4 tinh toan SB vom

- Kết cấu cầu vòm có đặc điểm khác biệt với cầu dầm là có lực đẩy ngang, với các dạng vòm thông thường như sơ đồ vòm khung chốt, vòm hai chốt, vòm 3 chốt.. Các dạng cầu vòm này nói chung

CHƯƠNG II PHƯƠNG ÁN SƠ BỘ II CẦU VÒM LIÊN HỢP ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG ÁN.

1.1 Tiểu chuẩn thiết kế

- Cầu thiết kế theo dạng vĩnh cửu

- Thiết kế theo 22TCN272 – 05

- Tần suất lũ thiết kế 1%

1.2 Bố trí chung phương án

1.2.1 Kết cấu phần trên

- Sơ đồ bố trí chung: (105 + 105 +105)m

- Kết cấu nhịp chính:

Nhịp chính có chiều dài nhịp 105m kết cấu liên hợp Dầm cứng – Vòm cứng, trong đó dầm cứng là dầm BTCT DƯL còn vòm sử dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông gồm hai ống nhồi bê tông

1.2.2 Kết cấu phần dưới

- Trụ:

Sử dụng trụ bê tông cốt thép được đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính D=1.5m

- Mố:

Dùng mố chữ U bê tông cốt thép đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính 1.0m

1.3 Giới thiệu chung về kết cấu nhịp chính

- Vòm là kết cấu có hình dáng kiến trúc đẹp, đặc biệt hợp lý khi xây dựng cầu trong thành phố và các khu du lịch

- Kết cấu cầu vòm có đặc điểm khác biệt với cầu dầm là có lực đẩy ngang, với các dạng vòm thông thường như sơ đồ vòm khung chốt, vòm hai chốt, vòm 3 chốt Các dạng cầu vòm này nói chung lực đẩy ngang lớn mố trụ khá lớn, do đó phải tăng kích thước, tăng vật liệu làm mố trụ Trường hợp nền đất càng yếu thì phí tổn xây dùng

mố trụ cầu vòm càng lớn và đó là một trong các lý do làm cho cầu vòm bị hạn chế phát triển

- Khắc phục các nhược điểm trên nhằm làm cho cầu vòm phát huy được ưu điểm cửa nó là vấn đề cần thiết và phương án kết cấu liên hợp ra đêi trong đó có phương

án cầu dầm cứng vòm cứng

II LỰA CHỌN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA NHỊP CHÍNH

2.1 Đường cong trục vòm

Việc chọn đường cong trục vòm có ý nghĩa quan trọng Nếu trục vòm trùng với đường cong áp lực do tĩnh tải và nửa hoạt tải rải đều tương đương thì mô men là nhỏ nhất Đường cong trục vòm dạng Parabol là hợp lý

Phương trình đường cong trục vòm

( )

2

4

f

l

Trong đú f là đường tờn của vũm

2.1.1 Đường tờn vũm

Tham số quan trọng nhất là tỷ số giữa đường trũn vũm f với nhịp vũm là l

Tỷ số này càng nhỏ tức là vũm càng thoải thỡ lực đẩy ngang càng lớn và ngược lại thường dựng tỷ lệ

f/l = 1/4-1/6

Ta chọn f/l = 1/5

f = 21m

2.1.2 Độ lệch tõm

Lực đẩy ngang từ vũm sẽ truyền vào dầm cứng gõy ra lực kộo lệch tõm trong dầm cứng như vậy trụ mố sẽ khụng chịu lực đẩy ngang này Trong dầm cứng cũn xuất hiện mụ men uốn dương do tĩnh tải và hoạt tải thẳng đứng, vỡ vậy cần phải tạo một độ lệch tõm của điểm đặt lực đẩy ngang từ vũm sao cho nú gõy ra mụ men õm trong dầm cứng nhằm giảm bớt trị số mụ men dương tổng cộng trong dầm cứng Nhờ đú sẽ tiết kiệm được vật liệu và cải thiện được trạng thỏi làm việc của dầm cứng Tuy nhiờn khụng thể tạo độ lệch tõm trờn quỏ lớn được vỡ nú sẽ tạo hiệu ứng ngược lại

