ĐỒ ÁN MÔN HỌCTHIẾT KẾ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNGBỘ MÔN CẦU VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP... ĐỒ ÁN MÔN HỌCTHIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP MỤC LỤC CHƯƠNG 1.. ĐỒ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

BỘ MÔN CẦU VÀ CÔNG TRÌNH NGẦM

ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ, LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC SƠ BỘ 1

1.1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ 1

1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế và tải trọng 1

1.1.2 Vật liệu 1

1.1.2.1 Bê tông 1

1.1.2.2 Cốt thép thường 2

1.1.2.3 Cáp dự ứng lực 2

1.2 THIẾT KẾ MẶT CẮT NGANG 3

1.2.1 Mặt cắt ngang kết cấu nhịp 3

1.2.2 Mặt cắt ngang dầm chủ 3

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU 5

2.1 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC BẢN MẶT CẦU 5

2.2 TÍNH VÀ BỐ TRÍ CỐT THÉP BẢN MẶT CẦU 5

2.3 KIỂM TOÁN TIẾT DIỆN BẢN MẶT CẦU 5

CHƯƠNG 3 TÍNH NỘI LỰC DẦM CHỦ 6

3.1 TÍNH ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA TIẾT DIỆN 6

3.1.1 Mặt cắt ngang dầm giai đoạn 1 6

3.1.2 Mặt cắt ngang dầm giai đoạn 2 6

3.1.3 Mặt cắt ngang dầm giai đoạn 3 6

3.2 TÍNH NỘI LỰC DẦM CHỦ CHƯA CÓ HỆ SỐ TẢI TRỌNG 7

3.2.1 Nội lực do tĩnh tải 7

3.2.1.1 Nội lực do tĩnh tải giải đoạn 1 7

3.2.1.2 Nội lực do tĩnh tải giải đoạn 2 7

3.2.2 Nội lực do hoạt tải 7

3.2.2.1 Hệ số phân bố hoạt tải 8

3.2.2.2 Nội lực do hoạt tải HL-93 8

3.3 TỔ HỢP NỘI LỰC DẦM CHỦ 8

3.3.1 Tổ hợp nội lực theo trạng thái giới hạn cường độ 1 8

3.3.2 Tổ hợp nội lực theo trạng thái giới hạn sử dụng 8

3.4 CHỌN VÀ BỐ TRÍ CÁP DỰ LỰC 8

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

3.4.1 Chọn số lượng cáp dự ứng lực 8

3.4.2 Bố trí cáp dự ứng lực 8

3.5 TÍNH MẤT MÁT ỨNG SUẤT 8

3.5.1 Mất mát ứng suất do ma sát 8

3.5.2 Mất mát ứng suất do tụt neo 8

3.5.3 Mất mát ứng suất do co ngắn đàn hồi 8

3.5.4 Mất mát ứng suất do co ngót của bê tông 8

3.5.5 Mất mát ứng suất do từ biến 8

3.5.6 Mất mát ứng suất do tự chùng 8

3.5.7 Tổng mất mát ứng suất 8

CHƯƠNG 4 KIỂM TOÁN DẦM CHỦ 9

4.1 KIỂM TOÁN DẦM CHỦ THEO THGH CƯỜNG ĐỘ 1 9

4.1.1 Kiểm toán sức kháng uốn dầm 9

4.1.1.1 Tính sức kháng uốn của các tiết diện 9

4.1.1.2 Kiểm toán sức kháng uốn 9

4.1.1.3 Vẽ biểu đồ bao mô men và sức kháng uốn 9

4.2 Kiểm toán hàm lượng cốt thép tối đa 9

4.3 Kiểm toán hàm lượng cốt thép tối thiểu 9

4.3.1 Kiểm toán sức kháng cắt 9

4.4 KIỂM TOÁN DẦM CHỦ THEO TTGH SỬ DỤNG 9

4.4.1 Kiểm tra ứng suất trong bê tông 9

4.4.2 Kiểm tra ứng suất giới hạn trong cáp dự ứng lực 9

4.4.3 Kiểm tra độ võng 9

4.4.4 Tính độ vồng 9

CHƯƠNG 5 THI CÔNG KẾT CẤU NHỊP CẦU 10

5.1 TRÌNH TỰ CHẾ TẠO DẦM CHỦ 10

5.2 TRÌNH TỰ LAO LẮP DẦM CHỦ VÀ THI CÔNG BẢN MẶT CẦU 10

5.3 HOÀN THIỆN CẦU 10

TÀI LIỆU THAM KHẢO 11

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Mặt cắt ngang cầu 3

Hình 1-2 Mặt cắt ngang dầm 4

Hình 2-1 Mặt cắt ngang dầm 11

Hình 2-2 Mặt cắt ngang lan can 12

Hình 2-3 Nhập số liệu khoảng cách nhịp 13

Hình 2-4 Đường ảnh hưởng tại tiết diện M204 14

Hình 2-5 Kết quả số liệu đường ảnh hưởng M204 14

Hình 2-6 Đường ảnh hưởng 15

Hình 2-7 Tải trọng do bản mặt cầu tác dụng vào dải bản ( phần trong ) 16

Hình 2-8 Tải trọng do bản mặt cầu tác dụng lên bản hẫng 17

Hình 2-9 Tải trọng do lan can tác dụng lên bản hẫng 17

Hình 2-10 Tải trọng lớp phủ mặt đường tác dụng lên dải bản 18

Hình 2-11 Sơ đồ xếp 1 làn xe lên đường ảnh hưởng M204 20

Hình 2-12 Sơ đồ xếp 2 làn xe lên đường ảnh hưởng M204 20

Hình 2-13 Sơ đồ xếp 1 làn xe lên đường ảnh hưởng M300 21

Hình 2-14 Sơ đồ xếp 1 làn xe lên đường ảnh hưởng M200 22

Hình 2-15 Đặt hoạt tải cho phản lực lớn nhất dầm ngoài 23

Hình 2-16 Chiều cao có hiệu của bản mặt cầu 26

Hình 2-17 Tiết diện nứt chịu momen dương 30

Hình 2-18 Chiều cao có hiệu của bản mặt cầu 31

Hình 3-1 Mặt cắt ngang dầm chủ 6

Hình 3-2 Hoạt tải HL93 8

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1-1 Cường độ bê tông và phạm vi áp dụng 2

Bảng 1-2 Phân loại cốt thép thường 2

Bảng 1-3 Thống kê các kích thước cơ bản 4

Bảng 3-1 Đặc trưng hình học dầm thép 6

Bảng 3-2 Thống kê 7

Bảng 3-3 Thống kê 7

CHƯƠNG 1 SỐ LIỆU THIẾT KẾ, LỰA CHỌN KÍCH THƯỚC SƠ BỘ

1.1.1 Tiêu chuẩn thiết kế và tải trọng

Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05

Hoạt tải thiết kế HL93

 Trọng lượng đơn vị tính toán: 25(KN/m3)

 Cường độ nén của mẫu bê tông tiêu chuẩn hình trụ (28 ngày): f c ' = 40 (Mpa)

 Cường độ nén quy định của bê tông khi căng kéo: f cⅈ ' = 0,9f c ' = 36 (Mpa)

 Ứng suất tạm thời trước khi xảy ra các mất mát:

+ Ứng suất nén: f pe = 0,6 f cⅈ ' = 21,6 (Mpa)

+ Ứng suất kéo: f ctbl = 0,58√f ' cⅈ = 3,5 (Mpa)

 Mô đun đàn hồi của bê tông dầm: E c = 0,043γ c1,5

√f c ' = 32000 (Mpa) b) Bê tông bản mặt cầu

 Trọng lượng đơn vị tính toán: 25(KN/m3)

 Cường độ nén của mẫu bê tông tiêu chuẩn hình trụ (28 ngày)

f c '= 40 (Mpa)

⇒ β= 0,85−0,05×(f c '−28)

7

=0,85−0,05 ×(40−287 )=0,76

 Ứng suất nén cho phép: f pe =0,45 f cs ' =18 (Mpa)

 Mô đun đàn hồi của bê tông bản mặt cầu: E cs = 0,043γ c1,5

√f c ' = 32000 (Mpa)

 Hệ số tính đổi giữa bản bê tông và dầm bê tông: n s=E cs

E s=1

Cường độ bê tông mẫu hình trụ tại 28 ngày tuổi sử dụng cho các kết cấu BTCT như sau:

Bảng 1-1 Cường độ bê tông và phạm vi áp dụng

Cấp bê tông Cường độ f’c

(Mpa)

Sử dụng

1.1.2.2 Cốt thép thường

Cốt thép thường theo tiêu chuẩn TCVN 1651-2008 “Thép cốt bê tông ”

Bảng 1-2 Phân loại cốt thép thường

Loại thép Cấp thép Giới hạn chảy nhỏ nhất

(Mpa)

Giới hạn bền lớnnhất (Mpa)

Đường kính(mm)

1.1.2.3 Cáp dự ứng lực

Cáp dự ứng lực sử dụng loại tao 12.7mm (0.5’’) hoặc 15.2mm(0.6’’) gồm 7 sợi, có

độ chùng thấp theo tiêu chuẩn ASTM A416-90a, cấp 270

 Giới hạn bền f pu = 1860 Mpa

 Giới hạn chảy f py = 1670 Mpa

 Môđun đàn hồi E = 197000 Mpa

 Diện tích một tao cáp 12.7mm Apsi= 98.7 mm²

 Diện tích một tao cáp 15.2mm Apsi= 140 mm²

 Trọng lượng đơn vị của tao cáp 12.7mm 0.755 kg/m

 Trọng lượng đơn vị của tao cáp 15.2mm 1.1 kg/m

 Ứng suất trong cáp dự ứng lực khi kích f pj = 0.75 fpu

 Đường kính ống ghen tra catalogue cáp dự ứng lực

 Hệ số ma sát k= 0.001/m

100 100

200 650

Hình 1-2 Mặt cắt ngang dầm

Kích thước cơ bản của dầm được tổng hợp trong bảng sau:

Bảng 1-3 Thống kê các kích thước cơ bản

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU

2.1.1 Cấu tạo bản mặt cầu và đặc điểm cấu tạo

2400

500 11800

1100 2400

2400

10800 500

Hình 2-3 Mặt cắt ngang dầm

2.1.1.1 Cấu tạo

 Chiều dày bản bê tông cốt thép: h s=200(mm)

 Chiều dày bản hẫng h0=200+25=225(mm) -chiều dày tăng lên để

chống xe tông vào lan can

 Chiều dày lớp phòng nước 4 (mm)

 Chiều dày lớp áo đường bê tông asphalt 70 (mm)

2.1.1.2 Đặc điểm làm việc

 Bản làm việc cục bộ kê lên các dầm ngang và dầm chủ

 Nhịp của bản theo phương ngang cầu là khoảng cách giữa các tim vàdầm cho S=2,5(m), trong tính toán gần đúng ta sẽ thiết kế bản kê 2 cạnh làm việc theophương ngang cầu, có nhịp S=2,5 m

 Ta áp dụng phương pháp dải bản theo AASHTO để tính thiết kế bảnmặt cầu

2.1.2 Trọng lượng các bộ phận

2.1.2.1 Lan can

 Diện tích mặt cắt ngang là: 400500 (mm2)

Hình 2-4 Mặt cắt ngang lan can

 Trọng lượng lan can coi như một tải trọng tập trung, trọng tâm lan cancách mép ngoài 191mm:

ta lập đường ảnh hưởng của dầm liên tục ba nhịp hai đầu hẫng Sử dụng phần mềm Sap2000

để vẽ đường ảnh hưởng:

Hình 2-5 Nhập số liệu khoảng cách nhịp

Hình 2-6 Đường ảnh hưởng tại tiết diện M204

Hình 2-7 Kết quả số liệu đường ảnh hưởng M204

Sau khi sử dụng phần mềm SAP2000 để tính toán, ta được các đường ảnh hưởng:

100

600 500

400 300

200

100

600 500

400 300

204

200

100

1100 2400

2400 2400

2400 1100

Hình 2-8 Đường ảnh hưởng

 Chiều dài đoạn bản hẫng: L= 1100 (mm)

 Khoảng cách từ trọng tâm lan can đến gối thứ nhất:

 Khoảng cách từ mép trong lan can đến gối thứ nhất:

 Diện tích phần đường ảnh hưởng phía trong:

Bảng 2-1 Diện tích phần đường ảnh hưởng phía trong

Bảng 2-2 Diện tích phần đường ảnh hưởng mút thừa

Hình 2-9 Tải trọng do bản mặt cầu tác dụng vào dải bản ( phần trong )

Nội lực do trọng lượng bản mặt cầu Ws= 4,9x10-3 (N/mm2)

 R200= Ws x (diện tích đ.a.h không có đoạn hẫng = 1,0002x106)

Hình 2-10 Tải trọng do bản mặt cầu tác dụng lên bản hẫng

Nội lực do trọng lượng bản mút thừa Wo= 5,5x10-3 (N/mm2)

 R200= Wo x (diện tích đ.a.h đoạn hẫng = 1,4667 x106)

2.1.3.3 Nội lực do lan can

Hình 2-11 Tải trọng do lan can tác dụng lên bản hẫng

Nội lực do trọng lượng lan can Wb= 9,1 (N/mm2)

 R200= Wb x (tung độ đ.a.h dưới lực = 1,4835 x103)

2.1.4 Xác định nội lực do hoạt tải

Các tải trọng trục thiết kế là 145 KN gồm 2 bánh xe đặt cách nhau 1800mm theo phương ngang cầu Tim bánh xe cách 600mm từ mép làn thiết kế Khi tính phần hẫng, tim bánh xe sẽ đặt cách mép lan can một đoạn là 300mm Khoảng cách từ bánh xe đến tim gối:

2.1.4.1 Momen dương lớn nhất do họat tải

Chiều rộng làm việc của dải bản:

S W+ ¿ =660+ 0,55 S=1980 (mm) ¿ (2-27)

a Trường hợp 1:

Khi xếp 1 làn xe Hệ số làn xe, m=1,2

1150 2500 2500

1800

Hình 2-13 Sơ đồ xếp 1 làn xe lên đường ảnh hưởng M204

Momen tại tiết diện 204:

Hình 2-14 Sơ đồ xếp 2 làn xe lên đường ảnh hưởng M204

Momen tại tiết diện 204:

M 20 4 2 xe=m×( y1+ y2+ y3+ y4)× P

S W+ ¿

¿

(2-29)

2.1.4.2 Mômen âm lớn nhất do hoạt tải

Chiều rộng làm việc của dải bản:

S W− ¿ =1220+ 0,25 S= (mm) ¿ (2-31)Khi xếp 1 làn xe Hệ số làn xe m = 1,2

Đặt hoạt tải để có mômen âm lớn nhất ở gối khi có 1 làn xe như hình vẽ

Mômen tại tiết diện M300:

Hình 2-16 Sơ đồ xếp 1 làn xe lên đường ảnh hưởng M200

Khoảng cách từ bánh xe đến tim gối là:

Hình 2-17 Đặt hoạt tải cho phản lực lớn nhất dầm ngoài

- DC: nội lực do trọng lượng bản thân kết cấu (không kể lớp phủ, lan can)

- γ DC: hệ số tải trọng cho trọng lượng bản thân kết cấu

- DW: nội lực do lớp phủ

- γ DW: hệ số tải trọng cho lớp phủ

- LL: nội lực do hoạt tải

- γ¿: hệ số tải trọng cho hoạt tải

- (1+IM): hệ số xung kích, với xe tải thiết kế IM = 0.25

- η = hệ số điều chỉnh tải trọng, η=η D × η R × η I ≥ 0,95

Khi tính bản mặt cầu có thể lấy như sau:

- η D=0,95 do cốt thép trong bản được tính đến giới hạn chảy

- η R=0,95 với phần bản ở phía trong (làm việc như dầm liên tục)

η R=1,05 với phần bản hẫng (không có tính dư)

- η I=1,05đối với cầu quan trọng

Hình 2-18 Chiều cao có hiệu của bản mặt cầu

Chiều cao có hiệu quả của bản bê tông khi uốn dương và âm lấy khác nhau vì các lớpbảo vệ trên và dưới khác nhau

Lớp bảo vệ:

- Lớp bảo vệ phía trên: 25 mm

- Lớp bảo vệ phía dưới: 30 mm

Giả thiết dùng N016, db=16mm, Ab= 210 mm2

d_duong= 210 – 30 – 16/2= 172 mmd_am= 210 – 25 –16/2= 177 mmCần kiểm tra sức kháng mô men của cốt thép đã chọn

Cốt thép lớn nhất bị giới hạn bởi yêu cầu dẻo dai: a ≤ 0,42 βd=0,32 d

Cốt thép nhỏ nhất của cốt thép thường thỏa mãn nếu: p=

Khoảng cách lớn nhất của cốt thép chủ [A5.10.3.2] của bản bằng 1.5 lần chiều dày

bản hoặc 450mm với chiều dày bản 210mm: S max

2.2.1 Cốt thép chịu mô men dương

 M u=35559,4 (Nmm/mm), d=172mmKhoảng cách từ trọng tâm miền chịu nén của bê tông đến trọng tâm cốt thép chịu kéo

trong bê tông (lấy gần đúng): j d=0,9 ×172=153 (mm)

Sơ bộ chọn diện tích cốt thép chịu kéo:

Đạt về cường độ dẻo dai.

 Kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu:

Đảm bảo hàm lượng cốt thép tối thiểu

 Kiểm tra cường độ mômen:

Đối với thép ngang dưới chịu mômemn dương dùng ϕ 16 a300

2.2.2 Cốt thép chịu mô men âm

 Kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu:

Đảm bảo hàm lượng cốt thép tối thiểu

 Kiểm tra cường độ mômen:

2.2.3 Cốt thép phân bố

Cốt thép phụ theo chiều dọc được đặt dưới dáy bản để phân bố tải trọng bánh xe dọc cầu đến cốt thép chịu lực theo phương ngang Diện tích yêu cầu tính theo % cốt thép chính chịu mômen dương Đối với côt thép chính đặt vuông góc với hướng xe chạy:

trên dùng ϕ 10 a250

 Kiểm tra nứt BTCT bằng cách kiểm tra ứng suất kéo trong cốt thépdưới tác dụng của tải trọng sử dụng fs nhỏ hơn ứng suất kéo cho phép fsa:

n = tỷ số giữa mô đun đàn hồi của thép và bê tông

Hình 2-19 Tiết diện nứt chịu momen dương

 Để tính fs phải xác định đặc trưng hình học của tiết diện+ Nếu x<d’, từ điều kiện mô men tĩnh của tiết diện với trục trung hòa = 0 ta có phương trình:

0,5 b x2+n( A s+A s ')x−n( A ' s d '+ A s d)=0

⇔ 0,5× 1× x2+6,25 ×( 0,667+1,143)× x

+6,25 (1,143 × 38+0,667 ×172)=0

(2-63)

Giải phương trình được x = 34,6mm < d’= 38mm

Mômen quán tính của tiết diện nứt chuyển đổi là:

CHƯƠNG 3 TÍNH NỘI LỰC DẦM CHỦ

Sinh viên phải tính toán đặc trưng hình học của 2 loại tiết diện tại vị trí giữa nhịp và

vị trí tại khu vực đầu dầm

Hình 3-21 Mặt cắt ngang dầm chủ

3.1.1 Mặt cắt ngang dầm giai đoạn 1

Các công thức trong thuyết minh đồ án phải được ghi theo mẫu như công thức ( 3 68) dưới đây

8)

Bảng 3-4 Đặc trưng hình học dầm thép

3.1.2 Mặt cắt ngang dầm giai đoạn 2

3.1.3 Mặt cắt ngang dầm giai đoạn 3

Sinh viên phải tính nội lực tại 6 mặt cắt 0L, 0.1L, 0.2L, 0.3L, 0.4L, 0.5L

3.2.2.2 Nội lực do hoạt tải HL-93

3.3.1 Tổ hợp nội lực theo trạng thái giới hạn cường độ 1

3.3.2 Tổ hợp nội lực theo trạng thái giới hạn sử dụng

CHƯƠNG 4 KIỂM TOÁN DẦM CHỦ

Sinh viên phải kiểm toán tại 6 mặt cắt 0L, 0.1L, 0.2L, 0.3L, 0.4L, 0.5L

4.1.1 Kiểm toán sức kháng uốn dầm

4.1.1.1 Tính sức kháng uốn của các tiết diện

4.1.1.2 Kiểm toán sức kháng uốn

4.1.1.3 Vẽ biểu đồ bao mô men và sức kháng uốn

4.3.1 Kiểm toán sức kháng cắt

4.4.1 Kiểm tra ứng suất trong bê tông

4.4.2 Kiểm tra ứng suất giới hạn trong cáp dự ứng lực

4.4.3 Kiểm tra độ võng

4.4.4 Tính độ vồng

CHƯƠNG 5 THI CÔNG KẾT CẤU NHỊP CẦU

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Đình Tâm, Cầu bê tông cốt thép trên đường ô tô, Nhà xuất bản xây dựng 2005.

[2] Nguyễn Tiến Oanh, Nguyễn Trâm, Lê Đình Tâm, Xây dựng cầu bê tông cốt thép, Nhà

xuất bản xây dựng, 1995

[3] Bộ Giao thông vận tải, Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05, Nhà xuất bản giao

thông vận tải, 2005

[4] American Association of State Highway and Transportation Officials (AASHTO),

LRFD Bridge Design Specifications, 4th Edition, Washington DC, 2007.

[5] Wai Fan Chen and Lien Duan, Bridge Engineering Handbook, CRC press, NewYork,

2000

[6] Richard M.Baker, Jay A.Pucket, Design of highway bridge, MC Graw Hill, 1997.