HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP BẢN BTCT

GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................................................ 2 2. VẬT LIỆU ............................................................................................................................................ 2 2.1 Vật liệu thép ................................................................................................................................................... 2 2.2 Bê tông ........................................................................................................................................................... 3 3. THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN CẦU ........................................................................................................ 3 3.1 Sơ đồ nhịp ...................................................................................................................................................... 3 3.2 Khoảng cách dầm ........................................................................................................................................... 4 3.3 Dầm ngang và khung liên kết ngang .............................................................................................................. 4 3.3.1 Khoảng cách bố trí hệ liên kết ngang ...................................................................................................... 5 3.3.2 Hướng của hệ liên kết ngang ................................................................................................................... 5 3.3.3 Liên kết .................................................................................................................................................... 6 3.3.4 Hướng dẫn thiết kế .................................................................................................................................. 6 3.4 Hệ giằng ổn định ngang .................................................................................................................................. 6 3.5 Vị trí mối nối dầm .......................................................................................................................................... 6 3.6 Khe co giãn và khớp nối ................................................................................................................................. 7 4 TỈ LỆ TIẾT DIỆN ................................................................................................................................ 7 4.1 Tỉ số chiều caochiều dài dầm ........................................................................................................................ 7 4.2 Bản bụng ........................................................................................................................................................ 7 4.3 Bản cánh ......................................................................................................................................................... 7 4.4 Sườn tăng cường............................................................................................................................................. 8 5GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................................................ 2 2. VẬT LIỆU ............................................................................................................................................ 2 2.1 Vật liệu thép ................................................................................................................................................... 2 2.2 Bê tông ........................................................................................................................................................... 3 3. THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN CẦU ........................................................................................................ 3 3.1 Sơ đồ nhịp ...................................................................................................................................................... 3 3.2 Khoảng cách dầm ........................................................................................................................................... 4 3.3 Dầm ngang và khung liên kết ngang .............................................................................................................. 4 3.3.1 Khoảng cách bố trí hệ liên kết ngang ...................................................................................................... 5 3.3.2 Hướng của hệ liên kết ngang ................................................................................................................... 5 3.3.3 Liên kết .................................................................................................................................................... 6 3.3.4 Hướng dẫn thiết kế .................................................................................................................................. 6 3.4 Hệ giằng ổn định ngang .................................................................................................................................. 6 3.5 Vị trí mối nối dầm .......................................................................................................................................... 6 3.6 Khe co giãn và khớp nối ................................................................................................................................. 7 4 TỈ LỆ TIẾT DIỆN ................................................................................................................................ 7 4.1 Tỉ số chiều caochiều dài dầm ........................................................................................................................ 7 4.2 Bản bụng ........................................................................................................................................................ 7 4.3 Bản cánh ......................................................................................................................................................... 7 4.4 Sườn tăng cường............................................................................................................................................. 8 5v

HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP BẢN BTCT

MỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU CHUNG 2

2 VẬT LIỆU 2

2.1 Vật liệu thép 2

2.2 Bê tông 3

3 THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN CẦU 3

3.1 Sơ đồ nhịp 3

3.2 Khoảng cách dầm 4

3.3 Dầm ngang và khung liên kết ngang 4

3.3.1 Khoảng cách bố trí hệ liên kết ngang 5

3.3.2 Hướng của hệ liên kết ngang 5

3.3.3 Liên kết 6

3.3.4 Hướng dẫn thiết kế 6

3.4 Hệ giằng ổn định ngang 6

3.5 Vị trí mối nối dầm 6

3.6 Khe co giãn và khớp nối 7

4 TỈ LỆ TIẾT DIỆN 7

4.1 Tỉ số chiều cao/chiều dài dầm 7

4.2 Bản bụng 7

4.3 Bản cánh 7

4.4 Sườn tăng cường 8

5 MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU 9

6 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN VÀ QUI TRÌNH THIẾT KẾ 9

6.1 Các trạng thái giới hạn trong thiết kế 9

6.2 Qui trình thiết kế 9

2

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Cầu dầm là loại kết cấu đơn giản và được sử dụng phổ biến nhất cho loại cầu có nhịp ngắn và trung bình Hình 1-1 thể hiện một loại cầu dầm thép đang được sử dụng phổ biến hiện nay Tiết diện dầm thép chữ I là loại tiết diện đơn giản và hiệu quả nhất cho kết cấu chịu uốn và cắt Tài liệu hướng dẫn thiết kế này sẽ giới thiệu về cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép Những điều cần xem xét khi thiết kế kết cấu nhịp, và tiêu chí lựa chọn tiết diện sẽ được giới thiệu Một ví dụ thiết kế cầu thép liên hợp bản bê tông cốt thép nhịp giản đơn sẽ được cung cấp nhằm minh họa qui trình thiết kế Ngoài ra có thể tham khảo thêm các tài liệu của Baker và Puckett (2013), FHWA (2012), Chen và Duan (2014), và Taly (2014)

Hình 1-1 Kết cấu cầu dầm thép thông dụng

2 VẬT LIỆU

2.1 Vật liệu thép

Loại thép ASTM A709 hoặc AASHTO M270 được sử dụng phổ biến trong kết cấu cầu thép Thông số về các loại thép theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 (Bảng 6.4.1.1) được cho trong Bảng 2-1, loại thép theo ASTM

và tiêu chuẩn thiết kế AASHTO (Bảng 6.4.1.1) được cho trong Bảng 2-2

Bảng 2-1 Các đặc tính cơ học tối thiểu của thép kết cấu theo hình dạng, cường độ và chiều dày (22TCN 272-05)

Ký hiệu AASHTO

Thép kết cấu

Thép hợp kim thấp cường

độ cao

Théo hợp kim thấp tôi

M 270M Cấp 345

M 270M Cấp 345W

M 270M Cấp 485W

M 270M Cấp 690/690W

Cường độ chịu kéo

M 270M/

M 270 Grade 50S

M 270M/

M 270 Grade 50W

M 270M/

M 270 Grade HPS 50W

M 270M/

M 270 Grade HPS 70W

M 270M/

M 270 Grade HPS 100W

A709/

A709M Grade 50S

A709/

A709M Grade 50W

A709/

A709M Grade HPS 50W

A709/

A709M Grade HPS 70W

A709/

A709M Grade HPS 100W

Bê tông có cường độ chịu nén sau 28 ngày tuổi f’c = 25Mpa hoặc 30Mpa thường được sử dụng cho bản mặt cầu

bê tông cốt thép Diện tích qui đổi của bản bê tông được sử dụng để tính toán đặc trưng tiết diện liên hợp Đối

với bê tông có tỉ trọng thông thường, tỉ số mô đun đàn hồi giữa thép và bê tông n = Es /Ec được đề xuất bởi tiêu

chuẩn thiết kế 22TCN 272-05 và AASHTO (2012) được cho trong bảng dưới đây

Bảng 2-3 Tỉ số mô đun đàn hồi giữa thép và bê tông theo cường độ chịu nén của bê tông

Cường độ chịu nén f’c (Mpa) n = Es/Ec

tiết diện liên hợp dài hạn

3 THIẾT KẾ PHƯƠNG ÁN CẦU

3.1 Sơ đồ nhịp

Sơ đồ nhịp giữ vai trò quan trọng đối với hiệu quả sử dụng vật liệu thép và tối ưu về chi phí Đối với những trường hợp có thể thay đổi vị trí trụ khi hiệu chỉnh nhịp, người kỹ sư thiết kế nên tối ưu việc bố trí kết cấu nhịp bằng cách thay đổi chiều dài nhịp và số lượng nhịp Cầu dầm thép hai nhịp liên tục không phải là hệ kết cấu hiệu quả nhất vì mô men uốn âm lớn tại vị trí trụ Loại cầu dầm thép có từ ba đến bốn nhịp liên tục sẽ thích hợp

và hiệu quả hơn, tuy nhiên không phải lúc nào cũng khả thi Đối với cầu dầm thép nhiều nhịp, sơ đồ nhịp tốt

4

nhất khi có chiều dài nhịp biên vào khoảng 70% đến 80% của chiều dài các nhịp bên trong Các nhịp bên trong

có chiều dài như nhau cũng tương đối kinh tế Nên hạn chế sử dụng các sơ đồ nhịp có xuất hiện lực nâng (nhổ) tại gối (phản lực âm) dưới sự tác động của hoạt tải Cần xem xét đến chiều cao đất đắp sau mố khi lựa chọn bố trí nhịp Nếu đắp cao sẽ ảnh hưởng đến chiều cao mố và sự ổn định của mố nếu nằm trên nền đất yếu gây phát sinh thêm chi phí xử lý gia cố Lựa chọn sơ đồ nhịp cần xem xét thêm các tiêu chí như tĩnh không thông xe, thông thuyền, các cao độ khống chế Công tác thiết kế kết cấu nhịp cần được nghiên cứu kỹ lưỡng, tối ưu và hoàn thiện ngay trong gian đoạn thiết kế sơ bộ Sự thay đổi về bình đồ và trắc dọc tuyến sẽ gây phát sinh chi phí đáng kể cho dự án sau này Ngoài ra, công tác khảo sát địa hình địa chất nên được tiến hành một cách đầy đủ ngay từ ban đầu, từ đó có thể thiết kế chính xác và tối ưu hoá phương án móng cho mố trụ

Mô hình chịu lực 02 giai đoạn của kết cấu dầm liên hợp bao gồm dầm thép chịu các tải trọng thi công (tĩnh tải giai đoạn một, tĩnh tải giai đoạn hai, tải trọng thi công) và dầm liên hợp cùng với cốt thép gia cường của bản mặt cầu chịu hoạt tải có thể là giải pháp mô hình chịu lực có tính kinh tế (Azizinamini, 2007) Mô hình chịu lực này thể hiện những ưu điểm đối với những thiết kế nhịp liên tục bằng cách loại bỏ chi phí các mối nối và việc huy động cẩu có tải trọng lớn trong quá trình thi công Tuy nhiên, nhược điểm là đòi hỏi chiều cao tiết diện lớn hơn và trọng lượng thép tính trên một mét vuông mặt cầu sẽ cao hơn Phương pháp chọn sơ đồ chịu lực cần được nghiên cứu từng trường hợp cụ thể nhằm đánh giá những ưu điểm về kinh tế Khi sử dụng sơ đồ nhịp giản đơn, cần đặc biệt chú ý đến những chi tiết chịu động đất

3.2 Khoảng cách dầm

Khoảng cách dầm và số lượng dầm có sự tác động qua lại Để tối ưu hoá số lượng dầm và khoảng cách dầm đòi hỏi phải thực hiện một qui trình tính toán lặp nhiều lần với các cặp giá trị của số lượng dầm và khoảng cách khác nhau Mỗi trường hợp sẽ cho các thông số về khả năng chịu tải, khả năng khai thác và chi phí xây dựng

So sánh tất cả các trường hợp để chọn ra một phương án tối ưu nhất Khi cần giảm chiều cao kết cấu có thể lụa chọn số lượng dầm nhiều hơn Tuy nhiên, cần quan tâm đến vấn đề độ võng của hệ dầm trong giai đoạn khai thác

Số lượng dầm càng ít thì khối lượng vật liệu thép được sử dụng càng nhỏ dẫn đến giá thành xây dựng cầu giảm, phương án thi công cũng đơn giản hơn Do đó, khi thiết kế cần tối thiểu hoá số lượng dầm thép nhằm đạt được thiết kế tối ưu về kinh tế và kỹ thuật Tuy nhiên, cần đảm bảo về điều kiện độ võng và các điều kiện khống chế

về cao độ

Theo các tài liệu thiết kế của AASHTO, hầu hết các thiết kế tối ưu của kết cấu phần trên có thể đạt được với khoảng cách các dầm nằm trong khoảng 3.3m đến 4.2m Đối với các nhịp có chiều dài nhỏ hơn 42m, khoảng cách các dầm nên nằm trong khoảng 3m đến 3.6m Đối với nhịp lớn hơn 42m, khoảng cách các dầm từ 3.3m đến 4.2m được đề xuất sử dụng Việc sử dụng tấm ván khuôn thép cho bản mặt cầu sẽ giới hạn khoảng cách dầm nằm trong giá trị 4.8m Nếu khoảng cách dầm vượt quá 4.8m thì cần phải sự dụng hệ cáp dự ứng lực ngang cho bản mặt cầu

3.3 Dầm ngang và khung liên kết ngang

Dầm ngang và hệ khung liên kết ngang đều có vai trò như nhau Hình 3-1 cho thấy các loại cơ bản của kết cấu dầm ngang và khung liên kết ngang được sử dụng trong dầm I tổ hợp hàn và dầm I định hình Khung K và khung X thường có thanh biên trên như mô tả trong Hình 3-1 Các khung liên kết ngang trung gian có tác dụng giằng chống mất ổn định uốn ngang của cánh chịu nén trong quá trình lao lắp dầm và đổ bê tông bản mặt cầu,

và cho tất cả các giai đoạn chịu lực của phần chịu momen uốn âm Ngoài ra, hệ liên kết ngang còn có tác dụng giằng kháng gió Các dầm ngang và khung liên kết ngang tại đầu dầm có tác dụng truyền tải trọng gió và động đất xuống gối cầu

3.3.1 Khoảng cách bố trí hệ liên kết ngang

Tiêu chuẩn thiết kế cầu AASHTO 2002 đã qui định khoảng cách 7.5m cho hệ liên kết ngang Tuy nhiên, AASHTO 2012 không còn qui định giới hạn khoảng cách hệ liên kết ngang, nhưng thay vào đó là yêu cầu phải

có những phân tích hợp lý nhằm nghiên cứu sự cần thiết của hệ liên kết ngang cho tất cả các giai đoạn làm việc trong qui trình thi công đã được giả thiết và giai đoạn hoàn thiện Khoảng cách hệ liên kết ngang cần phải phù hợp với bố trí các sườn tăng cường

Hình 3-1 Các loại hệ liên kết ngang tiêu biểu

3.3.2 Hướng của hệ liên kết ngang

Hệ liên kết ngang trung gian cần được bố trí vuông góc với trục dầm chính nếu góc xiên của cầu lớn hơn 20ohay song song với phương xiên của cầu nếu góc xiên nhỏ hơn 20o Góc xiên của cầu là góc hợp bởi đường vuông góc của trục hướng tuyến của cầu và trục hướng dòng chảy của sông nếu là cầu vượt sông hay với trục hướng tuyến của đường (cầu) nếu là cầu vượt Trong cầu xiên có hệ liên kết ngang bố trí vuông góc với trục dầm, có thể sẽ có những tình huống mà các khung liên kết ngang không thẳng hàng hay liên tục suốt bề rộng cầu Tại những vị trí không liên tục này, có thể xuất hiện các ứng suất trong bản cánh do uốn ngoài mặt phẳng

và cần được xem xét cẩn thận Bố trí sườn tăng cường vào mặt sau của bản liên kết nếu hệ liên kết ngang bị gấp khúc Đối với cầu cong trên mặt bằng, hệ liên kết ngang cần phải được bố trí theo các đường trục xuyên tâm Một thiết kế tốt có tính kinh tế sẽ tối thiểu hóa được số lượng hệ liên kết ngang với nhiều dạng hình học khác nhau Các thay đổi siêu cao, đường cong đứng, các bệ rộng tấm liên kết khác nhau, và các công tác cẩu nâng dầm sẽ hạn chế mục tiêu này

Hình 3-2 Minh họa góc xiên của cầu

6

3.3.3 Liên kết

Khung liên kết ngang thông thường được liên kết với các sườn tăng cường đứng Sườn tăng cường cần được liên kết trực tiếp với cánh dầm bằng liên kết hàn hoặc bắt bu lông Tuy nhiên, liên kết bằng đường hàn là phù hợp nhất

Đối với các cầu được thi công nhiều giai đoạn hay với góc xiên lớn, sự khác biệt về độ võng giữa các dầm do tải trọng bản mặt cầu là rất đáng kể Như vậy, các rãnh lỗ và các bu lông tạm được siết thủ công bằng đai ốc cần được sử dụng trong suốt quá trình đổ bê tông mặt cầu Sau giai đoạn hoàn thiện lắp đặt các rào chắn, bu lông sẽ được siết chặt vĩnh viễn hay đối với các liên kết hàn sẽ được hàn tại chỗ Các lỗ bu lông có thể được khoan tại chỗ để đảm bảo trùng khít Các khung liên kết ngang giữa các giai đoạn thi công có thể loại bỏ nếu có thể

3.3.4 Hướng dẫn thiết kế

- Dầm ngang hay khung liên kết ngang cần được thiết kế có chiều cao làm việc càng lớn càng tốt để truyền tải trọng theo phương ngang cầu và đảm bảo ổn định ngang cho hệ dầm Theo AASHTO Điều 6.7.4.2, chiều cao làm việc tối thiểu của hệ liên kết ngang phải bằng 0.5 lần chiều cao dầm đối với dầm định hình và bằng 0.75 chiều cao dầm đối với dầm tổ hợp

- Khung liên kết ngang cần được thiết kế và chi tiết hóa sao cho có thể thi công lắp đặt riêng rẽ từng đơn vị một,

và tất cả những đường hàn trong suốt quá trình gia công cần được tiến hành một bên mặt nhằm tối thiểu các chi phí xử lý Với tiêu chí tối ưu hóa, các khung liên kết ngang cần được thiết kế để chịu lực gió ngang Cần có một phân tích hợp lý để tính toán các lực ngang thực sự tác động lên hệ dầm

- Các dầm ngang hay khung liên kết ngang tại gối cần được thiết kế để chịu các lực ngang và truyền tải trọng xuống kết cấu phần dưới Trừ khi được chi tiết hóa như các bộ phận có tính dẻo dai, các dầm ngang hay khung liên kết ngang đầu dầm cần được thiết kế để chịu được lực cắt vượt quá sức kháng cắt của kết cấu phần dưới Các liên kết chống cắt cần được bố trí nhằm truyền các lực ngang từ mặt cầu đến dầm ngang đầu dầm Khi có khe co giãn tại vị trí gối, dầm ngang tại gối cần được thiết kế để chịu được tải trọng trục xe và lực xung kích

- Theo AASHTO Điều 6.9.3, tỉ số độ mảnh tính toán (KL/r) đối với các thanh xiên chịu nén cần nhỏ hơn hoặc bằng 120 và 140 tương ứng đối với dầm cong trên mặt bằng và dầm thẳng; và theo AASHTO Điều 6.8.4, đối với bộ phận chịu kéo tỉ số (L/r) nên nhỏ hơn hoặc bằng 240

- Các bộ phận của khung liên kết ngang và các bản mã bao gồm hình dạng một góc đơn hay dạng WT cần được thiết kế có xem xét đến sự lệch tâm liên kết tại vị trí bản mã Nên sử dụng bản mã hình chữ nhật thay cho các bản mã dạng đa giác

- Dầm thép tổ hợp, dầm I, và dầm ngang bê tông có thể được bố trí tại vị trí mố và trụ

3.4 Hệ giằng ổn định ngang

Nên tránh bố trí giằng ổn định ngang biên dưới vì hệ giằng có những chi tiết dễ bị mỏi và rất tốn kém để chế tạo, lắp đặt và bảo trì Kích thước cánh dầm phải đủ để loại trừ sự cần thiết giằng ổn định ngang cho bản cánh dưới

3.5 Vị trí mối nối dầm

Đối với dầm liên tục, vị trí mối nối dầm thường được bố trí tại điểm có momen uốn bằng không dưới tác dụng của tĩnh tải và tại các điểm có sự thay đổi tiết diện, và được bố trí cách nhau 15m Vị trí mối nối không nhất thiết phải đúng vị trí có momen uốn do tĩnh tải bằng không mà có thể được bố trí gần điểm này Đôi khi mối nối bắt buộc phải bố trí tại các điểm có momen uốn lớn nhất trong cầu nhịp dài nhằm đảo bảo các yêu cầu về thi công Đối với dầm giản đơn, trong truòng hợp cần bố trí mối nối, vị trí mối nối thường được chọn sao cho có momen uốn càng nhỏ càng tốt Vị trí mối nối cũng phụ thuộc vào khả năng gia công chế tạo cũng như vận chuyển Thông thường, với dầm liên tục, chiều dài của một phân đoạn được vận chuyển vào khoảng 37.5m và

có trọng lượng nhỏ hơn 40 tấn Với dầm giản đơn, một phân đoạn có chiều dài từ 3m đến 6m tuỳ theo số lượng

phân đoạn và chiều dài nhịp Mối nối phải luôn là loại có sử dụng bu lông Mối nối bằng đường hàn không được sử dụng Các dầm kề nhau phải được nối ở cùng vị trí

3.6 Khe co giãn và khớp nối

Các khớp nối trong nhịp thường không được khuyến cáo sử dụng do không có nhiều giải pháp được chấp nhận đối với thiết kế khớp nối chống động đất Cầu thép có thể được thiết kế không sử dụng khe co giãn và khớp nối với chiều dài cầu lên đến 360m Khi trụ dẻo được sử dụng, kết cấu phần trên được tách biệt với kết cấu phần dưới bằng các gối co giãn nhằm tránh các tác động nhiệt quá mức lên kết cấu phần dưới

4 TỈ LỆ TIẾT DIỆN

4.1 Tỉ số chiều cao/chiều dài dầm

Hình 4-1 cho thấy một tỉ lệ điển hình của cầu dầm liên hợp bao gồm bản mặt cầu bê tông và dầm thép chữ I với sườn tăng cường và hệ liên kết ngang Công việc đầu tiên khi thiết kế cầu dầm thép tổ hợp là chọn giá trị ban đầu cho bản bụng và bản cánh dầm

Figure 4-1 Các thành phần của một cầu dầm thép tiết diện I

Đối với dầm thẳng, Bảng 2.5.2.6.3-1 của Tiêu chuẩn 272-05 và AASHTO chỉ rõ giá trị tối thiểu của tỉ số giữa chiều cao và chiều dài nhịp là 0.033 cho nhịp giản đơn và 0.027 cho nhịp liên tục Giá trị tối thiểu của tỉ số giữa tổng chiều cao tiết diện (bản BTCT và dầm thép) là 0.04 cho nhịp giản đơn và 0.032 cho nhịp liên tục Đối với cầu cong trên mặt bằng, chiều cao dầm tối thiểu sẽ lớn hơn 10% đến 20%

4.2 Bản bụng

Bản bụng tạo ra sức kháng cắt cho dầm Do bản bụng đóng góp không nhiều vào sức kháng uốn của tiết diện nên bề dày bản bụng cần được chọn càng nhỏ càng tốt Tỉ số giữa chiều cao và bề dày D/tw ≤ 150 đối với bản bụng không có sườn tăng cường dọc, và D/tw ≤ 300 đối với bản bụng có sườn tăng cường dọc (AASHTO 6.10.2.1) Trong thiết kế, khi hiệu chỉnh chiều cao bản bụng để có tiết diện tối ưu, chiều cao bản bụng được thay đổi theo các mức 50mm đến 75mm Mối nối của bản bụng có chiều cao lớn hơn 3.0m cần được bố trí bản nối đứng và bản nối ngang

Bề dày bản bụng không được nhỏ hơn 12mm Nếu bề dày bản bụng nhỏ hơn sẽ bị méo mó khi hàn gia công Bề dày cần phải đủ lớn để không cần bố trí sườn tăng cường dọc Bề dày bụng nên là hằng số hoặc chỉ thay đổi với một số loại bề dày nhất định Có thể sử dụng hai loại bề dày cho dầm liên tục và chỉ một loại bề dày cho dầm giản đơn Khi chọn giá trị bề dày bản bụng cho tiết diện tối ưu, nên hiệu chỉnh bề dày theo các mức 2mm hoặc 4mm đối với bản thép dày đến 25mm, và 6mm đối với bản thép dày hơn 25mm

4.3 Bản cánh

Bản cánh tạo ra sức kháng uốn cho tiết diện Bản cánh nên có bề rộng tối thiểu là 300mm Bề rộng bản cánh nên bằng nhau trên suốt chiều dài dầm Nếu cần tăng diện tích bản cánh thì nên tăng bề dày bản cánh Trong trường hợp cần thay đổi bề rộng cánh chỉ nên thay đổi tại vị trí mối nối Sự thay đổi bề rộng cánh nên là bội số của 50

Tại vị trí thay dổi bề dày của bản cánh, bản dày cần phải có diện tích lớn hơn bản mỏng 25% Hơn nữa, bản cánh dày không được lớn hơn hai lần bề dày của bản cánh mỏng

Do Tiêu Chuẩn Thiết Kế 22TCN 272-05 dựa trên phiên bản AASHTO 1998 chưa cập nhật nội dung về yêu cầu cấu tạo của tiết diện nên có thể tham khảo thêm các phiên bản mới nhất của Tiêu Chuẩn AASHTO khi thiết kế tiết diện Theo AASHTO 6.10.2.2, cả cánh chịu nén và cánh chịu kéo cần phải thoả các yêu cầu về tỉ lệ tiết diện sau:

0.1 ≤ Iyc /Iyt ≤ 10 (AASHTO 6.10.2.2-4)

trong đó bf và tf là bề rộng và bề dày bản cánh; tw là bề dày bản bụng; Iyc và Iyt tương ứng là momen quán tính đối

với trục đứng của cánh chịu nén và cánh chịu kéo D là chiều cao bản bụng Công thức AASHTO 6.10.2.2-1 đảm bảo cánh không bị sai lệch và được hàn vào bản bụng Công thức AASHTO 6.10.2.2-2 đảm bảo các tấm bản bụng bên trong có thể phát triển sức kháng cắt mất ổn định sau đàn hồi bằng hiệu ứng trường kéo Công thức AASHTO 6.10.2.2-3 đảm bảo các bản cánh có thể tạo ra hiệu ứng giằng và các điều kiện tự nhiên riêng biệt để có sức kháng cắt mất ổn định Công thức AASHTO 6.10.2.2-4 đảm bảo các tỉ lệ cấu tạo bản cánh hiệu quả hơn và tránh sử dụng các tiết diện khó thi công

4.4 Sườn tăng cường

Sườn tăng cường trung gian cùng với bản bụng tạo nên sức kháng mất ổn định do cắt ngoài miền đàn hồi bằng hiệu ứng trường kéo và thường xảy ra tại các vị trí gần gối hay tại những điểm có lực tập trung Các sườn tăng cường không giữ vai trò liên kết với hệ liên kết ngang thường được hàn vào bản bụng và cần được hàn vào bản cánh chịu nén Sườn tăng cường trung gian có thể không cần phải hàn vào bản cánh chịu kéo Liên kết hàn giữa sườn tăng cường và bản cánh chịu kéo có thể sẽ làm phát sinh các ứng suất dư không cần thiết làm giảm sức kháng uốn của tiết diện

Sường tăng cường tại gối bắt buộc phải được bố trí tại tất cả vị trí gối Sườn tăng cường tại gối cần phải được hàn hoặc liên kết bu lông vào hai bên của bản bụng Bề dày sường tăng cường tại gối phải đủ lớn để tránh sử dụng các sườn tăng cường đôi gây khó khăn khi gia công chế tạo Điều 6.10.11.2 AASHTO qui định sườn tăng cường cần phải được bố trí trên toàn chiều cao bụng dầm và mở rộng ra càng gần mép bản cánh càng tốt Sườn tăng cường dọc được sử dụng để làm tăng sức kháng uốn của bản bụng bằng cách hạn chế chuyển vị ngang của bản bụng và ngăn không cho bản bụng mất ổn định khi chịu uốn Do đó, sườn tăng cường dọc được

bố trí nằm trong vùng chịu nén của bản bụng Trong thiết kế, chiều dày bản bụng được khuyến cáo nên chọn giá trị đủ lớn để tránh sử dụng sườn tăng cường dọc vì nó có thể gây khó khăn khi gia công chế tạo cũng như tạo ra chi tiết dễ bị phá hoại mỏi

5 MÔ HÌNH VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU

Thông thường, với cầu nhịp giản đơn, có thể sử dụng phương pháp phân tích gần đúng để tìm nội lực do tác động của các loại tải trọng trong thiết kế Phương pháp này sẽ đơn giản hoá mô hình làm việc không gian (3D) của hệ kết cấu về mô hình phẳng (2D) thông qua các hệ số phân bố tải trọng Phương pháp này có ưu điểm là đơn giản, tính toán nhanh, dễ kiểm soát kết quả phân tích Tuy nhiên, phương pháp này thường cho những giá trị thiết kế thực tế lớn hơn đáng kể so với giá trị yêu cầu

Ngoài ra, có thể sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn thông qua các phần mềm để mô hình hoá hệ kết cấu một cách chính xác hơn Các dầm thép thường được mô hình như một hệ kết cấu gồm các phần tử dầm Phương pháp này cho kết quả chính xác hơn Tuy nhiên, cần đảm bảo hệ kết cấu được mô hình đúng với các điều kiện biên hợp lý, kiểm soát tốt số liệu đầu vào thì kết quả mới đạt yêu cầu Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cần vận dụng nhiều kiến thức cơ bản như sức bền vật liệu, cơ kết cấu và phần tử hữu hạn Do đó, cần nắm vững kiến thức khi sử dụng phương pháp này Nói chung, do việc phân tích kết cấu đã do phần mềm đảm nhiệm nên người thiết kế cần có phương pháp để kiểm soát số liệu đầu vào và kết quả đầu ra, cần có phương pháp để kiểm chứng kết quả

Tiết diện liên hợp được giả thiết làm việc trên toàn chiều dài cầu mặc dù tại vùng momen uốn âm có thể thiết kế với tiết diện không liên hợp Cốt thép gia cường dọc của bản mặt cầu bê tông nằm trong phạm vi bề rộng hữu hiệu thường không cần xem xét khi tính toán các đặc trưng tiết diện

Theo Điều 6.10.1.5 AASHTO, khi thiết kế dầm liên hợp chịu uốn, đặc trưng tiết diện của dầm thép sẽ được sử dụng cho các tải trọng tác động lên tiết diện chưa liên hợp (dầm thép, bê tông mặt cầu, tải trọng thi công), đặc trưng tiết diện liên hợp dài hạn sẽ được dùng cho các tải trọng dài hạn tác động lên tiết diện liên hợp (lan can, lớp phủ mặt cầu và các tiện ích), và đặc trưng tiết diện liên hợp ngắn hạn sẽ được dùng cho các tải trọng ngắn hạn (hoạt tải)

Các tĩnh tải có thể được xem như phân bố đều lên các dầm Sự phân bố hoạt tải tuỳ thuộc vào và khoảng cách các dầm S, chiều dài nhịp L, bề dày bản mặt cầu, tham số độ cứng dọc Kg, và sồ lượng dầm Nb (AASHTO 4.6.2.2.1)

Các kết cấu cầu phức tạp như cầu xiên và cầu cong thường được phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn

6 CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN VÀ QUI TRÌNH THIẾT KẾ

6.1 Các trạng thái giới hạn trong thiết kế

Cầu thép cần được thiết kế để thoả các yêu cầu đối với tất cả các trạng thái giới hạn qui định trong Tiêu Chuẩn Thiết Kế 22TCN 272-05 như Cường Độ I, Cường Độ II, Sử Dụng II, Mỏi I và II, và các trạng thái giới hạn Đặc Biệt Khả năng thi công cần phải được xem xét

6.2 Qui trình thiết kế

Qui trình thiết kế của dàm thép được mô tả trong lưu đồ sau đây

10

12

14

16

VÍ DỤ THIẾT KẾ (THAM KHẢO)

Sinh viên tham khảo ví dụ thiết kế để nắm được cách trình bày thuyết minh đồ án, phụ lục tính toán và bản vẽ thiết kế

Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM

Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng

Bộ Môn Cầu Đường

THUYẾT MINH ĐAMH

Thiết Kế Cầu Thép – BTCT Liên Hợp

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

Mục Lục

1 Tiêu chuẩn kỹ thuật 1

1.2 Quan điểm thiết kế 1

1.2.1 Tổng quan 1

1.2.2 Trạng thái giới hạn Sử dụng 1

1.2.3 Trạng thái giới hạn Mỏi và Nứt 2

1.2.4 Trạng thái giới hạn cường độ 2

2 Thông số thiết kế 2

2.1 Mặt cắt ngang điển hình 2

2.2 Tĩnh tải (DC, DW) 2

2.3 Hoạt tải (LL, IM) 3

2.4 Tổ hợp tải trọng 4

2.5 Vật liệu 6

2.5.1 Bê tông 6

2.5.2 Thép kết cấu 6

2.5.3 Cốt thép gia cường 6

2.5.4 Lớp bê tông bảo vệ 7

2.5.6 Hệ số sức kháng 7

3 Phân tích kết cấu 8

3.1 Kết cấu dầm thép 8

3.2 Kết cấu bản mặt cầu 8

3.3 Kết cấu lan can, dải phân cách 8

4 Phụ lục tính toán 8

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

1

1 Tiêu chuẩn kỹ thuật

Cầu và các kết cấu được thiết kế cho các trạng thái giới hạn quy định trong Tiêu chuẩn Thiết Kế Cầu (22TCN272-05) để đạt được các mục tiêu an toàn, khả năng thi công và bảo trì nhưng vẫn đảm bảo khả năng kiểm tra, tinh kinh tế và tính thẩm mỹ trong việc xem xét kéo dài tuổi thọ thiết kế của cầu và cấu trúc đến 100 năm

1.2 Quan điểm thiết kế

1.2.1 Tổng quan

Các yêu cầu liên quan đến an toàn của kết cấu được xây dựng dựa trên trạng thái giới hạn Một trạng thái giới hạn được hiểu có nghĩa là một trạng thái mà trong đó một cấu trúc chỉ có thể đáp ứng một yêu cầu nhất định

Theo AASHTO LRFD mỗi thành phần và kết nối phải đáp ứng phương trình sau đây cho mỗi trạng thái giới hạn, trừ trường hợp quy định

Σηi · γi · Qi = Σηi · Qd≤ ϕ · Rn = RrTrong đó

η Hệ số điều chỉnh tải trọng, một yếu tố liên quan đến yếu tố độ dẻo, độ dư thừa và

1.2.2 Trạng thái giới hạn Sử dụng

Trạng thái giới hạn sử dụng sẽ được lấy dựa trên ứng suất, biến dạng và bề rộng vết nứt trong điều kiện tải trọng sử dụng

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

1.2.3 Trạng thái giới hạn Mỏi và Nứt

Trạng thái giới hạn độ mỏi và đứt gãy liên quan đến hoạt tải xe cộ trùng phục và xung kích dưới tác dụng của một xe tải đơn

Trạng thái giới hạn đứt gãy được lấy dựa trên một tập hợp các yêu cầu về độ bền vật liệu theo Tiêu chuẩn vật liệu AASHTO

1.2.4 Trạng thái giới hạn cường độ

Trạng thái giới hạn cường độ được lấy dựa để đảm bảo rằng sức kháng và ổn định được thiết kế để chịu được các tổ hợp tải trọng đáng kể mà cầu dự kiến sẽ chịu trong thời gian tuổi thọ thiết kế của nó

Hệ số điều chỉnh tải trọng được tính như sau:

• Bê tông (cốt thép) : 24.5 kN/m3

• Bê tông (không cốt thép) : 23.2 kN/m3 (f’c ≤ 35MPa)

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

2.3 Hoạt tải (LL, IM)

Hoạt tải xe trên cầu hoặc kết cấu phụ trợ, hoạt tải thiết kế HL-93, sẽ bao gồm một tổ hợp tải trọng của:

• Xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế, và

• Tải trọng làn thiết kế

a) Xe tải thiết kế: LL

Các trọng lượng và khoảng cách giữa các trục và bánh xe cho xe tải thiết kế được thể hiện trong Hình 3-3 Hệ số xung kích sẽ được xem xét theo quy định tại Điều 3.6.2 trong 22TCN 272-05

Trừ trường hợp quy định tại Điều 3.6.1.3.1 và 3.6.1.4.1 trong 22TCN 272-05, khoảng cách giữa hai trục 145,000 N được thay đổi từ 4,300mm và 9,000mm để tạo ra các hiệu ứng lực cực hạn

c) Tải trọng làn thiết kế: LL

Tải trọng làn thiết kế bao gồm của một tải trọng 9,3 N/mm, phân bố đồng đều theo hướng dọc Nằm ngang, tải trọng thiết kế làn đường được giả định được phân bố đồng đều trên một chiều rộng 3,000mm Các tác dụng lực từ tải trọng làn thiết kế không tính lực xung kích

d) Tải trọng mỏi

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

Tải trọng độ mỏi sẽ là một xe tải thiết kế hoặc trục của nó quy định tại Điều 3.6.1.2.2, nhưng với một khoảng cách cố định 9,000mm giữa các trục 145,000 N

Lực xung kích cho phép quy định tại Điều 3.6.2 sẽ được áp dụng tải trọng độ mỏi

e) Lực xung kích cho phép: IM

Các hiệu ứng tĩnh học của các xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế, không phải là lực ly tâm và lực hãm, được gia tăng theo phần trăm quy định trong bảng lực xung kích cho phép

Các yếu tố để được áp dụng cho tải trọng tĩnh sẽ được lấy như sau: (1 + IM/100) Lực xung kích cho phép không được áp dụng cho tải trọng dành cho người đi bộ hoặc tải trọng làn xe thiết kế

Lực xung kích cho phép có thể được giảm cho các thành phần khác, không phải là mối nối cầu, nếu được điều chỉnh từ các luận chứng đầy đủ

Khi phân tích sự tương tác năng động giữa một cây cầu và hoạt tải là cần thiết, chủ đầu

tư quy định cụ thể và/hoặc phê duyệt độ nhám bề mặt, tốc độ, và các đặc tính động học của các phương tiện được sử dụng để phân tích Tác động được khai triển như một tỷ số giữa của lực động tương ứng cho lực tĩnh

Tải trọng động cho phép được sử dụng trong thiết kế không được ít hơn 50% tải trọng động cho phép quy định tại Bảng trên, ngoại trừ không được chiết giảm cho mối nối mặt cầu

2.4 Tổ hợp tải trọng

1) Phân loại tải trọng và các ảnh hưởng của tải trọng

Tải trọng và các ảnh hưởng của tải trọng được chia thành những ảnh hưởng thường xuyên và ảnh hưởng tức thời

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

5

2) Tải trọng thường xuyên

DC = tải trọng bản thân của các bộ phận kết cấu và thiết bị phụ phi kết cấu

DW = tải trọng bản thân của lớp phủ mặt và các tiện ích công cộng

Bảng 2-4 Hệ số tải trọng cho tải trọng dài hạn,

Loại tải trọng Hệ số tải trọng

0.90 0.90

N/A 1.00 0.90 0.90

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

• Kết cấu vùi mềm khác với cống hộp thép

• Cống hộp thép mềm

1.95 1.50

0.90 0.90

2.5 Vật liệu

2.5.1 Bê tông

1) Cường độ chịu nén của bê tông

Các cấp bê tông sau đây sẽ được giả thiết cho các mục đích tính toán (cường độ chịu nén 28 ngày f’c)

Bảng 2-5 Cấp bê tông

Cấp Cường độ Kết cấu Mô đun đàn hồi (MPa)

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

7

2.5.4 Lớp bê tông bảo vệ

Lớp bê tông bảo vệ sau đây được chỉ định, trừ khi có quy định khác

Bảng 2-8 Bề dày lớp bê tông bảo vệ

Vị trí Lớp bảo vệ tối thiểu (mm)

Cốt thép bản mặt cầu (lớp trên, lớp dưới) 50

2.5.6 Hệ số sức kháng

1) Trạng thái giới hạn Cường độ

Hệ số sức kháng phải phù hợp với Mục 5.5.4.2 trong Tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN272-05) và

Hướng dẫn của PTI (2007) như chỉ ra dưới đây:

Đối với nén dọc trục, liên hợp 0.90 Đối với kéo, đứt trong mặt cắt thực 0.80

Đối với ép mặt tựa trên các chốt, các lỗ doa, khoan hoặc bắt

Đối với bu lông ép mặt trên vật liệu 0.80 Đối với neo chịu cắt 0.85

Đối với bu lông A 307 chịu cắt 0.65 Đối với bu lông A 325M và A 490M chịu cắt 0.80

Đối với cắt khối 0.80 Đối với kim loại hàn trong các đường hàn ngấu hoàn toàn:

Cắt trên diện tích hữu hiệu Kéo hoặc nén trực giao với diện tích hữu hiệu Kéo hoặc nén song song với trục của đường hàn

0.85 Kim loại nền Kim loại nền Đối với kim loại hàn trong các đường hàn ngấu cục bộ:

Cắt song song với trục của đường hàn Kéo hoặc nén song song với trục của đường hàn

0.80 Kim loại nền

ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP – BTCT LIÊN HỢP THUYẾT MINH THIẾT KẾ

Nén trực giao với diện tích hữu hiệu Kéo trực giao với diện tích hữu hiệu

Kim loại nền 0.80 Đối với kim loại hàn trong các mối hàn:

Kéo hoặc nén song song với trục của đường hàn Cắt trong chiều cao tính toán của kim loại hàn

Kim loại nền 0.80

3.3 Kết cấu lan can, dải phân cách

Kết cấu lan can bao gồm 02 phần: gờ bê tông và lan can thép

Tính toán nội lực của lan can và dải phân cách theo qui định và hướng dẫn của qui trình thiết

kế 22TCN 272-05

4 Phụ lục tính toán

PHỤ LỤC TÍNH TOÁN

1 THÔNG SỐ THIẾT KẾ

1.1 Thông số nhịp

Lưu lượng xe tải trung bình trong ngày (01 làn xe) ADTTSL =

1.2 Kích thước mặt cầu

1.3 Vật liệu

50

22.52578.5

29440

20000040

60030

50180

50

35000

180180

11

11

500

34503450

6000

5000

2 CẤU TẠO DẦM

Hình dạng dầm cho mặt cắt giữa nhịp

2.1 Chiều cao sườn dầm

Dmin =

D =

(OK)345

bfb =

12mm300mm

2.4.2 Mặt cắt dầm cho phân đoạn 1&2

mmmmmmmm

2.5.2 Dầm ngang tại gối

10

2001020010580

10330350

+ Tải trọng bản thân mặt cầu

+ Tải trọng bản thân dầm ngang

+ Tải trọng bản thân sườn tăng cường

(b) Tĩnh tải tác dụng lên mặt cắt liên hợp (DC2)

- Tĩnh tải lan can bê tông

- Tĩnh tải lan can thép

- Xe hai trục thiết kế sẽ bao gồm một cặp trục 110,000 N cách nhau 1,200mm Khoảng cách ngang của bánh xe đ ược lấy

là 1,800 mm Tải trọng xung kích cho phép sẽ được xem xét

- Tải trọng làn thiết kế bao gồm của một tải trọng 9,3 N/mm, phân bố đồng đều theo hướng dọc Nằm ngang, tải trọng thiết kế làn đường được giả định được phân bố đồng đều trên một chiều rộng 3,000mm Các tác dụng lực từ tải trọng làn thiết kế không tính lực xung kích

- Tải trọng để tính toán độ võng do hoạt tải bao gồm giá trị lớn hơn giữa xe tải thiết kế (3 trục hoặc 2 trục) và 25% của

xe tải thiết kế (3 trục hoặc 2 trục) cùng với 100% tải trọng làn

- Hệ số xung kích lấy bằng 25% tính cho xe tải thiết kế Khi kiểm tra độ v õng, tất cả các làn xe đều được chất tải và các dầm được xem như chuyển vị như nhau

4/64

3.2.3 Tải trọng mỏi (A 3.6.1.4)

- Lực xung kích cho phép quy định tại Điều 3.6.2 sẽ được áp dụng tải trọng mỏi

3.2.4 Hoạt tải bộ hành

- Hoạt tải bôh hành thiết kế được lấy bằng 3kN/m2

3.2.5 Lực xung kích cho phép (IM) (Bảng 3.6.2.1-1)

1525

max

147.882.11

75

≤ 1.0

102.7147.8

1.5

Hệ số xung kích IM (%)

- Tải trọng mỏi là một xe tải thiết kế hoặc trục của nó quy định tại Điều 3.6.1.2.2, nh ưng với một khoảng cách cố định 9,000mm giữa các trục 145,000N

trong đó

ηD : Hệ số liên quan đến độ dẻo dai

ηR : Hệ số liên quan đến độ dư thừa

ηI : Hệ số liên quan đến tầm quan trọng khi vận hành

WL WS

Nén và uốn

Loại sức kháng

UốnCắt

0.901.00

6/64

3.5 Hệ số phân bố hoạt tải

- Tỉ số mô đun đàn hồi giữa thép và bê tông n =

3.5.3 Hệ số phân bố ngang hoạt tải

3.5.3.1 Hệ số phân bố hoạt tải cho momen

1) Phân bố hoạt tải theo làn xe cho momen của dầm trong

- Một làn thiết kế được chất tải

- Một làn thiết kế được chất tải

+ Khoảng cách từ mỗi trục xe đến mép ngoài mặt cầu

- Nhiều hơn hai làn thiết kế được chất tải

+ Khoảng cách từ mép trong lan can đến tim dầm ngoài

(OK)(OK)

3.5.3.2 Hệ số phân bố hoạt tải cho lực cắt

1) Phân bố hoạt tải theo làn xe cho lực cắt của dầm trong

- Một làn thiết kế được chất tải

- Nhiều hơn hai làn thiết kế được chất tải

2.0

2) Phân bố hoạt tải theo làn xe cho lực cắt của dầm ngoài

- Một làn thiết kế được chất tải

0.383 0.464

4.2 Bản mặt cầu chịu momen dương

4.2.1 Bề rộng bản mặt cầu tương đương

- Bề rộng bản mặt cầu cho dầm trong

Vdải phân cách

72.513.5922.66

60005000500

180180

6757501500

50504050180

1.485

1.010.00

0.25

4.501.13

0.5 × (1 + IM) × Mxe tải0.5 × (1 + IM) × Vxe tải

- Cường độ chịu nén bê tông f'c = MPa

- Mô đun đàn hồi của bê tông Ec = MPa

- Cường độ chịu kéo của bê tông fr = MPa

2944030

400200000

1.50 0.0

LL + IM

Momen uốn do tải trọng

Hàm lượng cốt thép tối đa

Khoảng cách từ thớ chịu kéo đến trọng tâm cốt thép

mm2

mm4mmmm

1.75

1.00Total

6924

-14

mmkNm

17.1

kNm-

0.1409

-

-10/64

Biến dạng trong cốt thép ở phía chịu kéo khi uốn ex × 1000 - 1.3045

Diện tích cốt thép khoang trong khoảng cách s Av mm2 157

K/cách từ TTH đến trọng tâm cốt thép chịu kéo ds - c mm 106Ứng suất trong bê tông tại vị trí cốt thép = Mu x (ds - c)/Ix ft_con Mpa 2.18

Ứ/suất kéo trong cốt thép ở GĐ sử dụng fs = Mu/(As x (ds - a/2)) fs Mpa 93.6