TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU QUA SÔNG

Nhiều vùng lãnh thổ khác cũng xây dựngcác loại cầu bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như gỗ, đá Trung Hoa, gạch xây vữa ở châu Âu, các cầu treo đơn giản bằng dây thừng của thổ dân Inca

LỜI NÓI ĐẦU

Trong sự nghiệp công nghiệp hoá hiện đại hoá của nước ta hiện nay, xây dựng cơ sở hạtầng là vấn đề vô cùng quan trọng, việc xây dựng mới, cải tạo và nâng cấp hệ thống giaothông là một tất yếu khách quan Trong đó công tác xây mới các cầu luôn là nhiệm vụ hàngđầu và được đầu tư phát triển

Cầu đã ra đời cách ngày nay rất lâu Những cây cầu vòm bằng đá và đường ống dẫnnước (aqueduct) được xây dựng đầu tiên dưới Đế chế La Mã, một số còn tồn tại đến ngày naynhư cầu Alcántara qua sông Tagus ở Tây Ban Nha Nhiều vùng lãnh thổ khác cũng xây dựngcác loại cầu bằng nhiều loại vật liệu khác nhau như gỗ, đá (Trung Hoa), gạch xây vữa ở châu

Âu, các cầu treo đơn giản bằng dây thừng của thổ dân Inca ở Nam Mĩ Cho đến thế kỉ 19 khixảy ra cách mạng công nghiệp, các cầu bằng sắt rèn rồi tiến đến bằng thép ra đời Ngày naycác loại cầu bằng bêtông trở nên phổ biến cùng với các loại cầu thép Nhịp cầu ngày càngđược kéo dài, từ vài trăm mét với các loại cầu dầm, cầu giàn bêtông ứng suất trước hoặc thép,

và lên đến 2000 mét như cầu treo dây võng Akashi-Kaikyo (Nhật Bản)

Ngày nay, vai trò của các công trình nhân tạo trên đường, giao thông,… đóng một vai tròrất quan trọng trong cuộc sống cũng như tiền đề đánh giá sự phát triển của một đất nước, vìvậy việc học tập và nắm bắt chúng càng trở nên cần thiết Đặc biệt đối với các sinh viêntrong ngành càng phải tích cực học tập, nắm vững mọi kiến thức về các loại công trình này Sau một thời gian học tập và nghiên cứu môn học Công trình cầu để vận dụng những

kiến thức đã học một cách tốt hơn, em đã thực hiện đồ án “Công trình cầu”.

Do thời gian tiến hành làm Đồ án và trình độ lý thuyết cũng như các kinh nghiệm thực tếcòn hạn chế, nên trong tập Đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi nhứng thiếu sót Em rấtmong nhận được những sự chỉ dẫn nhiệt tình, các ý kiến đóng góp của quý thầy cô để ngàycàng hoàn thiện hơn

Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến thầy Lê Văn Lạc đã giúp em hoàn thành đề tài

này

Em xin chân thành cảm ơn!

PHẦN I

MỞ ĐẦU TỔNG QUAN VỀ CÔNG TRÌNH CẦU QUA SÔNG

1.1 Tên đề tài :

- Thiết kế cầu qua sông bê tông cốt thép UST căng sau chử I

1.2 Số liệu ban đầu :

- Mặt cắt dọc tim cầu

- Các hố khoan địa chất

- Các số liệu về mức nước

-Sông cấp V có lưu thông tàu thuyền

1.3.Tiêu chuẩn thiết kế :

- Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN 272-05

- Khẩu độ cầu L=24,6 m

- Khổ cầu : K = 8 + 2 x 0,3m + 2 x 1,5m

- Tải trọng : HL93, đoàn người 3 KN /m2

Chương 1: Thiết Kế Sơ Bộ

Mặt cắt ngang cầu

1.1 Mặt cắt ngang cầu:

- Chiều rộng làn xe chạy 8 (m)

- Chiều rộng làn người đi bộ 2 x 1,5(m)

- Bố trí lề người đi bộ cùng mức với mặt đường xe chạy ta dùng vạch sơn giữu hai làn với bềrộng vạch sơn là 30 cm

- Chiều rộng cột lan can là : 50 cm

Chiều dày các lớp còn lại chọn như sau:

+ Lớp phòng nước chọn 0,4 cm (dùng redcon 7)

+ Lớp bêtông nhựa dày 7 cm (bt atphan mac 15)

+ Lớp bêtông bảo vệ dày 4 cm (bt mac 15)

+ Lớp để tạo độ dốc ngang có chiều dày trung bình 5,5 cm Ở tim cầu dày 11 cm

Để tạo độ dốc dọc nước chảy 2% của bản mặt cầu có thể được tiến hành bằng việc chochênh gối của các dầm I kê lên trụ hoặc mố mà không cần tạo độ chênh ngay trên bản mặtcầu

1.2.2 Tính toán các thông số sơ bộ :

+ Dung trọng của bêtông ximăng là 2,4 T/m 3

+ Dung trọng của bêtông nhựa là 2,25 T/m 3

+ Dung trọng của cốt thép là 7,85 T/m 3

+ Thể tích bản mặt cầu : 0,2 12,6.24,6 = 61,992 m3

=> Khối lượng bản mặt cầu : 61,992.2,4 = 148,781 T

+ Thể tích của lớp BT nhựa Vas= 0,07.12,6.24,6 = 21,697 m3

+ Khối lượng lớp BT nhựa Gas= Vas.2,25 = 21,697.2,25 = 48,818 T

+ Khối lượng lớp phòng nước dày 0,4cm: 0,004.12,6.24,6.1,5 = 1,86 T

+ Khối lượng lớp bê tông bảo vệ và tạo độ dốc 2% cm :

(0,04+0,055).12,6.24,6.2,4 =70,671 T

=>Khối lượng lớp phủ mặt cầu : 121,349 T

1.3 Tấm đan

* Cấu tạo tấm đan như hình vẽ:

+ Khối lượng 1 tấm đan BTCT: 2.0,08.1.2,4 = 0,384 T

+Hàm lượng cốt thép trong lan can chiếm kp = 2 %

+Ta có thể tích cốt thép trong lan can :

Vsp = Vcp.kp = 10,086.2% = 0,202m3

+Khối lượng cốt thép trong lan can là:

Gsp = Vsp.γs = 0,202x7,85 = 1,586T

+Khối lượng BT trong lan can: Gcp = Vcp.γc = 10,086x2,4 = 24,206 T

+Khối lượng trụ và tay vin trong lan can là: Gtr=0,065.7,93+0,075.7,93=1,11

+Vậy, khối lượng toàn bộ lan can là: Gp = Gsp + Gcp + Gtr= 26,902 T

1.6.2 Tính khối lượng của dầm chủ:

Từ những kích thước đã chọn ở trên ta có:

+ Diện tích mặt cắt ngang ở giữa dầm: 0,452 m 2

+ Diện tích mặt cắt ngang ở đầu dầm: 0,598 m 2

+

= 0,7875 m 3

+ Thể tích của một dầm T: Vg = Vg1 +Vbhgr + Vbhsk =7,955+1,196+0,7875=9,939m3

+ Hàm lượng cốt thép theo thể tích trong dầm chính là: kp = 300kg/1m3 BT.

+ Khối lượng cốt thép trong dầm chính: Gsg = Vg kp = 9,939.300.10–3= 2,982T

=>Thể tích cốt thép : Vsg = Gsg÷ γc = 2,982÷7,85 =0,38 m3

+ Thể tích bê tông trong dầm chính : Vcg = Vg–Vsg = 9,939-0,38 = 9,559m3

+ Khối lượng bê tông trong dầm chính : Gcg = Vcg.γc= 9,559.2,4 = 22,942 T

+ Khối lượng toàn bộ 1 dầm chính là: Gg = Gsg + Gcg = 22,942+2,982 = 25,924 T

1.6 Dầm ngang:

1.4.1 Chọn số dầm ngang:

Dầm ngang được bố trí tại vị trí : hai đầu dầm cầu, L/2

Số lượng dầm ngang : 4x3=12 dầm

1.4.2 Tính toán thông số sơ bộ:

Các thông số dầm ngang được thể hiện ở hình trên:

+ Bề rộng dầm ngang là 20cm.

