Thiết kế kết cấu nhịp cầu bê tông dự ứng lực giản đơn đường ôtô với tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272 05,hoạt tải HL93,chiều dài nhịp 28m, khổ cầu 10m,vỉa hè 1,5m,căn sau

tĩnh tải bản mặt cầu: - Dầm giữa và dầm biên có mặt cắt ngang giống nhau, và phần cánh hẫng có chiềudài đúng bằng 1/2 khoảng cách tim các dầm chủ, nên tĩnh tải bản mặt cầu tác dụnglên dầ

2 Chiều cao kết cấu nhịp tối thiểu (A2.5.2.6.3-1)

3 Xác định chiều rộng bản cánh hữu hiệu (A.4.6.2.6)

3.1 Đối với dầm giữa

3.2 Đối với dầm biên

4 Tính toán bản mặt cầu

4.1 Phơng pháp tính toán nội lực bản mặt cầu

4.2 Xác định nội lực bản mặt cầu do tĩnh tải

4.3 Xác định nội do hoạt tải và ngời đi bộ

4.4 Vật liệu thiết kế cho bản mặt cầu

4.5 Tính toán cốt thép chiu lực

5 Tính toán nội lực dầm chủ do tĩnh tải

5.1 Tĩnh tải rải đều lên 1 dầm chủ

5.2 Các hệ số cho tĩnh tải p (Bảng A.3.4.1-2)

5.3 Xác định nội lực

6 Nội lực dầm chủ do hoạt tải

6.1 Tính toán hệ số phân phối hoạt tải theo làn

6.2 Tính toán hệ số phân phối của tải trọng ngời đi bộ

9.3 Mất mát do tụt neo

9.4 Mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi

9.5 Mất mát ứng suất do co ngót (A.5.9.5.4.2)

9.6 Mất mát ứng suất do từ biến

9.7 Mất mát do dão thép ứng suất trớc

10 Kiểm toán theo - Trạng thái giới hạn cờng độ I

10.1 Kiểm toán Cờng độ chịu uốn

10.2 Kiểm tra hàm lợng cốt thép ứng suất trớc

10.3 Tính cốt đai và kiểm toán cắt theo trạng thái giới hạn CĐ1

10.4 Kiểm toán dầm theo trạng thái giới hạn sử dụng

11 Tính toán dầm ngang

11.1 Nội lực do tải trọng cục bộ (hoạt tải) gây ra

11.2 Nội lực do tải trọng phân bố (tĩnh tải)

12.2 Tính độ võng do tải trọng thờng xuyên (tĩnh tải)

12.3 Tính độ võng tức thới do hoạt tải có xét lực xung kích

Phần 2: bản vẽ kỹ thuật

(Bản vẽ khổ A1)

Thiết kế môn học cầu bê tông

cốt thép f1

I Nội dung thiết kế:

- Thiết kế kết cấu nhịp cầu BTDUL giản đơn đờng ô tô

Các số liệu thiết kế:

- Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN 272-05

- Hoạt tải tiêu chuẩn: HL93, Tải trọng ngời đi bộ 300 Kg/m2

II Thiết kế cấu tạo mặt cắt ngang cầu:

1 Chiều dài tính toán: Ltt

- Ltt=Ltoàn nhip – 2a=28-20.3=27.4 m

Trong đó: a là khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối, chọn a=30 cm

2 Số lợng và khoảng cách dầm chủ:

- Chiều rộng phần xe chạy B1=10 m, chiều rộng vỉa hè B3=1.5 m

- Chọn dạng bố trí lề ngời đi bộ cùng mức, dùng gờ chắn rộng B2=25 cm Cột lancan rộng B4 = 50 cm

 Chiều rộng toàn cầu: B=B1+2(B2+B3+B4)=1000+2(25+150+50)= 1450cm

- Chọn số lợng dầm chủ Nb= 6, khoảng cách giữa tim các dầm chủ là 230 cm,khoảng cách từ tim dầm biên đến mép ngoài cùng là 150 cm

3 Chọn mặt cắt ngang dầm chủ

Dầm chủ có tiết diện hình chữ I với các kích thớc sau:

- Chiều cao toàn dầm tối thiểu thông thờng theo bảng 2.5.2.6.3-1( Tiêu chuẩn22TCN 272-05): H min =0.045 Ltt=0.04527.4=1.233 m Chọn H=1650mm

- Chiều dày sờn dầm tại mặt cắt giữa nhịp là 200mm

- Chiều rộng bầu dầm: 610mm

- Chiều cao bầu dầm: 180mm

- Chiều cao vút của bụng bầu dầm tại mặt cắt giữa nhịp: 170mm

- Chiều rộng cánh dầm: 500mm

- Chiều cao gờ trên cùng: 40mm

- Chiều rộng gờ trên cùng: 380 mm

- Cốt thép thờng có fu=620 mpa, fy= 420 MPa

2 Xác định chiều rộng bản cánh hữu hiệu (Theo điều 4.6.2.6.1)

2.1 Đối với dầm giữa:

- Bề rộng bản cánh hữu hiệu có thể lấy giá trị nhỏ nhất của

2.2 Đối với dầm biên:

- Bề rộng cánh dầm hữu hiệu có thể đợc lấy bằng 1/2 bề rộng hữu hiệu của dầmtrong kề bên (=2300/2=1150 mm) cộng thêm trị số nhỏ nhất của

 1/8 chiều dài nhịp tính toán =27400

3 Xác định đặc đặc trng hình học mặt cắt dầm I cha liên hợp::

 Diện tích tiết diện: A=  Ai (cm2)

 Mô men tĩnh của tiết diện đối với trục x đi qua đáy dầm: S=  Ai yx (cm3)

 Mô men quán tính đối với trục trung hoà: Id=Ix-A Y2c (cm4)

Rộng(cm)

 Diện tích tiết diện: A=  Ai (cm2)

 Mô men tĩnh của tiết diện đối với trục x đi qua đáy dầm: S=  Ai yx (cm3)

 Mô men quán tính đối với trục trung hoà: Id=Ix-A Y2

c (cm4)

Cao(cm)

Rộng(cm)

Vậy n=1.195

Id=15573573.01 cm4: Mô men quán tính chống uốn của

tiết diện dầm chủ ( không tính bản mặt cầu) đối với trục

3 0 4

0

g

tt L t

K L

S S

Trong đó: S: khoảng cách giữa các dầm chủ; S=2300 mm

Ltt=27400 mm

tS=180 mmVậy: gmg1=0.492

- Trờng hợp 2 làn chất tải:

gmg2=0.075+

1 0

3

2 0 6

0

g

tt L t

K L

S

- Hệ số phân bố mô men thiết kế của các dầm giữa: gmg=max( gmg1, gmg2)= 0.6944

3 Hệ số phân bố hoạt tải đối với mô men của dầm biên:

- Một làn chất tải: Dùng phơng pháp đòn bẩy, sơ đồ tính nh hình vẽ:

- Hai hoặc nhiều làn chất tải:

Khoảng cách từ tim dầm chủ ngoài cùng tới mép trong gờ chắn bánh:

de=150-(50+150)= -50 cm=-500 mmVậy de=-750 mm không nằm trong phạm vi áp dụng công thức: gmb2= egmg

 Các hệ số phân bố đợc lấy nh sau:

 gmbHL=gHL1=0.247

 gmbPL=gPL1=1.33

 gmblàn=gLàn1=0.2089

4 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với lực cắt trong các dầm dọc giữa:

- Kiểm tra phạm vi áp dụng:

- Hệ số phân bố lực cắt thiết kế đối với dầm giữa:gvg=max(gvg1, gvg2)=0.663

5 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với lực cắt trong các dầm dọc biên:

- Kiểm tra phạm vi áp dụng: de=-500 mm không nằm trong phạm vi áp dụng côngthức: gvb2= egvg Sử dụng phơng pháp đòn bẩy để tính

- Tơng tự nh tính hệ số phân bố hoạt tải đối với mô men trong dầm biên:

