Giáo trình kết cấu cầu bê tông cốt thép - Chương 4

Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng kết hợp của hai loại vật liệu là bê tông và thép cùng cộng tác chịu lực. Bê tông cốt thép được sử dụng rộng rãi trong xây dựng hiện nay, là lo

Chương 4:

Thiết Kế Bản Mặt Cầu

Chương 4:

GVHD: ThS Nguyễn Văn Sơn

Bộ Môn: Kỹ Thuật Xây Dựng

GVHD: ThS Nguyễn Văn Sơn

Bộ Môn: Kỹ Thuật Xây Dựng

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 2 Thiết Kế Bản Mặt Cầu ………

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Bản Mặt Cầu ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 4

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 5 Thiết Kế Bản M n M ặt Cầu ………

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Bản M n M ặt Cầu Phương Pháp Thiết Kế: - Thiết kế theo kinh nghiệm - Thiết kế theo truyền thống ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 7

1 Chiều dài hữu hiệu của BMC:

Đối với BMC đặt trên dầm thép thì chiều dài hữu hiệu được xác định như

sau:

b f = 300 S e = 2822

S e = S – b f /2

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 8 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Kinh Nghiệm 1 Chiều dài hữu hiệu của BMC: Đối với BMC đặt trên dầm BTCT tiết diện chữ I thì chiều dài hữu hiệu được xác định như sau: b f = 300 S e = 2140 S e = S – 2b f /3 ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Kinh Nghiệm 1 Chiều dài hữu hiệu của BMC: Đối với BMC đặt trên dầm BTCT tiết diện chữ T thì chiều dài hữu hiệu được xác định như sau: b w = 200 S e = 2200 ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 10

2 Điều kiện để sử d ng PP thiết kế BMC theo kinh nghiệm:

Chỉ nên dùng phương pháp thiết kế này đối với BMC bê tông cốt thép khi

thoả mãn các điều kiện sau đây:

- Sử dụng các khung ngang, dầm ngang và các vách ngăn trên toàn bộ mặt

cắt ngang ở tại các vị trí gối.

- Đối với các mặt cắt ngang được gắn vào các bộ phận cứng chịu xoắn như

trong các mặt cắt dầm hình hộp tách riêng từng hộp với nhau, hoặc là trong

các mặt cắt dầm nhiều hộp có các vách ngang trung gian giữa các hộp với

khoảng cách không quá 8000 mm.

- Có các cấu kiện đỡ bằng thép và/hay bê tông.

- Bản mặt cầu phải được đổ tại chỗ hoàn toàn và được bảo dưỡng bằng nước

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 11 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Kinh Nghiệm 2 Điều kiện để sử d ng PP thiết kế BMC theo kinh nghiệm: - Bản mặt cầu phải có chiều dày không đổi, trừ ở chỗ nách tại các bản cánh dầm và những chỗ tăng dày cục bộ khác (dùng để đặt cáp và căng cáp dự ứng lực trong kết cấu dầm BTCT dự ứng lực) - Tỷ lệ giữa chiều dài hữu hiệu và chiều dày thiết kế không vượt quá 18.0 và không được nhỏ hơn 6.0 - Chiều dày phần lõi của bản không được nhỏ hơn 100 mm - Chiều dài hữu hiệu không được vượt quá 4100 mm - Chiều dày tối thiểu của bản là 175 mm, không tính lớp mặt chịu tổn thất do mài mòn (nếu có). ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Kinh Nghiệm 2 Điều kiện để sử d ng PP thiết kế BMC theo kinh nghiệm: - Chiều dài phần hẫng không được nhỏ hơn 5 lần chiều dày bản măt cầu Khi sử dụng lan can dạng tường thì chiều dài tối thiểu của phần bản hẫng bằng 3 lần chiều dày bản - Cường độ nén của BT BMC ở 28 ngày tuổi không được nhỏ hơn 28MPa - Đối với dầm thép: phải làm ít nhất 2 neo chống cắt với cự ly tim đến tim là 600mm trong vùng moment âm của kết cấu phần trên liên tục bằng thép Đồng thời cũng phải thoả mãn bản mặt cầu liên hợp với kết cấu thép đỡ, tức là neo chống cắt phải đảm bảo BMC cùng làm việc với dầm thép như một tiết diện đồng nhất. ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 13

3 Cá yêu c u v c t thép:

Khi thiết kế bản theo kinh nghiệm cần:

- Phải đặt 4 lớp cốt thép đẳng hướng trong bản, 2 lớp ở trên và 2 lớp ở dưới

Lớp ngoài cùng đặt theo phương của chiều dài hữu hiệu.

- Cốt thép phải đặt càng gần các mặt ngoài càng tốt, nhưng phải thoả mãn về

lớp bảo vệ cho cốt thép.

- Số lượng thép tối thiểu bằng 0.57 mm 2 /mm thép cho mỗi lớp đáy và

0.38mm 2 /mm thép cho mỗi lớp đỉnh Cự ly cốt thép không được quá 450

mm.

- Cốt thép sử dụng phải từ cấp 400 trở lên.

- Toàn bộ cốt thép là thẳng chỉ trừ các móc ở các chỗ có yêu cầu.

- Chỉ dùng mối nối chập đầu.

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 14 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Kinh Nghiệm ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Ph Ph áp Thiết Kế Theo Truyền Thống ng Cá bước t nh toán, thiết kế BMC: 1 Chọn sơ bộ chiều dày BMC 2 Xác định bề rộng dải tương đương của BMC 3 Xác định tải trọng tác dụng lên BMC 4 Xếp tải lên BMC 5 Tính toán nội lực trong BMC và tổ hợp nội lực 6 Thiết kế và kiểm toán phần BMC ở nhịp giữa 7 Thiết kế và kiểm toán phần bản hẫng. ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 16

1 Ch Ch ọn sơ bộ chiều dà BMC:

- Chiều dày tối thiểu của bản là 175 mm, không tính lớp mặt chịu tổn thất do

mài mòn (nếu có)

- Chiều dày của phần bản hẫng phải thoả mãn thêm đi ều kiện chống cắt do

lực tác dụng của lan can gây ra Chiều dày nhỏ nhất của bản hẫng mặt cầu

bê tông cốt thép phải lấy như sau:

+ Đối với các phần hẫng mặt cầu bê tông đỡ hệ thống nhô cao: 200mm.

+ Đối với hệ thống cột nhô cao ở cạnh biên: 300mm.

+ Đối với các phần hẫng mặt bê tông cầu đỡ tường phòng hộ hoặc các rào

chắn bằng bê tông: 200mm.

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 17 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 2 Xá định bề ộng bản tương đương: - Một phần tử tuyến tính nhân tạo được tách ra từ mặt cầu để phân tích, trong đó hiệu ứng của lực cực trị tính cho một đường của tải trọng bánh xe, theo phương ngang hoặc dọc, sẽ bằng các tải trọng này xuất hiện thật trên BMC X: khoảng cách từ tải trọng đến tim dầm ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 19

3 Xá định tải trọng tá d ng lên BMC: BMC:

- Xác định tải trọng do tĩnh tải tác dụng lên toàn bản mặt cầu như:

+ Lớp phủ mặt cầu (bao gồm lớp BTN, lớp mui luyện (nếu có)).

+ Trọng lượng bản thân bản mặt cầu.

+ Lan can, rào chắn.

+ Lề bộ hành

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 20 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 3 Xá định tải trọng tá d ng lên BMC: BMC: - Xác định tải trọng do hoạt tải tác dụng lên toàn bản mặt cầu như: + Xe tải hoặc xe 2 trục + Tải trọng làn + Tải trọng người + Lực xung kích + Tải trọng do xe va vào lan can khi tính toán bản hẫng. ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 3 Xá định tải trọng tá d ng lên BMC: BMC: Chú ý: - Tuỳ theo chiều dài của bản hẫng mà ta chọn tải trọng bánh xe cho hợp lý Ví dụ: Nếu ta có thể bố trí hẳn cả một vệt tiếp xúc của bánh xe để tính toán bản hẫng thì ta không cần phải quy đổi tải trọng bánh xe thành tải trọng vệt - Khi thiết kế theo phương pháp dải gần đúng thì tùy theo dải cơ bản là ngang hay dọc, nhịp của các dải tương đương mà ta chọn tải trọng tính toán cho hợp lý. ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 22

3 Xá định tải trọng tá d ng lên BMC: BMC:

Chú ý:

- Khi thiết kế BMC theo phương pháp dải gần đúng thì tải trọng thiết kế cho

BMC ở giữa nhịp được lấy như sau:.

+ Khi các dải cơ bản là ngang và nhịp ko vượt quá 4600mm thì các dải

ngang sẽ được thiết kế theo các bánh xe của trục 145000N.

+ Khi các dải cơ bản là ngang và nhịp vượt quá 4600mm thì các dải ngang

sẽ được thiết kế theo các bánh xe của trục 145000N và tải trọng làn.

+ Khi các dải cơ bản là dọc thì các dải dọc sẽ được thiết kế theo tải trọng

của bánh xe tải hoặc xe hai trục và tải trọng làn.

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 23 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 25

3 Xá định tải trọng tá d ng lên BMC: BMC:

Chú ý:

- Tải trọng thiết kế cho BMC ở phần hẫng được lấy như sau:.

+ Khi thiết kế bản hẫng có chiều dài hẫng không quá 1800mm tính từ trục

tim của dầm ngoài cùng đến mặt lan can bằng bê tông liên tục về kết cấu,

tải trọng của bánh xe dãy ngoài cùng có thể được thay bằng một tải trọng

tuyến phân bố đều với cường độ 14.6N/mm cách bề mặt lan can 300mm.

+ Phải xét đến tải trọng ngang trên bản hẫng do lực va của xe vào lan can

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 26 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 3 Xá định tải trọng tá d ng lên lên BMC: + Phải xét đến tải trọng ngang trên bản hẫng do lực va của xe vào lan can ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 28

- Tải trọng do lực va xe vào lan can tác dụng lên phần bản hẫng: ………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 29 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống - Các mặt cắt cần xác định tải trọng do lực va xe vào lan can tác dụng lên phần bản hẫng: 1/4bf từ tim dầm 1/3bf từ tim dầm Tại mép bản bụng dầm B A C B A C B A C ………

………

………

………

………

………

………

………

- Hoạt tải do xe va chạm vào lan can truyền lên bản hẫng: + Moment do lực va xe tác dụng lên bản hẫng: + Lực kéo, T, tác dụng lên bản hẫng : (R , 1 2 F) H min M s= w t Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống (R w F t) T = min , 1 2 ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 31

4 Xếp tải lên BMC:

a Phần BMC ở giữa nhịp:

- Tĩnh tải lan can, BMC, bản hẫng, lớp phủ,…được chất đầy lên BMC như

hình vẽ dưới đây:

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 32 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 4 Xếp tải lên BMC: a Phần BMC ở giữa nhịp: Hoạt tải: - Ta phải xếp xe lên bản mặt cầu sao cho gây ra ứng lực lớn nhất Phải xét tất cả trường hợp khi có thể xếp 1, 2, 3, làn xe - Phải chú ý khoảng cách tối thiểu giữa 2 bánh xe khi xếp xe theo phương ngang cầu - Bề rộng diện truyền tải của bánh xe lên phần BMC bằng 510 + ts - Khi tính toán ta nên xem toàn bộ bản mặt cầu là dầm liên tục đặt trên các gối tựa và có thể sử dụng phần mềm SAP 2000 hay MIDAS để tính nội lực. ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 4 Xếp tải lên BMC: ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 34

4 Xếp tải lên BMC:

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 35 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 4 Xếp tải lên BMC: ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 4 Xếp tải lên BMC: ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 37

4 Xếp tải lên BMC:

b Phần bản hẫng:

Hoạt tải:

- Khi xếp 1 làn xe sẽ gây ra moment lớn nhất trong phần bản hẫng.

- Phải chú ý đến khoảng cách tối thiểu giữa tim bánh xe tải đến bề mặt lan

can (hay lề bộ hành) khi tính toán bản hẫng (300mm).

- Bề rộng diện truyền tải của bánh xe lên phần bản hẫng bằng 510 + tbh

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 38 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống Xác định moment do tải trọng bánh xe gây ra ở tiết diện B ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống 5 Xá định nội ực trong BMC: - Dùng phần mềm SAP2000 hoặc MIDAS để tính toán nội lực cho riêng 2 trường hợp tĩnh tải và hoạt tải, xác định các mặt cắt có nội lực gây ra do tĩnh tải và hoạt tải đều lớn - Tổ hợp nội lực theo các TTGH Cường độ I và TTGH Sử dụng - Có thể bỏ quan phần kiểm toán BMC ở TTGH Mỏi - Riêng đối với phần bản hẫng cần phải kiểm tra ở TTGH đặc biệt, do đó cần tổ hợp nội lực ở TTGH đặc biệt. ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 40

a Nội ực trong BMC ở phầ trong:

- Moment trong BMC do tĩnh tải (chưa nhân hệ số tải trọng)

Moment trong phần bản hẫng do tĩnh tải

có thể tính toán trong giai đoạn này hoặc sẽ được tính toán khi thiết kế bản hẫng

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 41 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống - Moment trong BMC do hoạt tải gây ra: (đã xét hệ số làn xe, chưa xét lực xung kích) ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống - Xác định moment trong BMC do hoạt tải gây ra bằng cách tra bảng: ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 43

Cá lưu ý khi sử d ng bảng tra ở trên:

- Giá trị moment trong bảng được xác định bằng dải tương đương, áp dụng

cho BMC bằng BTCT và đặt trên các dầm đỡ song song (dầm BTCT hoặc

thép) Khi tính toán cốt thép không được chia cho bề rộng dải tương đương

- Số dầm chủ tối thiểu là 3 dầm và khoảng cách tối thiểu từ tim đến tim của

2 dầm biên không được nhỏ hơn 4200mm

- Các giá trị trong bảng đã xét đến hệ số làn xe, m, và lực xung kích (IM)

Khi sử dụng ở theo tiêu chuẩn 22TCN – 272 – 05 thì phải nhân với hệ số:

0.94 (= 1.25/1.33)

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 44 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống Cá lưu ý khi sử d ng bảng tra ở trên: - Nếu kh/cách giữa 2 dầm đỡ BMC kô có trong bảng tra thì, các giá trị moment có thể nội suy tuỳ theo khoảng cách giữa 2 dầm chính - Chiều dài tối thiểu của bản hẫng là: 530 mm kể từ tim dầm ngoài cùng - Chiều dài tối đa của bản hẫng phải nhỏ hơn 0.625 lần kh/cách giữa 2 dầm đỡ và không vượt quá 1800 mm - Bề rộng của lan can sử dụng là: 530 mm (có thể sử dụng giá trị xấp xỉ) - Không sử dụng các giá trị trong bảng khi tính toán bản hẫng và các phần bản ở các nhịp trong, mà có xét đến lực va của xe cộ. ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống b Nội ực trong phần bản hẫng: - Moment trong BMC do tĩnh tải gây ra: (chưa nhân hệ số tải trọng) Tại mặt cắt A và B, xác định bình thường, riêng mặt cắt C xác định dựa vào phần tính toán nội lực trong phần BMC ở giữa nhịp A B C B A C ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 46

b Nội ực trong phần bản hẫng:

- Moment trong BMC do hoạt tải gây ra: (chưa nhân hệ số tải trọng)

Tại mặt cắt B, xác định bình thường, riêng mặt cắt C xác định dựa vào

phần tính toán nội lực trong phần BMC ở giữa nhịp.

………

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 47 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống b Nội ực trong phầ b n ẫng: - Moment và lực kéo trong BMC do lực va xe vào lan can: (chưa nhân hệ số tải trọng) Tại mặt cắt A, moment và lực kéo do lực va xe vào lan can được xác định như sau: ( ) w c t w w c s sA L H H F R H L M M 2 2 1 , min 2 = + + = ( ) w c t w w c A L H F R H L T T 2 2 1 , min 2 = + + = ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống b Nội ực trong phần bản hẫng: - Moment và lực kéo trong BMC do lực va xe vào lan can: (chưa nhân hệ số tải trọng) Tại mặt cắt B, moment và lực kéo do lực va xe vào lan can được xác định như sau: ( ) L H L H F R L H L M M w c t w w c s sB 2 2 2 1 , min 2 2 + = + + + = ………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 49

b Nội ực trong phần bản hẫng:

- Moment và lực kéo trong BMC do lực va xe vào lan can: (chưa nhân hệ số

tải trọng)

Tại mặt cắt C, moment và lực kéo do lực va xe vào lan can được xác định

như sau:

Do lực kéo trong BMC Tcnày khá nhỏ và lực kéo

này được giữ lại bởi hệ liên kết ngang nên có

thể không cần tính toán lực kéo Tcnày

L H L

F R L

H L

T T

w c

t w w

c

2 1 , min 2

+

=

………

………

………

………

………

………

Thiết Kế Cầu BTCT 50 Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống b Nội ực trong phần bản hẫng: Tại mặt cắt C, moment do lực va xe vào lan can được xác định như sau: Moment do tĩnh tải lan can Moment do lực va xe vào lan can ………

………

………

………

………

………

………

………

Phương Pháp Thi p Thi ết Kế Theo Truyền Thống c Tổ h p nội ực: - Tổ hợp nội lực trong BMC chịu moment dương: + ở TTGH Cường độ I: + ở TTGH Sử dụng: - Tổ hợp nội lực trong BMC chịu moment âm: + ở TTGH Cường độ I: ( ) ( ) ⎪⎭ ⎪ ⎪⎩ ⎪ + + + + + = pDC BMC bh lc pDW DW duong LL cd LL tong cd M M M M W M IM M , η γ , 1 / 100 γ , max γ , max ( ) ( BMC bh lc DW) duong LL tong sd M M M M W M IM M , = 1 + / 100 + + + + ( ) ( ) ⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + + + + = LL pDC BMC bh lc pDW DW cd LL tong cd M M M M W M IM M , η γ , 1 / 100 γ ,max γ ,max ………

………

………

………

………

………