THIẾT KẾ KỸ THUẬT CẦU GIÀN THÉP

DC: tĩnh tải của các bộ phận kết cấu và liên kết.. Dầm ngang và hệ liên kết tạo độ cứng ngangcho các giàn, làm gối đỡ cho các dầm dọc và truyền tải trọng từ hệ mặt cầu xuống giàn chủ.Đối

PHẦN I: THIẾT KẾ KỸ THUẬT CẦU GIÀN THÉP

Chương 1

-GIỚI THIỆU CHUNG VÀ CHỌN SƠ BỘ KẾT CẤU NHỊP

I Tóm tắt nhiệm vụ đồ án

I.1 Số liệu đầu vào:

- Chiều dài nhịp tính toán: Ltt = 10 7 = 70(m)

- Khổ cầu : K = 6,5+2 1,2 (m)

- Tải trọng thiết kế:

+ Hoạt tải thiết kế: HL93

+ Đoàn người: 3 daN/m2

I.2 Nhiệm vụ thiết kế:

- Thiết hế dầm ngang

- Thiết kế tiết diện các thanh giàn trong một nút : nút số 1.

- Thiết kế nút giàn chủ

- Thi công lao lắp giàn chủ

I.3 Tiêu chuẩn thiết kế:

- Thiết kế theo quy trình 22TCN 272-05.

II Thiết kế hệ dầm mặt cầu :

I.1.Các trạng thái giới hạn

I.1.1 Trạng thái giới hạn cường độ I

U = 0,75.(LL+IM)

IM = 15%

Trong đó: LL: hoạt tải xe

IM: lực xung kích

DC: tĩnh tải của các bộ phận kết cấu và liên kết

DW: tỉnh tải của các lớp phủ mặt cầu

PL: hoạt tải người

η = ηD.ηR.ηI: hệ số điều chỉnh tải trọng, lấy theo 22TCN 272-05

Bảng I.1:

η=ηD.ηR.ηI (A.1.3.2.1) 0,95 1.0 1,0

I.2 Vật liệu dùng cho kết cấu:

-Thép kết cấu M280 cấp 345 có FY = 345Mpa

- Bê tông bản mặt cầu có f’c = 30Mpa

- Liên kết sử dụng bu lông cường độ cao

I.3 Chọn sơ đồ kết cấu nhịp

- Chọn giàn có 2 đường biên song song Giàn có 10 khoang, chiều dài mỗi khoang d = 7.0m

- Chiều cao giàn chủ:

Để lựa chọn chiều cao dàn, ta còn phụ thuộc vào kích thước xe chạy trên cầu, đối với cầuôtô đường xe chạy dưới có chiều cao ≥7.3 m

Chọn sơ bộ h = 10 m Chiều dài mỗi khoang d=7m Khi đó góc xiên hợp bởi thanhxiên và phương nằm ngang là = 5500’28’’

A 1 2' 3 4' 5 6' 7 8' 9 10' 11 B

Hình I.1: Sơ đồ giàn chủ

+ Khoảng cách giữa các tim giàn chủ :

Đối với cầu xe chạy dưới: Bố trí hai giàn chủ với khoảng cách lớn hơn khổ đường xe chạy1-1.5m để kể đến phần đá vỉa và bề rộng các thanh giàn

Ta chọn khoảng cách giữa hai giàn chủ là B = 7.6m

I.4 Chọn sơ bộ kích thước:

Chương 2 THIẾT KẾ HỆ DẦM MẶT CẦU

II Thiết kế dầm ngang:

Dầm ngang đặt vuông góc với hướng xe chạy Dầm ngang và hệ liên kết tạo độ cứng ngangcho các giàn, làm gối đỡ cho các dầm dọc và truyền tải trọng từ hệ mặt cầu xuống giàn chủ.Đối với cầu đường xe chạy dưới, dầm ngang làm việc như một dầm đơn giản kê trên hai gốitựa có nhịp là khoảng cách giữa hai giàn chủ, do đó chiều cao dầm ngang có thể chọn theochiều dài nhịp

II.1 Chọn tiết diện

+ Dầm ngang còn phải chọn sao cho đủ độ cao để bố trí vai kê dầm dọc, vì vậy chiều caocủa dầm ngang d ≥ hdd + 300mm, với hdd = 500mm

→ d ≥800mm

→ Chọn tiết diện dầm dọc loại I cánh có đặc trưng hình học như sau :

Hình II.1 : kích thước dầm ngang

Bảng II.1 : các kích thước của dầm ngang

Trọng lượng bản thân dầm ngang là : DC1 = 24032.10-6.7,85.9,81 = 1,851 (kN/m)

II.1 Tải trọng tác dụng lên dầm ngang:

Dầm ngang được liên kết bằng bulông vào bản nút của giàn chủ thông qua các thép gócliên kết Liên kết này dễ bị xoay nên dầm ngang được tính theo sơ đồ dầm giản đơn có nhịptính toán bằng khoảng cách giữa tim 2 giàn chủ

- Tải trọng tập trung của bản mặt cầu:

- Tải trọng tập trung của dầm dọc:

- Tải trọng tập trung của các lớp phủ mặt cầu:

- Tải trọng tập trung của đá vỉa:

DC 4 = ((0,2+0,25)/2.0,3).7.2,5.9,81=11,59 (kN).

3 2

DC + DC +DW

Hình II.3: Sơ đồ tính tĩnh tải tác dụng lên dầm ngang.

II.1.2 Hoạt tải:

Gồm xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng làn hoặc xe hai trục thiết kế kết hợp với tải trọnglàn

* Hoạt tải tính cho TTGH cường độ I và sử dụng:

Áp lực do một dãy bánh xe đứng trong hai khoang kề bên dầm ngang tính được bằng cáchxếp xe lên đường ảnh hưởng:

9.3/3 kN/m

7.0m

1.2m 110

4.3m

Hình II.4 : Xếp hoạt tải lên đường ảnh hưởng áp lực của dầm ngang.

(tính cho trạng thái giới hạn cường độ I và sử dụng)

- Với xe tải thiết kế:

ATr = 0,5 [145.(1+0,386)+35.0,386] = 107,24 kN

- Với xe hai trục thiết kế:

ATa = 0,5.110(1 +0,829) = 100,60 kN

Vậy ta tính được hoạt tác dụng lên dầm ngang:

ALL+IM = (ATr hoặc ATa).(1+IM) = 107,24(1+IM)

Hình II.5: Xếp hoạt tải lên đường ảnh hưởng áp lực của dầm ngang.

(tính cho trạng thái giới hạn mỏi)

Ta có: ATr = 0,5(145.1+35.0,386) = 79,26 kN

=> ALL+IM = ATr.(1+IM) = 79,26 (1+IM) với IM =15%

II.2 Xác định nội lực dầm ngang:

II.2.1 Nội lực do tỉnh tải

Ut= {γDC.(DC2+DC3) Σyi + γDC.DC1 Σ + γDW.DW Σyi+ γDC DC4.ydv}

Hình II.6 : Sơ đồ tính nội lực của dầm ngang do tĩnh tải.

Kết quả tính toán thể hiện trong các bảng tính sau:

Bảng II.2 :

Các TTGH γDC DC2+DC3 Σyi DC1 Σ DC4 Σ ydv γDW DW Σyj ML/2

(kN.m)TTGH CD I 1.25 63.35 4.102 1.85 7.22 11.59 0.426 1.5 20.28 4.102 472.48

ALL+IM = 79,26(1+IM) khi tính cho TTGH mỏi hoặc ALL+IM = 107,24(1+IM) khi tính cho

các trạng thái giới hạn còn lại

Hình II.7: Sơ đồ tính nội lực của dầm ngang do hoạt tải.

Bảng II.4 : momen do hoạt tải

Bảng II.7: Tổng hợp momen

Các TTGH M1/2tt, kN.m M1/2ht, kN.m M1/2, kN.mTTGH CD I 472,48 1274,07 1746,55TTGH SD II 361,34 996,27 1357,61

II.3 Kiểm tra tiết diện:

II.3.1 Trạng thái giới hạn cường độ I

- Yêu cầu mô men kháng uốn dẻo: Z

Trong đó:

Φr: hệ số sức kháng, lấy theo Bảng 3.9 Tr.63 sách Thiết kế Cầu thép, với cấu kiện chịu uốn

Φr = 1,0

Mn: là sức kháng danh định đặc trưng cho tiết diện chắc

Mp: là mômen chảy dẻo

Ta có: Mn = Mp

Hình II.8: Mặt cắt ngang thép ngang

d

(mm)

bf(mm)

tf(mm)

tw(mm)

F(mm2)

Iy(mm4)

Ix(mm4)

Wx(mm3)

Ta thấy:

Mp = Pf.(D/2+bf/2).2+ Pw.D/4 = 345.6000.388+345.12032.188=2386715520 N.mm

=2386,7 KN.m

=> đạt yêu cầu về mômen kháng uốn dẻo

II.3.3 Kiểm tra độ mảnh

II.3.3.1 Độ mảnh vách

Với tiết diện chắc:

Trong đó:

- Fyc: cường độ chảy dẻo nhỏ nhất Fyc =345MPa

- Dcp là chiều cao của bản bụng chịu nén tại lúc mômen chảy dẻo

DC = 0,5.(d-2tf) = 0,5.(800-2.24) = 376mm

- tw: là chiều dày bản bụng: tw = 16 mm

II.3.3.2 Độ mảnh của biên chịu nén:

Công thức kiểm tra:

Trong đó:

- Fyc: cường độ chảy dẻo nhỏ nhất Fyc = 345MPa

- bf: bề rộng bản cánh chịu nén: bf = 250mm

- tf: chiều dày bản cách chịu nén: tf = 24 mm

II.3.4 Kiểm tra điều kiện chống cắt

- Sức kháng cắt của dầm Vr được lấy như sau:

+ Vu = 798,69kN: sức kháng cắt tính toán tại gối.

+ φb: hệ số sức kháng đối với gối quy định ở điều (A.6.5.4.2), φb = 1,0

+ Vn = 2281,14 kN: sức kháng cắt danh định

=> 0,75.φb.Vn = 0,75.1,0.2281,14= 1710,86kN > Vg = 798,69kN

Vậy không cần bố trí sườn tăng cường tại gối

II.3.5 Yêu cầu cấu tạo

II.3.5.2 Chiều dày các bộ phận

Chiều dày vách của tiết diện thép cán không nhỏ hơn 7 mm

tw =16 mm > 7 mm => Đạt

II.3.6 Kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng

Trạng thái giới hạn sử dụng được kiểm tra để dảm bảo độ võng do tĩnh tải không ảnhhưởng đến giao thông trên cầu

Đối với cả hai biên của tiết diện không liên hợp

Công thức: ff ≤ 0,8.Rb.Rh.Fyf

Trong đó:

+ ff: là ứng suất bản cánh dầm đàn hồi do tải trọng tính toán gây ra (MPa)

+ Fyf: là cường chảy nhỏ nhất quy định của bản cánh, Fyf = 345 MPa

+ Theo mục trên ta chọn: Rb = 1,0, Rh = 1,0

Mômen lớn nhất của trạng thái giới hạn sử dụng :

+ M = 1327.94 kN.m

Vậy ff = = 228.74 MPa ≤ 0,8.1.1.345 = 276 Mpa => Đạt.

II.3.7 Kiểm tra mỏi và đứt gãy

Biên độ ứng suất cho phép phụ thuộc chu kỳ tải trọng và cấu tạo liên kết Đứt gãy phụ thuộcvào cấp liệu vật liệu và nhiệt độ

II.3.7.1 Chu kỳ tải trọng:

Giả sử lưu lượng xe trung bình hàng ngày là ADT = 20000 xe/làn/ngày và có hai làn xe tải,thuộc đường nông thôn liên quốc gia => tỉ lệ xe tải trong luồng là 0,2

ADTT = 0,2.ADT = 0,2.(20000).(2 làn) = 8000 (xe/ngày)

Số xe tải trong một ngày cho một làn xe trung bình trong tuổi thọ thiết kế tính toán theobiểu thức:

N = 365.100.n.ADTTSL (phương trình 3.9 Tr.54)

= 365.100.1.6800

= 248,2.106 (chu kỳ)

Với chiều dài nhịp L=70m => n = 1,0

II.3.7.2 Biên độ ứng suất cho phép mỏi

Sức kháng mỏi danh định được tính theo biên độ ứng suất lớn nhất cho phép như sau:

Trong đó:

+ A: là hằng số mỏi thay đổi theo loại chi tiết mỏi, với chi tiết loại B => B = 39,3.1011Mpa

+ N: là số chu kỳ cho một xe tải qua, N = 248,2.106 chu kỳ

+(ΔF)TH:là hằng số ngưỡng biên độ ứng suất mỏi,với chi tiết loại B => (ΔF)TH = 110 MPa

Ta tính được: (ΔF)n = =25,11 MPa > (ΔF)TH = 110 = 55 Mpa

Do đó ( F)n = 55 MPa

II.3.7.3 Biên độ ứng suất lớn nhất:

được giả thiết bằng 2 lần biên độ ứng suất gây ra do hoạt tải mỏi đi qua.Tuy nhiên biên độứng suất không cần nhân với 2 vì sức kháng mỏi đã chia cho 2

Mômen lớn nhất lớn nhất của dầm tính theo tải trọng mỏi:

M = 314,44kN.m

Từ đó: Δf = = = 52.98 MPa < 55Mpa => Đạt

III Thiết kế liên kết dầm ngang vào nút:

Chọn liên kết dầm ngang vào nút bằng 2 thép góc bố trí 2 bên sườn dầm và bằng bulôngcuờng độ cao Ta tính số lượng bulông cần thiết như sau:

III.1 Công thức tính:

- Tính liên kết dầm ngang vào nút giàn dựa vào lực cắt có hệ số tại gối

- Số lượng bulông được xác định theo công thức sau:

Trong đó:

+ Vg: lực cắt có hệ số lớn nhất tại gối, Vg = 798,69 kN

+ n: số lượng bulông cần thiết

+ Rn: là sức kháng tính toán của một bu lông

III.2 Tính R n :

- Sức kháng trượt danh định của bu lông trong liên kết ma sát được tính như sau

Trong đó:

KS: hệ số điều kiện bề mặt qui định, chọn bề mặt loại B, KS = 0,33

Kh: hệ số kích thước lỗ, với lỗ tiêu chuẩn Kh = 1

NS: số lượng mặt ma sát cho mỗi bulông

Ns = 2 khi liên kết thép góc với sườn dầm ngang

Ns = 1 khi liên kết thép góc với giàn chủ

Pt lực căng tối thiểu yêu cầu của bulông, với bulông 22 mm A490M, Pt = 221 kN

- Sức kháng trượt danh định của bu lông khi liên kết thép góc với sườn dầm ngang :

III.3 Tính số lượng bulông:

- Số lượng bulông liên kết thép góc với giàn chủ:

n1 ≥ = = 13.69 bu lông

=> chọn số bulông là 18 bu lông và bố trí thỏa điều kiện cấu tạo

- Số lượng bulông liên kết thép góc với sườn dầm ngang:

n2 ≥ = = 6,85 bu lông

=> chọn số bulông là 9 bu lông và bố trí thỏa điều kiện cấu tạo

Hình vẽ thể hiện dầm ngang liên kết vào giàn chủ được biểu diễn ở hình dưới đây :

Hình III.1 : Liên kết dầm ngang vào nút giàn chủ

Chương 3 THIẾT KẾ GIÀN CHỦ

I Xác định nội lực các thanh qui tụ tại nút số 4:

I.1 Xác định tải trọng tác dụng lên giàn:

I.1.1.Tính trọng lượng kết cấu nhịp:

- Trọng lượng thép trên 1m dài dầm chủ có thể được xác định theo công thức kinh nghiệmcủa Streletsky :

Trong đó:

- : mô mên tại tiết diện một phần tư nhịp gây ra có kể đến xung kích và hệ sốphân phối ngang (N.mm)

- : diện tích đường ảnh hưởng mô men tại một phần tư nhịp(mm)

- DC: trọng lượng BMC đường xe chạy và đường người đi tính cho 1m giàn chủ, N/mm.(tính cho một giàn chủ chịu ) ( gồm có bản mặt cầu, đường người đi, lan can, đá vỉa)

DC = 38,50 + 2 1,4 + 4,24 = 45,54 (N/mm)

- DW: trọng lượng lớp phủ mặt cầu tính cho 1m giàn chủ

DW = 10,76 (N/mm)

- L: nhịp tính toán của giàn, L = 70m = 70000 mm

- Fy: cường độ chảy nhỏ nhất của thép làm giàn

Dùng thép công trình M280 cấp 345 có Fy = 345Mpa

- γ: trọng lượng thể tích của thép, γ = 7,85 T/m3 = 78,5×10-6 N/mm3

- a, b: hệ số đặc trưng tải trọng, đối với cầu giàn đơn giản có đường xe chạy dưới a=b=3,5

Tính hệ số phân phối ngang của người và hoạt tải: dùng phương pháp đòn bẩy.

Thay tất cả vào công thức ta có:

Trọng lượng thép của hệ liên kết, thường được xem là một hàm số của trọng lượng giàn

ggl = α.DCg = 0,1×4,836= 0,4836 N/mm

I.1.2 Tĩnh tải tác dụng lên giàn chủ

Tĩnh tải tác dụng lên 1 nữa giàn trên 1m dài bao gồm

-Trọng lượng của BMC ( phần xe chạy và đường người đi):

DC(bmc) = 0,5×38,50 = 19,25 kN/m

-Trọng lượng của lớp phủ mặt cầu ( phần xe chạy và đường người đi):

DW(lpmc) = 0,5×10,76 = 5,38 kN/m

-Trọng lượng bó vĩa: DC = 0,5×1,66 = 0,83 kN/m

I.2 Tổ hợp nội lực:

I.2.1 Nội lực do tĩnh tải chưa hệ số

Công thức tính: NDC = DC.∑A

NDW = DW.∑A

Kết quả tính toán cho ở bảng:

Bảng III.1: Bảng tính nội lực do tĩnh tải ( chưa hệ số )

Bảng III.2: Nội lực do hoạt tải chưa hệ số , chưa kể lực xung kích

Dựa vào tổ hợp tải trọng theo trạng thái giới hạn thứ nhất (trạng thái giới hạn cường độ I)

để xác định tiết diện thanh

II.1.1 Nội lực do tĩnh tải

minma

5 0.9 1.5

0.65

+ NDC, NDW: nội lực trong thanh do DC và DW không hệ số gây ra

Bảng III.4: Nội lực do tĩnh tải khi có hệ số

Thanh γDC NDC,kN γDW

NDW,

kN Nt, kN1-2

γLL = γL = 1,75: hệ số tải trọng của hoạt tải

NLL, NL: nội lực thanh do xe tải thiết kế, tải trọng làn

(1+IM): lực xung kích, với trạng thái giới hạn cường độ I, (1+IM) = 1,25

II.1.3 Tổng hợp nội lực theo TTGHCĐ I

Bảng III.6: Tổng hợp nội lực theo TTGHCĐ I

Than

h

γ>1 γ<1 Nh , kN Nh-, kN Nnén, kN Nkéo, kN1-2 -1583.14 -1048.36 0,00 -2054.21 -3637.35 -1048.36

Bảng III.7 : nội lực trên các thanh

Thanh Chịulực Nmax, kN

II.2 Chọn tiết diện:

Bảng III.8 : Chọn sơ bộ tiết diện thanh giàn chủ

Thanh Tiết diện L, cm h, cm b, cm L/15 td, cm tn, cm Achọn,

cm21-2

IX, IY: mômen quán tính đối với trục x-x, y-y

rX, rY: bán kính quán tính đối với trục x-x, y-y

λX, λY: độ mãnh của thanh đối với trục x-x, y-y

k: hệ số chiều dài hữu hiệu

Kết quả tính toán cho ở bảng sau:

Bảng III.8 : Tính toán các đặc trưng hình học của thanh

Thanh Ix, cm4 Iy, cm4 rx, cm ry, cm k λx λy [λ] KL

II.3 Kiểm tra tiết diện thanh:

II.3.1 Kiểm tra thanh chịu kéo và uốn kết hợp

+ Pny: Sức khánh kéo danh định khi chảy của tiết diện nguyên

+ Fy: cường độ chảy, Fy = 345MPa

+ Pnu: sức kháng kéo danh định khi đứt gãy trong tiết diện

+ Fu: cường độ kéo, Fu = 450 Mpa

+ : là hệ số sức kháng đối với chảy dẻo của các bộ phận chịu kéo ,φy = 0,95

+ :là hệ số sức kháng đối với kéo ,đứt trong mặt cắt thực, φu = 0,80

+ Ag: là diện tích mặt cắt ngang nguyên của bộ phận (mm2)

+ Ae: diện tích thực có hiệu của thanh (mm2)

Ae=UAn (đối liên kết bu lông)

An: diện tích tiết diện thực của thanh (mm2)

An = Ag - td.n.(d+2), n: số hàng bulông

d: đường kính danh định của bulông; d = 22 mm; cộng thêm 2 mm d = 24 mm

td: chiều dày bản cánh

+ U: là hệ số triết giảm dể tính bù cho trễ trượt, xét an toàn chọn U = 0,85

- Từ đó tính được Pr theo bảng tính sau:

Mrx, Mry: sức kháng uốn có hệ số đối với trục x và y (kN.m)

Mux, Muy: mômen đối với trục x và y theo tải trọng có hệ số (kN.m)

K: hệ số chiều dài có hiệu, K = 0,75

L: chiều dài không có liên kết, mm

r: bán kính quán tính đối với trục mất ổn định, mm

Fy: cường độ chảy, Fy = 345MPa

E: môđuyn đàn hồi, 200000MPa

- Tính sức kháng nén danh định của thanh Pn:

Nếu λ ≤ 2,25 thì Pn = 0,66λ.Fy.Ag

Nếu λ ≥ 2,25 thì Pn =

Trong đó: Ag: là diện tích tiết diện nguyên

- Bảng tính toán kết quả :

Bảng III.12 : Kết quả tính toán sức kháng nén

Bảng III.13 : kết quả kiểm toán thanh chịu nén

Thanh Chịulực Pn, kN φ Pr, kN Pu, kN Kết luận

Áp dụng

CT Mux/Mrx

VT(4.13) VP (3.21) Kết luận

-II.3.2.3 Kiểm tra điều kiện ổn định cục bộ:

- Để tránh mất ổn định cục bộ, tỉ số rộng/dày của tấm bản đối với thanh chịu nén phải thỏamãn:

Đối với bản đứng: , k = 0,56

Đối với bản ngang: ≤ , k = 1,49

Trong đó:

k: hệ số mất ổn định tấm,

bd: chiều rộng tấm, lấy bằng h/2, mm

td, tn: chiều dày bản đứng, ngang, mm

bn: chiều rộng bản ngang, lấy bn = b – 2.td

E: môđuyn đan hồi, E = 200000MPa

FY: cường độ chảy, FY = 345MPa

Bảng III.16 : Kiểm tra mất ổn định cục bộ đối với bản ngang.

Thanh Chịulực bn,mm tn,mm k E,MPa Fy,MPa bn/tn Kết luận

-II.3.3 Kiểm tra trạng thái giới hạn sử dụng

Không kiểm tra

II.3.4 Kiểm tra trạng thái giới hạn mỏi

Các bộ phận trong nhà máy được chế tạo trong xưởng bằng mối nối hàn rãnh liên tục vàsong song với phương ứng suất Dùng bulông cường độ cao chịu ma sát cho các liên kết đầuthanh Cả hai đầu liên kết đều thuộc các loại chi tiết mỏi loại B

II.3.4.1 Chu kỳ tải trọng

Giả sử lưu lượng xe trung bình hàng ngày là ADT = 10000 xe/làn/ngày và có hai làn xe tải,

tỉ lệ xe tải trong đoàn xe là 0,2

ADTT = 0,2.ADT = 0,2.(10000).(2 làn) = 4000 xe tải/ngày

- Số xe tải trong một ngày cho một làn xe trung bình trong tuổi thọ thiết kế tính toán theobiểu thức: