chương 5 thiết kế kỹ thuật mố cầu tà nẩu

- Chiều cao lớp đất tơng đơng của hoạt tải xác định theo chiều cao tờng chắn : Chiều cao tờng chắn H mm Chiều cao lớp đất tơng đơngheq mm Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị Góc

CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ KỸ THUẬT MỐ CẦU NÀ TẬU

5.1. Kích thước hình học của kết cấu

5.1.1.1. Cỏc kớch thước cơ bản

Tờn gọi cỏc kớch thước Ký hiệu Giỏ trị Đơn vị

Chiều dài tiết diện chõn tường cỏnh lcc 310 cm

- Mố ở trên mực nớc thông thuyền và hầu nh không ngập nớc nên không tính tải trọng

va xô tầu bè và cũng không tính tải trọng gió Đất đắp sau mố sử dụng đất tốt đầm chặt

có γ = 18 kN/m3 ϕ = 350

- Nên tải trọng tác dụng lên mố gồm :

1 Trọng lợng bản thân mố

3 Phản lực thẳng đứng do hoạt tải đứng trên KCN

5 Ma sát gối cầu

6 áp lực của đất sau mố

7 Phản lực truyền xuống từ bản quá độ

5.2.1.2 Cỏc mặt cắt cần kiểm toỏn với mố

1 3

Tờng

cánh

+) Khối 1 85.18 -4.50 -383.31 0.000 0.00 0.000 0.00 0.000 0.00+) Khối 2 152.43 4.016- -612.15 0.000 0.00 0.000 0.00 2.888 353.72+) Khối 3 264.66 -1.5 -396.99 0.000 0.00 0.000 0.00 2.888 454.78

Bệ móng

mố 2440.0 0.000 0.00 0.000 0.00 0.000 0.00 0.000 0.00Bản quá

+) Khối 3 4446.33 -1.5 -6669.49 0.000 0.00 0.000 0.00 0.000 0.00

Đất đắp

sau mố 8325.66

22941.5

5.2.2.2 Xỏc định tải trọng do tĩnh tải và hoạt tải trờn kết cấu nhịp

- Chiều dài nhịp tính toán : L = 33 m

- Sơ đồ xếp tải trên nhịp dẫn nh sau :

+) Tổng diện tích ĐAH : S = 16

+) Diện tích ĐAH dơng: S+ = 16

+) Diện tích ĐAH âm: S- = 0

- Tĩnh tải kết cấu nhịp đợc tính cho toàn bộ cầu

+) Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn I : DCTC = 21.42 (kN/m)

+) Tĩnh tải tính toán giai đoạn I :DCTT = 1.25x 21.42= 26.775 (kN/m)

+) Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn II : DWTC = 10.121 (kN/m)

+) Tĩnh tải tĩnh tải giai đoạn II :DWTT = 1.5x 10.121= 15.18(kN/m)

- Hoạt tải trên kết cấu nhịp đợc tính cho cả 2 làn

P (kN) 145 145 35 Pi.Yi

Y 1.000 0.890 0.779 301.29 +) Tung độ ĐAH khi xếp xe 2 trục

áp lực thẳng đứng do tĩnh tải giai đoạn I PttI 2929.67 3662.09 kN

áp lực thẳng đứng do tĩnh tải giai đoạn II PttII 789.95 1184.92 kNTổng áp lực do tĩnh tải và hoạt tải trên KCN PKCN 4925.92 7221.68 kN

Cánh tay đòn với mặt cắt II -II e2 -0.050 -0.050 mCánh tay đòn với mặt cắt III –III e3 0.000 0.000 mCánh tay đòn với mặt cắt IV –IV e4 0.000 0.000 m

5.2.2.3 Xỏc định tải trọng do hoạt tải trờn bản quỏ độ

- Chiều dài bản quá độ : Lqd = 5.6 (m) Bề rộng bản quá độ : Bqd = 8 (m)

