Thiết kế cầu cong vượt đường cao tốc biết khổ cầu k7+2x1,5m, tải trọng H30,XB80, tiêu chuẩn thiết kế 22TCN18 79BGTVT qui trình 2001

Trong đó thành công nhất là công trình nghiên cứu của Petersen trong việc đề xuất và giải quyết bài toán theo nguyên lý của phơng pháp ma trận chuyển với các phần tử ma trận không tồn tạ

MỤC LỤC Trang Lời nói đầu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIẢI PHÁP CẦU CONG……… 1

1 Giới thiệu chung……… 1

2 Về kết cấu cầu cong……… ……….3

2.1 Lựa chọn sơ đồ kết cấu nhịp … …… ……… …… …… 3

2.2 Lựa chọn mặt cắt ngang cho cầu cong…… ……… .5

2.3 Nguyên tắc bố trí gối tựa và đặc điểm cấu tạo của mố trụ……… ……… 6

2.4 Tải trọng trên cầu cong……… ……… 7

3 Vấn đề thiết kế và xây dựng cầu cong ……… ……… 7

3.1 Chơng trình tính toán nội lực……… ……… ……… 7

3.1.1 Giới thiệu về phần mềm tính kết cấu SAP … … ………7

3.1.2 Phơng pháp khác……… ………… ………… … 8

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ CẦU CONG VƯỢT ĐƯỜNG CAO TỐC……… …… .11

1 Phương án I:Cầu dầm chữ I giản đơn BTCT dự ứng lực dạng giả cong 11… …

1.1 Bố trí chung……… ……… 11

1 2 Kết cấu nhịp…… ……… ……… 12

1.3 Mố trụ……….69

1.3.1 Tính trụ cầu……… ……… .69

1.3.2 Tính Mố Cầu……… ……… ……… 72

2 Phương án II: Cầu cong BTCT DƯL liên tục…… ……… ……… 79

1 Bố trí chung……… ……… ……… 79

2 Kết cấu nhịp………79

3 Tính toán Thiết kê mố trụ……… ……… 126

CHƯƠNG 3: CHUYêN ĐỀ VỀ TÍNH TOÁN NỘI LỰC CẦU CONG theo ph-ơng pháp ma trận chuyển tiếp…… ………141

1 Giới thiệu chung………141

2 Lý thuyết tính toán……… ……… 141

2.1 Các quan hệ về biến dạng trong dầm cong tròn phẳng…… …… ………141

2.2 Các phơng trình cân bằng tĩnh lực……… ……….142

2.3 Các phơng trình cơ bản tính thanh cong phẳng…… …… ………142

2.4 Ma trận chuyển nhịp……….

… 144 2.5 Điều kiện biên và điều kiện chuyển nhịp……… ……… 146

2.6 Giải quyết vấn đề trụ chéo……… ………

147 2.7 Vẽ đờng ảnh hởng và tính nội lực trên máy……… ……… 148

3 Tổ chức xây dựng chơng trình ……… 149

3.1 Nhập số liệu……….

. ………149

3.2 Tính toán……….

……… 150

3.4 Mã nguồn……… …

Lời nói đầu

Hiện nay ở nớc ta đã và xây dựng ngày càng nhiều đờng cao tốc Ưu điểm của

đờng cao tốc là có lu lợng vận chuyển lớn, tốc độ xe chạy cao.

Tuy nhiên do điệu kiện kinh tế có hạn, nên hiện nay nhiều nơi cha xây dựng

đợc gio cắt khác mức với đờng ngang, dẫn đến tai nạn ngày càng tăng( thí dụ ờng 5).

đ-Đến tuyến Hà nội – Bắc ninh đã cải tiến, đờng ngang thờng bố chí đi dới dẫn

đến làm tuyến gồ ghề, ảnh hởng đến khai thác công trình.

Mặt khác , trong thực tế nhu cầu làm đờng ngang khá nhiều, nhng cha đáp ứng đợc Nhiều nơi làm xong đờng, nhng địa phơng yêu cầu mở đờng ngang lại không đáp ứng đợc.

Ngoài ra các đờng ngang, không phải lúc nào cũng chạy vuông góc với đờng cao tốc, mà chạy chéo < 90 độ Nhiều nơi chay qua khu vực dân c đông đúc, mặt bặng hạn chế.

Để khắc phục những yêu cầu trên, rất nhiều nơi phải đa ra giải pháp cầu vợt dạng cong.

Nhằm đáp ứng yêu cầu trên đề tài này đi sâu nghiên cứu kết cấu cầu cong vợt

đờng cao tốc, phần nào đáp ứng những yêu câu, đòi hỏi cấp bách hiện nay và trong tơng lai ở nớc ta.

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Sinh viờn: Lờ Xuõn Thuỷ , Lớp: TĐH TKCĐ K40

Tờn đề tài: Thiết kế cầu cong vượt đường cao tốc

TểM TẮT YấU CẦU CỦA ĐỀ TÀI

- Thiết kế sơ bộ 2 phương ỏn cầu cong vợt đờng cao tốc

- Lập chương trỡnh hỗ trợ tớnh nội lực cầu cong ( chuyờn đề )

CÁC THễNG TIN CHỦ YẾU ĐỂ THIẾT KẾ

- Cho mặt cắt khu vực đờng cao tốc, điều kiện địa chất, thuỷ văn

- Khổ cầu: K7 + 2x1,5 m

- Tải trọng thiết kế: H-30, XB- 80, Người đi 300 kg/m2

- Tiờu chuẩn thiết kế: 22 TCN 18-79, Qui trỡnh 79 Bộ GTVT, Qui trỡnh 2001

NỘI DUNG BẢN THUYẾT MINH VÀ CÁC BẢN VỄ CHINH:

