Thiết kế cầu dây văng 1

Thiết kế cầu dây văng

Trờng Đại học giao thông vận tải hà Nội

Khoa công trình

bộ môn cầu hầm

-Đồ án tốt nghiệp

thiết kế cầu dây văng

Giáo viên hớng dẫn : CHU VIếT BìNH Giáo viên đọc duyệt : Nguyễn đại việt Sinh viên thực hiện : Hồ XUÂN NAM Lớp : Cầu - Đờng bộ A K41 Trờng : ĐH Giao thông vận tải Hà Nội.–

Hà Nội : Tháng 5 - 2005

Lời nói đầu

*

Sau thời gian học tập tại trờng ĐHGTVT bằng sự nỗ lực của bản thân cùng với

sự chỉ bảo dạy dỗ tận tình của các thầy cô trong trờng ĐHGTVT nói chung và các thầy cô trong Khoa Công trình nói riêng em đã tích luỹ đợc nhiều kiến thức bổ ích trang bị cho công việc của một kỹ s tơng lai

Đồ án tốt nghiệp là kết quả của sự cố gắng trong suốt 5 năm học tập và tìm hiểu kiến thức tại trờng , đó là sự đánh giá tổng kết công tác học tập trong suốt thời gian qua của mỗi sinh viên Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp này em đã đợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Cầu – Hầm , đặc biệt là sự giúp đỡ trực tiếp của thầy : Chu Viết Bình

Do thời gian tiến hành làm Đồ án và trình độ lý thuyết cũng nh các kinh nghiệm thực tế còn có hạn nên trong tập Đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi nhứng thiếu sót Em xin kính mong các thầy cô trong bộ môn chỉ bảo để em có thể hoàn thiện hơn Đồ án cũng nh kiến thức chuyên môn của mình

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, 30 tháng 04 năm 2005

Sinh viên : Hồ Xuân Nam

NHËn xÐt cña gi¸o viªn h íng dÉn.

NHận xét của giáo viên đọc duyệt

Mục lục

Nhận xét của giáo viên hớng dẫn 2Nhận xét của giáo viên đọc duyệt 3

Chơng VIII Tính và kiểm duyệt Mặt cầu - dầm ngang 163

Tổng quan

*

I – Điều kiện tự nhiên tại khu vực Xây dựng cầu

I.1 – Đặc điểm về địa hình – Thuỷ văn

- Chế độ thuỷ văn ít thay đổi

+) MNCN : +1.65 m

+) MNTT : +1.59 m

+) MNTN : -1.10 m

- Khẩu độ thoát nớc yêu cầu : L > 300m

I.2 – Đặc điểm về Địa chất

- Đã tiến hành khoan tại 6 lỗ khoan ỏ vị trí xây dựng cầu dự kiến và có kết quả sau :+) Lớp 1a : Lớp đất đắp,cát san lấp,hạt trung

+) Lớp 1b: Lớp bùn sét màu xám đen,trạng thái dẻo chảy :

+) Lớp 2 : Lớp sét màu xám đen, nâu,nâu vàng.Trạng thái cứng đến nửa cứng +) Lớp 3a : Cát hạt trung màu nâu đỏ,vàng,vàng nâu đôi chỗ lẫn thạch anh,kết cấu chặt vừa

+) Lớp 3b : Lớp sét màu xám đen.Trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng

+) Lớp 3c : Lớp sét màu nâu vàng.Trạng thái dẻo cứng

+) Lớp 3d : Lớp sét màu vàng.Trạng thái dẻo mềm

+) Lớp 3e : Lớp cát lẫn ít sét màu xám.Trạng thái dẻo mềm

II – Các ph ơng án và ph ơng pháp xây dựng

II.1 – Quy trình thiết kế và các nguyên tắc chung

II.1.1 Quy trình thiết kế–

- Quy trình thiết kế : Quy trình thiết kế đờng ôtô 4054-98

- Quy trình thiết kế cầu cống : 22TCN – 272 – 01 (Bộ GTVT)

II.1.2 Các nguyên tắc thiết kế–

- Công trình đợc thiết kế vĩnh cửu , có kết cấu thanh thoát phù hợp vơi squy mô của tuyến đờng

- Đáp ứng đợc yêu cầ quy hoạch , phân tích tơng lai của tuyến đờng

- Thời gian thi công ngắn

- Thuận tiện cho công tác duy tu bảo dỡng

- Giá thành xây dựng thấp

II.2 – Các thông số kĩ thuật cơ bản

II.2.1 Quy mô xây dựng–

- Cầu đợc thiết kế vĩnh cửu với tuổi thọ >100 năm

II.2.2 Tải trọng thiết kế –

- Sử dụng cấp tải trọng theo quy trình thiết kế cầu : 22TCN – 272 - 2001

+) Hoạt tải thiết kế : HL93

- Xe tải thiết kế : P = 325 KN

- Xe 2 trục thiết kế : P = 220 KN

- Tải trọng làn thiết kế : q = 9,3 KN /m+) Tải trọng Ngời : 3 KN /m2

- Hệ số tải trọng

+) Tĩnh tải giai đoạn 1 : γ1 = 1,25

+) Tĩnh tải giai đoạn 2 : γ2 = 1,5

+) Hoạt tải : γ1 = 1,75

- Hệ số động (hệ số xung kích ) : IM = 1+ 25 / 100 = 1,25

II.2.3 Khổ cầu thiết kế–

- Mặt cắt ngang thiết kế cho 3 làn xe với vận tốc thiết kế : V=80 km/h

III – Các ph ơng án cầu và so sánh lựa chọn

III.1 – Nguyên tắc lựa chọn phơng án cầu

- Đáp ứng yêu cầu thông thuyền

- Giảm tối thiểu các trụ giữa sông

- Sơ đồ nhịp cầu chính xét đến việc ứng dụng công nghệ mới nhng có u tiên việc tận dụng thiết bị công nghệ thi công quen thuộc đã sử dụng trong nớc

- Đảm bảo tính khả thi trong quá trình thi công

- Đạt hiệu quả kinh tế cao , giá thành rẻ

Phần I : Thiết kế sơ bộ các Phơng án cầu

Chơng I : Phơng án sơ bộ IThiết kế Cầu dây văng

I – Giới thiệu chung về ph ơng án

I.1 – Tiêu chuẩn thiết kế

- Quy trình thiết kế : 22TCN – 272 – 01 Bộ Giao thông vân tải

- Tải trọng thiết kế : HL93 , đoàn Ngời bộ hành 300 Kg/m2

I.2 – sơ đồ kết cấu

I.2.1 Kết cấu phần trên–

- Sơ đồ bố trí chung toàn cầu 3x33+90+187+90+2x33

- Kết cấu cầu không đối xứng gồm 5 nhịp dẫn 33 m và hệ cầu dây văng ba nhịp

- Chiều cao cột tháp dự tính : 53.05 m tính từ đỉnh bệ tháp

- Mặt cắt ngang dầm có chiều cao không đổi dạng TT

- Chiều dài một khoang sơ bộ chọn 8 m

- Số lợng dây cho một cột tháp 22 dây

- Các dầm ngang đợc bố trí trên suốt chiều dài dầm dọc với khoảng cách 4m một dầm ngang

- Vật liệu chế tạo kết cấu nhịp :

+ Bê tông mác 400

+ Cốt thép cờng độ cao dùng các loại tao đơn 7 sợi

+ Thép cấu tạo dùng thép CT3

I.2.2 Kết cấu phần d– ới

1 - Cấu tạo tháp cầu :

- Tháp cầu dùng loại thân hộp đặc đổ BT tại chỗ Bê tông chế tạo M300

- Phơng án móng : Móng cọc đài cao ,cọc khoan nhồi đờng kính φ 1,5 m

2- Cấu tạo trụ cầu :

- Trụ cầu dùng loại trụ thân hẹp , đổ bê tông tại chỗ mác M300

- Trụ cầu dẫn : đợc xây dựng trên móng cọc khoan nhồi D= 120 cm

-Trụ cầu chính : đợc xây dựng trên móng cọc khoan nhồi D= 150 cm

- Phơng án móng : Móng cọc đài cao

3 - Cấu tạo mố cầu

- Mố cầu dùng loại mố U BTCT , đổ tại chỗ mác bê tông chế tạo M300

- Mố của kết cấu nhịp đợc đặt trên móng cọc khoan nhồi φ1.2 m.

III– Tính toán kết cấu nhịp cầu dây văng

II.1 – Chọn sơ đồ nhịp cầu

Nghiên cứu các đặc điểm địa chất - địa hình - thủy văn và kiến trúc cảnh quan xung quanh, điều kiện kinh tế - xã hội - chính trị của các vùng mà tuyến đi qua Ta quyết định chọn phơng án cầu dây văng ba nhịp có hai mặt phẳng giàn dây đối xứng qua tháp cầu

Sơ đồ phân nhịp 90 + 187 + 90 m

Từ những phân tích đã nêu ở trên ,áp dụng cụ thể cho phơng án cầu ở đây ,chọn :

- Chiều dài khoang dầm d=8 m

- Chiều dài khoang dầm giữa nhịp chính dg=(0,7-0,8)d = 7 m

- Chiều dài khoang dầm cạnh tháp dt= (1,1-1,2)d = 10 m

II.2 – hình dạng và chiều cao dầm cứng

Theo thống kê các cầu dây văng trên thế giới và trong nớc đã và đang xây

dựng, tỉ số chiều cao dầm chủ h

l = 1

100 ữ 3001 Vậy sơ bộ ban đầu chọn dầm chủ có mặt cắt ngang gồm hai chữ T có kích thứơc nh hình vẽ

II.3 – Lựa chọn các thiết bị phụ cho cầu dây văng

Hiện nay, các tao cáp đơn đợc sử dụng rộng rãi cho kết cấu BTCT Ư.S.T và cầu dây văng vì các tao đơn dễ vận chuyển, dễ lắp đặt và thích hợp với hệ neo thông dụng nhất hiện nay là neo kẹp

Sử dụng loại tao đơn gồm 7 sợi thép φ5 đờng kính ngoài 15,2 mm Đồng thời

sử dụng dây văng đợc tổ hợp từ các tao thép giảm đợc độ giãn của dây ( do độ võng của trọng lợng bản thân gây ra khi chịu tác dụng của hoạt tải )

Các tao thép đợc căng kéo riêng biệt và đợc ghép thành bó lớn trong các khối neo ở ngay hiện trờng Công tác lắp đặt dây văng rất đơn giản vì dây đợc lắp từng tao nhỏ lên không cần giàn dáo Hệ neo dùng với loại dây văng này là neo kẹp 3 mảnh giống hệ neo dùng trong cầu BTCT - ƯST.

Khối neo là khối thép hình trụ có khoan các lỗ hình côn để luồn các tao thép

và các tao thép này đợc kẹp chặt bằng nêm 3 mảnh hình côn có ren răng Bên ngoài khối neo đợc ren răng và dùng một êcu đủ lớn để xiết neo theo nguyên tắc vặn bu - lông

Phơng án dùng dây văng tổ hợp từ các tao thép 7 sợi và hệ neo kẹp là phơng án tối u nhất vì so với các dây văng sử dụng cáp xoắn ốc hay cáp kín thờng phải dùng neo đúc, loại neo này cần đợc đổ ở nhiệt độ 4500ữ 5000 là yêu cầu khó đảm bảo ở ngay tại công trờng Đồng thời việc vận chuyển lắp đặt các bó cáp lớn và dài sẽ gặp khó khăn hơn và việc điều chỉnh nội lực dây văng bằng cách thay đổi chiều dài dây cũng rất hạn chế

II.4 – Hình dạng và tiết diện của tháp cầu

- Chiều cao tháp cầu đợc chọn sao cho đảm bảo các yêu cầu sau :

+) Đảm bảo liên kết giữa dây văng và tháp

+) Đảm bảo cho goc nghiêng của dây văng hơp lý trong quá trình chịu lực

Góc nghiêng của dây văng giữa α = 20 ữ25 o

- Từ các phân tích trên ta chọn tháp cầu có các thông số nh sau

+) Chiều cao toàn bộ của tháp h th = 53.05 m

+) Chiều cao từ bệ tháp đến đáy dầm : hct= 10.30 m

+) Chiều cao từ tai neo đến dây văng thấp nhất : htt = 24.14 m

+) Chiều cao bố trí dây văng : hdv =18 m

+) Khoảng cách từ điểm neo dây trên cùng đến đỉnh tháp : hdt = 2.5m

1 - Bảng tính toán góc nghiêng dây văng nhịp biên :

II.5.1 Tính tĩnh tải–

1- Tính tĩnh tải giai đoạn I

- Tĩnh tải giai đoạn I gồm có các bộ phân sau :

Chiều dày bản cánh (bản mặt cầu) hc 25 cm

Chiều dày bản cánh tính đổi hc' 31.71 cm

Diện tích mặt cắt thực của dầm chủ A 43826 cm2

Trọng lợng dầm chủ dải đều DCdc 109.57 KN /m

- Tính trọng lợng dầm ngang và tai đeo dây văng: DCdc, DCtd

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trịĐơn vị

Khoảng cách giữa các dầm ngang adn 400 cm

Chiều dày tai đeo δtd 80 cm

Khoảng cách giữa các tai đeo atd 800 cm

Trọng lợng dầm ngang dải đều DCdn 12.1 KN /m

Trọng lợng dầm tai đeo dải đều DCtd 2 KN /m

- Tĩnh tải dải đều tiêu chuẩn giai đoạn I

DCITC = DCdc+ DCdn+ DCtd = 109,57+12,1+ 2 = 123,67 KN/m

- Tĩnh tải giai đoạn I tính toán :

DCITT = γ.DCITC = 1,25 123,67 = 154,57 KN/m

2 - Tính tĩnh tải giai đoạn II

- Tĩnh tải giai đoạn II gồm có các bộ phận sau :

Lớp bê tông mui luyện dày 1.03 0.24 KN/m2

Trọng lợng lớp phủ mặt cầu DWmcTC 2.77 KN/m2

Trọng lợng dải đều lớp phủ mặt cầu tính cho 1 dầm :

DWmctc= 2,77 5,25= 14,53 (KN/m)

- Tính trọng lợng của lan can + tay vịn +gờ chắn bánh + lề Ngời đi bộ

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị

1- Tính trọng lợng chân lan can

Chiều rộng chân lan can ngoài Blcn 20 cm

Chiều cao chân lan can ngoài Hlcn 25 cm

Chiều rộng chân lan can trong Blct 20 cm

Chiều cao chân lan can trong Hlct 25 cm

Trọng lợng dải đều phần chân lan can DWlc 4.25 KN/m

2- Tính trọng lợng cột lan can và tay vịn

Trọng lợng 1 ống thép tròn lan can Polc 237.49 KN

Trọng lợng dải đều phần ống thép polc 1.294 m

Chiều dày trung bình lề ngời đi bộ Hle 10 cm

Trọng lợng lề ngời đi bộ DWNG 3.45 KN/m

- Tính tĩnh tãi giai đoạn II

+) Tính tải giai đoạn II tiêu chuẩn

DWIITC = DWgc+ DWclc+ DWlc+tv+ DWng = 14,53 + 4,25 + 2x 2,65 + 1,41 + 3,45 = 24,16 KN/m

+) Tĩnh tải giai đoạn II tính toán

DWIItt = γ DWIITC = 1,5 24,16 = 36,24 KN/m

3 - Tổng hợp tĩnh tải 2 giai đoạn

- Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn I : DCTC

I = 123,67 KN/m

- Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn II : DWTC

II = 24,16 KN/m

- Tĩnh tải tiêu chuẩn tổng cộng : DTC = 155,3 KN/m

- Tĩnh tải tính toán giai đoạn I : DCTC

I = 154,57 KN/m

- Tĩnh tải tính toán giai đoạn II : DWTC

II = 36,24 KN/m

- Tĩnh tải tính toán tổng cộng : DTT = 190,81 KN/m

II.5.2 Tính hoạt tải–

1 - Hoạt tải xe tính toán theo quy trình 22TCN – 272 - 01

- Hoạt tải xe HL 93 lấy theo quy trình 22TCN – 272 – 01 Tuỳ thuộc vào dạng

ĐAH mà xếp tải sao cho đạt đợc hiệu bất lợi nhất

- Néi dung tÝnh hÖ sè ph©n bè ngang

+) Coi b¶n mÆt cÇu lµ dÇm hÉng kª trªn c¸c gèi cøng lµ c¸c dÇm chñ

+ +

+) T¶i träng lµn : gL = 3 ( 1 , 076 0 , 747 0 , 692 0 , 363 0 , 308 0 , 021 )

2

1 2

+) T¶i träng Ngêi : gNG = 1 , 5 ( 1 , 356 1 , 191 )

2

1 2

1

+ =0,856II.6 – TÝnh to¸n néi lùc vµ chän tiªt diÖn d©y v¨ng

II.6.1 Chän lo¹i c¸p lµm d©y v¨ng–

- Sö dông lo¹i c¸p C§C lo¹i bã xo¾n 7 sîi cña h·ng VSL cã c¸c chØ tiªu nh sau :

β = 0,5 víi tæ hîp t¶i träng phô

β = 0,56 víi tæ hîp t¶i träng thi c«ng

=> Cờng độ sử dụng của cáp với tổ hợp tải trọng chính là :

fsa = 0,45.1860.102 = 873 Mpa

II.6.2 Tính nội lực trong dây văng–

1 – Tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

a- Công thức tính nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

- Nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn I đợc tính với sơ đồ của giai đoạn thi công

- Công thức tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

+) Nội lực trong dây thứ i

+) Nội lực trong dây giữa

b- Bảng tính nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

Dây

i αi

(độ) Sinαi S

iI tĩnhKN

2 – Tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn II và hoạt tải

a- Công thức tính nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn II và hoạt tải

- Nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn II và hoạt tải đợc tính với sơ đồ KCN cầu hoàn chỉnh trong giai đoạn khai thác

- Để tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải dg2 và hoạt tải thì ta sử dụng chơng trình Sap2000 vẽ ĐAH nội lực trong dây văng sau đó xếp tải trọng lên ĐAH để tính nội lực

- Nội lực trong các dây đợc tính với sơ đồ xếp tải trọng trên toàn cầu , riêng dây neo

đợc tính với sơ đồ xếp hoạt tải tại nhịp giữa

i

I tt i

Sin

d g S

α

.

=

g g

I tt g

Sin

d d g S

α

2

) ( +

=

- Néi lùc do tÜnh t¶i giai ®o¹n II

SttII = qttII ∑ω

- Néi lùc do ho¹t t¶i

+) Do t¶i träng lµn : SLantt = γlan qlan ϖ+

b- §êng ¶nh hëng néi lùc trong d©y v¨ng

- §êng ¶nh hëng néi lùc d©y 1 vµ 1’

- §êng ¶nh hëng néi lùc d©y neo (xÕp t¶i trªn nhÞp gi÷a)

c - B¶ng tÝnh to¸n néi lùc trong d©y v¨ng do tÜnh t¶i giai ®o¹n II vµ ho¹t t¶i

A - Néi lùc d©y v¨ng nhÞp biªn

B - Néi lùc d©y v¨ng nhÞp gi÷a

9' 19.058 -2.87 16.188 586.71 215.89 148.21 729.52 128.43 1073.8410' 19.473 -4.389 15.084 546.70 207.58 141.80 745.40 131.23 1084.2111' 19.48 -6.48 13 470.37 199.88 137.31 744.06 130.99 1074.93

3 – Tổng hợp nội lực trong dây văng

II.6.3 Chọn tiết diện trong dây văng–

- Tiết diện của các dây văng đợc xác định theo công thức

+) ful : Cờng độ tính toán của vật liệu làm dây, ful = 8370 (KG/cm2)

Các công thức trên xuất phát từ điều kiện tận dụng hết khả năng làm việc của dây ( trờng hợp dây nhiều khoang nhỏ ) Theo đó tiết diện của tất cả các dây văng khác nhau Tuy nhiên trong tính toán thiết kế khi sự khác biệt không lớn thì ta có thể chọn tiết diện của một số dây giống nhau hoặc do một số mục đích nào đó trong quá trình thiết kế thì ta cũng có thể tăng hoặc giảm tiết diện của một số dây

- Bảng chọn tiết diện dây văng

Si max

KN cm2Ai Số taon Chọnn tao chọnAi1' 1848.06 22.08 15.77 31 43.42' 2368.79 28.30 20.21 31 43.43' 2823.87 33.74 24.10 31 43.44' 3193.67 38.16 27.25 37 51.85' 3565.80 42.60 30.43 37 51.86' 3835.60 45.83 32.73 37 51.87' 4074.91 48.68 34.77 43 60.28' 4266.91 50.98 36.41 43 60.29' 4410.70 52.70 37.64 43 60.210' 4525.05 54.06 38.62 43 60.211' 4384.85 52.39 37.42 43 60.2

II.6.4 kiểm tra điều kiện kéo đứt của dây văng–

Công thức: max fpu 0 , 45 186 83 , 7 (KN/cm2 )

Ai

Si

f = < = =

Trong đó: Si max:Nội lực lớn nhất trong mỗi dây

fpu: Cờng độ kéo đứt của thép

II.6.5 Điều kiện làm việc tốt của dây văng–

- Để dây văng làm việc tốt trong quá trình chịu tác dụng của tải trọng thì dây văng phải thoả mãn các điều kiện sau :

+) Đảm bảo điều kiện về độ bền : đảm bảo khả năng chịu lực

+) Đảm bảo điều kiện về độ cứng : tức là dây văng cần phải đợc kiểm tra theo

điều kiện biến dạng cho phép của hệ

- Độ võng của nút dây thứ i do hoạt tải đợc xác định theo công thức sau

h i i i

o o

h o o i

A

S l tg

A

S l E

Y

α α α

.

cos

1

2

Trong đó :

+) E : Mô đun đàn hồi của vật liệu dây

+) Soh, Sih : Nội lực tiêu chuẩn trong dây neo và dây thứ i do hoạt tải

+) Ao,Ai : Diện tích dây neo và dây thứ i

+) lo , li : Hình chiếu của dây neo và dây thứ i lên mặt bằng

- Điều kiện đảm bảo về độ cứng : yi < {y}

III – Tính toán kết trụ tháp

III.1 – Cấu tạo tháp và trụ tháp

- Do điều kiện địa hình và địa chất tại khu vực đặt tháp ở 2 phía cầu là tơng tự nh nhau do đó để thuận tiện cho công tác tính toán và thiết kế thì ta thiết kế tháp cầu 2 bên là nh nhau , do vậy ta chỉ cần tính toán cho 1 tháp

- Tháp cầu dùng loại thân hộp đặc đổ BT tại chỗ Bê tông chế tạo M300

- Phơng án móng : Móng cọc đài cao ,cọc khoan nhồi đờng kính φ1,5m

- Tháp cầu đợc cấu tạo nh sau :

+) Chiều cao toàn bộ của tháp h th = 53.05 m

+) Chiều cao từ bệ tháp đến đáy dầm : hct= 10.03 m

+) Chiều cao từ tai neo đến dây văng thấp nhất : htt = 24.14 m

+) Chiều cao bố trí dây văng : hdv =18 m

+) Khoảng cách từ điểm neo dây trên cùng đến đỉnh tháp : hdt = 2.5m

III.2 – Tính toán thiết kế

III.2.1 - Tính trọng lợng của tháp :

- Bảng tính toán trọng lợng tháp

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị