THIẾT kế môn học cầu THÉP, THIẾT kế KC cầu dầm THÉP LIÊN hợp với bản BTCT NHỊP gđơn ĐƯỜNG ÔTÔ,HL93+300daNm2,NHỊP dài 21m

THIẾT kế môn học cầu THÉP, THIẾT kế KC cầu dầm ,THÉP LIÊN hợp ,bản BTCT NHỊP gđơn ĐƯỜNG ÔTÔ,HL93+300daNm2 NHỊP dài 21m

ThiÕt kÕ m«n häc

CÇu thÐp

I Nội dung thiết kế:

Thiết kế kết cấu cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT nhịp giản đơn cho đường ôtô

1 Hoạt tải tiêu chuẩn: HL93 + Tải trọng người đi bộ 3 KN/m2

Thiết kế theo quy trình tiêu chuẩn thiết kế của Bộ GTVT: 22 TCN 272 – 01

VI chọn loại dầm-Bố trí kết cấu nhịp:

+ Sử dụng dầm tổ hợp

+ Sơ đồ kết cấu: Dầm giản đơn

+ Số lượng nhịp: 1 nhịp

Sơ đồ kết cấu.

Phần thuyết minh

I Các số liệu của bêtông:

1. Số liệu của bêtông làm bản mặt cầu:

2 Cường độ nén quy định của bêtông f'c = 40 Mpa

3 Mô đuyn đàn hồi của bêtông Ec = 33994.50 Mpa

ii Tính toán thiết kế bản mặt cầu:

1 Tính toán bản mặt cầu phần giữa 2 dầm I:

Sơ đồ tính toán thực tế là sơ đồ dầm 2 đầu ngàm, chiều dài tính toán là khoảng cách giữa 2 dầm I liên tiếp (thiên về an toàn) Để đơn giản trong tính toán ta tính toán nội lực trên sơ đồ dầm giản đơn sau đó suy ra nội lực trên sơ đồ thực tế theo các công thức kinh nghiệm:

sơ đồ dầm giản đơn

M max

M o

+ Chiều cao của mặt cắt quy đổi là: 2950 13, 44 ( ).

160

+ Tải trọng bản thân của kết cấu là: DC1 = γc.1.h = 25.1.0,1344= 3,36 (kN/m)

(Tính cho 1m dài dọc cầu)

b) Tính toán tải trọng bản thân của lớp phủ mặt cầu và các tiện ích công cộng

Ta nhËn thÊy r»ng m«men ë gi÷a b¶n lµ lín nhÊt nªn ta chØ cÇn tÝnh to¸n víi mÆt c¾t gi÷a b¶n

+ TÝnh to¸n m«men do t¶i träng DC1 g©y ra:

+ TÝnh to¸n m«men do ho¹t t¶I xe g©y ra:

Theo tiªu chuÈn míi (22 TCN 272 – 05) th× vÖt b¸nh xe cã d¹ng h×nh ch÷ nhËt cã bÒ réng lµ 510 mm vµ cã chiÒu dµi ®−îc tÝnh theo c«ng thøc:

L = 2,28.10-3. IM)P

1001( +γ

Trong đó:

P : Tải trọng một bánh xe P = 72500 (N)

IM: Hệ số xung kích IM = 75%

γ : Hệ số tải trọng (lấy với trạng thái giới hạn cường độ) γ = 1,75

- Chiều dài vệt tiếp xúc là:

100

751.(

75,1.10.28,

5,721

0,81

0,2975

Momen do tải trọng HL93 gây ra:

MHL93 = n.Mxe + ML = 1,2.32,9 + 5,58 = 45,01 (kN.m)

n = 1,2: Hệ số làn xe (Do bề rộng nhỏ nên ta chỉ xếp trên 1 làn xe)

+ Mômen do tải trọng bộ hành (PL) gây ra:

d) Tổ hợp tải trọng:

Đối với bản mặt cầu chỉ cần tính toán và kiểm toán theo hệ số sức kháng và khống chế bề rộng vết nứt, nên ta tính tổ hợp cho trạng thái giới hạn cường độ I

và trạng thái giới hạn sử dụng

Tính toán nội lực theo công thức:

QTính toán = ∑ ηiγi Q i

Trong đó:

γ : Hệ số tải trọng i

Qi: Nội lực tính

η : Hệ sô điều chỉnh tải trọng i Ghi chú: γmax: Hệ số tải trọng lớn nhất

γmin: Hệ số tải trọng nhỏ nhất

+ Khi tính toán với trạng thái giới hạn cờng độ I:

