Thiết kế kết cấu cống

Nguyên lý thiết kế - Tất cả các công trình cống đều được tính theo 3 trạng thái sau: + Trạng thái giới hạn thứ nhất: Bảo đảm công trình không bị phá hoại vì mất cường độ và độ ổn định

4.3 Thiết kế kết cấu cống

4.3.1 Nguyên lý thiết kế

- Tất cả các công trình cống đều được tính theo 3 trạng thái sau:

+ Trạng thái giới hạn thứ nhất: Bảo đảm công trình không bị phá hoại vì mất cường

độ và độ ổn định trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn

+ Trạng thái giới hạn thứ hai: Bảo đảm công trình không xuất hiện biến dạng dư quámức trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn

+ Trạng thái giới hạn thứ ba: Bảo đảm công trình không xuất hiện biến dạng cục bộkhông cho phép trong điều kiện khai thác tiêu chuẩn

4.3.2 Các giả thiết khi tính toán

- Cống tròn bê tông cốt thép thuộc loại cống tròn cứng, khi tính toán không xét đếnbiến dạng của bản thân cống

- Chiều sâu chôn cống có ảnh hưởng nhất định với việc tính toán ngoại lực Khi tínhtoán giả thiết rằng đáy sông suối ngang với đáy mặt trong của cống

- Trong các đốt cống cứng ảnh hưởng của lực dọc trục ứng với ứng suất tính toán rấtnhỏ (< 4,50%) cho nên trong tính toán có thể bỏ qua ứng suất dọc trục

4.3.3 Số liệu thiết kế:

- Do góc nội ma sát của đất nền đường nhỏ dẫn đến việc phải cấu tạo kết cấu cống lớn

thì mới đạt các yêu cầu về cường độ và ổn định Nên kiến nghị tại vị trí cống thay loạiđất đắp nền đường bằng cát hạt lớn có góc nội ma sát là 350

+ Tải trọng tính toán ôtô H30, xe nặng XB80

+ Bê tông M20 có Rn = 90(daN/cm2)

+ Chiều cao đất đắp trên cống 1: 2,21 m

+ Chiều cao đất đắp trên cống 2: 1,39 m

+ Thép AI có Ra = 1900(daN/cm2)

+ Dung trọng đất đắp trên cống: 0= 1,8(T/m3)

+ Dung trọng của bêtông cốt thép: 1 = 2,5(T/m3)

+ Dung trọng trung bình của lớp kết cấu áo đường: γ 2 = 2,2T/m3

* Cống 1: Chiều cao đắp tại vị trí đặt cống: 3,85 m.

* Cống 2: Chiều cao đắp tại vị trí đặt cống: 3,03 m.

4.3.4 Thiết kế cống 1

Cống được tính toán theo hai giai đoạn

- Giai đoạn thi công: Khi thi công, đất đắp trên cống 0,5m, lúc này tải trọng tác dụnglên cống chỉ có xe H30.

- Giai đoạn khai thác: Khi khai thác, đất đắp trên cống 1,12 m, lúc này tải trọng tácdụng lên cống có cả xe H30 và XB80

-Theo 22TCN 18-79, Dùng tải trọng H30 và XB80 cho các tuyến đường liên lạc quốc

tế, đường trục chính yếu có ý nghĩa quan trọng về kinh tế, chính trị, văn hóa, quốcphòng phục vụ cho toàn quốc, có cường độ vận tải trong tương lai rất lớn, cũng nhưcác đường vận chuyển lớn nối liền các khu vực công nghiệp quan trọng và các thànhphố lớn nối vào đường trục chính quốc gia thuộc đường ô tô từ cấp IV trở lên

+ Giai đoạn thi công : qGĐ1 = q =  0.H = 1,8.0,5 = 0,9 (T/m 2)

+ Giai đoạn khai thác: qGĐ2 = q =  0 H + 2.H KCAD

G P

+ G: Trọng lượng một bánh xe sau của ôtô hoặc trọng lượng bánh xe XB80(T) + a: Chiều rộng của mặt tác dụng áp lực (m).

+ b: Chiều dài của mặt tác dụng áp lực(m)

* Xét trường hợp thi công:

- Đối với xe H30: Xét trường hợp hai xe qua cống cách nhau 1,1m hai trục saucách nhau 1,6m mỗi trục có tải trọng là 12T

Để đảm bảo trong quá trình thi công xe đi qua không ảnh hưởng đến cống ta đắp đấttrên cống 0,5m

20

P=12T P/2 190 P/2

Mặt cắt dọc cống Mặt cắt ngang cống

Hình 2.4.2 Sơ đồ xếp xe H30

a = 2x1,9 + 1,1 + 0,6 + 2.H.tg300 = 2x1,9 + 1,1 + 0,6 + 22,21tg300 =8,052(m)

b = 0,2 + 1,6 + 2.H.tg300 = 0,2 + 1,6 + 22,21tg300 = 4.352 (m)

Ta được : 30

8 12 / 2 8,052 4,352

=> Tổng áp lực thẳng đứng do tĩnh tải và hoạt tải gây ra : Q = (q + P)

- Giai đoạn thi công: QH30

4.3.4.3 Tính nội lực

Sơ đồ phân bố áp lực lên cống tròn cứng như hình 4.8a,b,do ảnh hưởng của ứng

suất dọc trục rất nhỏ nên ta chỉ tính toán mômem

Tiến hành tổ hợp mômen do áp lực thẳng đứng, áp lực hoạt tải thẳng đứng và do

trọng lượng bản thân cống gây ra theo sơ đồ như hình 2.4.10 thì tìm được mômen uốn lớn nhất

4.3.4.6 Kiểm tra điều kiện đảm bảo cường độ và kiểm tra nứt

a) Kiểm tra về cường độ

Thành cống bêtông cốt thép tiết diện chữ nhật có bố trí hai hàng cốt thép Fa=F’a=3,018 cm2 , vì vậy kiểm tra điều kiện cường độ theo công thức sau:

2 (

.

b

F R x

u

a a



 Trong đó:

’ (daN.cm)

2 0

cm daN x h F

M Z

F M

a a

T T





 Với + Diện tích vùng tác dụng tương hỗ FT = 99.2.2,4 = 475(cm2)

cm2)

FT(cm2)

n i d i RT

(cm)

aT(cm)Cống

Suy ra: aT   0,02(cm).

Vậy kết cấu thõa mãn điều kiện chống nứt

4.3.5 Thiết kế cống 2

- Giai đoạn thi công: Khi thi công, đất đắp trên cống 0,5 m; lúc này tải trọng tác dụnglên cống chỉ có xe H30

- Giai đoạn khai thác: Khi khai thác, đất đắp trên cống 0,9 m; lúc này tải trọng tácdụng lên cống có cả xe H30 và XB80

4.3.5.1 Chọn sơ bộ chiều dày ống cống

- Do chiều cao đất đắp H< 6m nên ta có thể sơ bộ tính chiều dày ống cống theo công

- Trong đó: + D: đường kính trong của cống: D = 150 (cm)

 δ=150 12 12,5 (cm)

Theo tiêu chuẩn kỹ thuật thi công và nghiệm thu cầu cống 22TCN159-86.Bảng 1.2

chọn  = 14 cm

4.3.5.2 Tính ngoại lực

- Tỉnh tải: Áp lực thẳng đứng của đất đắp: q = 0.H

+ Giai đoạn thi công : qGĐ1 = q = 0.H =1,8.0,5 = 0,9 (T/m 2)

+ Giai đoạn khai thác: qGĐ2 = q = 0 H + 2.H KCAD

G





* Trong đó:+ P: Áp lực thẳng đứng do tải trọng xe chạy gây ra (T/m2)

+ G: Trọng lượng một bánh xe sau của ôtô hoặc trọng lượng bánh xe HK80(T)

+ a: Chiều rộng của mặt tác dụng áp lực (m)

+ b: Chiều dài của mặt tác dụng áp lực (m)

* Đối với xe H30:Xét trường hợp hai xe qua cống cách nhau 1,1m; hai trục sau cách

nhau 1,6m; mỗi trục có tải trọng là 12T

- Giai đoạn thi công:

Hình 2.4.6 Áp lực tác dụng của xe H30 theo phương dọc và phương ngang cống

20

P=12T P/2 190 P/2

Hình 2.4.7 Áp lực tác dụng của xe H30 theo phương dọc và phương ngang cống

Hình 2.4.8 Áp lực tác dụng của xe XB80 theo phương dọc và phương ngang cống

- Với a = 0,8 + 2.1,39.tg300 = 2,405 (m)

b = 1,2 + 0,2 + 2.1,39.tg300 = 3,005 (m)

- Ta được: PGĐII= 2 (20 / 2)

2, 405 3,005



 = 2,767 (T/m2)

=> Tổng áp lực thẳng đứng do tĩnh tải và hoạt tải gây ra : Q = (q + P)

- Giai đoạn thi công: QH30

4.3.5.2 Tính nội lực

Sơ đồ phân bố áp lực lên cống tròn cứng như hình 4.8a,b,do ảnh hưởng của ứng

suất dọc trục rất nhỏ nên ta chỉ tính toán mômem

Tiến hành tổ hợp mômen do áp lực thẳng đứng, áp lực hoạt tải thẳng đứng và do

trọng lượng bản thân cống gây ra theo sơ đồ như hình 4.9 thì tìm được mômen uốn lớn nhất

4.3.5.5 Kiểm tra điều kiện đảm bảo cường độ và kiểm tra nứt

c) Kiểm tra về cường độ

Thành cống bêtông cốt thép tiết diện chữ nhật có bố trí hai hàng cốt thép Fa=F’a=3,018 cm2 , vì vậy kiểm tra điều kiện cường độ theo công thức sau:

2 (

.

b

F R x

u

a a



 Trong đó:

’ (daN.cm)

 M = 57400 (daN.cm) < 117468,26 (daN.cm)

Vậy điều kiện cường độ được đảm bảo.

.

2 0

cm daN x h F

M Z

F M

a a

T T





 Với + Diện tích vùng tác dụng tương hỗ FT = 99.2.2,4 = 475(cm2)

cm2)

FT(cm2)

n i d i RT

(cm)

aT(cm)Cống

- Tại các cửa cống bố trí tường cánh kiểu chéo vì tường cánh này đơn giản, dễ thi công

và thoát nước tốt Đầu mút tường cánh xây thẳng đứng

4.3.6.1 Nguyên lý tính toán:

- Tại các cửa cống có tường cánh chịu áp lực của đất do đó phải dựa vào nguyên lýtường chắn đất để tính toán

- Do chiều cao tường cánh thay đổi nên ảnh hưởng đến chiều dài của tường Để dễ tính toán

ta chia tường cánh ra một số đoạn và mỗi đoạn tính với chiều cao trung bình

4.3.6.2 Số liệu thiết kế:

- Tường cánh được làm bằng bêtông ximăng M15 Góc lệch cánh bằng 300

+ Đất đắp trên cống là đất cát hạt trung có góc nội ma sát  = 350,0 = 1,8 T/m3.

+ Dung trọng của bêtông M15:  = 2,5 T/m3

+ Sức chịu tải của đất nền 2,5 daN/cm2 (theo bảng 5.11 tài liệu [7])

+ Ứng suất nén dọc trục cho phép của bê tông [σa] = 55 daN/cm2 (theo bảng 2 phụlục 3B tài liệu [7])

+ Ứng suất kéo uốn cho phép của bêtông [ku] = 5,5 daN/cm2 (theo tài liệu [7]).+ Hệ số ổn định chống trượt [Ktr] = 1,3 (Theo bảng 5.13 tài liệu [7])

+ Hệ số ma sát giữa đáy móng và đất nền f = tg = tg350= 0,7

+ Hệ số ổn định chống lật [KL] = 1,5.(Theo bảng 5.13 tài liệu [7])

+ Độ dốc lưng tường 4:1 Taluy nền đắp 1:1,5

4.4 Tính toán ổn định cống

4.4.1 Tính toán ổn định cống 1

- Áp lực đất chủ động: (Ep)

P3 P5

P4 P5

E1

25 8 25

25 30

15 51

40 40

II II

cos)

cos(

)cos(

)sin(

)sin(

1

)(cos

2 2 2

1.1,8 1,872.0,518= 1,63 (T).

2H a=

2

1.1,8.2,872.0,518 = 3,84 (T)

e2 = H2/3 = 2,87/3 = 0,95 (m)

- Tính toán các lực thẳng đứng: Pi = Vi i

* Trong đó: + Vi: Thể tích khối bê tông hay đất đắp

+ i: Dung trọng của khối bê tông hay đất đắp

- Tính ai, bi, ci là khoảng cách từ điểm đặt lực đến trọng tâm mặt cắt I-I, II-II và méptrước của đáy móng cống (điểm A), ai, bi, ci được xác định ở bảng 4.2:

Bảng 2.4.6 Tính toán các lực thẳng đứng của tường cánh của cống 1

- Ứng suất tại tiết diện I – I

I

I I

I I

W

M F

N







* Với: + FI :Diện tích tại mặt cắt I-I của tường cánh FI =1.(0,3+0,52) = 0,82(m2)

+ WI : mômen chống uốn cắt tại mặt cắt tiết diện I-I

amax= 13,141(T/m2) = 1,3141 (daN/cm2) < [ ] = 55 (daN/cm2)

 ku = -4,141 (T/m 2) = -0,4141 (daN/cm2 ) < Rku = 5,5 (daN/cm2)

- Vậy mặt cắt tại chân tường cánh đủ cường độ

4.4.1.4 Kiểm tra ứng suất ở đáy móng tường cánh (II-II)

- Khi tính với mặt cắt II-II ta thay P4 = P7

MII = E2.e2 + P1 b1 +P2 b2 - P3 b3 - P5 b5- P6 b6 - P7 b7 -P8 b8

3,525.0 = 3,052 (T.m)

1 1, 41

W F

+ B : cạnh của móng thẳng góc với hướng lệch tâm B = 1,41 (m)

+ X : Khoảng cánh từ điểm tác dụng hợp lực đến cạnh chịu nén của móng

2 = 1, 41 0, 41 0, 295

4.4.1.5 Kiểm định hệ số ổn định trượt

- Công thức kiểm tra:

+ f: Là hệ số ma sát trượt giữa đáy móng và nền đất: f = 0,7

+ [Ktr]: Hệ số ổn định chống trượt, tra bảng 5.13 trang 210 tài liệu [7] ta có [Ktr]

.

e E

Ci

P i

 > 1,5=[Kl]

* Trong đó: PiCi: Tổng momen giữ

E2.e2 : Mô men gây lật

- Ta có: PiCi = P1 c1+P2 c2+P3 c3-P5 c5+P6 c6+P7 c7 + P8 c8 =

1,403.0,35+1,216.0,68+0,875.0,85-0,075.0,3+1,346.1,21+0,505.1,11+3,525.0,705

= 6,714 (T.m)

E2.e2 = 3.84.0,95= 3,648 (T.m)

=> K = 6,7143,648  1,84 > 1,5 Vậy tường cánh thoả mãn điều kiện ổn định lật

- Như vậy cấu tạo tường cánh đã chọn là hợp lý Tường đầu được làm bằng bêtôngximăng M15, phần gia cố thượng hạ lưu sân cống được làm bằng bê tông xi măngM15 Kích thước lấy theo cấu tạo

23 29

13 49

39 39

2030 48 40 E2

I I

II II

P2 P3

cos)

cos(

)cos(

)sin(

)sin(

1

)(cos

2 2 2

- Áp lực đất chủ động tại mặt cắt II-II:

E2 = 2

2

1

2H a=21 1,8.2,812.0,52 = 3,695 (T)

e2 = H2/3 = 2,81/3 = 0,94(m)

- Tính toán các lực thẳng đứng: Pi = Vi i

* Trong đó: + Vi: Thể tích khối bê tông hay đất đắp

+ i: Dung trọng của khối bê tông hay đất đắp

- Tính ai,bi, ci là khoảng cách từ điểm đặt lực đến trọng tâm mặt cắt I-I, II-II và méptrước của đáy móng cống (điểm A), ai, bi, ci được xác định ở bảng II.5.2:

Bảng 2.4.7 Tính toán các lực thẳng đứng của tường cánh của cống 2

I I

W

M F

N







* Với: + FI : Diện tích tại mặt cắt I-I của tường cánh FI = 1.(0,3+0,48)=0,78(m2)

+ WI : mômen chống uốn cắt tại mặt cắt tiết diện I-I

WI =

2

0,78 1 6

 ku = -5,03 (T/m 2) = -0,503 (daN/cm2 )< Rku = 5,5(daN/cm2)

- Vậy mặt cắt tại chân tường cánh đủ cường độ

4.4.2.4 Kiểm tra ứng suất ở đáy móng tường cánh (II-II)

- Khi tính với mặt cắt II-II ta thay P4 = P7

1 1,38

W F

+ B : cạnh của móng thẳng góc với hướng lệch tâm B = 1,38 (m)

+ X : Khoảng cánh từ điểm tác dụng hợp lực đến cạnh chịu nén của móng

X =  

P

M B

4.4.2.5 Kiểm định hệ số ổn định trượt

- Công thức kiểm tra:

+ [Ktr]: Hệ số ổn định chống trượt, tra bảng 5.13 trang 210 tài liệu [7] ta có [Ktr]

.

e E

Ci

P i

 > 1,5=[Kl]

* Trong đó: PiCi: Tổng momen giữ

E2.e2 : Mô men gây lật

- Ta có:  PiCi = P1 c1+P2 c2+P3 c3-P5 c5+P6 c6+P7 c7 + P8 c8 =

1,358.0,35+1,086.0,66+0,782.0,82-0,075.0,3

+1,303.1,18 +0,467.1,08+3,45.0,69 = 6,233 (T.m)

E2.e2 = 3,695.0,94 = 3,473(T.m)

=> K = 6, 2333, 473  1,795 > 1,5 Vậy tường cánh thoả mãn điều kiện ổn định lật

- Như vậy cấu tạo tường cánh đã chọn là hợp lý Tường đầu được làm bằng bêtôngximăng M15, phần gia cố thượng hạ lưu sân cống được làm bằng bê tông xi măngM15 Kích thước lấy theo cấu tạo