+ Diện tích mặt cắt ngang dầm tại vị trí nhịp dầm : 2,248 m 2

+ Diện tích mặt cắt ngang dầm tại vị trí đầu dầm : 2,602 m 2

+ Thể tích 1 dầm ngang tại vị nhịp dầm : 0,2.2,248 = 0,4496 m 3

+ Thể tích 1 dầm ngang tại vị đầu dầm : 0,2x2,602= 0,5204m 3

=>Tổng thể tích dầm ngang : 0,4496.4 + 0,5204.8 = 5,9616m3

+ Hàm lượng cốt thép theo thể tích trong dầm ngang là 300kg/1m 3 BT

+ Khối lượng cốt thép trong dầm ngang:

Gshb = Vhb kp = 300.10–3.5,9616 = 1,7885 T.

=>Thể tích cốt thép: Vshb = Gshb÷ γc = 1,7885÷7,85 = 0,228 m 3

+ Thể tích bê tông trong dầm ngang : Vchb = Vhb–Vshb = 5,9616-0,228= 5,7336 m 3

+ Khối lượng bê tông trong dầm ngang : Gchb = Vchb.γc= 5,7336.2,4 =13,761 T.

+ Khối lượng toàn bộ dầm ngang là: Ghb = Gshb+Gchb = 13,761+1,7885 = 15,55 T.

Chương 3: THIẾT KẾ DẦM CHỦ BTCT ƯST CHỮ I CĂNG SAU.

I SỐ LIỆU THIẾT KẾ:

1.1 Các thông số thiết kế

Chiều dài toàn dầm : Lnhịp =24,6m.

Khoảng cách đầu dầm đến tim gối: a = 0,3 m.

Khẩu đội tính toán : L = Lnhịp – 2a = 24,6 – 2.0,3 = 24 m.

Tải trọng thiết kế : + Hoạt tải HL 93

+ Tải trọng người đi : 3 kN/m 2

Mặt xe chạy : B1 = 8 m.

Dạng kết cấu nhịp : Cầu dầm nhịp giản đơn

Dạng mặt cắt : Chữ I

Vật liệu kết cấu : Bêtông cốt thép dự ứng lực

Công nghệ chế tạo : Căng sau

Loại cốt thép ứng suất trước : Tao thép Tao 7Φ5 sợi xoắn đường kính : Dps = 12,7 mm

Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn :

– Môduyn đàn hồi của thép : Ep = 197000 Mpa ( TCN 5.4.4.1/148)

– Giới hạn ứng suất cho cốt thép cường độ cao:

fpy = 0,9fpu = 0,9.1860 = 1674 Mpa

+ Sau khi truyền lực :

– Cầu gồm 5 dầm chữ I , chế tạo bằng BT có f’c = 45 Mpa.

Chọn mặt cắt ngang dầm chủ : như đã chọn trong phần sơ bộ.

Chiều dài nhịp có hiệu L= 24000 mm

1.3.2 Các H s cho tĩnh t i: ệ ố ả

II TÍNH TOÁN NỘI LỰC DẦM CHỦ DO TĨNH TẢI:

2.1.Các tĩnh tải tác dụng lên dầm đang thiết kế là:

121, 349

.9,81 9, 678 / 5.24, 6

DC DW

η

: hệ số điều chỉnh tải trọng, liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng khi khai

thác xác định theo 22TCN272–05 mục 1.3.2 được xác định theo công thức

ωγ

++

++

=(DC1 DC2 DC3 DW)

M SD

∑

×+

++

=(DC1 DC2 DC3 DW) ω

V SD

Đường ảnh hưởng mômen mặt cắt L/2 nhịp:

Đah mômen và lực cắt tại mặt cắt giữa nhịp

+-

+

1

10,5

++

=(DC1 DC2 DC3 DW) ω

V SD

=0

Đường ảnh hưởng mômen mặt cắt 3L/8 nhịp:

Đah mômen và lực cắt tại mặt cắt giữa 3L/8

+-

0,625

Đường ảnh hưởng mômen mặt cắt L/4 nhịp:

Đah mômen và lực cắt tại mặt cắt L/4

DC DW

+ -

+

4,5m

1

1 0,25

0,75

DC DW

+ -

+ 2,625m

1

1 0,125

0,875

Đường ảnh hưởng mômen mặt cắt L/8 nhịp:

Đah mômen và lực cắt tại mặt cắt L/8

Tính toán tương tự với các mặt cắt khác ta có bảng kết quả như sau:

III.NỘI LỰC DẦM CHỦ DO HOẠT TẢI:

3.1 Xác định hệ số phân bố ngang của HL93:

3.1.1 Tính toán h s phân b ho t t i theo làn : (22TCN272–05 m c 4.6.2.2) ệ ố ố ạ ả ụ

– Chiều cao dầm H=1400 mm; khoảng cách dầm S=2500mm, chiều dài nhịp

L= 24000mm

– Số làn thiết kế : n =

13,5

B

=

8

3, 5 = [2,28]=2(làn)

Hệ số làn : với n = 2 (làn) ta có hệ số làn m = 1

3.1.2.H s phân b ho t t i theo làn đ i v i mômen u n : ệ ố ố ạ ả ố ớ ố

Các số liệu đều thoã điều kiện của TCN272–05, nên ta áp dụng công thức của ASSHTO:

Xét đối với dầm trong :

0.1 0.4 0.3

(1 )

30,06

g

MI lan LL

g d

g n I A e

Trong đó :

o n –Tỷ lệ môdun giữa dầm và bản mặt cầu :

dam B

D bmc

E E n

o Cường độ chịu nén của bêtông làm dầm :

' 1

y

– khoảng cách từ đáy dầm đến trọng tâm của dầm

Ta cần xác định các kích thước trong mặt cắt ngang của dầm chủ đã chuyển đổi :

d

y

được tính như sau :

–Mô men tĩnh của mặt cắt ngang dầm đối với trục xo – xo :

Diện tích mặt cắt ngang dầm chủ :

3 346,12.10

76,575( ) 4520

0.1 0.6 0.2

30.075

Xét đối với dầm trong:

Vậy hệ số phân bố ngang cho lực cắt:

5.12

 Trường hợp chỉ có xe:

3.1.4.1 Tính hệ số phần phối ngang theo làn đối với momen:

 Trường hợp 1 làn chất tải: Dùng phường pháp đòn bẫy

 Trường hợp có cả xe và người:

Hệ số phân phối ngang của người:

5.15.12

3.17

12.12

1) 1 (làn = ∑ i = × × =

12.12

1) 1

75077

.0280077

> 1

→ Momen ở dầm biên nguy hiểm hơn dầm trong

725.0698.0038.1

) 2 ( )

2 (

làn ME

mg

3.1.4.2 Tính hệ số phần phối ngang theo làn đối với lực cắt:

 Trường hợp 1 làn chất tải: Dùng phương pháp đòn bẫy

 Trường hợp có cả xe và người:

Hệ số phân phối ngang của người:

5.15.12

3.17

12.12

1) 1 (làn = ∑ i = × × =

12.12

1) 1

 Trường hợp 2 làn chất tải:

de - khoảng cách từ tim dầm biên đến mép của lan can:

d e = 0,75 m = 750 mm

85.03000

7506

.030006

→ Lực cắt ở dầm trong nguy hiểm hơn dầm biên

714.084.085.0

) 2 ( )

2 (

làn VE

Lực cắt

V LL mg

Người đi bộ

PL mg

Bản tổng hợp hệ số phân phối ngang đối với dầm biên:

Momen uốn

M LL mg

Lực cắt

V LL mg

Người đi bộ

PL mg

3.2 Xác định Mômen do hoạt tải gây ra.

Mômen tại các tiết diện do hoạt tải gây ra được tính như sau:

–Theo trạng thái giới hạn cường độ 1:

i LL

M LL

CĐ

PL

LL

–Theo trạng thái giới hạn sử dụng:

( )

.)

PL i

i

M LL

hệ số phân bố tải trọng đối với mômen

Hình 3.2.1 :Đah mômen mặt cắt L/2 Bảng tính mômen do tải trọng trục tác dụng lên tiết diện L/2 của dầm thiết kế:

Loại xe L x Tải trọng trục yi 1×Pi.yi ∑1×Pi.yi

Hình 3.2.2 :Đah mômen mặt cắt 3L/8 Bảng tính mômen do tải trọng trục tác dụng lên tiết diện 3L/8 của dầm thiết kế:

Hình 3.2.3:Đah mômen mặt cắt L/4

Bảng tính mômen do tải trọng trục tác dụng lên tiết diện L/4 của dầm thiết kế:

Hình 3.2.4 :Đah mômen mặt cắt L/8 Bảng tính mômen do tải trọng trục tác dụng lên tiết diện L/8 của dầm thiết kế:

3.3 Lực cắt do hoạt tải gây ra:

Lực cắt tại các tiết diện do hoạt tải gây ra được tính như sau:

–Theo trạng thái giới hạn cường độ 1:

1

LL làn

V

LL mg

+

: hệ số phân bố tải trọng đối với lực cắt

 Đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt giữa nhịp :

Hình 3.3.1 :Đ.a.h lực cắt tại mặt cắt giữa nhịp

Bảng tính lực do tải trục tải tác dụng lên tiết diện L/2 của dầm thiết kế

Hình 3.3.6 :Đ.a.h lực cắt tại gối

Bảng tính lực do tải trục tải tác dụng lên tiết diện tại gối

Sử dụng tao thép 15,2 mm 7 sợi có độ chùng nhão thấp diện tích một tao 140 mm2 Thép có

độ chùng dãn thấp theo tiêu chuẩn AASHTO M203M (ASTM A416M) tao thép dự ứng lực không sơn phủ có khử ứng suất cho bê tông dự ứng lực Cấp 270

– Cường độ thép theo quy định của thép dự ứng lực:

fpu =1860 MPa (22TCN 272 – 05: 5.4.4.1)– Giới hạn chảy của thép dự ứng lực:

fpy =0,9.fpu =0,9.1860 =1670 MPa (22TCN 272 – 05: 5.4.4.1)– Môduyn đàn hồi của thép ứng suất trứơc:

Ep =197000 MPa– Sử dụng thép có độ chùng thấp : Tiêu chuẩn ASTM A416 cấp 270

– Ứng suất trong thép khi kích:

fpi =0,8.fpu =0.8.1860 =1488 MPa– Ứng suất trong thép sau các mất mát trong giai đoạn sử dụng:

0,83.fpy =0,83.1670 =1386,1 MPa– Ứng suất trong thép sau các mất mát trong giai đoạn khai thác:

0,8.fpy =0,8.1670 =1336 MPa– Chiều dài tụt neo: ∆L =0.002m/1 neo.

4.1.2 Thép thường

Giới hạn chảy tối thiểu của cốt thép thanh: fy =400 MPa

Môđuyn đàn hồi: Es =200000 MPa

4.1.3.Bê tông

Tỷ trọng của bê tông : γc = 24 kN/m3

Cường độ chịu nén của bê tông quy định ở tuổi 28 ngày: fc’ = 45 MPa

Cường độ chịu nén của bê tông lúc bắt đầu đặt tải hoặc tạo ứng suất trước:

fci’ = 0,85fc’ = 0,85.45 = 38,25 MPa

Môđun đàn hồi của bê tông dầm:

Ec= 0,043.γc1.5 f c' = 33914,98 MPa.

Môđun đàn hồi của bê tông dầm lúc căng kéo:

Eci = 0,85Ec = 0,85.33914,98 = 28827,7 MPa

Hệ số quy đổi hình khối ứng suất (22TCN272–05 mục 5.7.2.2)

' 1

( 28)0,85 0,05 0,729

4.2.1 Xác định lượng cốt thép trong dầm theo điều kiện cường độ.

Mômen tính toán: Mu = max

L ucd

pu

M A

u bg

g f g

f

S

M S

e F A

F

Trong đó:

- Ag : Diện tích bê tông dầm chủ bằng 452000 mm2

- eg : Khoảng cách từ trọng tâm cốt thép ƯST đến trục trung hòa tại tiết diện tính toán Giả thiết khoảng cách từ trọng tâm cốt thép DUL đến mép dưới chịu kéo của bê tông là20cm

g bg d

- Ig : Momen quán tính của tiết diện dầm

- 0,6fpu : Cường độ chịu kéo tính toán của thép dự ứng lực ở TTGHSD

- Mu : Momen tính toán trong TTGHSD

- fr : Cường độ chịu kéo khi uốn của bê tông fr = 0,5

'

c f

=0,5 45=3.354 MPa

=>

3

3 8

552000 2,116 10

u r f

g

g bg

M f

18606

.0

227.65286

,0

2

f

F pu

Vậy diện tích cốt thép dự ứng lực được chọn là Aps ≥ 5849,666 mm2

Số tao cáp ƯST cần thiết theo công thức sau:

1

5849,666

41,783140

ps ps

A n A

Vậy chọn 6 bó, mỗi bó gồm 7 tao

Diện tích thép dự ứng lực trong dầm:

A n

Kiểm tra điều kiện:

c ps

Từ những điều kiện trên ta chọn ống bọc cáp bằng thép đường kính ngoài D = 67 mm,

+ Trong mặt cắt ngang dầm

90

Bố trí thép DUL đầu dầm Bố trí thép DUL giữa dầm

Bố trí đường cong trục cáp DUL : đường cong gãy khúc có vuốt tròn :

- Chọn ví trị neo ở đầu dầm

- Bố trí uốn tại vị trí cách đầu dầm đoạn, sao cho: 0,3L-0,4L

Trong đó:L là chiều dài dầm, cụ thể là:

Chiều dài cung tròn :

0 0

2 360

h(mm)

l(mm)

α

(độ)

R(mm)

t(mm)

d(mm)

+ Trong mặt cắt dọc dầm :

–Tiết diện dầm chữ I có cốt thép căng sau, tiết diện hình thành cường độ theo 3 giai đoạn :

Trọng tâm cốt thép cường độ cao.

Tọa độ trọng tâm cốt thép cường độ cao so với trục x–x (mép dưới của dầm):

3003150

Mômen tĩnh đối với trục đi qua đáy dầm : Sxo= 346120 cm3

Tung độ của trục trung hoà so với đáy dầm : yd = 72,876(cm)

Mômen quán tính của tiết diện là :I = 9823411,092 cm4

-Khi giảm yếu trừ đi các lỗ :

Diện tích lỗ trừ đi do theo DUL: ∆ A0 =6x35,26=211,56 cm2

h I I

Diện tích tiết diện đã trừ lỗ : A0 = Ag -∆ A0 = 4250 -211,56 =4038,44 cm2

Mômen tĩnh ở đối với trục đi qua đáy tiết diện :

2 3

2

790(800 200)

ps E

E

n1=

MPa f

E dam 0.043 c c' 0.043 24001 5 45 33915

1 5

×

I I A td

61

I I A td

II

II td

t II t

4.3.2.Giai đoạn 3: Bản mặt cầu cứng,Tiết diện liên hợp.

a Tiết diện tại giữa nhịp:

– Xác định chiều rộng bản có hiệu be :

2500

)(2500

)(27002

800

;200max200

12

)(75004

30000

min

2

;max12

S

b b t

l

w s

=

– Diện tích của tiết diện có kể đến cốt thép ứng suất trước:

bmc c d c

E n E

bmc td

III III td

III III td

– Diện tích của tiết diện có kể đến cốt thép ứng suất trước:

bmc c d c

E n E

bmc td

2500 200

125,124 10 ( )

III III td

Mất mát ứng suất tại các mặt cắt được xác định như sau :

Tổng mất mát ứng suất trước trong kết cấu căng sau được xác định theo TCN 5.9.5.1: