Thiết kế cầu dây văng 2

Thiết kế cầu dây văng

- Sơ đồ bố trí chung toàn cầu 6 x33+66+110+66+ 4x33 m

- Kết cấu cầu không đối xứng gồm 6 nhịp dẫn phía bên trái và 4 nhịp dẫn phía bên phải và hệ cầu BTCTDƯL liên tục 3 nhịp thi công theo phơng pháp đúc hẫng cân bằng

- Dầm liên tục 3 nhịp 66+110+66 m tiết diện hình hộp chiều cao thay đổi

+) Chiều cao dầm trên đỉnh trụ h= 6,0 m

+) Chiều cao dầm tại giữa nhịp h= 2,5 m

- Cao độ đáy dầm thay đổi theo quy luật parabol đảm bảo phù hợp yêu cầu chịu lực

+) Chiều dày bản mặt cầu tại ngàm : tn = 100 cm

+) Chiều dày sờn dầm : Mặt cắt gối là 60 cm, tại mặt cắt giữa nhịp là 40 cm

- Vật liệu dùng cho kết cấu nhịp

4- Cốt thép thờng: Sử dụng loại cốt thép có gờ với các chỉ tiêu:

I.1.2 Kết cấu phần d– ới

1- Cấu tạo trụ cầu :

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

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

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

- Phơng án móng : Móng cọc đài cao

2 - 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 dẫn đợc đặt trên móng cọc khoan nhồi : D = 120 cm

II – tính toán sơ bộ kết cấu nhịp

II.1 – Xác định các kích thớc cơ bản của cầu

- Cần kiểm toán tại 2 mặt cắt 1-1 và 2-2 nh hình

vẽ

- Chiều dài kết cấu nhịp: đối với kết cấu nhịp liên

tục chiều dài nhịp biên Lnb= (0,6 ữ 0,7) chiều dài

nhịp giữa Lng

+) Trong phơng án này chọn Lng = 110m

+) Lấy : Lnb = 66 m

II.1.1 Phân chia đốt dầm–

- Để đơn giản trong quá trình thi công và phù hợp với các trang thiết bị hiện có của

đơn vị thi công ta phân chia các đốt dầm nh sau :

+) Đốt trên đỉnh trụ : do = 14m (khi thi công sẽ tiến hành lắp đồng thời 2 xe

đúc trên trụ)

+) Đốt hợp long nhịp giữa : dhl = 2m, đốt hợp long nhịp biên : dhl = 2m

+) Chiều dài đoạn đúc trên đà giáo : ddg = 10 m

+) Số đốt ngắn trung gian : n = 5 đốt , chiều dài mỗi đốt : d = 3 m

+) Số đốt trung gian còn lại : n = 8 đốt , chiều dài mỗi đốt d = 4 m

- Sơ đồ phân chia đốt dầm

II.1 2 Xác định ph– ơng trình thay đổi cao độ đáy dầm

- Giả thiết đáy dầm thay đổi theo phơng trình parabol ,

đỉnh đờng parabol tại mặt cắt giữa nhịp

- Cung Parabol cắt trục hoành tại sát gối

cầu bên trái và trục hoành 90

5 3

5 53

y= − 0 , 001223 2 + 0 , 13084

II.1.3 Xác định ph– ơng trình thay đổi chiều dày đáy dầm

- Tính toán tơng tự ta có phơng trình thay đổi chiều dày đáy dầm nh sau :

8 , 0 1121 , 0 00105 ,

Mặt dầm chủ đợc thiết kế với độ dốc dọc 2.5% , với bán kính cong R = 5000 m

II.1.5 Tính toán đặc tr– ng hình học của mặt cắt tiết diện

Để tính toán đặc trng hình học ta có thể sử dụng công thức tổng quát nh sau để tính:

+ Diện tích mặt cắt :

F = 1/2 * ∑ ( x i -x i+1 ) * (y i +y i+1 ).

+ Tọa độ trọng tâm mặt cắt :

y c = 1/6 * F* ∑ (x i -x i+1 ) * (y i2+y i y i+1 +y i+12).

+ Mômen tĩnh của mặt cắt đối với trục x :

S x = 1/6 * ∑ (x i -x i+1 ) * (y i3+y i2.y i+1 +y i y i+12+y i+13).

+ Mômen quán tính đối với trục trung hòa :

0 1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14 DG

- Kích thớc mặt cắt ngang:

- Trên cơ sơ các phơng trình đờng cong đáy dầm và đờng cong thay đổi chiều dày bản đáy lập đợc ở trên ta xác định đợc các kích thớc cơ bản của từng mặt cắt dầmBảng tính toán các kích thớc cơ bản của mặt cắt dầm chủ(mặt cắt giữa mỗi đốt)

Sau khi chạy chơng trình ta sẽ có đợc các đặc trng hình học của các mặt cắt phần dầm đúc hẫng nh sau:

Chiều dày bản

đáy hb

Chiều rộng bản

đáy b

Diện tích trừ rãnh fo

Diện tích tính

đổi fbt

Vị trí trục trung hoà yo

13 400 253.1 30.4 980 111312 111312 106.0 958754989 2.3605E+10

14 400 250 30.0 980 110619 110619 104.4 928423590 2.3505E+10

II.2 – Tính tĩnh tải giai đoạn I và giai đoạn II

II.2.1 Tính tĩnh tải giai đoạn I –

- Từ đặc trng hình học của mặt cắt dầm ta tính đợc trọng lợng các đốt dầm

Bảng tính toán trọng lợng các đốt dầm và tĩnh tải dải đều của từng đốt

Khối

Chiều dài khối (m)

Diện tích (cm2) n

DCtc (KN)

DCtt (KN) ai (m)

Mtc

i (KN.m)

188089 K0 7 173779 1.25 3166.3 3957.9 3.5 11082.2K1 3 166481 1.25 1276.0 1595.0 8.5 10845.8K2 3 159566 1.25 1222.7 1528.3 11.5 14060.8K3 3 153051 1.25 1172.3 1465.4 14.5 16998.6K4 3 146952 1.25 1125.0 1406.3 17.5 19687.7K5 3 141286 1.25 1080.9 1351.1 20.5 22158.3K6 4 134426 1.25 1378.6 1723.2 24 33085.4K7 4 128389 1.25 1314.1 1642.6 28 36794.1K8 4 123200 1.25 1257.9 1572.4 32 40254.2K9 4 118881 1.25 1210.4 1513.0 36 43574.6K10 4 115451 1.25 1171.7 1464.6 40 46866.5

K11 4 112925 1.25 1141.9 1427.3 44 50242.7

K12 4 111312 1.25 1121.2 1401.5 48 53816.7

K13 4 110619 1.25 1109.7 1387.1 52 57702.0

II.2.2 Tính tĩnh tải giai đoạn II–

1 - Tính tĩnh tải giai đoạn II

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

Tên gọi các đại lợng dày h Chiều DWtc

Đơn vị

Trọng lợng lớp phủ mặt cầu DWmcTC 2.77 KN /m2Trọng 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

a - Trọng lợng chân lan can

Trọng lợng dải đều phần chân lan can Plc 3.75 KN /m

b - Trọng lợng cột lan can và tay vịn

Trọng lợng dải đều của cột lan can pclc 1.38 KN /m

Trọng lợng dải đều phần tay vịn Ptv 7 KN /m

Trọng lợng dải đều lan can và tay vịn Plv 0.838 KN /m

Chiều dày trung bình lề ngời đi bộ hle 10 cm

Trọng lợng lề ngời đi bộ

2 - Tổng hợp tĩnh tãi giai đoạn II

+) Tính tải giai đoạn II tiêu chuẩn

DWIITC = 2 (DWgc+ DWclc+ DWlc+tv+ DWng ) = 2.(14,53 + 3,75 + 0,838 + 1,406 + 3,45) = 47,94 (KN /m)+) Tĩnh tải giai đoạn II tính toán

DWIItt = γ DWIITC = 1,5x47,94= 71,91 (KN /m)

- Các giai đoạn thi công bao gồm :

Sơ đồ 1 Giai đoạn sau khi đã hạ gối xong rồi thi công tiếp và hợp long đốt–

- Sử dụng bảng tính trên exel ở trên để tính toán và phân tích nội lực theo sơ đồ tĩnh

định ta có : giá trị mômen mặt cắt đỉnh trụ lớn nhất trong giai đoạn hợp long nhịp giữa :

Mhl max = 630870 KN.m

=> Giá trị nội lực lớn nhất trong giai đoạn thi công : MTC

max = 630870 KN.m

II.4 – Tính toán nội lực mặt cắt đỉnh trụ giai đoạn khai thác

II.4.1 Nguyên tắc tính nội lực dầm chủ giai đoạn khai thác.–

Giai đoạn khai thác là giai đoạn kết cấu cầu đã hình thành hoàn chỉnh , đó là sơ đồ kết cấu liên tục kê trên các gối cứng

- Nội lực dầm chủ trong giai đoạn khai thác đợc lấy theo nguyên lý cộng tác dụng giá trị nội lực của dầm chủ trong 3 sơ đồ 2-3-4

II.4.2 Sơ đồ 2 Sơ đồ dỡ tải trọng thi công ,xe đúc,dỡ ván khuôn treo đốt hợp–

long và tĩnh tải đốt hợp long

g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g12

g13 ghl

g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 g8 g9 g10 g11 g13

ghl g12

Qc/2 Qc/2

ghl

gtc Qxd

- Sử dụng chơng trình Sap2000 để vẽ đờng ảnh hởng và xếp tải ta có : giá trị mômen mặt cắt đỉnh trụ lớn nhất trong giai đoạn đúc hẫng :

Mdx max = 9542,7 KN.m

II.4.3 Sơ đồ 3 Sơ đồ cầu chịu tĩnh tải giai đoạn II–

Sơ đồ :

- Tải trọng :

+) Trọng lợng lớp phủ mặt cầu ( tĩnh tải giai đoạn II ) , DWTT=71,91 KN/m

- Sử dụng chơng trình Sap2000 để vẽ đờng ảnh hởng và xếp tải ta có : giá trị mômen mặt cắt đỉnh trụ lớn nhất trong giai đoạn đúc hẫng :

Mdh max = -65252,6 KN.m

II.4.4 Sơ đồ 4 Sơ đồ cầu chịu hoạt tải –

Sơ đồ :

- Tải trọng :

+) Hoạt tải thiết kế : HL 93 và tải trọng Ngời (300 Kg/m2)

+) Nội lực do hoạt tải mặt cắt đỉnh trụ đợc lấy giá trị lớn nhất trong tổ hợp :

1 – Tổ hợp 1 : Xe tải + Làn + Ngời

2 – Tổ hợp 1 : Xe 2 trục + Làn + Ngời

3 – Tổ hợp 3 : 90 % Xe tải + 90% Làn + Ngời (Với điều kiện xe tải

đ-ợc xếp 2 xe cách nhau 15 m , khoảng cách giữa các trục bánh xe là 4,3 m)

1 - Vẽ ĐAH mômen mặt cắt đỉnh trụ

Sử dụng chơng trình SAP2000 vẽ ĐAH mômen tại mặt cắt đỉnh trụ nh sau :

- Đối với tải trọng làn và tải trọng Ngời thì ta xếp tải trọng lên phần ĐAH âm khi đó nội lực do tải trọng đợc tính theo công thức :

MTT = γi q ∑ S

+) Tải trọng làn dải đều : qlan = 9,3 (KN /m)

+) Tải trọng Ngời : qNG = 4,5 (KN /m)

+) Nội lực do tải trọng làn : MlanTT = 1,75 9,3 (-979,965)= -16257,6 (KN.m) +) Nội lực do tải trọng Ngời : MNgTT = 1,75 0,45 (-979,965)= -7717,22 (KN.m)

- Tính nội lực do xe tải :

+) Khi tính giá trị mômen tại mặt cắt đỉnh trụ thì ta sử dụng 2 xe tải thiết kế

đặt cách nhau 15 m , khoảng cách các trục lấy bằng 4,3 m

II.4.5 Tính tổng nội lực mặt cắt giai đoạn khai thác–

p f 1

' c P

S y S s

p y

' S tt

C

- Lấy tổng mômen với trong tâm cốt thép DƯL ta có :

+) hf : Chiều dày cánh chịu nén

+) β1 : Hệ số chuyển đổi hình khối ứng suất, β1 = 0.8 theo 5.7.2.2

+) fpu : Cờng độ chịu kéo quy định của thép DUL, fpu = 1860 MPa

+) fpy : Giới hạn chảy của thép DUL, fpy = 85%fpu = 1581 MPa (bó 12 tao)+) c : Khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hoà với giả thiết là thép DUL đã bị chảy dẻo

+) a = c.β1: Chiều dày của khối ứng suất tơng đơng

+) fps : ứng suất trung bình trong cốt thép DUL ở sức kháng uốn danh định tính theo công thức 5.7.3.1.1-1

Với f

f -1.04 2

ps

d

c k - 1

f f

ps

y S W c W

f c y

s ps

f

f A b

a f b

b h f f

y s ps

f

f A a b f f

- Hàm lợng thép DƯL và thép thờng phải đợc giới hạn sao cho :

42 , 0

≤

p

d c

2– Bảng tính toán và bố trí cốt thép mặt cắt đỉnh trụ giai đoạn thi công

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vịTổng giá trị mô men tại mặt cắt đỉnh trụ Mtt 779636 KN.m

Khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu nén đến trọng

Cốt thép thờng chịu nén

Chiều cao bố trí cốt thép thờng chịu nén ats' 41.17 cmKhoảng cách đến mép chịu nén ngoài cùng ds' 41.17 cm

Tổng diện tích thép thờng chịu nén As' 537.21 cm2

Xác định vị trí trục trung hoà

Tính toán cốt thép DƯL

ứng suất trung bình trong thép DƯL fps 181.5 KN /cm2

+) Nếu N1 < N2 : thì TTH đi qua sờn => tính toán theo công thức của mặt cắt chữ T

- Công thức tính mômen kháng uốn danh định của mặt cắt (tính theo công thức của

mặt cắt chữ nhật)

- Công thức tính sức kháng uốn tính toán của mặt cắt

Mr = ϕ MnTrong đó :

+) hf : Chiều dày cánh chịu nén

+) β1 : Hệ số chuyển đổi hình khối ứng suất, β1 = 0.8 theo 5.7.2.2

+) fpu : Cờng độ chịu kéo quy định của thép DUL, fpu = 1860 MPa

+) fpy : Giới hạn chảy của thép DUL, fpy = 85%fpu = 1581 MPa

+) c : Khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hoà với giả thiết là thép DUL đã bị chảy dẻo

+) a = c.β1: Chiều dày của khối ứng suất tơng đơng

+) fps : ứng suất trung bình trong cốt thép DUL ở sức kháng uốn danh định tính theo công thức 5.7.3.1.1-1

Với

+) Hàm lợng thép DƯL và thép thờng phải đợc giới hạn sao cho : ≤0,42

p

d c

Bảng tính duyệt mặt cắt đỉnh trụ giai đoạn sử dụng

p

pu ps 1

' c

pu ps

d

fkA.b

.β0,85.f

'

A

AfAc

+

−+

)2'.(

'

)2.(

.2

a -dfA

ps

d

c k - 1

f f

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị Diện tích cốt thép DƯL bố trí Aps 537.6 cm2

Lực kéo trong thép DƯL và thép thờng N2 148600 KN

=>Vậy việc bố trí cốt thép DƯL đảm bảo khả năng chịu lực cho mặt cắt

II.5 – Tính toán nội lực mặt cắt giữa nhịp giai đoạn khai thác

II.5.1 Nguyên tắc tính nội lực dầm chủ giai đoạn khai thác.–

Giai đoạn khai thác là giai đoạn kết cấu cầu đã hình thành hoàn chỉnh , đó là sơ đồ kết cấu liên tục kê trên các gối cứng

- Nội lực dầm chủ trong giai đoạn khai thác đợc lấy theo nguyên lý cộng tác dụng giá trị nội lực của dầm chủ trong 3 sơ đồ 2-3-4

- Nội lực mặt cắt giữa nhịp theo sơ đồ 2 và 3 đợc tính tơng tự nh khi tính nội lực cho mặt cắt đỉnh trụ

II.5.2 Tính nội lực do hoạt tải theo sơ đồ 5–

1 - Vẽ ĐAH mômen mặt cắt giữa nhịp

- Sử dụng chơng trình SAP2000 vẽ ĐAH mômen tại mặt cắt giữa nhịp nh sau :

+) Tổng diện tích ĐAH : S = 604,604

+) Diện tích ĐAH dơng : S+ = 762,401

+) Diện tích ĐAH âm : S = -157,797

2- Tính giá trị mômen do hoạt tải

- Tải trọng làn dải đều : qlan = 9,3 (KN /m)

- Tải trọng Ngời : qNG = 4,5 (KN /m)

- Nội lực do tải trọng làn : MlanTT = 1,75 9,3 762,401= 12648,2 (KN.m)

- Nội lực do tải trọng Ngời : MNgTT = 1,75 4,5 762,401= 6003,9 (KN.m)

- Tính nội lực do xe tải :

+) Khi tính giá trị mômen tại mặt cắt giữa nhịp thì ta sử dụng 1 xe tải thiết

kế, khoảng cách các trục thay đổi từ 4,3 m đến 9 m để tạo nên hiệu ứng bất lợi nhất

+) Xếp xe lên ĐAH ta có

Xe tải thiết kế

Y 15.017 17.04 15.017+) Nội lực do xe tải thiết kế :

MXTTT = ∑P i.Y i γ m.IM = 9620,1 (KN.m)

- Tính nội lực do xe 2 trục (Tandem) :

+) Khi tính giá trị mômen tại mặt cắt giữa nhịp thì ta sử dụng 1 xe 2 trục thiết

kế, khoảng cách các trục 1,2 m xếp sao cho tạo đợc hiệu ứng bất lợi nhất

+) Tổ hợp : Xe 2 trục + Làn + Ngời :

M2hTT = 3.6850,77 +3 12648,2 + 2 6003,9 = 70504,8 (KN.m)

=> Giá trị nội lực do hoạt tải : MHTTT = 78813 (KN.m)

II.5.3 Tổng hợp nội lực mặt cắt giữa nhịp giai đoạn khai thác–

- Bảng tính toán diện tích cốt thép DƯL cần thiết tại mặt cắt giữa nhịp

Tên g Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Tổng giá trị mô men tại mặt cắt giữa nhịp Mtt 109890.3 KN.m

f c y

s ps

f

f A b

a f b

b h f f

y s ps

f

f A a b f f

Số thanh thép trên 1 lới n thanh 64 thanh

Tổng diện tích thép thờng chịu kéo As 402.13 cm2

Cốt thép thờng chịu nén

Chiều cao bố trí cốt thép thờng chịu nén ats' 20.57 cm

KC đến mép chịu nén ngoài cùng ds' 20.57 cm

Tổng diện tích thép thờng chịu nén As' 1810.32 cm2

Xác định vị trí trục trung hoà

Tính toán cốt thép DƯL

ứng suất trung bình trong thép DƯL fps 187.2 KN /cm2

Diện tích cốt thép DƯL cần thiết Aps 196.21 cm2

- Giả thiết TTH đi qua mép dới bản cánh khi đó mặt cắt làm việc giống nh mặt cắt chữ nhật

- Cân bằng phơng trình lực theo phơng ngang ta có :

N1 = β1.0,85.fc’.b.hf APS.fPS = N2+) Nếu N1 > N2 : thì TTH đi qua bản cánh => tính toán theo công thức của mặt cắt chữ nhật

+) Nếu N1 < N2 : thì TTH đi qua sờn => tính toán theo công thức của mặt cắt chữ T

- Ta có : N1 = 0,8 0,85 5 1500.41,14 = 209814 (KN)

N2 = 201,6 187,2 = 37746,7 (KN)

=> N1 > N2 => TTH đi qua bản cánh

b) Các công thức tính duyệt mặt cắt

- Công thức tính chiều cao vùng chịu nén (tính theo công thức của mặt cắt chữ nhật)

- Công thức tính mômen kháng uốn danh định của mặt cắt (tính theo công thức của

mặt cắt chữ nhật)

- Công thức tính sức kháng uốn tính toán của mặt cắt

Mr = ϕ Mn

- Bảng tính duyệt mặt cắt giữa nhịp giai đoạn sử dụng

Lực kéo trong thép DƯL và thép thờng N2 37746.7 KN

p

pu ps 1

' c

pu ps

d

fkA.b

.β0,85.f

'

A

AfAc

+

−+

)2'.(

'

)2.(

.2

a -dfA

=>Vậy việc bố trí cốt thép DƯL đảm bảo khả năng chịu lực cho mặt cắt

III – tính toán thiết kế trụ cầu

Bảng tính toán trọng lợng trụ và bệ trụ

a) Kích thớc cơ bản trụ

III.1.2 - Tính áp lực nớc đẩy nổi ứng với mực nớc thấp nhất

- Theo nh bố trí cấu tạo thì bệ của cả 2 trụ đều đặt dới mực nớc thấp nhất 0,5 m do

đó ta chỉ tính áp lực nớc đẩy nổi tác dụng lên phần bệ tháp ngập trong nớc

- Công thức tính

- Tính toán :

III.1.3 - Tính phản lực của kết cấu nhịp và hoạt tải truyền lên trụ tháp

- Để tính đợc phản lực của kết cấu nhịp lên móng trụ tháp thì trong phơng án sơ bộ ta tính gần đúng nh sau : bằng phản lực của dầm liên tục (tĩnh tải + hoạt tải )

- Dùng chơng trình Sap2000 vẽ ĐAH phản lực gối của dầm liên tục ta có :

2- Phản lực do hoạt tải : Khi tính phản lực tác dụng lên gối trụ thì ta tính nh sau :

+) Sử dụng 2 xe tải thiết kế đặt cách nhau 15 m ( khoảng cách trục sau lấy bằng 4,3 m )

+) Hiệu ứng của hoạt tải thiết kế đợc lấy bằng 90% giá trị phản lực tính đợc cộng với hiệu ứng của 90% tải trọng làn + hiệu ứng của tải trọng Ngời

P = − γ

)(5.390410

)5.97.133