Hướng dẫn đồ án môn học Thiết Kế Cầu Thép

Dc : Tĩnh tải bộ phận kết cấu và liên kết Dw: Tải trọng tĩnh các lớp mặt cầu và thiết bị LL: Hoạt tải xe IM: lực xung kích của xe cộ G/ NỘI LỰC DO HOẠT TẢI : Không áp dụng cho tải trọn

THUYẾT MINH ĐỒ ÁN THAM KHẢO

THIẾT KẾ CẦU THÉP

(LƯU Ý: CHỈ DÙNG ĐỂ THAM KHẢO)

ĐÀ NẴNG 01-2010

A/ SỐ LIỆU THIẾT KẾ :

1 Câc Số Liệu Thiết kế:

Khi thiết kế cần có câc số liệu đầy đủ như dưới đđy

Chiều dăi nhịp: L, chiều dăi nhịp tính toân: Ltt

Khổ cầu : K = Bề rộng xe chạy + phần người đi bộ

(Chú ý: giữa phần xe chạy vă phần lề đi bộ có bộ phận ngăn câch cứng hay mềm)

Tải trọng: + Hoạt tải ôtô: HL93 hoặc 0,65HL93 hoặc 0,5HL93

+ Người : 3000Pa hoặc 4000Pa Loại kết cấu dầm thĩp: Dầm thĩp liín hợp với bản bítông cốt thĩp

2 Nội Dung Thiết Kế:

+ Tính toân nội lực dầm chủ vă duyệt tiết diện

+ Tính neo liín kết

+ Tính toân ổn định

+ Tính toân mối nối dầm chủ

+ Tính toân câc liín kết trong tiết diện dầm chủ

3 Tiíu chuẩn âp dụng:

Tiíu chuẩn âp dụng trong Thiết Kế Cầu Thĩp lă Tiíu chuẩn 22TCN 272-05

B/ CHỌN MẶT CẮT NGANG CẦU – TIẾT DIỆN DẦM CHỦ:

- Đối với cầu dầm thĩp liín hợp với bản bítông cốt thĩp thì câc yều tố của mặt cắt

ngang cầu có liín quan đến nhau: số lượng dầm, khoảng câch dầm lă những yếu

tố có liín quan mật thiết với nhau, theo kinh nghiệm thì cho thấy rằng việc bố trí

khoảng câch dầm lớn, số lượng dầm chủ ít thì kinh tế hơn so với việc ta bố trí

nhiều dầm chủ nhưng kích thước nhỏ Từ khuyến câo đó ta chọn mặt cắt ngang

của cầu thường từ 5-7 dầm tùy theo khổ cầu

500

1650 1650

875

BẢN BTCT DÀY 19CM 1.5%

LỚP PHÒNG NƯỚC 1CM BTN HẠT MỊN DÀY 6CM

ĐỘ DỐC MUI LUYỆN 1.5%

- Chú ý : Phần ngăn cách giữa người đi bộ và phần xe chạy là gì?

- Chọn Dầm I tiết diện đồng nhất, không nên chọn tiết diện lai

- Chiều cao dầm chủ: Ký hiệu: d

Theo kinh nghiệm chọn: d =

30 20

+ Chiều dày: nên chọn tw ≥ 10 (mm)

C/ BẢN MẶT CẦU: Theo kinh nghiệm chọn chiều dày của bản ts=

12 10

S  S mm và ts ≥ 175mm , S: khoảng cách giữa hai dầm; bê tông bản mặt cầu có cường độ nén f’c=

Dc : Tĩnh tải bộ phận kết cấu và liên kết

Dw: Tải trọng tĩnh các lớp mặt cầu và thiết bị

LL: Hoạt tải xe

IM: lực xung kích của xe cộ

G/ NỘI LỰC DO HOẠT TẢI :

Không áp dụng cho tải trọng làn

4/ Xác định Hệ số phân phối Mômen của Dầm Trong và Dầm Ngoài:

- Việc tính toán một cách chính xác sơ đồ tính không gian của cầu gồm nhiều dầm là

hết sức phức tạp Do đó người ta dùng cách tính gần đúng bằng cách đưa sơ đồ cầu

thực tế về sơ đồ cầu phẳng và chỉ cần tính cho 01 dầm đại diện, khi đó phải kể thêm hệ

số phân bố ngang của hoạt tải

- Loại tiết diện ngang (a):

S (mm); L (mm) ;

ts (mm); tỷ số môđun đàn hồi có thể chọn n = 8 ; f’c (MPa)

- Diện tích dầm thép: Ag (mm2)

- Dùng thép công M270 cấp 345

Đặc trưng tiết diện dầm thép được tính như sau:

Thành phần A(mm 2 ) y(mm) A.y(mm 3 ) y-y ’ A(y-y’) I 0

10 651

10 651 ,

c

s

E E

de : khoảng cách từ tim dầm ngoài đến mép trong đá vỉa (mm)

eg :khoảng cách giữa trọng tâm dầm chủ và của bản mặt cầu (mm)

Ig : mômen quán tính của dầm (mm4)

- Khi tính hệ số phân phối ngang cho dầm trong, tổ hợp bất lợi sẽ gồm tải trọng

người và hai làn xe ô tô

b Dầm ngoài:

- Khi có một làn xe chất tải dùng phương pháp đòn bẩy:

+ Khi có một làn xe chất tải: dùng phương pháp đòn bẩy

R1 = P.1425 0,522P

21650

= 0,77+

2800

375

= 0,903 < 1,0 => e=1,0 Vậy mgM

1650

500 600 1800

P/2 P/2

875 225

* Hệ số phân phối ngang của hoạt tải người (dầm ngoài):

2 1

675 PL

Ðah R1 1650

- Ta thấy khi tính hệ số phân phối ngang cho dầm ngoài (dầm biên), khi chất tải đồng

thời xe và người thì hầu hết dầm biên chỉ chịu tải trọng người chứ không chịu tải trọng

xe ô tô Vì vậy, tổ hợp vừa có xe vừa có người là không bất lợi khi tính cho dầm

ngoài, mà chọn tổ hợp chỉ có xe xếp ra cách mép lan can 60cm

c Xác định nội lực Mômen do hoạt tải gây ra (chưa có hệ số vượt tải):

Giá trị mômen trong các dầm khi có kể đến lực xung kích:

MLL+IM=0,65.mg[(MTr hoặc MTa)(1+

100

IM

)+MLn]+ mgPL.MPL (nếu có)

Trong đó: MTr mômen tại giữa nhịp dầm do xe tải thiết kế

MTa mômem tại giữa nhịp do xe hai trục thiết kế

Mn mômen tại giữa nhịp dầm do tải trọng làn thiết kế

= 8

23

mgV MI

Khi có một làn xe được chất tải dùng phương pháp đòn bẩy ta xác định được hệ số

phân bố lực cắt của dầm ngoài: mgV

+ Hệ số phân phối ngang của hoạt tải người tương tự phần tính đối với mômen

c Xác định nội lực Lực cắt do hoạt tải gây ra (chưa có hệ số vượt tải):

2400 120

Ðah Vg

430 430

Đường ảnh hưởng lực cắt tại gối

Lực cắt tại gối của dầm chủ do hoạt tải gây ra là:

Gọi D1 là tải trọng của dầm thép, bản mặt cầu, phần vút

D2 là trọng lượng của các lớp mặt cầu 75mmm

D3 là trọng lượng của lan can tay vịn, đá vỉa

w là giá trị của tải phân bố đều kN/m

Khi đó giá trị của mômen và lực cắt của dầm chủ lần lượt tại giữa nhịp và tại gối là:

D3: Phần lan can tay vịn = 2 , 5

10 6

81 , 9 2400 318750

D3 phần lan can tay vịn =2,5 kN/m

Mô men và lực cắt dầm ngoài khi chưa có hệ số:

2/ Xét dầm liên hợp với bản bêtông cốt thép có các giai đoạn làm việc như sau:

