Thiết kế cầu thép chuyên ngành cầu đường

Thiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thépThiết kế cầu thép

THIẾT KẾ CẦU DẦM LIấN HỢP THẫP-BTCT

1- Số liệu tính toán thiết kế cầu

+ Liên kết mối nối bằng bulông cờng độ cao

1.2- Tính chất vật liệu chế tạo dầm

- Thép chế tạo neo liên hợp: Cờng độ chảy quy định nhỏ nhất f y 345MPa

- Cốt thép chịu lực bản mặt cầu: Cờng độ chảy quy định nhỏ nhất420

y

f  MPa

- Vật liệu chế tạo bản mặt cầu:

+ Cờng độ chịu nén của bêtông ở tuổi 28 ngày: f c' 28MPa

Hệ số quy đổi từ bêtôngsang thép

Không xét hiện tợng từ biến n 8

Có xét đến hiện tợng từ biến n ' 24

1.3-Xác định các hệ số tính toán

-Hệ số tải trọng :

+Tĩnh tải giai đoạn I : 1=1,25 và 0,9

+Tĩnh tải giai đoạn II : 2=1,5 và 0,65

+Đoàn xe ôtô và đoàn ngời : 1=1,75 và 1,0

-Hệ số xung kích : 1+IM =1,25

2- Kích thớc cơ bản của dầm chủ

2.1 - Chiều dài tính toán kcn.

- Chiều dài nhip: L=28 m

- Khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối: a=0,3 m

� Chiều dài tính toán KCN:

Cỏc kớch thước kớ hiệu Giỏ trị Đơn vị

2.4 – Chiều cao dầm chủ

- Chiều cao dầm chủ đợc lựa chọn phụ thuộc vào:

+ Chiều dài nhịp tính toán

+ Số lợng dầm chủ trên mặt cắt ngang

+ Quy mô của tải trọng khai thác

- Xác định chiều cao dầm chủ theo điều kiện cờng độ

 



LLTrong đó:

+ LL: Là độ võng của kết cấu nhịp do hoạt tải

+Chiều dày bản cánh dới: t b 3cm

+ Chiều cao toàn bộ dầm thép: H sb 126cm

2.5 – Cấu tạo bản bêtông mặt cầu

- Kích thớc của bản bêtông đợc xác định theo điều kiện bản chịu uốn dới tácdụng của tải

trọng cục bộ

- Chiều dày bản: t s (16 25)� cm

- Theo quy định của 22TCN272 – 05 thì chiều dày bản bêtông mặt cầu phảilớn hơn 175 cm

� ở đây ta chọn chiều dày bản bêtông mặt cầu là t s 18cm

- Bản bêtông có thể có cấu tạo dạng đờng vát chéo, theo dạng đờng congtròn hoặc

có thể không cần tạo vút Mục đích của việc cấu tạo vút bản bêtông là nhằmtăng chiều

cao dầm � Tăng khả năng chịu lực của dầm và tạo ra chỗ để bố trí hệ neoliên kết

- Kích thớc cấu tạo bản bêtông mặt cầu:

Chiều dày bản bêtông ts 18 cm

Chiều dày một bản t 3 cmTổng chiều dầy bản

3.1 – Các giai đoạn làm việc của cầu dầm liên hợp

- Tuỳ theo biện pháp thi công kết cấu nhịp mà cầu dầm liên hợp có các giai

đoạn làm việc

khác nhau Do đó khi tính toán thiết kế cầu dầm liên hợp phải phân tích rõquá trình hình

thành kết cấu trong các giai đoạn làm việc từ khi chế tạo, thi công đến khi

đa vào khai

Bản bêtông

Bản mặt cầu Bản bêtông

Dầm thép Giai đoạn 2:Giai đoạn khai thác

Dầm thép

Giai đoạn 1:sau khi đổ bản bêtông mặt cầu

Giai đoạn 1:sau khi thi công xong dầm thép Dầm thép

- Giai đoạn 1 : Khi thi công xong dầm thép

2.Hoạt tải

 Trờng hợp 2: Cầu dầm liên hợp thi công bằng phơng pháp lắp

ghép trên đà giáo cố định hoặc có trụ tạm đỡ dới

- Giai đoạn 1: Trong quá trình thi công thì toàn bộ trọng lợngcủa kết cấu nhịp và tải trọng thi công sẽ do đà giáo chịu, nhvậy giai đoạn này mặt cắt cha làm việc

- Giai đoạn 2: Sau khi dỡ đà giáo thì trọng lợng của kết cấu nhịpmới truyền lên các dầm chủ, mặt cắt làm việc trong giai đoạnnày là mặt cắt liên hợp Nh vậy tải trọng tác dụng lên dầm gồm:+ Tĩnh tải giai đoạn I

+ Tĩnh tải giai đoạn II

+ Hoạt tải

Kết luận:

Giả thiết cầu đợc thi công bằng phơng pháp lắp ghép bằngcần cẩu nên dầm làm việc theo hai giai đoạn ở trong trờng hợp 1.3.2 – Xác định đặc trng hình học mặt cắt giai đoạn I

- Giai đoạn 1: Khi thi công dầm thép và đã đổ bản bêtông mặtcầu, tuy nhiên giữa dầm thép và bản mặt cầu cha tạo ra hiệu ứngliên hợp

- Mặt cắt tính toán: Mặt cắt dầm thép

30375 570

t

S Y A

+Mômen quán tính bản bụng:

2

2 1

- Bảng kết quả tính toán ĐTHH mặt cắt dầm chủ giai đoạn I

Diện tích mặt cắt dầm thép . A NC 570 cm2

Mômen tĩnh mặt cắt đối với S O 30375 cm3

3.3 – Xác định đặc trng hình học mặt cắt giai đoạn II.

3.3.1 – Mặt cắt tính toán giai đoạn II.

- Giai đoạn 2: Khi bản mặt cầu đã đạt cờng độ và tham gia làmviệc tạo ra hiệu ứng liên hợp giữa dầm thép và bản BTCT

- Mặt cắt tính toán là mặt cắt liên hợp

� Đặc trng hình học giai đoạn này

là ĐTHH của mặt cắt liên hợp

3.3.2 – Xác định bề rộng tính toán của bản bê tông.

- Trong tính toán không phải toàn bộ bản bêtông mặt cầu thamgia làm việc chung cùng với dầm thép theo phơng dọc cầu Bềrộng bản bêtông làm việc chung cùng với dầm thép hay còn gọi là

bề rộng có hiệu, phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh chiều dài tínhtoán của nhịp, khoảng cách giữa các dầm chủ và bề dày bảnbêtông mặt cầu

- Theo 22TCN272 – 05 bề rộng bản cánh lấy nh sau:

- Xác định b : Lấy giá trị nhỏ nhất trong các giá trị sau:1

41

.2

1max

41

.2

1max

�Bề rộng tính toán của bản cánh dầm biên: b s b1b2=110+110

=220 cm

�Bề rộng tính toán của bản cánh dầm trong: b s 2 b 2=220 cm

3.3.3 – Xác định hệ số quy đổi từ bêtông sang thép.

- Vì tiết diện liên hợp có hai loại vật liệu là thép và bêtông nên khitính toán đặc trng hình học ta tính đổi về một loại vật liệu Tatính đổi phần bêtông sang thép dựa vào hệ số n là tỷ số giữamôdun đàn hồi của thép và bêtông

Bảng: Hệ số quy đổi từ thép sang bêtông

STT f MPa c' ( ) n n’=3.n

1 16 � �f c' 20 10 30

+§êng kÝnh cèt thÐp:  12mm

+DiÖn tich mÆt c¾t ngang mét thanh: a= 3,1416.1, 22

4

=1,131 cm2

+Sè thanh trªn mÆt c¾t ngang dÇm: n=10 thanh

+Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c thanh: @=22 cm

+Sè thanh trªn mÆt c¾t ngang dÇm: n=10 thanh

+Kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c thanh: @=22 cm

.( ) .( ) 11,31 18 5 5  11,31.(5 5)

11,31 11,31

rt s h rt rb rb h r

+n rb,d rb,A rb : Số thanh,đờng kính và diện tích cốt thép ở lới dơí

+ a rt,a rb :Khoảng cách từ tim lới cốt thép trên va dới đến mép bản bêtông

+ts : Chiều dày bản bêtông

+th : Chiều dày của vút dầm

+Y r: Khoảng cách từ trọng tâm của cốt thép trong bản

x ST

S Z

- Xác định mômen quan tính của tiết diện liên hợp

+ Mômen quán tính của dầm thép

2 3

1 1

2 3

d – Xác định ĐTHH của mặt cắt liên hợp dài hạn.

- Mặt cắt liên hợp dài hạn đựơc sử dụng để tính toán đối với cáctải trọng lâu dài nh tĩnh tải khi đó ta phải xét tới từ biến

- Trong trờng hợp có xét tới hiện tợng từ biến thì các đặc trnghình học của mặt cắt đựơc tính tơng tự khi không xét tới từbiến, chỉ thay hệ số n bằng n’

.3

2

.2

1.222

.'1

1

1 1

1 '

1

r sb

r

h sb

h h

h sb

h c

s h sb

s s x

Y Y H A

t Y H b t

t Y H t b

t t Y H t b n S

16974,6 '

766,995

x LT

S Z A

- Chiều cao sờn dầm chịu nén

D'c2 H sb  t c  Y1  Z'1 =126-3-53,289-22,131=47,579cm

-Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến trục II-II:

Y II' H sb Y1 Z'1

t    =126-53,289-22,131= 50,579cm

-Khoảng cách từ mép dới dầm thép đến trục II-II:

1 1

'

'

Z Y

Y II

b   =53,289+22,131=75,421 cm

- Xác định mômen quan tính của tiết diện liên hợp

+ Mômen quán tính của dầm thép

1 ' I A Z'

NC

II

NC   =1482642, 237 570.22,131 2 =1761875 cm4

+ Mômen quán tính của phần bản bêtông

1

3

2'

.12

'

1

h sb

s s

s s s

t t Z Y H t b t

b n I

=

2 3

3 2

1 1 3

3

2'

2

1.2

36.22

'12

.'

h sb

h h

h h h

sb h c

h c

h

t Z Y H t b

t b t

Z Y H t b t b I

h h

h sb

h c

s h sb

s s s

Y Z Y H

A

t Z Y H t b

t Z Y H t b

t t Z Y H t b

1 1 1

1 1

1 '

3

2 ' 2

1 2 2

' 2

'

có xét từ biến Đơn

vị

Kớ hiệu Giỏ trị

Kớ hiệu Giỏ trị

x

S 47001 S1x' 16974,6 cm3Khoảng cách từ TTH I-I tớitrục II-

MMQT của dầm thép với trục II-II I II NC 2494127 I II'NC 1761875 cm4

MMQT của bản BTCT với trục II-II I S 997350,

MM tĩnh của bản với trục II-II S s 24011,38 S' s 12614,84 cm3

3.3.5 – Xác định ĐTHH của mặt cắt dầm trong

Đặc trng hình học của mặt cắt dầm trong:

Kí hiệu Giá trị

Kí hiệu Giá trị

x

S 47001 S1x' 16974,6 cm3Kho¶ng c¸ch tõ TTH I-I tíitrục II-

MMQT của dÇm thÐp với trục II-II I II NC 2494127 I II'NC 1761875 cm4

MMQT cña b¶n BTCT với trục II-II I S 997350, I ' S 692583, cm4

6 6MMQT của phần vút bản với trục

MM tĩnh của bản với trục II-II S s 24011,38 S' s 12614,84 cm3

3.4 – Xác định đặc trng hình học mặt cắt giai đoạn chảy dẻo.

3.4.1 – Mặt cắt tính toán.

- Giai đoạn 3: Khi ứng suất trên toàn mặt cắt đạt đến giới hạnchảy

- Mặt cắt tính toán là mặt cắt liên hợp � Đặc trng hình họcmặt cắt giai đoạn 3 là đặc trng hình học của tiết diện liên hợp

3.4.2 – Xác định vị trí trục trung hoà của mặt cắt.

- Tính lực dẻo của các phần của tiết diện:

+ Lực dẻo tại bản cánh dới dầm thép: P t  F b t yt .t t

=345.0,1.70.3=7245 kN

- Vị trí trục trung hoà dẻo (PNA) đợc xác định nh sau:L

+ Nếu P P t  w  P c P rb  P s P rt � TTH đi qua sờn dầm

=>Kết luận:TTH dẻo (PNA) đi qua sờn dầm

-Đối với dầm trong ta có:

+ P t P= 15525 kN

+ P c P rb P s P rt=15050,34 kN

Vậy ta có: P t P>P c P rb P s P rt

=>Kết luận:TTH dẻo (PNA) đi qua sờn dầm

3.4.3 – Xác định chiều cao phần sờn chịu nén.

- Sơ đồ tính toán

+ Chiều cao vùng chịu nén của sờn dầm đợc tính theo côngthức:

'

12

w cp

yw w

D D

+ D : Chiều cao sờn dầm thép (mm) w

+ A A : Diện tích cánh chịu nén và chịu kéo (mm2) t, c

+ F yw: Cờng độ chảy nhỏ nhất quy định của sờn dầm (Mpa).

+ f c' : Cờng độ chịu nén quy định của bêtông ở tuổi 28ngày

+ A s: Diện tích bản bêtông.

-Kết quả tính toán chiều cao phần sờn dầm chịu nén:

+Đối với dầm biên ta có:

yw w

D D

cp

yw w

D D

3.4.4 – Xác định mômen chay My:

-Mômen chảy (My) ở mặt cắt liên hợp ngắn hạn đợc lấy bằngtổng các mômen tác dụng vào dầm thép, mặt cắt liên hợp ngắnhạn liên hợp ngắn hạn và dài hạn gay ra trạn thái chảy đầu tiên ởmột trong 2 cánh của dầm thép ( không xét đến chảy ở sờn dầmcủa mặt mắt lai)

+Mômen tính toán do tĩnh tải giai đoạn I: MD1=1891,42kN.m

+Mômen quán tính của mặt cắt nguyên: INC

=1482642,24 cm4

+Khoảng cách từ TTH I-I đến mép dới dầm thép:

y1b Y1

 =53,289 cm +Khoảng cách từ TTH I-I đến mép trên dầm thép:

b

II sb

t

y '   '=126-75,421=50,579 cm +Ưng súât tại mép trên dầm thép:

2.Trờng hợp cánh dới chảy thì: f1b  f2b  f3b  fy

=> y b bt

f3   1  2 28,24=248,774 MPa

=345-67,98 Xác định mômen uốn bổ xung:

+Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn: I ST

=3567460 cm4

+Khoảng cách từ TTH II-II đến mép trên dầm thép:

y b Y1 Z1

II   =53,289+42,125=95,414 cm +Khoảng cách từ TTH II-II đến mép dới dầm thép:

t ST t II

+ Mômen uốn bổ xung cần thiết để cho cánh dới chảy(M b AD ):

3

b

b AD b

II ST

3.4.5 – Xác định mômen dẻo Mp:

- Mômen dẻo là mômen ứng với khi toàn mặt cát trừ phần

bêtông chịu kéo đạt đến cờng độ chảy.Khi tính mômen dẻo phảilấy mômen của cac lực dẻo tại các phần của mặt cắt đối vứi trụctrung hoà dẻo

-Công thức tính toán: i

n

i i

+:P ilà lực dẻo thứ tại bộ phận thứ i của mặt cắt cắt dầm

+Zi :Khoảng cách từ điểm đặt lực dẻo thứ I đến TTH dẻo(PNA)

-Trong trờng hơp TTH đI qua sờn dầm ta có sơ đồ tính:

Lấy tổng mômen đối với trục trung hoà dẻo ta có giá trị mômencủa mặt cắt đợc tính theo công thức :

) 2 (

.

2

) (

2 2

( )

( 85

.

0

2 2

'

t cp t

cp y

cp y

c cp yc c s c cp c s p

t D D

t

A

D D t f

D t f

t D f A Z t D f A

+ A : Diện tích bản cánh chịu kéo, T A T =210 cm2

+ f y: Giới hạn chay của thép, f y =345 Mpa=34.5 kN/cm2 + f 'c: Cờng độ chịu nén của bêtông bản

4.1 – Cấu tao hệ liên kết trong KCN

4.1.1 – Hệ liên kết ngang tại mặt cắt gối.

đều cho mỗi dầm chủ nhân với chiều dài dầm chủ:

( / )

dn n

+ L: Chiều dài kết cấu nhịp

- Cấu tạo và trọng lợng của hệ liên kết ngang tại mặt cắt gối

Các đại lượng

Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Số hiệu thép làm liên kết ngang tại gối I500

Mômen quán tính của dầm ngang Idn 39290 cm4

Trọng lượng trên 1 m dài gn 0,768 kN/m

Số dầm ngang theo phương dọc cầu nd 2 dầm

Số dầm ngang theo phương ngang cầu nn 4 dầm

Tổng số dầm ngang trên toàn cầu nlkn 8 dầm

Chiều dài mỗi thanh liên kết ngang Ln 2,16 m

Trọng lượng LKN trên 1m dài 1 dầm chủ qn 0,095 kN/m

4.1.2 – HÖ liªn kÕt ngang t¹i mÆt c¾t trung gian.

- Hệ liên kết ngang có thể làm bằng thép I (hoặc thép L

100 100 10 x x

- Trọng lợng của dầm ngang trên một dầm chủ đợc tính bằng cáchtính tổng trọng lợng của tất cả các thanh của hệ liên kết ngang vàchia đều cho mỗi dầm chủ nhân với chiều dài dầm chủ:

( / )

+ L: Chiều dài kết cấu nhịp

- Cấu tạo và trọng lợng của hệ liên kết ngang tại mặt cắt giữa:

Số hệ LKN theo phương ngang cầu nn 4 hệTổng số hệ liờn kết ngang trờn toàn cầu nlkn 36 hệKhoảng cỏch giữa cỏc hệ LKN an 2,74 m

Thộp gúc cấu tạo thanh ngang

Số hiệu thộp làm thanh ngang L100x100x10

Thộp gúc cấu tạo thanh xiờn

Số hiệu thộp làm thanh xiờn L100x100x10

Bề rộng cánh thép góc bg 10 cm

Trọng lượng thanh trên 1m dài gd 0,15 kN/m

Mômen quán tính của 1 thanh LKN Jlkn 179 cm4

Sờn tăng cờng tại mặt cắt trung gian

- Chiều dày bản thép dùng làm sờn tăng cờng: t �6mm và cụ thể

nh sau:

+ t s �10mm đối với tiết diện đinh tán.

+ t s �12mm đối với liên kết hàn

� ở đây ta chọn sờn tăng cờng có chiều dày t s 16mm

- Tại mặt cắt gối sờn tăng cờng không đợc liên kết hàn trực tiếp vớibản cánh chịu kéo để chống phá hoại liên kết giữa sờn tăng cờngvới bản cánh Do đó tại các mặt cắt trừ các mặt cắt có M = 0 thìsờn tăng cờng phải đợc hàn với một bản đệm và bản đệm này cóthể trợt tự do trên bản cánh chịu kéo của dầm

- Sờn tăng cờng nên bố trí đối xứng về hai bên sờn dầm.

- Kích thớc của sờn tăng cờng thờng đợc chọn trớc sau đó tính toántheo điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng để xác địnhkhoảng cách bố trí sờn tăng cờng Hoặc có thể bố trí khoảng cáchcác sờn tăng cờng theo cấu tạo hệ liện kết ngang và dọc cầu sau

đó kiểm toán điều kiện ổn định cục bộ của bản bụng

- Trọng lợng của sờn tăng cờng trên một dầm chủ đợc tính bằngcách tính tổng trọng lợng của tất cả các sờn tăng cờng trên mộtdầm chủ và chia đều cho số dầm chủ x Chiều dài dầm chủ

+ �q s: Tæng träng lîng cña sên t¨ng cêng trªn mét dÇm chñ.+ n : Sè dÇm chñ trªn mÆt c¾t ngang dc

+ L: ChiÒu dµi kÕt cÊu nhÞp

- CÊu t¹o vµ träng lîng cña hÖ sên t¨ng cêng

Các đại lượng

Kíhiệu Giá trị Đơn vị

Trọng lượng thanh sườn tăng cường ps 0,286 kN

Khoảng cách giữa các sườn tăng cường do 1,37 m

Trọng lượng hệ sườn tăng cường trên 1m

4.1.4 – HÖ liªn kÕt däc cÇu.

- CÊu t¹o:

- Vị trí của hệ liên kết dọc cầu:

+ Đối với kết cấu nhịp cầu dầm thép ta cấu tạo hai hệ liên kếtdọc trên và dọc dới nằm trên mặt phẳng song song với bản cánhtrên và cánh dới dầm thép

+ Đối với kết cấu liên hợp thép – BTCT thì bản bêtông mặt cầu

đóng vai trò nh hệ liên kết dọc trên do đó trong cầu Thép – BTCT

ta chỉ cần cấu tạo hệ liên kết dọc dới

+ Hệ liên kết dọc thờng đợc cấu tạo từ thép góc có số hiệu L

100 100 10 x x

�

+ Trọng lợng hệ liên kết dọc trên một dầm chủ đợc tính bằngcách tính tổng trọng lợng của tất cả các thanh của hệ liên kết dọc

và chia đều cho mỗi dầm chủ x Chiều dài dầm chủ

nh dc

lkd

P q





+ qn : Trọng lợng hệ liên kết dọc trên 1 mét dài một dầm chủ.+P lkd : Tổng trọng lợng của các thanh trong hệ liên kết dọc.+ ndc : Số dầm chủ trên mặt cắt ngang.

+ L nh: Chiều dài kết cấu nhịp.

- Cấu tạo và trọng lợng của hệ liên kết dọc cầu

Cỏc đại lượng Kớ hiệu Giỏ trị Đơn vị

Số hiệu thộp làm thanh xiờn L100x100x10

Trọng lượng thanh trờn 1m dài q 0,15 kN/m

Chiều dài 1 thanh liờn kết dọc Lx 2,41 m

Số thanh liờn kết dọc trờn một khoang n 3 thanh

Trọng lượng LKD trờn 1m dài 1 dầm

4.2 – Xác định tĩnh tải giai đoạn I

- Tĩnh tải giai đoạn I:

ợc tính vào tĩnh tải giai đoạn II

- Tĩnh tải giai đoạn I đợc xác định theo công thức:

+ Tĩnh tải tiêu chuẩn:

mn gc

lkd s

lkn dn

+ DC tc: Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn I

+ DC tt: Tĩnh tải tính toán giai đoạn I

+ 1: Hệ số vợt tải đối với tĩnh tải giai đoạn I , 1 1, 25