Xe 2 tr?c

Xe t?i

35KN 145KN

- Xếp xe tải và xe 2 trục thiết kế lên ĐAH phản lực gối ta có

+) Tung độ ĐAH khi xếp xe tải

Y 0.140 1.000 0.000 165.30+) Tung độ ĐAH khi xếp xe 2 trục

P (kN) 110 110 Pi.Yi

P (kN) 110 110 Pi.Yi

Y 0.760 1.000 193.60

- Bảng tính toán áp lực truyền lên vai kê khi hoạt tải trên bản quá độ

Tên đại lợng Tải trọng chuẩnTiêu Tínhtoán Đơnvị

Cánh tay đòn với mặt cắt II -II e2 -1.200 -1.200 m

Cánh tay đòn với mặt cắt III -III e3 -0.400 -0.400 m

Cánh tay đòn với mặt cắt IV -IV e4 0.800 0.800 m

5.2.3 Xỏc định cỏc tải trọng nằm ngang tỏc dụng lờn mố

5.2.3.1.Tớnh toỏn ỏp lực đất tỏc dụng lờn mố

a Các công thức tính toán áp lực đất

B K

+) K = Ka (hệ số áp lực đất chủ động ) nếu là tờng chắn công xon

+) K = KO (hệ số áp lực đất tĩnh ) nếu là tờng chắn trọng lực

2

)sin(

)

sin(

)sin(

+

=

βθδθ

βϕδ

ϕ

r

+) Tính hệ số áp lực đất chủ động Ka

Trong đó :

+) δ : Góc ma sát giữa đất đắp và tờng : δ = 24o

+) β : Góc giữa phơng đất đắp với phơng ngang : β = 2o

+) θ : Gócgiữa phơng đất đắp với phơng thẳng đứng : θ = 90o

+) ϕ : Góc nội ma sát của đất đắp : ϕ = 35o

+) ϕ : Góc nội ma sát của đất đắp nhỏ nhất : ϕ = 30o

+) ϕ : Góc nội ma sát của đất đắp lớn nhất : ϕ = 40o

B H h

.sin

)(sin

2

2

δθθ

+) B : Bề rộng tờng chắn chịu áp lực đất.

+) K : Hệ số áp lực đất chủ động

+) γ : Trọng lợng riêng của đất

+) heq : Chiều cao lớp đất tơng đơng của hoạt tải

- Chiều cao lớp đất tơng đơng của hoạt tải xác định theo chiều cao tờng chắn :

Chiều cao tờng chắn

H (mm) Chiều cao lớp đất tơng đơngheq (mm)

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Góc giữa mặt đất với phơng ngang β 2 độ

Góc giữa lng tờng với phơng ngang θ 90 độ

Góc ma sát có hiệu của đất đắp ϕ1 35 độ

30 2.706 0.303 126.92 1.032 131.84 1.29 0.00 0.000

40 3.163 0.203 85.03 1.032 88.33 1.29 0.00 0.000

f Bảng tính toán áp lực đất tại mặt cắt chân tờng cánh (mặt cắt IV-IV)

- Để tính đợc áp lực đất tác dụng lên tờng cánh thì ta chia tờng cánh thành 3 khối sau

đó tính áp lực đất tác dụng lên tờng cánh của từng khối:

- Lực hãm xe đợc đặt theo phơng dọc cầu , điểm đặt cách mặt đờng xe chạy 1.8 m

- Do thiết kế trên mố đặt gối di động nên lực hãm xe theo phơng dọc cầu là :

BR = 0 T

5.2.3.3 Tớnh tải trọng do lực ma sỏt gối cầu

- Lực ma sát gối cầu phải đợc xác định trên cơ sở của giá trị cực đại của hệ số ma sát giữa các mặt trợt Lực ma sát FR đợc xác định theo công thức sau :

FR = fmax N Trong đó :

+) fmax : là hệ số ma sát giữa bê tông với gối di động cao su : fmax = 0,5

Hệ số ma sát gối với bê tông fmax 0.5

Tổng áp lực do KCN truyền xuống mố PKCN 7221.68 kN

5.2.3.4.Tớnh tải trọng do ỏp lực giú tỏc dụng lờn mố

a.Tính áp lực gió ngang

- Tải trọng gió ngang phải đợc lấy theo chiều tác dụng nằm ngang và đặt trọng tâm tại trọng tâm của các phần diện tích chắn gió

t d

t

P = 0 , 0006 2 ≥ 1 , 8

- Công thức tính áp lực gió ngang :Trong đó :