MDW KN.m

MIM KN.m

MHL93 KN.m

MPL KN.m

Tổng KN.m

+ T¶i träng b¶n th©n cña kÕt cÊu lµ: DC1 = γc.1.h = 25.1.0,160 = 4,450 (kN/m)

(TÝnh cho 1m dµi däc cÇu)

b TÝnh to¸n t¶i träng b¶n th©n cña líp phñ mÆt cÇu vµ c¸c tiÖn Ých c«ng céng :

+ Lan can, tay vÞn lÒ ng−êi ®i:

- Phần bê tông có trọng l−ợng:

Wcb = Ac γ = 0,149.25 = 3,725(KN/m) btTổng: DC2 = 0,5 + 3,725 = 4,225 (KN/m)

Ghi chú: DC2 chỉ phân bố trên chiều dài 500 mm ở phía đầu công son

Kết cấu chịu tác dụng của tải trọng bộ hành PL = 6.10-3 (MPa) = 6 (kN/m) phân bố

đều trên toàn bộ phần lề đi bộ rộng 2 m

d Tính toán mômen bản mặt cầu:

Do đặc điểm chịu lực nên kết cấu chỉ xuất hiện mômen âm lớn nhất ở ngàm chieu dài ngàm l=1,75 m

+ Mômen do tải trọng DC1 gây ra:

1 1

2 2 6.0,875

3.1 Đối với sơ đồ 1 (sơ đồ 2 đầu ngàm):

a Tính toán cho phần mômen dương (bản)

Sử dụng cốt thép thường theo ASTM có đường kính danh định φ18 Xác định diện tích cốt thép chịu kéo theo công thức:

s y s

d f

M A

) ( max +

=Chọn chiều dày lớp bê tông bảo vệ là:

d = 25 (mm); → ds = 160 - 35 = 125 (mm)

6

259,8.10

1213, 98 ( )400.125

s str

max

4.1213, 98

4, 77.18

n

π

b Tính toán cho phần mômen âm (bản):

Sử dụng cốt thép thường theo ASTM có đường kính danh định φ18 Xác định diện tích cốt thép chịu kéo theo công thức:

s y s

d f

M A

) ( max

s str

n

π

Sơ đồ bố trí cốt thép như hình vẽ trên

3.2 Đối với sơ đồ 2 (sơ đồ công son):

Sử dụng cốt thép thường theo ASTM có đường kính danh định φ18 Xác định diện tích cốt thép chịu kéo theo công thức:

s y s

d f

M A

) ( max

s str

Víi: c: Kho¶ng c¸ch tõ thí chÞu nÐn xa nhÊt tíi trôc trung hoµ

b f

f A f A c

c

y S y S

85,0

1 '

' '

β

−

=

254, 47.400.(10 5)

31, 2 ( )

0,85.40.0, 764.10000,85

e

c

' min

254, 47.5.400

31, 2 ( )

0,85.40.0,85.10000,85

S y c

, 0 )

Z f

fsa: ứng suất kéo trong cốt thép ở giai đoạn sử dụng

dc: Khoảng cách từ thớ chịu kéo ngoài cùng của bê tông đến tim của thanh hay sợi cốt thép gần nhất nh−ng không đ−ợc v−ợt quá 50mm

A: Diện tích của phần bê tông có cùng trọng tâm với cốt thép chủ chịu kéo chia cho

Thiết kế dầm chủ

Số liệu của thép dầm chủ:

1.Mô đuyn đàn hồi của thép Es = 200.000 Mpa

2 Thép hợp kim thấp cường độ cao M270M = Cấp 345W

Mặt cắt ngang toàn nhịp Dầm chủ

2. Kích thước mặt cắt dầm ngang:

Số lượng dầm ngang theo phương dọc cầu = 11

Khoảng cách giữa các dầm ngang = 2040 mm

1 Xác định chiều rộng hữu hiệu của bản cánh:

1.1 Dầm giữa:

Chiều rộng hữu hiệu của bản có thể lấy là giá trị min của 3 giá trị sau:

* 12 lần độ dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất của

bề dày bản bụng dầm hoặc 1/2 bề rộng bản cánh trên của dầm = 2550 mm

*Khoảng cách trung bình giữa các dầm kề nhau = 2400 mm Vậy bề rộng hữu hiệu của bản cánh đối với dầm giữa là bi = 2400 mm 1.2 Dầm biên:

Bề rộng hữu hiệu của bản cánh có thể đ−ợc lấy bằng 1/2 bề rộng

hữu hiệu của dầm giữa cộng trị số min của các đại l−ợng sau:

* 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất giữa

1/2 bề dày bản bụng dầm hoặc 1/4 bề rộng bản cánh trên của dầm = 1275 mm

' 5 1

 Đối với tải trọng tạm thời: n = 7

 Đối với tải trọng dài hạn: n = 3x7 = 21

Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo Yncd = 469,196 mm Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu nén Ynct = 680,804 mm

b) Bảng kết quả tính đặc trưng hình học của mặt cắt liên hợp ngắn hạn:

*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT dầm ngang DCdn = 0.077 kN/m

*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT hệ liên kết dọc DClkd = 0.139 kN/m

Liên kết dọc dùng thép góc đều cạnh L100x100x10 có:

Trọng lượng trên 1m dài là: 15.1 kG/m

*Tĩnh tải do trọng lượng neo liên kết DCneo = 0.1 kN/m

*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT sườn tăng cường DCstc = 0.043 kN/m

Kích thước sườn tăng cường 20x300x1640

Vậy tổng tĩnh tải giai đoạn I là:

DC1=DCdc+DCbmc+DCv+DCdn+DClkd+DCneo+DCstc+ Dmn: DC1 = 17,97 kN/m

1.2. Tĩnh tải giai đoạn II (Tác dụng lên mặt cắt liên hợp):

*Tĩnh tải do lan can cầu:

Dầm ngoài DClc = 3.406 kN/m Dầm trong DClc = 0.568 kN/m

VËy tæng tÜnh t¶i giai ®o¹n II lµ: DC2=DClc+DCpc

1.3. Tæng hîp c¸c lo¹i tÜnh t¶i t¸c dông lªn dÇm:

Lo¹i DÇm trong DÇm ngoµi §¬n vÞ

2. Ho¹t t¶i t¸c dông lªn dÇm chñ:

2.1. C¸c ho¹t t¶i t¸c dông gåm:

Nl = 3

3500

10500

= Vậy số l−ợng làn xe là 3 làn

2.3. Tính hệ số phân bố hoạt tải theo làn:

2.3.1. Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với mômen:

a) Đối với dầm trong:

eg: Khoảng cách giữa trọng tâm của dầm và của bản mặt cầu = 643.5 mm

b) Đối với dầm ngoài:

1 , 0 3

3 , 0 4

, 04300 06

=

s

g si

Lt

K L

S S

g

20400

2400 4300

2400 06

,

3 , 0 4

, 0

=

657 , 0 1 20400

2400 2900

2400 075

, 0

2 , 0 6

, 0

=

mi

g

1 , 0 3

2 , 0 6

, 0

2900 075

=

s

g mi

Lt

K L

S S

g

 Một làn chất tải:

Tính hệ số phân bố ngang dùng nguyên tắc đòn bẩy

Xếp tải như hình vẽ Cự li theo phương ngang cầu của xe Truck và Tandem đều là 1800mm

Phản lực tại A được thiết lập bằng phương trình cân bằng mômen đối với điểm B:

P p

p R

p p

R

A

A

58,02400

2300

*22400

500

*22400

*

2300

*2500

*22400

*

=+

,02800

77,

2.3.2. Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với lực cắt:

a) Đối với dầm trong:

240036

,

=+

=

7600

S0,36

SIcatmg

816,010700

24003600

24002

,0107003600

2,0

2 2

mg cat MI

b) Đối với dầm ngoai:

 Một làn xe chất tải: Dùng nguyên tắc đòn bẩy

Xếp tải như hình vẽ Cự li theo phương ngang cầu của xe Truck và Tandem đều là 1800mm Phản lực tại A được thiết lập bằng phương trình cân bằng mômen đối với điểm B:

P p

p R

p p

R

A

A

58,02400

2300

*22400

500

*22400

*

2300

*2500

*22400

*

=+

* 2 ,

=

SE cat

2.4. Hệ số phân bố ngang đối với người đi bộ:

Sử dụng phương pháp đòn bẩy tính cho cả mômen và lực cắt Coi tải trọng người là tải trọng tập trung

 Đối với dầm ngoài: mgpe = 1

 Đối với dầm trong: mgpi = 0

2.5. Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang:

 Đối với mômen:

175060.03000

de0.60

965.0816,0.183.1

= MI cat ME

cat e g mg

a) B¶ng hÖ sè t¶i träng:

Nội lực DC1 Diện tích TTGH cường độ I TTGH sử dụng

(KN/m) (m2) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

c)bảng giá trị mômen và lực cắt do tĩnh tải giai đoạn II gây ra:

Nội lực Diện tích TTGH cường độ I TTGH sử dụng

d) Bảng tổng hợp nội lực do tĩnh tải gây ra:

Nội lực Diện tích TTGH cường độ I TTGH sử dụng

Đơn vị của lực cắt là: kN

3.Nội lực dầm chủ do hoạt tải gây ra:

3.1. Mômen do hoạt tải gây ra:

b) Do hoạt tải HL-93 gây ra:

 Tải trọng của bánh xe và khoảng cách của chúng (xem hình vẽ)

 Cách xếp xe lên đường ảnh hưởng (ĐAH): Xếp xe sao cho hợp lực của các trục bánh xe và trục bánh xe gần nhất cách đều tung độ lớn nhất của ĐAH

 Gọi x là khoảng cách từ điểm có tung độ lớn nhất của ĐAH đến trục bánh xe thứ hai

 Trường hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 4300mm:

Yi: Tung độ đường ảnh hưởng mômen

 Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

35 KN

x=1,455mHợp lực

 Tr−êng hîp 2 b¸nh xe cuèi c¸ch nhau 4300mm:

c) Do ho¹t t¶i xe 2 trôc g©y ra (Tandem):

Kho¶ng c¸ch gi÷a 2 b¸nh xe 2 trôc lµ 1200mm ⇒x = 0,6m

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

d) Do tải trọng làn gây ra:

Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

e) Do tải trọng người gây ra:

Tải trọng người trên cầu ôtô bằng 300kG/m2. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm Tải trọng người không tính hệ số xung kích

3.2. Lực cắt do hoạt tải gây ra:

a) Do hoạt tải HL93 gây ra:

Công thức tính lực cắt:

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và lực cắt của dầm chủ:

c) Do tải trọng làn gây ra:

Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

d) Do tải trọng người gây ra:

Tải trọng người trên cầu ôtô bằng 3 KN/m2. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm Tải trọng người không tính hệ số xung kích

3.3.1. Bảng tổng hợp kết quả mômen tính toán sau khi nhân hệ số:

Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

3.3.2. Bảng tổng hợp kết quả lực cắt tính toán sau khi nhân hệ số:

Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

 Đối với TTGH cường độ I và TTGH sử dụng:

MLL+IM = mgmomen[ 1,25*max(Mtruck, Mtandem)+ MLane ]+ mgngười *MPeople

QLL+IM = mgcắt [ 1,25*max(Qtruck, Qtandem)+ QLane ]+ mgngười *QPeople

 Đối với TTGH mỏi và đứt gvy:

MLL+IM = mgmomen( 1,15*max(Mtruck, Mtandem)

QLL+IM = mgca t ( 1,15*max(Qtruck, Qtandem)

b) Bảng tổ hợp mômen tính toán do toàn bộ tải trọng gây ra:

Mặt cắt X(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

L/2 10,2 2000.21 3790.06 1449.5 2287.1 763.804 1127.69c)Bảng tổng hợp lực cắt tính toán do toàn bộ tải trọng gây ra:

Mặt cắt X(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

L/2 10,2 267.13 313.7769 167.29 196.162 98.4194 116.391

V. Thiết kế và kiểm duyệt dầm chủ:

 Sau khi tính toán nội lực dầm chủ cho dầm trong và dầm biên so sánh ta thấy dầm biên bất lợi hơn nên ta tính toán thiết kế cho dầm biên

 Bảng nội lực sử dụng để tính toán:

 Sức kháng uốn theo TTGH cường độ

 Sức kháng cắt theo TTGH cường độ

 Tính khả thi của kết cấu

 TTGH sử dụng đối với độ võng và độ vồng thiết kế

 TTGH mỏi và đứt gvy đối với các chi tiết và yêu cầu về mỏi đối với bản bụng dầm

1. Các giới hạn trong việc xác định kích thước mặt cắt:

≤ ≤ (Điều 6.10.2.1-1)

Trong đó:

Iy: Mômen quán tính của mặt cắt thép đối với trục thẳng đứng trong mặt phẳng bản bụng

Iyc: Mômen quán tính của bản cánh chịu nén của mặt cắt thép quanh trục thẳng đứng trong mặt phẳng bản bụng

Trong đó:

Dcp: Chiều cao của bản bụng chịu nén tại lúc mômen dẻo( mm)

Fyc: Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất được qui định của bản cánh chịu nén(Mpa)

Fyc = 345 Mpa

 Xác định Dcp:

Để xác định Dcp phải xác định trục trung hoà dẻo (TTHD) của mặt cắt liên hợp

TTHD của mặt cắt được xác định trên cơ sở cân bằng lực dẻo của các thành phần của mặt cắt Lực dẻo trong thành phần thép của tiết diện ngang là tích số của diện tích bản biên, vách ngăn

và cốt thép với cường độ chảy thích hợp

Lực dẻo trong phần bêtông chịu nén của tiết diện xác định trên cơ sở tương đương giữa khối ứng suất hình chữ nhật và khối ứng suất phân bố đền 0,85f’c

Bỏ qua vùng bêtông chịu kéo

yt t yc c c s cp

t ≤ F (Điều 6.10.4.1.3-1) Trong đó:

bf: Bề rộng của bản cánh chịu nén, bf = 300mm

tf: Bề dày của bản cánh chịu nén, tf = 30mm

2. Xác định sức kháng uốn theo TTGH cường độ:

a) Mọi mặt cắt dự kiến đạt tới mômen dẻo MP đều phải được giằng theo phương ngang b) Vì theo tính toán ở trên TTHD đi qua vách đứng nên lực dẻo trong vách đứng phải

chia ra lực dẻo chịu kéo và lực dẻo chịu nén để có được cân bằng:

• Sườn dầm thép chịu kéo dWt = 486,4 mm

c) Tổng mômen của các lực dẻo đối với TTHD chính là mômen dẻo:

⇒ Mp = Y P dw. wc + ( D Y ư ) P dw. wt + P ds s + P dt t + P dc c = 10557,8

Trong đó:

D: Chiều cao của bản bụng, D = 1080mm

d) Xác định sức kháng uốn danh định của mặt cắt liên hợp đặc chắc:

 Nếu Dp ≤ D ' ⇒ Mn = Mp (Điều 6.10.4.2.2a-1)

D: ChiÒu cao cña mÆt c¾t thÐp, d = 1150mm

th: ChiÒu dµy cña n¸ch bªt«ng ë phÝa trªn cña b¶n c¸nh trªn, th = 50mm

Cuối cùng thay số vào ta được bảng tính sau đối với mặt cắt L/2 và L/3:

Đối với mặt cắt L/2: Đối với mặt cắt L/3:

2. Kiểm tra mỏi và đứt gãy với các chi tiết:

a) Mỏi do vách chịu uốn:

Các bản bụng không có gờ tăng cường dọc phải thoả mvn yêu cầu sau:

fcf: ứng suất nén đàn hồi lớn nhất trong cánh khi chịu uốn do tác dụng của tải trọng dài hạn chưa nhân hệ số và của tải trọng mỏi theo quy định ở Điều 6.10.6.2 được lấy bằng ứng suất lớn nhất ở bản bụng (MPa)

Fyw: Cường độ chảy nhỏ nhất qui định của bản bụng, Fyw = 345MPa

Dc: Chiều cao của bản bụng chịu nén trong phạm vi đàn hồi, tính như sau:

28.196 2.63.E+07

6.492 MPa 6.E+07

19.506 MPa 1,0.E+08

6

15.428 MPa 1.2.E+08

fatigue fatigue

ntt

M f

S

So s¸nh thÊy:

∑ f 69.622MPa < fcf 345MPa §¹t

b) Mỏi do vách chịu cắt:

Phải bố trí các bản bụng của mặt cắt đồng nhất có gờ tăng cường ngang và có hoặc không có

gờ tăng cường đứng để thoả mvn:

vcf ≤ 0 , 5 8 C Fy w (Điều 6.10.6.4-1) Trong đó:

vcf: ứng suất cắt đàn hồi lớn nhất trong bản bụng do tác dụng của tải tác dụng của tải trọng dài hạn tiêu chuẩn và của tải trọng mỏi như được quy định ở Điều 6.10.6.2 (MPa)

C: Tỉ số ứng lực oằn do cắt với cường độ chảy do cắt được qui định ở Điều 6.10.6.7.3.3a (MPa)

Fyw: Cường độ chảy nhỏ nhất qui định của bản bụng, Fyw = 345MPa

w

v

D tTrong đó:

k

d DTrong đó:

d0: Khoảng cách giữa các gờ tăng cường, d0 = 1020mm

D: Chiều cao bản bụng, D = 1080mm