mặt cắt thép quanh trục đứng trong mặt phẳng của bản bụng

I1.0

y

yc

Đạt

2.6.6.7.2 Độ mảnh của bản bụng của mặt cắt đặc chắc (6.10.4.1.2)

Điều kiện để bản bụng có mặt cắt đặc chắc

yc w

cp

F

E3.76t

Dc

= = 370m vì mặt cắt chọn đối xứng

- tw = 0.018 m, là chiều dày của bản bụng

- E = 200000 Mpa, là môđuyn đàn hồi của dầm thép

- Fyc = 345 Mpa, là ứng suất ở bản cánh chịu nén do lực tính toán

3 F

E 3.76 111 41 018 0

37 0 x 2 t

2D

yc w

f

F

E382.0t

2b ≤Trong đó:

382.0F

E382.08333.503.0x2

35.0t

2

b

yc f

Bản cánh có mặt cắt đặc chắc

Tên thanh _10_1 Loại tải trọng w (kN/m) Nmax (kN) Nmin (kN)

* Sức kháng kéo tính toán, Pr, phải lấy cái nhỏ hơn trong hai giá trị mà các Phương trình

1 và 2 cho:

Pr = ϕy Pny = ϕy Fy Ag (6.8.2.1-1)

Pr = ϕu Pnu = ϕu Fu An U (6.8.2.1-2) trong đó:

Pny - Sức kháng kéo danh định đối với sự chảy ở trong mặt cắt nguyên (N)

Fy - Cường độ chảy (MPa)

Ag - Diện tích mặt cắt ngang nguyên của bộ phận (mm2)

Pnu - Sức kháng kéo danh định đối với đứt gãy ở trong mặt cắt thực (N)

Fu - Cường độ chịu kéo (MPa)

An - Diện tích thực của bộ phận theo quy định trong Điều 6.8.3 (mm2)

U - Hệ số triết giảm để tính bù cho trễ trượt, 1,0 đối với các thành phần trong đó các tác

dụng lực được truyền tới tất cả các cấu kiện, và theo quy định trong Điều 6.8.2.2 đối với các trường hợp khác

ϕy - Hệ số sức kháng đối với chảy dẻo của các bộ phận chịu kéo theo quy định trong Điều

Pn - Sức kháng nén danh định theo quy định ở các Điều 6.9.4 và 6.9.5 (N)

ϕc = 0.9 - Hệ số sức kháng đối với nén theo quy định trong Điều 6.5.4.2

Tên thanh

Giá trị nội lực Sức kháng Đơn vị Kết luận

3 TÝnh to¸n trô cÇu:

3.1 CÊu t¹o cña trô cÇu:

12600 600

- Phản lực gối do tĩnh tải bản thân kết cấu nhịp (DC + DW) là : 2052.64 (kN)

3.2.3 Hoạt tải xe tác dụng lên kết cấu nhịp:

Vẽ đường ảnh hưởng phản lực gối tại trụ, xếp hoạt tải thiết kế lên vị trí bất lợi nhát trên đường ảnh hưởng ta xác định được phản lực gối do các tải trọng của một dàn ( Trong tính toán sơ bộ chỉ xét đến tải trọng thẳng đứng nên chỉ tính phản lực do 1 dàn, tải trọng thẳng đứng sẽ bằng tổng phản lực gối của hai dàn gây ra.)

s cã hiÖu σ'v

: HÖ sè søc kh¸ng t¹i mòi cäc ( lÊy

Trong đó:

Ncd1, Ncd2, Ncd3, Nsd là lực tẳng đứng tác dụng tại mặt cắt đáy bệ theo các trạng thái giới hạn cường độ 1, cường độ 2, cường độ 3 và trạng thái giới hạn sử

Suy ra:

6921.177

3972.2882052.64

12347.095

*4.1

4.2.1 Hoạt tải xe ô tô LL và tải trọng người đi PL:

Do kết cấu nhịp là dầm giản đơn nên phản lực gối tại mố và trụ như nhau:

V : Thể tích các bộ phận

γ : Trọng lượng riêng của bê tông cốt thép, γc = 24.5 KN/m3

3.3.1 Søc chÞu t¶i cña cäc

Søc chÞu t¶i cña 1 cäc lµ: Qr = 6921.177 kN (Nh− trªn)

9897.193

*4.1

+ Lắp dựng đà giáo, ván khuôn, cốt thép tường thân và đổ bêtông tường thân

+ Lắp dựng đà giáo, ván khuôn, cốt thép tường đỉnh và đổ bêtông tường đỉnh

+ Lắp dựng đà giáo, ván khuôn, cốt thép tường cánh và đổ bêtông tường cánh

+ Dùng máy ủi san mặt bằng kết hợp với ôtô chở đất để làm đắp đảo

+ Định vị tim các cọc khoan nhồi

+ Chuyển bị vật liệu như thép để chuẩn bị đổ bê tông cọc

+ Dùng kết cấu UYKM làm sàn thi công và đà giáo đỡ ván khuôn

+ Lắp dựng ván khuôn và lắp đặt cốt thép cho trụ

+ Tiến hành đổ bêtông thân trụ

+ Hoàn thiện trụ

5.3 Thi công kết cấu nhịp:

Bước 1:

+ Tiến hành lắp kết cấu nhịp trên bờ

+ Làm đường dẫn để lao kéo dọc kết cấu nhịp

Bước 2: