thiết kế kết cấu nhịp giản đơn dầm thép liên hợp bê tông cốt thép

Bố trí 2 sườn tăng cường đứng gối tại đầu mỗi dầm, khoảng cách 200mm.. Tại sườn tăng cường đứng gối đầu tiên, bố trí hệ dầm ngang bằng thép cán chữ I,loại dầm cánh rộng W760x196.. Bề dày

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU CHUNG

I.1.SỐ LIỆU THIẾT KẾ:

Thiết kế một kết cấu nhịp giản đơn, dầm thép liên hợp bản BTCT với các số liệuđầu vào sau :

Chiều dài toàn dầm : 30m

Bề rộng phần xe chạy : 7.5m

Bề rộng lề bộ hành : 2x0.5m

Tải trọng thiết kế : 0.5HL93

I.2.VẬT LIỆU

Thép làm dầm chủ : Thép tấm M270 cấp 250 có cường độ chảy Fy=250MPa.Thép làm hệ liên kết ngang (dầm ngang và khung ngang), sườn tăng cường :M270 cấp 250 có cường độ chảy Fy=250MPa

Thép bản mặt cầu, lề bộ hành :

Thép đai : CI có Fy=240MPa

Thép chịu lực, cấu tạo : CII có Fy=280MPa

Thép làm thanh lan can, cột lan can : M270 cấp 250 có cường độ chảyFy=250MPa

Bê tông bản mặt cầu, lan can, lề bộ hành : C30 có fC′ =30 MPa

Trọng lượng riêng của thép : γ = × − 5 3

S 7.85 10 N / mm

Trọng lượng riêng của bê tông có cốt thép : γ = × − 5 3

C 2.5 10 N / mm

I.3.THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG CẦU:

I.3.1.Chọn số lượng dầm n, khoảng cách dầm S, chiều dài cánh hẫng L C :

Bề rộng toàn cầu: Btc = 2x3500 + 2x250 + 2x750 = 9000mm

Ta có:

1 2

I.3.2.Thiết kế độ dốc ngang cầu, cấu tạo các lớp mặt cầu :

Độ dốc ngang thiết kế : 2%

Tạo dốc bằng thay đổi chiều cao đá kê gối : Là dùng đá kê gối có chiều cao tăngdần để tạo độ dốc ngang của mặt đường sau khi hoàn thiện Chiều cao tối thiểu của gốilà 100mm

Chiều cao gối thiết kế:

Gối 1 : 150mm

Gối 2 : 150+Sx2%=186mm

Gối 3 : 190+Sx2%=222mm

Các gối còn lại : Đối xứng

I.3.3.Thiết kế thoát nước m ặt cầu :

Đường kính ống: D≥100mm Diện tích ống thoát nước được tính trên cơ sở 1m2mặt cầu tương ứng với ít nhất 1.5cm2 ống thoát nước Khoảng cách ống tối đa 15m, chiềudài ống vượt qua đáy dầm 100mm

Diện tích mặt cầu S=LxBtc=30x9=270m2 vậy cần bố trí ít nhất 450cm2 =45000mm2 ống thoát nước

2

2 1ơ

3.14 100

78504

n

Vậy ta chọn 6 ống, khoảng cách ống là 10m.

1/2 MẶT CẮT NGANG ĐẦU DẦM

TỶ LỆ : 1/60

I.4.XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC DẦM :

I.4.1.Chiều dài dầm tính toán :

Chọn khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối là : a=0.3m

Chiều dài dầm tính toán : LTT = 30-2a = 30-2x0.3 = 29.4m

I.4.2.Chiều cao dầm :

Chiều cao dầm được chọn từ chiều cao tối thiểu trong quy trình và theo kinhnghiệm thiết kế :

SVTH: Trang 3

Vậy chọn chiều cao dầm thép d=1200mm.