+Trọng lượng của dầm và bản bêtông khi chưa đông cứng là do dầm thép chịu

+Tải trọng tĩnh chất thêm là do dầm liên hợp dài hạn chịu

+ Hoạt tải và lực xung kích là do tiết diện liên hợp ngắn hạn chịu

+ Xác định chiều rộng có hiệu của bản mặt cầu: Do ta cấu tạo dầm ngoài và dầm trong

là hoàn toàn giống nhau do đó là chiều rộng có hiệu của bản cánh dầm trong và dầm

ngoài cũng hoàn toàn giống nhau

3/ Chiều rộng có hiệu của dầm được xác định như sau:

a Đối với dầm trong:

* Giá trị nhỏ nhất của ba giá trị sau:

+ ¼ chiều dài nhịp trung bình

+ 12 lần chiều dày trung bình của bản cộng với trị số lớn hơn của chiều dày vách

hoặc chiều rộng bản biên trên dầm

+ Khoảng cách 2 dầm kề nhau

Cụ thể:

+ 0,25x23000 = 5750 mm + 12x190+300/2 = 2430 mm + S= 1650 mm

=> chiều rộng có hiệu là b = 1650 mm

b Đối với dầm ngoài:

Chiều rộng có hiệu của bản cánh bằng ½ chiều rộng có hiệu của dầm trong kề cộng

với nhỏ nhất của :

+ 1/8 chiều dài nhịp có hiệu

+ 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với trị số lớn hơn của ½ chiều dày vách

hoặc ¼ chiều rộng của bản biên trên

1215mm300/4

6x190

mm30000

0,125x2300

Vậy chiều rộng có hiệu của bản cánh dầm ngoài là bi=be=825+875=1700mm

4/ Xác Định Các Đặc Trưng Hình Học Của Tiết Diện Dầm Ở Các Giai Đoạn Làm

Việc:

a Tiết diện dầm thép:

10.651

10.47,

10.88

10.88,

y

I

I =

93,15145

= 0,296 ≤ 0,9 thoả mãn

6/ Kiểm Tra Mỏi Của Sườn Dầm Khi Chịu Uốn:

Độ mảnh của vách đứng được xác định theo công thức sau:

w

2D c t

Dc là chiều cao của vách chịu nén trong giai đoạn đàn hồi (trường hợp tiết diện liên

hợp chịu tác dụng thêm của tĩnh tải chất thêm) Dc=406,3mm;

w

t =14 mm là chiều dày của sườn dầm

Về nguyên tắc sườn tăng cường sẽ ngăn cản hay chống lại sự mất ổn định của vách

dầm, nhưng để bất lợi ta xét trường hợp không có sườn tăng cườn đứng hay phần vách

nằm giữa hai sườn tăng cường đứng

Khi đó ứng suất nén đàn hồi lớn nhất ở biên chịu nén khi uốn Fcf sẽ đại diện cho ứng

suất uốn lớn nhất trong vách

Fcf ứng suất nén đàn hồi lớn nhất ở biên chịu nén khi uốn do tải trọng tĩnh không nhân

hệ số và hai lần tải trọng mỏi

- Mômen do 2 lần tải trọng mỏi: Xe tải nặng qua cầu gấp gần 2 lần tải trọng mỏi do

vậy ta phải nhân đôi Mômen do tải trọng mỏi gây ra tại giữa nhịp khi kể đến lực xung

kích 15%:

2300

430 900

R2 R1

Sơ đồ chịu tải của tải trọng mỏi

R2=

23

)95,11(145)3,45,11.(

355,11

S

= 0,627 hệ số phân bố mômen của dầm ngoài; m =1,2 khi ta xét một làn xe

Suy ra: 2xMLL+IM = 0,65x 2x0,75x0,627x1,15x1141/1,2 = 668,75 kNm

* Ứng suất nén khi uốn lớn nhất trong vách của dầm thép do tĩnh tải và hai lần tải trọng

Từ đó ta thấy Fcf = -82.42MPa < 345MPa như vậy đạt yêu cầu, nghĩa là dầm thép đã

đảm bảo ổn định mỏi cho vách của dầm do uốn

7/ Tính Toán Ứng Suất Ở Trạng Thái Giới Hạn Về Cường Độ I:

a Ứng suất nén cực đại ở tại đỉnh của dầm thép do tải trọng có hệ số (dầm ngoài):

8/ Kiểm Tra Độ Đặc Chắc Của Tiết Diện, tính moomen chảy, mô men dẻo:

Tính mômen chảy :

M y =M D1 +M D2 +M AD

M D1 = mômen gây ra bởi tải trọng cố định hệ số trên mặt cắt thép

M D2 = momen gây ra bởi tải trọng cố định hệ số chẳng hạn lớp phủ mặt cầu và các

thanh chắn trên mặt cắt liên hợp phạm vi ngắn hạn

M AD:momen hoạt tải cộng thêm gây ra trạng thái chảy trong các bản thép và tính

theo công thức sau

M AD = Sn [Fy

-n D

s

D

S

M S

88,38310

.10,514140

01,797

88,38310

.11,763578

01,797



M y =M D1 +M D2 +M AD = 797,01+ 382,8+3538,6= 4718,49 kN.m

a Độ mảnh của vách dầm:

Tiết diện đặc chắc là tiết diện mà khi đạt được mômen dẻo Mp thì cả bản biên, vách

dầm đều đạt được mômen dẻo Mp

- Độ mảnh yêu cầu của vách dầm cho tiết diện đặc chắc là:

- Dcp là chiều cao phần vách dầm chịu nén

- tw là chiều dày của vách dầm

- Chọn bêtông bản mặt cầu có fc’= 30MPa, thép dầm là loại thép công trình có

Fyc=345MPa

- Xác định được trục trung hoà dẻo của dầm bằng cách cân bằng các lực dẻo:

+ Lực dẻo trong bản mặt cầu: Ps= 0,85x30x1650x190x10 3

= 7994,25kN

+ Lực dẻo trong biên trên: Prt= 300x20x345x10 3= 2070 kN

+ Lực dẻo trong bản biên dưới: Prb= 400x20x345x103= 2760 kN

+ Lực dẻo trong vách dầm: Pw= 1160x14x345x10 3= 5603 kN

- Thấy rằng Ps = 7994,25 KN < Prt+Prb+Pw.=10433kN cho nên trục trung hoà dẻo không

đi qua bản BTCT Thêm vào đó: Ps + Prt > Prb+ Pw nghĩa là trục trung hoà dẻo đi qua

biên trên dầm thép, cho nên chiều cao vùng nén của vách dầm bằng 0 => DCP= 0

Cho nên tiết diện dầm là tiết diện đặc chắc

Gọi Y là khoảng cách từ trục trung hoà dẻo đến biên trên

Y =

2

c t

[(Pw +Pt-Ps )/Pc+1]

Suy ra Y=

2

20[(5603 +2760-7994,25 )/2070+1]= 11,78(mm) < tc=20mm

Xác định mômen dẻo M p đối với tiết diện dầm:

Ta có MP =  c   s s w w t t

c

c

d P d P d P Y t Y t

Vậy trạng thái giới hạn cường độ I được thoả mãn

b Độ mảnh của biên chịu nén:

+ Đối với tiết diện dầm dặc chắc thì không cần phải kiểm tra độ mảnh, độ ổn định của

biên chịu nén hay nói cách khác là thường thì biên chịu nén luôn thoả

+ Để đánh giá độ mất ổn định của biên chịu nén ta xem biên chịu nén như là một cột

riêng rẽ

+ Tiết diện dầm thép I liên hợp với bản bêtông cốt thép có biên trên của dầm nằm ở

vùng chịu kéo, khi đó biên sẽ ổn định trên suốt chiều dài do đó mà ta không cần thiết

phải yêu cầu độ mảnh

c Liên kết dọc chịu nén:

+ Tương tự đây là tiết diện đặc chắc do đó ta không cần phải kiểm tra độ mảnh của liên

kết dọc chịu nén

d Kiểm tra tính dẻo dai của tiết diện chịu mônmen:

+ Như ta đã tính toán ở mục 7 thì ứng suất kéo lớn nhất tại biên dưới của dầm thép

do tải trọng có hệ số là 201,65MPa Ứng suất này không vượt quá giới hạn chảy của

thép công trình cấp 345, khi đó dầm thép sẽ không làm việc trong miền dẻo vì vậy mà ta

không cần phải kiểm tra tính dẻo dai của dầm thép

Điều kiện: DP ≤ (d+tS+th)/7,5

DP là khoảng cách từ trục trung hoà dẻo của dầm đến đỉnh bản

d: chiều cao của tiết diện dầm thép d=1200mm

tS là bề dày của bản mặt cầu tS=190mm

th là chiều cao của phần vút th=25mm

+ Như vậy tất cả các yêu cầu về uốn đều thoả mãn

9/ Thiết kế chống cắt:

Giống như sức kháng uốn của dầm thì sức kháng cắt của dầm cũng phụ thuộc vào độ

mảnh của bản thép Trong tính toán cường độ chịu cắt của sườn dầm thì ta cần xét đến 3

kiểu phá hoại: Phá hoại do mất ổn định cắt không đàn hồi, mất ổn định cắt đàn hồi và

mất ổn định cắt quá đàn hồi

Giả sử ta không cần phải bố trí sườn tăng cường cho vách của dầm:

Khi đó phải thoả mãn điều kiện sau:

Ta cũng cần phải tiếp tục xem xét rằng vách dầm mất ổn định chống cắt nằm trong giai

đoạn đàn hồi hay quá đàn hồi

Đối với tiết diện chữ I thì các sườn tăng cường dọc có thể gia cường sức kháng uốn vì

ngăn chặn mất ổn định cục bộ, trong khi các sườn tăng cường ngang thường cung cấp

gia cường sức kháng cắt do tác dụng của ứng suất kéo, có 3 loại sườn tăng cường được

sử dụng:

+ Sườn tăng cường trung gian

+ Sườn tăng cường tại gối

+ Sườn tăng cường dọc

Kiểm tra xem ta cần phải sử dụng sườn tăng cường dọc hay không

phải bố trí sườn tăng cường đứng trung gian và sườn tăng cường đứng tại gối

+ Theo khuyến cáo khi vách của sườn dầm mà không có sườn tăng cường dọc thì vách

của sườn được coi là tăng cường khi khoảng cách của các sườn tăng cường đứng d0

không vượt quá 3D, và đoạn đầu dầm sẽ có lực cắt lớn do vậy mà khoảng cách của các

sườn tăng cường tại vị trí đầu dầm sẽ nhỏ, theo AASHTO thì khoang đầu dầm khoảng

cách giữa các sườn tăng cường đứng d0 ≤ 0,5D

D là chiều cao của vách sườn dầm

Chọn khoang đầu dầm d0=1,2m; khoang trong có d0= 2,5 m

2500 2500

1200

300

Bố trí sườn tăng cường theo phương dọc dầm

Tính toán sườn tăng cường đứng tại gối và các sườn tăng cường đừng trung gian:

 Sườn tăng cường đứng trung gian đầu tiên:

Đối với các sườn tăng cường trung gian thì ta có thể nhận thấy rằng với dầm đơn

giản thì lực cắt sẽ giảm dần theo chiều dài của nhịp dầm và đến 1/2 nhịp dầm thì hoàn

toàn triệt tiêu Để đơn giản cho việc tính toán cũng như an toàn thì đối với các sườn tăng

cường trung gian ta chỉ tính toán đối với sườn tăng cường trung gian gần gối nhất

Thép sử dụng làm các sườn tăng cường ta chọn loại thép cùng cấp với thép dầm chủ,

cấp 345

Để tính toán sườn tăng cường đứng trung gian ta tính nội lực tại tiết diện dầm cách gối

1,2m, cách đầu dầm 1,5m (tính cho dầm ngoài)

Ðah V1,5m 2300

+ Yêu cầu về cấu tạo (bề rộng sườn tăng cường bt):

