THIẾT KẾ TRỤ CẦU

THIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦUTHIẾT KẾ TRỤ CẦU

Chương XII

THIẾT KẾ TRỤ CẦU

1 GIỚI THIỆU CHUNG:

Trụ mang kết cấu nhịp là loại trụ thân đặc BTCT không dự ứng lực Toàn cầu có

2 trụ chính

Tên trụ tính toán: T1

Quy trình tính toán: Theo tiêu chuẩn 22 TCN - 272 - 05

2 KÍCH THƯỚC HÌNH HỌC CỦA TRỤ:

MẶT BÊN TRỤ MẶT ĐỨNG TRỤ

Hình 1 Các kích thước chung của trụ

Tên trụ tính toán T1 Đơn vị

3 CAÙC LOAẽI TAÛI TROẽNG TAÙC DUẽNG LEÂN TRUẽ:

3.1 Tĩnh tải bản thân và lớp phủ mặt cầu của kết cấu nhịp truyền xuống trụ:

3.2 Tĩnh tải do các thành phần của trụ

Công thức chung để xác định tĩnh tải cho các thành phần của trụ là :

Pi = Vi i Trong đó:

Pi : trọng lượng của cấu kiện

3.3 Hoạt tải người đi bộ:

P : TảI trọng trục xe

V : Vận tốc thiết kế đường ô tô = 60 km/h

g : Gia tốc trọng trường

3.6 Tải trọng gió tác động lên công trình :

 Phương dọc cầu

- Đối với kết cấu phần trên là giàn hay các dạng kết cấu khác có một bề mặt cản gió lớn song song với tim dọc của kết cấu thì phải xét tải trọng gió dọc Vì vậy ở

đây ta không phải tính đến tải trọng gió dọc

 Phương ngang cầu

- Tải trọng gió ngang PD phải đợc lấy theo chiều tác dụng nằm ngang và đặt tại trọng tâm của các phần diện tích thích hợp, đợc tính nh sau:

S : Hệ số điều chỉnh

Tốc độ gió xét thêm : V25 = 25m/s

3.6.1 Tải trọng gió tác động lên công trình :

* Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu nhịp:

PD = 0.0006 V2 At Cd > 1.8 At (kN)

Trong đó :

V : Tốc độ gió thiết kế

At : Diện tích kết cấu hay cấu kiện phải tính gió ngang trạng thái không có hoạt tải tác dụng

Cd : Hệ số cản tra bảng trong quy trình

Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu phần trên

KÕt

* Tải trọng gió tác dụng lên kết cấu phần dưới:

- Theo phương dọc cầu :

Diện tích phần thân trụ chịu tải trọng gióù dọc: 39.9 m2

- Theo phương ngang cầu :

Diện tích phần thân trụ chịu tải trọng gióù ngang : 14.3 m2

3.6.2 Tải trọng gió tác động lên xe cộ :

 Phương dọc cầu

- Áp lực gió dọc tác dụng lên xe cộ đợc lấy bằng 0.75 kN/m, tác dụng theo

hướng nằm ngang, song song với tim dọc kết cấu cầu và đặt cách mặt đường:

h = 1.80 m Bề rộng phần xe chạy = 8.00 m

Qz =0.75kN/m * 8.00m

 Phương ngang cầu

- Áp lực gió ngang tác dụng lên xe cộ được lấy bằng 1.5 kN/m, tác dụng theo

hướng nằm ngang, ngang với tim dọc kết cấu và đặt cách mặt đường:

3.6.3.Tải trọng gió thẳng đứng tác động lên xe cộ :

- Chỉ tính tải trọng này cho các trạng thái giới hạn không liên quan đến gió lên hoạt tải và chỉ tính khi lấy hướng gió vuông góc với trục dọc của cầu

- Phải lấy tải trọng gió thẳng đứng PV tác dụng vào trọng tâm của diện tích thích hợp theo công thức:

PV = 0.00045*V2*AV (kN)

Trong đó:

V :Tốc độ gió thiết kế

V = 38.00 m/s

AV : Diện tích phẳng của mặt cầu

Ta quy đổi về tải trọng rải đều dọc cầu bằng cỏch thay Av bằng chiều rộng mặt cầu = 12.6 m

Pv =7.5kN/m

Tính N :

N = Pv *  (kN)

3.7.Lực va xô tàu thuyền (CV) :

- Lực va đâm thẳng tàu vào trụ tính theo công thức :

3.9 Aùp lực dòng chảy (SP)

3.9.1.Aùp lực dòng chảy theo chiều dọc :

Py = 5.14•10-4•CD•V2 (3.7.3.1 22TCN272-05)

Trong đó:

Py :áp lực dòng chảy (MPa)

Cd :hệ số cản của trụ (tra bảng 3.7.3.1-1 ta có Cd = 0.7)

V :vận tốc nước thiết kế V=1.6 m/s

Cl : hệ số cản theo chiều ngang (tra bảng 3.7.3.2-1 ta có Cl =0.5)

V : vận tốc nước thiết kế V = 1.6 m/s

TỔ HỢP TẢI TRỌNG TẠI MẶT CẮT ĐÁY BỆ

BẢNG TẢI TRỌNG XÉT TỚI MẶT CẮT ĐÁY BỆ (A-A)

Tải trọng

Hệ

Cấu kiện + thiết bị phụ DC DC -58448 - - - -

Lực do nhiệt độ biến đổi đều TU  TU  - - - - -

biệt 0.90 0.65 0.75 0.50 1.00 - - 1.00 - - - 1.00 1.0 1.0 SDI 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 0.30 1.00 1.00 1.20 0.50 1.00 1.00 - - SDII 1.00 1.00 1.00 - 1.00 0.30 - 1.00 1.20 1.00 1.00 1.00 - -

TỔ HỢP TẢI TRỌNG MẶT CẮT ĐÁY BỆ (A-A)

4.1 Kiểm toán mặt cắt đỉnh trụ :

Các kích thước hình học của mặt cắt đỉnh móng

Các thông số kỹ thuật của trụ :

Bảng tổ hợp tải trọng tới mặt cắt đỉnh móng

4.1.1 Tính toán cấu kiện chịu nén (Theo điều 5.7.4):

4.1.1.1 Lý thuyết tính toán

a) Xác định Mrx và Mry: sức kháng tính toán theo trục x và y (Nmm)

Mrx =  As fy (ds - a

2 ) Trong đó:

j = 0.9 với cấu kiện chịu uốn

ds: khoảng cách từ trọng tâm cốt thép tới mép ngoài cùng chịu nén (trừ đi lớp bêtông bảo vệ và đường kính thanh thép)

fy: giới hạn chảy của thép

As: bố trí sơ bộ rồi tính diện tích thép cần dùng theo cả hai phương

Xét tới hiệu ứng độ mảnh:

+ Tính các bán kính quán tính

rx , ry = Jx

A Chú ý là tính cho mặt cắt nguyên

+ Chiều dài thanh chịu nén lu: phụ thuộc vào chiều cao cấu kiện cần tính toán

+ Tính tỉ số độ mảnh: K.lu

rx y Trong đó:

K: hệ số chiều dài hữu hiệu, với cột không thanh giằng, K = 2

(theo Giáo trình Thiết kế kết cấu bêtông theo tiêu chuẩn ACI")

Cm = 1

j = 0.75

Pe: lực nén dọc trục Euler

E: mođun đàn hồi của bêtông

I: moment quán tính mặt cắt với trục đang xét

b) Xác định theo công thức (b): (còn gọi là phương pháp số đo Bresler)

- Tính ra trị số Prxy , so sánh với Pu, nếu lớn hơn là đạt

- Xác định Prx, Pry: sức chịu tải dọc trục nhân hệ số tương ứng ex và rt (hàm lượng cốt thép)

t = number of bars areas

x =

Muy

Pu x Từ hai giá trị rt và ex , tra hình A9 hoặc A10, A11 hoặc cả 3 hình để tìm ra các giá trị Prx và Pry Nội suy tuyến tính, phụ thuộc vào g

g : tỉ số khoảng cách giữa các tâm của các lớp thanh cốt thép ngoài biên trên toàn bộ chiều dày cột

4.1.1.2 Nội dung kiểm toán :

Tổ hợp dùng để kiểm tra là : Cườngđộ I

Kiểm tra điều kiện uốn hai chiều (Theo điều 5.7.4.5)

- Nếu Pu > 0.1 f f'c Ag thì kiểm tra theo điều kiện:

- Nếu Pu > 0.1 f f'c Ag thì kiểm tra theo điều kiện:

MuxMru +

MuyMry  1 Cụ thể như sau:

f Hệ số sức kháng đối với cấu kiện chịu nén dọc trục f 0.75

Pu Lực dọc trục tính toán lớn nhất P u 63192 kN

Po = 0.85 f' c (A g - A st ) + A st f y Po kN

Pry Sức kháng dọc trục tính toán khi chỉ có độ lệch tâm ey Pry kN

Prx Sức kháng dọc trục tính toán khi chỉ có độ lệch tâm ex Prx kN

Số lượng cốt thép theo phương dọc :15  25@20, As = 7359.375 mm2

Tính Pr x

Độ lệch tâm so với chiều rộng ex

x

ex

Cốt thép bên ngoài biên trên toàn bộ chiều dày cột

Tra bảng trong sách ACI, chú ý đơn vị Ksi .Prx

Tính Pr y

Độ lệch tâm so với chiều rộng ey

y

ey

Cốt thép bên ngoài biên trên toàn bộ chiều dày cột

Tra bảng .Pry

b.h = 1.76 Ksi Suy ra

4.1.2 Kiểm tra khả năng chịu cắt của thân trụ

4.1.2.1 Lý thuyết tính toán:

d b c f V

Vn

n

v v n

2

1 0 25 ' min

Av : diện tích cốt thép đai

q : góc nghiêng của ứng suất nén chéo, q = 45o

S

OK Av

Av

OK Vr Vu

600 max min

4.1.2.2 Nội dung kiểm toán:

Vn2 Một trong 2 giá trị của Vn = min(Vn1,Vn2) 0.25 f'c bv dv 131561.9 kN

Hạng mục Kí hiệu Giá trị Đ.vị

Bảng tính toán khả năng chịu cắt do các tổ hợp :

Các

4.1.3 Kiểm tra nứt : (theo điều 5.7.3.4)

4.1.3.1 Lý thuyết tính toán:

Tổ hợp dùng để kiểm toán là Sử Dụng

- Điều kiện kiểm toán

fsa fs

6 0

- Tính: fsa = Z

(dc.A)1/3

Diện tích thanh lớn nhất Trong đó:

As: diện tích toàn bộ thép

Ms : moment ở trạng thái giới hạn sử dụng

4.1.3.2 Nội dung kiểm toán

Tổ hợp dùng để kiểm tra là TTGH Sử dụng

fs = Ms

As j d

(dc A)1/3 Mx,My : Giá trị mô men lớn nhất của tổ hợp tảI trọng sử dụng

As : Tổng diện tích cốt thép chịu kéo

n : Tỉ số mô đun đàn hồi, n = Es

Khống chế nứt bằng phân bố cốt thép theo phương dọc Y

4.2 Kiểm toán mặt cắt đáy móng :

Bảng tổ hợp tải trọng tới mặt cắt đáy móng

4.2.1 Kiểm tra cấu kiện chịu uốn

Tổ hợp dùng để kiêm tra Cườngđộ III

Sức kháng uốn của cấu kiện

Mr = f Mn

Trong đó:

f : Hệ số sức kháng, f = 0.90

As : Diện tích cốt thép thường chịu kéo, chọn 40 thanh f25, As = 20268.0

mm2

A's : Diện tích cốt thép thường chịu nén, chọn 0 thanh f16, A's = 0.00 mm2

f'y : Giới hạn chảy quy định của cốt thép chịu nén, f'y = 420.00 MPa

ds : Khoảng cách từ tâm cốt thép chịu kéo đến mép chịu nén, ds = 2410 mm d's : Khoảng cách từ tâm cốt thép chịu nén đến mép chịu kéo, d's = 2410

mm

b1 : Hệ số chuyển đổi biểu đồ ứng suất, b1 = 0.85

hf : Chiều dày bản cánh chịu nén, hf = 0.0 mm

c : Khoảng cách từ trục trung hoà đến mặt chịu nén, c = 43.64 mm

Kiểm tra khả năng chịu lực :

4.2.2 Kiểm tra lượng cốt thép tối thiểu

Tỷ lệ giữa thép chịu kéo và diện tích nguyên rmin phải thoả mãn:

r min > 0.03 f'c

fy Trong đó:

r min = 0.0021

0.03 f'c

fy = 0.0020  ĐẠT

4.2.3.Kiểm tra lượng cốt thép tối đa

c

de < 0.42 Trong đó:

c

4.2.4 Kiểm tra cấu kiện chịu cắt

Tổ hợp dùng để kiểm tra là Cườngđộ I

 : Hệ số sức kháng, f = 0.9

dv : Chiều cao chịu cắt hữu hiệu, dv = 2320.0 mm

Diện tích cốt đai chịu cắt trong cự ly s, chọn 8 thanh f16, Av = 1588.8 mm2

Vs : Sức kháng cắt của cốt thép chịu cắt, Vs = 39320.3 (kN)

Tổ hợp P(kN) Hy(kN) Mx (kNm) Hx(kN) My (kNm)

Độ lệch tâm theo phương ngang cầu cho phép : Ex =4.500 (3/8A,A=12m)

Độ lệch tâm theo phương dọc cầu : Ey = 3.375 (3/8B,B=9 m)

Độ lệch tâm theo phương dọc cầu :

ex = Mx/P Độ lệch tâm theo phương ngang cầu :

ey = My/P + Điều kiện : ex < e.Ex => ĐạT

ey < e.Ey => ĐạT

TỔ HỢP Độ lệch tâm(dọc) Kiểm tra Độ lệch tâm(ngang) Kiểm tra

4.2.6 Kiểm toán ứng suất đáy móng theo phương dọc cầu

Cường độ cho phép của đất nền [ R]= 1.000 Mpa

Tổ hợp Ứng suất Max (MPa) Kiểm tra Ứùng suất Min (mpa) Kiểm tra

4.2.7 Kiểm toán chống lật

Độ lệch tâm theo phương ngang cầu cho phép

ey = My/P

ey < e.Ey => OK

TỔ HỢP Độ lệch tâm(dọc) Kiểm tra Độ lệch tâm(ngang) Kiểm tra

5 BỐ TRÍ VÀ KIỂM TRA SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

Sử dụng cọc khoan nhồi đường kính D = 1500 mm , chiều dài cọc L= 40 m

5.1.Tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu

- Công thức tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu :

Qcoc = φ.(0,85.fc’.Ac + fy.As)

Trong đó :

+) fc’ : Cường độ chịu nén của bê tông tuổi 28 ngày

+) AC : Diện tích phần bê tông của tiết diện cọc

+) fy : Giới hạn chảy của thép chế tạo cọc

+) AS : Diện tích phần cốt thép của tiết diện cọc

+) φ : Hệ số sức kháng , với kết cấu chịu nén ta lấy φ = 0,75

- Bảng tính toán sức chịu tải của cọc theo vật liệu

5.2 Tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền

- Bảng số liệu địa chất khảo sát tại khu vực thi công cọc móng mố

STT Loại đất H(m) N e B g

T/m3

C KG/cm2

φ (độ)

R' KG/cm2

- Theo Reese và Wright (1977 ) ta có : qP = 0,064 N (Mpa), qS = á.Su

Trong đó :

+) N : Số búa SPT chưa hiệu chỉnh (búa /300 mm)

+) á : Hệ số dính bám

+) Su : Cường độ kháng cắt không thoát nướ trung bình Giá trị Su phải được

xác định từ kết quả thí ngiệm hiện trường hoặc kết quả trong phòng thí nghiệm của

các mẫu nguyên dạng lấy trong khoảng độ sâu 2D ở dưới chân cọc

Giá trị Su còn được tính theo công thức : Su = s.tg φ + C

- Bảng tính toán sức chịu tải của cọc theo đất nền :

+) Sức kháng tại thân cọc :

N

Su (kN/m2)

a

qs (kN/m2)

cứng

Cát pha lẫn sỏi sạn 1.5 9.0 40.7 15 130.6 0.7 123.7 3845.68 0.45

+) Sức kháng mũi cọc :

-> Sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền :

93363

3,1

+) Qcoc : Sức chịu tải tính toán của cọc : Qcoc = 10341.048 (KN)

+) P : Tổng áp lực thẳng đứng truyền lên bệ cọc : P = 93363 (KN)

=> Số cọc bố trí trong móng là n = 12 (cọc) Bố trí thành 3 hàng mỗi hàng 4 cọc

- Chiều dài cọc bố trí là 40 m

Sơ đồ bố trí cọc trong bệ móng:

Các giả thiết tính cọc bệ cao đối xứng:

- Cọc được liên kết ngàm cứng trong đài và ngàm trượt trong đất lại độ sâu LN

- Đài cọc coi như cứng tuyệt đối

- Mỗi tiết diện cọc được coi như đối xứng so với trục bất kỳ đi qua trọng tâm của nó

- Mỗi tiết diện coi như đều phẳng sau khi chịu uốn

Nguyên lý tính toán:

- Với các giả thiết như trên, bệ cọc được tính theo phương pháp chuyển vị, mỗi cọc

đều có 3 chuyển vị theo phương x, phương y và góc quay

5.4.1.1 Xác định sơ đồ tính móng

Móng cọc có thể tính theo sơ đồ móng cọc bệ cao hay bệ thấp tùy thuộc vào cao độ

đáy móng trong đất

Tổ hợp tải trọng tính toán theo phương dọc cầu là tổ hợp tải trọng phụ dọc cầu I với các giá trị :

Trong đó :

 : là góc nội ma sát của lớp đất từ đáy bệ trở lên , đất sét pha cát =22o

H = 2536.58 kN

a : là kích thước bệ theo phương ngang cầu, a =16 m

25114

45114

3114

3, *

= 0,331 m3

- Độ cứng của cọc khi chịu nén và chịu uốn:

E.F = 31.51061.766 = 55.629106 kN E.J = 31.5 106 0.248 = 7.824 106 kN.m2

- Hệ số hình dạng tiết diện ngang của cọc ống: k = 0.9

- Chiều rộng tính toán của cọc ống: att= 0.9*(D+1) = 2.25 m

- Chiều dài của đoạn cọc ngàm trong đất L1 = 19 m

- Xác định chiều dài chịu uốn của cọc LM:

+ Xét 2**d = 2* 6 *1.5 = 18 m

Trong đó :

- Chiều dài chịu nén của cọc: LN =L = 19 m

Nội dung tính toán:

- Xác định phản lực đơn vị

rvv =E

19

766.1

*

*12

1

E L

3

9

248.0

*

*12

*

*4

*

ruw= -6.E

2 1

2

9

248.0

*

*12

 : Góc quay của bệ quanh điểm O là điểm trọng tâm đáy móng

- Do móng cọc bệ cao đối xứng nên:

ruv = rvu = rvw = rwv = 0

Vì vậy phương trình chính tắc lúc này có dạng :

rvv.v = P0 = 67170.59 (kN)

ruu.u + ruw.w = HX

0 = 2843.10 (kN)

rwu.u + rww.w = MY

0 = 31587.18 (kN.m) Giải hệ phương trình trên ta có :

u = 0.0019941 (m)

w = 0.0000915 (rad) +Tính nội lực trong các cọc

Thay các các giá trị chuyển vị đầu cọc vào công thức tính nội lực trong cọc thứ n:

Do móng cọc đài cao đối xứng chỉ gồm cọc thẳng đứng nên ta có :

sinn =0

cosn = 1

Trong đó XN là toạ độ của hàng cọc thứ i đến trọng tâm đáy bệ :

Kết quả tính toán lập thành bảng như sau:

1 -4.5 4391.267 236.925 837.375 -996.537

5.4.1.2 Kiểm toán móng cọc đài cao theo phương dọc cầu:

5.4.1.2.1 Kiểm toán sức chịu tải của cọc:

Pcọc < P0

+Pcọc : Tải trọng tác dụng lên nền đất tại mũi cọc

+P0 : Sức chịu tải của cọc theo vật liệu

Pcọc = Nmax + G - T

+T : Lực ma sát xung quanh thân cọc :

T = mf .U  (ftc

i li ) Trong đó

mf=0.7 hệ số điều kiện làm việc phụ thuộc điều kiện hạ cọc và loại tải trọng

M

N Dn

M

N N

M

N Tn

M

N N

M

N Dn

Tn

N N

N N

L

J E sin

x cos u sin v L

J E M

L

J E sin

x cos u sin v L

J E M

L

J E sin

x cos u sin v L

J E Q

Q

cos x sin u cos v L

F E N

26

46

612

2 2

2 3

U : Chu vi tiết diện cọc

5.4.1.2.2 Kiểm toán điều kiện chịu lực của đất dưới chân và xung quanh cọc:

Coi toàn bộ : cọc và đất giữa các cọc cộng với đài cọc như một móng khối

56

8

*355

*116

*17

o

i

i i tb

Wmk : Trọng lượng của móng khối không tính đài chỉ tính cọc và đất

Pn : Trọng lượng gây nên bởi cột nước phía trên tầng sét

Wmk= đ v + c.V c

c

c,V

đ : Trọng lượng riêng trung bình của các lớp đất lấy gần đúng:

856

8

*155

*186

*

m kN