CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT6.1 TÍNH TOÁN GỐI CẦU 6.1.1 CẤU TẠO GỐI VÀ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN - Loại gối cầu thiết kế: Gối cao su - thép - Giới thiệu chung về gối cầu thiết kế: + Gối c
Trang 1CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ CÁC CHI TIẾT
6.1 TÍNH TOÁN GỐI CẦU
6.1.1 CẤU TẠO GỐI VÀ CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN
- Loại gối cầu thiết kế: Gối cao su - thép
- Giới thiệu chung về gối cầu thiết kế:
+ Gối cầu làm nhiệm vụ truyền áp lực tập trung từ kết cấu nhịp xuống
mố trụ và đảm bảo cho đầu kết cấu nhịp có thể quay hoặc di động tự do dưới tác dụng của hoạt tải và nhiệt độ và nhiệt độ thay đổi
+ Trong nhiều trường hợp và trong nhiều cầu hiện nay người ta đã dùng các loại gối cao su - thép nhiều lớp gồm các tấm cao su dán xen kẽ giữa các tấm thép thành một chồng có chiều dày cần thiết
+ Lực nén thẳng đứng mà các tấm cao su phải chịu sẽ được giảm nhiều
do ứng suất tiếp xuất hiện ở chổ tiếp xúc giữa các tấm cao su và các tấm thép phải chịu thêm lực kéo theo phương ngang ngoài việc phải chịu nén theo phương thẳng đứng Chiều dày một tấm thép khoảng 0.8-1.6mm, còn mỗi tấm cao su dày 5-25mm
- Ưu nhược điểm của gối cầu thiết kế:
+ Ưu điểm:
- Chịu lực thẳng đứng tốt
- Đảm bảo được cả dãn dọc và dãn ngang tự do của các mép kết cấu nhịp
- Gối cao su-thép nhiều lớp có khả năng đảm bảo cho các đầu dầm có thể chuyển vị góc và chuyển vị thẳng đứng theo bất kỳ hướng nào
- Giá thành không cao và đồng thời việc thi công lắp ráp đơn giản
+ Nhược điểm:
- Nếu chất lượng kém thì chỉ sau vài năm các gối sẽ bị biến dạng bẹp không đều gây ra nội lực phụ trong kết cấu nhịp Khi đó sửa chữa phải kích các dầm lên rất khó khăn và tốn kém, dễ gây nứt dầm
- Tuy nhiên trong các cầu hiện đại vật liệu sử dụng thường đảm bảo chất lượng và nhược điểm trên là rất khó xảy ra và không cần phải duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác sử dụng
- Các loại gối cao su – thép thường dùng cho cầu BTCT ở nước ta:
Trang 2+ Gối cao su- thép nhiều lớp + Gối BTCT có đệm cao su + Gối cao su trong hợp thép
- Trong tập đồ án này sử dụng: Gối cao su- thép nhiều lớp
6.1.2 TẢI TRỌNG TÍNH TOÁN
- Tĩnh tải tác dụng lên dầm trong tại mặt cắt “Gối”:
DC
R =V DC1dam+V DC1bmc+V DC1dn+V DC1vk+V DW2
Bảng 6.1 Bảng giá trị tính toán lực cắt do tĩnh tải gây ra tại mặt cắt “Gối”:
dam
DC
V 1 V DC1bmc V DC1dn V DC1vk V DW2
- Trong đó:
+ V DC1bmc: lực cắt gây ra do tĩnh tải bản thân dầm trong + V DC1bmc: lực cắt gây ra do tĩnh tải bản mặt cầu
+ V DC1dn: lực cắt gây ra do tĩnh tải dầm ngang + V DC1vk: lực cắt gây ra do tĩnh tải ván khuôn + V DW2: lực cắt gây ra do tĩnh tải các lớp phủ
- Hoạt tải tác dụng lên dầm trong tại mặt cắt “Gối”:
LLlan LLtruck
Bảng 6.2 Bảng giá trị tính toán lực cắt do hoạt tải gây ra tại mặt cắt “Gối”:
LLtruck
- Trong đó:
+ V LLtruck: lực cắt gây ra do xe tải thiết kế + V LLlan: lực cắt gây ra do tải trọng làn
6.1.3 TỔ HỢP NỘI LỰC THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN
- Tổ hợp lực cắt theo TTGH CĐ1 tại mặt cắt “Gối”:
1
CD
V =1.00×(1.25V DC +1.5V DW +1.75V LL)
- Tổ hợp lực cắt theo TTGH SD tại mặt cắt “Gối”:
Trang 3V =1.00×(1.00V DC +1.00V DW +1.00V LL)
- Trong đó:
VLL=mg HL(1+IM)×max(V LLtruck +V LLtandem)+mg Lan V LLlan=474.85 kN
Bảng 6.3 Tổ hợp lực cắt theo các TTGH đối với dầm trong tại mặt cắt “Gối”
6.1.4 TÍNH TOÁN VÀ BỐ TRÍ
6.1.4.1 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN
- Chiều dài nhịp tính toán: Ltt=37.4m
- Phản lực do tổng tải trọng tác dụng lên gối ở TTGH SD: V SD =1118.85kN
- Phản lực do hoạt tải tác dụng lên gối ở TTGH SD: V LL =474.85kN
- Mô đun cắt của chất dẻo: G=0.9~1.38, chọn G=1.2 dùng để thiết kế
- Độ cứng danh định trên thang Shore A: 60
- Ngưỡng mỏi biên độ không đổi chỗ cho loại A: ∆F TH =165Mpa
- Hệ số tải trọng cho nhiệt độ phân bố đều, co ngót và từ biến: γ =1.20
- Biên độ nhiệt độ cầu: ∆T =490C (Vì không có số liệu chính xác nên xác định biên độ theo Bảng 3.12.2.1-1 TCN)
- Cường độ chảy nhỏ nhất của thép: F y =345Mpa(Tiêu chuẩn AASHTO
M270M Cấp 345)
6.1.4.2 CHUYỂN VỊ DO NHIỆT ĐỘ PHÂN BỐ ĐỀU GÂY RA Ở ĐẦU KẾT CẤU NHỊP
- Hệ số giãn nở nhiệt: α =10.8×10−6/0C
- ∆TEMP =( )( )( )α ∆T L tt =(10.8×10− 6/0C)(490C) (37400)=19.8mm
6.1.4.3 CHUYỂN VỊ DO CO NGÓT, TỪ BIẾN CỦA BÊ TÔNG Ở ĐẦU KẾT CẤU NHỊP
- Vì không có số liệu chính xác nên giả thiết hệ số co ngót của bê tông sau một
năm đông cứng là: 0.0005
mm
L tt
SH =0.0005× =0.0005×37400=18.7
∆
Trang 4- Trong thiết kế phần này không xét đến chuyển vị ở đầu kết cấu nhịp do ảnh hưởng của từ biến
6.1.4.4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC THIẾT KẾ CỦA GỐI CẦU
- h rt : là tổng chiều dày chất dẻo
- h ri :chiều dày của lớp chất dẻo thứ i trong gối cán mỏng
- n: số lượng các lớp bên trong của chất dẻo
- ∆s :là độ biến dạng cắt lớn nhất của chất dẻo ở TTGH SD
- ∆s =γ ×(∆TEMP +∆SH)=1.2×(19.8+18.7)=46.2mm
- Theo 14.7.5.3.4 TCN, h rt ≥2∆s =2×46.2=92.4mm
- Thử chọn:
+ h rt =120mm
+ h ri =20mm
+ n=5
6.1.4.5 KIỂM TRA ỨNG SUẤT NÉN CỦA GỐI CAO SU
- Trong bất kỳ lớp gối chất dẻo nào, ứng suất nén trung bình ở TTGH SD phải
thỏa mãn:
- Đối với gối chịu biến dạng cắt:
+ σs ≤1.66GS ≤11.0Mpa
+ σL ≤0.66GS
- Trong đó:
+ σs: ứng suất nén trung bình do tổng tải trọng
Mpa m
kN LW
V SD
55 0 3 0
85
1118 = 2 =
×
=
= σ + G: Mô đun cắt của chất dẻo ở 230C, G=0.9 + S: hệ số hình dạng của lớp dày nhất của gối
85 4 ) 550 300 ( 20 2
550 300 )
(
+
×
×
×
= +
=
W L h
LW S
ri
+ Trong đó:
+ L=300 là chiều dài của gối chất dẻo hình chữ nhật song song với trục dọc của cầu
+ W=550 mm là chiều rộng của gối theo phương ngang cầu
Trang 5+ hri=20mm, chiều dày của lớp chất dẻo dày nhất của gối
⇒1.66GS=1.66×1.2×4.85=9.66 Mpa
⇒σs=6.78Mpa<9.66 Mpa ⇒ĐẠT
+ σL :ứng suất nén trung bình do hoạt tải, Mpa
Mpa m
kN LW
V LL
55 0 3 0
85
474 = 2 =
×
=
= σ
⇒0.66GS=0.66×1.2×4.85=3.84 Mpa
⇒σL=2.878 Mpa<0.66GS=3.84 Mpa ⇒ĐẠT
6.1.4.6 ĐỘ LÚN DO NÉN
- Các độ lún của gối chất dẻo do tổng tải trọng và riêng hoạt tải phải được xem
xét riêng biệt Độ lún tức thời phải lấy như sau:
ri
i h
ε
δ =∑
- Trong đó:
+ εi :là ứng biến nén tức thời trong lớp chất dẻo thứ i của gối cán mỏng
+ Ta có:ứng suất σs =6.78Mpa và hệ số hình dạng S = 4 85 ⇒ Tra biều
đồ C14.7.6.3.3.1 AASHTO LRFD 2007 SI ⇒εi =0.06
⇒δ =∑ εi h ri =0.06×120=7.2mm
6.1.4.7 XÁC ĐỊNH GỐC QUAY LỚN NHẤT CHO PHÉP CỦA GỐI
- Độ quay xung quanh bất kỳ trục nào của tấm gối có thể xác định theo công thức gần đúng như sau:
Rad L
300
2 7 2
2 = × =
= δ θ
XÉT ĐẾN TỪ BIẾN, HOẠT TẢI VÀ SAI SỐ CHO PHÉP
UN LL TB DC
- Trong đó:
+ θDC :Góc quay do độ võng tĩnh tải tác dụng thường xuyên
+ θTB :Góc quay do độ võng tĩnh tải có xét đến từ biến + θLL: Góc quay do độ võng hoạt tải
Trang 6+ θUN :Sai số cho phép, θUN =±0.005Rad
Gốc quay do độ võng tĩnh tải thường xuyên gây ra: Tính toán theo công thức
sau:
Rad L
f f
f
tt
DW v DC v DC v
37400
42 98 2 ) (
2 . 1 . 2 .
=
×
= +
+
×
= θ
Gốc quay do tĩnh tải có xét đến từ biến:
- Cùng với góc quay tức thời do tĩnh tải, còn có góc quay lâu dài do hiệu ứng từ
biến, được xác định theo công thức:
Rad
DC
TB =(1+λ)θ =(1+0.34)×0.0053=0.0071
θ
- Trong đó:
:
λ là hệ số từ biến được xác định theo công thức,
) ( 10 120
58 1 5
6 0 118
.
− +
−
i
i i
f c
t t
t t t
H k
k
λ
:là tuổi của bê tông tính bằng ngày kể từ thời điểm đổ bê tông, t=28 ngày
:
i
t là tuổi của bê tông tính bằng ngày khi bắt đầu chịu lực, t i =365ngày
:
H là độ ẩm tương đối, lấy H =80% :
f
k là hệ số xét đến ảnh hưởng của cường độ bê tông, xác định theo công
50 42
62 42
62
+
= +
=
c f
f k
:
c
k là hệ số xét đến ảnh hưởng khối lượng/ bề mặt của bộ phận kết cấu,
:
c
k k c =0.32
mm m
mat Dientichbe
Thetich
114 114
0 4 239
36
27 = =
=
- Diện tích bề mặt được xác định theo công thức trên là diện tích bề mặt tiếp xúc với khí quyển
Gốc quay do hoạt tải tại gối: Góc quay do hoạt tải tại gối có thể tính toán theo
công thức như sau:
Rad L
f f
tt
Lan v LL v
37400
1 18 2 ) 25
0 (
=
×
= +
×
= θ
⇒ Gốc quay tính toán θSlà:
005 0 001 0 0071 0 0053
= + + +
= DC TB LL UN
θ
Trang 7
=
=
⇒
Rad
Rad
S
S
0084 0
019 0
θ θ
<
=
⇒θS 0.019Rad Góc quay khống chế là: θS =0.048rad
6.1.4.9 NÉN VÀ QUAY KẾT HỢP
- Các gối hình chữ nhật, để thỏa mãn các yêu cầu không bị nhổ lên, có thể được dùng nếu như chúng thỏa mãn:
2
0 1
>
ri
s s
h
B n
GS θ σ
- Trong đó:
+ B: là chiều dài của tấm gối nếu quay xung quanh trục ngang của nó, hoặc chiều rộng của tấm gối nếu quay xung quanh trục dọc của nó, B=L=300mm
+ θs : độ quay xung quanh bất kỳ trục nào của tấm gối, (Rad)
h
B n GS Mpa
ri
s
20
300 5
019 0 85 4 2 1 0
1 78
6
2 2
=
×
×
=
>
- Gối chữ nhật chịu biến dạng cắt cũng phải thỏa mãn:
Mpa h
B n
GS
ri
20
300 5
019 0 2 0 1 85 4 2 1 875 1 2
0 1 875
1
2 2
=
−
×
×
=
⇒
=
−
<
h
B n GS
Mpa
ri
s
2
θ
6.1.4.10 ỔN ĐỊNH CỦA GỐI CHẤT DẺO
- Các gối phải được nghiên cứu về mặt ổn định ở các tổ hợp tải trọng của TTGH SD Đối với gối chữ nhật, ứng suất nén sử dụng trung bình do tổng tải trọng σs
phải được thỏa mãn nếu mặt cầu được tự do tịnh tiến ngang
B A
G
σ
- Trong đó:
Trang 8+ 0.11
550
300 2 1 85 4
300
120 92 1 2
1
92 1
=
× +
×
= +
=
W
L S
L
h A
rt
550 4
300 1
) 2 85 4 ( 85 4
67 2 0
4 1 ) 2 (
67
× + +
=
+ +
=
W
L S
S B
⇒
=
−
×
≤
=
07 0 11 0 2
2 1 78
6
6.1.4.11 KIỂM TRA ỔN ĐỊNH TRƯỢT CỦA GỐI CẦU
- Số làn xe thiết kế: n=2 làn
- Số làn xe thiết kế giả thiết đi cùng một chiều trong tương lai: n’=2 làn
- Lực ngang tác dụng lên gối cầu do lực hãm xe:
kN
BR=0.25×(145+145+35)×2=162.5
- Lực ngang do sự biến dạng của một kết cấu chất dẻo gây ra:
h GA H
rt
u
120
2 46 55 0 3 0 2
1 × × × =
=
∆
= + Trong đó:
G: mô đun cắt của chất dẻo, G=1.2 A: diện tích mặt bằng của cấu kiện chất dẻo hoặc gối
:
u
∆ biến dạng cắt tính toán, ∆u =46.2mm
:
rt
h là tổng chiều cao của chất dẻo, h rt =120mm
- Lực ma sát trượt tính toán như sau:
+ H u =µP u =0.3×1118.85=335.66kN
+ Trong đó:
:
µ là hệ số ma sát giữa chất dẻo và bê tông, lấy µ =0.3 :
u
H là lực nằm ngang tính toán,
:
u
P là lực nén tính toán ở TTGH SD, P u =1118.85kN
⇒
=
<
= +
⇒BR H V 241.23kN H u 335.66kN ĐẠT
6.1.4.12 CỐT THÉP TĂNG CƯỜNG
- Chiều dài của cốt thép tăng cường phải thỏa mãn:
+ Ở trạng thái giới hạn sử dụng:
Trang 9mm mm
F
h h
y
s
345
78 6 20 3
3 max = × × = <
+ Ở trạng thái giới hạn mỏi:
mm F
h h
TH
L
165
878 2 20 2
2 max
<
=
×
×
=
∆
- Trong đó:
+ hmax :chiều dày của lớp chất dẻo dày nhất trong gối chất dẻo,
mm
hmax =20
+ Fy: cường độ chảy dẻo của cốt thép, Fy=345Mpa
- Chọn giá trị hs=1.2mm
- Kết luận: Gối cao su-thép nhiều lớp có các thông số kỹ thuật như sau:
+ Gồm 5 lớp cao su mỗi lớp dày 20mm, bố trí các lớp bên trong của gối + Gồm 2 lớp cao su mỗi lớp dày 10mm bố trí hai mặt ngoài của gối + Gồm 6 lớp thép mỗi lớp dày 1.2mm, bố trí xen kẽ các lớp cao su + Tổng chiều cao của gối cầu: h=hst+hrt=127.2mm
+ Kích thước gối cao su: LxW=300x550mm
Hình 6.1 Gối cao su-thép nhiều lớp
6.2 TÍNH TOÁN KHE CO GIÃN
6.2.1 MỤC ĐÍCH
- Khe co giãn được đặt ở vị trí đầu kết cấu nhịp nối với kết cấu nhịp tiếp theo
hoặc nối với mố cầu
- Khe co giãn và các khe hở bề mặt thiết kế phải thích nghi với sự chuyển động của các xe máy, xe đạp và bộ hành như yêu cầu, và phải không làm giảm xúc một cách đáng kể các đặc điểm chạy xe của lòng đường, vừa không gây ra sự hư hỏng cho xe cộ
Trang 10- Khe co giãn phải đảm bảo cho đầu kết cấu nhịp có thể chuyển vị quay và tịnh tiến một cách tự do dưới tác dụng của tải trọng, của sự thay đổi nhiệt độ và các yếu tố khác như co ngót, từ biến của cấu kiện bê tông
- Ngoài ra, khe co giãn phải đảm bảo cho xe chạy qua êm thuận, không cho nước từ mặt cầu chảy xuống đầu kết cấu nhịp và đỉnh trụ mố
- Các khe co giãn được cấu tạo bố trí để ngăn ngừa sự hư hỏng cho kết cấu gây
ra từ nước và các mảnh vụn gạch đá của lòng đường
6.2.2 YÊU CẦU THIẾT KẾ
- Các khe co giãn và các trụ đỡ của chúng phải được thiết kế để chịu được các hiệu ứng lực tính toán trên phạm vi tính toán của các chuyển động theo quy định của 22TCN272-05
- Các bề mặt của khe co giãn phải được thiết kế để làm việc phối hợp với các gối để tránh bó giữa các khe co giãn và ảnh hưởng ngược lại tới các hiệu ứng lực đặt lên gối
- Các vật liệu dùng thiết kế phải được tuyển chọn để đảm bảo rằng chúng là tương thích về đàn hồi, nhiệt và hóa
- Các khe co giãn mặt cầu phải được thiết kế để làm việc với sự bảo dưỡng ít nhất trong tuổi thiết kế của cầu
6.2.3 TÍNH TOÁN CHUYỂN VỊ DO NHIỆT ĐỘ VÀ CO NGÓT CỦA BÊ TÔNG
- Chuyển vị do nhiệt độ:
+ Hệ số giãn nở nhiệt: α =10.8×10− 6 /0C
+ Biên độ nhiệt độ cầu: ∆T =490C (Vì không có số liệu chính xác nên xác định biên độ cầu theo Bảng 3.12.2.1-1 TCN)
+ ∆TEMP =( )( )( )α ∆T L tt =(10.8×10− 6/0C)(490C) (37400)=19.8mm
- Chuyển vị do co ngót của bê tông:
+ Vì không có số liệu chính xác nên giả thiết hệ số co ngót của bê tông sau một năm đông cứng là: 0.0005
+ ∆SH =0.0005×L tt =0.0005×37400=18.7mm
- Trong thiết kế phần này không xét đến chuyển vị ở đầu kết cấu nhịp do ảnh hưởng của từ biến
- Tổng chuyển vị tại khe co giãn do nhiệt độ và co ngót của bê tông:
+ ∆=1.2(∆TEMP +∆SH)=1.2(19.8+18.7)=46.2mm
Trang 11- Khe hở bề mặt lòng đường W, ở trong khe co giãn ngang của mặt cầu, được
đo trực giao với khe co giãn ở chuyển vị tới hạn tính toán phải thỏa mãn: đối với khe
hở đơn:
+ W ≤64+38(1−2sin2θ)=64+38(1−2sin2 20)=102mm
+ θ:độ chéo của mặt cầu ở khe co giãn, θ ≈20
+ Chọn khoảng cách khe hở giữa đầu kết cấu nhịp với đầu kết cấu nhịp tiếp theo hoặc với mố, trụ là: a=50mm
- Tổng chiều rộng khe hở lớn nhất ở khe co giãn do chuyển vị và bố trí là:
W=a+∆=50+46.2=96.2mm<102mm ⇒ĐẠT
- Đối với kết cấu phần trên bằng bê tông, phải xem xét độ hở của khe co giãn do
từ biến và co ngót có thể yêu cầu độ hở nhỏ nhất ban đầu nhỏ hơn 25mm
⇒
<
=
∆SH 18.7mm 25mm ĐẠT
6.2.4 CHỌN CẤU TẠO KHE CO GIÃN
- Do chuyển vị ở đầu kết cấu nhịp ∆=42.84mm, khi đó chuyển vị ở đầu kết cấu nhịp <50mm Kiến nghị chọn kiểu cấu tạo khe co giãn có chi tiết bù bằng cao su
- Các kích thước hình học và bố trí xem bản vẽ kỹ thuật
Hình 6.2 Cấu tạo khe co giãn 6.2.5 YÊU CẦU KỸ THUẬT VẬT LIỆU KHE CO GIÃN
Trang 12- Tỷ lệ chất đàn hồi khe co giãn phải là hợp chất neoprene (Cao su tổng hợp)
mà trong đó tính chất cơ lý phải được xác định theo bảng sau:
Bảng 6.4 Đặc trưng vật lý của cao su
Trên thang Shore A
60±5
Biên độ cho phép ở nhiệt độ 220C
trong vòng 22h
≤25%
Thí nghiệm lão hóa ở nhiệt độ 700C
trong vòng 168h
D-471 Giảm cường độ kéo <25%
Giảm độ giãn dài tới hạn <25%
Biên độ thay đổi độ cứng <10
- Kích thước phần neoprene (Cao su tổng hợp) của khe phải có độ chính xác +6/-0 trên cả chiều dài và chiều rộng và chính xác tới -0/+3 của kích thước bên ngoài theo yêu cầu trên các bản vẽ ở nhiệt độ 210+C
- Chất bịt kín các khe ở giữa các phần của khe co giãn, dọc theo cạnh khe co giãn, bu lông và các nút phải có độ cứng cao, một phần pôliuretan trong chất bịt kín này phải được lưu hóa một cách nhanh chống, không co ngót, trong một tấm cao su có đặc tính dãn dài cao Chất bịt kín này phải có khả năng dính kết với bê tông, cốt thép
và neoprene mà không cần sử dụng chất sơ lót Khi bị lưu hóa chất bịt kín này phải có tính kháng mòn và kháng muối, dầu và hóa chất của đường
- Chất epoxy dùng để lắp các khoảng trống xung quanh các chốt đay ốc là một chất màu đen phải có đặc tính vật lý như sau:
+ Nguyên liệu cơ bản: Nhựa epoxy đã được hóa dẻo + Trọng lượng/lít: nguyên liệu trộn 1.05kgs/lít + Thời gian trộn: 2 phút khoảng 240C
+ Thời gian giữ trong bình: 10-15 phút khoảng 240C + Lưu hóa ban đầu: 4h khoảng 240C
+ Lưu hóa cuối cùng: 48h khoảng 240C
- Chất epoxy phải đóng hộp hoặc đóng bình Chất epoxy giãn nở cũng phải là nguyên liệu tương thích và có các đặc tính vật lý, khi được lưu hóa, phải tương tự neoprene