đồ án cầu thép trên đường sắt ( gồm fie thuyết minh bản vẽ bà bảng tính )

Thiết kế dầm dọc Dầm dọc được đặt dọc theo hướng tàu chạy, làm việc như dầm liên tục có nhiều nhịp,nhịp tính toán là khoảng cách giữa các dầm ngang, dầm dọc có tác dụng làm giảm độdày và

Mục lục

I Chương 1: GIỚI THIỆU VÀ CHỌN SƠ BỘ KẾT CẤU NHỊP 3

1 Tóm tắt nhiệm vụ đồ án 3

1.1 Số liệu ban đầu 3

1.2 Nhiệm vụ thiết kế 3

1.3 Tiêu chuẩn thiết kế 3

2 Chọn sơ bộ kết cấu nhịp 3

3 Vật liệu dùng cho kết cấu 4

4 Chọn sơ bộ kích thước 4

4.1 Bản mặt cầu và kết cấu tầng trên 4

4.2 Dầm dọc 4

4.3 Dầm ngang 4

4.4 Liên kết dọc trên và dọc dưới giữa giàn chủ 5

II Chương 2: THIẾT KẾ HỆ DẦM MẶT CẦU 7

1 Thiết kế dầm dọc 7

1.1 Chọn tiết diện 7

1.2 Tải trọng tác dụng lên dầm dọc 9

1.3 Kiểm tra tiết diện 12

2 Thiết kế dầm ngang 20

2.1 Chọn tiết diện 20

2.2 Tải trọng tác dụng lên dầm ngang 22

2.3 Kiểm tra tiết diện 25

3 Thiết kế hệ liên kết 34

3.1 Thiết kế hệ liên kết dầm dọc vào dầm ngang 34

3.2 Xác định số bulong liên kết sườn dầm dọc và thép góc liên kết 39

3.3 Thiết kế dầm ngang vào nút 41

III Chương 3: THIẾT KẾ GIÀN CHỦ 43

1 Tính nội lực trong thanh 43

1.1 Xác định các hệ số 43

1.2 Tìm nội lực bằng sap2000 44

1.3 Chọn sơ bộ tiết diện thanh 45

1.4 Kiểm tra nội lực trong thanh 49

IV Chương 4: THIẾT KẾ NÚT GIÀN CHỦ 57

1 Nguyên tắc thiết kế nút 57

2 Thiết kế nút giàn 57

3 Kiểm tra bản nút 59

3.1 Bản nút không bị xét rách 59

3.2 Tiết diện giảm yếu nằm ngang 62

I Chương 1: GIỚI THIỆU VÀ CHỌN SƠ BỘ KẾT CẤU NHỊP

1 Tóm tắt nhiệm vụ đồ án

1.1 Số liệu ban đầu

Chiều dài nhịp tính toán: ltt = 88m

1.3 Tiêu chuẩn thiết kế

Tham khảo tiêu chuẩn ngành: 22TCN 18-79

2 Chọn sơ bộ kết cấu nhịp

Chọn kết cấu nhịp có tàu chạy dưới, dạng dàn tam giác có biên song song và 2 dầmchủ

Chọn khoảng cách giữa 2 giàn chủ là Bgc= 5.8m

Chiều cao giàn chủ:

=> Chọn hgc= 10m >8.5m (đối với đường dành cho xe lửa chạy)

Chọn chiều dài khoang giàn d =8.8m sao cho 400<α<60α<α<60600 (α là góc giữa thanh giằngchéo và thanh biên) =>

0 10

49 8.8

gc

h tan

d

     

(thỏa)Chiều cao cổng cầu hcc = (0,4 – 0,6) B = (0,4 – 0,6) 5,8 = 2,32 – 3,48 (m) => chọn

Hình 1: Sơ đồ giàn chủ

3 Vật liệu dùng cho kết cấu

Dùng thép hợp kim Mác tanh cán nóng 15XCHD với đặc trưng sau:

- Cường độ tiêu chuẩn: RII = 3500 (KG/cm2) = 35000 (T/m2)

- Hệ số đồng nhất: K = 0,85

- Cường độ tính toán khi chịu tác dụng lực dọc trục: R0 = 2700 (KG/cm2) = 327000(T/m2)

- Cường độ tính toán khi chịu uốn Ru = 2800 (KG/cm2) = 28000 (T/m2)

Liên kết sử dụng bu lông cường độ cao

4 Chọn sơ bộ kích thước

4.1 Bản mặt cầu và kết cấu tầng trên

Trọng lượng trên 1m dài cầu của đường ray, tà vẹt có thể lấy: 0.8 T/m => vậy 1 dầmchịu 0.4 (T/m) (vì cầu chọn 2 dầm dọc)

4.4 Liên kết dọc trên và dọc dưới giữa giàn chủ

Hình 2: Liên kết dọc trên và dọc dưới của giàn chủ

4.4.1 Chọn sơ bộ tiết diện thanh giàn chủ

Chọn tiết diện các thanh kiểu chữ H ở biên giàn

Chọn các thanh xiên và thanh đứng có cùng bề rộng với thanh biên để dễ liên kết giữacác thanh với nhau, chọn các thanh biên có chiều cao h không đổi để dễ liên kết

Chiều cao và chiều rộng được xác định theo công thức kinh nghiệm củaN.I.Polivanov

2 69( ) 400

h t mc dc

u t

nh = 1,131: Hệ số vượt tải của hoạt tải khi chiều dài đặt tải λ=88(m)

Ru = 2800 (T/m2): Cường độ tính toán chịu uốn của thép làm dầm

3

7,85( /T m )

  : Trọng lượng thể tích của thép

0,12

  : Hệ số xét đến trọng lượng của hệ liên kết giữa các dầm chủ

a = 3,5: Đặc trưng trọng lượng ứng với giàn

nt = 1,1: hệ số vượt tải của tĩnh tải

gkctt = 0.8(T/m): Trọng lượng kiến trúc tầng trên

Hoạt tải tác dụng lên dầm:

II Chương 2: THIẾT KẾ HỆ DẦM MẶT CẦU

1 Thiết kế dầm dọc

Dầm dọc được đặt dọc theo hướng tàu chạy, làm việc như dầm liên tục có nhiều nhịp,nhịp tính toán là khoảng cách giữa các dầm ngang, dầm dọc có tác dụng làm giảm độdày và momen tại chính giữa của mặt cầu

h

tw ≥ 12(mm)Chọn: tw = 20 (mm)

 Bề rộng bản biên bf:

1 1

(160 400)( )

2 5 80( ) 10

180( )

f

f f

50( ) 30

11,667 t 50( )

f f f

h t

Hình 3: Tiết diện dầm dọc

1.2 Tải trọng tác dụng lên dầm dọc

Hệ số phân bố tải trọng theo phương ngang cầu lên các dầm dọc được xác định theophương pháp đòn bẩy

Hình 4: Đường ảnh hưởng áp lên dầm dọc

Hệ số phân bố ngang được tính theo công thức:

0

1 1.

2 y

   

Hệ số phân bố ngang của dầm 1 khi tàu chạy qua:

Hình 5 : Đường ảnh hưởngKết quả nội lực do tĩnh tải:

Bảng 2 : Momen do tĩnh tảiTiết diện giữa nhịp Tiết diện 1/4

M1/2 (T.m) M1/4(T.m)

Bảng 3 : Lực cắt do tĩnh tảiTiết diện tại gối Tiết diện 1/4

1.2.2 Nội lực do hoạt tải

Nội lực do hoạt tải tàu được xác định theo công thức :

68.347

23.438

42.781Bảng 5 Tổng hợp nội lực của dầm dọc

a) Ứng suất pháp tuyến khi dầm dọc chịu uốn trong mặt phẳng chính

- Ứng suất pháp tuyến của dầm dọc

Trong đó :

M : Momen lớn nhất của dầm dọc (T.m)

Wx : Momen kháng uốn của dầm dọc (m3)

- Cường độ tính toán khi chịu uốn : Ru = 28000 (T/m2)

- Điều kiện : wx u

M R

Vậy : Thỏa điều kiện (Chênh lệch 30%)

Hình 6 : Biểu đồ ứng suấtb) Ứng suất tiếp tuyến khi dầm dọc chịu uốn

- Ứng suất tiếp tuyến của dầm dọc

2

71,393.0,0042

5206,94( / ) b 0,00286.0,02

X X

Q S

T m I

Trong đó

Q : Lực cắt lớn nhất của dầm dọc (T)

Sx : Mô men tĩnh của dầm dọc (m3)

Ix : Mô men quán tính của dầm dọc (m4)

b : Bề rộng của dầm tại chính giữa tiết diện dầm (m)

- Ứng suất tiếp tuyến bình quân

2 w

71,393

4696,88( / ) h.t 0,76.0,02

x x

Q S

C

I b

Vậy : Thỏa điều kiện

c) Kiểm tra ứng suất tương đương (Tại vị trí L/4)

Vậy : Thỏa điều kiện

1.3.2 Kiểm tra mỏi

 Hệ số triết giảm cường độ tính toán của thép γ:

Khi nén là chủ yếu (max <α<600) đối với thép cơ bản của cấu kiện liên kết bu lông,đinh tán hoặc liên kết hàn trong nhà máy:

1 (a b) (a b).

.(1 )

tt t X

tt ht

x

M n

* 99.664( ) 1.1

tt ht

EI

- Mô men tiêu chuẩn do tĩnh tải và hoạt tải gây ra M= 77,56 (T.m)

- Modun đàn hồi của thép E= 21.106 ( T/m2)

Độ võng cho phép của cầu dành cho xe lửa

  0,011( ) 800

1.3.4 Kiểm tra ổn định cục bộ

Hình 8 : Ổn định cục bộa) Kiểm tra ổn định độ mảnh vách

Fyc = RII = 35000 (T/m2) : Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất

E = 21.106 (T/m2) : Modun đàn hồi của thép

Vậy: Thỏa điều kiện

b) Kiểm tra độ mảnh của biên chịu nén

0,382 2

Fyc = RII = 35000 (T/m2) : Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất

E = 21.106 (T/m2) : Mô đun đàn hồi của thép

bf = 350 (mm) = 0,35 (m) : Bề rộng bản cánh chịu nén

tf =20 (mm) = 0,02 (m): Chiều dày bản cánh chịu nén

Fyc = RII = 35000 (T/m2): Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất

E = 21.106 (T/m2): Mô đun đàn hồi của thép

Kết quả: 8,57 <α<60 13,717

Vậy: Thỏa điều kiện

1.3.5 Kiểm tra ổn định tổng thể

Hình 9 : Kiểm tra ổn định tổng thểXét điều kiện:

I  m - Momen quán tính theo trục x

F=0.0292(m2)- Diện tích tiết diện dầm

r- bán kính quán tính

x

I r F



=0,313 mφ- hệ số uốn dọc, phụ thuộc vào độ mảnh (bảng 3-11 TCN 18-79)

1.3.6 Kiểm tra đường hàn

Hình 10 : Kiểm tra đường hàn

 Chọn đường hàn

71,393.0,0042

104,139( / ) 0,00286

x x

Z V



Với Z=22 tấn/trục: tải trọng trục của toa xe đối với khổ đường 1435mm

a= 0,22m: bề rộng của tà vẹt (Thông số chiều dài 1 thanh tà vẹt là 3000mm, rộng là220mm và cao là 300mm)

11,957.0,0042

17,442( / ) 0,00286

tc

x tc

Vậy: Thỏa điều kiện

1.3.7 Yêu cầu cấu tạo

Momen quán tính của bản cách trục Y

3

4

.

0,000071( ) 12

180( )

f

f f

 Chiều dày bản biên tf :

50( ) 30

10 t 50( )

f f f

2.2 Tải trọng tác dụng lên dầm ngang

Tiết diện tại gối Tiết diện L/4

2.2.2 Nội lực do hoạt tải

 Tải trọng tác dụng của hoạt tải ( xét trường hợp nguy hiểm nhất tàu đi qua cả haikhoang)

Hình 13: Đường ảnh hưởng tải trọng tác dụng của hoạt tảiChiều dài đặt tải  2d=17,6(m)

Diện tích đường ảnh hưởng dah 8,8(m2)

Áp lực dãy bánh xe đứng trong phạm vi hai khoang kề bên dầm ngang

Hình 13: Đường ảnh hưởng dầm ngang tính cho hoạt tảiKết quả :

Bảng 8: Kết quả nội lực do hoạt tảiThông

Bảng 9: Tổng hợp kết quả nội lực tác dụng lên dầm

a) Ứng suất pháp tuyến khi dầm dọc chịu uốn trong mặt phẳng chính

- Ứng suất pháp tuyến của dầm dọc

Wx : Momen kháng uốn của dầm dọc (m3)

- Cường độ tính toán khi chịu uốn : Ru = 28000 (T/m2)

- Điều kiện : wx u

M R

Vậy : Thỏa điều kiện (Chênh lệch 9%)

b) Ứng suất tiếp tuyến khi dầm dọc chịu uốn

- Ứng suất tiếp tuyến của dầm dọc

2

91,561.0,0038

6774, 24( / ) b 0,00256.0,02

X X

Q S

T m I

Trong đó

Q : Lực cắt lớn nhất của dầm dọc (T)

Sx : Mô men tĩnh của dầm dọc (m3)

Ix : Mô men quán tính của dầm dọc (m4)

b : Bề rộng của dầm tại chính giữa tiết diện dầm (m)

- Ứng suất tiếp tuyến bình quân

2 w

91,561

6023,73( / ) h.t 0,76.0,02

x x

Q S

C

I b

Vậy : Thỏa điều kiện

d) Kiểm tra ứng suất tương đương (Tại vị trí L/4)

Vậy : Thỏa điều kiện

2.3.2 Kiểm tra mỏi

 Hệ số triết giảm cường độ tính toán của thép γ:

Khi nén là chủ yếu (max <α<600) đối với thép cơ bản của cấu kiện liên kết bu lông,đinh tán hoặc liên kết hàn trong nhà máy:

1

1 (a b) (a b).

.(1 )

tt t X

tt ht

x

M n

* 120,104( ) 1.1

tt ht

Hình 14 : Biểu đồ momen dầm ngang

Độ võng gây ra bởi trọng lượng bản thân dầm ngang:

4

5

0,0001( ) 384

dn dn

g l

EI

-Tải trọng bản thân dầm ngang : 0,235(T/m)

- Modun đàn hồi của thép E= 21.106 ( T/m2)

Độ võng gây ra bởi lực truyền từ dầm dọc

0,006( ) I

Fyc = RII = 35000 (T/m2) : Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất

E = 21.106 (T/m2) : Modun đàn hồi của thép

Vậy: Thỏa điều kiện

b) Kiểm tra độ mảnh của biên chịu nén

0,382 2

Fyc = RII = 35000 (T/m2) : Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất

E = 21.106 (T/m2) : Mô đun đàn hồi của thép

Fyc = RII = 35000 (T/m2): Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất

E = 21.106 (T/m2): Mô đun đàn hồi của thép

Kết quả: 7,5 <α<60 13,717

Vậy: Thỏa điều kiện

2.3.5 Kiểm tra ổn định tổng thể

Xét điều kiện:

I  m - Momen quán tính theo trục x

F=0.027(m2)- Diện tích tiết diện dầm

r- bán kính quán tính

x

I r F



=0,307 mφ- hệ số uốn dọc, phụ thuộc vào độ mảnh (bảng 3-11 TCN 18-79)

Vậy: Thỏa điều kiện

2.3.6 Kiểm tra đường hàn

 Chọn đường hàn

91,561.0,0038

135, 485( / ) 0,00256

x x

Z V



Với Z=22 tấn/trục: tải trọng trục của toa xe đối với khổ đường 1435mm

a= 0,22m: bề rộng của tà vẹt (Thông số chiều dài 1 thanh tà vẹt là 3000mm, rộng là220mm và cao là 300mm)

h = tf + htavet =0.32m

1 2 / 3 1,252    với  2.8,8 17,6m

1,5.22

.1, 252 17, 617( / ) 2.(0, 22 2.0,32)

0( / )

tc

x tc

Vậy: Thỏa điều kiện

2.3.7 Yêu cầu cấu tạo

3.1 Thiết kế hệ liên kết dầm dọc vào dầm ngang

Khi sử dụng dầm thép tổ hợp, mối nối liên kết có thể dùng bu lông cường độ cao (bulông cường độ cao thì có một hoặc hai mặt phẳng chịu ma sát)

Hai bản con cá (phía trên và phía dưới) chịu mô men là chủ yếu, thép góc liên kết ởbụng dầm chịu cắt là chủ yếu

3.1.1 Thiết kế bản con cá

Chọn chiều dày bản con cá δ=20(mm)

Nội lực trong bản con cá:

83,97

102, 403( ) 0,8 0,002

g dn

hdn: chiều cao dầm ngang (m)

Dùng bu lông cường độ cao chọn đường kính là d=24mm, có dung sai *2mm,lỗ bulông là 28mm

Lực kéo trước trong bu lông lấy bằng 70% khả năng lực chịu lớn nhất của 1 bu lông

và lấy theo công thức:

P=0.7xfubxAbn

Với:

fub: cường độ giới hạn tức thời của thép làm bu lông

Chọn bu long làm từ thép 40 có fub= 11000 daN/cm2=110000T/m2 (theo tiêu chuẩn5574- 2012 )

Abn: diện tích tiết diện ngang sau khi ren Abn=3,24cm2=3,24x10-4m2 ( tra bảng trongtiêu chuẩn 5574-2012)

P=0.7xfubxAbn=0,7x110000x3,24x10-4=24,948(T)

Khả năng chịu lực của một bu lông:

  . lk

ms b

1,06

lk ms b

c



Nếu trường hợp có 2 mặt ma sát thì nms=2:

=> 

0,9 24,948 2 0,35 14,828( )

1,06

lk ms b

Diện tích tiết diện giảm yếu của bản con cá:

2 0

102, 403

0,00379( ) 27000

Chọn khoảng cách của các bu lông là 70mm >2,5d=60mm

Chọn khoảng cách của bu lông đến mép là 60mm >1.5d=36mm



Trong đó:

R0 = 27000 (T/m2) - Cường độ tính toán khi chịu tác dụng lực dọc trục

S: nội lực trong bản con cá của từng bu lông (T)

bgy: bề rộng giảm bản con cá đã trừ giảm yếu do các lỗ đinh (m)

δ : bề dày bản con cá (m)

Bảng 10: Kiết quả kiểm tra bềnTiết

3.1.3 Kiểm tra mỏi

Mô men uốn tại gối dầm dọc bằng 0,6 lần mô men uốn giữa nhịp dầm dọc (không tính

hệ số vượt tải)

dd 0,6 0, 6.99,664 59, 798( )

( Được tính ở phần kiểm tra mỏi dầm dọc)

Nội lực trong bản con cá

'

59, 798

72,925( ) 0,8 0,02

.(1 )

tt t X

x

M n

S

R b

  - Cường độ tính toán khi chịu uốn

S: Nội lực trong bản con cá (T)

bgy: Bề rộng giảm bản con cá đã trừ giảm yếu do các lỗ đinh (m)

3.2 Xác định số bulong liên kết sườn dầm dọc và thép góc liên kết

Chọn thép góc đều cạnh số hiệu N14 để làm thép góc liên kết, với kích thước tiết diện(đơn vị: mm): b = 140, d = 10, R = 14, r = 4,6

Chọn bu lông cường độ cao có kích thước và thông số y như trên để dễ tính toán vàthi công để liên kết thép góc với các dầm

Số lượng bu lông để liên kết bụng dầm dọc với thép góc liên kết:

 

b

Q n

Số lượng bu lông để liên kết bụng dầm ngang với thép góc liên kết:

n3 = 2.n2 + 2 = 2.6 + 2 =14 (bu lông) bố trí 2 hàng

Hình 16: Mặt cắt B-B

Hình 17: Mặt cắt A-A

3.3 Thiết kế dầm ngang vào nút

Chọn thép góc liên kết dầm biên và dầm ngang là thép góc đều cạnh số hiệu N14, vớikích thước tiết diện (đơn vị: mm): b = 140, d = 10, R = 14, r = 4,6

Liên kết này chỉ chịu phản lực gối của dầm ngang Q2 = 91,561 (T)

Dùng bu lông cường độ cao có kích thước và số liệu như trên để liên kết thép góc liênkết với các dầm

Số lượng bu lông liên kết sườn dầm ngang với thép góc liên kết:

Số lượng bu lông liên kết giàn với thép góc liên kết:

100

Chọn 7 cái

III Chương 3: THIẾT KẾ GIÀN CHỦ

1 Tính nội lực trong thanh

dầmngang

nh 1.131 1.247 1.141 1.274 1.247

1.153 1.378 1.183 1.464 1.3781.102 1.252 1.122 1.309 1.252Bền 1.304 1.719 1.349 1.864 1.719Mỏi 1.246 1.562 1.280 1.667 1.562

1 

1 2 / 3  

1.2 Tìm nội lực bằng sap2000

1.2.1 Mô hình hóa kết cấu

Hình 18: Mô hình hóa kết cấu

1.2.2 Khai báo tải và gán tải

Hình 19: Khai báo hoạt tải tàu theo tiêu chuẩn

1.2.3 Xuất kết quả nội lực

Hình 20: Biều đồ nội lực thanh giànBảng 13: Nội lực thanh chưa gán tiết diện

m R





R0 = 27000 (T/m2)

Bảng 14: Hệ số mThanh

kéo

nén Xiên-kéo

l: Chiều dài thanh

h: Chiều cao thanh

t: Chiều dày bụng, cánh

Chọn b bằng nhau để dễ liên kết vào bản

Bảng 15: Chọn tiết diệnThanh -

loại (bền) P (T) F(mm2)

b(mm)

h(mm)

td(mm)

tn(mm)

F(mm2)chọn

l/15 (mm)20- Xiên -388.66 24080.58 400 550 30 30 43200 888.04421- Xiên 312.947 13686.74 400 500 18 18 24552 888.04422- Xiên -243.57 15091.33 400 500 24 24 32448 888.04423- Xiên 180.473 7892.981 400 500 12 12 16512 888.04424- Xiên -124.05 7685.589 400 500 14 14 19208 888.04430- B.dưới 246.345 10773.89 400 500 12 12 16512 586.66732- B.dưới 540.205 23625.86 400 500 24 24 32448 586.66734- B.dưới 621.156 27166.22 400 500 24 24 32448 586.66740-B.trên -293.67 13313.62 400 550 18 18 26352 586.66742- B.trên -424.24 19232.84 400 550 26 26 37648 586.667

50- Treo 111.917 4894.673 400 300 14 14 13608 666.667

1.3.2 Đặc trưng hình học của tiết diện thanh

Hình 18 : Tiết diện thanhĐặc trưng hình học của các thanh được tính theo công thức :

2

( 2 ) 2

IX và IY: Momen quán tính đối với trục x-x, y-y

rX, rY: Bán kính quán tính đối với trục x-x, y-y

x , y

  : Độ mảnh của thanh đối với truc x-x, y-y

k: Hệ số chiều dài hữu hiệu

Theo phương Y thì có thể xem là ngàm Ky=0,5

Theo phương X thì có thể xem khớp Kx= 1

Chỉ kiểm tra những thanh chịu nén

Bảng 16 : Đặc trưng hình học thanh và kiểm tra độ mảnh

Xiên-kéo 37517.69 72948.682 12.362 17.237 1 0.5 107.758

38.63

9 Thỏa22-

Xiên-kéo 25005.41 50493.338 12.306 17.487 1 0.5 108.245

38.08

7 Thỏa24-

B.dưới 25005.41 50493.338 12.306 17.487 1 0.5 71.5098 25.161 Thỏa 32-

B.dưới 50040.55 93663.642 12.418 16.990 1 0.5 70.8624

25.89

8 Thỏa 34-

B.dưới 50040.55 93663.642 12.418 16.990 1 0.5 70.8624 25.898 Thỏa 40-