=> Chọn độ lệch tõm e = 20 cm

2.1.3 Lựa chọn tiết diện dầm chủ, tiết diện vũm và tớnh ĐTHH

2.1.3.1 Lựa chọn tiết diện vũm

Vũm chủ làm việc theo hai giai đoạn:

Giai đoạn I: giai đoạn thi cụng, bờ tụng chưa chịu lực, mụ men uốn và lực

dọc trờn do mặt cắt thộp chịu

Giai đoạn II: giai đoạn khai thỏc, mặt cắt làm việc là mặt cắt liờn hợp vũm

ống thộp nhồi bờ tụng

Diện tớch

16

16

600

Mặt cắt ngang vòm thép Giai đoạn I

Mặt cắt thép quy đổi

32

24 1000

1000

16

16

600

1 K

2.1.3.2 Lựa chọn tiết diện dầm chủ

Mặt cắt ngang cầu gồm 2 dầm chữ nhật

Khoảng cỏch giữa tim 2 dầm chủ là 1600cm Toàn cầu cú 22 dầm ngang, khoảng cỏch giữa cỏc dầm ngang là 500cm

Vật liệu làm dầm:

- Bê tông dùng cùng loại với bê tông nhồi trong ống

- Thép dự ứng lực

+) Dùng loại 15.2mm có các thông số cơ bản sau

Các kích thước cơ bản của dầm chủ được thể hiện như hình vẽ

1200

500

Dầm chủ được chia thành 3 đốt, chiều dài mỗi đốt 35m các đốt được đúc trong xưởng sau đó đưa ra công trường cẩu lắp

Dầm được cấu tạo từ bê tông cốt thép dự ứng lực theo công nghệ kéo sau

500

260 1200

2 K

2.2 Tải trọng tác đông thường xuyên DC

2.2.1 Tải trọng tác động thường xuyên DC

2.2.1.1 Tĩnh tải của dầm chủ

Diện tích mặt cắt ngang của dầm chủ là: F1=2,251 m2

tc

c td bt

tc tc

c t c

γ

lấy bằng 1,25

2.2.1.2 Tĩnh tải của dầm ngang

F ng =1.04m2

Chiều dài mỗi dầm ngang là 14,8 m

Tổng trọng lượng dầm ngang là:

DCdn=14,8.1,04.24=3694,08 KN

Tĩnh tải rải đều của dầm ngang trên 1 m dài dầm dọc là:

DCtc

DCtt

n = 32,586 KN/m

2.2.1.3 Tĩnh tải bản mặt cầu

190 190

190 190

1240

giai ®o¹n I giai ®o¹n Ii

190 190

190 190

1240

1240

Tĩnh tải rải đều của bản mặt cầu trên 1m dài dầm dọc là:

DCtc

mc=68,4 KN/m

mc= nt.DCtc

mc=85,5 KN/m

2.2.1.4 Trọng lượng của các thanh treo

Thanh treo ở đây ta dùng vật liệu thép cường độ cao là các thanh Mác ca loy ở

đây ta chọn thanh Mác ca loy có ∅=58 mm

Để đơn giản cho thi công ta chọn các thanh có kích thước như nhau và có MCN

là 2 thanh bố trí song song

Diện tích thanh treo: F = 0,00528416 m2

Bảng tính trọng lượng thanh

10.27085803 Tải trọng thanh treo rải đều trên một một dài dầm chủ là:

DCtc

th = 0,08854 KN/m

DCtt

th = 0,11068 KN/m

2.2.1.5 Trọng lượng của ống nhồi bê tông

16

600

1 K

Tham

số

Giá trị

Tham

số

Giá trị

Đơn

vị

Tổng diện tích bêtông

trên mặt cắt ngang: Fc 2.027 Tổng diện tích thép trên mặt cắt ngang: F

Tổng tĩnh tải vòm

do bê tông: Pc = Fc .γc 5136.078

Tổng tĩnh tải do phần thép:

Pc = Fs .γs

370.163 kN

Tĩnh tải rải đều trên 1m dài nhịp DCv =

L

P

51.221 kN/m

2.2.1.6 Trọng lượng của hệ giằng phía trên

Ta lấy:

800

12

2.2.2 Tải trọng do tĩnh tải giai đoạn 2 gây ra DW

Với loại tải trọng này hệ số vượt tải là 1,5

2.2.2.1 Lớp phủ mặt cầu

Lớp phủ MC bao gồm:

+) Lớp bê tông atphan

+) Lớp bê tông bảo vệ

+) Lớp phòng nước

+) Lớp bê tông tạo dốc

Tên lớp Dày DWtc DWtt Đơn vị

Lớp BT bảo vệ 4 18.24 27.36 KN/m

Lớp BT tạo dốc 1.5 6.84 10.26 KN/m

Lớp phủ mặt cầu rải đều trên 1 m dài dầm là:

DWtc

mc= 23,94 KN/m

DWtt

2.2.2.2 Trọng lượng của lan can, tay vịn, gờ chắn bánh

Trọng lượng rải đều của lan can, gờ chắn:

DWtc

gc

DWtt

gc

Kích thước cấu tạo lan can cầu:

Tổng hợp ta có:

DWtc=DWtc

mc+DWtc

gc

DWtt=DWtt

mc+DWtt

gc

2.2.2.3 Hoạt tải tác động trên cầu

Hoạt tải ở đây bao gồm

+) HL93

+) Xe hỗn hợp

+) Lực xung kích (1+IM)

2.3 Thiết kế dầm chủ

2.3.1 Nội lực trong các thanh treo, thanh vòm và trong các khoang dầm do tĩnh tải, hoạt tải và lực xung kích

Nội lực do tĩnh tải DC và DW

Ntc DVV

DC, = (DCtc+DWtc).Ω N

Ntt DVV

DC, = (DCtt+DWtt).Ω N Nội lực do tải trọng làn

Ntc

lan = glan.qtc

lan Ω N

Ntt

lan= glan.nh.qtc

lan.Ω N Nội lực do tải trọng xe hôn hợp

N tc

ng= gng.qtc

ng.Ω N

Ntt

ng= gng.nh.qtc

ng.Ω N Nội lực xe hai trục thiết kế và lực xung kích

Ntc

tr xe2 = gxe2truc.(1+IM/100).∑ (p i y i)

Ntt

tr xe2 = gxe2truc.nh.(1+IM/100).∑ (p i y i) Nội lực xe hai trục thiết kế và lực xung kích

Ntc

xetaitk= gxetaitk.(1+IM/100).∑ (p i y i)

Ntt

xetaitk= gxetaitk.nh.(1+IM/100).∑ (p i y i)

2.3.1.1 Nội lực trong các thanh vòm

Dùng chương trình hỗ trợ thiết kế Midas vẽ đường ảnh hưởng sau đó xếp tải

lên đường ảnh hưởng ta được các giá trị nội lực

Từ kết quả tính toán trên ta tổ hợp với tổ hợp tải trọng cường độ I như sau:

Tendom

Bảng tổng hợp lực dọc các thanh vòm

(kN)

Kết quả ta thấy lực dọc lớn nhất xuất hiện ở thanh vòm số 296 với tổ hợp tải trọng cường độ 2 :

Ntt

296 = 13538,1 KN

Đường ảnh hưởng lực dọc của thanh 296

Bảng tổng hợp mô men các thanh vòm

Kết quả ta thấy mô men lớn nhất xuất hiện ở thanh vòm 47 với tổ hợp tải trọng

cường độ 1 các giá trị như sau :

Mtt

47 = 8320.42 KNm

Đường ảnh hưởng mô men của thanh 47

2.3.1.2 Nội lực trong các thanh treo

Tính toán tương tự như thanh vòm và còng tổ hợp với các tổ hợp tải trọng như trên ta có:

Bảng tổng hợp nội lưc trong các thanh treo

Ta thấy nội lực lớn nhất ở thanh treo số 193 dưới tác động của tổ hợp tải trọng

cường độ 1

193= 1045,8 KN

Đường ảnh hưởng lực dọc của thanh 193

Bảng tổng hợp nội lưc trong các khoang dầm

(kN)

Mô ment-y (kNóm)

(kN)

Mô ment-y (kNóm)

5 th cd1(max) 14249.18 5501.78 th cd2(max) 13487.86 4614.96

Từ kết quả tính toán ta thấy nội lực lớn nhất xuất hiện ở khoang dầm 5

Mtt = 5501,78KNm

Đường ảnh hưởng mô men của mặt cắt giữa khoang 5

Từ kết quả tính toán ta thấy lực dọc lớn nhất xuất hiện trong các khoang dầm là như nhau, do dầm làm việc chịu kéo uốn lệch tâm:

Ntt = 14249,18 KN

Đường ảnh hưởng lực dọc của mặt cắt giữa khoang 5

Biểu đồ mô men max dưới tác động của tổ hợp tải trọng cường độ1

Biểu đồ lực dọc max dưới tác động của tổ hợp tải trọng cường độ 1

2.4 Tính duyệt các bộ phận của KCN

2.4.1 Tính duyệt thanh treo

Thanh treo làm bằng thộp và chỉ chịu kéo do đó ở đây ta tính duyệt như kết cấu chịu kéo đỳng tâm do đó ta chỉ kiểm toán ứng suất trong thanh theo

Như vậy thì trong các thanh treo tính toán ở trên thì thanh 193 có hiệu ứng tải bất lợi nhất

t

tt MAX

F

N

= σ

Trong đó:

Ntt = 1045,8 KN Lực dọc trục xuất hiện trong thanh

Thay số vào ta có:

=

MAX

2.4.2 Tính duyệt thanh vòm

Thanh vòm là kết cấu ống thép nhồi bê tông với kích thước như sau :

Mặt cắt ngang của vòm thép là:

Với kích thước như trên thì cường độ của bê tông trong ống thép đạt được là: Rbt = 500 KG/cm2 =5000 KN/m2

Thanh vòm có kích thước thanh lớn và chiều dài thanh

không lớn nên ta chỉ kiểm toán theo điều kiện cường

độ “TTGH cường độ I” và bá qua hiệu ứng uốn dọc

Nr = ϕ Nn

Nr : Sức kháng dọc trục tớnh toán

ϕ : Hệ số sức kháng theo quy định lấy = 0,75

Nn : Sức kháng danh dịnh của mặt cắt

Theo kết quả thớ nhgiệm thì cường độ bê tông trong

ống thép đạt được 5000 KN/m2 do đó ta có sức kháng

dang định như sau:

Nn = Rbt.Ftđ = 0,85.5000.2,0042 = 85178,2 KN

0,75 Nn = 63883,6425 > Ntt

296= 13538,1 KN => Đạt

2.5 Tính lượng cốt thép và tính duyệt dầm chủ

2.5.1 Tính lượng cốt thép

Sau khi thi công xong các đốt dầm chủ, dầm ngang, bản mặt cầu, thanh vòm, thanh treo tiến hành nối dầm chủ, thi công bản mặt cầu và tháo bá trụ tạm do đó toàn bộ tĩnh tải trong kết cấu sẽ phân bố lại và mặt cắt làm việc lỳc này là

Giai Đoạn 4:

Theo kết quả tính toán trên ta có:

Mô men lớn nhất xuất hiện ở khoang 5 với giá trị như sau:

Mtt = 5501,78 KNm

Tương ứng ta có hiệu ứng tải ở khoang dầm 7

Ntt = 14249,18 KN

Như vậy ta thấy dầm chủ chịu kéo lệch tâm với hiệu ứng như sau

Ntt = 14249,18 KN

Mtt = 5501,78 KNm

Lượng cốt thép cần thiết chiô lực dọc

n =

b

tt

N

N

= 14249,18/(1,6644.1860) = 4,6(bó)

Trong đó:

Ntt = Lực dọc tính toán

Nb = Khả năng chịu lực của 1 bó 12T15,2

Do đó ta chọn 5 bó cốt thép DUL để bố trí

- Mômen tính toán trong giai đoạn khai thác: Mtt = 5501,78 KNm

- Công thức tính diện tích cốt thép DƯL:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

=

2

f

M A

p ps

tt ps

Trong đó:

+) Aps : Diện tích cốt thép DƯL

DƯL

+) f’c : Cường độ của bê tông ở tuổi 28 ngày, f’c = 50 MPa

+) b : Bề rộng mặt cắt chịu nén

+)β1 : Hệ số chuyển đổi hình khối ứng suất, β = 0,8 1

+) fpu : Cường độ chịu kéo quy định của thép DƯL, fpu = 1860 MPa

+) fpy : Giới hạn chảy của thép DUL, fpy = 90%fpu = 1674 MPa

thiết là thép DƯL đó bị chảy dẻo

+) a : Chiều dày của khối ứng suất tương đương, a = c.β 1

+) fps : Ứng suất trung bình trong cốt thép DƯL ở sức kháng uốn danh định

Tính theo công thức:

1

ps pu

p

c

d

py pu

f k

f

p

d c

Giả thiết:

+) Chiều cao bố trí thép DƯL là: at = 20 (cm) => dP = 180 – 20 = 160 (cm)

+) Lấy c = 0,42.dP = 0,42.160 = 67,2 (cm)

+) Ta có: a = 0,8.c = 0,8.67,2 = 53,76 (cm)

Bảng tính toán diện tích cốt thép DƯL cần thiết tại mặt cắt giữa khoang 5

- Bố trí cốt thép DƯL mặt cắt giữa khoang KD5 trong khai thác

+) Diện tích cốt thép bố trí: APS = 49,932(cm2)

Tổng hợp lượng thép DƯL chịu lực dọc và mô men

Chọn tổng số bó n = 7 (bó)

Trong đó:

Bố trí 3 bó phía trên mặt cắt

Bố trí 4 bó phía dưới mặt cắt

2.5.2 Tính duyệt dầm chủ:

Do điều kiện thêi gian nên ở đây ta chỉ tính duyệt dầm chủ trong giai đoạn khai

thác

Trong giai đoạn khai thác dầm chủ chịu kéo lệch tâm

Tính duyệt dầm chủ theo TTGHCĐI

a) Duyệt theo sức kháng uốn

Trong đó:

uốn

Mn : Sức kháng uốn danh định của tiết diện, tính theo công thức

( ) ⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

=

2

h -2

a h β b -b 0.85f 2

a -d f A -2

a -d f A 2

a -d f A

f 1 w

' c

' s

' y

' s s

y s p

ps ps n

Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến

Khoảng cách từ thớ nén ngoài cùng đến

Vậy Mn = 17032,459 (kNm)

=> ϕ.Mn = 1,0.17032,459 = 17032,459 > 5501,78 KNm => Đạt

b) Duyệt theo sức kháng kéo

Các cấu kiện mà lực tính toán gây ra ứng suất kéo trên toàn mặt cắt phải được coi là cấu kiện chịu kéo và giả thiết rằng lực kéo chỉ do thép chịu

Kiểm tra theo công thức: Ptt ≤ ϕ Pn = Pr

Sức kháng tính toán chịu kéo đồng đều được xác định như sau: Pr = ϕ Pn

Trong đó:

Pn = sức kháng kéo danh định quy định trong Điều 5.6.3.4

ϕ = 1,00 hệ số sức kháng quy định trong Điều 5.5.4.2

Sức kháng danh định của thanh giằng chịu kéo phải lấy bằng:

Pn = fyAst + Aps [fpe + fy]

Ở đây:

Ast = tổng diện tích của cốt thép dọc thường trong thanh giằng (mm2)

Aps = diện tích thép dự ứng lực(mm2)

fy = cường độ chảy của cốt thép dọc thường (MPa)

fpe = ứng suất trong thép dự ứng lực do tạo dự ứng lực, đó xét mất mát (MPa)

ứng suất trong thép DUL do tạo DUL

Thay số ta có: Pn = 19258,77 KN

ϕ.Pn = 1,0.19258,77 = 19258,77 > 14249,18 KN => Đạt

III TÍNH TOÁN THIẾT KẾ TRỤ

3.1 Cấu tạo trụ

700

1500 4500 1500

3000

4500 4500

1500

200

200

3.2 Tải trọng tác động lên trụ

3.2.1 Tải trọng tác bản thân trụ

Công thức chung để xác định tĩnh tải là:

Pi = Vi.gi

Trong đó:

Pi : Trọng lượng của cấu kiện

Vi : Thể tích các cấu kiện

gi : Trọng lượng riêng của các cấu kiện

Trọng lượng bản thân trụ do các thành phần cấu tạo nên trụ gồm

=> Vậy ta có: DCbt = 2633,215KN

Với tải trọng này hệ số vượt tải n=1,25

3.2.1.1 Tải trọng nước

P = γw.V o = 472,5.1 = 472,5 T

Trong đó:

V0 : Phần thể tích kết cấu ngập trong nước

3.2.1.2 Hoạt tải kết cấu nhịp truyền xuống trụ

Được lấy với tổ hợp 90% (hoạt tải+ tải trọng làn )+đoàn xe hỗn hợp Trong

đó hoạt tải là hiệu ứng của hai xe tải thiết kế cách nhau 15m khoảng cách truc 4,3m

Đường ảnh hưởng phản lực gối tại trụ do hai nhịp giản đơn tác động

Phản lực gối do hoạt tải

P ht = 4957,713 KN

* Phản lực gối do tổ hợp tải trọng 1,25 DC + 1,5DW

P = 8940,949 KN

Ptt = 4957,713+ 2 8940,949 = 22839,61 KN

Pdb = 22839,61 + 1,25.2633,215 – 472,5 = 25658,629 KN

3.3 Sức chịu tải của cọc

Sức chịu tải của cọc được xác định theo hai chi tiêu là

+) Theo đất nền

+) Theo vật liệu làm cọc

Ta lập bảng tính EXCEL ta có các giá trị sức chiô tải sau

Sức chịu tải theo đất nền 9193 KN Sức chịu tải theo vật liệu 18730 KN

3.3.1 Tính toán sơ bé số cọc trong móng

Số cọc trong móng được tính theo công thức

t

db

Q

P

n= 1 , 5

n = 1,5.25658,629/9193 = 5,18(cọc )

=> Chọn n = 10 cọc

Bố trí cọc trong móng

y

x

IV TÍNH TOÁN MỐ CẦU

4.1 Kích thước thiết kế mố

- Mố sử động là mố chữ U BTCT Toàn cầu có 2 mố M1, M2

- Phương án cầu bố trí đối xứng do đó sự làm việc của hai mố là như nhau ở đây ta tính mố đại diện là mố M1

- Tên mố tính toán : M1

- Quy trình tính toán : Theo tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

- Mố được sử động là mố U bê tông cốt thép

- Vật liêu sử động : Bêtông Mác 300, cốt thép A5

- Tải trọng tác động lên mố gồm: