Chơng II Phơng án 2 cầu treo dây văng

II- tính toán chọn sơ bộ các tham số cơ bản của cầu treo dây văng 1.. Với cầu dây văng có thể có các sơ đồ một, hai, ba và nhiều nhịp, trong đó hệ ba nhịp là hệ đặc trng của cầu dây văng

Chơng II

Phơng án 2 cầu treo dây văng

I- Giới thiệu chung về phơng án

1.1 Tiêu chuẩn thiết kế.

Thiết kế theo qui trình do bộ GTVT ban hành năm 1979

Tiêu chuẩn kỹ thuật : Tải trọng H30 , XB80 - Ngời bộ hành

1.2 Sơ đồ kết cấu.

1.2.1 Kết cấu phần trên

Sơ đồ bố trí chung toàn cầu 62 + 131 +62 kết cấu là hệ cầu dây văng ba nhịp liên tục

- Kết cấu phần trên: kết cấu đối xứng gồm hai cột tháp có chiều cao dự tính 30m (tính từ

đỉnh tháp xuống mặt dầm)

- Mặt cắt ngang dầm có chiều cao không đổi dạng TT

- Chiều dài một khoang sơ bộ chọn 8,8 m

- Số lợng dây cho một cột tháp 14 dây

- Vật liệu chế tạo kết cấu nhịp :

+ Bê tông mác 400

+ Cốt thép cờng độ cao dùng các loại tao đơn 7 sợi có đờng kính danh định 15,2 mm

+ Thép cấu tạo dùng thép CT3

1.2.2 Kết cấu phần dới

- Tháp cầu dùng loại thân hộp đặc đổ BT tại chỗ Bê tông chế tạo M300

- Mố cầu dùng loại mố chữ U

II- tính toán chọn sơ bộ các tham số cơ bản của cầu treo dây văng

1 Phân nhịp cầu và chiều dài khoang dầm.

Với cầu dây văng có thể có các sơ đồ một, hai, ba và nhiều nhịp, trong đó hệ ba nhịp

là hệ đặc trng của cầu dây văng, nó có u điểm về kết cấu, khả năng chịu lực cũng nh công nghệ thi công

Nghiên cứu các đặc điểm địa chất - địa hình - thủy văn và kiến trúc cảnh quan xung quanh, điều kiện kinh tế - xã hội - chính trị của các vùng mà tuyến đi qua Ta quyết định chọn phơng án cầu dây văng ba nhịp có hai mặt phẳng giàn dây đối xứng qua tháp cầu

Từ những phân tích đã nêu ở trên, áp dụng cụ thể cho phơng án cầu ở đây, chọn :

- Chiều dài khoang dầm d=8,8 m

- Chiều dài khoang dầm cạnh tháp dt= 9,2m

2 Hình dạng và chiều cao dầm cứng

Mỗi một loại tiết diện dầm đa năng hoặc đơn năng đều có u điểm và nhợc điểm khác nhau Song theo xu hớng thi công hiện nay thì việc sử dụng loại tiết diện nào ngoài việc

đảm bảo đợc điều kiện chịu lực đồng thời đảm bảo công nghệ thi công đơn giản nhất phù hợp với trình độ thi công và đã đợc sử dụng trong nớc

Do vậy ta quyết định sử dụng tiết diện ngang dầm chủ đơn năng bằng bê tông cốt thép theo kiểu dáng tiết diện ngang cầu Mỹ Thuận

Theo thống kê các cầu dây văng trên thế giới và trong nớc đã và đang xây dựng, tỉ số chiều cao dầm chủ h/l = 1/100-1/300

Vậy sơ bộ ban đầu chọn dầm chủ có mặt cắt ngang gồm hai chữ T có kích thứơc nh hình vẽ Xem bố trí chung

Hiện nay, các tao cáp đơn đợc sử dụng rộng rãi cho kết cấu B.T S.T và cầu dây văng vì các tao đơn dễ vận chuyển, dễ lắp đặt và thích hợp với hệ neo thông dụng nhất hiện nay

là neo kẹp

dụng dây văng đợc tổ hợp từ các tao thép giảm đợc độ giãn của dây ( do độ võng của trọng lợng bản thân gây ra khi chịu tác dụng của hoạt tải )

Các tao thép đợc căng kéo riêng biệt và đợc ghép thành bó lớn trong các khối neo ở ngay hiện trờng Công tác lắp đặt dây văng rất đơn giản vì dây đợc lắp từng tao nhỏ lên không cần giàn dáo Hệ neo dùng với loại dây văng này là neo kẹp 3 mảnh giống hệ neo dùng trong cầu BTCT - ƯST

Khối neo là khối thép hình trụ có khoan các lỗ hình côn để luồn các tao thép và các tao thép này đợc kẹp chặt bằng nêm 3 mảnh hình côn có ren răng Bên ngoài khối neo đợc ren răng và dùng một êcu đủ lớn để xiết neo theo nguyên tắc vặn bu - lông

Phơng án dùng dây văng tổ hợp từ các tao thép 7 sợi và hệ neo kẹp là phơng án tối u nhất vì so với các dây văng sử dụng cáp xoắn ốc hay cáp kín thờng phải dùng neo đúc, loại neo này cần đợc đổ ở nhiệt độ 4500ữ 5000 là yêu cầu khó đảm bảo ở ngay tại công trờng

Đồng thời việc vận chuyển lắp đặt các bó cáp lớn và dài sẽ gặp khó khăn hơn và việc điều chỉnh nội lực dây văng bằng cách thay đổi chiều dài dây cũng rất hạn chế

3 Hình dạng và tiết diện tháp cầu

Chọn chiều cao tháp cầu là 30 m tính từ đỉnh tháp đến mặt cầu(chiều cao này do chiều dài nhịp biên quyết định sao cho góc nghiêng của dây neo hợp lý nhất, góc này vào khoảng 220 – 250 vừa đảm bảo yêu cầu chịu lực vừa đảm bảo tính kinh tế kỹ thuật) Trong

đó điểm neo dây trên cùng cách đỉnh tháp

2,4m nhằm mục đích đảm bảo mỹ quan và liên kết giữa dây văng trên cùng với tháp đợc chắc chắn

Với các tham số vừa chọn, tính đợc góc nghiêng và chiều dài tính toán của các dây văng

Kết quả đợc ghi trong bảng sau:

7 S7 68017’

Tháp là kết cấu chủ yếu chịu nén lệch tâm Mức độ lệch tâm(mô men uốn trong tháp cầu) phụ thuộc vào sơ đồ liên kết giữa tháp với dây văng và trụ cầu

Tiết diện tối thiểu của tháp cầu có thể sơ bộ xác định nh sau:

Trong đó : At tiết diện cột tháp với tháp 2 cột

g, p tĩnh tải và hoạt tải tính toán phân bố đều tác dụng lên một dàn

l1, l2 chiều dài nhịp biên và nhịp chính l1 = 62m l2 = 131m

α - góc nghiêng của chân tháp so với mặt ngang α = 81022’34”

0,5 – hệ số xét tới ảnh hởng của uốn dọc và mô men uốn trong tháp

thay các hệ số vào ta có:

Chọn tiết diện tháp cầu có dang thay đổi theo chiều dọc cầu :

Tại chân tháp có kích thớc 3 x 1 m;

Tại gần đỉnh tháp có kích thớc 2 x 1 m thay đổi từ chân tháp đến vị trí có thanh dằng ngang của tháp

Vị trí của thanh dằng ngang này cách điểm neo trên cùng là 6,5m hay là cách đỉnh tháp 8,9m

4- Chọn tiết diện dây văng

Trong cầu treo dây văng các dây làm việc chịu kéo phản lực của các gối tựa đàn hồi,

có trị số thay đổi không nhiều theo độ cứng của dầm chủ nội lực lớn nhất ứng với tổ hợp hoạt tải phủ kín cầu ,vậy nội lực trong dây văng thoải nhất ở giữa nhịp dới tác dụng của tĩnh

và hoạt tải có thể xac định theo công thức sau

g

g

t d d q g S

α

sin 2

) ).(

(

max

+ +

=

Trong đó :

g , p : Tải trọng tĩnh và hoạt tải tơng đơng phân bố đều trên toàn cầu

d , dg : Chiều dài khoang dầm nằm kề nút dây thoải nhất

αg : Góc nghiêng của dây văng thoải nhất ở khu giữa nhịp

4.1 Tính nội lực trong dây văng giữa do tĩnh tải

Nội lực trong dây văng do tĩnh tải đợc xác định theo công thức :

α

+ +

=

sin

R

l

4

) l l

2 )(

p

g

(

A

1

2 2 1 T

2

"

' 0

2

34 22 81 sin 2050

62

4

) 131 62 2 )(

7 , 1 036

,

11

(

g t g

sin 2

) d d (

g n

S

α

+

=

a Tĩnh tải giai đoạn một gồm :

Trọng lợng bản thân dầm chủ, bản mặt cầu, dầm ngang

Diện tích dầm chủ và bản mặt cầu

F =540 25 + 30 30 + 100 95 =2,39 10 4cm2 = 2,39m2

- Tĩnh tải rải đều dầm chủ gdc = 2,5 2,39 = 5,975 (T/m)

- V = 0,8 0,3 6,9 = 1,656 m3

Pdn = 2,5 1,656 = 4,14 (T)

toàn cầu có 88 dầm ngang

Tại những khoang có d = 8,8 m thì khoảng cách giữa các dầm ngang là:

:2,933 m Tại khoang gần tháp d = 9,2 thì khoảng cách giữa các dầm ngang là:

:3,067m Tại khoang giữa nhịp d = 7 thì khoảng cách giữa các dầm ngang là:

:2,33m

P = 88 Pdn = 364,32 (T)

- Tĩnh tải rải đều một dầm ngang

) m / T ( 4287 , 1 255

32

,

364

Pđn = 1,4287/2 = 0,714 T/m

Bản mặt cầu nối hai dầm chủ cũng tính cho 1 mặt phẳng dây

F = 1,25 0,25 = 0,3125 m2 ⇒ q = 2,5 0,3125 = 0,78 T/m

+ Tĩnh tải rải đều tiêu chuẩn giai đoạn I

gtc

gđI = 7,469(T/m)

+ Tĩnh tải rải đều tính toán giai đoạn I

gđI = 1,1 7,469 = 8,2159 (T/m)

b.Tĩnh tải giai đoạn II

Bao gồm: Lớp phủ phần xe chạy, lớp phủ lề ngời đi, gờ chắn bánh, lan can tay vịn

Lớp phủ mặt cầu:

=> Tổng cộng: q1= 0,242 (T/m2)

=> Tĩnh tải rải đều của lớp phủ qtc = 0,242 11 = 2,662 (T/m)

qtt =1,5.qtc = 1,5.2,662=3,993 (T/m)

Ta chỉ tính cho một mặt phẳng dây vậy:

pg ch ắ nTC = (0,25 + 0,2).0,3/2.1.2,5 = 0,169 (T/m)

pg ch ắ nTT = 1,1 0,169 = 0,186 (T/m)

- Lan can tay vịn :

+ Gờ đỡ cột lan can cũng có kích thớc nh gờ chắn bánh:

pg ờ đỡTC = (0,25 + 0,2).0,3/2.1.2,5 = 0,169 (T/m)

pg ờ đỡTT = 1,1 0,169 = 0,186 (T/m)

+ Lan can bằng bê tông cách 1m bố trí 1 lan can Lan can có đ ờng kính thớc 0,2 x 0,15 x 0,9 m

Toàn cầu có 256 cột (một bên lan can)

Tay vịn cũng dùng bê tông cốt thép (tính cho một bên)

+ Đèn chiếu sáng và neo

gđ

tc = 0,2 ( T/m )

gđ = 0,22 ( T/m )

- Tổng cộng tĩnh tải giai đọan hai là:

qg đ2 tc= 2,074 (T/m)

qg đ2tt =2,82 (T/m)

Vậy tổng tải trọng rải đều tính toán (cho một dàn dây)là:

g tt = 11,036 (T/m)

) T ( 646 , 234 )

24 sin(

2

) 7 8 , 8 ( 036 , 11 sin

2

) d d (

g S

g

g t tt TT

α

+

=

4.2 Tính nội lực trong dây văng biên giữa do hoạt tải

* Do H30

- Tải trọng: xác định tải trọng tơng ứng với chiều dài đờng ảnh hởng bằng 255 m ( xếp tải toàn cầu )

Của H30 lấy qtđ= 1,7 T/m

- Các hệ số :

+ Hệ số xung kích :

154 , 1 255 70

50 1

70

50 1

+ +

= + +

= +

λ

à

+ Hệ số làn xe : β = 0,9

-Hệ số phân bố ngang theo phơng pháp đòn bẩy ta có :

Hệ số phân bố ngang của H30

y1= 0,943 y2= 0,7025 y3= 0,563 y4= 0,323

ηH30 = 0,5.(0,943 + 0,7025 + 0,563 + 0,323) = 1,266

Hệ số phân bố ngang của XB80

y1= 0,924 y2= 0,582

Hệ số phân bố ngang của ngời tính cho một lề để đợc bất lợi nhất

ηngời= ω (diện tích phần đờng ảnh hởng đặt tải ngời)

ηngời= ( 1,31 + 1,12 ) 1,5 /2 = 1,83

785 , 65 24

sin 2

) 7 8 , 8 (

4 , 1 9 , 0 266 , 1 154 , 1 7 , 1 sin

2

) (

)

1 (

g

g t h TD

H

g

d d q

S

α

η β η à

⇒ SgH30= 65,785T

T 33 , 46 24

sin 2

) 7 8 , 8 (

1 , 1 9 , 0 753 , 0 1 2 , 3 sin

2

) d d (

).

1 ( q S

g

g t h TD

80

XB

α

+ η

β η à +

=

⇒ SgXB80= 46,33T

T 4 , 22 24

sin 2

) 7 8 , 8 (

4 , 1 83 , 1 1 45 , 0 sin

2

) d d (

)

1 ( q S

g

g t h N

α

+ η

η à +

=

⇒ Sng= 22,4T

Vậy Shma x=ShH30+Sng= 88,185T.

4.3 Nội lực dây văng giữa do hoạt tải + tĩnh tải

Sgmax= Sghoạt + Sgtĩnh

4.4 Tính nội lực trong dây neo

Dây neo làm việc bất lợi nhất khi hoạt tải đứng kín nhịp giữa do đó nội lực trong dây neo

đ-ợc xác định theo công thức:

0 i 14

8 i

h i

T

14

neo

cos

cos S S

S

α

α +

=

Sn = 322,83 +375,98 = 690,81 T

4.5 Nội lực trong các dây văng từ S 2 ữ S13

Ta có cầu dây văng ba nhịp đối xứng do vậy ta chỉ cần tính nội lực trong các dây văng từ tháp ra đến giữa nhịp, các dây còn lại lần lợt có nội lực đối xứng bằng nhau

Nội lực trong các dây đợc xác định theo công thức

Si=Sgmax.sinαg/sinαi

Sgmax= 398,81T

Nội lực các dây đợc thống kê trong bảng sau:

α

α α

α

=

α

α

14

8

i

14

8 i

14

8

14

h 14 0

i i

14

h 14 0

i

h

cos

cos sin

sin S cos

cos

S

∑

=

=

α

14

8

576 , 9

g

α

α

14

i h

i 88,185.9,567.tg24 375,98 cos

cos S

11 35027’13,88” 0,58 226.3912

4.6 Tiết diện dây văng:

Diện tích bó cáp đợc tính theo công thức:

A = S/f

Trong đó:

A: diện tích bó cáp

S: nội lực tính toán

f: khả năng chịu lực của vật liệu làm dây

Vật liệu làm dây văng dùng bó cáp 7 sợi có các chỉ tiêu kỹ thuật của một tạo nh sau:

+ Đờng kính danh định 15,2 mm

+ Diện tích 1,4cm2

+ Cờng độ giới hạn 18730 kg/cm2 = 18,73T/cm2

khả năng chịu lực của vật liệu làm dây

f = 0,45 18,73 = 8,4285 T/cm2

Ký hiệu Nội lựcT D.T dâycm 2 Số tao ST chọn D.T sau khi chọn

Ta dùng loại thép bó soắn 7 sợi loại 15,2mm, diện tích thép một tao là

F1 ta o = 1,387cm2 ⇒ số tao cần có =Fthé p/F1tso nh bảng trên.

5 Tính Duyệt dầm dọc:

Sau khi chọn sơ bộ đợc dầm chủ, tháp cầu, dầm ngang và dây văng ta tiến hành vẽ Đah của một số mặt cắt cần tính duyệt theo sơ đồ cầu đã chọn.

Dầm dọc là kết cấu chịu nén uốn trong mặt phẳng thẳng đứng

Để tính lợng cốt thép ta tính theo cấu kiện chịu nén lệch tâm, thiên về an toàn ta tính lợng cốt cần thiết theo mô men uốn sau đó kiểm toán với trờng hợp nén lệch tâm

Khi tính với mô men dơng ta tính dầm dọc với tiết diện chữ T còn khi tính với mô men âm

ta tính dầm dọc với tiết diện chữ nhật

Ta tính duyệt tại 2 mặt cắt :

+ mặt cắt 1: tại gối

+ mặt cắt 2 : giữa nhịp chính

+ Mô men do hoạt tải gây ra ta có thể xếp tải trực tiếp lên ĐAH bằng cách khai báo trong Sap2000 nhng ở đây do khối lợng công việc nhiều nên ta dùng phơng pháp tra tải trọng tơng đơng đối với đoàn xe H30, còn xe nặng XB80 thì do chỉ có một xe nên ta xếp trực tiếp lên ĐAH trong Sap2000

5.1 Tính mặt cắt 1

+ Mô men do Tĩnh tải I , tĩnh tải II và lực điều chỉnh gây ra là:

MTT = - 77 (T.m)

+ Mô men do H30 gây ra

Tính toán mô men uốn tác dụng lên mặt cắt

Σω = -86.733 m 2 ω+ = 7.57 m 2 ω - = -94.3 m 2

Tiêu chuẩn Mtc

H30 =ηH30 qtđ ω- =- 1,266 1,7 94.3 =202,95(T.m)

H30 = n.à Mtc

H30 =- 1,4 1,154 202,95 = - 327,886 (T.m)

+ Mô men do xe nặng XB80 ta xếp tải trực tiếp lên ĐAH của mặt cắt gôí trên Sap2000

Tiêu chuẩn Mtc

XB80 = ηH30.M = - 0,753 162.39 = 122,28 (T.m)

XB80 = 1,1 Mtc

XB80 = - 134,5 (T.m)

+ Mô men do ngời đi qtd = 0,45 T/m

Tiêu chuẩn Mtc

ngơi = 0,45 1,83.( - 94.3 ) = -77,65 (T.m)

ngời = 1,4 Mtc

ngời = -108,7(T.m)

Vậy tổng mô men tác dụng lên mặt cắt gối là:

Mtc = - 357,6 T.m

Mtt = - 513,586 T.m (tổ hợp do tĩnh tải + H30 + ngời lớn hơn).

5.2 Tính mặt cắt 2 ( mặt cắt giữa nhịp )

+ Mô men do Tĩnh tải I , tĩnh tải II và lực điều chỉnh gây ra là:

MTT = 28,88 (T.m)

+ Mô men do H30 gây ra

Σω = 62,47 m 2 ω+ = 91,44 m 2 ω - = -28,97 m 2

Tính toán mô men uốn tác dụng lên mặt cắt

Tiêu chuẩn Mtc

H30 = ηH30 qtđ ω = 1,266 1,9 91,44 =219,95(T.m)

H30 = n.à Mtc

H30 =-1,4 1,154 219,95 = 355,35 (T.m)

+ Mô men do xe nặng XB80 ta xếp tải trực tiếp lên ĐAH của mặt cắt gôí trên Sap2000

Tiêu chuẩn Mtc

XB80 = ηH30.M = 0,753 405,99 = 305,7 (T.m)

+ Mô men do ngời đi qtd = 0,45 T/m

Tiêu chuẩn Mtc

ngơi = 0,45 1,83.91,44 = 75,3 (T.m)

ngời = 1,4 Mtc

ngời = 105,42(T.m)

Vậy tổng mô men tác dụng lên mặt cắt gối là:

Mtc = 324,13 T.m

Mtt = 489,65 T.m (tổ hợp do tĩnh tải + H30 + ngời lớn hơn).

5.3 Tính toán bố trí cốt thép cho mặt cắt 1:

Tính toán bố trí cốt thép theo Mtt = - 513,586 T.m

- Hệ số mô men tĩnh vùng bê tông chịu nén

0 c

u.b h

R

M

05 , 1 1 2050

586 ,

- Chiều cao tơng đối vùng bê tông chịu nén:

α = 1- 1−2.A0 = 1 - 1−2.0,227 = 0,261

- Diện tich cốt thép cần thiết

Ft =

t

0 c u

R

h b R

α

=

30000

05 , 1 1 2050 261 , 0

= 0,0187 m2 = 187 cm2

- Số thanh cốt thép Φ32 cần thiết : n =

F

Ft

=8187,042 = 23,25 thanh Vậy ta chọn n = 25 thanh Φ32

5.4 Tính toán bố trí cốt thép cho mặt cắt 2:

Tính toán bố trí cốt thép theo Mtt = 489,65 T.m

- Hệ số mô men tĩnh vùng bê tông chịu nén

0 c

u.b h

R

M

05 , 1 6 , 3 2050

65 , 489

= 0,06

bc – bề rộng tính toán của bản cánh, ta có hc = 25 cm > 0,1h = 12cm vậy C ≤ 6hc = 150cm Chọn C = 1 m ⇒ bc = 2.1 + 1 + 2.0,3 = 3,6 m

- Chiều cao tơng đối vùng bê tông chịu nén:

α = 1- 1−2.A0 = 1 - 1−2.0,06 = 0,062

- Diện tich cốt thép cần thiết

Ft =

t

0 c u

R

h b R

α

=

30000

05 , 1 6 , 3 2050 062 , 0

= 0,016 m2 = 160 cm2

- Số thanh cốt thép Φ32 cần thiết : n = FFt

= 8160,042 = 19,9 thanh Vậy ta chọn n = 22 thanh Φ32

6 Tính toán bản mặt cầu :

6.1 Tính toán bản hẫng

Cấu tạo bản hẫng nh hình vẽ

6.1.1 Các loại tải trọng tác dụng lên bản:

- Trọng lợng bản thân của bản

- Trọng lợng lớp phủ lan can

- Hoạt tải ngời đi bộ ( không xét tới xe trong phần này )

Ta xác định mô men, lực cắt tại mặt cắt 1 -1 & 2 -2 và kiểm toán tại hai mặt cắt trên.

6.1.2 Xác định mô men, lực cắt tại mặt cắt 1 -1

- Do tĩnh tải giai đoạn 1 ( xét cho 1m dài cầu )

M1= -

2

ql2

Trong đó l = 1,9m

Tĩnh tải bản : qbản = 0,25 1 2,5 1,1 = 0,6875 T⁄m

Vậy M1 = -

2

9 , 1 6875 ,

= -1,24 T.m

Lực cắt do tĩnh tải giai đoạn 1:

Q1 = - 0,6875 1,9 = - 1,3 T

- Do tĩnh tải giai đoạn 2 (xét cho một mét dài cầu )

+ Lan can tay vịn trọng lợng rải đều tính toán: 0.2674 T/m

hệ số vợt tải n =1,5

Vậy : M2 =

2

9 , 1 )

4 , 2 1 05 , 0 5 , 1

2

25 ,

0 ) = - 0,8 T.m

Q2 = - ( 0,05 1 1,9 2,4 ) 1,5 - 0,2674 = - 0,61 T

- Do tải trọng ngời đi bộ : q = 0,3T/m có n = 1,4

M3 =

2

5 , 1 3 , 0 4 ,

Q3 = - 1,4 0,3.1,5 = -0,63 T

Nội lực tổng cộng tại mặt cắt 1 - 1

M1= M 1 + M 2 + M3 = - 2,515 T.m

Q = Q1 + Q2 + Q3 = - 2,54 T

1.3. Xác định mô men & lực cắt tại mặt cắt 2 - 2

- Nội lực do tĩnh tải phần 1:

M1 = -

2

2 , 2 6875 ,

- 1,1.0,3.0,3.1/2.2,5.0,3/3 = - 1,676 T.m

190 30

1

1 2

2

25

55