tính toán cầu dẫn

tính toán cầu dẫn

Chương 6

Tính toán cầu dẫn

1 Giới thiệu kết cấu cầu dẫn.

Cầu tàu cảng Cát Lái mở rộng được bố trí 3 cầu dẫn, cầu dẫn số 1 có chiều dài 59.5m và cầu dẫn số 2, 3 có chiều dài 35.5m Bề rộng mỗi cầu dẫn rộng 15m, đoạn tiếp giáp giữa cầu dẫn và cầu chính được mở rộng 20.1m cho cầu 1 và 25.2m cho cầu 2, 3

Bố trí dầm cầu dẫn.

♦ Hệ thống dầm dọc cầu dẫn bao gồm:

 4 dầm dọc DDCD1 kích thước tiết diện 80x100cm

 Dầm xiên DX có kích thước tiết diện 80x100cm

♦ Hệ thống dầm ngang cầu dẫn bao gồm:

 9 dầm ngang DNCD2 cho cầu dẫn số 1 và 5 DNCD2 cho mỗi cầu dẫn 2, 3, kích thước tiết diện 60x80cm

 Phía giáp cầu chính bố trí 1 dầm ngang DNCD1 cho cầu dẫn số 1 và 1 dầm ngang DNCD4 cho mỗi cầu dẫn 2, 3 và phía giáp mố cầu dẫn bố trí 1 dầm ngang DNCD3 cho mỗi cầu dẫn, kích thước tiết diện 80x100cm

 Bê tông sử dụng cho các dầm cầu dẫn mác M#300

♦ Bản mặt cầu dẫn

 Kích thước 1 bản mặt cầu dẫn là 60x15.0m và phần mở rộng 5.1x5.5m dày 35cm Cảng có 3 cầu dẫn 1,2,3 trong đó cầu dẫn 2 và 3 có kết cấu như nhau nên tính toán chung cho cầu dẫn số 1

80x100CM DẦM DỌC CẦU DẪN

DẦM XIÊN CẦU DẪN 60x80CM 80x100CM DẦM NGANG CẦU DẪN

DẦM NGANG CẦU DẪN 80x100CM

2 Tính toán khung dọc.

2.1 Mặt cắt ngang cầu dẫn.

80x100CM DẦM NGANG CD +5.25

6:1

1

3

-20.14 -18.04 -17.34

80x100CM DẦM NGANG CD DÀY 35CM BẢN MẶT CẦU

80x100CM DẦM DỌC CD

D700xT110MM

1

DÀI 35M CỌC BTCT 40x40CM

+2.70 +4.19 2:1 2:1 1:1

CỌC BTCT ƯST DÀI 40M

60x80CM DẦM NGANG CD DÀY 6CM BÊ TÔNG PHỦ

2.2 Sức chịu tải và chiều dài tính toán của cọc BTULT D = 600 mm.

Với kết cấu bến như phương án 1 ta chọn cọc bêtông ứng lực trước có chiều dài là 40m gồm 2 cọc nối nhau,với bước khung ngang là 4.75m,khung dọc là 6.0m.Tính toán sức chịu tải với cọc ở vị trí ngoài cùng vị trí sát cầu chính

2.2.1 Sức chịu tải theo vật liệu.

Sức chịu tải theo vật liệu được cho ở số liệu bên của cọc BTULT D = 600mm là 170T

2.2.2 Sức chịu tải theo đất nền.

Theo tiêu chuẩn về móng cọc TCXD 205 : 1998 – MÓNG CỌC – TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ

Sức chịu tải của cọc được kiểm tra theo sức chịu tải của đất nền Tính cho cọc ngoài cùng, độ sâu cọc cắm vào lớp đất 5a : với cọc BTCTULT có tiết diện d=600

Lớp 1 2 3 4 5a

Sức chịu tải của cọc theo cơ lí của đất nền được tính là sức chịu tải của một cọc

do ma sát và phản lực mũi cọc gây ra:

Sức chịu tải tính toán ( cho phép) của cọc đơn theo đất nền :

Qa =

tc

tc

k

Q

Trong đó :

Ktc: hệ số an toàn lấy ktc = 1,4 ( do sức chịu tải được xác định bằng tính toán , kể cả theo thử động cọc mà không kể đến biến dạng đàn hồi của đất)

Qtc: Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn

Qa: Sức chịu tải cho phép của cọc đơn theo đất nền

♦ Chịu tải nén :

Qtc = m×[mr×Ap×qp + U×Σ(mf×fsi×li )]

Trong đó :

m : Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất , lấy m = 1

mr : Hệ số xét đến mở rộng mũi cọc, lấy mr = 1

mf : Hệ số xét đến ma sát đất với mũi cọc, lấy mf = 1

Ap : Diện tích tiết diện ngang của cọc : Cọc d=60cm : AP =3.14x0.32= 0.283 m 2

U : Chu vi cọc : Cọc d=60cm : u = 3.14x0.6 = 1.88 m

li : Chiều dày lớp đất mà cọc đi qua (m)

qp : Sức chịu tải của đất nền dưới mũi cọc

fsi : Lực ma sát của lớp đất thứ i tác dụng lên cọc

Qtc : Sức chịu tải tiêu chuẩn tính theo đất nền của cọc đơn

Sức chịu tải của mũi cọc qp được tra bảng phụ thuộc vào độ sâu và loại đất:

(TCXD 205 : 1998 – MÓNG CỌC – TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ )

Ta có cọc d=60 cm được thiết kế đóng sâu 20.85 m , mũi cọc cắm vào lớp 5a: 4.9m , là lớp cát bột ,hạt nhỏ- trung, đôi chỗ lẫn ít sỏi sạn laterit , kết cấu chặt vừa- chặt , do đó tra bảng và nội suy tuyến tính, ta được qp = 325 (T/m2)

Tính lực ma sát của lớp đất tác dụng lên cọc:

QS = AS×fS = u×∑fS.li

Xác định fsi :

Lớp 2: Cát bột ,hạt mịn-trung , tra bảng lực ma sát bên và nội suy tuyến tính gần

đúng (TCXD 205 : 1998 – MÓNG CỌC -TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ ) ta được :

Z = 1.125 m  fs21 = 2.38 T/m2

Z = 3.25 m  fs22 = 3.075 T/m2

Lớp 3: sét, với IL=0,29

Z =5.425 m  fs31 = 4.085 T/m2

Z = 7.6 m  fs32 = 4.36 T/m2

Lớp 4: sét cát, với IL=0,5

Z = 10.95 m  fs42 = 2.719 T/m2

Z = 12.95 m  fs43 = 2.759 T/m2

Z = 14.95 m  fs44 = 2.799 T/m2

Lớp 5: Cát lẫn sỏi sạn, hạt nhỏ-trung,

Z = 16.9 m  fs51 = 5.29 T/m2

Z = 18.9 m  fs52 = 5.49 T/m2

∑fsihi=(2.38x2.25+3.075x2)+(4.085x2.35+4.36x2)+(2.66x1.35)+(2.719+2.7 59+2 799)x2+(5.29+5.49)x2 +5.59 = 77.1T

Từ số liệu đó ta thế vào công thức:

Qtc= m×(mr×qp×AP+U×∑mf×fsi×li)

Qtc =325 ×0.283 +1.88× 77.1= 237 T

Sức chịu tải tính toán (cho phép) của cọc đơn theo chỉ tiêu cơ lí của đất nền:

Qa =

tc

tc

k

Q

= 4 1

237 = 169 T

ktc: hệ số an toàn lấy ktc = 1,4

♦ Chịu tải nhổ :

Với cọc có tiết diện ngang d=60cm : mumf.fi.li =1.88× 77.1=144.9 T

Qnh=

4 1

9 144

=103.5T

Sức chịu tải cho phép của cọc :

Qa =

P

P

S

S

FS

Q FS

Q

+

Trong đó :

FSS = 1.5 : Hệ số an toàn cho thành phần ma sát bên

FSP = 2 : Hệ số an toàn cho sức chống mũi cọc

QS : Sức kháng ma sát của đất xung quanh cọc

QS = As × fs

QP : Sức kháng mũi của nền dưới mũi cọc

Qp = Ap × qp Trong đó :

AP : diện tích tiết diện ngang mũi cọc

Cọc d=60cm : Ap =3.14x0.32 = 0.283 m 2

As: diện tích xung quanh cọc :As= Lp × U (m2)

Lp: chiều dài cọc đi qua lớp đất (m)

Lp =32 -6.96 -4.19 =20.85 m

U: chu vi cọc:

Cọc d=60cm : u = 3.14x0.6 = 1.88 m

♦ Thành phần lực ma sát bên :

fs = σ’hitgϕa + Ca

σ’hi :ứng suất hữu hiệu trong đất theo phương vuông góc với mặt bên cọc,

σ’hi = γi’×hi(1-sinϕi).T/m2

fs i = γi’×hi×(1-sinϕi)× tgϕai + Cai

γi’ : trọng lượng đất đẩy nổi của lớp i

hi : bề dày lớp đất thứ i

C : lực dính của đất

ϕ : góc nội ma sát của đất

Cai : lực dính giữa đất và cọc.

ϕai : góc ma sát của cọc và đất

Đối với cọc BTCT ta có :







=

=

ϕ

C Ci

Lực ma sát có các kết quả tính toán được trình bày sau đây:

 Lớp 2: fs2 = (1 ×4.225) × (1-sin240) × tg240+0 = 0.56 T/m2.

 Lớp 3:fs3=(1 ×4.235 +4.25) × (1-sin12055’ ) × tg12055’+3.1= 4.24 T/m2.

 Lớp4:fs4=1.05(7.235+4.35+4.25)x(1-sin16019’)tg16019’+2.84=5.55 T/m2.

 Lớp5:fs5 =1 × ( 42.9 +7.35+4.35+4.25) × (1-sin240) × tg 240+0 = 4.86T/m2

Từ kết quả trên, ta có sức chịu tải của cọc do thành phần lực ma sát là:

Qs = uΣ( fsi×li )

Qs=1.88( 0.56x4.25+4.24x4.35+5.55x7.35+4.86x4.9) = 160.6 T

♦ Sức chịu tải mũi cọc:

Qp = Ap×qp Trong đó :

qp : Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc

Ap : Tiết diện ngang của mũi cọc Cọc d=60cm : AP =3.14x0.32 = 0.283 m 2

 Cường độ chịu tải của đất dưới mũi cọc :

qp = c×Nc + σ’VP×Nq + γ×dp×Nγ Trong đó:

c = 0 T/m2 : Lực dính của đất tại mũi cọc

γ = 1 T/m3: Trọng lượng thể tích của đất ở độ sâu mũi cọc

dp=0.6m : đường kính mũi cọc ( cạnh cọc )

σ’VP : Ứng suất hữu hiệu theo phương thẳng đứng tại độ sâu mũi cọc

do trọng lượng bản thân đất, T/m2 Ứng suất bản thân tại mũi cọc được tính như sau:

σ’VP = 1x4.25+1×4.35+1.05×7.35 + 1×4.9 = 21.21 T/m2

Nc , Nq , Nγ : Hệ số sức chịu tải , phụ thuộc vào góc ma sát trong của

đất (ϕ), hình dạng mũi cọc và phương pháp thi công cọc

Góc ma sát trong của đất : ϕ = 240 , tra Bảng các hệ số sức chịu tải của Terzaghi

( Giáo trình nền móng – Đại Học Bách Khoa T.P Hồ Chí Minh )

Nq = 11.401 ; Nc = 23.361 ; Nγ = 8.76

qp = 0x23.361 + 21.21x11.401 + 1x0.6x8.76 = 247.07 T/m2

Sức chịu tải mũi cọc :

Qp = Ap×qp = 0.283 ×247,07 = 69.9 T

Sức chịu tải cho phép của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền :

2

9 69 5 1

160 2

5

1Q s +Q p = + =

T

( SPT)

Công thức tính sức chịu tải của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên động chuẩn

được tính theo công thức( Meyerhof (1956) ,TCXD 205 : 1998 )

Qu = K1 × N×Ap + K2×Ntb×As Trong đó:

K1 = 400 : Hệ số cho cọc đóng

N là chỉ số SPT trung bình của đất trong khoảng 1D = 0.6 m dưới mũi cọc là N = 20 và 4D = 4× 0.6 = 2.4 m trên mũi cọc là N = 20 vì cọc cắm vào lớp đất 5a là 4.9 m Như vậy, N =20

Ap = F ( m2 ): tiết diện ngang của cọc

K2 = 2 : Hệ số lấy cho cọc đóng

Ntb=16 : Chỉ số SPT trung bình dọc thân cọc trong phạm vi lớp đất rời

As: diện tích mặt bên cọc trong phạm vi lớp đất rời

Vậy sức chịu tải cực hạn của cọc theo kết quả thí nghiệm xuyên động chuẩn là:

Qu = 400×20×3.14x0.32 + 2x16x3.14x0.6x(4.9+4.25) = 2812 kPa = 281.2T Sức chịu tải tiêu chuẩn :

Qtc =

k

Q u

=

5 2

2 281

= 112.4T

k = 2.5: Hệ số an toàn

Vậy để thiên về an toàn ,ta thiết kế sơ bộ sẽ lấy sức chịu tải của cọc Pc=112

T Để kiểm chứng kết quả tính toán lý thuyết cần tiến hành công tác thử cọc tại hiện trường để xác định sức chịu tải sau cùng của cọc.

2.2.3 Chiều dài chịu uốn của cọc tính cho cầu dẫn số 1.

Lu = Lo + ηd = Lo + 8 x 0.6 = Lo + 4.8

Bảng chiều dài tính toán của cọc

Lo 11.15 10.55 8.55 6.55 4.55 2.55 2.25 1.95 1.65 1.35 1.05

Lu 15.95 15.35 13.35 11.35 9.35 7.35 7.05 6.75 6.45 6.15 5.85

2.3 Tải trọng và tính toán nội lực.

2.3.1 Tải trọng tác dụng lên khung dọc.

Trọng lượng bản thân

Tải của xe vận chuyển H30

a Trọng lượng bản thân.

Do bản làm việc theo bản bê bốn cạnh truyền lên khung

Do dầm ngang chịu tải từ hai bản tác dụng vào với L1 = 4.75m và L2= 6m

Tải trọng bản thân phân bố đều của bản q=1.1x(0.35x2.5 +0.06x2)= 1.09T/m2

0.3958 6

2

75 4 2

×

=

=

l

l

β

q1 = q x(1 – 2β2 + β3) = qx0.749 x4.75/2 + qx0.749x4.5/2 = 3.77 T/m

q 1

Tải do sàn truyền vào dầm dọc, dầm dọc truyền vào dầm ngang

Do bản làm việc theo bản bê bốn cạnh

qxL 1

Với L1 = 4.75 (m) (lấy cho cạnh lớn là L = 4.75 (m) thiên về an toàn

Ta có: q =1.09T/m2 Quy đổi ra thành tải phân bố đều q 2 = 1.09x4.75x5/8 = 3.23 T/m

q 2

Khi đó thì tại những giao của dầm ngang truyền xuống dầm dọc có lực tập trung

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11

với p1 = p2= p3= p4 = p5 = p6 = p7 = p8 = p9 = p10 = p11 = 3.23x(4.75+4.5)/2 = 14.93 T

b Tải do ôtô gây ra.

Tải xe tác dụng lên cầu dẫn

P2 P1 P2 P1 P2 P1 P1

Với p1 = 12T , p2 = 6T

Giải nội lực khung dọc cầu dẫn bằng phần mềm Sap2000 ta có

Biểu đồ lực dọc trong cọc

Biểu đồ mômen trong cọc

Biểu đồ momen dương dầm dọc

Biểu đồ momen âm dầm dọc

Biểu đồ lực cắt dầm dọc

Ta có momen âm lớn nhất trong dầm là:M=-30.03Tm,momen dương lớn nhất là:M=32.08Tm,lực cắt lớn nhất trong dầm là Q=42.6T,lực dọc lớn nhất trong cọc là 77.17 T

3 Tính toán khung ngang.

3.1 Tải trọng tác dụng.

Như đã tính ở trên ta có tải tác dụng vàokhung ngang là tải phân bố đều

q1 = 3.23T/m

3.2 Chiều dài tính toán của cọc.

Lấy chiều dài nguy hiểm nhất là 15.95m (đã tính toán ở khung dọc bên trên)

3.3 Nội lực khung ngang cầu dẫn.

Dùng sap 2000 để tính khung ngang cầu dẩn