+) V : Tốc độ gió thiết kế

V = VB.S+) VB : Tốc độ gió cơ bản trong 3 giây với chu kì xuất hiện 100 năm thích hợp với vùng tính gió tại vị trí cầu đang nghiên cứu xây dựng

Ta giả thiết công trình đợc xây dựng tại khu vực IV (tra bảng) ta có :

VB = 59 m/s +) S : Hệ số điều chỉnh áp lực gió : S = 1.09

+) At : Diện tích cấu kiện chắn gió ngang

+) Cd : Hệ số cản gió phụ thuộc vào tỷ số b/d

+) b : Chiều rộng toàn bộ của cầu giữa các bề mặt lan can : b = 13 m

+) d : Chiều cao KCPT bao gồm cả lan can đặc nếu có : d = 3.28 m

=> Tỉ số b / d = 13 / 3.28 = 3.96 => Tra bảng ta có : Cd = 1.3

- Ta phải tính áp lực gió ngang tác dụng lên mố và lên KCN

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vịVùng thiết kế công trình Vùng IV

Tốc độ gió ứng với vùng thiết kế VB 59.00 m/s

Mố 33.882 109.30 16.52 5.000 0.000 0.000 3.000KCN 78.000 125.81 19.01 6.050 4.050 0.000 0.000

b.Tính áp lực gió dọc

- Đối với mố trụ có kết cấu phần trên là giàn hay các dạng kết cấu có bề mặt chắn gió

là đáng kể thì ta sẽ phải xét đến áp lực gió dọc Tuy nhiên do ở đây ta thiết kế mố cho kết cấu nhịp cầu dẫn giản đơn L = 33 m do đó diện tích chắn gió là không đáng kể vì vậy trong trờng hợp này ta có áp lực gió dọc bằng 0

+) V : Tốc độ gió thiết kế ứng với vùng xây dựng công trình

+) AV : Diện tích bề mặt chắn gió

- Do áp lực gió tác dụng thẳng đứng lên bề mặt mố là không đáng kể do đó ở đây ta chỉtính áp lực gió tác dụng thẳng đứng lên KCN và truyền xuống mố

- Bảng tính toán áp lực gió thẳng đứng tác dụng lên KCN :

áp lực gió thẳng đứng tác dụng lên mố Pv 483.89 kN

Cánh tay đòn với mặt cắt II -II e2y -0.050 mCánh tay đòn với mặt cắt III -III e3y 0.000 m

Kí hiệu h xem L xem b xem WLdkN WLn

kN e1m e2m e3m e4mGiá trị 2.50 14.50 2.00 0.0 54.38 9.80 7.80 0.00 0.00

e Tính tải trọng do áp lực nớc tác dụng lên mố

Do mố nằm cao hơn MNCN nên không tính tải trọng do áp lực nớc

5.3 Tổng hợp tải trọng tại cỏc mặt cắt.

5.3.1 Bảng hệ số tải trọng theo cỏc trạng thỏi giới hạn cường độ

5.3.1.1 Bảng hệ số tải trọng theo cỏc trạng thỏi giới hạn

t¶i träng

Tr¹ng th¸i GH

DDDWEHEVES

IMCEBRPLLSEL

CRSR

5.3.1.2 - B¶ng c¸c hÖ sè t¶i träng cho tÜnh t¶i :

Lo¹i t¶i träng KÝ hiÖu HÖ sè t¶i träng

5.3.2.Tổng hợp nội lực tại mặt cắt đáy móng ( mặt cắt I - I)

a Bảng tổng hợp nội lực tiêu chuẩn

b - Bảng tổng hợp nội lực tại mặt cắt I-I theo các trạng thái giới hạn cờng độ

5.3.3.Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tờng thân ( mặt cắt II -II )

a Bảng tổng hợp nội lực tiêu chuẩn

b - Bảng tổng hợp nội lực tại mặt cắt II-II theo các TTGH cờng độ

5.3.4.Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chân tờng đỉnh ( mặt cắt III - III )

a Bảng tổng hợp nội lực tiêu chuẩn

b - Bảng tổng hợp nội lực tại mặt cắt III-III theo các TTGH cờng độ

5.3.5 Tổng hợp nội lực tại mặt cắt chõn tường cỏnh ( mặt cắt IV- IV)

a Bảng tổng hợp nội lực tiêu chuẩn

b - Bảng tổng hợp nội lực tại mặt cắt IV-IV theo các TTGH cờng độ

5.4 Tổng hợp tải trọng bất lợi theo TTGHCĐ I

5.4.1 Nguyên tắc tổng hợp tải trọng bất lợi

- Khi tổ hợp tải trọng bất lợi ra phía sông thì các tải trọng đợc tính nh sau :

+) Các tải trọng gây ra mômen hớng ra phía sông sẽ đợc lấy với hệ số tải trọng max +) Các tải trọng gây ra mômen hớng về phía đờng sẽ đợc lấy với hệ số tải trọng min

+) áp lực chủ động ngang của đất và áp lực đất ngang do hoạt tải sau mố đợc tính với góc ma sát trong = 30O để gây ra hiệu ứng bất lợi nhất

+) Hoạt tải có tính đến hệ số xung kích IM

+) Lực hãm và lực ma sát đợc tính cho trờng hợp hớng ra phía sông

+) áp lực ngang của nớc đợc tính với chiều cao ngập thấp nhất

- Khi tổ hợp tải trọng bất lợi về phía đờng thì các tải trọng đợc tính nh sau :

+) Các tải trọng gây ra mômen hớng ra phía sông sẽ đợc lấy với hệ số tải trọng min +) Các tải trọng gây ra mômen hớng về phía đờng sẽ đợc lấy với hệ số tải trọng max.+) áp lực chủ động ngang của đất và áp lực đất ngang do hoạt tải sau mố đợc tính với góc ma sát trong = 40O để gây ra hiệu ứng bất lợi nhất

+) Hoạt tải không tính đến hệ số xung kích IM

+) Lực hãm và lực ma sát đợc tính cho trờng hợp hớng về phía đờng

+) áp lực ngang của nớc đợc tính với chiều cao ngập cao nhất

5.4.2 Tải trọng bất lợi tại mặt cắt đỏy bệ ( mặt cắt I- I)

a Tổ hợp tải trọng bất lợi ra phía sông ( Tổ hợp I-a)

b Tổ hợp tải trọng bất lợi về phía đờng ( Tổ hợp I-b)

5.4.3 Tải trọng bất lợi tại măt cắt chân tường thân ( mặt cắt II- II)

a Tæ hîp t¶i träng bÊt lîi ra phÝa s«ng ( Tæ hîp I-a)

b Tổ hợp tải trọng bất lợi về phía đờng ( Tổ hợp I-b)

5.4.4 Tải trọng bất lợi tại măt cắt chân tường đỉnh( mặt cắt III- III)

a Tæ hîp t¶i träng bÊt lîi ra phÝa s«ng ( Tæ hîp I-a)

b Tổ hợp tải trọng bất lợi về phía đờng ( Tổ hợp I-b)

5.5 Tính toán và bố trí cốt thép tại các mặt cắt

5.5.1 Nguyờn tắc tớnh và bố trớ cốt thộp

5.5.1.1 Nguyờn tắc chung

- Cốt thép đối với các mặt cắt I-I , II-II , III-III đợc tính và bố trí để đảm bảo chịu đợc

tổ hợp tải trọng theo TTGH cờng độ I với 2 tổ hợp bất lợi :

+) Tổ hợp Ia bất lợi ra phía sông

+) Tổ hợp Ib bất lợi về phía đờng

- Đối với mặt cắt IV-IV thì ta chỉ bố trí cốt thép chịu tải trọng theo phơng ngang cầu

5.5.1.2 Cụng thức kiểm tra điều kiện làm việc của mặt cắt

- Do các mặt cắt chịu nén uốn đồng thời theo 2 phơng do đó trớc khi tính toán và bố trícốt thép thì ta phải kiểm tra điều kiện làm việc của mặt cắt để áp dụng các đúng cáccông thức kiểm toán

+) Nếu lực nén dọc trục Pu > 0,1.ϕ.fc.Ag thì ta kiểm toán theo công thức :

O ry

rx

1111

ϕ

−+

=

Với : PO = 0,85.fc.(Ag-Ast) + Asr.fy

+) Nếu lực nén dọc trục Pu < 0,1.ϕ.fc.Ag thì ta kiểm toán theo công thức :

0,1

≤+

M

Trong đó :

+) ϕ : Hệ số sức kháng với cấu kiện chịu nén dọc trục , ϕ = 0,75

+) Pu : Lực nén tính toán trong mặt cắt dầm chủ

+) Ag : Diện tích nguyên của mặt cắt

+) Mux : Mômen uốn tính toán tác dụng theo phơng x

+) Muy : Mômen uốn tính toán tác dụng theo phơng y

+) Mrx : Mômen uốn tính toán đơn trục theo phơng x

+) Mry : Mômen uốn tính toán đơn trục theo phơng y

+) Prx : Sức kháng nén tính toán theo phơng x (khi chỉ xét độ lệch tâm ey)

+) Pry : Sức kháng nén tính toán theo phơng y (khi chỉ xét độ lệch tâm ex)

+) Prxy : Sức kháng nén tính toán theo 2 phơng

5.5.1.3 Tớnh toỏn và bố trớ cốt thộp chịu mụ men uốn.

- Cốt thép tại các mặt cắt đợc bố trí theo cấu tạo sau đó kiểm tra khả năng chịu lực củamặt cắt Nếu không đạt thì ta phải bố trí lại cốt thép

- Xác định chiều cao vùng chịu nén theo công thức của mặt cắt chữ nhật ta có :

b f

f A f A a

C

Y S Y S

85 , 0

<

S

d c

- Tính mômen kháng uốn danh định của mặt cắt theo công thức của mặt cắt chữ nhật

) 2 ' (

'.

) 2 (

á

a d f A

a d f A

M n = S Y S − − S Y S −

T.m

Mr = ϕ.Mn

Với ϕ : Hệ số sức kháng , với kết cấu BTCT không DƯL lấy : ϕ = 0,9

- Công thức kiểm tra hàm lợng thép tối thiểu

+) Kiểm tra theo cờng độ :

33 , 1

' min ≥0,03

Trong đó :

+) fc : Cờng độ chịu nén của bê tông tuổi 28 ngày ,

fc = 30 Mpa

+) fy : Giới hạn bền của thép : fy = 420 Mpa

+) pmin : hàm lợng cốt thép chịu kéo bố trí

Với : AS : Diện tích cốt thép chịu kéo bố trí

Ag : Tiết diện nguyên của mặt cắt

5.5.1.4 Kiểm toỏn khả năng chịu cắt của mặt cắt

6,0).(

2 3

/

A d

Z f

c sa

+) ϕ: Hệ số sức kháng cắt đợc xác địnhtheo quy định trong bảng 5.5.2.2-1,

ϕ = 0.9 (với kết cấu BTCT thông thờng)

+) Vn : Sức kháng cắt danh định đợc xác định theo quy định của điều 5.8.3.2

=

=

p v v

' c n2

p s c n1 n

Vdb0.25fV

VVVVminV

Với:

+)

v v

' c

+) bv : bề rộng bụng có hiệu, lấy bằng bệ rộng lớn nhất trong chiều cao dv.