Chọn trước sườn tăng cường trung gian sơ bộ như sau:

Bản thép có tiết diện btxtp = 100x10mm, bản thép này được hàn vào hai cạnh của sườn

Bề rộng sườn tăng cường bt phải không quá lớn để tránh hiện tượng mất ổn định cục bộ

phần sườn tăng cường đứng, và phải thoả mãn:

Vậy với bt = 100mm đã thoả các yêu cầu cấu tạo

+ Yêu cầu về mômen quán tính:

Yêu cầu này thoả mãn là để đảm bảo sườn tăng cường đứng đủ độ cứng

It = 2x1003x10/3 = 6,66.106mm > d0tw3J = 3000x143x0,5 = 4,16.106mm.(OK)

+ Yêu cầu về diện tích của sườn tăng cường:

Yêu cầu này đảm bảo rằng sườn tăng cường đứng có diện tích đủ lớn để có thể kháng

được các thành phần theo phương đứng

= 81,38

Suy ra: C = 2

1,52 ( / ) y

Ek

D t F =

345.85,82

0,6.200000

52,1

B = 1,0 trường hợp sườn tăng cường bố trí hai bên sườn dầm

Fyw cường độ chảy của thép sườn dầm (345MPa)

Fys cường độ chảy nhỏ nhất của thép làm sườn tăng cường (345MPa)

Vu Lực cắt tính toán lớn nhất tại tiết diện bố trí sườn tăng cường trung gian đầu tiên

) D ( 1

1 87 , 0

d

C



]

Vp= 0,58xFywDxtw=0,58x345x1160x14= 3249,62 103N = 3249,62 kN

Suy ra Vn = 3249,62 [0,77+  

2

)1160

2500(1

77,0187,0





] = 2775,89 kN

Như vậy:

As = 100x10=1000mm2>[0,15x1x1160x14x

89,2775

36,466)77,01( 

-18x142 ]345

345= - 3433mm2

Do đó sườn tăng cường đã có đủ diện tích tiết diện ngang để kháng lại các thành phần

lực theo phương đứng của vùng chịu kéo

 Sườn Tăng Cường Đứng Tại Gối:

- Tại gối của dầm chủ có lực cắt rất lớn do đó mà tại vị trí này cần phải thiết kế sườn

tăng cường đứng riêng cho vách dầm

- Các sườn tăng cường được xem như là các cấu kiện chịu nén để đở các lực tập trung

thẳng đứng, nó được hàn với sườn dầm Chúng được thiết kế tại tất cả các vị trí gối và

các vị trí chịu tác dụng của lực tập trung

- Để tăng khả năng chịu lực thì ta hàn hai đầu của sườn tăng cường đứng tại gối với

sườn dầm

+ Kiểm tra điều kiện bố trí sườn tăng cường đứng tại gối:

0,75ΦbVn = 0,75x1,0x2775,89 = 2081,92 kN > Vu = 466,36kN

+ Do đó ta không cần phải bố trí, nhưng ta phải bố trí để đảm bảo ổn định cục bộ

+ Tại gối của dầm ta bố trí sơ bộ 2 sườn tăng cường, bản thép làm sườn tăng cường có

kích thước 140x14mm

- Kiểm tra yêu cầu về mất ổn định cục bộ:

Để đảm bảo sườn tăng cường không bị mất ổn định cục bộ thì:

- Kiểm tra điều kiện về sức chịu nén của bản thép:

- Khi bố trí sườn tăng cường đứng tại gối của dầm thì khi đó khả năng chịu ép của sườn

tăng cường không được nhỏ hơn lực nén tác dụng lên sườn tăng cường

- Khả nén chịu nén của sườn tăng cường đứng tại gối là:

So sánh với lực cắt tại gối của vách dầm do tổng tải trọng gây ra là Vu = 520,27kN

Vậy sườn tăng cường đứng đã thoả mãn điều kiện chịu nén

- Kiểm tra sức kháng dọc của trục của mặt cắt cột tính toán:

Diện tích mặt cắt của cột tính toán gồm có vách dầm và sườn tăng cường: