đề tài thiết kế cầu dầm thép liên hợp - nguyễn văn nam

Trường Đại Học GiaoTông Vận Tải Khoa Công Trình Bộ môn : Cầu - Hầm THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP Giáo viên hướng dẫn — : PGS.TS.. Noi dung thiết kế: Thiết kế kết cấu cầu dầm

Trường Đại Học GiaoTông Vận Tải

Khoa Công Trình

Bộ môn : Cầu - Hầm

THIẾT KẾ MÔN HỌC CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP

Giáo viên hướng dẫn — : PGS.TS Trần Đức Nhiệm

Sinh viên thực hiện : Nguyễn Văn Nam

Thiết Kế Câu Thép

I Noi dung thiết kế:

Thiết kế kết cấu cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT nhịp giản đơn

8 Bêtông bản mặt cầu cấp 28 MPa

II Tiêu chuẩn thiết kế:

Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế của Bộ GTVT: 22 TCN 272 - 05

Phan thuyét minh

I Cac sé liéu cua bétong, thép va lua chon mat cắt:

1 Số liệu của bêtông làm bản mặt cầu:

Bê tông làm bản mặt cầu :

1 Cường độ nén quy định của bê tông f,’ = 28 Mpa

2 Mô đun đàn hồi của bê tông E, = 0,043 /= 26752.50 Mpa

4 Chiều dày của bản mặt cầu t, = 180 mm

8.Tỷ trọng của vật liệulàm lớp phòng nước =0,7 KN/m?

2 Số liêu của thép dâm chủ:

1.Mô đuyn đàn hồi của thép E, 200000 Mpa

2 Thép hợp kim thấp cường độ cao M270 Cấp 345W

3 Cường độ chịu kéo nhỏ nhất F, 485 Mpa

4 Cường độ chảy nhỏ nhất F, 345 Mpa

Số lượng dầm ngang theo phương dọc cầu = 5

Khoảng cách giữa các dầm ngang = 4350 mm

Chiều dày sườn dầm ngang t„=

Tinh tai rai déu trén 1 dém chủ là = 0,04302 KN/m

II Tính cac dac trưng hình hoc của mát cắt

1.Xác định bề rông hữu hiêu của bản cánh (A.4.6.2.6) Giá trị

1.1.Dầm giữa

Bề rộng hữu hiệu của bản cánh có thể lấy là giá trị nhỏ nhất của 3

giá trị sau:

+ 12 lần độ dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất của bề dày 2260

bản bụng dầm hoặc 1/2 bề rộng bản cánh trên của dầm

+ Khoảng cách trung bình giữa các dầm kề nhau 2400

Vậy bề rộng hữu hiệu của bản cánh đối với dầm giữa là : 2260

1.2.Dâm biên

Bề rộng cánh dầm hữu hiệu có thể đợc lấy bằng 1/2 bê rộng hữu hiệu

của dầm giữa cộng trị số nhỏ nhất của các đại lượng sau:

+ 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn hơn giữa 1/2

độ dày bản bụng hoặc 1/4 bề rộng bản cánh trên của dầm chính 1130

= Đối với tải trọng tạm thời: n = 7

Đối với tải trọng dài hạn: n= 3x7 = 2l

3 Tính đặc trưng hình hoc của mắt cắt:

Hình3: Các kí hiệu kích thước dầm liên hợp

Hình 4: Mặt cắt liên hợp của dầm trong và dầm biên

3.1 Đối với mặt cắt nguyên:

a) Các công thức tính toán:

Diện tích mặt cắt nguyên:

Ay, = Djet pt Opty + Dt,

Mômen tĩnh của mặt cắt đối với mép dưới cùng của mặt cắt:

Sie = Og ty A(d—- > + Paty) + Dye +ty)

Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo và chịu nén xa nhất:

Y= 2s, =d-Y, ned ~~ 3 Ê net ned

Khoảng cách từ TTH đến thớ chịu kéo Yuca 429,109 mm

Khoảng cách từ TTH đến thớ chịu nén Yuet 570,890 mm

Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo và chịu nén xa của mặt cắt

liên hợp:

S

Pn = Ying =~ , Tụ, = d+h, _ Vina

th

Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp dài hạn:

b,

p_, yn, ty )

+hyDI Vina =F ~fạ to ta A+ by +> — Ying

b) Thay số cho từng trường hop

III Tinh toan tai trong:

1 Tĩnh tải tác dụng lên I dâm chủ:

1.1 Tĩnh tải giai đoạn I (tác dụng lên mặt cắt không liên hợp)

Ký hiệu + Trọng lợng bản thân dầm chủ DCdc =

+ Tĩnh tải do trọng lượng bản mặt cầu DCbmc =

+ Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT dâm

+ Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT hé lién

kết dọc

* Liên kết dọc dùng thép góc đều cạnh có :

Trọng lượng trên Im dài là

Chiều dài mỗi hệ liên kết dọc

Dclkdoc=

+ Trọng lượng mối nối dầm lấy bằng

Vay tinh tal giai đoạn l là :

1.2-Tĩnh tải giai đoạn II (Tác dụng lên mặt cắt liên hợp):

*Tinh tải do lan can cầu:

Giá trị 0.25002 10,02

0.04302

90x90x9 12,2 4.35 0.12285 0,1 10,54

DW =

*Tinh tai do trọng lượng rải phân cách

Bề rộng dải phân cách B,, Chiêu cao rải phân cách H,

DC pc Vậy tĩnh tải giai đoạn II là: DC, =

1.3! Tổng hợp các loại tĩnh tải tác dụng lên dâm

Coi lan can chỉ do dầm biên chịu.(chưa nhân hệ số )

14752: 18.972

2 Hoat tai tac dung lén dam chu:

2.1 Các hoat tdi tac dung g6m:

Y Hoat tai HL93 bao gồm:

+xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế

+Tải trọng làn

0.5 4.32 4.82

3.28 0,04 3.32

0,25 0,3 1,8 9,94

kN/m kN/m kN/m kN/m

2.2 Chọn số lượng làn xe:

Số lượng làn xe sẽ bằng phần nguyên của kết quả khi chia phần chiều rộng xe

chạy cho 3500mm:

7000 n=——=

3500

3 Tính hê số phán bố hoat tải theo làn:

2 Vậy số lượng làn xe là 2 làn

3.1 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với mômen:

3.1.1 Đối với dâm trong

+ Một làn chịu tải thiết kế

L: Chiều dài nhịp tính toán L= 17400 mm

Trong thiết kế sơ bộ cho phép lấy Le =1 3

Chon giá trị cực đại làm phân bố hệ số mô men thiết kế của các dầm giữa

Sng = Max(0,40763;0,5602) = 0,5602

3.1.2 Đối với dầm ngoài:

+ Một làn chịu tải thiết kế : Dùng phương pháp đòn bẩy

250 145kN

+Hai lan thiét ké: 8 =g„„( = 0,77+— 2800)

4 =-1250mm : Khoảng cách từ tim dầm biên đến mép đá via

Vì d,<-300mm nên nằm ngoài phạm vi áp dụng

=Emnm= #nui= 9

3.2 Hê số phản bố hoat tải theo làn đối với lực cắt _(A.4.6.2.2.3)

3.2.1 Đối với dâm trong

+ Một làn chịu tải thiết kế:

3.2.2 Đối với dâm ngoài

+ Một làn chịu tải thiết kế theo quy tắc đòn bẩy gu ¡=0

+ Hai hoặc hơn hai làn thiết kế chịu tải

3.3 Hé số phán bố hoat tải theo làn đối người đi bô

Sử dụng phương pháp đòn bẩy cho cả mô men và lực cắt coi tải trọng người

là tải trọng tập trung

-Dầm ngoài : g„ = 0,875.1,5= 1,313 -Dầm trong : gz/= 0

Hệ số phân bố tỉnh toán Dầm trong | Dầm ngoài

Hệ số phân bố cho mômen 0,56018 0

Hệ số phân bố cho lực cắt 0.720618 0

IV.NO6i luc dam chu:

1.Bảng các hê số tải trong:

a) Bảng hê số tải trong:7„

Loại TTGH cường độ Ï TIGHSD | TTGH moi

Mối nối bản mặt cầu 75%

Tất cả các TTGH Tất cả các cấu kiện khác

e TIGH mỏi và giòn 15%

e Tất cả các TTGH khác 25%

2.N6i luc dam chi do tinh tai gay ra:

2.1 Đường ảnh hưởng tại mặt cắt

Đan Mô men

2.2_Bảng giá trị mômen do tĩnh tải giai đoạn l: (có nhân với hệ số tải trọng )

Mo men tai mat cat i dugc tinh nhu sau: M,, = 7,-DC,.a,,

+y, =1,25 V6i TTGH Cường độ I

2.3 Bang gid tri luc cat _do tinh tải giai đoạn I:( có nhân với hệ số tải trọng )

Lực cắt tai mat cat i được tính bằng công thức sau : ƒ„, =7„,.DC,.ø, —7„_.DC,

+ Để thiên về an toàn ở TTGH Cường độ I 7„, =1,25 z„ =0,9

+ ở TTGH Sử dụng 7,, =7„_ =1

MC Dam _| x (mm) | w+ W- Dầm trong | Dầm ngoài | Dầm trong | Dầm ngoài

Thiết Kế Câu Thép

2.5_ Bảng giá trí lực cắt do tĩnh tải giai đoạn II gáy ra:( có nhân với hệ số tải trọng

Lực cắt tại mặt cắt ¡ được tính bằng công thức sau :

3 Bang tong hop noi luc do tinh tai gay ra

3.1 Bảng tổng hợp mô men do tĩnh tải gây ra:( có nhân với hệ số biến đối tải

trọng)

M,c.py =11(M, + M, i ») =0,95.(M,, + M,,)

IMC Dam x(mm) | Dam trong | Dam ngoài | Dầm trong | Dâm ngoài

4 Momen do hoat tai gay ra:

4.1 Do xe 3 truc gay ra:

v Tai trong cia banh xe va khoang cach cua chting xem hinh vé

v Cách xếp xe lên đường ảnh hưởng (ĐAH): Xếp xe sao cho hợp lực của các trục bánh xe và trục bánh xe gần nhất cách đều tung độ lớn nhất của ĐAH

Hình vẽ: Sơ đô xếp tải bất lợi của xe 3 truc tai mat cat i

Thiết Kế Câu Thép

Hình vẽ: Sơ đồ xếp tải bất lợi của xe 2 trục Công thức tính mômen:

Mondem = >, P,-Y; =110.y,+110.y>

Trong đó: P;: Trọng lượng các truc xe

y;: Tung d6 đường ảnh hưởng mômen

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

4.3._Do tdi trong lan gay ra:

La tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

Tải trọng làn không tính hệ số xung kích

Cong thitc tinh momen: M,,,,, = Pa,

œ,: Diện tích đường ảnh hưởng mômen

4.4-Do tdi trong người gây ra:

Tải trọng người trên cầu ôtô bằng 3kN/m” Là tải trọng rải đều trên toàn bộ

chiều dài dầm coi như rải đều trên toàn bộ bề rộng lề người đi Tải trọng người

không tính hệ số xung kích

Cong thttc tinh mémen: M, = Pa,

Trong đó: P;¿ Tải trọng người P,=3.1,5 = 4,5 (KN/m)

œ,: Diện tích đường ảnh hưởng mômen

5 Luc cat do hoat tai gay ra:

5.1 Do hoạt tải xe 3 trục gây ra:

Thiết Kế Câu Thép

Công thức tính lực cắt:

Quruck = > h Yi

Trong đó: P;: Trọng lượng các trục xe

y,: Tung độ đường ảnh hưởng lực cắt

Hình vẽ: Sơ đồ xếp tải bất lợi tại mặt cắt ¡ do xe 2 trục

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và lực cắt của dầm chủ:

5.3-Do tdi trong làn gây ra:

La tai trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm Tải trọng làn không tính hệ số xung kích

5.4-Do tải trong người gây ra:

Tải trọng người trên cầu ôtô bằng 3 kN/m” Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm Tải trọng người không tính hệ số xung kích

Cong thifc tinh momen: Q, = Pa,

Mômen do hoạt tải TTGH Cường độ I TTGH Sử dung

MC Dâm x (mm) Dâm trong | Dâm ngoài | Dâm trong | Dầm ngoài

MC Dam x(mm)_| Dam trong | Dâm ngoài | Dâm trong |_ Dâm ngoài

7.Tong hop két qua tinh noi luc do toan bo tai trong gay ra:

Bằng tổng nội lực do tĩnh tải và hoạt tải (đã tính ở phần trên)

Z.1 Bảng tổ hợp mômen tính toán do toàn bô tải trong gây ra:

Mômen tính toán TIGH Cuong do 1 TTGH Sử dung

MC Dam x (mm) Dâm trong | Dâm ngoài | Dâm trong | Dầm ngoài

7.2-Bảng tổng hợp lực cắt tính toán do toàn bô tải trong gáy ra:

MC Dam x(mm) | Dầm trong | Dầm ngoài | Dầm trong |_ Dầm ngoài

= Dam trong là dầm bất lợi ta tính toán cho dầm trong

V Thiết kế và kiểm duyêt dâm chủ:

Sau khi tính toán nội lực dầm chủ cho dầm trong và dầm biên so sánh ta thấy dầm trong bất lợi hơn nên ta tính toán thiết kế cho dầm trong

Các dầm có mặt cắt chữ I chịu uốn phải được thiết kế theo:

> Sức kháng uốn theo TTGH cường độ

> Sức kháng cắt theo TTGH cường độ

> TTGH sử dụng đối với độ võng và độ vồng thiết kế

> Tính toán mỏi

1 Kiểm tra điều kiên cấu tao:

1.1 Tỉ lê cấu tạo chung :

1.2 Kiểm tra độ mảnh của sườn dâm

Vì dầm không có sườn tăng cường dọc nên điều kiện kiểm tra là:

+7, :Ứng xuất ở bản cánh chịu nén do lực tính toán

1.2.1 -Giai doan I.(n)

ˆ_ 2D

Vậy t, ° =43,699 < 6,77,|“- =6,77 | 200000 _ „+9 6683 —y Đạt ! f 75,4019

1.2.2 -Giai đoan II.(3n)

-D =Yu-Ti= 666,646 - 30 = 636,646(mm)

- Z:ứng suất bất lợi nhất trong cánh nén do:

+Tĩnh tải tính toán giai đoạn I: /,= 75.4019 ( Mpa)

+Tĩnh tải tính toán giai đoạn ÏI : / = ae Y„ =37.916 Mpa

- D,„: Chiều cao của bản bụng chịu nén tại lúc mômen dẻo

- F„: Cường độ chảy dẻo nhỏ nhất được qui định của bản cánh chịu

Bỏ qua vùng bê tông chịu kéo

> Gia tri các lực dẻo là:

= Nên TTHD đi qua bản bụng của dầm chủ

Đối với các mặt cắt chịu mômen uốn dương, khi TTHD đi qua bản bụng của dâm chủ ta có công thức tính D,, nhu sau :

F A,-F.,.A,,-0,85.f 4

y-p _D[feA=F,.4.=0/85./7.4

„2 FA vwt⁄4w +1 |=448,496(mm)

Trong đó:

- Y,D,,: Khoảng cách từ TTHD đến mép cánh trên của bản thép

- Vậy chiều cao bản sườn chịu nén tại mô men dẻo D,,= 448,496 (mm) -t,: Chiều dày của bản bụng dâm chủ t, = 20 (mm )

?„ : Chiều dày bản cánh chịu nén 25 mm

Lực dẻo trong cánh biên chịu nén: Pc= fy*Bft*Y= 54155937.5 | N.m

Lực dẻo trong cánh biên chịu kéo: Pc= fy*Bft*(-Tft+Y) = | 51137187.5 | N.m

Lực dẻo trong vách đứng: _Pw = Fy.D.tw = fy*Hsd*Tsd = 6520500 | N.m Luc déo trong bién chiu kéo: Pt = Fy.bt.tt = fy*Bfb*Tfb = 3450000 | N.m

Thay s6 vao ta duge: Mp = 123831,625 kNm

2.4/ Xác định giá trị momen chay My:

M,: Khả năng chịu mômen chảy ban đầu của mặt cắt liên hợp ngắn hạn chịu

mômen dương

M, = Mi + Mp; + Mụp Trong đó:

+ Mp: Momen do tải trọng thường xuyên và có hệ số lên tiết diện thép khi bê tông vẫn còn làm việc theo mômen kháng uốn của tiết diện không liên hợp Sy

+ Mp): Mômen do phần còn lại của tải trọng thường xuyên có hệ số do mômen kháng uốn của tiết diện liên hợp dài hạn chịu S;„

+ M¿„: Mômen bổ sung do yêu cầu đạt tới giới hạn chảy một trong các biên thép Mômen này do hoạt tải có hệ số và mômen kháng uốn của

tiết diện liên hợp ngắn hạn chịu Scr

C6 thé tim M,, tir phuong trình:

2.5 Xác định sức kháng uốn danh định của mặt cắt liên hợp đặc chắc:

d:chiéu cao mat cat thép d=1000 mm

t,: chiều dày bản bê tông t =180 mm

t„:chiều cao vút bê tông t,=50 mm

> D=114,8 mm

I< ” =2,02<5 Như vậy phải tính M, theo công thức (2)

Sức kháng uốn tính toán của mặt cắt: M, =9,,M,,

3 Sức kháng cắt theo TTGH cường đô:

Quy trình quy định nếu: ˆ >150 thì phải bố trí sườn tăng cường

w

ở đây 2 - ni =50 < 50 —> Vì vậy không phải bố trí STC, tuy nhiên trong thực tế van bố trí STC đứng để lắp thêm liên kết ngang.Do vậy trước tiên ta đi tính sức kháng cắt và kiểm tra ĐK lực cắt b khi không có STC,nếu ĐK lợc cắt không đảm

bảo khi đó mới kiểm tra dầm có STC

Thiết Kế Câu Thép

Vây V„=0,58 1000.20.345.10” =4002 kN

V, = pV, = 4002 > V, =882,56kN > Dat

(Ta không phải kiểm tra Dkluc cat khi c6 STC nifa)

4 Kiểm tra moi va dit gay với các chỉ tiết:

4.1 Mỏi do vách chịu uốn:

Các bản bụng không có gờ tăng cường dọc phải thoả mãn yêu cầu sau:

„: Cường độ chảy nhỏ nhất qui định của bản bụng, F.„ = 345MPa

- 3 Chiều cao của bản bụng chịu nén trong phạm vi đàn hồi, tính như sau:

D.= foc t+ fow + fitsim foc , Sow + đua