+) Av : Diện tích cốt thép chịu cắt trong cự ly S (mm2)

+) VP : Thành phần lực ứng suất trớc có hiệu trên hớng lực cắt tác dụng, là dơng nếungợc chiều lực cắt (N) Với kết cấu BTCT thờng VP = 0

5.5.1.5 Kiểm toỏn khả năng chống nứt của mặt cắt

- Sử dụng tải trọng đợc tổ hợp theo TTGH sử dụng , tức là tải trọng tiêu chuẩn

+) Tĩnh tải không xét hệ số tải trọng

+) Hoạt tải không xét hệ số tải trọng , hệ số xung kích

- Điều kiện kiểm toán : Các cấu kiện đợc thiết kế sao cho ứng suất kéo trong cốt thép chịu kéo ở TTGH sử dụng fsa phải thoả mãn :

Trong đó :

+) dC : Chiều cao phần bê tông tính từ thớ chịu kéo ngoài cùng đến tâm củathanh thép hay sợi thép đặt gần mép bê tông nhất Mục đích là nhằm đảm bảo chiềudày thực của lớn bê tông bảo vệ dc < 5 cm

+) Abt : Diện tích phần bê tông có cùng trọng tâm với cốt thép chủ chịu kéo và

đợc bảo bởi các mặt ngang và các đờng thẳng song song với trục TTH của mặt cắt

- ứng suất trong cốt thép chịu kéo đợc tính theo công thức :

S S

tc S

d j A

M f

=

Trong đó :

+) MTC : là mômen tại mặt cắt theo TTGH sử dụng

+) AS : Diện tích cốt thép chịu kéo bố trí

+) dS : Chiều cao có hiệu của mặt cắt

+) j : Thông số tính toán : j = 1- k/3

n n

n

k = −ρ + ρ2 2 + 2 ρ.

+) ρ : Hàm lợng cốt thép chịu kéo bố trí : S

S

d b

5.5.2 Tớnh toỏn và bố trớ vốt thộp tại mặt cắt I – I ( mặt cắt đỏy múng)

- Đối với mặt cắt đáy móng khi tính toán theo TTGH cờng độ I với 2 tổ hợp tải trọngbất lợi Ia và Ib thì sẽ có một tổ hợp tải trọng bất lợi hơn do đó ta sẽ tính toán và bố trícốt thép mặt cắt cho tổ hợp này sau đó cốt thép chịu tổ hợp thứ 2 sẽ đợc bố trí giống

> 1,33 => Đạt

- Kiểm tra hàm lợng cốt thép tối thiểu :

Pmin = 0,003 > 0,03 fc/ fy = 0,002 => Đạt

- Kết luận : Mặt cắt đảm bảo khả năng chịu lực

5.5.2.2 Kiểm toán khả năng chịu cắt của tiết diện.

Kết luận: Nh vậy ta thấy với tiết diện bê tông của mặt cắt cũng đã đảm bảo khả năng chịu lực cắt nhng ta vẫn bố trí cốt thép đai theo cấu tạo

5.5.2.3 Kiểm toán khả năng chống nứt của mặt cắt

- Kiểm tra ứng suất sử dụng trong cốt thép chịu kéo :

Ta có fsa = 25.1 kN/cm2 < 0,6.fy = 25.20 kN/cm2 => Đạt

- Kiểm tra ứng suất trong cốt thép chịu kéo :

Ta có fs = 2.7 kN/cm2 < fsa = 25.1 kN/cm2 => Đạt

- Kết luận : Mặt cắt đảm bảo khả năng chịu chống nứt

5.5.3 Tính toán và bố trí cốt thép tại mặt cắt II - II (Mặt cắt chân tờng thân) 5.5.3.1 Bố trí cốt thép chịu mô men bất lợi ra phía sông.

a Bố trí cốt thép chịu mô men uốn

- Bảng kiểm toỏn khả năng chịu uốn

- Kiểm tra cờng độ mặt cắt :

Ta có :

828.1569

> 1,33 => Đạt

- Kiểm tra hàm lợng cốt thép tối thiểu :

Pmin = 0.003 >0.03 fc/ fy = 0.002 =>Đạt

- Kết luận : Mặt cắt đảm bảo khả năng chịu lực

b Kiểm toán khả năng chịu cắt của tiết diện