 GvbHL=gHL1=0.247

 GvbPL=gPL1=1.33

 Gvblàn=gLàn1=0.2089

6 Hệ số điều chỉnh tải trọng:

- Hệ số dẻo η D , đối với các bộ phận và liên kết thông thờng lấy η D =1

- Hệ số độ d thừa η R , đối với mức d thừa thông thờng lấy η R =1

- Hệ số độ quan trọng η I , đối với cầu thiết kế là quan trọng lấy η I =1.05

Vậy hệ số điều chỉnh tải trọng: η=111.05=1.05>0.95

V Xác định tải trọng

1 tĩnh tải bản mặt cầu:

- Dầm giữa và dầm biên có mặt cắt ngang giống nhau, và phần cánh hẫng có chiềudài đúng bằng 1/2 khoảng cách tim các dầm chủ, nên tĩnh tải bản mặt cầu tác dụnglên dầm giữa và dầm biên là nh nhau

- Lấy diện tích tác dụng nh sau: Abm=Abmg= Abmb=S.hf

Trong đó: hf: Chiều dày trung bình của bê tông bản, hf=18 cm

 DiÖn tÝch tiÕt diÖn ®Çu dÇm: A0=8425.09 (cm2)=0 842509 m2

 DiÖn tÝch tiÕt diÖn gi÷a dÇm: A=4998.50 (cm2)=0 499850 m2

 Träng lîng hai ®o¹n ®Çu dÇm:

2(  4

 Giai đoạn cha liên hợp: DCdc=1344.457kg/m

 Giai đoạn khai thác:

DCb=DCdc+DCbmb+DCdn+DClcb+0.5DCvk+DCgc

=1344.457+1035+239.2+601.956+0.5x192+187.5 =3504.127kg/m=35.04127 kN/m

DWb= 337.88 kg/m

8 Hoạt tải HL 93:

- Xe tải thiết kế

- Xe hai trục thiết kế

- Hoạt tải xe thiết kế:

 Xe tải thiết kế+tải trọng làn

 Xe 2 trục thiết kế + tải trọng làn

9 Hoạt tải ngời đi bộ(PL): Pl=3x10-3 MPa

VI Tính toán nội lực:

 Tĩnh tải : Tĩnh tải giai đoạn 1 DC1và tĩnh tải giai đoạn 2 (DC2+ DW)

 Hoạt tải gồm cả lực xung kích(IL+IM) : Xe HL 93, tải trọng ngời đi bộ

 Nội lực do căng cáp ứng suất trớc Bỏ qua các tải trọng do co ngót, từ biến,nhiệt độ, lún, gió, động đất

- Để xác định nội lực, ta vẽ đờng ảnh hởng cho các mặt cắt cần tính rồi xếp tĩnh tảilên đờng ảnh hởng Nội lực đợc xác định theo công thức:

+ Mômen: Mu= .p..g

+ Lực cắt: Vu= .g(p.+-.p.-)

Trong đó: : Diện tích đờng ảnh hởng mômen tại mặt cắt đang xét

+: Diện tích đờng ảnh hởng lực cắt dơng tại mặt cắt đang xét

+: Diện tích đờng ảnh hởng lực cắt âm tại mặt cắt đang xét

: Hệ số liên quan đến tính dẻo, tính d, và sự quan trọng trong khai thác

a Tính Mômen

- Đờng ảnh hởng mômen tại các mặt cắt đặc trng:

- Mô men tác dụng lên dầm biên do tĩnh tải:

 Giai đoạn cha liên hợp:

1.3176 17.183 35.041 3.379 602.117 58.058

- M« men t¸c dông lªn dÇm gi÷a do tÜnh t¶i:

 Giai ®o¹n cha liªn hîp: Gièng dÇm biªn giai ®o¹n cha liªn hîp

 Giai ®o¹n khai th¸c:

- Lực cắt của dầm biên do tĩnh tải:

 Giai đoạn cha liên hợp: VDCdc=DCdc.g ω V

Trong đó: ω V : Diện tích đờng ảnh hởng lực cắt

- Lực cắt của dầm giữa do tĩnh tải:

 Giai đoạn cha liên hợp: Tơng tự cho kết quả giống dầm biên

 Giai đoạn khai thác:

2 Tính nội lực dầm chủ do hoạt tải:

Sơ đồ tính của dầm chủ là dầm giản đơn nên khoảng cách giữa hai trục 145 kN của

xe tải thiết kế Truck đều lấy = 4.3 m

a Mô men do hoạt tải HL93 và PL tác dụng tại các mặt cắt dầm:

110 KN

110 KN

1,2m

x=0,6m Hợp lực

 Nội lực xe thiết kế sẽ đợc lấy bằng giá

trị lớn hơn trong các giá trị trên

 Công thức tính:

Mtruck= yM1.145+yM2.145+yM3.35 (kN)

Mtandem= yM4.110+yM5.110 (kN)

Mxetk=max(Mtruck,Mtandem)

 Bảng tính mô men do xe thiết kế trờng hợp 3:

- So sánh các giá trị tính đợc trong 3 trờng hợp trên, chọn mô men do xe thiết kế:

b Lực cắt do hoạt tải HL93 và PL tác dụng tại các mặt cắt dầm:

- Tính lực cắt tại 5 mặt cắt đặc trng trong 2 trờng hợp xếp xe bất lợi sau:

- Công thức tính lực cắt do xe tải thiết kế:

Vtruck=145.yV1+145yV2+35yV3

- Công thức tính lực cắt do xe 2 trục thiết kế:

Vtandem=110(yV3+yV4)Trong đó, yV1 là tung độ đờng ảnh hởng lực cắt tơng ứng tại các mặt cắt đặt các trục

xe tải thiết kế và xe 2 trục thiết kế nh hình vẽ

yV3(m)

yV4(m)

yV5(m)

Vtruck(kNm)

Vtandem(kNm)

Vxetk(kNm)

- Lùc c¾t do t¶i träng ngêi ®i g©y ra ë dÇm biªn:

Coi nh dÇm biªn chÞu toµn bé t¶i träng ngêi ®i: PL=300kg/m2=3kN/m2

VPLx=PL.B3 ω Vd (kN)B¶ng tÝnh:

Kết quả tính toán đợc thống kê trong bảng 3 và bảng 4 dới đây:

Kết quả tính toán cho thấy dầm giữa là dầm bất lợi hơn, vì vậy chọn dầm giữa là dầm tínhduyệt

Giới hạn chảy fpy=0.85xfpu=0.85x1860=1581 MPa

 Các giới hạn ứng suất cho các bó thép DUL (TCN 5.9.3-1): ứng suất bó thép

do dự ứng lực hoặc ở trạng thái giới hạn sử dụng với DUL căng sau không vợtquá các giá trị:

Trớc khi đệm neo, dùng fs ngắn hạn: 0.9fpy= 0.9x1581=1422.9 MPaTại các neo và các bộ nối cáp ngay sau bộ neo: 0.7fpu=0.7x1860=1302MPa

ở cuối vùng mất mát ở tấm đệm neo ngay sau bộ neo: 0.7 fpu=1302 MPa

ở trạng thái giới hạn sử dụng sau toàn bộ mất mát: 0.8fpy= 0.8x1581 =1264.8 MPa

 Diện tích 1 bó cáp: Aps1=1680 mm2

 Mô đun đàn hồi cáp: Ep=197000 MPa

- Diện tích mặt cắt ngang cốt thép dự ứng lực cần thiết theo công thức kinhnghiệm:

Apsg =

0.85 0.9

u pu

M

    

Trong đó:

Mu=max(MuCD1g,MuCD1b)= 8075.3 kNm: Mô men tính toán, lấy bằng mô men

tính toán lớn nhất theo TTGH cờng độ

 : Hệ số sức kháng, với cấu kiện BTCT chịu uốn và chịu kéo DUL lấy =1.H: Chiều cao dầm chủ, H=1650 mm=1.65 m

A

A =

3

3.439 10 1680

- Bố trí trong mặt phẳng đứng, theo phơng dọc cầu:

 Các bó cáp đợc bố trí trong mặt phẳng đứng, phơng dọc cầu theo hìnhparabol

Từ đó xác định đợc các đờng tên và toạ độ các bó cáp tại các mặt cắt

 Xác định góc hợp bởi tiếp tuyến với bó cáp tại mặt cắt đang xét với phơng nằmngang()

- Theo phơng đứng

 Xét tại mặt cắt 1-1 bất kỳ, thì d chính là giá trị đợc tính bằng hiệu của 0 và

1. Với 0 , 1 là góc hợp bởi đờng tiếp tuyến với đờng cong cáp và phơngngang tại mặt cắt đầu dầm và mặt cắt 1 – 1

 Từ phơng trình đờng cong parabol

Trong đó: h: khoảng cách từ bó cáp tới đáy dầm tơng ứng với mặt cắt đang xét

a: khoảng cách từ điểm đặt neo tới đỉnh dầm

a Giai đoạn 1 (tính cho mặt cắt giữa nhịp)

- Giai đoạn trớc lúc căng kéo, mặt cắt bị giảm yếu do các lỗ luồn cáp

- Các đặc trng hình học gồm có: A0 , I0 ,S0 , yot , y0

- Các lỗ luồn cáp của bó 12 tao có đờng kính Dlỗ=80mm.

- Diện tích 1 lỗ luồn cáp : alỗ =

2

.80 4

a y a

b Giai đoạn 2 (tính cho mặt cắt giữa nhịp)

- Giai đoạn sau khi đã căng kéo xong, bơm vữa lấp lòng ống luồn cáp

- Quy đổi bê tông bản mặt cầu (fc2’=35Mpa) thành bê tông dầm chủ (fc1’=50Mpa)

thông qua hệ số quy đổi: nb= 31798.93

38006.989

BTbmc BTdc

E

A2= A1 +0.83662300180 = 510892.83 +0.83662300180 =857245.232

mm2

- Xác định S2:Mômen tĩnh của bản mặt cầu (cũng là mô men tĩnh của mặt cắt tính

đổi) đối với trục trung hoà của dầm chủ:

S2=b h f y t I h f .n b

2

2

3 2

2

12

y t

y t

IX Tính toán mất mát ứng suất:

Tổng mất mát ứng suất trong các cấu kiện kéo sau:

pR pCR pSR

pES pA

 : Tổng mất mát ứng suất trớc (MPa)Các mất mát tức thời:

pF f

 : Mất mát do ma sát (MPa)

pA f

 : Mất mát do thiết bị neo (MPa)

pES f

 : Mất mát do co ngắn đàn hồi (MPa)Các mất mát theo thời gian:

pSR f

 :Mất mát do co ngót (MPa)

pCR f

 : Mất mát do từ biến của bê tông (MPa)

pR f

 :Mất mát do tự chùng(dão) của cốt thép dự ứng lực (MPa)

1 Mất mát do ma sát:

- Mất mát do ma sát giã bó thép dự ứng lực và ống bọc:

fpF = fpj(1 – e-(Kx + ) ) (CT 5.9.5.2.2b-1)Trong đó :

 fpj = ứng suất trong thép dự ứng lực khi kích (Mpa)

theo điều 5.9.3-1 – 22TCN 272-01 fpj=0.7fpu=0.7x1860=1302 Mpa

 x =Chiều dài bó thép dự ứng lực đo từ đầu kích đến điểm bất kỳ đang xemxét (mm)

 K =Hệ số ma sát lắc (trên mm bó thép ), sử dụng ống bọc bằng vật liệuPolyethylene, có K= 6.6x10-7/mm (Bảng 5.9.5.2.2b-1)

  =Hệ số ma sát, sử dụng ống bọc bằng vật liệu Polyethylene, có =0,23

 : Tổng của giá trị tuyệt đối của thay đổi góc của đờng cáp thép ứng suất

tr-ớc từ đầu kích đến điểm đang xét (Rad)

- Tính chiều dài bó cáp DUL đo từ đầu kích đến điểm đang xét:

Chia trục bó cáp thành nhiều đoạn nhỏ, coi các đoạn nhỏ là biến đổi tuyến tính

 Chiều dài mỗi đoạn: x = 2 2

x

y 



 Chiều dài toàn bộ bó cáp: Lcáp=x

 Chiều dài đoạn cáp tính từ đầu kích tới điểm đang xét: x= 

MCx

MC0 xTrong đó: x ,y : Khoảng biến thiên theo phơng ngang và theo phơng đứngcủa trục cáp

2 Mất mát do thiết bị neo:

- Giả thiết biến dạng của các neo gây ra biến dạng đều trên toàn bộ chiều dài một

bó cáp, gây ra trong thiết bị neo một mất mát ứng suất:

L : Chiều dài một bó cáp tính từ các đầu neo

Ep : Môdun đàn hồi của cáp DƯL; Ep=197000 MPaThay các số liệu vào ta đợc:

L

Với Ltb là chiều dài trung bình một bó cáp tính từ đầu các neo:

3 Mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi:

- Bản chất mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi là do khi căng bó sau sẽ gây mấtmát ứng suất cho những bó căng trớc

N f

Ep: Môdun đàn hồi của cáp DƯL Ep=197000 MPa

Eci: Mô đun đàn hồi của bê tông lúc truyền lực Eci = 4800 50=33941.125 MPa

N: Số lợng các bó cáp ứng suất trớc giống nhau N = 3

fcgp: Tổng ứng suất bêtông ở trọng tâm các bó thép ứng suất trớc do lực ứng suất trớc saukích và tự trọng của cấu kiện ở các mặt cắt có mômen max (Mpa)

Pi : Lực nén trong bêtông do ứng suất trớc gây ra tại thời điểm sau khi kích, tức là đã xảy

ra mất mát do ma sát và tụt neo

Pi=APS(fpj-fpF-fpA)

fpj: ứng suất trong thép dự ứng lực khi kích (Mpa); fpj=1302 MPa

Aps: Tổng diện tích của các bó cáp ứng suất trớc; Aps= 5040 mm2=50.4 cm2

e: Độ lệch của trọng tâm các bó thép so với trục trung hoà của tiết diện

A0: Diện tích mặt cắt ngang dầm giai đoạn 1

I0: Mô men quán tính của mặt cắt giai đoạn 1

5 Mất mát do từ biến của bê tông:

- Mất mát dự ứng suất do từ biến có thể lấy bằng :

fpCR = 12,0 fcgp - 7,0 fcdp  0 (5.9.5.4.3-1)Trong đó :

fcgp = ứng suất bê tông tại trọng tâm thép dự ứng lực lúc truyền lực (MPa)

fcdp=đổi ứng suất thay bê tông tại trọng tâm thép dự ứng lực do tải trọng thờngxuyên, trừ tải trọng tác động vào lúc thực hiện lực dự ứng lực, đợc tính ở cùng mặt cắttính fcgP(MPa)

- Tính fcdp:

fcdp=

lh

lh txlh tx

I

e M

Mtx : Mô men do tải trọng thờng xuyên tác dụng lên dầm giữa cha liên hợp (Dầm giữa làdầm bất lợi hơn)

Mtxlh: Mô men do tải trọng thờng xuyên tác dụng lên dầm giữa liên hợp

Mtx=(DCbmg+DCvk+DCdn).ω M g

Mtxlh=DClcg ω M .g+MDWg

M

ω : Diện tích đờng ảnh hởng mô men.

e1: Độ lệch của trọng tâm các bó thép so với trục trung hoà của tiết diện cha liên hợp

elh: Độ lệch của trọng tâm các bó thép so với trục trung hoà của tiết diện liên hợp

I1: Mô men quán tính của tiết diện cha liên hợp

Ilh: Mô men quán tính của tiết diện liên hợp

 Kết quả tính toán nội lực đã có:

elh(mm) 105.030 228.289 335.923 814.044 1038.614

I1(mm4) 1.956E+11 1.678E+11 1.558E+11 1.577E+11 1.603E+11

Ilh(mm4) 4.127E+11 3.734E+11 3.537E+11 3.599E+11 3.645E+11

 =f pR1+ f pR 2

- T¹i lóc truyÒn lùc: §èi víi DUL c¨ng sau: f pR 1=0

- Sau khi truyÒn lùc

2

pR f

pES pA