Giới thiệu kết cấu cầu tàu Kết cấu cầu tàu là kết cấu được chọn vì: So với các loại bến mái nghiêng, trọng lực, tường cừ thì bến cầu tàu cĩ các ưu điểm: - Kết cấu nhẹ, tốn ít vật liệu, c
Trang 1CHƯƠNG II: CÁC PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU
2.1 Lựa chọn phương án kết cấu
1 Giới thiệu kết cấu cầu tàu
Kết cấu cầu tàu là kết cấu được chọn vì: So với các loại bến mái nghiêng, trọng lực, tường cừ thì bến cầu tàu cĩ các ưu điểm:
- Kết cấu nhẹ, tốn ít vật liệu, cĩ nhiều cấu kiện đúc sẵn ở nhà máy: cọc, cừ, dầm, bản, bản tựa,…
- Thi cơng được ở nhưng nơi nền đất cho phép đĩng cọc như: cát, sét, á sét, á cát, bùn sét, bùn cát…
- Thi cơng nhanh, nhất là kết cấu cầu tàu cĩ nhiều cấu kiện đúc sẵn
- Cầu tàu địi hỏi rất ít các cơng đoạn thi cơng dưới nước cần đến thợ lặn
2 Chọn kích thước cọc và đặc trưng vật liệu
Dạng cơng trình bến bệ cọc đài mềm cĩ bản mặt cầu, hệ dầm ngang, dầm dọc, trên nền cọc BTDƯL D800 mm Cầu tàu gồm 6 phân đoạn với chiều dài một phân đoạn là Lpđ= 49 m
Bố trí cọc trên tuyến:
Bước cọc theo phương ngang: 5m, 2 đầu thừa 2 bên mỗi bên là 2 m
Bước cọc theo phương dọc: 2.75m, 4.5 m, chiều dài sau ray là 9m (gồm 2 nhịp 4.5m) Tồn bộ nền cọc bao gồm: 660
Một phân đoạn cĩ 70 cọc đĩng thẳng và 40 cọc đĩng xiên 1:8
Hình vẽ sơ đồ bố trí cọc
• Đặc trưng vật liệu:
- Hệ thống dầm : BT M300 E=2,9.106T/m2
- Cọc ống thép : Eb =2,1.107T/m2
- Cọc ống BTCT UST : BT M500 E=3,6.106T/m2
Các đặc trưng kỹ thuật của cọc ống BTCT ly tâm dự ứng lực sử dụng cho cơng trình:
- Đường kính ngồi: 700 mm
- Đường kính trong: 500 mm
- Chiều dày thành cọc: 200 mm
- Mơ men uốn nứt: Mcr = 45 T.m
- Ứng suất cho phép:
3 Hệ thống dầm trên bến:
Dầm ngang: bxh = 900x1750 mm
Dầm dọc dưới ray cần trục: bxh = 900x1750 mm
Dầm dọc khơng dưới ray cần trục: bxh = 900x1200
Dầm cọc biên: bxh = 800x1200 mm
Đặc trưng vật liệu:
• Dầm, bản BTCT
Bê tơng sử dụng cho dầm, bản M500 cĩ các đặc trưng vật liệu:
- Mơ đun đàn hồi: E = 3.6x106 T/m2
- Trọng lượng riêng: γ = 2.5 T/m3
4 Bản mặt cầu:
Bản mặt cầu bằng BTCT M 500 dày 350 mm Trên mặt cầu cĩ trải lớp bê tơng nhựa nĩng hạt mịn dày 100 mm
2.2 Tính tốn sơ bộ cọc
Trang 22.1.1 Sức chịu tải cọc
Tải trọng tác dụng lên đầu cọc dưới ray cần trục:
- Cọc BTCT PHC D700-500 loại A, dài 45m
- Dầm dọc dưới ray cần trục: bxh = 900x1750 cm
- N/x: lực tác dụng lên cọc:
• Trọng lượng bản thân cọc
• Trọng lượng bản thân dầm ngang, dầm dọc đè lên cọc
• Trọng lượng bản thân bản mặt cầu ( dày 45 cm)
• Tải trọng hàng hóa, phân bố đều q ≤ 40 kN/m2
Dựa vào mặt bằng tọa độ cọc, ta chọn trường hợp lực tác dụng lên cọc nguy hiểm nhất để tính toán
Với 2 hàng cọc dưới ray cần trục là hàng B và hàng H Sơ bộ ta nhận thất lực tác dụng lên hàng cọc H lớn hơn hàng cọc B ( tải trọng thành phần lớn hơn), nên khi tính toán lực tác dụng lên đầu cọc dưới ray cần trục ta chọn cọc hàng H
Chọn cọc H – 6 để tính toán
2.1.2 Tải trọng tác dụng lên đầu cọc
a Tải trọng bản thân.
Trọng lượng bản thân cọc:
Gc=(π/4)*(D^2-d^2)*L*γb= 212.058 kN
Trọng lượng bản thân dầm dọc dưới ray cần trục:
Gdd= b*(hd-hs)*4.65*γb= 162.75 kN
Trọng lượng bản thân dầm ngang:
Gdn= b*(hd-hs)*(4.5/2+4.5/2)*γb= 157.5 kN
Trọng lượng bản thân bản mặt cầu:
Bản mặt cầu: Gbs= 0.35*(4.5/2+4.5/2)*4.65*25 = 183.094 kN
Lớp bê tông nhựa: Gbtn= 0.1*(4.5/2+4.5/2)*4.65*20.5 = 42.8963 kN
b Tải trọng do hàng hóa q= 40kN/m2
Hoạt tải truyền xuống:
Ght = 40*(4.5/2+4.5/2)*4.65 = 837 kN
Tải trọng do cần trục chạy trên ray:
Dùng đường ảnh hưởng phản lực gối cho sơ đồ gần đúng
Sau khi dùng chương trình kiểm tra, ta tìm được vị trí nguy hiểm nhất là tại vị trí gối 1
Trang 3Suy ra: tổng lực tác dụng lên đầu cọc H – 6:
PFmaxx = 2*Gc+Gdd+Gdn+Gbs+Gbtn+Ght+Gctr2
= 2*212.058+162.75+157.5+183.084+42.8963+837+2437.15
= 4216.23 kN
P 1 cọc = P Fmax/( 2*cos α) = 4216.23/( 2* cos 7.125o)= 2124.52 kN
2.2 Tính toán sức chịu tải của cọc:
Theo hai phương pháp:
- Phương pháp chỉ tiêu cường độ đất nền
- Phương pháp vật liệu
2.2.1 Tính toán sức chịu tải cọc theo chỉ tiêu cơ lý của đất nền:
Tính toán theo TCXD 205: 1998 tiêu chuẩn thiết kế móng cọc
Sức chịu tải nén:
Sức chịu tải nén của cọc theo đất nền được xác định theo công thức sau:
tc a tc
Q Q k
=
Với Qtc= m.(mR.qp.Ap + u.∑mf.fsi.li)
Trong đó:
Qa: sức chịu tải cho phép tính toán theo đất nền (T)
Qtc: sức chịu tải tiêu chuẩn tính toán theo đát nền của cọc đơn (T)
Ktc: hệ số an toàn, móng có trên 21 cọc Ktc = 1.4
qp và fs: cường độ chịu tải ở mũi và mặt bên của cọc lấy theo bảng A.1, A.2 m: hệ số làm việc của cọ trong đất, m = 0.8 ( mục A.6)
mR,mf: các điều kiện làm việc của đát đàn lượt ở mũi cọc và ở mặt bên cọc có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc đến sức chống tính toán của đất, xác định theo bảng A.3
Ap: diện tích tiết diện ngang của cọc (m2)
Ap = πD2/4 = π*0.72/4 = 0.3848 m2
u: chu vi cọc(m)
u = π*D = π*0.7 = 2.199 m
Trang 4Hình 2.2 – Các lớp địa chất của hố khoan BH4 Chia đất nền xung quanh cọc thành các lớp phân tố có bề dày ≤2(m)
• Lớp đất 1 là lớp sét béo màu xám xanh, xám tối, trạng thái dẻo, độ sệt b=1,06 > 1
• Lớp 2 là lớp sét béo lẫn cát màu vàng, xám trắng, trạng thái nửa cứng đến cứng, độ sệt b= 0.11 rất thích hợp đóng cọc vào nhưng chiều dày lớp quá mỏng (2.8 m) nên cho cọc xuyên qua lớp đất này Lớp đất 3 là lớp cát cấp phối, cát bụi màu vàng, xám trắng, trạng thái chặt vừa đến chặt, chiều dày lóp là 3.3 m, quá mỏng
• Lớp đất 4 là lớp cát sét màu (vàng, xanh, nâu, xám, trắng), trạng thái chặt vừa đến chặt,
độ sệt b= 0.087, chiều dày lớp 10.7 m, thích hợp làm nền cọc
Vậy qua trạng thái của các lớp đất đã khảo sát, đưa cọc ngàm vào lớp đất thứ 4 là lớp cát sét Cọc được ngàm vào lớp đất tốt với độ sâu ≥6d (m) = 6 x 0,8 = 4,8 (m)
Khoảng cách từ mũi cọc cho đến đáy lớp 4: ≤4d (m) = 4 x 0,8 = 3,2 (m)
Suy ra: chọn chiều sâu cọc ngàm vào lớp đất 4 là: 4,8 (m)
Sức chống của đất tại vị trí mũi cọc: qp (T/m2)
Vị trí mũi cọc tại lớp đất cát sét có B=0.087 , độ sâu 43.26 (m) thì : qp = 947.498 (T/m2) (Tra bảng A.1)
Hạ cọc bằng phương pháp rung, ép cọc :⇒ mR = 1 và mf = 1
Cao độ
(m) Lớp đất Độ dàyli (m)
Chiều sâu lớp (m)
Ma sát hông fi (T/m2)
Sức kháng hông Ufili (T)
Tổng sức kháng hông (∑Ufili)
Sức kháng mũi qp (T/m2)
Sức chịu tải (T)
Độ sệt -18.16 Sét béo 2 1 0.2 0.8796 0.8796 60 19.1763 1.06
Trang 5-20.16 2 3 0.5 2.1991 3.0788 80 27.0932 1.06 -22.16 2 5 0.6 2.6389 5.7177 85 30.7437 1.06 -24.16 2 7 0.6 2.6389 8.3567 88.3334 33.8811 1.06 -26.16 2 9 0.6 2.6389 10.9956 92 37.1211 1.06 -28.16 2 11 0.6 2.6389 13.6345 96 40.4638 1.06 -30.16 2 13 0.6 2.6389 16.2735 96.4 42.6981 1.06 -32.16 0.2 13.2 0.6 0.2639 16.5374 13.2299 1.06
-32.36
Sét béo
lẫn cát
2 15.2 7.228 36.3323 52.8696 734.84 268.5359 0.11 -34.36 0.8 16 7.34 14.7581 67.6277 750.2 285.0714 0.11
-35.16
Cát cấp
phối
2 18 7.62 38.3027 105.9304 464 227.5992 -37.16 1.3 19.3 7.802 25.4914 131.4218 474.4 251.1942 -38.46
-38.46
Cát sét
2 21.3 8.082 40.6250 172.0468 917.314 420.0572 0.087 -40.46 2 23.3 8.326 41.8515 213.8983 938.874 460.1762 0.087 -42.46 0.8 24.1 8.474 17.0382 230.9364 947.498 476.4618 0.087
Vậy sức chịu tải tiêu chuẩn của cọc chịu tải trọng nén là:
Qtc= m.(mR.qp.Ap + u.∑mf.fsi.li)= 0.8*(1*947.498*0.5027+230.9364)=476.4618 T
Suy ra:
Sức chịu tải nén cho phép của cọc theo đất nền: a tc
tc
Q Q k
= = 476.4618/1.4≈340.33 (T)=3403 kN Vậy: Qa > Pnén
Bảng tra các hệ số:
Trang 7 Sức chịu tải nhổ:
Sức chịu tải trọng nhổ của cọc được xác định theo công thức:
Qtck = m.u.∑mf.fi.li (t)
Trong đó:
mf : các điều kiện làm việc của đất lần lượt ở mũi cọc và ở mặt bên cọc có kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc đến sức chống tính toán của đất, xác định theo bảng a.3
Trang 8 m: hệ số làm việc của cọc trong đất, m = 1.
u: chu vi cọc (m)
fs: cường độ chịu tải mặt bên của cọc lấy theo bảng a.2
Vậy sức chịu tải trọng nhổ:
Qtck = m.u.∑mf.fi.li = 1 * 233.2991 ≈ 233.3 (T) ≈2333 kN.
2.2.2 Tính toán sức chịu tải cọc theo vật liệu:
Theo catalogue của nhà sản xuất cọc BTDUL Phan Vũ – Đồng Nai, thì cọc BTDUL D800 – loại
C (PHC) : Qvl = 220 (T)
Vậy sức chịu tải của cọc:
Theo đất nền:
o Sức chịu tải nén: Qa = 340.3 (T)
o Sức chịu tải nhổ: Qtck = 233.3 (T)
Theo vật liệu: Qvl = 220 (T)
Suy ra: chọn sức chịu tải cọc :
Q = Q a = 340.3 (T).
2.2.3 Chiều dài tính toán cọc:
a) Chiều dài chịu nén của cọc : Ln (m).
Theo công thức Zanvnev:
3
7.10
n o
o
EF
−
Φ
Trong đó:
L0: chiều dài tự do của cọc, (m)
Do lớp 1 là lớp sét béo, trạng thái dẻo, B= 1,06 > 1 nên khả năng chịu lực kém Cho nên
bỏ qua sự làm việc của lớp đất này ⇒ Lo = 32.36 m
o
Φ : sức chịu tải của cọc, Φo = 405.5 (T).
E : Môđun biến dạng của vật liệu cọc, E = 3.75.106 (T/m2)
F : Diện tích tiết diện ngang cọc, F = 0.2827(m2)
Suy ra:
3
7.10
n o
o
EF
−
Φ = 32.36+(7.10-3*3.75.106*0.2827)/340.3= 54.17 (m).
b) Chiều dài chịu uốn của cọc : Lu (m).
bd
u L L
α
2
0 +
=
Trong đó:
Lo = 32.36 (m)
αbd : Hệ số biến dạng, (m-1)
5
I E
b K b
c
bd = α
Với :
K : Hệ số tỷ lệ, (T/m4), được lấy tuỳ thuộc vào loại đất xung quanh cọc
Chiều sâu vùng ảnh hưởng: h = 2 (D+1) = 2 ( 0,8 + 1) = 3,6 (m)
Cho nên,vùng ảnh của cọc là cát sét, mịn ,có e = 0,479 Theo bảng trên thì chọn K = 200 ( đối với cọc đóng)
bc: chiều rộng quy ước của cọc, (m)
Trang 9+) cọc D=800 thì bc = 1,5d + 0,5 = 1,5 x 0,8 + 0,5 = 1,7 (m).
Eb : Môđun biến dạng của vật liệu cọc, Eb = 3.75 x 106 (T/m2)
I : Mômen quán tính tiết diện ngang cọc, (m4) Đối với cọc BT DƯL
4 4
64
I = π × D −d
= (3.14/64)*(0.84-0.584) ≈ 0,01455 (m4)
Suy ra: 5
I E
b K b
c
bd =
α = ((200*1.7)/(3.75.106*0.01455))1/5 = 0.362
⇒
bd
u L L
α
2
0 +
= = 32.36 + 2/0.362≈37.885 (m).
Vậy:
Chiều dài chịu nén của cọc: Ln = 54.17 (m)
Chiều dài chịu uốn của cọc: Lu = 37.885 (m)