Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu thép 2 - Chương 1: Cầu giàn thép (P2) do TS. Nguyễn Ngọc Tuyển biên soạn cung cấp cho người học các kiến thức về hệ dầm mặt cầu và giàn chủ. Đây là một tài liệu hữu ích dành cho các bạn sinh viên ngành Xây dựng dùng làm tài liệu học tập và nghiên cứu.
Trang 1CẦU THÉP 2
TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN
Link dự phòng:
https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐
vietnamese/ cau‐thep‐2
Hà Nội, 11‐2014
1.3. Hệ dầm mặt cầu
– Đỡ hệ mặt cầu (bản mặt cầu và các lớp mặt đường trên cầu) – Truyền tải trọng từ hệ mặt cầu tới kết cấu chịu lực chính – Truyền tải trọng đứng vào nút giàn
Giμn chñ
H
Trang 2– Khoảng cách giữa các dầm dọc và giữa các dầm ngang phụ thuộc vào:
• Kết cấu mặt cầu
• Khoảng cách giữa các giàn chủ “B”
• Chiều dài khoang giàn “d”
• Đối với cầu ô tô, khoảng cách dầm dọc “b” có thể lấy từ 1.2m đến 3m
DÇm däc DÇm ngang
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
– Dầm mặt cầu thường có tiết diện chữ I – Với nhịp dầm nhỏ => có thể dùng dầm I cán nóng – Với nhịp dầm lớn => dùng dầm I tổ hợp từ các tấm thép
– Chiều cao dầm “h” có thể lựa chọn tỷ lệ với chiều dài nhịp dầm
“l” dựa trên công thức kinh nghiệm sau:
• Với dầm I cán nóng:
• Với dầm I tổ hợp:
12
1 8
1
l h
10
1 7
1
l h
Trang 3– Tiết diện dầm phải bảo đảm về cường độ và độ võng – Dầm ngang thường có tiết diện lớn hơn dầm dọc
– Khi các giàn chủ đặt rất xa nhau: (B > 15m)
Chiều dài nhịp dầm ngang lớn
Có thể thay thế dầm ngang bằng giàn ngang
– Sườn dầm ngang tại vị trí dầm dọc đặt lên phải cấu tạo sườn tăng cường đứng
– Dầm ngang tại vị trí gối của giàn chủ thường có cấu tạo lớn để xét tới khả năng kích nâng kết cấu nhịp khi thay thế gối cầu.
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
Các kiểu liên kết dầm dọc vào dầm ngang:
– (1). Dầm dọc đặt chồng lên dầm ngang
• Cấu tạo đơn giản
• Dầm dọc hoàn toàn liên tục
• Lắp ráp dễ dàng
• Chiều cao kiến trúc lớn
– (2). Liên kết đồng mức
• Đỉnh của dầm dọc và dầm ngang
bố trí cùng cao độ
• Liên kết đồng mức phổ biến hơn do
có chiều cao kiến trúc nhỏ
Trang 4• Liên kết đồng mức có cấu tạo chắc chắn nhờ các bản cá và vai kê
• Bản mặt cầu kê trên cả dầm dọc
và dầm ngang
• Trường hợp chiều cao dầm dọc và dầm ngang bằng nhau thì biên dầm dọc được nối bằng các bản cá còn sườn dầm dọc liên kết với sườn dầm ngang qua các thép góc liên kết
– (3). Liên kết dầm dọc thấp hơn dầm ngang
• Cách này thường không dùng cho cầu ô tô
DÇm däc DÇm däc
DÇm ngang DÇm ngang B¶n c¸
B¶n c¸
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
Cấu tạo liên kết dầm ngang vào giàn chủ hoàn toàn tương tự liên kết dầm dọc vào dầm ngang.
– Dùng các thép góc liên kết áp vào
2 bên sườn dầm ngang và áp vào bản nút giàn.
– Thông thường, số đinh liên kết bố trí không đủ trong phạm vi sườn dầm ngang nên phải mở rộng liên kết bằng cách cấu tạo bản góc
Trang 5– Dầm dọc:
• Thực tế là dầm liên tục kê trên các gối đàn hồi là những dầm ngang
• Khi tính dầm dọc để đơn giản và thiên về an toàn => xem dầm dọc là dầm giản đơn kê trên gối là 2 dầm ngang liền kề nhau và tính mô men
M105ở giữa nhịp và lực cắt V100ở gối
• Tiết diện dầm dọc sẽ được thiết kế dựa trên cơ sở nội lực M105và V100
• Hoạt tải phân phối cho dầm dọc lấy theo nguyên tắc đòn bảy
M 105
Dầm dọc
Dầm dọc
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
– Dầm ngang:
• Là thành phần của khung ngang trong mặt cắt ngang của kết cấu nhịp
và chịu tải trọng của các dầm dọc kê trên nó
• Để đơn giản trong tính toán, dầm ngang cũng được coi là dầm giản đơn
có nhịp là khoảng cách giữa tim các giàn chủ và kê tự do lên giàn chủ
• Riêng đối với dầm ngang tại vị trí gối cầu cần xét thêm điều kiện kê kích kết cấu nhịp
M105
V100
Giàn chủ
Dầm ngang Bản mã
dầm ngang
Trang 6– (1) Tính liên kết dầm dọc vào dầm ngang trường hợp có vai kê
• Mô men tại gối lấy bằng 0.6 lần mô men tại giữa nhịp dầm dọc để xét tới tính ngàm:
Mg= 0.6M105
V = V100
Lực cắt V sẽ được chia đều cho số đinh bố trí trên thép góc liên kết với sườn dầm ngang
• Như vậy, phần lực cắt truyền lên vai kê là:
V
n
V
yi
F
F
c
yma
hd
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
trong đó :
n = số đinh bố trí trên thép góc liên kết
nv= số đinh trên phạm vi chiều cao của vai kê
Mô men gối Mgsẽ do bản cá và vai kê chịu
• Lực ngang F tác dụng lên bản cá và vai kê được tính như sau:
trong đó :
hd= chiều cao dầm dọc
g d
M F h
V
y i
F
F
c
y ma
Trang 7• Như vậy, số đinh nvsẽ chịu tác dụng của lực đứng Vv; lực ngang F; và
mô men lệch tâm Mvgây ra bởi Vvvà F.
Mv= F∙z ‐ Vv∙c
trong đó :
z = khoảng cách từ trọng tâm của số đinh liên kết vai kê nvđến lực F
c = khoảng cách từ trọng tâm của số đinh liên kết vai kê nvđến lực F
• Bản cá và số đinh liên kết bản cá cần được thiết kế để chịu được lực F
• Bản tam giác ở vai kê sẽ kiểm toán chịu Mvvà Vvtại tiết diện giảm yếu
do hàng đinh nv
V
y i
F
F
c
y max
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
• Đinh làm việc bất lợi nhất là một trong các đinh trong số nvchịu lực
Tmaxxác định theo biểu thức sau:
V
yi
F
F
c
yma
2 2
max max
v
M y
T
Mv
Mv= F∙z ‐ Vv∙c
Vv F z
c
f v fh1
f h2
fv
fh1
f h2
Trang 8– (2) Tính liên kết dầm dọc vào dầm ngang trường hợp chiều cao dầm dọc và dầm ngang bằng nhau
• Liên kết có bản cá trên, bản cá dưới và thép góc liên kết
• Mô men tại gối lấy bằng 0.6 lần mô men tại giữa nhịp dầm dọc để xét tới tính ngàm:
Mg= 0.6M105
V = V100
• Coi mômen Mgdo các bản cá và nhóm đinh “n1”chịu; lực cắt V do thép góc và các nhóm đinh “n2”
và “n3” ở sườn chịu
DÇm däc
1 n
DÇm ngang
A
V
Hệ dầm mặt cầu (cont.)
• Lực tác dụng lên bản cá:
• Căn cứ vào F để xác định tiết diện bản cá và số đinh liên kết (n1) cần thiết
• Căn cứ vào lực cắt V để xác định số đinh liên kết thép góc với sườn dầm ngang và dọc (n2và n3)
DÇm däc
1
n
DÇm ngang
M g
A V
g d
M F h
2 _(2)
r
V n R
1 _(1)
r
F n R
Với R r là sức kháng cho phép của 1 đinh
3 _(3)
r
V n R
Trang 9– (3) Tính liên kết dầm ngang và giàn chủ
• Do tiết diện dầm ngang tại vị trí nối vào giàn chủ có thể có chuyển vị xoay nên trị số mô men gối dầm ngang có thể lấy gần đúng và giả thiết
Mg = 0, do vậy tính liên kết dầm ngang vào giàn chủ chỉ cần tính với lực cắt đầu dầm ngang V
V = V100
• Số đinh cần thiết cho liên kết được xác định theo biểu thức sau:
• Trong đó: hệ số m2= 0.85 cho các đinh trên cánh thép góc áp vào bản nút giàn và m2= 0.9 cho các đinh trên cánh thép góc áp vào sườn dầm ngang
• Cần chú ý rằng đinh, bu lông áp vào bản nút chỉ có 1 mặt ma sát
V n
1.4. Giàn chủ
• Cấu tạo giàn chủ – Các cầu cũ và cầu nhịp ngắn thường có các thanh được cấu tạo đơn giản với tiết diện một thành đứng do các thép bản và thép góc ghép lại bằng đinh tán
– Ngày nay cầu giàn dùng cho các nhịp lớn và áp dụng công nghệ hàn.
• Tiết diện các thanh được cấu tạo có 2 thành đứng, các bản thép được hàn ghép tạo nên tiết diện có diện tích và độ cứng lớn đáp ứng được yêu cầu chịu lực
– Liệt kê một số tiết diện hàn của giàn chủ như sau:
Trang 10• Tiết diện chữ H (hình 1) : chế tạo đơn giản, dễ hàn ghép như có độ cứng tương đối hạn chế => chỉ phù hợp cho các thanh chỉ chịu kéo hoặc thanh có chiều dài không lớn
• Đối với các thành cần độ cứng lớn thì tiết diện hình hộp sẽ thích hợp hơn
Giàn chủ (t.theo)
• Tiết diện (2) dùng cho thanh biên dưới
• Tiết diện (3) dùng cho thanh biên trên
• Tiết diện (6) dùng cho các thanh xiên
• Tiết diện (4) dùng cho mọi thanh giàn đều được
• Tiết diện (5) có độ cứng rất tốt nhưng cần có biện pháp chống gỉ trong lòng của tiết diện => thường dùng bản chắn ngang hàn kín ở phía 2 đầu thanh.
• Tiết diện (7) giống tính chất của tiết diện (6) nhưng không dùng tấm thép khoét
lỗ mà dùng các bản giằng để ghép 2 nhánh của thanh
Trang 11a
Cấu tạo thanh giàn (tiết diện số 7) (7)
Cấu tạo thanh giàn (tiết diện số 6) (6)
Giàn chủ (t.theo)
• Tiết diện (8) dùng cho thanh biên chịu kéo của các nhịp tương đối không dài
Chú ý:
• Một số ít cầu giàn đặc biệt dùng tiết diện dạng ống tròn cho tất cả các thanh (ví dụ cầu nối đường ra bán đảo Sơn Trà ở Đà Nẵng). Loại giàn này không có ưu điểm gì nổi bật ngoài tính độc đáo về cấu tạo chống
gỉ. Tuy nhiên, cấu tạo mối nối các thanh tại nút giàn lại rất phức tạp và khó thay đổi tiết diện cho phù hợp với nội lực