Thiết kế cầu dầm thép

Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ C CH HƯ ƯƠ ƠN NG GV V:: T TH HIIÕ ÕT TK KÕ ÕC CÇ ÇU Ud dμ n nt th épp Đ5.1 sơ đồ v kích thớc Với nhịp 40-50m cầu dn thép có chi phí vật liệu cầu dầm nhng cấu tạo, thi công phức tạp nên giá thnh lại đắt so với cầu dầm Thực tế thấy nhịp từ 50-80m m áp dụng cho cầu dn có đờng xe chạy v cầu dầm chúng có giá thnh ngang Nếu nhịp lớn dùng đờng xe chạy dới cầu dn rẻ nhiều Đối với cầu xe lửa nhịp >50-60m kinh tế Cầu dn có loại đơn giản, liên tục, mút thừa, v hình thức có nhiều loại Việc chọn sơ đồ, kích thớc bản, loại dn phụ thuộc vo nhiều yếu tố nh chiều di nhịp, tải trọng khổ cầu, chiều cao kiến trúc, điều kiện vận chuyển lắp ráp, 1.1-Các dạng cấu tạo mắc cáo dn (hoa dn): Dn xiên: Loại 11 12 10 Lo¹i →Dμn xiên v gần giống Thanh xiên dn chịu nén v xiên dn chịu kéo Do dn xiên có lợi Dn tam gi¸c: 2' 1' 8' 4' 9' ' 10 7' 5' 3' 11' ' 12 6' →Ta thư so s¸nh dn tam giác với dn xiên loại 2: ã §èi víi biªn trªn: > 1’, = 2’, > thanh3’ • §èi víi biªn d−íi : < 4’, = 5’, < Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 159 - ã Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Đối với đứng: đứng dn xiên lm việc với đ.a.h suốt chiều di nhịp, dn tam giác đứng lm việc cục ã Đối với xiên: xiên loại dn nói chung xấp xĩ Nh biên v xiên nói chung l nh nhau, đứng dn tam giác tiết kiệm vật liệu Do dn tam giác có lợi so với dn xiên Ngoi dn tam giác ta bỏ biên đứng v biên đầu dn để tiết kiệm vật liệu hơn: -Dn chữ K: Loại ny đợc sử dụng chiều cao lớn nhờ giảm đợc chiều di xiên v đứng nên ổn định Ngoi giảm chiều di khoang m giữ đợc góc xiên có lợi Tuy nhiên hệ ny có nhiều nút, cấu tạo phức tạp, hình thức bề ngoi không đẹp nên hạn chÕ ph¹m vi sư dơng cđa nã Do vËy hƯ nμy th−êng dïng hƯ liªn kÕt -Dμn nhiỊu xiên: Loại ny l hệ có bậc siêu tĩnh cao, tính toán, cấu tạo v thi công phức tạp Loại ny đợc áp dụng rộng rÃi kỷ 19, thờng áp dụng cho cầu dn gỗ Sau ®ã ng−êi ta thay thÕ lo¹i nμy b»ng dμn cã xiên: Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 160 - → Lo¹i nμy cã néi lùc xiên v chiều di tự nhỏ nhng điều ny không giảm đợc khối lợng đứng nên gây khó khăn phức tạp thêm cho việc liên kết dầm ngang vo nút Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Nếu ta dùng loại xiên m đa thêm đứng lm cho liên kết dầm ngang với nút dễ dng Tuy nhiên không đợc sử dụng rộng rÃi lm tăng khối lợng v hình thức lại không đẹp -Dn chữ : Loại ny xuất phát từ loại xiên m đa thêm đứng qua nút khoang dn v chiều di tất giảm lần Do áp dụng độ v chiều cao dn lớn l cần giảm chiỊu dμi tù cđa c¸c vμ chiỊu dμi khoang mặt cầu -Dn trám: Dùng dn xiên biến đổi hình thức để trở thnh dn trám Loại ny trở thnh hệ biến hình nên thờng bố trí đứng ngang nhịp Dn ny u điểm mặt kỹ thuật nh dn xiên nhng có hình thức đẹp v hon thiện -Dn có hình thức phân nhỏ: Để giảm chiều di tự các thanh, ngời ta dùng dn phân nhỏ Loại ny thờng dùng cho cầu nhịp lớn v tải trọng lớn Thông thờng gặp dn phân nhỏ dới tăng nội lực biên dới chịu kéo không tăng nội lực biên Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 161 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ chịu ép bố trí dn phân nhỏ trên, bên cạnh hạ thấp đợc tâm tác dụng tải trọng ngang Nhận xét: ã Sù hoμn thiƯn kÕt cÊu nhÞp dμn phơ thc vμo phát triển học kết cấu, thnh tựu c«ng nghiƯp lun kim vμ sù tÝch lịy kinh nghiƯm thi công v khai thác ngnh xây dựng cầu ã Nguyên tắc cải tiến kết cấu dn đà đợc tiến hnh theo hớng giảm bớt khối lợng kim loại, hạ thấp chi phí lao động chế tạo nhờ đơn giản hóa sơ đồ xiên, rút bớt số lợng nút v lm dn lớn ã Ta thấy kết cấu nhịp dn có nhiều hình thức khác Do cần phải tiêu chuẩn hóa kích thớc hình học v thống chúng thnh loại để tạo kết cấu nhịp dn định hình 1.2-Sơ đồ v kích thớc bản: 1.2.1-Loại cầu dn đơn giản: Đây l loại thông dụng Ta chia lm loại dn có đờng xe chạy v dn có đờng xe chạy dới Loại dn có đờng xe chạy l cấu tạo đơn giản nhng có chung nhợc điểm l chiều cao kiến trúc không hạn chế Về phơng diện kết cấu, dn có biên song song l loại đơn giản có chiều di nh nhau, xiên v đứng Do vấn đề tiêu chuẩn hóa v nút thực đợc Về mặt thi công, cho cần trục biên để lắp kết cấu nhịp Dn có biên thay đổi đợc dùng Các nút biên nằm đờng parabole đờng gÃy khúc l l l Hình 5.1: Dn đơn giản có đờng xe chạy Loại dn có đờng xe chạy dới: Khi nhịp không 80-100m tốt nên lm dn có biên song song Khi nhịp lớn tăng chiều cao dn nhịp có lợi giảm đợc nội lực biên v tiết kiệm vật liệu Cách đơn giản để tăng chiều cao dn chủ nhịp l cấu tạo biên gÃy khúc nhịp Nếu biên Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 162 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ lm theo đờng parabole khối lợng thép lm dn giảm đến mức tối thiểu Đối với nhịp > 120-150m thờng dùng dn có biên đa giác v có cấu tạo đứng gối Khi chiều di nhịp lớn, để giảm bớt chiều di khoang dn v dầm dọc mặt cầu giữ đợc góc nghiêng xiên không đổi, ngời ta dùng dn phân nhỏ l l l l Hình 5.2: Dn đơn giản có đờng xe chạy dới Ngoi cần nói thêm dn biên cứng Đây l loại kết cấu kinh tế mặt phơng diện tiết kiệm thép, đồng thời đáp ứng yêu cầu cấu tạo v lắp ráp Biên cứng ngoi lực dọc trục có mômen uốn, bố trí dầm ngang hệ mặt cầu không phụ thc vμo nót vμ cã thĨ bè trÝ theo ®iỊu kiện kinh tế cho phần mặt cầu; đồng thời chiều di khoang dn đợc chọn cø theo ®iỊu kiƯn khoang kinh tÕ cđa dμn chđ Trong cầu ôtô, ngời ta đặt trực tiếp mặt cầu lên dầm ngang v cấu tạo thnh kết cấu liên hợp m không cần dầm dọc Hình 5.3: Dn có biên dới cứng Các kích thớc bản: h, l, d, B Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 163 - ã Chiều cao h: Trong cầu dới, để tăng độ cứng kết cấu nhịp v ổn định biên chịu nén, ngời ta cố gắng bố trí hệ liên kết dọc Do chiều cao dn phải tơng đối để đảm bảo không ảnh hởng đến tĩnh không khổ cầu Vì chiều cao dn chủ h (tính từ tim đến tim biên v dới) không < 8-8.5m cầu xe lửa v 6-6.5m cầu ôtô Ngoi đờng xe chạy dới chọn h tham khảo công thức sau: h ≥ H + hdng + hmc + hcc (5.1) Giáo trình: Thiết kế cầu thép Trong đó: +H: chiều cao tĩnh không Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ +hdng: chiều cao dầm ngang, lấy ữ 1 B cầu ôtô vμ ⎜ ÷ ⎟ B 12 ⎠ ⎝ 10 cầu xe lửa +hmc: chiều cao mặt cầu v lớp mặt đờng cầu, lấy 32-36cm cầu ôtô v cầu xe lửa có t vẹt kê trực tiếp lên dầm dọc lấy 80-100cm cầu xe lửa có máng đá dăm +hcc: chiều cao cổng cầu, lấy (0.15 ữ 0.30)B cầu ôtô v (0.40 ữ 0.60)B cầu xe lửa Trong cầu trªn, chiỊu cao dμn chđ cã quan hƯ chiỊu cao kiÕn tróc cđa kÕt cÊu nhÞp cịng nh− quan hƯ với khối lợng đất đắp đầu cầu Vì cần phải có cân nhắc, so sánh kỹ cng lựa chọn chiều cao dn Theo kinh nghiệm đảm bảo độ cứng cầu: h 1 = ữ l 10 1 h o Dμn cã biên đa giác: = ữ l 5.5 o Dn có biên song song: Đối với cầu ôtô thiên giới hạn dới v cầu xe lửa thiên giới hạn ã Chiều di khoang d vμ gãc nghiªng α: ChiỊu dμi khoang dμn d có liên quan mật thiết với phần kết cấu lẫn kiểu dn Khoang cng ngắn dầm dọc, dầm ngang cng nhẹ nhng số lợng dầm ngang lại tăng lên; chiều di khoang phải xác định theo điều kiện trọng lợng thép lm dầm mặt cầu nhỏ Mặt khác, khoang cng ngắn góc nghiêng xiên phơng đứng nhỏ ®i, néi lùc vμ chiỊu dμi cđa chóng gi¶m ®i, tiết diện v khối lợng thép tốn vo xiên giảm nhng tổng chiều di xiên lại tăng lên Vì góc nghiêng có lợi = 40o Ngoi vấn đề ảnh hởng đến trọng lợng xiên, cần ý góc nghiêng chúng lớn nhỏ gây khó khăn cho việc cấu tạo nút dn Qua phân tích ngời ta nên chọn góc nghiêng không nằm ngoi phạm vi 3050o Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 164 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Trong trờng hợp có đứng không < 30-35o v không > 45-60o, d = (0.6-0.8)h Trong trờng hợp đứng d = (1-1.2)h ã Ngoi tham khảo d=2-6m đờng xe chạy v d = 10m đờng xe chạy dới Khoảng cách tim dn chủ B: Khoảng cách B phụ thuộc vo khổ cầu, tải trọng, dn hay dới v đảm bảo độ cứng phơng ngang cầu Phần hnh nên đa bên ngoi ®Ĩ ®¶m b¶o an toμn cho ng−êi ®i bé B = ÷ l 20 25 B Đối với cầu có đờng xe chạy trên: = ữ l 16 20 Đối với cầu có đờng xe chạy dới: 1.2.2-Dn liên tục v mút thừa: 1I.2.2.1-Dn liên tục: Hình 5.4: Kết cấu nhịp dn liên tục cã biªn song song Dμn liªn tơc vμ mót thõa thờng dùng cho đờng xe chạy dới Đối với đờng xe chạy dùng cầu dầm có lợi Cầu dn mút thừa dùng so với cầu dn liên tục Đây l hệ siêu tĩnh, nội lực thay đổi theo tải trọng v đổi dấu Do việc tính toán khó khăn v phải ý tính toán mỏi Cầu dn liên tục thờng lμm víi sè nhÞp ≤ 3, rÊt Ýt lμm víi số nhịp liên tục nhiều độ dịch chuyển đầu kết cấu biến dạng nhiệt độ lớn Cầu dn liên tục nhịp thờng lm chiều di nhịp nhau; cầu liên tục nhịp nhịp lm lớn nhịp biên chừng 15-30% để cân mômen tính toán nhịp v tiết kiệm vật liệu thép nhng mặt phải đảm bảo chiều di khoang dn nhịp nh Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 165 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Tuy nhiên cầu nhiều nhịp gồm kết cấu nhịp dn liên tục nhịp thnh thờng lm với tất nhịp để giữ mỹ quan Hình dạng dn liên tục liên quan đến biểu đồ mômen uốn nhng không nên lm phức tạp Chiều cao dn thờng lấy tỷ lệ với bậc hai với mômen tiết diện tơng ứng Trị số mômen dơng lớn v mômen âm lớn nói chung không chênh lệch nhiều nên dn liên tục hon ton lm biên song song v hay đợc sử dụng Hình 5.5: Kết cấu nhịp dn liên tục có biên thay đổi Đối với nhịp lớn, trị số mômen âm gối lớn nhiều so với mômen dơng nhịp nhiều cần thiết phải tăng chiều cao gối giữa, nhng tránh cấu tạo dn có góc gÃy nhọn vị trí gối lm cho kết cấu trở nên phức tạp m tính chất kinh tế Tốt l tăng chiều cao dn dần vo gối cách điều hòa theo đờng cong lõm Kích thớc bản: 1 ữ l cầu 10 12 ã Chiều cao nhịp h = ữ l cầu xe lửa, h = ã ôtô nhng chọn nhỏ Chiều cao dn vị trí gối h1 = (1.2 ữ 1.5)h ã Chiều di khoang, góc nghiêng xiên tơng tự nh cầu dn đơn giản ã Tại nút gối nên cấu tạo xiên từ gối lên để chịu lực thay cho đứng, không nội lực đứng lớn (bằng phản lực gối đó) Dn liên tục có u điểm l tiết kiệm vật liệu dn đơn giản từ 5-10%, có độ cứng phơng lớn nên khoảng cách tim dn nhỏ so với dn đơn giản Tuy nhiên nhợc điểm chủ yếu l phát sinh nội lực phụ mố trụ lún không ®Ịu nh−ng hiƯn cã thĨ ®iỊu chØnh cao ®é gối cầu (theo số liệu tính toán xác độ lún) để khắc phục đợc nhợc điểm 1.2.2.2-Dn mót thõa: KÕt cÊu nhÞp dμn mót thõa cã số u điểm tơng tự nh kết cấu liên tục Do có cấu tạo khớp nên l hệ tĩnh định nên tợng mố trụ lún không không gây Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 166 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ ứng lực phụ Ngoi có đờng đn hồi gÃy khúc khớp nên lm tăng ảnh hởng lực xung kích hoạt tải nên không áp dụng cho cầu xe lửa v cầu thnh phố có tuyến đờng xe điện Chiều di đoạn mút thừa nên lấy (0.15-0.40) chiều di nhịp mút thừa v nên lấy cho điều chỉnh mômen dơng v mômen âm cho có lợi Để tiết kiệm thép, ngời ta phân cầu mút thừa thnh nhịp không Nhịp gồm phần mút thừa v nhịp đeo lm di chừng 20-40% so với nhịp bên Hình dáng bề ngoi dn mút thừa gần giống nh cầu dn liên tục có biên song song hay g·y khóc ChiỊu cao dμn mót thõa cịng t−¬ng tự nh dm liên tục; trờng hợp chiều cao thay đổi chiều cao gối lấy 2/3 chiều di phần mút thừa Đ5.2 phận cầu dn Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 167 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Chơng V: Thiết kế cầu dn thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ - 168 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Do có cách l phù hợp, cách v không phù hợp đinh thép góc lm việc nhiều ã Để tính toán bất lợi trên, ta gi¶ thiÕt r»ng néi lùc bé phËn nμo phân phối cho đinh liên kết phận ã Đối với cách nối (cách nối chồng): kiểm tra theo công thức Fb Fg + ≤ nb n g μ c (5.30) Trong ®ã: +Fb, Fg: diƯn tÝch tÝnh to¸n cđa tiÕt diƯn thép v thép góc +nb: số đinh liên kết qua thép +ng: số đinh liên kết qua thép góc Hình 5.38: Các xiên, đứng nối vo nút liên kết đinh tán, bulông ã Đối với cách nối (vừa nối chồng, vừa nối đối đầu): Đầu tiên ta xác định số đinh cần thiết để liên kết riêng nối v riêng thép góc theo điều kiện chịu cắt mặt Sau tiến hnh kiểm tra tác dụng phần nội lực thép góc v thép theo điều kiƯn Ðp mỈt: Fb Fg + ≤ nb n g μ em (5.31) 6.2.2-Liªn kÕt b»ng hμn: Ta cÊu tạo cho trục qua trọng tâm diện tích chịu lực mối hn Khi phải thỏa m·n ®iỊu kiƯn: h1 l1 a1 = h2 l a (5.32) Trong ®ã: +h1, h2: chiỊu cao tÝnh toán đờng hn +l1, l2: chiều di tính toán đờng hn +a1, a2: khoảng cách từ đờng hn đến trọng tâm chúng Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 198 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Từ ta dễ dng xác định a1 v a2 Ta tiến hnh kiĨm tra øng st ®−êng hμn: N ≤ 0.75 Ro h1 l1 + h2 l (5.33) Trong ®ã: +0.75R0: cờng độ tính toán đờng hn Nếu có xét đến mỏi phải nhân thêm hệ số Trờng hợp trục không trùng với trọng tâm mối hn, dó xuất thêm mômen lệch tâm M = N.eo: ã ứng suất cắt lực N: = N N = h1 l1 + h2 l Fh ã ứng suất cắt điểm mép mối hn M: == ã Điều kiƯn kiĨm tra: τ= M r Ic (τ + τ sin α )2 + (τ cos α )2 ≤ 0.75 Ro (5.34) Trong ®ã: +Ic: mômen quán tính cực mối hn lấy ®èi víi träng t©m cđa chóng, Ic = Iu + Iv +r: khoảng cách từ trọng tâm mối hn ®Õn ®iĨm mÐp mèi hμn, n¬i cã τ2 lín nhÊt +: góc trục v bán kính r Hình 5.39: Các xiên, đứng nối vo nút liên kết hn Đ5.7 tính toán nút Tính toán nút l kiểm tra xét rách nót Ta xÐt nót dμn nh− sau: Ch−¬ng V: Thiết kế cầu dn thép - 199 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Hình 5.40: Các mặt cắt cần kiểm tra độ bền nút Xét tiết diện bị xé rách I-I v II-II: ã §iỊu kiƯn kiĨm tra: σ= N ≤ m R o ∑ mi Fi (5.35) Trong ®ã: +m2: hƯ sè ®iỊu kiƯn lμm viƯc, lÊy b»ng 0.9 ®Ĩ ®¶m b¶o độ bền nút cao độ bền liên kết vo nút l 10% +mi: hệ số kể đến tính chất lm việc phần tiÕt diƯn Fi TiÕt diƯn Fi vu«ng gãc víi lùc N lấy mi = 1, hợp với lực däc N gãc ≤ 60o th× lÊy mi = 0.75, trờng hợp khác nội suy Ví dụ mặt cắt II-II: = Xét tiết diện III-III: Chơng V: Thiết kế cầu dn thép N N = ∑ mi Fi 0.75(F1 + F2 ) + F3 - 200 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ ã Mặt cắt III-III chịu tác dụng lực cắt Z v mômen lệch tâm M = Z.e Nếu nút có thêm nội lực V tác dụng thẳng góc với biên đa vo tính toán ã Điều kiện kiểm tra: ứng suÊt ph¸p: σ = øng suÊt tiÕp: τ = M V + ≤ R ' W gi Fgi Z S 3Z = ≤ Rc I δ 2a.δ (5.36) (5.37) Trong đó: +Fgi, Wgi: diện tích v mômen chống uốn đà từ giảm yếu tiết diện III-III nút +a, : chiều di có kể đến gi¶m u vμ bỊ dμy cđa b¶n nót +R’: c−êng độ tính toán lấy Ro Ru tùy theo øng st khèng chÕ V hc M XÐt mỈt cắt IV-IV: ã Tiết diện IV-IV chiu tác dụng lực N = U1+D1.cosβ1 vμ m«men M = N.eo lùc đặt lệch tâm với eo l khoảng cách từ trục biên đến trọng tâm tiết diện IVIV ã Điều kiƯn kiĨm tra: σ= V M + y d ≤ R ' Fgi I gi (5.38) Trong đó: +yd: khoảng cách từ trọng tâm tiết diện IV-IV đến mép dới Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 201 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Đ5.8 hệ thống liên kết 8.1-Phân loại v cách bố trí: Hệ thống liên kết có nhiệm vụ liên kết dần chủ, dn chủ thnh hệ thống không gian bất biến hình Hệ thống liên kết đợc chia lm loại: liên kết dọc v liên kết ngang ã Hệ liên kết dọc: đợc bố trí dọc theo biên v biên dới dầm dn chủ Nhiệm vụ l tiếp nhận tải trọng ngang nh: lực gió, lực ly tâm, lực xô ngang hoạt tải, Liên kết ngang Liên kết dọc b l Liên kết dọc duới Liên kết ngang Hình 5.41: Hệ liên kết dọc v ngang ã Hệ liên kết ngang: đợc bố trí mặt phẳng vuông góc với dầm dn chủ, có mặt phẳng xiên Nó có tác dụng liên kết dầm, dn lại để chúng lm việc với nhau; lm cho phân bố tải trọng lên dầm, dn hơn; đồng thời tăng độ cứng kết cấu nhịp theo phơng ngang Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 202 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Thông thờng đà có hệ thống dọc v dọc dới cần hệ liên kết ngang đầu l đủ cho hệ bất biến hình Nhng để đảm bảo phân phối tải trọng lên dn chủ v tăng độ cứng kết cấu, ngời ta lm liên kết ngang chiều di nhịp với khoảng cách định Cổng cầu Liên kết ngang Hình 5.42: Hệ liên kết ngang Hệ liên kết ngang có tác dụng lm giảm chiều di tự đứng xiên chịu nén Nhng cần ý cấu tạo liên kết ngang đảm bảo cho tĩnh không xe chạy Hệ liên kết ngang đầu dn gọi l cổng cầu Nó có nhiệm vụ truyền tải trọng từ biên xuống gối cầu v chịu lực ngang lớn nên cấu tạo phải đủ cứng Cổng cầu bố trí xiên đứng nhng cầu dn đứng gối nên dạng xiên đợc hay dùng Tuy nhiên bố trí cổng cầu đứng mặt phẳng đứng kể từ gối vo Hình 5.43: Các dạng bố trí cổng cầu Trong cầu dới nhịp tơng đối ngắn thờng chiều cao dn không đủ để lm hệ liên kết dọc phải đảm bảo tĩnh không xe chạy KÕt cÊu nh− vËy gäi lμ kÕt cÊu nhÞp hë Trong trờng hợp ny để biên dn chủ đợc ổn định theo phơng ngang, ngời ta cấu tạo khung cứng hở đứng dn chủ v dầm ngang phần mặt cầu tạo thnh Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 203 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Khung cứng ngang Liên kết dọc duới Hình 5.43: Kết cấu cầu dn hở Đối với loại cầu ny tính ổn định, chiều di tự biên ngoi mặt phẳng dn lấy chiều di nhịp nên bất lợi Đối với cầu có BTCT liên hợp với dầm chủ, ngời ta không lm hệ liên kết dọc trên, có lm để phục vụ thi công để có độ cứng định sau tháo 8.2-Các dạng cấu tạo hệ liên kết dọc v ngang: 8.2.1-Hệ liên kết dọc: Các dạng liên kết dọc đợc trình by hình (5.44): ã Kiểu hình trám (hình 5.44c) giảm đợc chiều di biên (ra ngoi mặt phẳng dn) nửa v lm cho công tác liên kết mối nối biên dễ dng nhng có nhợc điểm gây tợng biên bị uốn mặt phẳng ngang ã Kiểu hình tam giác (hình 5.44b) có cấu tạo đơn giản nhng có nhợc điểm nh v sử dụng cầu nhịp nhỏ ã Kiểu liên kết đợc xem có u điểm l kiểu chéo (hình 5.44a) Đó l kiểu liên kết chắn, lm tăng độ cứng kết cấu nhịp nên đợc sử dụng rộng rÃi, đặc biệt cầu xe lửa a) b) c) d) e) Hình 5.44: Các dạng liên kết dọc ã Khi khoảng cách dn chủ lớn nhiều so với chiều di khoang, l cầu ôtô v cầu thnh phố, ngời ta dùng kiểu liên kết chữ K (hình 5.44d) nhng có nhợc điểm gây tợng uốn ngang Để khắc phục Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 204 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ tợng ny, ta dùng loại chữ thập có chống ngang lm cho kết cấu nút phức tạp (hình 5.44e) Trong cầu có nhiều dn chủ, ta có dạng sau: Hình 5.45: Các dạng liên kết dọc cầu nhiều dn chủ 8.2.2-Hệ liên kết ngang: Tùy theo kết cấu nhịp có mặt cầu hay dới, bề rộng hay chiều cao dn chủ m cấu tạo dạng liên kết ngang khác Đối với cầu trên: Hình 5.46: Các dạng liên kết ngang cầu Đối với cầu dới: Hình 5.47: Các dạng liên kết ngang cầu dới Trong cầu dới, liên kết ngang bố trí phần khổ tĩnh không cầu theo kiểu x ngang X ngang ny cấu tạo dới hình thức đặc dới hình thức dn nhỏ kiểu chéo, tam giác, trám, tùy theo chiều cao dn chủ lớn hay nhiều so với yêu cầu khổ tĩnh cầu Trong cầu xe lửa thờng chịu lực hÃm lớn v có mặt cầu t vẹt đặt trực tiếp nên với chiều di nhịp 50m thiết phải thiết kế đặt khung truyền lực hÃm gọi l khung Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 205 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ chống hÃm Đối với cầu ôtô thờng không cần cấu tạo lực hÃm mặt cầu tiếp nhận truyền cho biên dμn chđ H×nh 5.48: Bè trÝ khung chèng h·m Khung chống hÃm tốt nên bố trí nhịp, trờng hợp cấu tạo gián đoạn bố trí đoạn kết cấu nhịp phạm vi chỗ nối dầm dọc 8.3-Cấu tạo hệ liên kết: Các hệ thông liên kết không cần phải cấu tạo riêng lẽ m kết hợp với phận dn chủ Hệ liên kết däc lÊy biªn cđa dμn chđ lμm biªn nên cần thêm chéo Hệ liên kết ngang kết hợp với xiên, đứng dμn chđ Nãi chung néi lùc hƯ liªn kết nhỏ nên tiết diện đợc chọn ngoi yêu cầu độ bền m độ ổn định v cấu tạo Tiết diện thờng lm thép hình ghép lại: Hình 5.49: Các dạng tiết diện hệ liên kết Ngời ta khống chế độ mÃnh không > 130 đối víi nÐn cđa hƯ liªn kÕt däc vμ liªn kết ngang gối, không > 180 kéo; hệ liên kết ngang trung gian không > 150 Ngoi ta giảm chiều di chéo cách gắn chúng với v nh hạ thấp yêu cầu độ cứng Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 206 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Hình 5.50: Nối liên kết vo biên dn chủ Các biên kết dọc nối vo biên qua nút Tại nút tốt nên hớng trục liên kết vo điểm nằm trục biên để tránh ứng suất phụ lệch tâm gây Tuy nhiên nhiều ®Ĩ gi¶m kÝch th−íc b¶n nót vμ thùc tÕ nội lực không lớn lắm, ngời ta thờng lại hớng trục lệch sang bên 8.3-Tính toán hệ liên kết: 8.3.1-Tải trọng tác dụng: Hệ liên kết tiếp nhận tải trọng nằm ngang: ã áp lực gió ngang cầu: Khi có xe cầu lấy cờng độ gió =50kg/m2 (ôtô) v 100kg/m2 (đờng sắt) Khi xe cầu lấy =180kg/m2 ã Lực lắc ngang hoạt tải ã Lực ly tâm cầu nằm đờng cong Chú ý: ã Lực lắc ngang không đợc tính đồng thời với áp lực gió v lực ly tâm ã Khi tính toán hệ thống liên kết cần tổ hợp tải trọng cho bất lợi 8.3.2-Tính hệ liên kết dọc có biên song song: 8.3.2.1-Cầu có đờng xe chạy trên: Do tính chất phân phối không rõ rng tải trọng cho hệ liên kết, thông thờng ta xem lên kết dọc chịu 60% trị số áp lực gió tác dụng lên dầm chủ dn chủ Hệ liên kết dọc nằm mức mặt cầu chịu 80% trị số áp lực gió lực ngang truyền lên mặt cầu, hệ liên kết dọc nằm mức chịu 40%.áp lực gió tác dụng lên kết cấu nhịp có chiều cao thay đổi đợc tính với trị số trung bình v đợc coi l phân bố Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 207 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ suốt chiều di nhịp Đối với áp lực gió tác dụng lên ôtô xe xÝch th× cã thĨ bá qua Wt,h b Wt H nω h3 H K2 nω nω h h2 b Knω Wd,h α b D3 Wd 1/Sinα 1/Sinα H×nh 5.51: Sơ đồ tính hệ liên kết dọc Lực gió tổng quát đợc tính bằng: (5.38) Trong đó: +: cờng độ gió thổi đơn vị diện tích chắn giã +Fch: diƯn tÝch ch¾n giã tÝnh theo chu vi bao quanh +k: hƯ sè ch¾n giã +n: hƯ sè vợt tải gió Ta có lực gió phân bố tác dụng lên: ã Kết cấu nhịp: Wkcn = .h.k n W = .Fch k n ã Đon tu: Wh = ω.(h3 k − k h2 )n (5.39) • Lan can: Wlc = ω.h2 k n (5.41) ã Mặt cầu: Wmc = .h1 n (5.40) (5.42) Trong ®ã: +h: chiỊu cao kÕt cÊu nhÞp +h1, h2, h3: chiều cao phần mặt cầu, lan can, đon tu +k, k2: hệ số chắn gió kết cấu nhịp, lan can Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 208 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Từ ta tính đợc lực gió tác dơng lªn liªn kÕt däc trªn vμ däc d−íi lực gió tác dụng lên kết cấu nhịp v hoạt tải: ã Liên kết dọc (tại mức mặt cầu): (5.43) ⎡Wt = 0.6Wkcn + 0.8Wmc + 0.8Wlc ⎢W = 0.8W h ⎣ t ,h ⎡Wd = 0.6Wkcn + 0.4Wmc + 0.4Wlc d , h = 0.4Wh ã Liên kÕt däc d−íi: ⎢ W (5.44) Khi tÝnh víi lùc lắc ngang v lực ly tâm phân phối lùc nh− trªn: ⎡Wt , ng = 0.8.n h Wng ⎢ ⎣⎢Wd , ng = 0.4n h Wng (5.45) Trong đó: +Wng: lực lắc ngang lực ly tâm +nh: hệ số vợt tải hoạt tải Chú ý: ã Khi xác định đợc tải trọng, ta xem hệ liên kÕt lμ dμn kª trªn gèi lμ cổng cầu Từ vẽ đờng ảnh hởng, xếp tải, tính nội lực v chọn tiết diện ã Đối với có đ.a.h dấu tải trọng gió hoạt tải, lực lắc ngang v lực ly tâm đặt đ.a.h dơng âm để tính ã Nếu hệ liên kết có nhiều chéo tính gần đúng: 1/nsin 1/nsin Với n: số chéo khoang Hình 5.52: Sơ đồ tính nội lực hệ liên kết dọc ã Nếu kết cấu nhịp cầu m có hệ liên kết dọc ton tải trọng gió v lực ngang hệ chịu ã Nếu kết cấu nhịp có mặt cầu BTCT, mặt cầu trực giao m liên kết chặt chẽ với biên dầm dn chủ hệ liên kết dọc mức mặt cầu lm việc giai đoạn thi công Lực gió, lực lắc ngang v lực ly tâm mặt cầu chịu 8.3.2.2-Cầu có đờng xe chạy dới: Nhận xét: ã áp lực gió lên dn chủ xem l tác dụng lên ton bề mặt hứng gió dn áp lực gió lên phần mặt cầu đợc tính với giải đặc kín có chiều cao chiều cao phần mặt cầu, có phần diện tích đà kể đến tính gió tác dụng lên dn chủ Nh phần thiên an ton nhng phần xét tới trờng hợp gió thổi chếch so víi diƯn tÝch thùc tÕ ch¾n giã vμ lμm cho cờng độ tăng lên Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 209 - ã Đối với lan can hệ số chắn gió lấy (k2-k) nhng không < 0.1 Xuất phát từ đà nêu trên, ta xác định tải trọng gió tác dụng lên: ã Kết cấu nhịp: Wkcn = .h.k n Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ (5.46) ã Đon tμu: Wh = ω.(1 − k ).h3 n (5.47) • Mặt cầu: Wmc = .h1 n (5.48) Lan can: Wlc = ω.h2 (k − k ).n (5.49) Wt b H Knω H h2 b (K2-K1)nω h h1 H b l b W1 n Hình 5.53: Sơ đồ hệ liên kết dọc cầu dới ã Từ ta tính đợc lực gió tác dụng lên lên liên kết dọc dới v dọc lực gió tác dụng lên kết cấu nhịp v hoạt tải: Wd = 0.6Wkcn + 0.8Wmc + 0.8Wlc ⎣ d , h = 0.8Wh ã Liên kết dọc dới (tại mức mặt cầu): W (5.50) ã Liên kết dọc dới: Wt ,h = 0.4Wh (5.51) ⎡Wt = 0.6Wkcn + 0.4Wmc + 0.4Wlc 8.4-Tính toán khung cổng cầu: Hình 5.54: Sơ đồ tính tải trọng tác dụng lên khung cổng cầu Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 210 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ Khung cổng cầu tính toán chịu áp lực gối hệ dn liên kết dọc v truyền xuống gối cầu: • NÕu biªn trªn dμn chđ song song víi biªn dới khung cổng cầu chịu v truyền lực H n»m ngang tõ hƯ liªn kÕt → H = W ã Nếu biên có dạng đa giác ngoi lực H có lực dọc R theo phơng chân khung Ta có: V = V ∑Wi Z i , víi α lμ gãc = Wi Z i → R = ∑ sin α B sin 2B nghiêng xiên gối Khung cổng cầu tính toán tải trọng ngang gây Riêng chân cổng cầu l xiên gối nên phải kiểm tra với tải trọng đứng Tùy theo kết cấu khung cổng cầu m sơ đồ tính đợc chọn khác Thông thờng chân khung cổng cầu đợc xem l bị ngm bên dới chúng liên kết với dầm ngang đầu dn nên chhuyển vị xoay tiết diện phơng ngang cầu Trờng hợp khung cổng cầu có ngang l đặc: Hình 5.55: TÝnh néi lùc khung cỉng cÇu ngang lμ đặc ã Vị trí điểm có mômen chân khung đợc xác định: e= + 3t h + 6t (5.52) Trong đó: +e: khoảng cách chân khung đến điểm có mômen +t: đợc xác ®Þnh t = I ng h I c B +Ing, Ic: mômen quán tính tiết diện ngang v chân khung +B, h: bề rộng kết cầu nhịp v chiều cao chân khung cổng cầu ã Từ dễ dng xác định đợc nội lực M, Q, N khung cổng cầu Trờng hợp khung cổng cầu có ngang l dn: ã Ta giả thiết chịu lực H, hệ dịch chuyển nhng CDEF giữ nguyên độ di, ngang CD nằm mức cũ, điểm C v E, D v F nằm thẳng đứng ã Vị trí điểm có mômen 0: Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 211 - Giáo trình: Thiết kế cầu thép e= c.(c + 2h ) 2.(c + h ) Biên soạn: Nguyễn Văn Mỹ (5.53) ã Từ ta xác định đợc nội lực hệ v tách nút để xác định nội lực trong khung cổng cầu Hình 5.56: Tính nội lực khung cổng cầu ngang lμ dμn Chơng V: Thiết kế cầu dn thép - 212 -