- Thiết kế 2 phương ỏn sơ bộ So sỏnh lựa chọn phương ỏn thiết kế kỹ thuật:

Thuyết minh kết cấu và dẫn giải bản tớnh, cỏc kết quả tớnh toỏn, thuyết minh phương hướng tổ chức thi cụng

- Cỏc bản vẽ: 8- 10 bản vẽ ( cỏc bản vẽ được phộp vẽ bằng tay và vẽ trờn mỏy nếu được GVHD chấp nhận )

- Nội dung phần chuyờn đề: Listing của chương trỡnh

GIÁO VIấN HƯỚNG DẪN:

a) Giỏo viờn hướng dẫn 1: Lờ Đắc Chỉnh

T/L Hiệu trưởng Ngày 4/ 2/ 2004 Đó giao nhiệm vụ

Hoàn thành cuốn Đồ án tốt nghiệp này, em xin chân thành cám

ơn Thầy giáo hớng dẫn Lê Đắc Chỉnh, ngời đã tận tình chỉ bảo và góp ý kiến quý báu cho em trong quá trình thực hiện Đồng thời qua

đây em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc của mình tới các thầy, các cô ờng Đại học Giao thông Vận tải đã tận tình dạy bảo em suốt 5 năm học tập và rèn luyện tại trờng.

Tr-Trong quá trình làm Đồ án tốt nghiệp, chắc chắn em không tránh khỏi những thiếu sót, do đó em rất mong nhận đợc những ý kiến nhận xét và chỉ bảo của các thầy cô.

Em xin chân thành cám ơn!

Sinh viên

Lê xuân Thuỷ

Chơng 1: tổng quan về giải pháp cầu cong

1 Giới thiệu chung:

Cầu cong phẳng ngang thờng đợc xây dựng tại vùng núi khi vợt qua các khe suối Ngày nay, cầu cong đợc bố trí ở khu vực xây dựng trong thành phố và tại những nút giao cắt lập thể Cũng nh tại nơi giao cắt với các đờng cao tốcĐể tránh nạn giao thông, giúp ngời lái xe yên tâm khi điều khiển xe qua điểm giao với đờng cao tốc, cần bố trí tại đó các cầu vợt thẳng hoặc cong mà trên thực tế phần nhiều là cầu cong

Để thuận lợi cho thi công và chống xoắn tốt cầu cong thờng đợc làm bằng bê tông cốt thép(BTCT) hoặc bê tông cốt thép dự ứng lực(BTCT DUL)

Ngày nay, ở các nơc có nền kinh tế phát triển đều mong muốn xây dựng đợc một

hệ thống đờng giao thông hiện đại mà trong đó cầu không chạy thẳng nh trớc đây mà ngợc lại phải uốn cong theo tuyến đờng Chẳng hạn:

- ở các khu vực hạn chế về mặt bằng ngời ta thờng sử dụng giải pháp cầu cong

để tuyến đờng có thể uốn vòng quanh các công trình hoặc nhà cửa đã có sẵn

- Trên các tuyến đờng miền núi nhỏ hẹp có thể sử dụng giải pháp cầu cong để mở rộng bán kính các cua đờng quá gấp hoặc tránh những khu vực có nguy cơ xảy ra sụt

tăng lên từ chỗ chọn sơ đồ tính thanh cong phẳng đến chọn sơ đồ thanh cong không gian

Trên thế giới, công tác thiết kế và xây dựng cầu cong từ lâu đã trở thành quen thuộc ở nớc ta cũng đã bắt đầu nghiên cứu xây dựng cầu cong Cũng do việc tính toán nội lực phức tạp cho nên ngời ta có thể thiết kế và xây dựng cầu theo dạng giả cong, nghĩa là bố trí các dầm cầu làm việc nh cầu thẳng còn mặt cầu có dạng cong(Cầu vợt vào sân bay Nội Bài).Tuy nhiên, để đạt hiệu quả hơn ngời ta thơng thiết

kế và xây dựng cầu cong liên tục nh cầu cong Nam Chơng Dơng

Cũng nh cầu sử dụng dầm thẳng trong tính toán thiết kế cầu cong phải giải quyết bài toán tính nội lực Việc tính toán nội lực dầm cong rất phức tạp, sự phức tạp tăng lên theo sơ đồ kết cấu làm việc theo nguyên lý thanh cong phẳng đến thanh cong trong không gian Lý thuyết tính toán thanh cong bắt đầu xuất hiện trên các tạp chí chyên nghành của các nớc từ những năm đầu 1950 Trong những tài liệu này cho thấy, từ năm 1965 trở về trớc cơ sở xây dựng thuật toán chủ yếu dựa vào nguyên lý tính phẳng của phơng pháp lực Do khối lợng lớn công cụ tính toán đơn sơ nên nhìn chung chỉ giới hạn trong phạm vi thăm dò về lý thuyết và mang tính thử nghiệm cho một số bài toán có kết cấu đơn giản phù hợp với điều kiện và phơng tiện vào thời

điểm bấy giờ

Vấn đề đặt ra đợc đáp ứng đầy đủ khi có sự trợ giúp hữu hiệu của máy tính điện

tử Với sự ra đời của máy tính điện tử trong những năm đầu 1965, một số tác giả nh Hinzen, Petersen, Muller đã tập trung phân tích thiết lập thuật toán tính dầm thẳng và cong liên tục trên cơ sở lý thuyết ma trận Trong đó thành công nhất là công trình nghiên cứu của Petersen trong việc đề xuất và giải quyết bài toán theo nguyên lý của phơng pháp ma trận chuyển với các phần tử ma trận không tồn tại dới dạng tích phân

mà “bằng số” vì vậy trên thực tế đợc áp dụng rộng rải và thậm chí hiện nay đợc sử dụng rất hiệu quả

ở Việt Nam một số công trình nghiên cứu đã vận dụng các kết quả của các tác giả đi trớc để hoàn thiện bài toán trên cơ sở đa thêm một số yếu tố của kỷ thuật xây dựng nh: Mố, trụ chéo theo hớng tuyến, gối cứng hay gối đàn hồi, các dạng đờng ảnh hởng dới tác dụng của ngoại lực nhiều hớng, v.v Vì vậy, các kết qủa đạt đợc rất phù hợp với yêu cầu của ngời sử dụng tạo điều kiện thuận lợi cho công tác thiết kế.Với sự phát triển nhanh chóng của máy tính điện tử, tốc độ tính toán cao, dung l-ợng bộ nhớ lớn tạo tiền đề cho các thuật toán số hiện đại ra đời nh phần tử hữu hạn, giải hữu hạn, sai phân hữu hạn, Với các thuật toán này cho phép giả quyết đ… ợc các bài toán kết cấu phức tạp theo nguyên lý làm việc không gian Với sự trợ giúp hữu hiệu của máy tính điện, mô hình hoá thuật toán không gian đã đợc chơng trình hoá và cho phép khai thác nó để tính cho các kết cấu không cần thiết phải giới hạn về quy mô và tính phức tạp của nó Vì vậy phạm vi ứng dụng rất rộng rải

Đặc biệt đối với nghành xây dựng các hệ thống phần mềm nh MICROFEAP, SAP90 đã trở thành phơng tiện tính toán đắc lực và có hiệu qủa đối với công tác thiết

lợi Các chơng trình của hệ thống phần mềm này chủ yếu đợc xây dựng trên cơ sở thuật toán phần tử hữu hạn.

Việc tính toán thiết kế đối với cầu cong về nguyên tắc nhìn chung không có sự khác biệt lớn so với cầu thẳng, mà điều khác nhau chủ yếu ở chổ: chống xoắn bằng các giải pháp cấu tạo kết cấu phù hợp Đối với cầu cong bằng thép hoặc BTCT tông thờng đợc áp dụng dạng hộp kín khi cầu có chiều dài 40m Đối với các nhịp ngắn≥

do mômen xoắn thờng không quá lớn nên có thể dùng kiểu kết cấu hở nh hệ dầm liên kết có dầm ngang tăng cờng

Những cầu có độ cong nhỏ(bán kính R lớn) quan điểm tính toán truyền thống ờng chỉ áp dụng các giải pháp cấu tạo để chống xoắn nh kiêủ hình hộp kín Trong tr-ờng hợp nh vậy ngời ta suy nghĩ quan điểm rằng với kiểu hộp kín tạo khả năng chống xoắn tốt cùng sự bố trí các loại cốt thép dọc và cốt thép đai là có thể đảm bảo chống xoắn có hiệu quả Tuy nhiên đối với cầu có độ cong lớn(khẩu độ nhịp <40m và R<100m), ngoài việc cấu tạo tiết diện kiểu hộp kín và bố trí cốt thép thờng theo quy

th-định cân phải tăng cờng chống xoắn về thiết kế tổng thể củng nh điều chỉnh và tăng cờng cốt thép thờng hoặc cốt thép dự ứng lực Đối với dầm BTCT thờng Brendel đã trình bày lý thyết chống xoắn cho một số cấu kiện chịu xoắn Đối với cầu BTCT DUL vấn đề tính toán thiết kế chống xoắn phức tạp hơn Trong trờng hợp nhịp dầm có độ cong lớn dới tác dụng của tỉnh tải và hoạt tải Tại những vị trí bất lợi xuất hiện mômen xoắn lớn và các giải pháp khác nh cấu tạo tiết diện hình hộp và tăng cờng cốt thép thờng không đảm bảo chống xoắn có hiệu quả nhất thiết cần phải tăng cờng thêm hoặc điều chỉnh dạng cong của bó thép DUL để gia cờng chống xoắn Về vấn

đề này trong công trình nghiên cứu của mình Egger đã trình bày phơng pháp bố trí bố cốt thép DUL trong dầm cong dạng hộp kín bằng BTCT DUL Khi điều chỉnh bố trí

bó cốt thép DUL ông đã xét trên hai yếu tố đồng thời chống uốn và chống xoắn.Công trình nghiên cứu tập trung chủ yếu giải quyết vấn đề đặt ra giới hạn trong phạm vi dầm cong liên tục hai nhịp

Cũng theo một hớng khác nhằm mục tiêu giải quyết bài toán chống xoắn trên quy mô lớn hơn cho dầm cong liên tục nhiều nhịp một số tác giả đã vận dụng lý thuyết tính toán của Leohard, theo lý thuyết này xem lực nén của bó thép DUL lên bê tông nh một ngoại lực, lực ép nén này tác động lên tiết diện bê tông theo hai hớng: ngợc với chiều thẳng đứng của tĩnh tải và hoạt tải và hớng trọng tâm đờng tròn của nhịp dầm Do vị trí bó thép nằm sâu hơn trục trung hoà nên các lực nén hớng tâm sẽ tạo ra mômen xoắn ngợc với mômen xoắn nội lực Từ đó thuật toán đợc thiết lập cho sơ đồ đờng cong bó thép nhằm tạo ra khả năng chống xoắn có hiệu quả Theo hớng này một số tác giả đã áp dụng phơng pháp ma trận chuyển để tính toán các loại đờng

ảnh hởng trong dầm cong liên tục nhiều nhịp tơng ứng với loại tải trọng tác dụng, khi tính toán chống uốn và chống xoắn sử dụng nguyên tắc cộng tác dụng đờng ảnh h-ởng

2 Về Kết cấu Cầu cong:

2.1 Lựa chọn sơ đồ kết cấu nhịp

nhng phần mặt xe chạy phải đợc mở rộng thêm sao cho phù hợp với độ cong của ờng Nhợc điểm của dạng cầu này là có nhiều khe co dãn, trụ cầu lớn và bệ kê gối phức tạp làm cho công trình tốn nhiều vật liệu và nhất là mặt cầu không êm thuận.

đ-Để khắc phục những nhợc điểm trên , tại các nút giao khác mức không nên xây dựng các cầu gỉa cong mà phải là các hệ dầm cong liên tục Mặt khác, do yêu cầu về tốc độ thiết kế và bảo đảm an toàn nên trong thực tế độ dốc dọc của cầu rất nhỏ, từ đó cho phép tính nội lực cầu congtheo sơ đồ hệ thanh cong phẳng

Ngời ta thờng sử dụng một số sơ đồ kết cấu nhịp cầu cong chủ yếu, bao gồm dầm cong một nhịp, 2 nhịp và nhiều nhịp; tựa trên trụ thẳng và trụ chéo, gối xoắn tự

do hoặc gối chống xoắn, gối cứng hoặc gối đàn hồi, cong một chiều hoặc 2 chiều.Ngoài ra, để lựa chọn đợc phơng án cầu cong phù hợp, ngời thiết kế còn phải căn cứ vào những yếu tố sau:

- Độ lớn của góc mở (α) cho mỗi nhịp cầu cong

- Bán kính cong (a) của mỗi nhịp không đổi hoặc thay đổi liên tục

Mặt cắt ngang dầm cầu trong mỗi nhịp không đổi hoặc thay đổi liên tục.Chiều dài l của mỗi nhịp cầu cong đợc xác định trên cơ sở bán kính cong a và độ lớn của góc mở α của chính nhịp cong đó Ta có l = a α Trong đó a tính bằng m (mét) ,

α tính theo radiant Bán kính cong a đợc xác định trên cơ sở bán kính tối thiểu amin theo công thức gần đúng

q

V a

2 min =0,262

ở đây V là tốc độ thiết kế và q là độ siêu cao của đờng

Các sơ đồ kết cấu nhịp

+ Sơ đồ 1:

Cầu cong có trụ chéo

Đường cao tốc

Nhận thấy rằng sơ đồ 2 và sơ đồ 3 tiết kiệm đợc chiều dài nhịp nhng phải bố trí trụ chéo, sơ đồ 1: không có tru chéo vì vậy kết cấu đảm bảo an toàn hơn Nên em chọn sơ đồ 1 để thiết kế sơ bộ

2.2 Lựa chọn mặt cắt ngang cho cầu cong

Cũng giống nh cầu thẳng, có thể chọn mặt cắt ngang cho cầu cong dạng bản (đặc hoặc rỗng) hoặc dạng dầm ( tiết diện chữ I, chữ T, hình hộp đơn hoặc kép, có vách ngăn hoặc không có vách ngăn), bằng bê tông cốt thép hay bằng thép, thi công lắp ghép hay đổ bê tông tại chỗ

Đặc điểm của dầm cong là luôn chịu xoắn, những tác dụng do xoắn đợc truyền vào trong kết cấu , đối với tiết diện kín thì tác dụng này biến thành dòng ứng suất cắt khép kín, còn đối với tiết diện hở thì tạo thành sự cong vênh của tiết diện đó hay chuyển vị uốn của sờn dầm theo những mức độ khác nhau

Để tránh bị phá hoại do cắt các tiết diện kín phải có độ dày đủ lớn, nếu không đạt

đợc yêu cầu này ngời thiết kế phải tăng cờng bằng các khung ngang hay vách ngăn

để tiếp nhận những lực cắt trên Đối với kết cấu có tiết diện hở, cũng phải tăng cờng

nh vậy nhng dới dạng các thanh tăng cờng ngang

Tuy nhiên trong thực tế không thể làm triệt tiêu hết sự cong vênh của kết cấu có tiết diện hở bằng cách bố trí các dầm ngang, vì vậy vẫn phải chọn tiết diện kín cho các kết cấu cầu cong Để đơn giản khi thiết kế cũng nh khi thi công, trong khu vực đô thị nên chọn tiết diện không đổi suốt chiều dài cầu

Đặc biệt phải chọn tiết diện có độ cứng chống uốn và chống xoắn tốt, bảo đảm sao cho kết cấu không có biến dạng lớn Trong trờng hợp này nên chọn tiết diện dạng hình hộp rỗng hoặc bản có khoét lỗ, không những chúng có độ cứng lớn mà còn có diện tích mặt cắt ngang và trọng lợng bản thân nhỏ, khả năng chịu xoắn tốt, hiệu biên độ ứng suất tại mỗi điểm cũng nhỏ Do đặc điểm của cầu vợt đờng cao tốc là

2.3 Nguyên tắc bố trí gối tựa và đặc điểm cấu tạo của mố trụ

Cấu tạo của gối có ảnh hởng rất lớn đến nội lực và biến dạng của cầu cong Vì vậy ngoài các gối cố định, cần bố trí các gối di động sao cho chúng không làm phát sinh ra những chuyển vị cỡng bức quá lớn

Có hai cách bố trí gối khác nhau Cách thứ nhất là bố trí chuyển vị của tất cả các gối hớng về một cực, cực đó chính là gối cố định và cách thứ hai là bố trí chuyển vị của gối theo hớng tiếp tuyến với dầm cong Trong cả 2 trờng hợp, mỗi gối đều có những chức năng riêng, chúng có thể thực hiện đợc cả 2 chức năng là chuyển vị thẳng

và quay Các gối cầu hiện đại ngày nay có thể đáp ứng đầy đủ các chức năng trên Với cách thứ nhất, nếu cầu dài gồm nhiều nhịp thì nên đặt gối cố định vào khoảng giữa cầu Nếu cầu có độ dốc dọc lớn thì nên đặt gối cố định về phía gối có cao độ thấp hơn Trong trờng hợp này do không bị cỡng bức khi chịu tác dụng của nhiệt độ nên cầu không bị cong vênh

Cách thứ hai phù hợp với kết cấu có lực và chuyển vị tác dụng dọc theo cầu, thí

dụ nh lực ứng suất trớc và từ biến, kể cả lực hãm của xe cộ và sự thay đổi không đều của nhiệt độ

Cầu cong không những đợc đặt trên trụ thẳng mà còn đợc đặt trên trụ chéo ờng hợp này thờng gặp trong thực tế mỗi khi cầu vợt chéo qua các tuyến đờng hoặc sông suối

Tr-2.4 Tải trọng trên cầu cong

Nhìn chung cầu cong chịu tác dụng của 3 loại tải trọng chính, đó là tĩnh tải của bản thân cầu, tải trọng thẳng đứng của đoàn xe và tải trọng ứng suất trớc Tuỳ theo yêu cầu của mỗi phơng pháp tính , có thể phân tích các lực thành nhiều thành phần và

đa về tác dụng tại những vị trí nhất định Với đặc điểm là kết cấu dạng dải, nên có thể

đa các tải trọng trên về tác dụng dọc theo tim cầu dới dạng các tải trọng tập trung, tải trọng phân bố, mô men tập trung và mô men phân bố Các tải trọng khác nh lực ly tâm, tải trọng hãm của xe , lực va chạm, tải trọng gió, lực ma sát gối, các ảnh hởng do nhiệt độ, co ngót, từ biến và gối lún v.v cũng đợc phân tích nhng sẽ xét theo các chuyên đề riêng biệt

Bán kính cầu cong tính đến vị trí tim cầu nhỏ hơn bán kính của sờn dầm phía ngoài và lớn hơn bán kính của sờn dầm phía trong cho nên khi bố trí cốt thép cần chú

ý sự khác nhau của chiều dài cốt thép trong 2 sờn dầm nói trên Ngoài ra do hình chiếu của tim đờng (mặt xe chạy) và của tìm dầm cầu không trùng với tim đỉnh trụ nên khi chịu tác dụng của cùng một tải trọng thẳng đứng thì các mô men xoắn xuất hiện ở 3 vị trí trên cũng khác nhau

3 Vấn đề về thiết kế và xây dựng Cầu Cong

3.1.1 Giới thiệu chung về phần mềm tính kết cấu SAP

Mục này sẽ giải thích một số khái niệm cơ bản và các phơng pháp kỹ thuật, thuật ngữ chuyên môn đợc sử dụng trong chơng trình phân tích kết cấu cầu ( SAP2000 Bridge Analysis Module) để tạo các tải trọng của xe lên kết cấu cầu Phần định dạng các khối dữ liệu cần thiết trong tệp nhập dữ liệu và đa ra một số ví dụ điển hình để kiểm tra chơng trình và giới thiệu các tính năng kỹ thuật, các phơng pháp kỹ thuật làm việc

Tóm lại, yêu cầu để sử dụng chơng trình phân tích kết cấu cầu (SAP2000 Bridge Analysis Module) là phải :

- Thiết kế tính chất kết cấu cầu theo các nguyên lý phần tử thanh của SAP2000

- Xác định phần xe chạy của cầu ( phạm vi mặt bằng đặt tải trọng thực của xe

- Phân nhóm các tải trọng thực khác nhau của xe có thể tác động lên cầu

- Làm rõ các trờng hợp” tải trọng động” , quy định các nhóm tải trọng thực của

xe tác động lên các làn cầu dới nhiều dạng tổ hợp

- Phân ra các loại tổ hợp đờng bao giữa tải trọng di động với tĩnh tải và động học khác của SAP2000

SAP2000 có khả năng tìm ra tải trọng chung nhất tại trờng hợp cụ thể để vạch ra các đờng bao nội lực của các phần tử , chỉ ra giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của các nội lực này trên toàn bộ kết cấu Các nội lực ở đây là mô men, lực cắt, lực dọc trục, lực xoắn sinh ra trên mỗi phần tử thanh trong trờng hợp đó

Chơng trình phân tích kết cấu cầu (SAP2000 Bridge Analysis Module) yêu cầu kết cấu phải đợc thiết kế từ các phần tử thanh trong các trờng hợp đơn giản kiểu mô hình phẳng (mô hình “2 chiều”) Trong đó, các phần tử nằm dọc sẽ mô tả kết cấu phần trên ( đặc trng cho kết cấu nhịp cầu) và các phần tử nằm theo chiều thẳng đứng

sẽ mô tả kết cấu bên dới, tức là các trụ và mố cầu

Đối với các kết cấu cầu cong, có phần kết cấu nhịp uốn cong trên mặt bằng thì các phần tử thanh này không cùng nằm trong một mặt phẳng thẳng đứng Các phần tử nằm theo hớng thứ 3, hớng nằm ngang cũng có thể đợc sử dụng để thiết kế các đoạn cong này và một số đặc điểm khác

Dựa vào đặc trng hình học của thiết diện của phần tử thanh mà có thể đánh giá

đ-ợc tổng độ cứng của kết cấu phần trên và kết cấu phần dới

Các phần tử này phải đợc đặt chính giữa trục của các bộ phận mà nó biểu hiện Các phần tử thanh làm sàn cầu, kết cấu nhịp cầu phải đặt theo hớng hai trục thành phần , trục thứ 2 có chiều ngợc với chiều trọng lực Điều này rất quan trọng cho việc tính toán mô men âm lớn nhất dới tải trọng làn

để thiết kế các bộ phận thực tế của cầu.

3.1.2.Phơng pháp khác

Trớc năm 1964, khi tính các hệ thanh cong, ngời ta thờng dựa trên cơ sở các

ph-ơng trình cân bằng tĩnh của một đoạn thanh cong tròn Nh sau:

M ds

dM

ds

dM a

q ds

M d

−

=++

)

1(2 2

Khi chiều dài nhịp l nhỏ hơn bán kính a, công thức thứ nhất có thể biến đổi thành

đồ kết cấu cầu thẳng có cùng khẩu độ cùng các điều kiện khác tơng ứng và tính toán

ta đợc nội lực trên kết cấu cầu thẳng từ đó suy ra nội lực trên kết cấu cầu cong bằng cách lấy nội lực trên kết cấu cầu thẳng nhân với hệ số tính đổi Hệ số tính đổi đợc nghiên cứu bằng kinh nghiệm trên các sơ đồ thực tế, để tiện sữ dụng các tác giả đã lập thành các bảng tra hệ số tính đổi để tính nội lực cầu cong Nội dung của phơng pháp nh sau:

a Giới hạn góc mở của cầu cong

chủ yếu nh mô men uốn,mômen xoắn so vơi cầu thẳng khoảng từ 10-15% Trong ờng hợp độ cong nhỏ hơn và khẩu độ nhỏ hơn 30m thì có thể tính nh cầu thẳng và

tr-điều chỉnh các trị số nội lực theo độ cong thực tế Trên bảng trình bày một số kết quả

đã đợc nghiên cứu để áp dụng cho việc điều chỉnh

Bảng :Độ lệch mômen uốn M và mômen xoắn T giửa nhịp dầm cong và thẳng

Từ đó ta có thể rút ra quy luật nh sau:

Đối với nhịp giản đơn hoặc liên tục hai nhịp độ lệch của mômen uốn giửa dầm cong và dầm thẳng tăng lên theo độ cong (dầm thẳng có chiều dài khẩu độ nhịp và các điều kiện khác tơng tự) Với goc mở của nhịp φ >30 thì độ lệch 14,3% Độ° ≥lệch này nhìn chung khá lớn vì vậy ngời thiết kế cần xem xét để áp dụng phơng pháp tính phù hợp với nguyên lý làm việc của thanh cong

Độ lệch mômen xoắn tại các vị trí bất lợi(tại mố) tăng đáng kể theo độ cong của nhịp dầm Với góc mở φ≥ °30 thì độ lệch tăng 46%(khi có tải trọng lệch tâm) ≥Tính toán nội lực cầu cong phức tạp hơn nhiều so với tính toán nội lực của cầu thẳng Tuy nhiên khi nghiên cứu về cầu cong, ta thấy kết cấu này thờng bị khống chế bởi các quy định về kỷ thuật nên công tác tính toán giảm nhẹ đi rất nhiều.Chẳng hạn bán kính tối thiểu của các cầu cong trên đờng cao tốc và đờng phố chính tơng đối lớn, vì vậy trong các trơng hợp này mức độ chênh lệch về nội lực giửa cầu cong và cầu thẳng sẽ không nhiều

Những số liệu khảo sát cho biết ,độ chênh lệch của mô men uốn lớn nhất trong các dầm cong ghi ở bảng so với trị số tơng ứng trên dầm thẳng không quá 5% Nh vậy những cầu cong có góc mở nhỏ hơn số liệu ghi trên sơ đồ trong bảng,do sai số không quá lớn nên trong giai đoạn thiết kế sơ bộ cho phép tính nh nội lực cầu thẳng

b Tính nội lực cầu cong trên cơ sở nội lực cầu thẳng

Đối với những cầu cong có độ cong lớn, để xác định nội lực của kết cấu ta có thể

áp dụng phơng pháp tính nội lực cầu cong trên cơ sở nội lực của cầu thẳng có chiều dài tơng ứng.Nội dung của phơng pháp là dùng bảng tra các hệ số tính đổi k Hệ số

M (q=1)

M (q=1)qi

T

2

i k =Tqi

2 i

T

2 i

M (T=1)

M (P=1)

qi

2 i

)1(

q M

qi

k qi M : Hệ số tính đổi cho mô men uốn của điểm i

M∩ i(q=1) :Mô men uốn của điểm i trên dầm cong

M_2(q=1) :Mô men uốn của điểm 2 trên dầm thẳng tơng ứng, do

Hệ số tính đổi k đợc tính sẳn ở bảng tra, điều thuận tiện của phơng pháp này là khi đã có nội lực của kết cấu cầu thẳng, ta chỉ việc tra bảng các hệ số tính đổi từ đó ta

có đợc nội lực cầu cong Tuy nhiên, nh đã trình bày ở trên nhợc điểm của phơng pháp

là khi tính toán kết cấu cầu cong có khẩu độ lớn,nói khác đi độ cong hay góc mở của nhịp cầu lớn sẽ cho ta kết quả không hợp lý, thiếu thuyết phục bỡi vì chênh lệch nội lực tăng lên khi độ cong của cầu cong tăng lên Vì vậy, trong trờng hợp này ngời thiết

kế phải sữ dụng phơng pháp tính khác để có đợc kết quả chính xác, phù hợp với độ cong thực tế của nhịp

Chơng 2: Thiết kế cầu cong vợt đờng cao tốc

r60

t3

t2 t4

Dầm cầu bêtông cốt thép dự ứng lực, mặt cắt chữ I, thi công bằng phơng pháp kéo

sau Bản mặt cấu đổ tại chỗ

Chiều dài dầm: 30mét

Tải trọng H30, XB80,ngời đi 300kg/m

Bêtông sử dụng: Mác 300, 400

Cốt thép dự ứng lực: loại bó 12 tao 12,7mm của hãng VSL

Cốt thép thờng: các loại cốt thép AIV

Neo: Sử dụng loại neo kiểu EC của hãng VSL

I Lựa chọn sơ bộ măt cắt kết cấu nhịp

I.1 Lựa chọn sơ bộ kết cấu nhịp:

Tổng chiều dài toàn dầm là 30 mét, để hai đầu dầm mỗi bên 0,3 mét để kê gối Nh vậy chiều dài nhịp tính toán của nhịp cầu là 29,4 mét

Cầu gồm 5 dầm có mặt cắt chữ I chế tạo bằng bêtông mác 400, bản mặt cầu có chiều dày 20cm, đợc đổ tại chỗ bằng bêtông mác 300, tạo thành mặt cắt liên hợp Trong quá trình thi công, kết hợp với thay đổi chiều cao đá kê gối để tạo dốc ngang thoát nớc Lớp phủ mặt cầu gồm có 3 lớp: lớp phòng nớc có chiều dày 1cm, lớp bêtông bảo vệ có chiều dày 4cm và lớp bêtông asphalt trên cùng có chiều dày 5cm

2,1m x 4 0,8m

1,9m

10m

* Lựa chọn mặt cắt ngang dầm chủ

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

Chiều cao toàn dầm: 165cm

Chiều rộng bầu dầm: 65cm

Chiều cao bầu dầm: 25cm

Chiều cao vút của bụng bầu dầm: 20cm

Chiều rộng cánh dầm: 85cm

Phần gờ dỡ bản bêtông đổ trớc: 10cm mỗi bên

Các kích thớc khác nh hình vẽ:

65 85

2085.1585.128.65

−+

+

=

Chiều cao tính đổi của phần bầu dầm:

Chiều cao tính đổi phần bụng dầm:

)(89,10119,3192,31

Toạ độ trọng tâm cốt thép dự ứng lực:

)(1,195

1.385,24.111.3

3α

Trong đó:

d d

n

I E

l P

a

I I

384

.5

l- là khẩu độ tính toán của nhịp l=29,4m

Ed, En là môđun đàn hồi của dầm dọc và dầm ngang, ở đây coi nh Ed=En

Id, In -là mômen quán tính của dầm dọc chủ và dầm ngang

d- là khoảng cách giữa các dầm dọc chủ, d=2,1m

a- là khoảng cách giữa các dầm ngang theo phơng dọc cầu, ở đây bố trí 5 dầm ngang dều nhau nên a=7,35m

Dầm ngang đợc lựa chọn sơ bộ nh sau:

Chiều dài của dầm ngang là 1,9m (bằng khoảng cách giữa các sờn dầm)

Chiều cao dầm ngang 132cm

I a d

8,124

,31.6520.89,10119,31.659,0.20

Mômen tĩnh đối với mép trên của dầm chủ:

)(6,67

)(744,66853804

,169.8,207414

,102.8,20376

,35.35,202710

.9,0.20

S

y

cm S

=

=

⇒

=+

++

=

67,6

132

20

)(8,4052705244

,101.8,207412

4 2

3

cm I

cm

=+

+

Thay các giá trị trên vào ta tính đợc:

0123,03833280

.4.29

8,40527052

35,7.1,2.8,12

P

d

d R

Trong đó:

Rn0P là phản lực gối n do tải trọng P=1 tác dụng tại gối biên gây ra

Rn0M là phản lực gối n do mômen M=1 đặt tại gối biên gây ra (Tra bảng)

dk,d là chiều dài mút thừa và khoảng cách giữa 2 dầm chính

( 0,17017) 0,24541

,2

8,018055,0

7127,023767,0.1,2

8,062214,0

1,2

8,0

−

=

=+

R

R

d

d

0,17832

-0,000223 -0,18055

0.38816 0,62214

0,7127

Chất các hoạt tải xe ôtô H30 và xe bánh nặng XB80 lên đờng ảnh hởng tính

đ-ợc hệ số phân bố ngang của tải trọng H30 và XB80 cho dầm biên tại mặt cắt giữa nhịp (lớn nhất)

1

⇒k H

2,7

0,29323

(0,58314 0,29323) 0,43822

0,9048 0,8334

4167,0

4524,080

2,7 1,9

7857,080

1 0,09524

0,4762

5,0

7857,080

+ Với đoạn còn lại thì tính toán theo cách nội suy

Với cách tính nh trên, tính đợc hệ số phân bố ngang tại một số mặt cắt nh sau:

)/(41,05

.4,29

5,2.10.30.145.8.45,2.10.132.30.9,1.20

"

4 4

Vậy tổng tĩnh tải giai đoạn I là:

