Đồ án thiết kế cầu thép liên hợp BTCT_UTC2

THIẾT KẾ CẦU THÉP 1. SỐ LIỆU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 1.1. Số liệu chung Quy trình thiết kế: 22TCN 27205 Chiều dài nhịp: L = 26 m Khổ cầu: G= 8,0+2.1,5 m + Bề rộng phần xe chạy: Bxe = 8,0 m + Lề người đi bộ: ble = 1,5 m + Chân lan can: blc = 0,5 m + Bề rộng toàn cầu: Bcau= 9,0+2.1,5+2.0,5 Bcau = 12 m Hoạt tải thiết kế: 0,5HL 93 + 3.103 MPa 1.2. Vật liệu chế tạo dầm Thép chế tạo neo liên hợp: + Cường độ chảy quy định nhỏ nhất: fy = 420 MPa Cốt thép chịu lực bản mặt cầu: + Cường độ chảy quy định nhỏ nhất: fy = 420 MPa Vật liệu bê tông chế tạo bản mặt cầu: + Cường độ chịu nén của bêtông tuổi 28 ngày: = 32 MPa + Trọng lượng riêng của bêtông: = 25 kNm3 + Môđun đàn hồi của bêtông: Ec = 30405,59 MPa Vật liệu thép chế tạo dầm: Thép các bon + Giới hạn chảy của thép: fy = 345 MPa + Giới hạn kéo đứt của thép: fu = 485 MPa + Môđun đàn hồi của thép: Es = 200000 MPa Liên kết dầm : + Liên kết dầm chủ bằng đường hàn. + Liên kết mối nối dầm bằng bu lông cường độ cao. 2. CẤU TẠO KẾT CẤU NHỊP 2.1. Chiều dài tính toán KCN Kết cấu nhịp giản đơn có chiều dài nhịp: Lnh = 26,0 m Khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối: a = 0,3 m Chiều dài tính toán nhịp: Ltt= Lnh 2.a Ltt = 25,4 m 2.2. Lựa chọn số dầm chủ trên mặt cắt ngang Số dầm chủ nhiều : n = 6 dầm 2.3. Quy mô mặt cắt ngang cầu Hình 1. Cấu tạo kết cấu nhịp Các kích thước cơ bản của mặt cắt ngang cầu: + Bề rộng phần xe chạy: Bxe = 800 cm + Số làn xe thiết kế: nl = 2 làn + Bề rộng lề đi bộ: ble = 2.150 cm + Bề rộng chân lan can: bclc = 2.50 cm + Chiều cao chân lan can: hclc = 50 cm + Bề rộng toàn cầu: Bcau = 1200 cm + Số dầm chủ thiết kế: n = 6 dầm + Khoảng cách giữa các dầm chủ: S = 200 cm + Chiều dài phần cánh hẫng: = 100 cm 2.4. Chiều cao dầm chủ Chiều cao dầm chủ được lựa chọn phụ thuộc vào: + Chiều dài nhịp tính toán. + Số lượng dầm chủ trên mặt cắt ngang. + Quy mô tải trọng khai thác. Xác định theo điều kiện cường độ. Xác định theo kinh nghiệm. Ngoài ra việc lựa chọn dầm thép cần phải phù hợp với bề rộng của các bản thép hiện có trên thị trường để tránh việc phải cắt bản thép một cách hợp lý. Trong bước tính toán sơ bộ ta chọn chiều cao dầm thép theo công thức: => Chọn chiều cao dầm thép: + Chiều cao bản bụng: Dw = 140 cm + Chiều dày bản cánh trên: tt = 4 cm + Chiều dảy bản cánh dưới: tb = 4 cm + Chiều cao toàn bộ dầm thép: Hsb = 140 +4 +4= 148cm 2.5. Cấu tạo bản bêtông mặt cầu Kích thước của bản bêtông mặt cầu được xác định theo điều kiện bản chịu uốn dưới tác dụng của tải trọng cục bộ. Chiều dày bản thường chọn ts = (16 25) cm Theo quy định của 22 TCN 272 05 thì chiều dày bản bêtông mặt cầu phải lớn hơn 175 mm, đồng thời còn phải đảm bảo theo điều kiện chịu lực. => Ở đây ta chọn ts = 20 cm. Bản bê tông cấu tạo vút dạng đường vát chéo để tăng khả năng chịu lực của dầm và tạo ra chỗ để bố trí neo liên kết. Kích thước cấu tạo bản bêtông mặt cầu: + Chiều dày bản bê tông: ts = 20 cm + Chiều cao vút bản: th = 12 cm + Bề rộng vút bản: bh = 12 cm + Chiều dài phần cánh hẫng: = 100 cm + Chiều dài phần cánh phía trong: S2 = 110 cm 2.6. Tổng hợp kích thước thiết kế dầm chủ Hình 2. Cấu tạo mặt cắt ngang dầm chủ Cấu tạo bản bụng: + Chiều cao bản bụng: Dw = 140 cm + Chiều dày bản bụng: tw = 3 cm Cấu tạo bản cánh trên hay bản cánh chịu nén: + Bề rộng bản cánh chịu nén: bc = 40 cm + Số tập bản: n = 1 tập + Chiều dày 1 bản: t = 4 cm + Tổng chiều dày bản cánh chịu nén: tc = 4 cm Cấu tạo bản cánh dưới hay bản cánh chịu kéo: + Bề rộng bản cánh chịu kéo: bt = 70 cm + Số tập bản: n = 1 tập + Chiều dày 1 bản: t = 4 cm + Tổng chiều dày bản cánh chịu kéo: tt = 4 cm Tổng chiều cao dầm thép: Hsb = 148 cm Cấu tạo bản bêtông: + Chiều dày bản bêtông: ts = 20 cm + Chiều cao vút bản: th = 12 cm Chiều cao toàn bộ dầm liên hợp: Hcb = 148+20+12 = 180 cm 3. XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC MẶT CẮT DẦM CHỦ 3.1. Các giai đoạn làm việc của cầu dầm liên hợp Giai đoạn I: Sau khi thi công xong dầm thép. + Mặt cắt tính toán: Là mặt cắt dầm thép Hình 3. Mặt cắt dầm tính toán giai đoạn I + Tải trọng tính toán: 1. Trọng lượng bản thân dầm. 2. Trọng lượng hệ liên kết dọc và hệ liên kết ngang. 3. Trọng lượng bản bêtông và những phần bêtông được đổ cùng với bản Giai đoạn II: Khi bản mặt cầu đã đạt cường độ và tham gia làm việc tạo hiệu ứng liên hợp giữa thép và bản BTCT. + Mặt cắt tính toán: Là mặt cắt liên hợp thép – BTCT. Hình 4. Mặt cắt dầm tính toán giai đoạn II + Tải trọng tính toán: 1. Tĩnh tải giai đoạn II bao gồm: Trọng lượng lớp phủ mặt cầu, chân lan can, gờ chắn bánh. 2. Hoạt tải. Giai đoạn III: Giai đoạn khai thác và đưa cầu vào sử dụng.

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

+ Bề rộng toàn cầu: Bcau= 9,0+2.1,5+2.0,5 Bcau = 12 m

- Hoạt tải thiết kế: 0,5HL 93 + 3.10-3 MPa

1.2 Vật liệu chế tạo dầm

- Thép chế tạo neo liên hợp:

+ Cường độ chảy quy định nhỏ nhất: fy = 420 MPa

- Cốt thép chịu lực bản mặt cầu:

+ Cường độ chảy quy định nhỏ nhất: fy = 420 MPa

- Vật liệu bê tông chế tạo bản mặt cầu:

+ Cường độ chịu nén của bêtông tuổi 28 ngày: f c ' = 32 MPa

+ Trọng lượng riêng của bêtông: γ c = 25 kN/m3

+ Môđun đàn hồi của bêtông:Ec=0,043.γ1,5 c √ fc ' E

c = 30405,59 MPa

- Vật liệu thép chế tạo dầm: Thép các bon

+ Giới hạn chảy của thép: fy = 345 MPa

+ Giới hạn kéo đứt của thép: fu = 485 MPa

+ Môđun đàn hồi của thép: Es = 200000 MPa

- Liên kết dầm :

+ Liên kết dầm chủ bằng đường hàn

+ Liên kết mối nối dầm bằng bu lông cường độ cao

2 CẤU TẠO KẾT CẤU NHỊP

2.1 Chiều dài tính toán KCN

- Kết cấu nhịp giản đơn có chiều dài nhịp: Lnh = 26,0 m

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

- Chiều dài tính toán nhịp: Ltt= Lnh - 2.a Ltt = 25,4 m

2.2 Lựa chọn số dầm chủ trên mặt cắt ngang

2.3 Quy mô mặt cắt ngang cầu

Hình 1 Cấu tạo kết cấu nhịp

- Các kích thước cơ bản của mặt cắt ngang cầu:

+ Bề rộng phần xe chạy: Bxe = 800 cm

+ Số làn xe thiết kế: nl = 2 làn

+ Bề rộng lề đi bộ: ble = 2.150 cm

+ Bề rộng chân lan can: bclc = 2.50 cm

+ Chiều cao chân lan can: hclc = 50 cm

+ Bề rộng toàn cầu: Bcau = 1200 cm

+ Khoảng cách giữa các dầm chủ: S = 200 cm

+ Chiều dài phần cánh hẫng: = 100 cm

2.4 Chiều cao dầm chủ

- Chiều cao dầm chủ được lựa chọn phụ thuộc vào:

+ Chiều dài nhịp tính toán

+ Số lượng dầm chủ trên mặt cắt ngang

+ Quy mô tải trọng khai thác

- Xác định theo điều kiện cường độ

- Xác định theo kinh nghiệm

- Ngoài ra việc lựa chọn dầm thép cần phải phù hợp với bề rộng của các bản thép hiện cótrên thị trường để tránh việc phải cắt bản thép một cách hợp lý

- Trong bước tính toán sơ bộ ta chọn chiều cao dầm thép theo công thức:

=> Chọn chiều cao dầm thép:

+ Chiều cao bản bụng: Dw = 140 cm

+ Chiều dày bản cánh trên: tt = 4 cm

+ Chiều dảy bản cánh dưới: tb = 4 cm

+ Chiều cao toàn bộ dầm thép: Hsb = 140 +4 +4= 148cm

2.5 Cấu tạo bản bêtông mặt cầu

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

- Kích thước của bản bêtông mặt cầu được xác định theo điều kiện bản chịu uốn dưới tácdụng của tải trọng cục bộ

- Chiều dày bản thường chọn ts = (16 ¿ 25) cm

- Theo quy định của 22 TCN 272 - 05 thì chiều dày bản bêtông mặt cầu phải lớn hơn 175

mm, đồng thời còn phải đảm bảo theo điều kiện chịu lực

=> Ở đây ta chọn ts = 20 cm

- Bản bê tông cấu tạo vút dạng đường vát chéo để tăng khả năng chịu lực của dầm và tạo rachỗ để bố trí neo liên kết

- Kích thước cấu tạo bản bêtông mặt cầu:

+ Chiều dày bản bê tông: ts = 20 cm

+ Tổng chiều dày bản cánh chịu nén: tc = 4 cm

- Cấu tạo bản cánh dưới hay bản cánh chịu kéo:

+ Bề rộng bản cánh chịu kéo: bt = 70 cm

+ Số tập bản: n = 1 tập

+ Chiều dày 1 bản: t = 4 cm

+ Tổng chiều dày bản cánh chịu kéo: tt = 4 cm

- Tổng chiều cao dầm thép: Hsb = 148 cm

- Cấu tạo bản bêtông:

+ Chiều dày bản bêtông: ts = 20 cm

- Chiều cao toàn bộ dầm liên hợp: Hcb = 148+20+12 = 180 cm

3 XÁC ĐỊNH CÁC ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC MẶT CẮT DẦM CHỦ

3.1 Các giai đoạn làm việc của cầu dầm liên hợp

- Giai đoạn I: Sau khi thi công xong dầm thép.

+ Mặt cắt tính toán: Là mặt cắt dầm thép

Hình 3 Mặt cắt dầm tính toán giai đoạn I

+ Tải trọng tính toán:

1 Trọng lượng bản thân dầm

2 Trọng lượng hệ liên kết dọc và hệ liên kết ngang

3 Trọng lượng bản bêtông và những phần bêtông được đổ cùng với bản

- Giai đoạn II: Khi bản mặt cầu đã đạt cường độ và tham gia làm việc tạo hiệu ứng liên

hợp giữa thép và bản BTCT

+ Mặt cắt tính toán: Là mặt cắt liên hợp thép – BTCT

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

Hình 4 Mặt cắt dầm tính toán giai đoạn II

- Khoảng cách từ đáy dầm đến TTH mặt cắt giai đoạn I:

- Chiều cao phần sườn dầm chịu nén:

Dc1 = Hsb – tc – Y1 = 148 – 4 – 63,95 = 80,05cm

- Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến trục I-I :

- Khoảng cách từ mép dưới dầm thép đến trục I-I:

- Xác định mômen quán tính của mặt cắt dầm đối với TTH I-I:

+ Mômen quán tính bản bụng:

3.3 Xác định đặc trưng hình học mặt cắt giai đoạn II

3.3.1 Xác định bề rộng tính toán của bản bêtông

Hình 5 Xác định bề rộng tính toán của bản cánh

- Xác định b1: Lấy giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau:

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

- Bề rộng tính toán của bản bêtông dầm biên: bs = b1 + b2 = 100+110 = 200cm

- Bề rộng tính toán của bản bêtông dầm trong: bs = 2.b2 = 2.100 = 200cm

3.3.2 Xác định hệ số quy đổi từ bêtông sang thép

- Vì tiết diện lien hợp có hai vật liệu thép và bê tông nên khi tính đặc trưng hình học ta phảitính đổi về một loại vật liệu Tính đổi bêtông sang thép dựa vào hệ số n là tỷ số giữa môđunđàn hồi của thép và bêtông

+ Trường hợp mặt cắt chịu lực ngắn hạn : n

+ Trường hợp mặt cắt chịu lực dài hạn : n = 3n

- Tra bảng hệ số quy đổi từ bêtông sang thép với f c ' = 32 Mpa

Hình 6 Mặt cắt dầm biên

3.3.3.2 ĐTHH của cốt thép trong bản bêtông

- Cốt thép trong bản bêtông mặt cầu được bố trí thành hai lưới là lưới cốt thép phía trên vàlưới cốt thép phía dưới của bản Để đơn giản chỉ tính cốt thép theo phương dọc cầu

Hình 7 Bố trí cốt thép trong bản bêtông dầm biên

- Lưới cốt thép phía trên:

+ Đường kính cốt thép: φ= 1,2cm

+ Diện tích mặt cắt ngang 1 thanh: = 1,131cm2

+ Số thanh trên mặt cắt ngang dầm: nrt = 11 thanh

+ Khoảng cách giữa các thanh: @ = 19 cm

+ Tổng diện tích cốt thép phía trên: Art = 11.1,131 = 12,44cm2

+ Khoảng cách từ tim cốt thép phía trên đến mép trên bản bêtông: art = 5cm

- Lưới cốt thép phía dưới:

+ Đường kính cốt thép: φ = 1,2cm

+ Diện tích mặt cắt ngang 1 thanh: = 1,131cm2

+ Số thanh trên mặt cắt ngang dầm: nrt = 11 thanh

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

+ Khoảng cách giữa các thanh: @ = 19cm

+ Tổng diện tích cốt thép phía dưới: Arb = 11.1,131 = 12,44cm2

+ Khoảng cách từ tim cốt thép phía dưới đến mép dưới bản bêtông: arb = 5cm

- Tổng diện tích cốt thép trong bản bêtông:

+ Diện tích phần vút của bản bêtông:

+ Diện tích toàn bộ bản bêtông:

As = Aso + Ah = 4000 + 624 = 4624 cm2

+ Diện tích của mặt cắt liên hợp ngắn hạn:

Trong đó:

+ n: Tỷ số giữa môđun đàn hồi của thép và bêtông

+ Ar : Diện tích cốt thép bố trí trong bản bêtông

- Khoảng cách từ trọng tâm tiết diện dầm thép đến trọng tâm tiết diện liên hợp

(khoảng cách từ I-I đến II-II):

- Chiều cao phần sườn dầm chịu nén đàn hồi:

Dc2 = Hsb – tc – Y1 – Z1 = 148 – 4 – 63,95– 42,88 = 37,17 cm

- Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến trục II-II:

- Khoảng cách từ mép dưới dầm thép đến trục II-II:

- Xác định mômen quán tính của tiết diện liên hợp:

+ Mômen quán tính của phần dầm thép:

+ Mômen quán tính của phần bản bêtông:

+ Mômen quán tính của phần cốt thép trong bản:

+ Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn:

I ST =I NC II + I s + I h + I r

- Mômen tính của bản bêtông với TTH II-II của tiết diện liên hợp:

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

3.3.3.4 ĐTHH của mặt cắt liên hợp dài hạn

- Mặt cắt liên hợp ngắn hạn được sử dụng để tính toán đối với các tải trọng dài hạn như tĩnhtải giai đoạn II, co ngót, trong giai đoạn này ta phải xét đến ảnh hưởng của hiện tượng từ biến

- Diện tích mặt cắt:

+ Diện tích bản bêtông:

A ' so= b

s.ts = 200.20 = 4000cm2+ Diện tích phần vút của bản bêtông:

+ Diện tích toàn bộ bản bêtông:

As’ = Aso + Ah = 4000 + 624 = 4624 cm2

+ Diện tích của mặt cắt liên hợp dài hạn:

Trong đó:

+ : Tỷ số giữa môđun đàn hồi của thép và bêtông

+ Ar : Diện tích cốt thép bố trí trong bản bêtông

(khoảng cách từ I-I đến II-II):

- Chiều cao phần sườn dầm chịu nén đàn hồi:

D c 2 ' = H

sb – tc – Y1 – Z1' = 148 – 4 – 63,95 – 21,03 = 59,01 cm

- Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến trục II-II:

- Khoảng cách từ mép dưới dầm thép đến trục II-II:

- Xác định mômen quán tính của tiết diện liên hợp:

+ Mômen quán tính của phần dầm thép:

+ Mômen quán tính của phần bản bêtông:

+ Mômen quán tính của phần vút bản cánh:

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

Z2 Dcp

ts bs

Y1

Z1 Dc1 Yr

Hình 10: Mặt cắt dầm giai đoạn chảy dẻo

- Giai đoạn 3: Khi ứng suất trên toàn mặt cắt đạt đến giới hạn chảy

- Mặt cắt tính toán là mặt cắt liên hợp Đặc trưng hình học mặt cắt giai đoạn 3 là đặctrưng hình học của tiết diện liên hợp

- Theo tính toán ở mục 4 và 5, dầm biên là dầm bất lợi hơn Nên việc xác định đặc trưng hình học của mặt cắt dầm giai đoạn chảy dẻo chỉ tính cho dầm biên.

3.4.2 Xác định vị trí trục trung hoà dẻo của mặt cắt

- Tính lực dẻo của các phần của tiết diện:

+ Lực dẻo tại bản cánh dưới dầm thép:

= 335.70.4.10-1 = 9660 kN+ Lực dẻo tại bản cánh trên dầm thép:

= 345.40.4.10-1 = 5520kN+ Lực dẻo tại sườn dầm thép:

= 345.140.3.10-1 = 14490 kN+ Lực dẻo tại trọng tâm bản bêtông:

= 0,85.32.4624.10-1 = 14490 kN+ Lực dẻo xuất hiện tại cốt thép bản trên:

= 420.12,44 10-1 = 552,51 kN+ Lực dẻo xuất hiện tại cốt thép bản dưới:

=>TTH đi qua bản bêtông

Trong trường hợp TTH đi qua bản bêtông ta phải xét thêm vị trí đó nằm ở trên hay dưới sovới cốt thép trên và dưới để có công thức chính xác Trong tính toán ta thường bỏ qua cốt thépbản mặt cầu do đó chỉ cần xác định TTH đi qua bản bêtông là được

- Tính toán ta có:

=> Vậy TTH dẻo đi qua sườn dầm

3.4.3 Xác định chiều cao phần sườn dầm chịu nén

- Sơ đồ tính toán:

f'c fy

Z2 Dcp

ts bs

bt

Dw tw

bc

Hsb

Hcb

I I II II

Y1

Z1 Dc1 Yr

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

Hình 11: Sơ đồ xác định vị trí TTH dẻo

- Chiều cao vùng chịu nén của sườn dầm được tính theo công thức:

Trong đó:

+ : Chiều cao sườn dầm thép (mm)

+ : Diện tích cánh chịu kéo và chịu nén (mm2)

+ : Diện tích sườn dầm (mm2)

+ : Diện tích cốt thép dọc trong bản bêtông

+ : Cường độ chảy nhỏ nhất quy định của thép làm cánh chịu kéo và chịu nén.(Mpa)

+ : Cường độ chảy nhỏ nhất quy định của cốt thép dọc (Mpa)

+ : Cường độ chảy nhỏ nhất quy định của sườn dầm (Mpa)

+ : Cường độ chịu nén quy định của bêtông ở tuổi 28 ngày

My = MD1 + MD2 + MAD

Trong đó:

+ MD1: Mômen uốn do tĩnh tải giai đoạn I

+ MD2: Mômen uốn do tĩnh tải giai đoạn II

+ MAD: Mômen uốn bổ xung cần thiết để suất gây chảy ở một bản biên thép Mômennày do hoạt tải có hệ số và được tính toán theo mômen kháng uốn của mặt cắt liên hợp ngắnhạn

- Trong quá trình tính toán nội lực tại các mặt cắt ta sẽ tính được giá trị mômen do tĩnh tảigiai đoạn I gây ra là MD1, và mômen do tĩnh tải giai đoạn II gây ra là MD2 với dầm biên:

- Ứng suất trong dầm thép do M D1 :

+ Mô men tính toán do tĩnh tải giai đoạn I: MD1 = 1988,50 kN.m

+ Mô men tính toán của mặt cắt nguyên: INC = 2880745cm4

+ Khoảng cách từ TTH I-I đến mép dưới của dầm thép:

+ Khoảng cách từ TTH I-I đến mép trên của dầm thép:

+ Ứng suất mép trên dầm thép:

+ Ứng suất tại mép dưới dầm thép:

- Ứng suất trong dầm thép do M D2 :

+ Mô men tính toán do tĩnh tải giai đoạn I: MD2 = 1151,60 kN.m

+ Mô men tính toán của mặt cắt nguyên: ILT = 4776931,4 cm4

+ Khoảng cách từ TTH II’-II’ đến mép dưới của dầm thép:

+ Khoảng cách từ TTH II’-II’ đến mép trên của dầm thép:

= 345 – 44,15 – 20,49 = 280,36 Mpa = 28,036 kN/cm2

- Xác định mômen uốn bổ xung M AD :

+ Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn: IST = 6849749cm4

+ Khoảng cách từ TTH II-II đến mép dưới của dầm thép:

+ Khoảng cách từ TTH II-II đến mép trên của dầm thép:

+ Mômen uốn bổ xung MAD cần thiết để cho bản cánh trên chảy:

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

+ Mômen uốn bổ xung MAD cần thiết để cho bản cánh dưới chảy:

+ Mômen uốn cần thiết để xảy ra điểm chảy đầu tiên trên dầm MAD:

MAD =

- Xác định mômen chảy M y :

My = MD1 + MD2 + MAD

3.4.4 Xác định mômen dẻo M P

- Mômen dẻo là mômen ứng với khi toàn mặt cắt trừ phần bê tông chịu kéo đạt đến cường

độ chảy Khi tính mômen dẻo phải lấy mômen đối với trục trung hòa dẻo

- Công thức tính mômen dẻo:

MP =

Trong đó:

+ Pi: lực dẻo thứ i

+ Zi: Khoảng cách từ điểm đặt của lực dẻo thứ i đến TTH dẻo

- Trong phần xác định đặc trưng hình học của mặt cắt trong giai đoạn chảy dẻo đã xácđịnh được vị trí của TTH dẻo đi qua sườn dầm

- Giá trị mômen dẻo của mặt cắt được tính theo công thức:

Trong đó:

+ As: Diện tích bản bêtông (bao gồm cả vút), As = 4824 cm2

+ Ac: Diện tích bản cánh chịu nén, Ac = 160cm2

+ At: Diện tích bản cánh chịu kéo, At = 280 cm2

+ Ar: Diện tích cốt thép trong bản bêtông, Ar = 24,88 cm2

+ fy: Giới hạn chảy của thép, fy = 250MPa = 25,0kN/cm2

+ fyr : Giới hạn chảy của cốt thép thường, fyr = 420MPa = 42,0kN/cm2

+ : Cường độ chịu nén của bêtông bản, = 26Mpa = 2,6 kN/cm2

+ Dcp: Chiều cao phần sườn dầm chịu nén, Dcp = 6,49cm

+ Zs: Khoảng cách từ trọng tâm của bản bêtông đến mép trên của dầm thép:

Thay số, ta có:

Vậy mômen dẻo của mặt cắt dầm biên là: M p = 26642,94 kNm.

4 XÁC ĐỊNH TĨNH TẢI TÁC DỤNG LÊN DẦM CHỦ

4.1 Cấu tạo các hệ liên kết trong KCN

4.1.1 Hệ liên kết ngang tại mặt cắt gối

- Dầm ngang tại mặt cắt gối là chỗ đặt kích nâng hạ các cụm dầm trong quá trình thi công

và sửa chữa cầu khi cần thiết Do đó liên kết ngang ở gối phải cấu tạo chắc chắn hơn các mặtcắt khác, thông thường dùng các dầm I định hình:

Chọn dầm ngang tại mặt cắt gối là dầm định hình I700:

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

MÆt c¾t A-A

DÇm ngang DÇm ngang

Hình 12: Hệ liên kết ngang tại mặt cắt gối

- Cấu tạo của dầm ngang như sau:

+ Chiều cao dầm ngang: Hdn = 70 cm

+ Chiều dày bản cánh: tc = 2,8 cm

+ Chiều dày bản bụng: tw = 1,3 cm

+ Diện tích mặt cắt ngang: Adn = 176 cm2

+ Mômen quán tính của mặt cắt: Idn = 134600 cm4

+ Trọng lượng trên 1m chiều dài dầm chủ: qdn = 1,38 kN/m

- Trọng lượng của dầm ngang trên một dầm chủ được tính bằng cách tính tổng trọng lượngcủa tất cả các thanh của dầm ngang và chia đều cho mỗi dầm chủ nhân với chiều dài dầm chủ:

+ Số mặt cắt có bố trí dầm ngang: n = 2 mặt cắt

+ Số dầm ngang trên mỗi mặt cắt: ndn = 5 dầm

+ Tổng số dầm ngang trên toàn cầu: = 2.5= 10 dầm

+ Chiều dài mỗi dầm ngang: Ldn = 2,13

Vây, trọng lượng trên 1 m chiều dài dầm chủ:

4.1.2 Hệ liên kết ngang tại mặt cắt trung gian

- Tại các mặt cắt trung gian nếu cấu tạo dầm ngang định hình sẽ rất tốn kém Do đó tại cácmặt cắt trung gian thì hệ liên kết ngang thường được cấu tạo theo dạng hệ gồm có các thanhthép góc Chiều cao hệ liên kết ngang:

- Hệ liên kết ngang trung gian có thể làm bằng thép L

- Cấu tạo hệ liên kết ngang trung gian:

Hình 13: Hệ liên kết ngang tại mặt cắt trung gian

+ Khoảng cách giữa các hệ liên kết ngang: an = 2,50m

+ Số hệ liên kết ngang theo phương dọc cầu là 9 hệ và số hệ liên kết ngang theo phươngngang cầu là 5 hệ

+ Tổng số hệ liên kết ngang trung gian toàn cầu là: 9.5 = 45 hệ

+ Tại mỗi hệ liên kết ngang được cấu tạo có chiều cao H = 100cm, gồm 6 thanh thépgóc L= 100x100x10, 2 thanh ở phía trên quay lưng vào nhau, 2 thanh ở phía dưới quay lưngvào nhau và 2 thanh thép xiên liên kết trực tiếp với sườn tăng cường bản bụng

- Cấu tạo các thép góc làm thanh ngang:

+ Bề rộng cánh thép góc: ba = 10 cm

+ Chiều dày cánh thép góc: ta = 1 cm

+ Diện tích mặt cắt ngang: A = 19,20cm2

+ Trọng lượng thanh trên 1m chiều dài: q = 0,15 kN/m2

+ Mô men quán tính của một mặt cắt thanh: I = 179,00cm4

+ Số thanh ngang trên: nnt = 2 thanh

+ Chiều dài thanh ngang trên: Lnt = 2,13 m

+ Số thanh ngang dưới: nnd = 2 thanh

+ Chiều dài thanh ngang dưới: Lnd = 2,13 m

=> Tổng trọng lượng các thanh ngang trong 1 hệ liên kết ngang:

THIẾT KẾ MễN HỌC CẦU THẫP GVHD: TH.S NGễ THANH THỦY

+ Mụmen quỏn tớnh của một mặt cắt thanh: I = 179,00cm4

+ Chiều dài thanh xiờn: Lx = 2,21 m

=> Tổng trọng lượng cỏc thanh xiờn trong 1 hệ liờn kết ngang:

Px = 2.2,21.0,15 = 0,663 kN

- Trọng lượng hệ liờn kết ngang trờn 1m chiều dài dầm chủ:

Trong đú:

+ qlkn: Trọng lượng hệ liờn kết ngang trờn 1 một dài một dầm chủ

+ : Tổng trọng lượng của cỏc thanh trong hệ liờn kết ngang

+ n: Số dầm chủ trờn mặt cắt ngang, n = 6 dầm

+ Lnh: Chiều dài kết cấu nhịp, Lnh = 26 m

4.1.3 Sườn tăng cường dầm thộp

- Cấu tạo STC dầm thộp:

Hỡnh 14 Sườn tăng cường tại gối

S ờn tăng c ờng trung gian

Bản đệm

Hỡnh 15 Sườn tăng cường trung gian

- Chiều dày bản thộp dựng làm sườn tăng cường: t 6mm và cụ thể như sau:

+ ts 10mm đối với tiết diện đinh tỏn

+ ts 12mm đối với liên kết hàn.

=> Ở đây ta chọn sườn tăng cường có chiều dày t = 16mm

- Tại mặt cắt gối sườn tăng cương thường được cấu tạo có chiều dày lớn hơn hoặc cấu tạodạng sườn kép để tiếp nhận phản lực gối Ở đây ta cấu tạo sườn tăng cường tại gối theo dạngsườn kép với khoảng cách giữa hai sườn là 100mm

- Các sườn tăng trung gian không được liên kết hàn trực tiếp với bản cánh chịu kéo đểchống phá hoại liên kết giữa sườn tăng cường với bản cánh Do đó tại các mặt cắt trừ các mặtcắt có M = 0 thì sườn tăng cường phải được hàn với một bản đệm và bản đệm này có thể trượt

tự do trên bản cánh chịu kéo của dầm

Hình 16: Liên kết STC với cánh dầm thép

- Kích thước các bản đệm:

+ Kích thước hai chiều: a,b =

+ Chiều dày bản: t =

=> Theo cấu tạo ta chọn kích thước bản đệm: 180x70x16mm

- Sườn tăng cường nên bố trí đối xứng về hai bên sườn dầm

- Kích thước của sườn tăng cường thường được chọn trước sau đó tính toán theo điều kiện

ổn định cục bộ của bản bụng để xác định khoảng cách bố trí sườn tăng cường Hoặc có thể bốtrí khoảng cách các sườn tăng cường theo cấu tạo hệ liện kết ngang và dọc cầu sau đó kiểmtoán điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng

- Cấu tạo và trọng lượng của hệ sườn tăng cường:

+ Chiều cao sườn tăng cường: hs = 140 cm

+ Chiều dày sườn tăng cường: ts = 1,6 cm

+ Bề rộng sườn tăng cường: bs = 18,5 cm

+ Khoảng cách giữa các sườn tăng cường: do = 1,25 m

+ Diện tích mặt cắt ngang sườn tăng cường: as = 18,5.1,6 = 29,6cm2

=> Trọng lượng của một thanh sườn tăng cường:

Ps = 29,6.140.10-6.78,5 = 0,33kN

- Trọng lượng của sườn tăng cường trên một dầm chủ được tính bằng cách tính tổng trọnglượng của tất cả các sườn tăng cường trên một dầm chủ và chia đều cho số dầm chủ, hay có thểtính bằng trọng lượng của 1 cặp sườn tăng cường chia cho khoảng cách giữa các sườn tăngcường :

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

4.1.4 Hệ liên kết dọc cầu

- Vị trí của hệ liên kết dọc cầu:

+ Đối với kết cấu nhịp cầu dầm thép ta cấu tạo hai hệ liên kết dọc trên và dọc dưới nằmtrên mặt phẳng song song với bản cánh trên và cánh dưới dầm thép

+ Đối với kết cấu liên hợp thép – BTCT thì bản bêtông mặt cầu đóng vai trò như hệ liênkết dọc trên do đó trong cầu Thép – BTCT ta chỉ cần cấu tạo hệ liên kết dọc dưới

- Cấu tạo chung:

Hình 17: Cấu tạo hệ liên kết dọc cầu

+ Hệ liên kết dọc thường được cấu tạo từ thép góc L =

+ Toàn cầu có 10 khoang hệ giữa các liên kết ngang, trên mỗi khoang chỉ cấu tạo 3thanh xiên có chiều dài 3,10m

+ Các thanh xiên của hệ liên kết dọc được liên kết với sườn dầm chủ thong qua các bảnnút được hàn trực tiếp với dầm chủ

- Cấu tạo thép góc làm hệ liên kết dọc cầu:

+ Bề rộng cánh thép góc: ba = 10 cm

+ Chiều dày cánh thép góc: ta = 1 cm

+ Diện tích mặt cắt ngang: A = 19,20cm2

+ Trọng lượng thanh trên 1m chiều dài: q = 0,15 kN/m2

+ Mômen quán tính của một mặt cắt thanh: I = 179,00cm4

+ Chiều dài 1 thanh xiên của hệ liên kết dọc: Lx = 3,10 m

+ Số thanh liên kết dọc trên 1 khoang: nt = 3 thanh

+ Số khoang của hệ liên kết dọc: nk = 11 khoang

+ Tổng số thanh xiên của hệ liên kết dọc: nx = 3.11 = 33 thanh

=> Trọng lượng của các thanh xiên trong hệ liên kết dọc:

Plkd = 33.3,10.0,15 = 15,345 kN

- Trọng lượng hệ liên kết dọc trên một dầm chủ được tính bằng cách tính tổng trọng lượngcủa tất cả các thanh của hệ liên kết dọc và chia đều cho mỗi dầm chủ x chiều dài dầm chủ

Trong đó:

+ qlkd: Trọng lượng hệ liên kết dọc trên 1 mét dài một dầm chủ

+ : Tổng trọng lượng của các thanh trong hệ liên kết dọc

+ n: Số dầm chủ trên mặt cắt ngang, n = 6 dầm

+ Lnh: Chiều dài kết cấu nhịp, Lnh = 26 m

4.2 Xác định tĩnh tải giai đoạn I

- Tĩnh tải giai đoạn I:

+ Trọng lượng bản thân dầm chủ

+ Trọng lượng hệ liên kết ngang cầu

+ Trọng lượng hệ liên kết dọc cầu

+ Trọng lượng mối nối

+ Trọng lượng bản bêtông mặt cầu và những phần bêtông được đổ cùng với bản như:chân lan can, gờ chắn bánh Trong trường hợp chân lan can lắp chân lan can lắp ghép thì trọnglượng của nó được tính vào tĩnh tải giai đoạn II

- Trọng lượng dải đều của dầm thép:

- Trọng lượng dải đều của bản bêtông mặt cầu:

- Trọng lượng dải đều của dầm ngang: qdn = 0,17 kN/m

- Trọng lượng dải đều của HLK ngang trung gian: qlkn = 0,53 kN/m

- Trọng lượng dải đều của sườn tăng cường: qs = 0,52 kN/m

- Trọng lượng dải đều hệ liên kết dọc: qlkd = 0,1 kN/m

- Trọng lượng dải đều mối nối dầm: qmnd = 0,1 kN/m

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

- Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn I:(dầm trong)

DCtr

tc = qsbdt + qtr

mc +qdn + qlkn + qs + qlkd + qmnd = 6,75 + 11,56 + 0,17 + 0,53 + 0,52 + 0,10 + 0,1 = 19,73 kN/m

- Tĩnh tải tính toán giai đoạn I:(dầm biên)

DCtt = DCtc = 1,25.19,73 = 24,66 kN/m

- Tĩnh tải tính toán giai đoạn I:(dầm trong)

DCtt = DCtc = 1,25.19,73 = 24,66 kN/m

4.3 Xác định tĩnh tải giai đoạn II

- Cấu tạo lan can + lớp phủ mặt cầu:

Hình 18: Cấu tạo lan can + lớp phủ mặt cầu

- Tĩnh tải giai đoạn II:

- Trọng lượng dải đều của lớp phủ mặt cầu: Coi lớp phủ có chiều dày trung bình là 12cm,

và có trọng lượng không đổi và bằng 23kN/m3 Ta có:

+ Dầm biên:

+ Dầm trong:

- Trọng lượng dải đều của lan can ( chỉ tính cho dầm biên)

- Trọng lượng tay vịn trong tính toán lấy sơ bộ: qlc = 0.1 KN/m

- Tĩnh tải giai đoạn II:

+ Tĩnh tải tiêu chuẩn:(dầm biên)

5.1 Tính hệ số phân bố ngang theo phương pháp đòn bẩy

5.1.1 Tính hệ số phân bố ngang đối với dầm biên

- Điều kiện tính toán:

Hình 22: Tính hệ số phân bố ngang cho dầm biên

- Xếp tải trọng bất lợi lên ĐAH phản lực gối

- Tính hệ số PBN đối với xe tải và xe 2 trục thiết kế

+ Công thức tính :

+ Hệ số PBN của xe tải thiết kế và xe 2 trục thiết kế đối với dầm biên khi xếp tải trên 1làn :

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

- Hệ số PBN đối với tải trọng người dải đều :

Trong đó :

+ ble : Bề rộng của lền người đi bộ

+ m : Hệ số làn xe

+ y1: Tung độ ĐAH tại mép ngoài của ĐAH phản lực khi xếp tải trọng người

+ y2: Tung độ ĐAH tại mép trong của ĐAH phản lực khi xếp tải trọng người

5.1.2 Tính hệ số PBN đối với dầm trong

- Đối với dầm trong thì ảnh hưởng của tải trọng người là không đáng kể Khi đó ta xếp tải

trọng người lên cả 2 lề đi bộ và coi như tải trọng này phân bố đều cho các dầm chủ:

Với : + n: số dầm chủ, n = 6 dầm

+ 2: là số làn thiết kế

5.2 Tính hệ số PBN đối với tải trọng HL93

5.2.1 Điều kiện tính toán

- Phương pháp tính hệ số phân bố ngang trong 22TCN272 – 05 chỉ áp dụng khi thoả mãncác điều kiện sau:

+ Bề rộng mặt cầu không thay đổi trên suốt chiều dài nhịp

+ Số dầm chủ

+ Các dầm chủ song song với nhau và có độ cứng xấp xỉ nhau

+ Phần hẫng của đường xe chạy trừ khi có quy định khác

+ Mặt cắt ngang cầu phù hợp với quy định trong bảng theo quy trình

5.2.2 Tính tham số độ cứng dọc

- Công thức tính:

Trong đó:

+ EB: Môdun đàn hồi của vật liệu chế tạo dầm, EB = Es = 200000 (MPa)

+ ES: Môđun đàn hồi của vật liệu chế tạo bản, ES = Ec =30405,59 (MPa)

- Hệ số phõn bố ngang cho dầm biờn:

+ Trường hợp cú 1 làn xếp tải: Tớnh theo nguyờn tắc đũn bẩy:

- Hệ số phân bố ngang mômen dầm biên:

+ Trờng hợp có 1 làn xếp tải: Tính theo nguyên tắc đòn bẩy:

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

Hình 23: Các mặt cắt tính toán nội lực

- Bảng tọa độ các mặt cắt tính toán nội lực

6.2 Đường ảnh hưởng nội lực

6.2.1 Vẽ Đah nội lực tại các mặt cắt tính toán

6.2.2 Tính diện tích đường ảnh hưởng

- Diện tích ĐAH mômen tại mặt cắt cách tim gối đoạn bằng x tính theo công thức:

- Diện tích ĐAH lực cắt tại mặt cắt cách tim gối đoạn bằng x tính theo công thức:

x(m)

L-x(m)

y=

x)/L

x(L-y-1=

x)/L

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU THÉP GVHD: TH.S NGÔ THANH THỦY

+ DCtc , DWtc: Tĩnh tải giai đoạn I và II tiêu chuẩn

+ , : Mô men uốn tiêu chuẩn và tính toán do tĩnh tải

+ , : Lực cắt tiêu chuẩn và tính toán do tĩnh tải

+ : Tổng diện tích đường ảnh hưởng mômen uốn và lực cắt của mặt cắt cần xácđịnh nội lực

Bảng tổng hợp nội lực do tĩnh tải:(Dầm biên)

Bảng tổng hợp nội lực do tĩnh tải:(Dầm giữa)

Nội lực tiêu chuẩn ( TTGH sử dụng)

Nội lực tính toán ( TTGH Cường độ I) Đơn

vị

 DC-tc DW-tc * DC-tc *DW-tc Tổng *

DC-tt *DW-tt TổngM1 35.28 19.73 5.52 695.9 194.7 890.6 869.9 292.1 1162.0 KNm M2 60.49 19.73 5.52 1193.2 333.9 1527.1 1491.5 500.9 1992.4 KNm M3 71.68 19.73 5.52 1413.9 395.7 1809.6 1767.4 593.5 2360.9 KNm M4 80.65 19.73 5.52 1590.8 445.2 2036.0 1988.5 667.7 2656.2 KNm V0 12.70 19.73 5.52 250.5 70.1 320.6 313.1 105.2 418.3 KN

6.3.2 Tính nội lực do tải trọng làn và tải trọng người

- Để tính nội lực do tải trọng làn và tải trọng người thì ta xếp tải trọng dải đều bất lợi lênĐAH và tinh toán nội lực

- Công thức tính toán nội lực do tải trọng làn:

+ ql , qng: Tải trọng làn và tải trọng người dải đều

+ , , : Mômen uốn tiêu chuẩn, tính toán và mômen uốn khi tính mỏi do hoạttải

+ , , : Lực cắt tiêu chuẩn , tính toán và lực cắt khi tính mỏi do hoạt tải

+ : Tổng diện tích ĐAH mômen uốn và lực cắt của mặt cắt cần xác định cầnxác định nội lực

+ gl, gng: Hệ số phân bố ngang của hoạt tải , tải trọng làn và tải trọng người