thuyết mình đồ án thiết kế cầu thép

THIẾT KẾ LAN CAN, LỀ BỘ HÀNH, BẢN MẶT CẦUỞ phần này chỉ thiết kế cấu tạo và bố trí thép, tính tĩnh tải, không tính toán nội lực và tính toán cốt thép... Trong đó phầnbản loại dầm đơn giả

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ:

Thiết kế một kết cấu nhịp giản đơn, dầm thép liên hợp bản BTCT với các số liệu đầu vàosau :

+ Chiều dài tính toán : Ltt=30.5m

+ Bề rộng phần xe chạy : B= 7.5m

+ Bề rộng lề bộ hành : K=2x1m

+ Tải trọng thiết kế : 0.5HL93

1.2 VẬT LIỆU

-Thép làm dầm chủ : Thép tấm M270 cấp 250 có cường độ chảy Fy=250MPa

-Thép làm hệ liên kết ngang (dầm ngang và khung ngang), sườn tăng cường : M270 cấp 250

có cường độ chảy Fy=250MPa

-Thép bản mặt cầu, lề bộ hành :

+ Thép chịu lực, cấu tạo : CII có Fy=280MPa

-Thép làm thanh lan can, cột lan can : M270 Cấp 250 có cường độ chảy

Fy=250MPa

-Bê tông bản mặt cầu, lan can, lề bộ hành : f C′ =30MPa

-Trọng lượng riêng của thép :

1.3 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG CẦU:

1.3.1 Chọn số lượng dầm n, khoảng cách dầm S, chiều dài cánh hẫng LC:

Bề rộng toàn cầu: Btc=7500 + 2 x 1000+ 2 x 250 = 10000 mm

Ta có:

12

tc c

Tạo dốc bằng thay đổi chiều cao đá kê gối : Là dùng đá kê gối có chiều cao tăng dần để tạo

độ dốc ngang của mặt đường sau khi hoàn thiện Chiều cao tối thiểu của gối là 150 mm.Chiều cao gối thiết kế:

+ Gối 1 : 150 mm

+ Gối 2 : 150 + S x 2%=192 mm+ Gối 3 : 192 + S x 2%=234 mm Các gối còn lại : Đối xứng

1.3.3 Thiết kế thoát nước mặt cầu:

Đường kính ống: D≥100mm Diện tích ống thoát nước được tính trên cơ sở 1m2 mặt cầutương ứng với ít nhất 1 cm2 ống thoát nước Khoảng cách ống tối đa 15m, chiều dài ốngvượt qua đáy dầm 100mm

Diện tích mặt cầu S = L x Btc=31.1 x 10= 311m2 vậy cần bố trí ít nhất 311cm2 = 31100mm2

ống thoát nước

2

2 1ô

3.14 100

78504

Vậy ta chọn 6 ống, bố trí đối xứng 2 bên mỗi bên 3 ống ,khoảng cách ống là 9m

Hình 1.1: Mặt cắt ngang cầu

1.4 XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC DẦM :

1.4.1 Chiều dài dầm tính toán :

Chọn khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối là : a=0.3 m

Chiều dài dầm tính toán : Ltt = 30.5 m

Vậy chọn chiều cao dầm thép: d=1200 mm

Chiều cao dầm liên hợp: H= 1500 mm

1.4.3 Kích thước tiết diện ngang :

Hình 1.2: Tiết diện dầm liên hợp

Chiều cao phần vút : hV=100mm

Chiều dày bản bê tông : tS=200mm

Chiều dày sườn dầm : tW=12mm

Chiều rộng cánh trên : bC=300mm

Chiều dày cánh trên : tC=20mm

Chiều rộng cánh dưới : bf=400mm

Chiều dày cánh dưới : tf=40mm

1.5 THIẾT KẾ CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CỦA DẦM CHÍNH:

1.5.1 Sườn Tăng Cường, hệ liên kết ngang:

Hình 1.3: Bố trí STC và hệ liên kết ngang

Chỉ bố trí sườn tăng cường đứng, không bố trí sườn tăng cường dọc

Bố trí 2 sườn tăng cường đứng gối tại đầu mỗi dầm, khoảng cách 200mm

Bố trí sườn tăng cường đứng trung gian khoảng cách 1600 mm, riêng tại đoạn đầu dầm (từđầu đến hệ khung ngang đầu tiên) thì bố trí cách khoảng 750 mm.

Tại sườn tăng cường đứng gối đầu tiên, bố trí hệ dầm ngang bằng thép cán chữ I, loại dầmcánh rộng W760 x 196

Tại các sườn tăng cường đứng cách nhau khoảng 3.2m và sườn tăng cường đứng cách đầudầm 2.45m thì bố trí hệ khung ngang bằng thép L100 x 100 x 10 (cho cả thanh xiên vàthanh ngang)

Bề dày của tất cả các sườn tăng cường là 14mm, kích thước còn lại xem hình vẽ

Mối nối sử dụng bulông cường độ cao

Số lượng mối nối là 3

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ LAN CAN, LỀ BỘ HÀNH, BẢN MẶT CẦU

Ở phần này chỉ thiết kế cấu tạo và bố trí thép, tính tĩnh tải, không tính toán nội lực và tính toán cốt thép

2.1 LAN CAN:

Hình 2.1: Cấu tạo thanh và cột lan can

Cột lan can: chiều dài nhịp 37.1 m, bố trí khoảng cách 2 cột lan can là 2 m vậy mỗi bên cầugồm 19 cột lan can, 18 cặp thanh liên kết, 18 cặp tay vịn

Một cột lan can được tạo bởi 3 tấm thép:

T1 100 x 1,740 x 5

T2 140 x 740 x 5

T3 100 x 150 x 5Thể tích các tấm thép là:

Thể tích tấm thép T1: VT1 = 100 x 1,740 x 5 =870,000 mm3

Thể tích tấm thép T2: VT2 = 140 x 740 x 5 =518,000 mm3

Thể tích tấm thép T3: VT3 = 100 x 150 x 5 = 75,000 mm3

3 cotlancan =870, 000 518, 000 75, 000 1, 463, 000+ + =

Thanh liên kết:

2 (90 82 ) 100 216,142 4

V =1×650×250=162500 mm

3 2

V =1×135×1000=135000 mm

3 3

V =1×150×100=15000 mm

3 4

V =1×100×140=14000 mm

3 5

Vậy DC3 cách mép trái (ngoài cầu vào) 1 đoạn bằng 482 mm

Chọn và bố trí cốt thép trong bản mặt cầu như hình sau:

Thép dùng cho lề bộ hành là thép CII có Fy=280 MPa

Bê tông sử dụng có F’c=30 MPa

Hình 2.3: Bố trí thép lề bộ hành

2.3 BẢN MẶT CẦU:

Bản mặt cầu sẽ được tính toán theo 2 sơ đồ: Bản congxon và bản loại dầm Trong đó phầnbản loại dầm đơn giản được xây dựng từ sơ đồ dầm liên tục do đó sau khi tính toán dầm đơngiản xong phải nhân với hệ số kể đến tính liên tục của bản mặt cầu

Cốt thép dùng trong bản mặt cầu là thép CII có cường độ Fy=280 MPa, bê tông dùng chobản mặt cầu là loại bê tông có cường độ chịu nén f’c=30 MPa

Do trong phạm vi hẹp của đồ án môn học nên ta bố trí cốt thép trong bản mặt cầu theo yêucầu cấu tạo như hình dưới

Hình 2.4: Bố trí thép bản mặt cầu.

, 2

3.1.2 ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC GIAI ĐOẠN 2(GIAI ĐOẠN LIÊN HỢP):

Bề rộng có hiệu dầm trong Bi và dầm ngoài Be:

3.1.2.1.1Giai đoạn liên hợp ngắn hạn (ST):

Bố trí cốt thép trong bản mặt cầu là φ14a200 và bê tông bản mặt cầu có cường độf’c=30MPa

Diện tích cốt thép dọc bản:

2

2

1423

ct

Trong đó: n là số thanh thép trong đoạn Bi

Diện tích phần bản bê tông quy đổi về thép:

2

2

2100 200 320 100 100

64936,27,11

Trong đó: n là hệ số quy đổi bê tông bản mặt cầu về thép, phụ thuộc vào cường độ của

bê tông làm bản mặt cầu ( f’c = 30Mpa => n = 7,11 )

Khoảng cách từ trọng tâm bản bê tông (tính phần vt) đến mép trên dầm thép:

TH d

( )

2 ,

,t 2

3.1.2.1.2Giai đoạn liên hợp dài hạn (LT):

Trong đó: n là số thanh thép trong đoạn Bi

Diện tích phầnbản bê tông quy đổi về thép:

Trong đó: n là hệ số quy đổi bê tông bản mặt cầu về thép, phụ thuộc vào cường

độ của bê tông làm bản mặt cầu

Diện tích mặt cắt ngang dầm liên hợp : Ad

2 22726297,6 mm

1 22726297,6

66284,18

TH d

2 3

9345

, 2

hợp (NC) Ngắn hạn(ST) Dài hạn (LT)

Moment kháng uốn thớ dưới

3

20947583,69 29886126,46 27750672,44Moment kháng uốn thớ trên

dầm thép

mm3

14267619,51 208209519,4 62020455,02Moment kháng uốn tại mép

3

1481343145 1323766216Moment kháng uốn tại mép

3

495152553,3 731876360,5Moment quán tính của tiết

DẦM BIÊN ( DẦM NGOÀI)

vị

Tiết diện dầmthép Tiết diện dầm liên hợpChưa liên

hợp (NC) Ngắn hạn(ST) Dài hạn (LT)Diện tích tiết diện mm2 41100 102162,6 63556,95Moment kháng uốn thớ dưới

dầm thép

mm3

20947583,69 29834890,28 27784006,27Moment kháng uốn thớ trên

dầm thép

mm3

14267619,51 166621617 54463011,04Moment kháng uốn tại mép

3

1185458719 1162459934Moment kháng uốn tại mép

trên bản BT

mm3

447985701,6 668058454,3Moment quán tính của tiết

4

10184424676 30364813445 22077892032

3.2 TẢI TRỌNG – HỆ SỐ PHÂN BỐ NGANG:

3.2.1 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN CẦU:

Mối nối: (tạm thời): P3= 0.5 N/mm

Hình 3.1: STC gối Hình 3.2: STC đứng trung gian

Hình 3.3 STC tại liên kết ngang

Sườn tăng cường:

Sườn tăng cường giữa: hình 3.2

Một dầm có: 10x2= 20 sườn tăng cường giữa

Sườn tăng cường gối:hình 3.1

Một dầm có: 4x2= 8 sườn tăng cường gối

Khoảng cách các sườn: 200 mm

Khối lượng một sườn: g s2 =185, 456N

Sườn tăng cường tại liên kết ngang: hình 3.3

Một dầm có: 9x2= 18 sườn tăng cường

Khoảng cách các hệ liên kết ngang: Lb = 3,200 mm

Khối lượng một sườn tăng cường: g s3 =215,13 N

Liên kết khung ngang:có 18 liên kết khung ngang trên mỗi dầm

Khoảng cách giữa các liên kết ngang 3200 mm

Dùng thép L 100 x 100 x 10 (cho cả thanh xiên và thanh ngang) Trọng lượng mỗi mét dài : g LK =0,15 N mm/

Thanh ngang trên dài: 2028 mmThanh ngang dưới dài: 1854 mmThanh xiên dài: 754 mmMỗi liên kết ngang có: 2 thanh LK ngang, 2 thanh LK xiên

Liên kết ngang ở đầu dầm:

Dầm ngang W760x196 dài 2040mm có khối lượng:

g=A x 2040 x7,85.10-5 =18320 x 2040 x 7,85.10-5=2993,7 NSườn tăng cường tại giữa dầm ngang để đặt kích trong quá trình thay gối saunày: Có 4 sườn tăng cường g = 4 x 71.787= 287.148N

Bản táp bắt sườn tăng cường:

Trọng lượng bản thân bản mặt cầu:

DC3 = 9,304 N/mm (toàn cầu)Tĩnh tải lớp phủ DW:

Hình 3.4.Đường ảnh hưởng dầm biên theo phương pháp đòn bẫy

0,263000

SE

LANE

SE

m mg

SE

PL PL

(1,38 1) 800 0,5 0,5 1 2100

0, 210000

Hoạt tải người đi bộ: g=0

( Không đặt hoạt tải người đi bộ vì g<0)DW: g =0, 273

Từ kết quả tính cho dầm 2 và dầm 3, chọn dầm số 3 là dầm đại diện cho các dầm trong

vì có hệ số phân bố ngang lớn hơn, kết quả nội lực sẽ lớn hơn

3.2.2.2 Phương pháp dầm đơn: Chỉ tính cho HL93

3.2.2.2.1.Dầm Trong:

 Điều kiện áp dụng phương pháp dầm đơn:

1,100 ≤ S=2100≤ 4,900

110 ≤ ts=200 ≤ 300 => Thỏa mãn6,000 ≤ L=31100 ≤ 73,000

Nb=5≥ 4

 Hệ số phân bố cho moment:

Một làn chất tải:

0.1 0.4 0.3

3

4300

g SI

Vậy:

200,000

7,1128110,9

g : Hệ số phân bố lực cắt cho dầm trong trường hợp xếp >1 làn xe trên cầu

3.2.2.2.2Dầm Biên: Do de=-600 nên không thỏa phương pháp dầm đơn.

α =

× × ∆Khi tính mặt cắt ở giữa nhịp giản đơn ta có:

X X K

B

L = = <

Như phân tích ở trên, phương pháp dầm đơn đã sử dụng để tính hệ số phân bố ngangcho hoạt tải HL93 (gồm xe và làn), nên ở đây tính thêm cho tải trọng HL93 chỉ mangtính tham khảo

3.2.2.3.2 Dầm Biên:

Ta có đường ảnh hưởng cho dầm biên:

1 1

2

1 1

2

1 12

1 1'

a a y

DC2: g =0.2

Tính cho hoạt tải:

+Khi xếp 1 làn xe trên cầu:

1230 0,4923,000 LANE 3,000

PL

PL PL

Hình 3.9.Đường ảnh hưởng dầm trong theo phương pháp nén lệch tâm

DC2:

1

1904, 4 0.1910000

Tính cho hoạt tải:

+Khi xếp 1 làn xe trên cầu:

m

+Khi xếp 2 làn xe trên cầu:

PL

PL PL

(Những hệ số in đậm trong bảng là có sử dụng khi tính nội lực, còn các hệ số còn lạichỉ mang tính tham khảo)

3.2.2.4 Tĩnh Tải Tác Dụng Toàn Cầu:

DC1= 5,065(N/mm)

DC2= 55,25 (N/mm)

DC3= 9,304 (N/mm)DW= 12,973 (N/mm)

3.3 NỘI LỰC – TỔ HỢP NỘI LỰC THEO CÁC TTGH

3.3.1 KIỂM TRA DẦM CHỦ TẠI CÁC MẶT CẮT SAU:

Tại mặt cắt gối (I-I): cách gối một khoảng L = 0(Vu)

Tại mặt cắt mối nối (II-II): cách gối một khoảng L2 = 9700 mm(Ms,Vs)

Tại mặt cắt liên kết ngang gần mặt cắt giữa dầm (III-III): cách gối một khoảng

3.3.1.5 CÁC MẶT CẮT TÍNH NEO CHỐNG CẮT Ở TTGH MỎI:

Thiết kế neo chống cắt, dự định bố trí neo không đổi trong khoảng 3,2m Vậy cần tínhbiên độ lực cắt mỏi VSR ở các mặt cắt sau :

Tại mặt cắt gối cách gối một khoảng: L0 = 0

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L1 = 2450 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L2 = 5650 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L3 = 8850 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L4 = 12050 mm

Tại mặt cắt cách gối một khoảng: L5 = 15250 mm

Hệ số phân bố ngang của dầm giữa (0,636) lớn hơn của dầm biên (0,3) nên biên độ lựccắt được tính và thiết kế cho dầm giữa, rồi sử dụng kết quả để thiết kế cho dầm biên vìdầm biên chịu tải ít hơn

Hình 3.23 Chất xe 3 trục lên đ.a.h.M moi

0,75 (1 0,15) 8751875001,2

1, 2251616406,3

3.3.2 BẢNG TỔNG HỢP NỘI LỰC

3.3.2.1 Nội lực không hệ số :

Bảng3.2: Bảng tổng hợp nội lực do hoạt tải tác dụng lên dầm chủ

(chưa nhân hệ số)

TỔNG HỢP NỘI LỰC DO HOẠT TẢI TÁC DỤNG

TỔNG HỢP NỘI LỰC DO HOẠT TẢI TÁC DỤNG

hợp 2: Tĩnh tải + Xe tải 2 trục + tải trọng làn + tải trọng người đi bộ.

Ta thấy tải trọng xe 3 trục gây bất lợi hơn xe 2 trục nên ta dùng tổ hợp 1 để tính toán

nội lực cho dầm

Trong đó:

η : Hệ số điều chỉnh tải trọng.h=1.05x1.05 x0.95 =1.047IM: Hệ số xung kích

3tr

γ

Hệ số tải trọng hoạt tải xe tải 3 trục

γ2truc: Hệ số tải trọng hoạt tải xe tải 2 trục

γbohanh: Hệ số tải trọng hoạt tải người bộ hành

3.3.2.3 Tổng hợp nội lực theo các trạng thái giới hạn:

Để kiểm toán cầu dầm thép và các bộ phận, cần phải xét các tổ hợp tải trọng sau:

Bảng 3.5:Bảng tổng hợp moment do hoạt tải và do tĩnh tải ở TTGH CĐ1(N.mm)

Bảng 3.6:Bảng tổng hợp moment do hoạt tải và do tĩnh tải ở TTGH CĐ1(N.mm)

+ Ứng suất trong bản cánh dưới dầm thép:

-3.4 KIỂM TOÁN CÁC ĐIỀU KIỆN CẤU TẠO DẦM THÉP

3.4.1 Kiểm tra tỉ lệ cấu tạo chung

1,1 45 1,1 12 13,2

t ≥ t ⇔ ≥ × =Tương quan bản cánh chịu kéo và bản cánh chịu nén:

0,1 yc 10

yt

I I

E = 200000 MPa : môdun đàn hồi của thép

DC: chiều cao của bản bụng chịu nén trong phạm vi đàn hồi

,   – 713,81 – 30 683,81

s t

fc: ứng suất ở trọng tâm bản cánh chịu nén do lực tiêu chuẩn

Ứng suất thớ trên dầm thép(dầm biên)

1 2 770807330 1681623100

171,9 MPa14267619,51

Thoả mãn điều kiện

3.4.3 Kiểm tra yêu cầu bốc xếp

Để đảm bảo chống mất ổn định của bụng dưới tác dụng của trọng lượng bản thân dầmkhi gia công và lắp ráp thì khoảng cách của các sườn tăng cường phải thỏa mãn điềukiện:

2 0

260/ tw

Thỏa mãn điều kiện.

3.5 KIỂM TOÁN KHẢ NĂNG CHỊU LỰC Ở GIAI ĐOẠN 1

3.5.1 Tính toán các tham số kiểm toán

3.5.1.1 Momen dẻo Mp

3.5.1.1.1 Xác định lực hoá dẻo trên tiết diện dầm không liên hợp:

Hình 3.24 Lực dẻo tác dụng trên tiết diện dầm không liên hợp

Giả thiết không xảy ra mất ổn định cục bộ và tổng thể do đó có thể xuất hiện các lựcdẻo Giá trị lực hoá dẻo trong từng bộ phận của cấu kiện được xác định theo công thứcsau:

Lực dẻo trong cánh dưới dầm:

3.5.1.1.2.Xác định vị trí trục trung hoà dẻo (PDA)

Vị trí trục trung hoà dẻo được xác định trên cơ sở cân bằng lực dẻo chịu kéo với lựcdẻo chịu nén:

Trục trung hoà PDA sẽ đi qua bản bụng dầm thép

Đặt khoảng cách từ mép trên bản bụng đến trục trung hoà dẻo là Y ta có:

Ở giai đoạn này, chỉ có tiết diện dầm thép (NC) làm việc, và chịu tải trọng DC1

và DC2 Vì trục trung hòa của tiết diện chưa liên hợp gần với biên dưới dầm théphơn, nên biên trên sẽ đạt ứng suất chảy trước biên dưới Momen chảy My được tínhnhư sau :

,t y

y NC

3.5.2 Phân loại tiết diện chịu uốn

3.5.2.1 Kiểm tra độ mảnh bản bụng:

Trước hết, bản bụng được xem là “đặc chắc” khi thõa các điều kiện:

-Cường độ chảy nhỏ nhất của bản cánh nén:

yc yt

(thõa)Trong đó: Dcp=882,5: Chiều cao của bản bụng chịu nén tại lúc momen dẻo (mm)

Dc =683,81mm

Thỏa mãn đối với tiết diện không đặc chắc.

3.5.2.2 Kiểm tra độ mảnh của bản cánh chịu nén:

Kiểm tra độ mảnh của bản cánh chịu nén đặc chắc (không có sườn tăng cường dọc)theo công thức sau:

c c

0,382t

yt F

Thỏa mãn điều kiện tiết diện đặc chắc.

3.5.2.3 Kiểm tra giằng bản cánh chịu nén có mặt cắt không đặc chắc:

Chiều dài không giằng được xem là “đặc chắc” khi thõa điều kiện:

Kết hợp 3 điều kiện, kết luận tiết diện dầm là không đặc chắc.

3.5.3 Kiểm tra sức kháng uốn của dầm không liên hợp

-Bản cánh chịu nén có giằng gián đoạn:

13

-Bản cánh chịu kéo có giằng gián đoạn:

Bản cánh chịu kéo được giằng gián đoạn:

Kiểm tra giới hạn chảy danh định của bản cánh chịu kéo:

+Sử dụng tổ hợp nội lực ở khoang có trạng thái giới hạn cường độ 1 lớn nhất

+Tải trọng được tổ hợp ở giai đoạn thi công chỉ bao gồm tĩnh tải DC1 và DC2

+ Ứng suất trong bản cánh trên dầm thép:

+ Ứng suất trong bản cánh dưới dầm thép:

,

770807330 1681623100

117,07 ( )20947583,7

- Tính ứng suất uốn ngang fλ:

Ứng suất uốn ngang của bản cánh chịu nén theo phân tích bậc 2 (Do xét kết cấu làm việc đến trạng thái tới hạn nên về nguyên tắc, việc phân tích phải xét đến ứng xử phi tuyến tính của kết cấu)

b b cr

b t

C R E F

L r

=> r t: Bán kính quán tính có hiệu chịu ổn định xoắn ngang

+ Đối với bản cánh trên:

Ứng suất ở điểm giằng đối nghịch với điểm tính f2 được xác định thông

qua đường thẳng ứng suất giả thiết biến thiên tuyến tính đi qua các giá trị 2

nhỏ hơn), vì sự biến thiên

mômen dọc theo chiều dài giữa 2 điểm giằng có hình dạng lồi nên 1

f

được tính như sau:

Ứng suất không tính đến uốn ngang ở tại điểm phía đối nghịch với điểm

tính f2, được tính với tải trọng tính toán và lấy dấu dương khi nén và dấu âm khi kéo

* Tính toán các loại ứng suất:

+ Đối với cánh trên dầm thép: