Thiết kế kết cấu dầm thép liên hợp với bản BTCT nhịp đơn giản cho đường ôtô

Dầm biên: Bề rộng hữu hiệu của bản cánh có thể đợc lấy bằng 1/2 bề rộng hữu hiệu của dầm giữa cộng trị số min của các đại lợng sau: * 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn n

Thiết kế môn học cầu thép F1

I Nội dung thiết kế:

Thiết kế kết cấu cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT nhịp giản đơn cho đờng ôtô

II Số liệu thiết kế:

1 Hoạt tải tiêu chuẩn: HL93 + Tải trọng ngời đi bộ 300kG/m2

III.Tiêu chuẩn thiết kế:

Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế của Bộ GTVT: 22 TCN 272 – 01

Phần thuyết minh

I Các số liệu của bêtông và thép:

1. Số liệu của bêtông làm bản mặt cầu:

2 Cờng độ nén quy định của bêtông f'c = 35 Mpa

3 Mô đuyn đàn hồi của bêtông Ec = 31798.929 Mpa

2 Thép hợp kim thấp cờng độ cao M270M = Cấp 345W

Sè lîng dÇm ngang theo ph¬ng däc cÇu = 9

tw

Bft tft

Dw

II Xác định chiều rộng có hiệu của bản:

1 Xác định chiều rộng hữu hiệu của bản cánh:

1.1 Dầm giữa:

Chiều rộng hữu hiệu của bản có thể lấy là giá trị min của 3 giá trị

sau:

* 12 lần độ dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất của

bề dày bản bụng dầm hoặc 1/2 bề rộng bản cánh trên của dầm = 2600 mm

*Khoảng cách trung bình giữa các dầm kề nhau = 2000 mmVậy bề rộng hữu hiệu của bản cánh đối với dầm giữa là bi = 2000 mm

1.2 Dầm biên:

Bề rộng hữu hiệu của bản cánh có thể đợc lấy bằng 1/2 bề rộng

hữu hiệu của dầm giữa cộng trị số min của các đại lợng sau:

* 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất giữa

1/2 bề dày bản bụng dầm hoặc 1/4 bề rộng bản cánh trên của dầm

 Đối với tải trọng tạm thời: n = 7

 Đối với tải trọng dài hạn: n = 3x7 = 21

Mômen tĩnh Snct đối với đáy dầm chủ = 44053000 mm3

Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo Yncd = 703.722 mmKhoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu nén Ynct = 896.278 mm

3.2 Mặt cắt liên hợp dài hạn: (n = 21)

c) Công thức tính toán:

 Diện tích mặt cắt liên hợp:

A lt B t ft ft B t fb fb D t w w B t cp cp B t s s

 Mômen tĩnh của mặt cắt đối với mép dới cùng của mặt cắt:

 Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn:

*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT dầm ngang DCdn = 0.077 kN/m

*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT hệ liên kết dọc DClkd = 0.139 kN/mLiên kết dọc dùng thép góc đều cạnh L100x100x10

có:

Trọng lợng trên 1m dài là: 15.1 kG/m

Toàn cầu có số hệ liên kết dọc là: 45

*Tĩnh tải do trọng lợng neo liên kết DCneo = 0.1 kN/m

*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT sờn tăng cờng DCstc = 0.043 kN/mKích thớc sờn tăng cờng 20x300x1640

Vậy tổng tĩnh tải giai đoạn I là DC1 = 11.216 kN/m

1.2. Tĩnh tải giai đoạn II (Tác dụng lên mặt cắt liên hợp):

*Tĩnh tải do lan can cầu:

Trọng lợng phần lan can bêtông = 2.906 kN/m Dầm ngoài DClc = 3.406 kN/m Dầm trong DClc = 0.568 kN/m

*Tĩnh tải do trọng lợng phần lớp phủ trên 1 dầm

Trọng lợng phần lớp phủ 2.888 kN/m Trọng lợng phần lớp phòng nớc 0.007 kN/m

* Tĩnh tải do trọng lợng rải phân cách trên cầu

Bề rộng dải phân cách Bpc = 0 m Chiều cao dải phân cách Hpc = 0 m

Vậy tổng tĩnh tải giai đoạn II là: DC2 = 6.300 kN/m

1.3. Tổng hợp các loại tĩnh tải tác dụng lên dầm:

Loại Dầm trong Dầm ngoài Đơn vịtải trọng

2 Hoạt tải tác dụng lên dầm chủ:

2.1. Các hoạt tải tác dụng gồm:

2.3 Tính hệ số phân bố hoạt tải theo làn:

2.3.1 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với mômen:

a) Đối với dầm trong:

B D

E n E

ED: Môđun đàn hồi của VL bản mặt cầu = 31798.929 MPa

eg: Khoảng cách giữa trọng tâm của dầm và của bản mặt cầu = 996.278 mm

b) Đối với dầm ngoài:

 Một làn chất tải:

Tính hệ số phân bố ngang dùng nguyên tắc đòn bẩy

Xếp tải nh hình vẽ Cự li theo phơng ngang cầu của xe Truck và Tandem đều là 1800mm

Phản lực tại A đợc thiết lập bằng phơng trình cân bằng mômen đối với điểm B:

mm

 ME 1,127*0,560 0,631

momen

mg

2.3.2 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với lực cắt:

a) Đối với dầm trong:

 Một làn xe chất tải:

0,36 0,3620000,623

SI cat

S mg

mm

 Hai hay nhiều làn xe chất tải:

b) Đối với dầm biên:

 Một làn xe chất tải: Dùng nguyên tắc đòn bẩy

Xếp tải nh hình vẽ Cự li theo phơng ngang cầu của xe Truck và Tandem đều là 1800mm.Phản lực tại A đợc thiết lập bằng phơng trình cân bằng mômen đối với điểm B:

e

d e

mm

2.4 Hệ số phân bố ngang đối với ngời đi bộ:

Sử dụng phơng pháp đòn bẩy tính cho cả mômen và lực cắt Coi tải trọng ngời là tải trọngtập trung

 Đối với dầm ngoài: mgpe = 1

 Đối với dầm trong: mgpi = 0

2.5 Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang:

 Đối với mômen:

nhiều làn tính toán của ngời

 Đối với lực cắt:

nhiều làn tính toán của ngời

Tất cả các TTGH khác 25%

2 Nội lực dầm chủ do tĩnh tải gây ra:

a) Bảng tính diện tích đờng ảnh hởng:

Các trị số để tính dt đah Diện tích đah

Nội lực l(m) x(m) l-x ( )

x l x y

l 1



l x y

b) Bảng giá trị mômen và lực cắt do tĩnh tải giai đoạn I:

Nội lực DC1 Diện tích TTGH cờng độ I TTGH sử dụng

(m2) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

c) Bảng giá trị mômen và lực cắt do tĩnh tải giai đoạn II gây ra:

Nội lực Diện tích TTGH cờng độ I TTGH sử dụng

(m2) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

d) Bảng tổng hợp nội lực do tĩnh tải gây ra:

Nội lực Diện tích TTGH cờng độ I TTGH sử dụng

(m2) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

3 Nội lực dầm chủ do hoạt tải gây ra:

3.1 Mômen do hoạt tải gây ra:

a) Do hoạt tải HL-93 gây ra:

 Tải trọng của bánh xe và khoảng cách của chúng (xem hình vẽ)

 Cách xếp xe lên đờng ảnh hởng (ĐAH): Xếp xe sao cho hợp lực của các trục bánh xe

và trục bánh xe gần nhất cách đều tung độ lớn nhất của ĐAH

 Gọi x là khoảng cách từ điểm có tung độ lớn nhất của ĐAH đến trục bánh xe thứ hai

 Trờng hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 4300mm:

 Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

 Trờng hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 4300mm:

11m 35 145 145 1859.838

b) Do hoạt tải xe 2 trục gây ra (Tandem):

Khoảng cách giữa 2 bánh xe 2 trục là 1200mm  x = 0,6m

 Công thức tính mômen:

M TandemP y i i

Trong đó:

Pi: Trọng lợng các trục xe

Yi: Tung độ đờng ảnh hởng mômen

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

c) Do tải trọng làn gây ra:

Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

d) Do tải trọng ngời gây ra:

Tải trọng ngời trên cầu ôtô bằng 300kG/m2. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dàidầm

Tải trọng ngời không tính hệ số xung kích

3.2 Lùc c¾t do ho¹t t¶i g©y ra:

a) Do ho¹t t¶i HL93 g©y ra:

 Trêng hîp 2 b¸nh xe cuèi c¸ch nhau 4300mm:

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và lực cắt của dầm chủ:

c) Do tải trọng làn gây ra:

Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

d) Do tải trọng ngời gây ra:

Tải trọng ngời trên cầu ôtô bằng 300kG/m2. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dàidầm

Tải trọng ngời không tính hệ số xung kích

3.3.1. B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ m«men tÝnh to¸n sau khi nh©n hÖ sè:

MÆt c¾t x(m) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

3.3.2. B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ lùc c¾t tÝnh to¸n sau khi nh©n hÖ sè:

MÆt c¾t x(m) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

 Đối với TTGH cờng độ I và TTGH sử dụng:

MLL+IM = mgmomen [ 1,25*max(Mtruck, Mtandem)+ MLane ]+ mgngời *MPeople

QLL+IM = mgcắt [ 1,25*max(Qtruck, Qtandem)+ QLane ]+ mgngời *QPeople

 Đối với TTGH mỏi và đứt gãy:

MLL+IM = mgmomen ( 1,15*max(Mtruck, Mtandem)

QLL+IM = mgcat ( 1,15*max(Qtruck, Qtandem)

b) Bảng tổ hợp mômen tính toán do toàn bộ tải trọng gây ra:

Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

L/4 8.6 5332.852 6076.373 3385.518 4173.458 917.824 713.86311m 11 6263.256 7135.554 3973.736 4893.694 1155.950 899.073L/3 11.467 6409.126 7301.615 4065.958 5006.614 1194.397 928.976L/2 17.2 7270.146 8281.808 4610.310 5673.138 1458.014 1134.011

c) Bảng tổng hợp lực cắt tính toán do toàn bộ tải trọng gây ra:

Lực cắt tính toán TTGHCĐI TTGHSD TTGH mỏi

Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoàiGối 0 947.322 1026.899 636.263 698.198 170.009 132.229L/4 8.6 586.906 623.156 386.420 415.253 119.510 92.95211m 11 489.241 514.296 318.172 338.249 105.417 81.991L/3 11.467 473.483 496.981 307.482 326.364 102.676 79.859L/2 17.2 250.385 249.737 150.985 150.594 69.010 53.674

V Thiết kế và kiểm duyệt dầm chủ:

 Sau khi tính toán nội lực dầm chủ cho dầm trong và dầm biên so sánh ta thấy dầm biênbất lợi hơn nên ta tính toán thiết kế cho dầm biên

 Bảng nội lực sử dụng để tính toán:

 Các dầm có mặt cắt chữ I chịu uốn phải đợc thiết kế theo:

 Sức kháng uốn theo TTGH cờng độ

 Sức kháng cắt theo TTGH cờng độ

 Tính khả thi của kết cấu

 TTGH sử dụng đối với độ võng và độ vồng thiết kế.

 TTGH mỏi và đứt gãy đối với các chi tiết và yêu cầu về mỏi đối với bảnbụng dầm

1 Các giới hạn trong việc xác định kích thớc mặt cắt:

  (Điều 6.10.2.1-1)

Trong đó:

Iy: Mômen quán tính của mặt cắt thép đối với trục thẳng đứng trong mặt phẳng bản bụng

Iyc: Mômen quán tính của bản cánh chịu nén của mặt cắt thép quanh trục thẳng đứngtrong mặt phẳng bản bụng

Dcp: Chiều cao của bản bụng chịu nén tại lúc mômen dẻo

Fyc: Cờng độ chảy dẻo nhỏ nhất đợc qui định của bản cánh chịu nén,

Fyc = 345Mpa

 Xác định Dcp:

Để xác định Dcp phải xác định trục trung hoà dẻo (TTHD) của mặt cắt liên hợp

TTHD của mặt cắt đợc xác định trên cơ sở cân bằng lực dẻo của các thành phần của mặtcắt

Lực dẻo trong thành phần thép của tiết diện ngang là tích số của diện tích bản biên, váchngăn và cốt thép với cờng độ chảy thích hợp

Lực dẻo trong phần bêtông chịu nén của tiết diện xác định trên cơ sở t ơng đơng giữa khốiứng suất hình chữ nhật và khối ứng suất phân bố đền 0,85f’c

Bá qua vïng bªt«ng chÞu kÐo.

2 Xác định sức kháng uốn theo TTGH cờng độ:

a) Mọi mặt cắt dự kiến đạt tới mômen dẻo M P đều phải đợc giằng theo phơng ngang b) Vì theo tính toán ở trên TTHD đi qua vách đứng nên lực dẻo trong vách đứng phải chia ra lực dẻo chịu kéo và lực dẻo chịu nén để có đợc cân bằng:

 Phần bản bụng chịu kéo: dwt = 713.659 mm

c) Tổng mômen của các lực dẻo đối với TTHD chính là mômen dẻo:

P d P d

Trong đó:

D: Chiều cao của bản bụng, D = 1530mm

d) Xác định sức kháng uốn danh định của mặt cắt liên hợp đặc chắc:

 Nếu D pD' M nM p (Điều 6.10.4.2.2a-1)

D: Chiều cao của mặt cắt thép, d = 1600mm

th: Chiều dày của nách bêtông ở phía trên của bản cánh trên, th = 20mm

MD1: Mômen do tải trọng thờng xuyên và có hệ số lên tiết diện thép khi bêtông vẫn cònlàm việc theo mômen kháng uốn của tiết diện không liên hợp SNC.

MD2: Mômen do phần còn lại của tải trọng thờng xuyên có hệ số do mômen kháng uốn củatiết diện liên hợp dài hạn chịu SLT

MAD: Mômen bổ sung do yêu cầu đạt tới giới hạn chảy một trong các biên thép Mômennày do hoạt tải có hệ số và mômen kháng uốn của tiết diện liên hợp ngắn hạn chịu SST

Với Fy = 345MPa: Cờng độ chảy nhỏ nhất của thép

Cuối cùng thay số vào ta đợc bảng tính sau đối với mặt cắt L/2 và L/3:

Đối với mặt cắt L/2: Đối với mặt cắt L/3:

2 Kiểm tra mỏi và đứt gãy với các chi tiết:

a) Mỏi do vách chịu uốn:

Các bản bụng không có gờ tăng cờng dọc phải thoả mãn yêu cầu sau:

Fyw: Cờng độ chảy nhỏ nhất qui định của bản bụng, Fyw = 345MPa

Dc: Chiều cao của bản bụng chịu nén trong phạm vi đàn hồi, tính nh sau:

DC DW LL IM

DC DW LL IM nct ltt stt

6

2959.540*10 20,792MPa1,42.E+08

6

15.934MPa1.E+08

fatigue fatigue

ntt

M f

Phải bố trí các bản bụng của mặt cắt đồng nhất có gờ tăng cờng ngang và có hoặc không

có gờ tăng cờng đứng để thoả mãn:

(kN) (kN) (kN)198.013 108.366 384.254

D: Chiều cao sờn dầm, D = 1530mm

k

d D

Trong đó:

d0: Khoảng cách giữa các gờ tăng cờng, d0 = 1500mm

D: Chiều cao bản bụng, D = 1530mm

Vn: Sức kháng cắt danh định của dầm Đợc xác định nh sau:

a) Sức kháng cắt danh định của các panen bản bụng ở phía trong của các mặt cắt

đặc chắc (trờng hợp mặt cắt thuần nhất và bản bụng đợc tăng cờng):

Nếu: M u 0,5f M p thì  

2 0

0,87 11

n p

C

d D

0,87 11

C

d D

D: Chiều cao bản bụng, D = 1530mm.

d0: Khoảng cách giữa các sờn tăng cờng, d0 = 1500mm

C: Tỉ số của ứng suất oằn cắt với cờng độ chảy cắt, C = 1

4 Thiết kế sờn tăng cờng:

4.1 Thiết kế sờn tăng cờng gối:

 Các phản lực gối và các tải trọng tập trung khác, hoặc ở trạng thái cuối cùng hoặctrong khi thi công phải do sờn tăng cờng ở gối chịu

 Sờn tăng cờng gối phải đợc đặt lên các bản bụng của dầm thép tại vị trí gối

 Sờn tăng cờng gối phải bao gồm một hoặc nhiều thép bản hoặc thép góc đợc liên kếtbằng hàn hoặc bắt bulông vào cả 2 bên của bản bụng

 Sờn tăng cờng phải đợc kéo dài ra toàn bộ chiều cao của bản bụng và càng khít càngtốt với các mép ngoài của bản cánh.

 Chiều rộng phần chìa ra của gờ tăng cờng bt phải thoả mãn:

tp: Chiều dày của phần chìa ra, tp = 18mm

Fys: Cờng độ chảy nhỏ nhất qui định của gờ tăng cờng, Fys = 345MPa

Chọn số cặp tăng cờng n = 1 cặp

 Kiểm tra tỉ số độ mảnh giới hạn:

Đối với các bộ phận liên kết:

Kl 140

Trong đó:

K: Hệ số chiều dài hiệu dụng (điều 4.6.2.5) = 0.75

Chọn chiều dài có hiệu của vách đứng là x = 200 mm

Diện tích chịu nén có hiệu của cột A = 9400 mm2

MMQT đối với trục trung tâm của vách I = 49273333 mm4

l

Trong đó:

s

As: Diện tích mặt cắt ngang của mặt cắt thép, As = 62600mm2

Ac: Tổng diện tích mặt cắt ngang của bêtông, Ac = 400000mm2

Fy: Cờng độ chảy nhỏ nhất qui định của cốt thép dọc, Fy = 345MPa

n: Tỉ số môđun của bêtông, n = 7

C1, C2, C3: Hằng số cột liên hợp Với các thép hình đợc bọc có: C1 = 0,7; C2 = 0,6 và C3 =0,2.

4.2 Thiết kế sờn tăng cờng trung gian:

Chọn sờn tăng cờng trung gian nh sờn tăng cờng ở gối và kiểm toán lại

a) Chiều rộng b t của phần thò ra của gờ tăng cờng phải thoả mãn:

Mômen quán tính của bất kì sờn tăng cờng ngang nào đều phải thoả mãn:

It: Mômen quán tính của gờ tăng cờng quanh mép tiếp xúc với bản bụng đối với các gờ

đơn và quanh trục giữa chiều dày của bản bụng đối với các gờ kép

2 3

tw: Chiều dày bản bụng, tw = 20mm

d0: Khoảng cách giữa các gờ tăng cờng, d0 = 1500mm

Dp: Chiều cao bản bụng đối với các bản bụng không có gờ tăng cờng dọc hoặc chiều caolớn nhất của panen phụ đối với các bản bụng có gờ tăng cờng dọc

As: Tổng diện tích cả đôi gờ tăng cờng, As = 5400mm2

B: Đối với các gờ tăng cờng đơn bằng thép tấm B = 2,4

Các giá trị khác đã giải thích ở trên

Ta có: VP = -7200mm2

 A s5400mm2-7200 mm2 Đạt.

VI Thiết kế neo liên kết:

 Sử dụng neo liên kết là neo đinh chống cắt

 Neo đinh đợc bố trí trên suốt chiều dài nhịp cho cầu liên hợp hệ giản đơn

 Tỉ lệ chiều cao và đờng kính của neo đinh chịu cắt không đợc nhỏ hơn 4

1 Trạng thái giới hạn mỏi:

1.1. Chọn kích thớc neo:

Đờng kính thân neo d = 22 mm

Chiều cao neo h = 150 mm

d: Đờng kính của neo đinh, d = 22mm.

N: số chu kì qui định, tính theo công thức:

n: Số các chu kì phạm vi ứng suất đối với mỗi lợt chạy qua của xe tải, n = 1

(ADTT)SL: ADTT của mỗi làn xe chạy = 5950

  -7.936 Lấy Z19d219*(22)29196

Để xác định số lợng neo chống cắt cần thực hiện những qui định sau:

 Khoảng cách tim của các neo chống cắt không đợc vợt quá 600mm và không đợcnhỏ hơn 6 lần đờng kính đinh 6d = 132mm

 Khoảng cách ngang từ tim đến tim neo không đợc nhỏ hơn 4 lần đờng kính neo 4d

= 88mm

 Khoảng cách tĩnh giữa mép bản cánh trên và mép của neo chống cắt gần nhấtkhông đợc nhỏ hơn 25mm

 Ta chọn số neo chống cắt trong 1 mặt cắt ngang n = 3.

Biên độ lực cắt Vsr đợc tính để tìm sự khác biệt của lực cắt dơng và lực cắt âm tại điểm do

xe tải mỏi gây ra, nhân với hệ số xung kích mỏi (1.15), hệ số phân bố ngang lớn nhất cho

1 làn xe không có hệ số làn xe và nhân hệ số tải trọng cho TTGH mỏi:

Ta có bảng sau:

Gối 3 5.60E+10 9196 170.009 0.000 85.005 42423317.1 428.416L/4 3 5.60E+10 9196 119.510 -13.517 66.514 42423317.1 547.51711m 3 5.60E+10 9196 105.417 -23.809 64.613 42423317.1 563.624L/3 3 5.60E+10 9196 102.676 -25.810 64.243 42423317.1 566.866L/2 3 5.60E+10 9196 69.010 -50.395 59.703 42423317.1 609.979

Vậy chọn bớc của neo theo phơng dọc cầu là p = 200mm

Khoảng cách các neo theo phơng ngang cầu là pn = 110mm

 Số neo cần thiết tính theo TTGH mỏi là:

sc

 : Hệ số sức kháng đối với các neo chống cắt, sc 0.85

Qn: Sức kháng uốn danh định của một neo đinh chịu cắt đợc bọc trong BT

Fu: Cờng độ chịu kéo qui định nhỏ nhất của neo chịu cắt, Fu = 620MPa

Ec: Môđun đàn hồi của bêtông, Ec = 31798.929MPa