)/(91,2

q =

2 Tĩnh tải giai đoạn II

- Trọng lợng phần lan can tay vịn:

Trọng lợng phần trên của lan can thờng lấy 30kG/m

Trọng lợng phần lan can đổ tại chỗ:

)/(617,003,04,29

5,2.9,6

)(9,630.10.30.302

130252050

m T P

m V

lc

lc

=+

Từ đó ta tính đợc tĩnh tải giai đoạn II:

t t c

lc z p P

q2 = + ω

Plc -là trọng lợng của lan can trên một mét dài dâm

Pt -là tải trọng do lớp phủ mặt cầu

Zc -là tung độ đờng ảnh hởng tại vị trí của lan can

ωt -là diện tích đờng ảnh hởng phần chịu tải trọng của lớp phủ mặt cầu

ở đây coi tải trọng của lan can đặt tại đầu mút hẫng của bản (thiên về an toàn)

-0,2454

0,17832

-0,000223 -0,18055

0.38816 0,62214

)/(2883,02454,07127,0617,0

)/(4111,07872,1.23,0

q

m T z

P

m T p

- Tải trọng tơng đơng H30:

Tra bảng tải trọng tơng đơng của đoàn xe H30 và nội suy ta đợc tải trọng tơng

đ-ơng đối với tính toán mômen nh sau (chiều dải đặt tải là 29,4m):

Chiều dài đặt tải 29,4

(27,9m)

Đầu dầm

(29,4m)

3 Xác định nội lực tại các mặt cắt

Với chiều dài đặt tải nhỏ hơn 5 mét thì hệ số xung kích 1+à=1,3

Với chiều dài đặt tải lớn hơn 45 mét thì hệ số xung kích 1+à=1,0

Vậy, với chiều dài đặt tải 29,4 mét, nội suy ta tính đợc hệ số xung kích bằng:

1+à=1,12

(Bảng tính)

Tính diện tích đờng ảnh hởng(Bảng 1)

l l x

Trong đó : qb , qd : trọng lợng phần bản đổ sau và tĩnh tải phần bản thân dầm khi chế tạo

Nội lực do hoạt tải : H30 và XB80

Bảng 3

7 Q2 1,4 1,1 57,071 58,714 58,714

u c

d

R

R h b

205.9,165.210.09,

Víi lo¹i bã c¸p 12 tao 12,7 th×:

24,4844,11

2,50

)(844,

Chän 5 bã cèt thÐp lo¹i 12 tao 12,7mm vµ bè trÝ nh h×nh vÏ (t¹i mÆt c¾t gi÷a dÇm)

Bố trí cốt thép trong dầm chủ đợc thực hiện theo hình parabol.

Toạ độ các bó cốt thép trong dầm chủ (1/2 dầm) đợc thể hiện trong bảng sau(khoảng cách L đợc tính từ giữa dầm, tính bằng cm Toạ độ các bó cốt thép đợc tính từ đáy dầm, tính bằng mm):

)(75801612800

.22,59

931107

19,31.65.20520.65.14020.65210.115'

.'

0 300 300

kG

h b R h b R h b

b

=

=+

+

−

=+

+

−

Vậy, trục trung hoà đi qua phần bản của dầm chữ I

Chiều cao vùng chịu nén:

( ) ( )

65.205

245251620

'

'

'

'.20.'

.'

400

300 300

2 2

400 300

300 2

2

cm b

R

h b R h b b R F R x

b x

R h b R h b b R F R

c u

c c u c c c tr d d

c u

c b u c c c tr d d

=+

=+

19,31209,16519,31.20

2

.2

''

'2

0 400

0

300 0

400 0

300 max

cm kG cm

kG

h x h h h x

b

R

h h h b R

h h h h b b R

h h h b b R

M

c c

c u

c c

u

c c c

c tr

c c

c tr

E

E n

9,0350000

315000400

E

E n

1.1 MÆt c¾t gi¶m yÕu (Giai ®o¹n cha kÐo cèt thÐp D¦L)

Tæng diÖn tÝch c¸c èng ghen:

)(58,

( ) ( )

2

19,31165.19,31.20652

92,31.20652

20

165

.2

2

.2

3 2

2

2 2

2

2 1 1

2

0

cm

a F

h h h b b

h b b b

−+

−+

95,5009830

.12

.2

12

.3

.3

4 2

2 2 2

2

3 2 2

2 1 1

1

3 1 1 3 3

0

cm a

y

F

h y h b b h b b h

y h b b h b b y b y

b

I

d d

t d

t d

−+

−++

=

1.2 Tiết diện nguyên

- Tiết diện tính đổi:

)(1,627063

,5.22,597,5936

td

td 3,47

1,6270

25,

)(92,8047,339,840

cm y

h y

cm c

y y

I d

I t d

I d

1,1992,8022,59.63,547,3.7,593619525505

4

2 2

2 2

0 0

cm

a y F n c F I

d d d td

=

=

−+

+

=

−+

+

=

1.3 Tiết diện liên hợp

- DiÖn tÝch cña mÆt c¾t liªn hîp

LH

1,10050

4,280022

- Kho¶ng c¸ch tõ trôc 2-2 tíi mÐp trªn vµ mÐp díi cña dÇm chñ:

)(22,5622,108165

)(78,10886,2792,80'

cm y

h y

cm c

y y

II d

I t

I d

II d

=+

=

- M« men qu¸n tÝnh cña mÆt c¾t liªn hîp:

( )

)(339390742

2022,5620.210.9,012

20.210

2

.12

'

4 2

3

2 2

3 2

cm

h y b h n h b n c F I

t b b b b b b td

++