Luận văn Cầu bê tông cốt thép dự ứng lực dầm I căng trước

Luận văn Cầu bê tông cốt thép dự ứng lực dầm I căng trước Luận văn trình bày cách thiết kế, công thức tính toán cho phương án xây dựng cầu theo tiêu chuẩn...

PHẦN 1: THIẾT KẾ SƠ BỘ PHƯƠNG ÁN 1

CẦU BÊTÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

DẦM I CĂNG TRƯỚC

(Thiết kế theo Quy Trình 22 TCN 272-05)

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

- Dầm ngang: Tính như dầm ngang liên tục có gối là các dầm chính

- Dầm chính: Tính như dầm giản đơn Tiết diện dầm không thay đổi, khoảng cách giữa 2 dầm chính là: 1.75 m Có tất cả 8 dầm chính (2 dầm biên, 6 dầm giữa)

- Kiểm toán

3 Vật liệu dùng trong thi công:

- Thanh và cột lan can (phần thép):

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ LAN CAN – LỀ BỘ HÀNH

1 LAN CAN:

1.1 Thanh lan can

- Chọn thanh lan can thép ống đường kính ngoài D =100 mm và kính trong

d = 92 mm

- Khoảng cách 2 cột lan can là: L = 2000 mm

- Khối lượng riêng thép lan can:γ =s 7.85 10 N / mm× −5 3

- Thép cacbon số hiệu CT3: f = 240 MPay

.1.1.1 Tải trọng tác dụng lên thanh lan can

Hình 2.1 Sơ đồ tải trọng tác dụng lên thanh lan can

 Theo phương thẳng đứng (y):

+ Tĩnh tải: Trọng lượng tính toán của bản thân lan can

 - Theo phương ngang (x):

+ Hoạt tải:

Tải phân bố: w = 0.37 N/mmTải tập trung: P = 890 N

1.1.2 Nội lực của thanh lan can

 Theo phương y:

- Mômen do tĩnh tải tại mặt cắt giữa nhịp:

2 2 y

+ γ =DC 1.25: hệ số tải trọng cho tĩnh tải

+ γ =LL 1.75: hệ số tải trọng cho hoạt tải

+ M: là mômen lớn nhất do tĩnh và hoạt tải

+ Mn: sức kháng của tiết diện

Hình 2.2 Sơ đồ tải trọng tác dụng vào cột lan can

Để đơn giản tính toán ta chỉ kiểm tra khả năng chịu lực lực xô ngang vào cột và kiểm tra

độ mảnh, bỏ qua lực thẳng đứng và trọng lượng bản thân

 Kiểm tra khả năng chịu lực của cột lan can:

- Mômen tại mặt cắt A-A:

- Mặt cắt A-A đảm bảo khả năng chịu lực khi: φMn ≥ η γ .MLL A A−

- Sức kháng của tiết diện: φMn = ×f Sy

+ S mômen kháng uốn của tiết diện

⇒Mặt cắt A – A đảm bảo khả năng chịu lực

 Kiểm tra độ mảnh của cột lan can:

K 140

r ≤l

Trong đó:

+ K = 0.75: hệ số chiều dài hữu hiệu

+ l =1070 mm: chiều dài không được giằng (l = h)

+ r : bán kính hồi chuyển nhỏ nhất (ta tính cho tiết diện tại mặt cắt B - B vì tiết diện ở nay là nhỏ nhất)

- Tiết diện chịu lực b x h = 1000 mm x 100 mm

- Chọn a’ = 20 mm: khoảng cách từ trọng tâm cốt thép đến mép ngoài bê tông:

150 250

250 250

2.4 Kiểm toán ở trạng thái giới hạn sử dụng (kiểm tra nứt)

- Tiết diện kiểm toán:

- Khối lượng riêng của bêtông:γ =c 2500 Kg/ m3

- Môđun đàn hồi của bêtông:

1.5

E =0.043× γ × f ' =0.043 2500× 1.5× 30 29440.0875 MPa=

- Môđun đàn hồi của thép: Es =200000 MPa

- Hệ số tính đổi từ thép sang bê tông: = s = =

- Giả thiết ta bố trí cốt thép cho bó vỉa như: hình 2.7 và hình 2.8

- Ta tiến hành kiểm tra khả năng chịu lực của bó vỉa dạng tường như sau:

+ Sơ đồ tính toán của lan can dạng tường là sơ đồ dẻo

+ Chọn cấp lan can là cấp 3 dùng cho cầu có xe tải

Lực tác dụng vào lan can

Phương lực tác dụng Lực tác dụng (KN) dụng(mm)Chiều dài lực tác

L : chiều dài phân bố của lực theo phương dọc cầu

Ft : lực xô ngang quy định ở bảng 2.1

3.1 Xác định M : (Tính trên 1000 mm dài)c

- Tiết diện tính toán b x h = 1000 mm x 100 mm và bố trí cốt thép (hình 2.7)

5Ø14a200

Hình 2.7 Tiết diện và bố trí cốt thép bó vỉa the phương đứng

- Cốt thép dùng 14a200φ mm, 1000 mm dài có 5 thanh

- Tính toán với bài toán cốt đơn, tính cốt thép cho1 bên rồi bên còn lại bố trí tương tự

- Diện tích cốt thép As:

2 s

- M H : Là sức kháng mômen trên toàn chiều cao tường đối với trục đứng:W

- Tiết diện tính toán b x h = 300 mm x 200 mm và bố trí cốt thép (hình 2.8)

2Ø14

40 160

- Xác định trừơng hợp phá hoại của tiết diện:

3.3 Chiều dài đường chảy (L )c

Chiều cao bó vỉa: H=300 mm, vì không bố trí dầm đỉnh nên Mb =0

 Với trường hợp xe va vào giữa tường:

- Chiều dài đường chảy:

CHƯƠNG 3 BẢN MẶT CẦU

1 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN

- Chiều dày lớp phủ mặt cầu: hDW = 95mm

- Khối lượng riêng lớp phủ : γDw=2.3.10− 5N mm/ 2

1.2 Vật liệu:

Bêtông : Trọng lượng riêng bêtông γc =2.5.10− 5N m/

2 SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN BẢN MẶT CẦU

- Bản mặt cầu sẽ được tính toán theo 2 sơ đồ: Bản congxon và bản loại dầm Trong đó phần bản loại dầm đơn giản được xây dựng từ sơ đồ dầm liên tục do đó sau khi tính toán dầm đơn giản xong phải nhân với hệ số kể đến tính liên tục của bản mặt cầu

3 TÍNH NỘI LỰC CHO BẢN CONGXON (bản hẫng)

875

Hình 3.2 Sơ đồ tính cho bản congxon

3.1 Tải trọng tác dụng lên bản congxon

 Trọng lượng lan can, lề bộ hành:

- Trọng lượng tường bêtông:

5

P 1000 b h= × × × γ =1000 250 650 2.5 10× × × × − =4062.5 NTrong đó:

b1 = 250 mm: bề rộng của lan can phần bê tông

h1 = 650 mm: chiều cao của lan can phần bê tông

- Trọng lượng lề bộ hành người đi: (tải này được chia đôi bó vỉa nhận một nửa và lan can phần bê tông chịu một nửa)

5

2 2 c 2

- Trên toàn chiều dài cầu có 11 nhịp:

⇒Trọng lượng toàn bộ thanh lan can:

P ' 11 2 P ' 11 2 190 4180 N= × × = × × =

∑

- Trọng lượng cột lan can: Một cột lan can được tạo bởi 3 tấm thép

8 173 8

Cột lan can=Tấm thép T + Tấm thép1 T +Tấm thép2 T + Ống liên kết3

Hình 3.4 Chi tiết cột lan can

• Trọng lượng tấm thép T 1:122.46 N

• Trọng lượng tấm thép T 2: 51.92 N

• Trọng lượng tấm thép T 3: 19.39 N

• Trọng lượng ống thép Ơ90: 2.04 N+ Trọng lượng một cột lan can:

+ Tổng chiều dày lớp phủ mặt cầu: hDW=95 mm

+ Khối lượng riêng lớp phủ: γ =c 2.3 10 N / mm× −5 3

Hình 3.8 Sơ đồ tính tĩnh tải cho bản dầm giữa

- Hệ số điều chỉnh tải trọng lấy như bản dầm biên

- Giá trị mômen dương tại giữa nhịp:

5 1750 2.19 1750

+ Trạng thái giới hạn sử dụng: γDC=1; γDW=1;η =1

5 1750 2.19 1750

4.2 Hoạt tải và nội lực do hoạt tải tác dụng lên bản dầm

- Chỉ có xe3 trục, ta không xét tải trọng làn vì nhịp bản L2 =1850 mm < 4600 mm theo quy định không cần xét tải trọng làn

- Ở đây sẽ có 2 trường hợp đặt tải:

1657.5+ Tai giữa nhịp:

TRƯỜNG HỢP ĐẶT 2 BÁNH

1200 510

1657.5+ Tai giữa nhịp:

Với sơ đồ tính ( dầm giản đơn) và trường hợp đặt 1 bánh xe của xe 3 trục tại vị trí giữa dầm thì nội lực giữa nhịp trong dầm là lớn nhất

Vậy chọn trường hợp này và lấy nội lực để tinh toán

TT GH Cường độ

TT GH sử dụng

5 TÍNH TOÁN CỐT THÉP DỌC

Ta sẽ thiết kế cốt thép tương ứng với các giá trị nội lực ở TTGH cường độ vừa tính

ở trên:

5.1 Thiết kế cho phần bản chịu mômen âm

Thiết kế cốt thép cho 1000 mm chiều dài bản mặt cầu, khi đó giá trị nội lực trong 1000

mm bản mặt cầu như sau:

- Mômen âm: Mu =Mtt= −28315200.55 N.mm

- Chiều rộng tiết diện tính toán: b 1000 mm=

- Chiều cao tiết diện tính toán: h 200 mm=

- Cường độ cốt thép: fy =280 MPa

- Cấp bêtông: f 'c =30 MPa

- Chọn khoảng cách từ mép chịu kéo ngoài cùng của tiết diện đến trọng tâm vùng cốt thép chịu kéo là: a' 20 mm=

- Chiều cao làm việc của tiết diện: ds = − =h a 200 20 180 mm1 − =

- Chiều cao vùng bêtông chịu nén của bêtông:

5.2 Thiết kế cho phần bản chịu mơmen âm

Quá trình tính tốn tương tự như trên, ta được kết quả là bố trí thép Ơ14a200

TL 1/10 BỐ TRÍ THÉP BẢN MẶT CẦU

5Ø14a200

1

Sơ đồ : cách bố trí thép cho bản mặt cầu

6 KIỂM TRA NỨT CHO BẢN MẶT CẦU

Ta sẽ kiểm tra nứt của bản mặt cầu bằng trạng thái giới hạn sử dụng

+ Mơmen do ngoại lực tác dụng: Ms =17347864.3 N.mm

- Các giá trị của b, h, a', d đã cĩ ở trên s

- Khoảng cách từ thớ chịu kéo ngồi cùng đến trọng tâm cốt thép chịu kéo gần nhất:

- Mơdun đàn hồi của thép:Es =200000 MPa

- Hệ số tính đổi từ thép sang bêtơng: = s = =

-Ứng suất trong cốt thép do ngoại lực gây ra:

CHƯƠNG 4 DẦM NGANG

1 Các s liƯu vỊ dầm ngang

ChiỊu cao dầm ngang h h3 = 1050 mm

Khoảng cách giữa 2 dầm ngang L1 = 6800 mm

ChiỊu dài dầm ngang L2 = 1750 mm

Ci thép AII : Giới hạn chảy fy= 280 Mpa

Bêtông : Cng đ chơi nén f 'c = 30 Mpa

2 Xác định ni lc tác dơng lên dầm ngang :

2.1 Xác định ni lc do tnh tải tác dơng lên dầm ngang.

a Tnh tải tác dơng lên dầm ngang bao gmBản thân mỈt cầu : DC2 = hfì γcì L1 DC2 = 34 N/mm

Lớp phđ : DW = hDWì γDwì L1 DW = 15.5 N/mmBản thân : DC'2 = b3ì(h3− hf) ì γc DC'2 = 6.38 N/mm

 13015625

 29750

DW

 5935125

cng đ

 TTGH sư dơng

 26811618.07

 21391179.69

1283.7

894.13

2.2 Xác định ni lc do hoạt tải tác dơng lên dầm ngang.

Hoạt tải tác dơng lên dầm gm xe HL93

Xác định ni lc tác dơng lên dầm ngang ( do xe 2 trơc )

Xp xe 2 trơc lên đng ảnh hng theo phơng dc cầu đĨ tìm ni lc lớn nht tác dơng vào dầm ngang

6800 6800

1

110 110

DiƯn tÝch ®ng ¶nh hng ¸p lc lªn dÇm ngang ( theo ph¬ng dc cÇu )

C Tỉ hỵp ni lc do ho¹t t¶i t¸c dơng lªn dÇm ngang :

Tỉ hỵp cđa xe 2 trơc + t¶i trng lµn

 XÐt cho momen

+ Tr¹ng th¸i cng ® :

HƯ s tnh t¶i : γDC = 1

HƯ s ®iỊu chnh t¶i trng : η = 0.95

HƯ s ho¹t t¶i : γLL = 1.75 IM = 0.25

HƯ s ®iỊu chnh t¶i trng : η = 1

HƯ s ho¹t t¶i : γLL = 1 IM = 0.25 ;

- Khi xp 1 xe : m = 1 ( hƯ s lµn xe )

HƯ s ®iỊu chnh t¶i trng : η = 0.95

HƯ s ho¹t t¶i : γLL = 1.75 IM = 0.25

HƯ s ®iỊu chnh t¶i trng : η = 1

HƯ s ho¹t t¶i : γLL = 1 IM = 0.25 ;

Xp 1 xe : m = 1 ( hƯ s lµn xe )

Vs.2tr.lan = η γ × LL×V2tr× ( 1 IM + ) × m + Vlan× m

Vs.2tr.lan = 129871.42 N

 Nhn xÐt :

CÇn ph¶i xÐt thªm trng hỵp ( xe 3 trơc + lµn ) ®Ĩ c c¬ s t×m ®ỵc gi¸ trÞ ni

lc lín nht trong c¸c trng hỵp Nhng theo kinh nghiƯm th× trng hỵp ( xp 1 xe 2 trơc ) ta c gi¸ trÞ

 428720593426

 214897540564

 259093.482719

 129871.419909

2.3 Tỉng tỉ hỵp ni lc dÇm ngang ( Tnh t¶i + Ho¹t t¶i )

 XÐt Cho Momen

a Kh«ng xÐt tÝnh liªn tơc cđa dÇm+ Tr¹ng th¸i cng ® :

M'u = Mu.Dc.Dw+ Mu.LL M'u = 455532211.49 N.mm+ Tr¹ng th¸i sư dơng :

  TTGH Cng ®  TTGH Sư dơng

 1/2 nhÞp  22776105.75  118144360.13

3 TÝnh to¸n ct thÐp dc ( xÐt cho dÇm ngang )

Momen tÝnh to¸n : Mtt = Mu.g Mtt = 318872548.04 N.mm

4 Thit k ct ®ai cho dÇm ngang

Lc c¾t tÝnh to¸n

Vu = 224264.03

n1 = 3

f 'c =0.04KiĨm tra t s ng sut c¾t

Vs Vu0.9 −Vc

íc 6 : KiĨm tra ct ®ai theo ®iỊu kiƯn cu t¹o

Theo ®iỊu kiƯn

Vy theo c¸c ®iỊu kiƯn trªn ta chn kho¶ng c¸ch ct ®ai : S = 200 mm

KiĨm tra l¹i kh¶ n¨ng chơi c¾t cđa dÇm khi ( S = 200 )

CHƯƠNG 5 DẦM CHÍNH

200 200 200

MẶT CẮT DẦM CHÍNH

MẶT CẮT DẦM CHÍNH QUY ĐỔI

bw = 200 mm h = 1500 mm b1= 600 mm

h1= 250 mm hf = 350mm bf = 600 mm

3 Bố trí cáp và chọn kích thước mặt cắt :

5.3.1 Chọn số lượng cáp

Theo VSL ta dùng cáp 12,7mm để thiết kế cho dầm dự ứng lực

Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn Cường độ kéo đứt của 1 tao Ứng suất trong thép dự ứng lực khi kích f pu =1860MPa

Diện tích cáp trong dầm

Để đãm bảo khả năng chịu lực của thớ trên dầm trog giai đoạn truyền lực căng

ta tiến hành uốn một số tao cáp

Theo kinh nghiệm số lượng tao uốn là 1

3tổng số cáp vậy số cáp uốn lên là 12 tao

Chọn điểm uốn cáp cách đầu dầm (0.3-0.4)Ltt

Số diểm uốn: 2 điểm uốnĐiểm uốn U1 cách đầu dầm 9000mmĐiểm uốn U1 cách đầu dầm 3500mm

Bố trí cáp :

Ta bố trí cáp trên mặt cắt ngang dầm như sau

Theo phương dọc và phương ngang ( 50 mm )

Để đảm bảo khả năng chịu lực cửa thớ trên cửa dầm trong giai đoạn truyền lực căng ta cần tiến hành uốn 1 số tao

Chọn ( 8 tao ) cần uốn, chia làm 2 nhóm để uốn.

NHÓM CÁP 1

NHÓM CÁP 1 NHÓM CÁP 1

NHÓM CÁP 2

600

200 200 200

PHẦN 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ PHƯƠNG ÁN 2

CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP THÉP

BÊ TÔNG CỐT THÉP

(Thiết kế theo Quy Trình 22 TCN 272-05)

THIẾT KẾ CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP THÉP

BÊ TÔNG CỐT THÉP

1 GIỚI THIỆU CHUNG :

1.1.Số liệu thiết kế :

∗ Chiều dài toàn cầu : L = 34.6m

∗ Chiều dài tính toán : Ltt = 34m

Chọn thép dầm chủ là thép M270M cấp 345(A 709M cấp 345-ASTM).Thép hợp kim thấp cường độ cao.

Chiều cao toàn dầm thép :1600 mm

Chiều cao vút bê tông dầm :th =100 mm ,góc nghiêng là45 0

- Vị trí trọng tâm dầm thép so với trục đi qua mép trên dầm thép: Yct=

48972000

308.388158800

11852171.6833.03

Xác định chiều rộng có hiệu của bản cánh : Chiều rộng của bản bê tông tham gia làm việc với dầm thép.Theo điều 4.6.2.6.1 22TCN 272-05 qui định:

∗ Đối với dầm giữa :

Bề rộng bản cánh hữu hiệu là trị số nhỏ nhất của

∗ Đối với dầm biên :

Bề rộng bản cánh hữu hiệu là trị số nhỏ nhất của

Trong tiết diện dầm liên hợp thép-BTCT có hai loại vật liệu chính

-Thép: Thép dầm chủ + cốt thép dọc trong bản mặt cầu

-Bê tông: Bản bê tông

Hai loại vật liệu này có môđun đàn hồi khác nhau,vì vậy để xác định các đặc trưng hình học chung cho tiết diện,khi tính toán ta phai đưa vào hệ số tính đổi có giá trị bằng tỉ số môđun giữa hai vật liệu để qui đổi phần vật liệu bê tông trong tiết diện thành vật liệu thép:

Ơ đây bản làm bằng bê tông có ' =

c

f 30 MPa Theo điều 6.10.3.1.1.b-22TCN 272-05 ta

có giá trị tỉ số môđun đàn hồi n 1 =8

Diện tích cốt thép dọc bản:

Act = 22x 2 1727 2

4

1014.3

Slh1 = Ab×Yt+Act ×Yct = 42500x1015.9+1727x1033 =44958774.4 (mm3)

Vị trí trọng tâm tiết diện liên hợp không xét đến từ biến co ngót đối với trục trung hoà dầm thép (chiều dương hướng xuống):

Yclh1 = 483.29

93027

4.449587741

255.1050

56.3763178470

mm Y

745.349

56.3763178470

mm Y

21.161756232

001.817

14.42610247773

mm Y

3 2

999.582

14.42610247773

mm Y

a)Hệ số phân bố momen

-Khi 1 làn thiết kế chịu tải :

gmg1=0.06+

1 0 3 s g 3 0 4 0

Lt

KL

S4300

Ltt: chiều dài tính toán của kết cấu nhịp

ts: chiều dày bản bêtông mặt cầu

Lt

KL

S2900

210700

=0.234<1 nên e=1

gmb2= 0.469×1=0.469

b.Hệ số phân bố lực cắt : Khi 1 làn thiết kế chịu tải :dùng phương pháp đòn bẩy

Một làn thiết kế,hệ số làn 1.2

Tương tự như trên

+Với xe tải thiết kế :

gHL1=0+Với tải trọng người :

gPL1=1.6+Với tải trọng làn :

gLan1 =0

Khi 2 hoặc nhiều làn xe chịu tải :

=

1.03000

15006

- Tĩnh tải giai đoạn 1 :Tính theo tiết diện dầm thép

DC1:bao gồm trọng lượng bản thân của dầm chủ,trọng lượng bản thân của liên kết ngang,sườn tăng cường, bản mặt cầu được tính theo chia đều cho các dầm

- Tĩnh tải giai đoạn 2:Tính theo tiết diện dầm thép liên hợp dài hạn

DC2 :Trọng lượng lan can và gờ chắn bánh do dầm biên chịu

1 dn 1 dn

1

xLn

nl

+

cau dc

2 dn 2 dn 2xLn

nl

g1dn = 0.0191 (KN/m) : trọng lượng thanh L125×125×10/1mdài

g2dn = 0.0151 (KN/m) : trọng lượng thanh L100×100×10/1mdài

-Trọng lượng sườn tăng cường :

Chọn sườn tăng cường cao 132cm,dày 1.5cm,rộng 14cm

Số lượng sườn tăng cường là :20×11= 220

+Lớp bê tông atfan:dày 5cm,trọng lượng riêng γatfan=2.25×10-5 N/mm3

gatfan=γatfan×hatfan×1000=2.25×10-5 ×50×1000=1.125N/mm

+Lớp bê tông xi măng bảo vệ:dày 4cm,trọng lượng riêng γbtbv=2.4×10-5 N/mm3

5 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC:

5.1.ĐƯỜNG ẢNH HƯỞNG NỘI LỰC:

Xác định nội lực tại 4 mặt cắt điển hình trên 1 dầm (mặt cắt gối 1, ¼ dầm, ½ dầm, vị trí mối nối)

*)Đường ảnh hưởng momen :

15.25

11.43

0.95

10.48

3.81

3.81

0

MDCg=DC2g × SM

+Momen do tĩnh tải DWg gây ra:

VDCg=DC2g × SV+ Lực cắt do tĩnh tải DWg gây ra:

.00

 0.00

giá trị giống dầm giữa vì tĩnh tải chia đều cho các dầm

5.3 XÁC ĐỊNH NỘI LỰC DO HOẠT TẢI:

5.3.1 XE THIẾT KẾ

-Nội lực do hoạt tải gây ra cho dầm biên và dầm giữa bằng nhau

-Đặt xe lên đường ảnh hưởng sao cho bất lợi nhất

110KN 110KN 35KN 145KN 145KN

Xe 2 trục (tandem)

Xe tải thiết kế (truck)

A.MOMEN DO HOẠT TẢI :

 811.053

Lực cắt do tải trọng người gây ra:

5.4.TỔ HỢP NỘI LỰC HOẠT TẢI:

Theo tính toán nội lực ở trên, nhận thấy giá trị nội lực do xe tải gây ra luôn lớn hơn xe 2 trục nên lấy nội lực xe 2 trục tổ hợp nội lực.:

-Tính cho dầm giữa:

×+

×+

75 404 4 52.59+) V gLL g vgHL IM V xetai g vglan V g vgnguoi V nguoi

×+

×+

 106.299

 35.433

1.43

6.62-Tính cho dầm biên:

M g

M g

M IM g

M

×+

×+

V g

V IM g

V

×+

×+

 V ( lan

KN.m)

 V nguoi(KN.m)

 V LLg(KN

m)

 ¼

DẦM

 213.435

 106.299

 35.433

Vậy tính trạng thái giới hạn cường độ 1 và trạng thái giới hạn sử dụng

6.1.NỘI LỰC DẦM GIỮA:

a)Trạng thái cường độ 1:

g UCD