Giáo trình Kết cấu công trình cầu đường: Phần 1

Hợp lý về mặt chọn vật liệu (Mác bê tông hay cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý về chọn dạng tiết diện và kích thƣớc tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép để có thể đồng[r]

1

TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG TP.HỒ CHÍ MINH

KHOA XÂY DỰNG

GIÁO TRÌNH KẾT CẤU CÔNG TRÌNH CẦU ĐƯỜNG

Tp.Hồ Chí Minh-2018

2

MỤC LỤC Phần 1: KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

CHƯƠNG 1 :KHÁI NIỆM CHUNG VỀ KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 7

1.1 ĐẶC ĐIỂM CHUNG CỦA KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP 8

1.1.1 Bê tông cốt thép thường (BTCT) 8

1.1.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTƯST) 10

1.1.3 Ưu và nhược điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường : 11

1.2 ĐẶC ĐIỂM CHUNG VỀ CẤU TẠO VÀ CHẾ TẠO CỦA KẾT CẤU BTCT.12 1.2.1 Đặc điểm chung về cấu tạo 12

1.2.2 Đặc điểm chế tạo : 16

CHƯƠNG 2 : TÍNH CHẤT CƠ LÝ CỦA VẬT LIỆU 20

2.1 Bê Tông 20

2.1.1 Phân loại bê tông 20

2.1.2 Các tính chất tức thời (ngắn hạn) của bê tông cứng 22

2.1.3 Các tính chất dài hạn của bê tông cứng 25

2.1.4 Hệ số giãn nở nhiệt và hệ số Poát xông (Poisson) 29

2.2 Cốt Thép 30

2.2.1 Cốt thép không dự ứng lực (cốt thép thường) 30

2.2.2 Các Cốt thép dự ứng lực (cốt thép CĐC) 32

CHƯƠNG 3 :NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ THEO TIÊU CHUẨN 36

22TCN272-05 36

3.1 Giới thiệu chung về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272 – 05 36

3.1.1 Vài nét về Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18 – 1979 36

3.1.2 Cơ sở của nội dung Tiêu chuẩn mới 22 TCN 272-05 36

3.2 Quan điểm chung về thiết kế 37

3.3 Thiết kế theo hệ số tải trọng và sức kháng LRFD 37

3

3.4 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 38

3.4.1 Quan điểm thiết kế 38

3.4.2 Các trạng thái giới hạn theo 22 TCN 272-05 40

3.5 Tải trọng và tổ hợp tải trọng 43

3.5.1 Phân loại các tải trọng 43

3.5.2 Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng tương ứng 44

3.5.3 Hoạt tải xe thiết kế 45

CHƯƠNG 4 48

TÍNH TOÁN KẾT CẤU BTCT THEO TRẠNG THÁI 48

GIỚI HẠN SỬ DỤNG VÀ TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI 48

4.1 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG 48

4.1.1 Kiểm soát nứt của dầm BTCT thường chịu uốn 48

4.1.2 Khống chế biến dạng 49

4.1.3 Phân tích ứng suất trong BT, CT của dầm BTCT thường chịu uốn ở TTGHSD51 4.1.4 Các giới hạn ứng suất đối với bê tông 58

4.1.5 Các giới hạn ứng suất đối với cốt thép dự ứng lực 62

4.2 TRẠNG THÁI GIỚI HẠN MỎI 63

CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN CẤU KIỆN BTCT CHỊU UỐN Ở TTGH CƯỜNG ĐỘ65 5.1 Quy định về cấu tạo 65

5.1.1 Cấu tạo của bản, dầm 65

5.1.2 Chiều cao tối thiểu 67

5.2 Đặc điểm chịu lực của dầm và các giả thiết cơ bản cho trạng thái giới hạn cường độ 68 5.2.1 Đặc điểm chịu lực của dầm 68

5.2.2 Các giả thiết cơ bản 69

5.2.3 Các giai đoạn của trạng thái us-bd trên tiết diện thẳng góc của dầm BTCT thường chịu uốn thuần túy 70

4

5.3 Các giới hạn về cốt thép 72

5.3.1 Tính dẻo và lượng cốt thép chịu kéo tối đa 72

5.3.2 Cốt thép chịu kéo tối thiểu 73

5.4 Tính toán tiết diện chữ nhật, BTCT thường chịu uốn thuần túy 74

5.4.1 Tiết diện chữ nhật đặt cốt thép đơn 74

5.4.2 Mặt cắt chữ nhật đặt cốt thép kép 79

5.5 Tính toán tiết diện chữ T, BTCT thường chịu uốn thuần túy 84

5.5.1 Trường hợp trục trung hòa đi qua sườn dầm (c > h f ) 85

5.5.2 Trường hợp trục trung hòa đi qua cánh dầm (c ≤ h f ) 86

5.6 Tính toán mặt cắt BTCT DUL chịu uốn thuần túy 90

5.6.1 Trường hợp cốt thép DƯL có dính bám 90

CHƯƠNG 6 :CẤU KIỆN CHỊU NÉN 94

6.1 Khái niệm 94

6.2 Đặc điểm cấu tạo 94

6.2.1 Mặt cắt ngang 94

6.2.2 Vật liệu 94

6.3 Phân loại cột theo khả năng chịu lực 97

6.4 Các giả thiết tính toán 98

6.5 Khả năng chịu lực của cột ngắn 98

6.5.1 Cột ngắn chịu nén đúng tâm 98

6.5.2 Cột ngắn chịu nén lệch tâm, tiết diện chữ nhật 99

6.6 Khả năng chịu lực của cột dài( cột mảnh) 101

PHỤ LỤC 104

Tài liệu tham khảo 107

CHƯƠNG 7 :ĐẠI CƯƠNG VỀ THIẾT KẾ KẾT CẤU THÉP 107

7.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP (KCT) 107

5

7.1.1 Ưu, khuyết điểm và phạm vi sử dụng của KCT 107

7.2 Nguyên lý thiết kế theo 22TCN 272-05: giống phần KCBTCT 109

7.3 Vật liệu thép trong xây dựng 109

7.3.1 Thành phần hóa học của thép 109

7.3.2 Các sản phẩm thương mại 110

7.3.3 Ứng suất dư 110

7.3.4 Gia công nhiệt 111

7.3.5 Phân loại thép kết cấu 112

CHƯƠNG 8 : LIÊN KẾT TRONG KẾT CẤU THÉP 117

8.1 LIÊN KẾT BULÔNG 118

8.1.1 Cấu tạo liên kết bulông 118

8.1.2 Tính toán liên kết bu lông chịu cắt 122

8.1.3 Tính toán liên kết bu lông cường độ cao chịu ma sát 131

8.1.4 Tính toán liên kết bu lông cường độ cao chịu kéo 133

8.2 LIÊN KẾT HÀN .134

8.2.1 Vật liệu hàn 135

8.2.2 Các loại mối hàn 136

8.2.3 Cấu tạo liên kết hàn 138

8.2.4 Sức kháng cắt tính toán liên kết hàn 142

CHƯƠNG 9 :CẤU KIỆN CHỊU KÉO 145

9.1 CÁC DẠNG LIÊN KẾT 145

9.2 SỨC KHÁNG KÉO 146

9.2.1 Hệ số chiết giảm U 148

9.2.2 Diện tích thực 149

9.2.3 Giới hạn độ mảnh 150

9.2.4 Sức kháng cắt khối 151

CHƯƠNG 10 :CẤU KIỆN CHỊU NÉN 152

6

10.1 KHÁI NIỆM ỔN ĐỊNH CỦA KẾT CẤU CHỊU NÉN 152

10.1.1.Chiều dài hữu hiệu của cột 154

10.1.2.Ứng suất dƣ 155

10.1.3.Độ cong ban đầu 156

10.2 KHÁI NIỆM MẤT ỔN ĐỊNH QUÁ ĐÀN HỒI 157

10.3 SỨC KHÁNG NÉN 158

10.3.1.Sức kháng nén danh định 160

10.3.2.Tỷ số bề rộng/bề dày giới hạn 161

10.3.3.Tỷ số độ mảnh giới hạn 161

7

PHẦN 1: KẾT CẤU BÊ TÔNG CỐT THÉP

Kết cấu bê tông cốt thép đóng vai trò quan trọng và sử dụng rộng rãi trong tất cả các ngành xây dựng hiện nay: dân dụng công nghiệp, cầu đường, thủy lợi… và là loại vật liệu khá thông dụng và phổ biến Sản phẩm của nó là sự kết hợp giữa bê tông và cốt thép tạo ra các cấu kiện làm các kết cấu chịu lực cho các công trình Vì thế, cần nghiên cứu tính toán hợp lý về mặt chọn vật liệu, hợp lý

về hình dạng tiết diện và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép …để đáp ứng sự chịu lực cục bộ của các bộ phận kết cấu, của tải trọng, đẹp về mỹ quan, thi công được và đặc biệt phù hợp chi phí kinh tế

Hình 1.1: Công trình cầu sử dụng vật liệu bê tông cốt thép

8

Hình 1.2: Chế tạo dầm bê tông cốt thép

1.1.1 Bê tông cốt thép thường (BTCT)

- Khái niệm: Bê tông cốt thép là một loại vật liệu xây dựng hỗn hợp do hai vật liệu thành phần có đặc trưng cơ học khác nhau là bê tông và thép cùng phối hợp chịu lực với nhau một cách hợp lý và kinh tế

+ Bê tông là một loại đá nhân tạo, thành phần bao gồm cốt liệu ( đá dăm, sỏi, cát) và chất kết dính ( xi măng) , nước và phụ gia (nếu có) Bê tông có đặc điểm là khả năng chịu nén tốt hơn khả năng chịu kéo rất nhiều (10  20 lần)

+ Thép là vật liệu có khả năng chịu kéo và chịu nén đều tốt tương đương nhau

- Như vậy, việc sử dụng riêng bê tông để làm các cấu kiện chịu lực có phát sinh ứng suất kéo (cấu kiện chịu kéo, uốn, kéo nén lệch tâm, ) sẽ là không hợp lý

- Để thấy được sự cộng tác chịu lực giữa bê tông và cốt thép ta xem xét hai thí nghiệm sau:

TTH

P

ct

f

fcc TN1:

Vïng chÞu nÐn

Vïng chÞu kÐo

VÕt nøt th¼ng gãc duy nhÊt

Hình 1.3 - Dầm bê tông không cốt thép

9

+ Khi tải trọng P trong hình 1.1 tăng dần thì tại vùng chịu kéo (thớ dưới dầm) vết nứt đầu

thì ứng suất nén ở thớ trên fcc << fccu

+ Khi P tiếp tục tăng thì vết nứt đầu tiên đó sẽ càng mở rộng và nâng cao, phần chịu nén thu hẹp dần cho tới khi dầm bị phá hoại Sự phá hoại này sẽ xảy ra trong khi các tiết diện khác của dầm vẫn chưa bị phá hoại (chưa nứt), nên sự phá hoại này là đột ngột (phá hoại giòn) Đồng thời, ta thấy khi dầm bị phá hoại thì khả năng chịu lực của vật liệu, nhất là khả năng chịu nén của bê tông vẫn chưa được khai thác hết, khả năng chịu mô men của dầm nhỏ  không hợp lý

+ Nếu ta đặt thêm cốt thép dọc vào vùng chịu kéo của dầm như hình 1.2 (ta cũng có thể dùng một số loại cốt liệu khác như tre nứa, thủy tinh, polime, )  ta được một loại vật liệu mới là BTCT (bê tông có cốt) Nếu lượng cốt thép đặt vào là hợp lý thì thì tình hình phá hoại của dầm sẽ không xảy ra đột ngột nữa (phá hoại dẻo) và khả năng chịu lực của dầm sẽ tăng lên rất nhiều (có thể

mở rộng dần Tại đó toàn bộ lực kéo sẽ do cốt thép chịu Nếu P tiếp tục tăng, thì các tiết diện gần đó

độ hay khả năng chịu lực của cả bê tông và cốt thép đều được khai thác hết

TN2:

cc

f

fs

P

TTH

As

Vïng chÞu nÐn

Hình 1.4 - Dầm bê tông cốt thép

- Dầm BTCT khai thác hết khả năng chịu nén tốt của bê tông và khả năng chịu kéo tốt của thép .Nhờ vậy khả năng chịu mô men hay Sức kháng uốn lớn hơn hàng chục lần so với dầm bê tông có cùng kích thước

- Trong cấu kiện BTCT, do cốt thép chịu kéo và nén đều tốt, nên nó còn được đặt vào vùng chịu nén của cấu kiện để gia cường thêm cho bê tông tại vùng đó  cấu kiện sẽ có kích thước giảm đi, chịu lực khi vận chuyển, lắp ráp được tốt hơn,

- Bê tông và thép có thể kết hợp cùng chịu lực với nhau một cách hợp lý như trên là do những yếu

tố sau:

+ Trên bề mặt tiếp xúc giữa bê tông và thép có lực dính bám khá lớn, lực dính bám này giữ cho cốt thép không bị tuột khỏi bê tông khi chịu kéo, nên lực có thể truyền từ bê tông sang thép và ngược

10

lại Lực dính bám là yếu tố quan trọng nhất đối với BTCT Nhờ có lực dính bám mà cường độ của cốt thép mới được khai thác, bề rộng vết nứt trong vùng kéo mới được hạn chế Do vậy, người ta phải tìm mọi cách để tăng cường lực dính bám giữa bê tông và cốt thép

+ Giữa bê tông và cốt thép không xảy ra phản ứng hoá học nào mà bê tông còn có tác dụng bảo vệ cho cốt thép chống lại các tác dụng trực tiếp của môi trường, của các đám cháy,

sinh sẽ không đáng kể

1.1.2 Bê tông cốt thép dự ứng lực (BTCTƯST)

- Ta thấy, BTCT thường (BTCT không DUL) có nhược điểm lớn là vết nứt xuất hiện sớm  giới hạn chống nứt thấp

0,3mm Đây cũng là bề rộng vết nứt giới hạn mà các TCTK quy định (quy định này xuất phát từ các yêu cầu như bảo vệ cho cốt thép khỏi bị ăn mòn do nước hoặc hơi nước xâm nhập vào, hoặc do điều kiện tâm lý của người sử dụng, )

thì sẽ không khai thác hết khả năng chịu lực của nó được, vì giới hạn bề rộng vết nứt cũng chính là giới hạn trị số ứng suất kéo trong cốt thép như ở trên

+ Việc tăng cường độ BT hoặc sử dụng cốt thép có đường kính nhỏ cũng phần nào giảm được bề rộng vết nứt, nhưng hiệu quả của nó rất thấp

+ Hơn nữa, với những cấu kiện yêu cầu có khả năng chống thấm (chống nứt) thì BTCT thường tỏ ra bất lực Thực tế cho thấy kết cấu BTCT thường không có khả năng chống nứt hoặc khả năng chống nứt rất hạn chế

- Do vậy, để tăng giới hạn chống nứt cho kết cấu BTCT và sử dụng được hợp lý cốt thép CĐC cũng như bê tông CĐC thì cách tốt nhất là sử dụng BTCT DUL

+ Khái niệm kết cấu dự ứng lực: Kết cấu dự ứng lực nói chung là loại kết cấu mà khi chế tạo

chúng người ta tạo ra một trạng thái ứng suất ban đầu ngược với trạng thái ứng suất do tải trọng khi

sử dụng nhằm, nhằm hạn chế các yếu tố có hại đến tình hình chịu lực của kết cấu do tính chất chịu lực kém của vật liệu sinh ra

11

+ Với bê tông cốt thép, thì chủ yếu người ta tạo ra ứng suất nén trước cho những vùng của tiết diện mà sau này dưới tác dụng của tải trọng khi sử dụng sẽ phát sinh ứng suất kéo Ứng suất nén trước này có tác dụng làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo do tải trọng khi sử dụng sinh ra Nhờ vậy mà cấu kiện sẽ không bị nứt hoặc nứt rất nhỏ

+ Để rõ hơn, ví dụ ta xét một dầm giản đơn BTCT DUL chịu tải trọng như hìnhvẽ:

t

f

f c f t

f c f c

t

f

f c

Hình 1.5 - Dầm BTCT ứng suất trước

Ta thấy, do sử dụng DUL mà ứng suất kéo trong cấu kiện đã bị triệt tiêu (DUL hoàn toàn) hoặc ứng suất kéo còn rất nhỏ (DUL không hoàn toàn)

- Ta có thể tạo ra các trạng thái ứng suất ban đầu khác nhau bằng hai cách: Thay đổi vị trí lực nén trước hoặc thay đổi trị số lực nén trước  Nhờ đó ta có thể thiết kế được kết cấu BTCT DUL một cách hợp lý và đưa đến khả năng tiết kiệm vật liệu nhất

1.1.3 Ưu và nhược điểm của kết cấu BTCT DƯL so với BTCT thường :

-Ưu điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT thường :

+ Nâng cao giới hạn chống nứt, do đó có tính chống thấm cao

+ Cho phép sử dụng hợp lý cốt thép cường độ cao, bê tông cường độ cao dẫn đến giảm giá thành và kích thước cấu kiện

+ Độ cứng tăng lên nên độ võng giảm ,vượt được nhịp lớn hơn so với BTCT thường

+ Chịu tải đổi dấu tốt hơn nên sức kháng mỏi tốt

+ Nhờ có ứng suất trước mà phạm vi sử dụng của kết cấu bê tông cốt thép lắp ghép, phân đoạn mở rộng ra nhiều Người ta có thể sử dụng biện pháp ứng lực trước để nối các cấu kiện đúc sẵn của một kết cấu lại với nhau

- Nhược điểm của kết cấu BTCTDƯL so với BTCT thường :

12

+ Ứng lực trước không những gây ra ứng suất nén mà còn có thể gây ra ứng suất kéo ở phía đối diện làm cho bê tông có thể bị nứt

+ Chế tạo phức tạp hơn yêu cầu kiểm soát chặt chẽ về kỹ thuật để có thể đạt chất lượng như thiết kế đề ra

BTCT

1.2.1 Đặc điểm chung về cấu tạo

Trong bê tông cốt thép, giải quyết vấn đề cấu tạo sao cho hợp lý là rất quan trọng Hợp lý về mặt chọn vật liệu (Mác bê tông hay cấp bê tông, nhóm thép hay loại thép), hợp lý về chọn dạng tiết diện

và kích thước tiết diện, hợp lý về việc bố trí cốt thép để có thể đồng thời đáp ứng được sự chịu lực cục bộ của các bộ phận kết cấu chưa được xem xét đầy đủ trong tính toán như tính không liên tục của kết cấu, vị trí đặt tải trọng tập trung, Giải quyết các liên kết giữa các bộ phận, chọn giải pháp bảo vệ kết cấu chống xâm thực, có thể thi công được (tính khả thi),

1.2.1.1 Kết cấu bê tông cốt thép thường

Cốt thép được đặt vào trong cấu kiện bê tông cốt thép thường bao gồm: cốt thép chịu ứng suất kéo, chịu ứng suất nén, để định vị các cốt thép khác và cốt thép cấu tạo khác Số lượng cốt thép do tính

toán định ra, nhưng nó cũng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo

 Cốt thép chịu ứng suất kéo do nhiều nguyên nhân gây ra như: Mô men uốn, lực cắt, lực dọc trục, mô men xoắn , tải cục bộ

- Cốt thép chịu kéo do mômen uốn gây ra đó là các cốt thép dọc chủ đặt ở vùng chịu kéo của cấu kiện, chúng được đặt theo biểu đồ M trong cấu kiện và đặt càng xa trục trung hoà càng tốt Ví dụ:

13

wL /82

w

M

a)

c)

b)

M

wL /2

w

L

2

Cèt thÐp däc chÞu kÐo do M Cèt thÐp däc chÞu kÐo do M

L w

M

Hình 1.6 - Biểu đồ mô men và cách đặt cốt thép

- Cốt thép chịu kéo do lực cắt gây ra đó là các cốt thép đai (cốt ngang) hoặc cốt thép xiên, chúng được đặt theo sự xuất hiện của biểu đồ lực cắt V trong cấu kiện Đối với cấu kiện chịu uốn, ngoài cốt thép dọc chịu kéo, do ảnh hường của lực cắt mà các tiết diện nghiêng

cốt thép đai hoặc cốt thép xiên để chịu ứng suất kéo này Ví dụ:

A

A

Cèt thÐp däc chÞu kÐo

Cèt thÐp däc chÞu nÐn

A's As

Hình 1.7- Sơ đồ bố trí cốt thép trong dầm

 Cốt thép chịu ứng suất nén: Đó là các cốt dọc chịu nén trong dầm, cột Các cốt thép này cùng tham gia chịu nén với bê tông

 Cốt thép định vị các cốt thép khác trong thi công

14

 Cốt thép kiểm soát nứt bề mặt phân bố gần bề mặt cấu kiện làm nhiệm vụ chịu ứng suất

do co ngót, thay đổi nhiệt độ, các cốt dọc và cốt thép ngang là một phần của cốt thép kiểm soát nứt bề mặt

Chú ý:

cốt thép đơn, còn khi có cả cốt thép dọc chịu kéo và cốt dọc chịu nén thì được gọi là tiết diện đặt cốt kép

gần giống như trong cấu kiện chịu uốn

- Trong cấu kiện chỉ chịu lực dọc trục trên tiết diện các cốt thép dọc thường được bố trí đối xứng với trục dọc của cấu kiện

- Kích thước tiết diện do tính toán định ra nhưng phải thoả mãn các yêu cầu cấu tạo, kiến trúc, khả năng bố trí cốt thép và kỹ thuật thi công Ngoài ra cần phải chú ý đến quy định về bề dày lớp bê tông bảo vệ cốt thép, khoảng cách trống giữa các cốt thép Các quy định này được quy định trong các tiêu chuẩn ngành

- Hình dạng tiết diện phụ thuộc vào TTUS của tiết diện khi chịu tải trọng:

+ Trong cấu kiện chịu kéo, nén đúng tâm tiết diện thường có dạng đối xứng như: Vuông, tròn, vành khăn, đa giác,

+ Trong cấu kiện chịu uốn, kéo nén lệch tâm tiết diện thường có dạng hình chữ nhật, chữ T, thang, hộp, (sao cho bê tông được mở rộng thêm ra ở vùng chịu nén để tận dụng tốt khả năng chịu nén tốt của nó hoặc đưa vật liệu ra xa trục trung hòa hơn)

1.2.1.2 Kết cấu bê tông cốt thép dự ứng lực

- Trong cấu kiện BTCTDƯL cốt thép gồm hai loại: Cốt thép thường (hay cốt thép không kéo căng) và cốt thép Dự ứng lực (cốt thép kéo căng) Cốt thép thường làm nhiệm vụ và được bố trí giống như cấu kiện bê tông cốt thép thường Cốt thép DƯL có nhiệm vụ tạo ra ứng suất nén trước trong bê tông để làm giảm hoặc triệt tiêu ứng suất kéo sinh ra do tải trọng Do đó, cốt thép DUL được bố trí theo nguyên tắc sau:

+ Trong cấu kiện chịu nén đúng tâm, cốt thép kéo căng sẽ là các cốt thép đai Trong một số trường hợp người ta kéo căng cả cốt thép dọc để chịu tải trọng trong giai đoạn vận chuyển và lắp ráp

+ Trong cấu kiện chịu kéo đúng tâm, cốt thép kéo căng sẽ là các cốt thép dọc