Chiều cao dầm liên hợp H= 1500mm

I.4.3.Kích th ướ c ti ế t di ệ n ngang :

Chiều cao phần vút : hV=100mm

Chiều dày bản bê tông : tS=200 mm

Chiều dày sườn dầm : tW=15 mm

Chiều rộng cánh trên : bC=350 mm

Chiều dày cánh trên : tC=20 mm

Chiều rộng cánh dưới : bf=450 mm

Chiều dày cánh dưới : tf=20 mm

Chiều rộng bản phủ : b’f=550 mm

Chiều dày bản phủ : t’f=20 mm

I.5.THIẾT KẾ CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA DẦM CHÍNH:

I.5.1.Sườn Tăng Cường, hệ liên kết ngang:

Chỉ bố trí sườn tăng cường đứng, không bố trí sườn tăng cường dọc

Bố trí 2 sườn tăng cường đứng gối tại đầu mỗi dầm, khoảng cách 200mm

Bố trí sườn tăng cường đứng trung gian khoảng cách 1500mm, riêng tại đoạn đầudầm (từ đầu đến hệ khung ngang đầu tiên) thì bố trí cách khoảng 1000mm

Tại sườn tăng cường đứng gối đầu tiên, bố trí hệ dầm ngang bằng thép cán chữ I,loại dầm cánh rộng W760x196 Tại các sườn tăng cường đứng cách khoảng 3m thì bố tríhệ khung ngang bằng thép L100x100x10 (cho cả thanh xiên và thanh ngang)

Bề dày của tất cả các sườn tăng cường là 14mm, kích thước còn lại xem hình vẽ :STC ĐỨNG GỐI STC ĐỨNG TRUNG GIAN STC ĐỨNG TẠI VỊ TRÍ

CÓ HỆ LIÊN KẾT NGANG

I.5.1.Neo chống cắt:

Thiết kế loại neo hình nấm với các số liệu sau :

Đường kính đinh: dS = 20mm

Chiều cao: h = 230mm

Thiết kế 2 hàng neo với khoảng cách giữa tim của neo đến

mép bản cánh trên là 75mm, khoảng cách 2 hàng neo là 200mm

I.5.2.Mối nối dầm chính:

Mối nối sử dụng bulong cường độ cao

Số lượng mối nối là 2, đặt đối xứng nhau qua tim cầu,

vị trí đặt mối nối là 2/3 chiều dài dầm, cách đầu dầm 10m

SVTH: Trang 5

CHƯƠNG II : THIẾT KẾ LAN CAN, LỀ BỘ HÀNH, BẢN MẶT CẦU

Ở phần này chỉ thiết kế cấu tạo và bố trí thép, tính tĩnh tải, không tính toán nộilực và tính toán cốt thép

Thể tích tấm thép T1: VT1 = 100 x 1740 x 5 =870,000 mm3

Thể tích tấm thép T2: VT2 = 140 x 740 x 5 =518,000 mm3

Thể tích tấm thép T3: VT3 = 100 x 150 x 5 = 75,000 mm3

3 cotlancan 870000 518000 75000 1, 463, 000

7.85 10 (1, 463,000 16 216,141.58 15 4, 712,388.98 15)24178.62

s lancan lienket tayvin

= 24178.62 =

lancan

30000

II.2.LỀ BỘ HÀNH:

Lề bộ hành: (tính trên 1mm theo phương dọc cầu)

Vị trí đặt DC3: xác định bằng cách cân bằng momen tại vị trí đặt P2

Vậy DC3 cách mép trái 1 đoạn bằng 422mm

Chọn và bố trí cốt thép trong bản mặt cầu như hình sau:

Thép dùng cho lề bộ hành là thép CII có Fy=280MPa

Bê tông sử dụng có F’c=30MPa

II.3.BẢN MẶT CẦU:

Bản mặt cầu sẽ được tính toán theo 2 sơ đồ: Bản congxon và bản loại dầm Trongđó phần bản loại dầm đơn giản được xây dựng từ sơ đồ dầm liên tục do đó sau khi tínhtoán dầm đơn giản xong phải nhân với hệ số kể đến tính liên tục của bản mặt cầu

Cốt thép dùng trong bản mặt cầu là thép CII có cường độ Fy=280 MPa, bê tôngdùng cho bản mặt cầu là loại bê tông có cường độ chịu nén f’c=30 MPa

Do trong phạm vi hẹp của đồ án môn học nên ta bố trí cốt thép trong bản mặt cầutheo yêu cầu cấu tạo như hình dưới

Ø12a200

Ø12a200

Ø12a200

CHƯƠNG III : THIẾT KẾ DẦM CHÍNH

III.1.ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC :

III.1.1.GIAI ĐOẠN CHƯA LIÊN HỢP:

Diện tích mặt cắt ngang phần dầm thép:

1200 765.96 434.04

s t X X NC

s b NC

NC s b NC

III.1.1.ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC GIAI ĐOẠN 2(GIAI ĐOẠN LIÊN HỢP):

III.1.1.1.Bề rộng có hiệu dầm trong B i và dầm ngoài B e :

hang

6 t max(t / 2,b / 4) 6 200 max(15/ 2,350 / 4)L

III.1.1.2.Đặc trung hình học dầm trong:

III.1.1.2.1.Giai đoạn liên hợp ngắn hạn (ST):

Bố trí cốt thép trong bản mặt cầu là φ12a200 và bê tông bản mặt cầu có cường độf’c=30MPa

Diện tích cốt thép dọc bản: = ×π× 2 = 2

ct

12

4

Trong đó: n là số thanh thép trong đoạn Be

Diện tích phần bản bê tông quy đổi về thép:

Khoảng cách từ trục TH1 đến trục TH2

′ = K TH1 = 55,311,719 =

Khoảng cách từ trục trung hoà đến các mép dầm :

- Mép trên dầm thép : s,t = s,t − =′ − =

Momen kháng uốn đối với mép trên và mép dưới bản bê tông :

Momen tĩnh của tiết diện liên hợp ngắn hạn đối với trục trung hoà:

Diện tích cốt thép dọc bản:

Trong đó: n là số thanh thép trong đoạn Be

Diện tích phầnbản bê tông quy đổi về thép:

Khoảng cách từ trục TH1 đến TH2:

Momen tĩnh của tiết diện liên hợp dài hạn đối với trục trung hoà:

Bảng tổng hợp các đặc trưng hình học của dầm trong và dầm biên:

DẦM TRONG

Đặc trưng

Tiết diệndầm thép

Tiết diện dầm liên hợp

Chưa liên hợp (NC) Ngắn hạn(ST) Dài hạn(LT)Diện tích tiết diện (mm2) 44,100 102,213 65,130Momen kháng uốn thớ dưới dầm

Tiết diện dầm liên hợp

Chưa liên hợp (NC) Ngắn hạn(ST) Dài hạn(LT)

Momen kháng uốn thớ dưới dầm

III.2.TẢI TRỌNG – HỆ SỐ PHÂN BỐ NGANG:

III.2.1.TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CẦU:

-Mối nối (chọn trước): P3=0.5N/mm

Hình 3.1.STC trung gian Hình 3.2.STC gối

Hình 3.3.STC tại liên kết ngang

-Sườn tăng cường:

+Sườn tăng cường giữa: hình 3.1

Một dầm có: 12 x 2 = 24 sườn tăng cường giữa

Khoảng cách các sườn: do = 1500 mm

Khối lượng một sườn tăng cường: gs1 =113.62N

+ Sườn tăng cường gối:hình 3.2

Một dầm có: 4 x 2 = 8 sườn tăng cường gối

Khoảng cách các sườn: 150 mm

Khối lượng một sườn: gs2 =184.82 N

+ Sườn tăng cường tại liên kết ngang: hình 3.3

Một dầm có: 9 x 2 = 18 sườn tăng cường

Khoảng cách các hệ liên kết ngang: Lb = 3000 mm

Khối lượng một sườn tăng cường: gs3 =263.23 N

-Liên kết khung ngang:có 18 liên kết khung ngang trên mỗi dầm

+ Khoảng cách giữa các liên kết ngang 3000 mm

+ Dùng thép L 100 x 100 x 11.1 (cho cả thanh xiên và thanh ngang)

+ Trọng lượng mỗi mét dài: glk =168 N

+Thanh ngang dài: 1930 mm

+Thanh xiên dài: 1048 mm

+ Mỗi liên kết ngang có: 2 x 1 = 2 thanh liên kết ngang, 2 x 1 = 2 thanh liênkết xiên

-Liên kết ngang ở đầu dầm:

+Dầm ngang W760x196 dài 1885m có khối lượng:

+Diện tích bản mặt cầu: Abmc=Btc.ts=10000.200=2000000 mm2

+Diện tích bản vút: 2 2 2 1002 2

v vut c h

vút).γ

bt

=(2000000+5x45000).2,5.10

-5

=51.125 N/mm (toàn cầu)-Trọng lượng lan can – lề bộ hành:đã tính ở trên

DC3 = 8.27 N/mm(tính cho toàn cầu)

-Tĩnh tải lớp phủ DW:

DW =h DW× ×B g DW =60 7500 2.310× × -5 =10.35N mm/ (tính cho toàn cầu)

III.2.1.2.Hoạt Tải:

-Hoạt tải tác dụng lên dầm gồm có: HL93 + Tải trọng người đi

-Tải trọng xe HL93 gồm có:

+ Tải trọng xe 3 trục và tải trọng làn

+ Tải trọng xe 2 trục và tải trọng làn

-Xe 3 trục:

+ Trục trước: P3 = 35000 N

+ Trục sau: P1 = P2 = 145000 N

-Xe 2 trục: P1 = P2 = 110000 N

-Tải trọng làn: Wlàn = 9.3 N/mm

-Tải trọng người đi: WPL = 3.10-3 xB bộ hành=3.10-3 x 1000 = 3 N/mm

III.2.2.XÁC ĐỊNH HỆ SỐ PHÂN BỐ NGANG:

III.2.2.1.Phương pháp đòn bẫy:

III.2.2.1.1.Dầm Biên:

Hình 3.3.Đường ảnh hưởng dầm biên theo phương pháp đòn bẫy

 Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục : 1, 2 0.575 0.345

Hình 3.4.Đường ảnh hưởng dầm 3 theo phương pháp đòn bẫy

a.Xét cho dầm 3:

 Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục :

b.Xét cho dầm 2:

Hình 3.5.Đường ảnh hưởng dầm 2 thep pp đòn bẫy

 Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục :

b.Hệ số phân bố cho moment:

 Một làn chất tải:

0,1

g SI

Vậy 20000 7.22

27691.47

B D

E n E

c.Hệ số phân bố cho lực cắt:

 Một làn chất tải:

2000

SI luccat

a.Một làn chất tải: (PP đòn bẩy)

 Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục : 1, 2 0.575 0.345

(Hệ số phân bố ngang cho Momen và lực cắt cùng giá trị)

b.Hai hay nhiều làn chất tải:

Vì de = - 250 thỏa điều kiện áp dụng PP dầm đơn, vậy không cần thiết tính hệ số

phân bố ngang cho tải trọng HL93 với các phương pháp khác như nén lệch tâm, gối tựađàn hồi, nên ta có :

 Hệ số phân bố cho momen:

=

 Tính hệ số phân bố cho lực cắt:

Hệ số điều chỉnh : 0.6 0.6 250 0.51

e d

Vậy: ME MI 0.51 0.721 0.367

luccat luccat

III.2.2.3.Phương pháp nén lệch tâm:

3 '

S EI

× ∆Khi tính mặt cắt ở giữa nhịp giản đơn ta có:

Khoảng cách liên kết ngang là: Lb=3000mm

Tính In:

Mặt cắt bố trí thép hệ liên kết ngang

Hình 3.7 Mặt cắt thép liên kết ngang L100x100x10

Thép L100x100x10 có:F=1920mm2 ;I=1,770,000 mm4

Momen tĩnh đối với trục X-X:

mm

=Khoảng cách từ trục trung hòa (0-0) đến trục X-X:

202.31

1000 200 2 19208

X X K

n I

Từ hai điều kiện cho thấy, dùng phương pháp nén lệch tâm để tính hệ số phân bốngang cho tải trọng sẽ cho kết quả chính xác hơn phương pháp gối tựa đàn hồi.

Như phân tích ở trên, phương pháp dầm đơn đã sử dụng để tính hệ số phân bốngang cho hoạt tải HL93 (gồm xe và làn), nên ở đây tính thêm cho tải trọng HL93 chỉmang tính tham khảo

a a

1 1 y

Trong đó: n – số dầm chủ

ai – khoảng cách giữa 2 dầm đối xứng

Hình 3.8.Đường ảnh hưởng dầm biên theo pp nén lệch tâm

Ta có hệ số phân bố ngang:

DC2: 1 7000 0.7 - 3000 0.3 0.2

DC3 : g =0.657 - 0.257 0.4=DW: 1 0.576 5750 - 0.175 1750 0.2

Tính cho hoạt tải:

 Khi xếp 1 làn xe trên cầu:

Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục : 1.2 0.514 0.334 0.51

 Khi xếp 2 làn xe trên cầu:

Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục : 1.0 0.514 0.334 0.164 - 0.015 0.499

Hình 3.10.Đường ảnh hưởng dầm trong theo phương pháp nén lệch tâm

Ta có hệ số phân bố ngang:

Tính cho hoạt tải:

 Khi xếp 1 làn xe trên cầu:

Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục :

Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục : 1.0 0.357 0.267 0.182 0.092 0.449

mg

B

III.2.2.4.Phương pháp gối tựa đàn hồi: (Tham khảo)

(Trong trường hợp này chỉ tính để tham khảo, vì không thỏa điều kiện áp dụng)

Ta giả sử α=0.02 để tính theo phương pháp gối tựa đàn hồi

III.2.2.4.1.Dầm biên:

Sơ đồ bố trí dầm:

Và hệ số mềm α=0.02 ta tra bảng 3.21a trang 83 sách Thiết kế cầuthép(TS.Nguyễn Xuân Toản-ThS Nguyễn Văn Mỹ) ta được đường ảnh hưởng của dầmbiên

Hình 3.11.Đường ảnh hưởng dầm biên theo phương pháp gối tựa đàn hồi

Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục :

Xét cho tải trọng làn:

Trường hợp xếp 1 làn:

(0.766 0.636) 1000 (0.636 0.382) 2000 (0.382 0.166) 2000

0.166 1996.4 0.0003 3.6 (0.0003 0.169) 2000 (0.169 0.246) 100010000

Hình 3.12.Đường ảnh hưởng dầm trong theo phương pháp gối tựa đàn hồi

Hoạt tải xe 3 trục và xe 2 trục :

Dầm giữa : Momen : mgS = 0.404.

Lực cắt : mgS =0.623

Dầm biên : Momen : mgS =0.345

Lực cắt : mgS =0.345

(Kết quả PP gối tựa đàn hồi chỉ mang tính tham khảo)

(Những hệ số in đậm trong bảng là có sử dụng khi tính nội lực, còn các hệ số cònlại chỉ mang tính tham khảo)

III.2.2.5.Tĩnh Tải Tác Dụng Toàn Cầu:

DC1=5.51(N/mm)

DC2=51.125(N/mm)

DW=10.35(N/mm)

III.2.3.NỘI LỰC – TỔ HỢP NỘI LỰC THEO CÁC TTGH

III.2.3.1.KIỂM TRA DẦM CHỦ TẠI CÁC MẶT CẮT SAU:

Tại mặt cắt gối (I-I): cách gối một khoảng L = 0(Vu)

Tại mặt cắt mối nối (II-II): cách gối một khoảng L2 = 9700 mm(Ms,Vs)

Tại mặt cắt liên kết ngang gần mặt cắt giữa dầm (III-III): cách gối một khoảngL3 = 11700 mm(Mu)

Tại mặt cắt giữa dầm (IV-IV): cách gối một khoảng L4 = 14700 mm(Mu,Ms,Mmỏi)

III.2.3.1.1.Mặt cắt I-I:

Hình 3.13.Đ.a.h lực cắt V

Diện tích đường ảnh hưởng: V

V

0 14700mm 0mm

V2trục= P1.y1 + P2.y’1 = 110000 x 1 + 110000 x 0.959 = 215490 N

Vlàn = Wlàn ΩV(+) = 9.3 x 14700 = 136710 NVPL = WPL ΩV(+) = 3 x 14700 = 44100 NVDC1=DC1× Ω − Ω( V+ V−)=5.511x(14700-0)=81011.7 NVDC2=DC2× Ω − Ω( V+ V−)=51.125x(14700-0)=751537.5 NVDC3=DC3× Ω − Ω( V+ V−)=8.27x(14700-0)=121569 NVDW=DW× Ω − Ω( V+ V−)=10.35x(14700-0)=152145 NMomen: M3trục=M2trục=Mlane=MPL=MDC1=MDC2=MDC3=MDW=0

III.2.3.1.2.Mặt cắt II-II:

Diện tích đường ảnh hưởng moment: Ω =M 103545330mm2

M3trục = P3.y1 + P2.y2 + P1.y3

Diện tích đường ảnh hưởng momen: Ω =M 108045000mm2

M3trục = P1.y1 + P2.y2 + P3.y3

= 145000 x 5200 + 145000 x 7350 + 35000 x 5200

= 2001750000 N.mmM2trục = P1.y1 + P2.y2

= 110000 x 7350+ 110000 x 6750

= 1551000000 N.mmMlàn = Wlàn ΩM = 9.3 x 108045000 = 1004818500 N.mm

Hình 3.19 Đ.a.h lực cắt V

Diện tích đường ảnh hưởng lực cắt:Ω =V+ 3675, Ω =V− 3675

V3trục = P1.y4 + P2.y6 + P3.y7

III.2.3.2.CÁC MẶT CẮT TÍNH NEO CHỐNG CẮT Ở TTGH MỎI :

Thiết kế neo chống cắt, dự định bố trí neo không đổi trong khoảng 3m Vậy cầntính biên độ lực cắt mỏi VSR ở các mặt cắt sau :

- Tại mặt cắt gối cách gối một khoảng L = 0

- Tại mặt cắt cách gối một khoảng L1 = 2700 mm

- Tại mặt cắt cách gối một khoảng L2 = 5700 mm

- Tại mặt cắt cách gối một khoảng L3 = 8700 mm

- Tại mặt cắt cách gối một khoảng L4 = 11700 mm

- Tại mặt cắt cách gối một khoảng L5 = 14700 mm

Hệ số phân bố ngang của dầm giữa (0.623) lớn hơn của dầm biên (0.345) nênbiên độ lực cắt được tính và thiết kế cho dầm giữa, rồi sử dụng kết quả để thiết kế chodầm biên vì dầm biên chịu tải ít hơn

(1 0.15) 0.75 (234910 13340) 111,1621.2

Hình 3.22: Chaát xe 3 truïc leân ñ.a.h.V

V(+) = P1.y1 + P2.y2 + P3.y3

Hình 3.23: Chaát xe 3 truïc leân ñ.a.h.V

V(+) = P1.y1 + P2.y2 + P3.y3

Hình 3.24: Chaát xe 3 truïc leân ñ.a.h.V

V(+) = P1.y1 + P2.y2 + P3.y3

Hình 3.25: Chất xe 3 trục lên đ.a.h.M

M3trục = P1.y1 + P2.y2 + P3.y3

= 145000 x 2850 + 145000 x 7350 + 35000 x 5200

= 1661000000 N.mm

Xếp tải tính V:

Hình 3.26: Chất xe 3 trục lên đ.a.h.V

V(+) = P1.y1 + P2.y2 + P3.y3

0.75 (1 0.15) 16610000001.2

1 1 2 2 3 3

1.20.404

0.75 (1 0.15) 16610000001.2

III.3.NỘI LỰC – TỔ HỢP NỘI LỰC THEO CÁC TTGH

III.3.1.Nội lực không hệ số :

Bảng3.2: Bảng tổng hợp nội lực do hoạt tải tác dụng lên dầm chủ

(chưa nhân hệ số)

-Bảng3.3: Bảng tổng hợp nội lực do tĩnh tải tác dụng lên toàn cầu

(chưa nhân hệ số)