Phân tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép bị khống chế về chiều cao

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA --- NGUYỄN KHÁNH VI PHÂN TÍCH LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ KHỐNG CHẾ VỀ CHIỀU CAO Chuyên ngà

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGUYỄN KHÁNH VI

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP BỊ KHỐNG CHẾ VỀ CHIỀU CAO

Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông

Mã số: 60.58.02.05

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN

Phản biện 1: TS NGUYỄN VĂN MỸ

Phản biện 2: PGS.TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 15 tháng 10 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách

khoa

 Thư viện Khoa Môi trường, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất rộng lớn và

là hạ nguồn của hệ thống sông Mekong nằm ở phía Nam của Việt Nam Một đặc điểm nổi bật của vùng ĐBSCL là bị chia cắt bởi hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt Việc đi lại giữa các xã, đặc biệt là vùng sâu, vùng xa gặp nhiều khó khăn Phương thức giao thông vận tải chủ yếu vẫn là đường thủy, sử dụng thuyền, ghe nhỏ

Do vậy hệ thống giao thông đường bộ và đường thủy cần phải đầu tư xây dựng và phát triển mạnh trong tương lai gần Các công trình cầu vượt hệ thống sông và kênh rạch rất nhiều Phần lớn các cầu trong khu vực bị khống chế về chiều cao do bị giới hạn bởi cao độ gầm cầu

để đảm bảo giao thông đường thủy và bị khống chế bởi cao độ đất

đắp hai bên đầu cầu vì địa chất yếu.Vì vậy cầu dầm thép là một loại

cầu có khả năng đáp ứng được yêu cầu trên, đảm bảo khổ thông thuyền, đáp ứng được kết cấu thượng tầng nhẹ phù hợp với nền đất yếu vùng ĐBSCL Cho tới nay cầu thép là loại cầu được sử dụng rộng rãi nhất cho các cầu nhịp trung và nhịp lớn do tính chất ưu việt của vật liệu thép Đặc biệt ngày nay thép còn được thêm vào các thành phần kim loại quý khác để tạo ra những loại thép hợp kim có tính năng rất tốt, đặc biệt các chỉ tiêu cơ học rất cao và có khả năng chống gỉ tốt

Tuy nhiên với địa hình cần phải khống chế về chiều cao kiến

trúc, chiều cao dầm, đảm bảo thông thủy dưới cầu thì đề tài “Phân

tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép bị khống chế về chiều cao” là rất cần thiết với vùng

ĐBSCL

2 Mục đích nghiên cứu

Đề tài “Phân tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bêtông cốt thép bị khống chế về chiều cao” có ý

2

nghĩa khoa học và thực tiễn nhất định có thể áp dụng ở một số địa phương của vùng ĐBSCL

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép bị khống chế

về chiều cao

4 Phương pháp nghiên cứu

Vận dụng các cơ sở lý thuyết tính toán, TCVN và các phần mềm ứng dụng từ đó đưa ra phân tích xác định tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn cường độ 1

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Để giải quyết nhu cầu xây dựng cầu giao thông như đã đề cập

ở trên, một nghiên cứu về giải pháp cầu dầm thép với kết cấu và vật liệu tốt, đảm bảo chi phí bằng hoặc thấp hơn phương án cầu bê tông hiện tại là rất có ý nghĩa đối với khu vực ĐBSCL

Đặc biệt là về địa hình, địa chất cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Có thể thi công dễ dàng và nhanh chóng

- Có thể sử dụng trong trường hợp tĩnh không và chiều dài

nhịp lớn mà không cần trụ cầu

- Chi phí cho 1 mét chiều dài cầu là hợp lý

- Chi phí duy tu bảo dưỡng là nhỏ nhất khi sử dụng trong điều

kiện khí hậu nhiệt đới

6 Bố cục luận văn

Hình 1.1 Cầu Rạch Cỏ

Hình 1.2 Cầu Nắm Hin Boun

4

Hình 1.3 Cầu Phong Hòa

1.2 Sơ lược về điều kiện địa hình, địa chất ở Đồng Bằng Sông Cửu Long

1.2.1 Đặc điểm địa chất Đồng Bằng Sông Cửu Long

1.2.1.1 Cấu trúc địa chất

1.2.1.2 Đặc điểm đất yếu ĐBSCL

1.2.1.3 Sự phân bố đất yếu ở ĐBSCL

1.2.1.4 Đặc trưng cơ lý của đất bùn ở một số tỉnh ĐBSCL

1.3 Khả năng ứng dụng cầu dầm thép vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long

a)

5

b) Hình 1.6 (a;b): Kiểm tra gia công chế tác dầm

Hình 1.7: Cầu Xẻo Bèo – Tỉnh Đồng Tháp

 Kết luận

Khả năng ứng dụng cầu dầm thép trong xây dựng cầu ở ĐBSCL là hoàn toàn khả thi bởi nhu cầu phát triển hạ tầng giao

6

thông ở khu vực này là rất lớn, cầu thép có nhiều ưu điểm phù hợp với đặc thù của vùng Bên cạnh đó, trình độ gia công chế tác ngày càng được nâng cao, các công ty có những sản phẩm là thế mạnh của mình và trong tương lai gần giá nguyên vật liệu sẽ giảm là những điều kiện thuận lợi để thúc đẩy sự phổ cập của cầu dầm thép trong ngành xây dựng cầu ở ĐBSCL

Do đó đề tài “ Phân tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bêtông cốt thép bị khống chế về chiều cao ” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn nhất định có thể áp dụng ở

một số địa phương của vùng ĐBSCL

7

Chương 2 - CẤU TẠO VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 Cấu tạo dầm thép liên hợp

2.1.1 Cấu tạo chung cầu dầm thép liên hợp

2.1.2 Các bộ phận chính trong dầm liên hợp

2.1.2.1 Bản bê tông

2.1.2.2 Dầm thép

2.1.2.3 Neo liên kết

2.2 Lý thuyết tính toán cầu dầm thép liên hợp

2.2.1 Nguyên tắc thiết kế

Các trạng thái giới hạn dùng trong thiết kế kết cấu đều thực hiện theo nguyên tắc là hiệu ứng do tải trọng gây ra trong kết cấu không được vượt quá sức kháng kết cấu Nguyên tắc này được thể hiện trong công thức dưới đây:

Trong đó: Q i- hiệu ứng do tải trọng tác dụng lên kết cấu; có thể là mô men, lực cắt, lực dọc, độ võng, góc xoay, ứng suất,

2.2.3 Tiết diện chữ  chịu uốn

2.2.3.1 Xác định sức kháng uốn trong tiết diện chữ 

2.2.3.2 Trục trung hòa dẻo của tiết diện liên hợp

2.2.3.4 Mô men dẻo của tiết diện liên hợp

2.2.3.5 Phân loại tiết diện và các bộ phận của tiết diện

2.2.3.6 Tính chất ổn định theo tiêu chuẩn AASHTO

2.2.3.7 Mất ổn định cục bộ của vách

2.2.3.8 Sự làm việc mất ổn định vách do uốn

2.2.3.9 Tính chất mất ổn định xoắn ngang (mất ổn định tổng thể)

2.2.3.10 Tính chất phân bố lại mô men

2.2.3.11 Trạng thái giới hạn về cường độ

Trạng thái giới hạn cường độ dùng để kiểm tra sức kháng uốn

và sức kháng cắt Tiêu chuẩn AASHTO thể hiện các bước để kiểm tra Có thể tóm tắt như sau:

- Đối với tiết diện chắc, sức kháng uốn có hệ số được viết dưới dạng mô men:

Fyw = cường độ chảy của thép

D = chiều cao của vách

tw = chiều dày của vách

2.2.3.12 Trạng thái giới hạn về sử dụng

9

2.2.3.13 Sức kháng cắt tiết diện chữ 

2.2.4 Neo chống trượt

2.3 Kết luận

Ở chương này học viên đã giới thiệu sơ lược về cấu tạo của

cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép

Trên cơ sở lý thuyết, nguyên tắc thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-

05 để tính toán

Để hiểu rõ hơn về những nội dung trên thì chúng ta sẽ tìm hiểu tiếp ở chương sau

10

Chương 3 – TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP 3.1 Mở đầu

Trong phạm vi của luận văn này, học viên sẽ nghiên cứu lựa chọn tiết diện hợp lý cho cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép bị khống chế về chiều cao tương ứng với chiều dài nhịp 34m, 38m, 42m, khổ cầu K=7+2x1 m trên cơ sở tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 272-05

Trên cơ sở các số liệu và tải trọng cơ bản, học viên xác định được nội lực mô men và lực cắt lớn nhất do tĩnh tải và hoạt tải gây

ra Dưới đây là chi tiết về việc xác định nội lực trong kết cấu cầu dầm thép có nhịp 34m Với kết cấu nhịp còn lại cũng được xác định tương tự

3.2 Xác định nội lực trong kết cấu nhịp L= 34m

3.2.1 Các số liệu cơ bản và tải trọng

+ Tiêu chuẩn thiết kế: 22 TCN 272-05

11

Hình 3.1 Sơ đồ bố trí chung mặt cắt ngang cầu

Tải trọng của dầm thép và liên kết DC1=4,8125 kN/m Tải trọng của bản mặt cầu BTCT DC2=12,59 kN/m Tải trọng của lan can và bộ hành DC3=2,87 kN/m Tải trọng của các lớp mặt cầu DW=5,77 kN/m

3.2.2 Hệ số phân bố ngang cho dầm biên

Hệ số phân bố ngang cho momen 0,636

Hệ số phân bố ngang cho lực cắt 0,84

Hệ số phân bố ngang cho người đi 1,22

3.2.3 Nội lực do tĩnh tải trong dầm chủ

a/ Tĩnh tải giai đoạn 1

3.2.4 Nội lực do hoạt tải trong dầm chủ

Giá trị mômen tại các tiết diện dầm khi có kể đến lực xung kích:

: diện tích đường ảnh hưởng

gPL hệ số phân bố ngang cho người đi bộ

PL: tải trọng người bộ hành 300daN/m2

3.2.5 Tính toán tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra

Bảng 3.8 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (M u )

Trạng thái giới hạn cường độ 1 Trạng thái giới hạn sử dụng Mặt

cắt

M1

(KN.m)

M2 (KN.m)

Mht (KN.m)

Mu (KN.m)

M1 (KN.m)

M2 (KN.m)

Mht (KN.m)

Mu (KN.m) 1/2L 3033.36 1707.16 5573.62 10314.14 2426.69 1204.8 4140.40 7771.89 L/4 2274.25 1279.93 4261.88 7816.06 1819.4 903.295 3165.96 5888.66 3L/8 2843.79 1600.46 5273.88 9718.13 2275.03 1129.51 3917.74 7322.28

Bảng 3.9 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (V u )

Trạng thái giới hạn cường độ 1 Trạng thái giới hạn sử dụng Mặt

cắt

V1

(KN)

V2 (KN)

Vht (KN)

Vu (KN)

V1 (KN)

V2 (KN)

Vht (KN)

Vu (KN) Gối 363.277 204.45 881.59 1449.32 290.622 144.29 654.90 1089.81

13

3.3 Nội lực trong kết cấu nhịp L= 38m, L= 42m

Tính toán tương tự như ở phần 3.2 ta xác định được tĩnh tải và hoạt tải như sau:

3.3.1 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp L= 38m

Bảng 3.10 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Mu)

Mht (KN.m)

Mu (KN.m)

M1 (KN.m)

M2 (KN.m)

Mht (KN.m)

Mu (KN.m)

Bảng 3.11 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Vu)

Trạng thái giới hạn cường độ 1 Trạng thái giới hạn sử dụng Mặt

cắt

V1

(KN)

V2 (KN)

Vht (KN)

Vu (KN)

V1 (KN)

V2 (KN)

Vht (KN)

Vu (KN) Gối 392.4 236 905.5 1533.9 298.1 169.3 684.1 1151.5

3.3.2 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp L= 42m

Bảng 3.12 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Mu)

Mht (KN.m)

Mu (KN.m)

M1 (KN.m)

M2 (KN.m)

Mht (KN.m)

Mu (KN.m)

Bảng 3.13 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (V u )

Trạng thái giới hạn cường độ 1 Trạng thái giới hạn sử dụng Mặt

cắt

V1

(KN)

V2 (KN)

Vht (KN)

Vu (KN)

V1 (KN)

V2 (KN)

Vht (KN)

Vu (KN) Gối 426.2 278.3 931.11 1635.61 322.04 201.2 710.3 1233.54

3.4 Sức kháng uốn và sức kháng cắt trong dầm theo TTGHCĐ 1

Sức kháng uốn danh định: Mn = Mp

Trong đó mômen dẻo Mp được xác định như sau:

14

Mô men dẻo M p là tổng các mô men của các lực dẻo đối với trục PNA Đối với tiết diện chắc, sự mất ổn định tổng thể và mất ổn định cục bộ không xảy ra nên mô men dẻo được xác định như sau:

MP=∑Pi.yi (3.4) Trong đó : Pi là lực dẻo thứ i ; yi là khoảng cách từ lực dẻo Piđến trục trung hòa dẻo PNA

Bằng cách thay đổi tiết diện dầm với chiều cao tiết diện được chọn bằng Hmin, ta xác định được MP theo công thức (3.4), và sức

kháng uốn của dầm phải thỏa mản điều kiện (3.5):

Mu ≤  Mn (3.5) Trong đó:

 = 1,0 : hệ số kháng uốn

Mn : Sức kháng uốn danh định (kN.m)

Mu : Mômen lớn nhất do tải trọng gây ra (kN.m)

Ngoài ra sức kháng cắt tính toán của dầm phải thỏa mản điều

kiện (3.6):

Vu ≤ Vr = v×Vn (3.6) Trong đó: Vn=Vp là sức kháng cắt danh định của vách không tăng cường

Vp  0.58  Fyw  D tw

v: hệ số sức kháng cắt, v = 1.0

3.5 Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp L= 34m

- Chọn vật liệu thép cấp 345, giới hạn chảy của thép là Fy =

345 Mpa, mô đun đàn hồi của thép E= 200000 Mpa

15

(3.5) ta có kết quả như (bảng 3.13), trong đó vị trí trục trung hòa dẻo (PNA) tìm được bằng cách cân bằng các lực dẻo chịu nén với các lực dẻo chịu kéo

P2 (N)

P w

(N)

Tổng P (N)

Y (mm)

Hình 3.6 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn

- Trên cơ sở nội lực lớn nhất Mu trong dầm chủ do tĩnh tải và hoạt tải gây ra đã được xác định trong (bảng 3.11) Tiến hành thay đổi tiết diện dầm với chiều cao tiết diện được chọn bằng Hmin, ta xác định được MP theo công thức (3.4) và lập được biểu đồ quan hệ giữa sức kháng uốn MP với kích thước của tiết diện Từ biểu đồ ta xác định được tiết diện tương ứng với Mu như (bảng 3.14)

Af

bbf (mm)

tbf (mm)

Abf

Tổng P(N)

Mp (KNm)

Mu (KNm)

16

- Kiểm tra sức kháng cắt của dầm chủ:

Lực cắt dẻo: Vp = 0,58.Fyw .D.tw

= 0,58.345.1097.14.10-3= 3073 (kN)

Vì là tiết diện đặc chắc nên Vn=Vp=3073 (kN)

Điều kiện kiểm tra :

- Tiết diện hợp lý của dầm được chọn như sau:

17

Hình 3.7 Tiết diện hợp lý của dầm thép L=34m

3.6 Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp L= 38m

Tương tự như các bước tính toán ở phần 3.5 ta xác định được:

Bảng 3.15 Sức kháng uốn của dầm thép L=38m

b tf t f A f b bf t bf Abf

P1 (N)

P2 (N)

Pw (N)

Tổng P (N)

Y (mm)

Mp (KNm)

18

Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn

Từ biểu đồ ta xác định được tiết diện tương ứng với Mu như bảng (3.16)

Af

bbf (mm)

tbf (mm)

Abf

Tổng P(N)

Mp (KNm)

Mu (KNm)

- Tiết diện hợp lý của dầm được chọn như sau:

Hình 3.9 Tiết diện hợp lý của dầm thép L= 38m

19

3.7 Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp L= 42m

Tương tự như các bước tính toán ở phần 3.5 ta xác định được:

t bf (mm)

Ab

(mm2)

P1 (N)

P2 (N)

Pw (N)

Tổng P (N)

Y (mm)

Mp (KNm)

Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn

Từ biểu đồ ta xác định được tiết diện tương ứng với Mu như bảng (3.18)

Af

bbf (mm)

tbf (mm)

Abf

Tổng P(N)

Mp (KNm)

Mu (KNm)

20

Hình 3.11 Tiết diện hợp lý của dầm thép L=42m

3.8 Kết luận

Trên cơ sở lý thuyết tính toán cầu dầm thép liên hợp với bản

bê tông cốt thép và áp dụng tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 272-05 Thì qua các bước tính toán ở phần 3.2 ta chọn được tiết diện hợp lý của dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép bị khống chế về chiều cao

dựa trên biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn Mpcho 3 chiều dài nhịp (L=34m ;L=38m; L=42m), như bảng (3.19)

Bảng 3.19 Tổng hợp diện tích tiết diện ứng với M p và M u

STT

L

(mm)

H (mm)

tw (mm)

btf (mm)

tf (mm)

Af (mm2)

bbf (mm)

tbf (mm)

Abf (mm2)

1 34000 1125 14 300 16 4800 500 22 11000

2 38000 1255 14 300 16 4800 500 24 12000

3 42000 1390 14 300 16 4800 500 28 14000

về chiều cao Nền đất đắp ở 2 bên đường đầu cầu bị hạn chế về chiều cao do phải đắp trên nền đất yếu Việc lựa chọn được tiết diện hợp lý của dầm liên hợp với bản bê tông cốt thép trong điều kiện bị khống chế về chiều cao là cần thiết và mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi loại cầu này trong khu vực

- Qua việc nghiên cứu cấu tạo và cơ sở lý thuyết, nguyên tắc thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép, học viên đã ứng dụng vào tính toán và lựa chọn tiết diện hợp lý cầu dầm thép liên hợp trong trường hợp bị khống chế về chiều cao theo tiêu chuẩn thiết

kế 22TCN 272-05

- Qua kết quả phân tích tính toán kết cấu cầu liên hợp với chiều dài nhịp L=34m, L=38m, L=42, học viên đã lựa chọn được các tiết diện hợp lý của dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép trong trường hợp bị khống chế về chiều cao theo TTGHCĐ 1 như sau:

STT Lnh

(mm)

H (mm)

tw (mm)

btf (mm)

tf (mm)

Af (mm2)

bbf (mm)

tbf (mm)

Abf (mm2)

1 34000 1125 14 300 16 4800 500 22 11000

2 38000 1255 14 300 16 4800 500 24 12000

3 42000 1390 14 300 16 4800 500 28 14s000