Thuyết minh đồ án thiết kế cầu máng

Sau khi so sánh các phương án đã chọn ra phương án xây dựng một cầu máng bằng bê tơng cốt thép... TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CẦU MÁNGTính nội lực trong các bộ phận cầu máng với các tổ

1 3

2

Hình 1 - Mặt cắt dọc cầu má ng

1 Thân máng 2 Trụ đỡ 3 Nối tiếp

2 1

3

4 5

THIÕT KÕ CÇU M¸NG

- -I- TÀI LIỆU THIẾT KẾ

Kênh dẫn nước N đi qua một vùng trũng Sau khi so sánh các phương án đã chọn

ra phương án xây dựng một cầu máng bằng bê tơng cốt thép Dựa vào địa hình, qua tínhtốn thủy lực và thủy nơng người ta đã xác định được kích thước và mức yêu cầu trongcầu máng như sau:

Các thơng số của cầu máng:

- Độ vượt cao an tồn δ =0,5m

- Vùng xây dựng cơng trình cĩ cường độ giĩ q g =1,2kN/m2

giã

2 day

,02,1.6,0

96,02,1.8,06

k

- Tải trọng do người đi lại qng = 200kg/m2 = 2kN/m2

Hình 2: Cắt ngang máng

II TÍNH TOÁN KẾT CẤU CÁC BỘ PHẬN CẦU MÁNG

Tính nội lực trong các bộ phận cầu máng với các tổ hợp tải trọng: cơ bản, đặc biệt,trong thời gian thi công Do thời gian có hạn nên trong đồ án chỉ tính toán cho mộttrường hợp tổ hợp tải trọng cơ bản

2.1 – Lề Người Đi

2.1.1 - Sơ đồ tính toán

Cắt ra 1m dài dọc theo chiều dòng chảy của cầu máng xem lề như một dầm côngxôn ngàm tại vị trí liên kết với vách máng Chọn bề rộng lề L1= 0,8 m Chiều dày lề thayđổi dần h1= 8÷12 cm Trong tính toán lấy chiều dày trung bình h =10 cm

,21.1,0.25

1.2

2 = =

q c ng

Tải trọng tính toán tổng cộng tác dụng lên lề người đi:

c bt bt tong n q n q

→ qtc = 1,05.2,5 + 1,2.2 = 5,025 (kN/m)

Bảng 1: Thống kê tải trọng tác dụng lên lề người đi

chuẩn

Hệ số tải trọng

Giá trị tính toán

(kNm)608

,12

8,0.025,52

2 2

l q M tt tt

Hình 2 -1: Biểu đồ nội lực lề người đi

a = 25 φ6

a = 20 φ8

b = 1m

FaM

.100.70.1

10.608,1.0,1.15,1

2

4

2 0

=

=

=

h b R m

M n k A

n b

c n

⇒ α = 1- 1−2A= 0,0422

Ta thấy A = 0,0413 < A0 = 0,438

2700.1,1

0422,0.8.100.70

=

a a

n b a

R m

bh R m

Bố trí 5Φ8/1m (Fa = 2,51 cm2)

Kiểm tra điều kiện cường độ theo lực cắt Q (Q max = 402 Kg)

• Chiều cao vách : HV =Hmax + δ = 2,3 + 0,5 = 2,8 m

(δ: độ cao an toàn, lấy δ = 0,5 m)

Hình 3 -1 : Biểu đồ nội lực lề người đi

Hình 4 - 1: Sơ đồ bố trí cốt thép lề người đi

• Bề dày vách thay đổi dần hV = 12 ÷ 20 cm.

2.2.2 - Tải trọng tác dụng

Do điều kiện làm việc của vách máng nên tải trọng tác dụng bao gồm :

• Áp lực nước tương ứng với Hmax: qn

• Áp lực gió (gồm gió đẩy và gió hút): qg (qgđ, qgh )

Các tải trọng này gây căng trong và căng ngoài vách máng

Các tải trọng gây căng ngoài: M1ề, qgd (xem hình 2-2a)

)(84,08,0.05,1.M);

(8,02

8,0.5,2

2 2

q

L l

c

)/(96,01.2,1.8,01

M);

kNm(,

l =08 =084

)kNm(,,

.Lq

Mc ng

2

8022

2 2

1 = =

=

)kNm(,,.,Mn

ng ng

qc gh g

gh= 1=06121=072

)m/kN(,,.,qn

gh g

Căng

trong

Căng

ngoài

Xét mặt cắt nguy hiểm nhất (mặt cắt ngàm):

L

gd M M

)kNm(, M);

kNm(,

M1c =08 1=084

2

8,2.96,02

2.2.3.2 - Trường hợp căng trong

Xét mặt cắt nguy hiểm nhất (mặt cắt ngàm)

gh n

ng M MM

M

)kNm(, M);

kNm(,

M1c =08 1=084

);

(64,

MÁNG

36,266

3,2.9,296

8,2.72,02

H q

l Q Q QQ

385,342

3,2.9,292

Hình 4 - 2: Biểu đồ nội lực vách máng (trường hợp căng trong)

2

4

2 0

=

=

=

h b R m

M n k A

n b

c n

⇒ A<A0 = 0,438 ⇒ Tính cốt đơn ⇒ α = 1 - 1−2A= 0,021

)(891,02700

.1,1

021,0.18.100.70.1

cm R

m

h b R m F

a a

n b

10.64,31.1.15,1

2

4

2 0

=

=

=

h b R m

M n k A

n b

c n

⇒ A<A0 = 0,438 ⇒ Tính cốt đơn ⇒ α = 1 - 1−2A= 0,175

)(42,72700

.1,1

175,0.18.100.70.1

cm R

m

h b R m F

a a

n b

Theo điều kiện hạn chế về hàm lượng cốt thép:

⇒ Chọn Fa = 3Φ12 và 2Φ16 /m (7,41 cm2)

*Kiểm tra điều kiện cường độ theo lực cắt:

MÁNG

Kiểm tra cho trường hợp căng trong ( kiểm tra theo trạng thái giới hạn thứ hai – Khi cấukiện đã xảy ra nứt)

).(62,3082,236,2664,08,

M M M M

gh

c n

c ng

c L

Điều kiện để cấu kiện không bị nứt:

qd

c k n

c

cM M R W

n ≤ =γ1

Trong đó

γ1: hệ số xét đến biến dạng dẻo của bê tông miền kéo

7517511

1 =mhγ= , = ,

- tra PL13,tiết diện hình chữ nhật nên γ=1,75 – PL14)

của tiết diện,

n

qd qd

xh

JW

−

=

Jqd: Mômen quán tính chính trung tâm của tiết diện quy đổi

xn : Khoảng cách từ mép biên chịu nén đến trọng tâm của tiết diện quy đổi

)(

2

'

' ' 0 2

a a

a a

n

F F n bh

a nF h nF bh x

++

E

(Tra phụ lục 9 được Ea = 2,1.106 kG/cm2, Phụ lục 6 được Eb = 2,1.105 kG/cm2)

⇒ xn=

)(

2

'

' ' 0 2

a a

a a

F F n bh

a nF h nF h b

++

++

=

)51,241,7.(

1020.100

2.51,2.1018.41,7.102

20

100 2

++

++

=10,187 (cm2)

2 ' '

2 0

3 3

)(

)(

3

)(

x h b bx

1003

187,10

= 72942,266 (cm4)

Wqđ =

187,1020

266,72942

−

=

qđ x h

+ an1: bề rộng khe nứt do tải trọng tác dụng dài hạn.

η- Hệ số xét đến tính chất bề mặt cốt thép, lấy bằng 1 với thép có gờd- Đường kính cốt thép (mm)

=

3 , 15 41 , 7

=

3 , 15 41 , 7

F

)

10 1 , 2

200 321,06 −

an = 0,12 + 0,005 = 0,125 mm < angh = 0,24 mmKết luận: Vậy bề rộng khe nứt đảm bảo yêu cầu thiết kế

2.3 - ĐÁY MÁNG

2.3.1 - Sơ đồ tính toán

Cắt 1m dài vuông góc với chiều dòng chảy, đáy máng được tính như một dầm liêntục 2 nhịp có gối đỡ là các dầm dọc

Sơ bộ chọn kích thước đáy máng như sau:

- Chiều dày bản đáy hđ = 25 cm

- Bề rộng đáy máng B =3,1 m

- Chiều dài nhịp l = 0,5(B+2h4-bd) = 0,5.(3,1+2.0,2-0,3)= 1,6m(chọn bề rộng dầm đỡ là: bd = 30 cm; h4= 20 cm)

2.3.2 - Tải trọng tác dụng

+ Tải trọng bản thân:

m kN h

q c b d

d =γ 1=25.0,25.1=6,25 /

)/(56,625,6.05,1

n

d d

max max max = q H =

2 = =

=

)/(69,141.13,1.10.3,11

n

ngh n

).(13,36

13,1.69,146

m kN H

q M

c ngh ngh

c

Mngh = nn.M ngh c = 1.3,13 = 3,13 (kN.m)

+ Tải trọng gió:

).(763,

3 kN m

M c

).(82,

, M

; (kNm)

M);

(8,02

8,0.5,2

2 2

q

L l

Giá trị tiêu chuẩn

Hệ số tải trọng

Giá trị tính toán

nước nguy hiểm

MÁNG

b, Nội lực do áp lực nước ứng với Hmax (qmax, Mnmax):

c, Nội lực do áp lực nước ứng với Hngh (qngh, Mngh):

d, Nội lực do tải trọng người đi lề bên trái (Mng):

e, Nội lực do tải trọng người đi lề bên phải (Mng):

f, Nội lực do áp lực gió thổi từ trái sang phải (Mgđ , Mgh):

g, Nội lực do áp lực gió thổi từ phải sang trái (Mgđ , Mgh):

Mng= 0,768 kNm

= 3,67 kNm g®

Q

Q M

M

Q

MÁNG

2.3.4 - Tính toán bố trí cốt thép đáy máng

2.3.4.1 - Trường hợp gây mô men căng trên lớn nhất tại mặt cắt sát vách:

(Dẫn nước trong máng với chiều cao Hmax , người đi lề bên trái và có gió thổi từ phải sang trái)

).(64,3167,377,036,2684,0

,011

,022.100.70.1

316400

1.15,1

0 2

2 0

M n k

A

n b

c

2700.1,1

117,0.22.100.70.1

cm R

m

h b R m F

a a

n b

→ Chọn Fa= 5Φ14/1m (7,69 cm2)

2.3.4.2 - Trường hợp gây mô men căng dưới lớn nhất tại mặt cắt giữa nhịp.

(Dẫn nước trong máng với chiều cao Hngh , người đi trên lề phải và có gió thổi từ trái sang phải)

Vị trí mômen lớn nhất ứng với (x/L = 0.8) tức là tại mặt cắt cách đầu mép trái dầm mộtkhoảng x = 0,8 m

).(086,5576,208,057,186,0

,0017

,022.100.70.1

50860.1.15,1

0 2

2 0

M n k

A

n b

c

2700.1,1

017,0.22.100.70.1

cm R

m

h b R m F

a a

n b

M

Q

→ Chọn Fa= 5Φ10/1m (3,93 cm2).

2.3.4.3 - Trường hợp gây mô men căng trên lớn nhất tại gối giữa:

(Dẫn nước trong máng với chiều cao Hngh , không có người đi trên lề và có gió thổi từ phải sang trái hoặc ngược lại)

).(0422,52622,014,364,1

,0017

,022.100.70.1

50422.1.15,1

2 0

017,0.22.100.70.1

cm R

m

h b R m F

a a

n b

→ Chọn Fa= 5Φ10/1m (3,93 cm2)

Kiểm tra cường độ trên mặt cắt nghiêng:

Kiểm tra tại mặt cắt sát vách máng

)(34,4913,21,058,078,4175,

Q Q Q Q

MÁNG

2.3.5 - Kiểm tra nứt:

Kiểm tra tại 2 mặt cắt sát vách và giữa nhịp

Điều kiện để cấu kiện không bị nứt (theo trạng thái giới hạn 2):

qd

c k n

h

xh

JW

,, m

γ1: hệ số xét đến biến dạng dẻo của bê tông miền kéo

7517511

1 =mhγ= , = ,

nên mh=1,tiết diện hình chữ nhật nên γ=1,75)

của tiết diện

Jqd: Mômen quán tính chính trung tâm của tiết diện quy đổi

xn : Khoảng cách từ mép biên chịu nén đến trọng tâm của tiết diện quy đổi

)(

2

'

' ' 0 2

a a

a a

n

F F n bh

a nF h nF h b x

++

a n

c b

2

'

' ' 0 2

a a

a a

F F n bh

a nF h nF h b

++

++

)93,369,7.(

1025.100

3.93,3.1022.69,7.102

25

100 2

=+

+

++

2 ' '

2 0

3 3

)(

)(

3

)(

x h b bx

4 2

2 3

3

64,140646)

364,12.(

93,3.10)64,1222.(

69,7.103

)64,1225.(

1003

−+

−+

Wqđ = 11379,18 3

64,1225

64,140646

cm x

h

J n

n R W

n c c

kNm M

M

gh

c ng

c

Tính bề rộng khe nứt a theo công thức kinh nghiệm:

d E

c k

c k

271600

F

M a

c dh

34600

F

M a

c ngh

69,7

o

a h b F

mm

a n 7.(4 100.0,00349) 14 0,099

10.1,2

20069,1888.1.3,1

20061,240.1.1

⇒ a = an1 + an2 = 0,099 + 0,0024 = 0,101 mm <angh=0,24 mm

Kết luận : Vậy bề rộng khe nứt đảm bảo yêu cầu thiết kế

2.3.5.2 - Đối với mặt cắt giữa nhịp

).(446,4984,1072,057,182,

M M M M

2

'

' ' 0 2

a a

a a

F F n bh

a nF h nF h

b

++

++

)69,793,3.(

1025.100

3.69,7.1022.93,3.102

25

100 2

=+

+

++

2 ' '

2 0

3 3

)(

)(

3

)(

x h b bx

10 m

q

B B/2

Dầ m bê n bd Dầm đỡ giữahd

1003

36,12

= 140646,645 cm4

Wqđ = 11127,11 3

36,1225

645,140646

cm x

h

J n

Tách dầm giữa bằng 2 mặt cắt dọc máng Tính tốn theo tiết diện chữ T Sơ đồtính là dầm liên tục 4 nhịp cĩ các gối tựa là các trụ đỡ

SVTH: Đ ặng Đình Duy 20 GVHD: Lê Đình Phát

2.4.2 - Tải trọng tác dụng

+ Tải trọng bản thân

(0,8.0,3 1,25.0,25).1 13,81( / )

251

q c b

)/(5,1481,13.05,1

n

d d

+ Tải trọng nước (tương ứng với cột nước Hmax)

)/(35,463,2.55,1.10.3,1

2

n

n n

Hệ số vượt tải

Giá trị tính toán

2.4.3 - Xác định nội lực:

Dựa vào tải trọng tác dụng tổng cộng lên dầm đỡ giữa, ta vẽ được biểu đồ bao nội lực M,

Q của dầm như hình vẽ sau:

SVTH: Đ ặng Đình Duy 21 GVHD: Lê Đình Phát

Q M

MÁNG

2.4.4 - Tính toán cốt thép :

Tính thép cho 2 mặt cắt có mô men căng trên và căng dưới lớn nhất

2.4.4.1 - Trường hợp căng trên.

Tiết diện chữ T cánh nằm trong miền kéo

Kích thước tính toán của tiết diện như hình bên:

6512700

1.15,1

0 2

2 0

M n k

n b

c n

Vì A >0,5 nên ta phải chọn lại kích thước của tiết diện Chọn b = 40 cm và tính lại nội lực

trong dầm, ta có:

+ Tải trọng bản thân

(0,8.0,4 1,15.0,25).1 15,19( / )

251

q c b

)/(95,1519,15.05,1

n

d d

6667800

1.15,1

0 2

2 0

M n k

A

n b

c n

và A <0,5 =>Tính toán cốt kép

30

155 25

Q M

2 2

' 0 '

0

2 0

)476.(

2700.1,1

438,0.76.40.70.16667800

1.15,1)

R m

A bh R m M n k

F

a a

n b c

0

0 2,73 49,3

2700.1,1

65,0.76.40.70.1

cm F

R m

bh R m

a a

n b

=

=

)27,49(

402323

)36,2(103

2

2 '

cm F

F

cm F

a a

a

φφ

' 0 '

c c n b

h h b R m

kn.nc.M < Mc ⇒ trục trung hòa đi qua cánh (x ≤h0)

Tính toán cốt thép tương tự như đối với tiết diện chữ nhật b c'xh=155x80cm

76.155.70.1

4808900

1.15,1

2 2

0

h b R m

M n k

c n b

c n

c n b a

R m

h b R m

F

2700.1,1

092,0.76.155.70.1

Chọn Fa = 4Φ28 (Fa = 24,63 cm2)

Kiểm tra cường độ trên mặt cắt nghiêng và tính cốt thép ngang:

Kiểm tra cho mặt cắt có lực cắt lớn nhất (Qmax = 378,18 kN = 37818kg)

h b R m c n

k b

5,

37818.1.15,1

76.40.3,6.9,0.5,

8

Q n k

h b R m c n

k b

)37818.1.15,1(

76.40.3,6.9,0.8.503,0.2.2150.1,

m a ad đ

92,23710

503,0.2.2150.1,1

2.4.5 - Kiểm tra nứt và tính bề rộng khe nứt

Điều kiện để dầm không bị nứt:

qd

c k n

h

xh

J W

; m

−

=γ

=

γ1

Kiểm tra cho 2 mặt cắt có mô men dương và âm lớn nhất

2.4.5.1 - Trường hợp căng dưới

Ta có biểu đồ nội lực ứng với qc =qd + qc

Tiết diện chữ T : b=40 cm, h=80 cm, bc’=155 cm, hc’=25 cm, a =a’= 4cm,h0 =76 cm,

)(

2)(2

' '

'

' 0

2 ' '

2

a a c

c

a a

c c

F F n h b b bh

a nF h nF

h b b h b

++

−+

++

−+

=

)27,4963,24.(

1025)

40155(80.40

4.27,49.1076.63,24.102

25)

40155(2

80

++

−+

++

−+

= 27,1 cm

2 ' '

2 0

3 3

' '

3 '

)(

)(

3

)(

3

))(

(

x h b h

x b b x

3 3

3

)41,27.(

27,49.10)1,2776.(

63,24.10

3

)1,2780.(

403

)251,27).(

40155(3

1,27.155

−+

−+

+

−+

92,3853617

cm x

h

J n

c k

,64.63,24

4750200

2

1

cm kg Z

F

M a

20049,2985.1.3,1

=

an < angh = 0,24 mm

Vậy bề rộng khe nứt đảm bảo yêu cầu thiết kế

2.4.5.2 - Trường hợp căng trên

MÁNG

h0 =76 (cm); Fa = 49,27 (cm2); F’a= 24,63 (cm2)

xn =

)(

)(

)2()(2

' '

'

' 0

' '

2

a a c

c

a a

c c

c

F F n h b b bh

a nF h nF

h h h b b h b

++

−+

++

−

−+

=

)63,2427,49.(

1025)

40155(80.40

4.63,24.1076.27,49.10)2

2580.(

25)

40155(2

80

40 2

++

−+

++

−

−+

= 52,9 cm

2 ' '

2 0

3 3

3 '

3

'

)(

)(

3

)(

3

))(

(3

)(

x h b h

x h b b x b b x

3 3

3 3

)49,52.(

63,24.10)9,5276.(

27,49.10

3

)9,5280.(

1553

)259,5280).(

40155(3

9,52)

40155(3

9,52.155

−+

−+

+

−+

92,1421999

,5280

92,3853617

c k

,56.27,49

6586500

2

1

cm kg Z

F

M a

mm

a n 7.(4 100.0,016) 40 0,143

10.1,2

20099,2376.1.3,1

Ta tính toán kiểm tra độ võng cho mặt cắt giữa nhịp dầm đầu tiên vì mặt cắt này có

Tính độ cứng khi tải trọng tác dụng dài hạn (Bdh) và ngắn hạn (Bngh):

( )a

a a ngh

ngh dh

xhZFEB

BB

Trong đó :

Ea – mô đun đàn hồi của cốt thép

Fa – diện tích cốt thép

Z1 – cánh tay đòn nội ngẫu lực

x - chiều cao trung bình của bê tông vùng chịu nén

7,01

n

T L h

x

10

518,1

4750200

2 =

)21.(

' ' δ

' ' ( )

bh

F

n h b

υ

76.40

27,49.15.0

1025)

40155(

25

0

' ' = = =

h

h c

δ

69,1)2

33,01.(

63,24

=

518,1

++

+

cm h

7.0

09,

).(

ξγδ

)067,003,2.(

2

067,003,2.33,01

=

=

1

.Z F

M a

c a

78,63.63,24

cm kg

,0

)34,876.(

78,63.63,24.10.1,2).(

adh

a a

ψ

).(10.01,25

,1

10.02,

cm kg

201000

1

]

)19,1.43,283.07,6.3

279,0.65,658.07,6.2

159,1.02,475.07,6.2

MÁNG

500

182

,512

110

Chính vì vậy khi thiết kế công trình bê tông cốt thép khó nhất là làm sao bố trí thépcho hợp lí, vừa đảm bảo yêu cầu kỹ thuật, vừa tiết kiệm, vừa dễ thi công - điều này khôngchỉ yêu cầu về kiến thức chuyên môn mà còn cả về kinh nghiệm thực tế Đang là sinhviên ngồi trên ghế nhà trường, khi làm xong đồ án này chúng em cũng đã phần nào hiểuđược công việc và trách nhiệm của một người kỹ sư kết cấu khi thiết kế một công trình

bê tông cốt thép Trong đồ án môn học này, do thời gian và kiến thức có hạn nên chắcchắn còn nhiều khuyết điểm và hạn chế, rất mong được sự chỉ bảo tận tình từ phía cácthày cô để em được thêm hoàn thiện kiến thức của mình Cuối cùng chúng em xin chân

thành cảm ơn thày Lê Đình Phát đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án môn học này.

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 16 tháng 10 năm 2009

Sinh viên thực hiện

Nhóm 2