135 CHƢƠNG 6 TÍNH TOÁN NỘI LỰC CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU 6 1 Nguyên tắc chung Các bộ phận kết cấu nhịp đƣợc xét trong chƣơng này gồm Các dầm chủ Các dầm ngang Các dầm dọc phụ Các bản mặt cầu Những phƣơng ph[.]
CHƢƠNG TÍNH TỐN NỘI LỰC CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU 6.1 Nguyên tắc chung Các phận kết cấu nhịp đƣợc xét chƣơng gồm: Các dầm chủ Các dầm ngang Các dầm dọc phụ Các mặt cầu Những phƣơng pháp đơn giản hố đƣợc trình bày Chƣơng này, chúng dựa giả thiết khác sơ đồ tính tốn, đơi có chỗ chƣa chặt chẽ Cịn nhiều cách tính dựa giả thiết khác Tuy nhiên phƣơng pháp dựa vào nguyên tắc chung Cơ học, phƣơng pháp tính tốn dƣới có nghĩa hƣớng dẫn khơng bắt buộc áp dụng Các kỹ sƣ thiết kế cần phải tự xem xét mà định chọn cách tính tốn cho phù hợp thực tế, đảm bảo an toàn chất lƣợng cơng trình 6.2 Tính tốn nội lực dầm chủ Nội lực dầm chủ nhịp đơn giản đƣợc tính tốn có xét phân bố ngang tải trọng cho dầm chủ theo phƣơng pháp trình bày Chƣơng Ngồi cịn phải xét đến qui định Tiêu chuẩn thiết kế tổ hợp tải trọng tiêu chuẩn tổ hợp tải trọng tính tốn, hệ số xe, hệ số xung kích, hệ số tải trọng Các mặt cắt đƣợc chọn để tính tốn nội lực thƣờng vị trí: L/2 (giữa nhịp), L/3, L/4 mặt cắt gối Tƣơng ứng với mặt cắt phải vẽ đƣờng ảnh hƣởng mô men uốn, lực cắt xếp hoạt tải tĩnh tải lên để tính mơ men hay lực cắt tƣơng ứng 6.2.1 Cách xét Hoạt Tải HL-93 Tổ Hợp Tải trọng để tính tốn theo Trạng thái giới hạn Hoạt tải HL-93 đƣợc xét thành phần tải trọng tham gia vào tổ hợp tải trọng I, III, VI VI Tổ hợp hoạt tải xe HL-93 cho đơn đƣợc tính phụ thuộc vào trạng thái giới hạn nhƣ qui định điều 1.3.2.2 22TCN 272-05 Khi thiết kế cần chọn trị số lớn tổ hợp sau đây: 6.2.1.1 Đối với tổ hợp tải trọng để tính theo trạng thái giới hạn I, III, đặc biệt va xe trạng thái giới hạn sử dụng không kể duyệt võng: a- Hiệu ứng xe hai trục (có xung kích 25%) tổ hợp với hiệu ứng tải trọng thiết kế, b- Hiệu ứng xe tải thiết kế (có xung kích 25%) tổ hợp với tải trọng thiết kế Tuy nhiên trị số thành phần lực tổ hợp lại thay đổi nhƣ sau: b1 Thông thƣờng (trừ trƣờng hợp b2 dƣới đây) dùng xe tải 33.24 T đặt 135 vị trí bất lợi với cự ly hai trục sau thay đổi từ 4.3 đến 9,0 m cho tạo đƣợc ứng lực cực trị kết hợp với tải trọng b2 Riêng tính mơ men phản lực cho trụ gối (trụ dầm liên tục) dùng hai xe tải thiết kế đặt cách 15m, bỏ qua trục không gây hiệu ứng cực đại (trục chiếm sang phần ĐAH ngƣợc dấu) Lấy 90% hiệu ứng hai xe nêu kết hợp với 90% tải trọng So sánh a, b1 b2 để tìm giá tri cực đại 6.2.1.2 Đối với tổ hợp tải trọng tính theo trạng thái giới hạn sử dụng độ võng: c- Hiệu ứng xe tải thiết kế (có xung kích 25% theo điều 2.5.2.6.2) d- Kết tính tốn hiệu ứng 25% xe tải thiết kế (có xét xung kích 25%) tổ hợp với tải trọng thiết kế 6.2.1.3 Đối với tổ hợp tải trọng để tính theo trạng thái giới hạn mỏi đứt gãy: e- Hiệu ứng xe tải thiết kế (có xung kích 15%) nhƣng với khoảng cách trục nặng 9.0 m Không xét tải trọng 6.2.1.4 Đối với tổ hợp tải trọng để tính theo trạng thái giới hạn cường độ II: không xét hoạt tải HL-93 Nhƣ hoạt tải HL-93 đƣợc biểu diễn dƣới dạng a, b1, b2, c, d, e có mức độ tác động khác Khác với quy trình 1979 (QT -1979) tính tốn mỏi lại có xu giảm cƣờng độ tải trọng 6.2.1.5 Cách xếp hoạt tải HL-93 đường ảnh hưởng Trong điều 3.6.1.3.1 qui định: “chiều dài xe thiết kế phần gây áp lực lớn phải đƣợc chất tải trọng thiết kế” Nhƣ hiểu tải trọng thiết kế đƣợc xếp đƣờng ảnh hƣởng giống nhƣ bố trí tải trọng rải tƣơng đƣơng QT-1979 Khi xếp tải để xây dựng đƣờng bao nội lực, tải trọng phải đƣợc bố trí tất phần đƣờng ảnh hƣởng dấu với phần đƣờng ảnh hƣởng có đặt xe tải thiết kế xe trục thiết kế để tạo hiệu ứng cực đại Ngoài trƣờng hợp đặt xe tải thiết kế xe hai trục, trƣờng hợp riêng dùng xe tải thiết kế đƣợc bố trí bất lợi đƣờng ảnh hƣởng nhƣ nguyên tắc xếp hoạt tải xe trực tiếp QT-1979 đƣợc kết hợp với tải trọng Có thể phân mơ hình xếp tải nhƣ sau: - Đối với kết cấu nhịp cầu dầm giản đơn: bố trí tải trọng suốt chiều dài đƣờng ảnh hƣởng Lần lƣợt đặt trục xe tải thiết kế xe hai trục thiết kế vào vị trí bất lợi đƣờng ảnh hƣởng (hình 2-8a) Hiệu ứng lực cực đại đƣợc chọn trị số lớn tổ hợp tải: + Xe tải thiết kế + tải trọng [a] + Xe hai trục thiết kế tải trọng [b] Tƣơng tự nhƣ việc tính tốn thiết kế theo Quy trình 1979 cầu nhịp dài dạng tải HL-93 [a] thƣờng khống chế với cầu nhịp ngắn dạng tải HL-93 [b] 136 thƣờng gây hiệu ứng lực bất lợi khoảng cách trục tải xe trục cấu tạo gần - Đối với kết cấu nhịp liên tục bố trí tải trọng lên đoạn ĐAH dấu bố trí xe tải thiết kế xe hai trục thiết kế lên vị trí tạo nội lực bất lợi (hình 28b,c) - Riêng trƣờng hợp tính mơ men âm tính phản lực lên trụ dùng hai xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng đoạn ĐAH dấu Lƣu ý dùng hai xe tải thiết kế cần bỏ trục tải khơng gây tình bất lợi (hình 28d) + Để xây dựng biểu đồ bao ứng lực (nội lực) tiến hành đặt hoạt tải HL93 (tải trọng tập trung tải trọng làn) lần lƣợt đoạn dƣơng âm đƣờng ảnh hƣởng Hiệu ứng riêng rẽ trƣờng hợp đặt tải hoạt tải HL-93 kết hợp với tác động tải trọng thƣờng xuyên ( tĩnh tải) để xác định trị số ứng lực cực hạn (trị số lớn nhỏ mặt cắt cần nghiên cứu kết cấu Hình 51: Xếp tải trọng HL-93 đƣờng ảnh hƣởng Cơng thức tổng qt tính nội lực loại hoạt tải gây mặt cắt dầm chủ là: S = n K (1 + I) + q F Trong đó: S - Mơ men hay lực cắt cần tính tốn n - Hệ số tải trọng hoạt tải (nếu xét tải trọng tiêu chuẩn lấy n = 1,0) K - Hệ số phân bố ngang hoạt tải xét dầm đƣợc xét + I - Hệ số xung kích riêng xe tải thiết kế HL 93 q - Trị số tải trọng rải hoạt tải HL-93 F - Diện tích đoạn đặt tải đƣờng ảnh hƣởng xét 137 - Hệ số xe Cơng thức tổng qt tính nội lực loại tĩnh tải gây mặt cắt dầm chủ là: S=n.g.F Trong đó: g - Tĩnh tải rải xét n - Hệ số tải trọng tĩnh tải đƣợc xét Mỗi loại tĩnh tải loại hoạt tải phải đƣợc tính tốn riêng rẽ, sau tuỳ theo nội dung tổ hợp tải trọng cần xét bao gồm loại tải trọng mà xét cộng tác dụng chúng lại Vấn đề tính tốn mơ men xoắn dầm chủ đƣợc trình bày tài liệu chuyên đề riêng, không giới thiệu giáo trình 6.3 Tính tốn nội lực mặt cầu Trong kết cấu nhịp cầu ơtơ thƣờng có sơ đồ tính tốn mặt cầu là: - Bản hẫng - Bản cạnh (bản hƣớng - kiểu dầm) - Bản cạnh (bản hƣớng) - Bản mặt cầu cầu khơng dầm ngang 6.3.1 Ngun lý tính tốn theo sơ đồ nói trên: - Bản hẫng đƣợc tính theo sơ đồ cơng xon, lấy mét chiều rộng theo phƣơng dọc cầu để xét chiều rộng mặt cắt chịu lực, vào để tính tốn bố trí cốt thép cho tất mét dài khác theo dọc cầu - Bản cạnh thƣờng gặp tựa dầm dọc (khơng có dầm ngang), hay thực tế tựa cạnh (2 dầm dọc dầm ngang) nhƣng tỷ số chiều dài cạnh lớn 2, có nghĩa làm việc chịu uốn với nhịp tính tốn đƣợc lấy song song với cạnh ngắn (trong cầu dầm giản đơn thông thƣờng, nhịp đo theo hƣớng ngang cầu) Ngƣời ta theo sơ đồ tính tốn qui ƣớc dầm giản đơn để tính mơ men vào sƣờn dầm Để tính tốn lực cắt lớn lại khơng nhân hệ số hiệu chỉnh nhằm thiên an toàn - Trong số trƣờng hợp cầu vòm, cầu dây xiên-dầm cứng BTCT, gặp loại cạnh mà tựa lên dầm ngang tựa lên dầm dọc Khi nhịp tính tốn đƣợc lấy theo hƣớng dọc cầu theo hƣớng ngang cầu - Bản cạnh thƣờng gặp cầu mặt cắt hình hộp, coi tựa sƣờn dầm dọc sƣờn dầm ngang (tỷ số chiều dài cạnh nhỏ 2), dùng bảng tra đƣợc lập sẵn để tính nội lực cách riêng rẽ theo hƣớng.- Bản cầu khơng dầm ngang đƣợc tính theo bƣớc, trƣớc hết tính chịu lực cục theo sơ đồ cạnh, sau tính nội lực xét làm nhiệm vụ dầm ngang, kết tính tốn đƣợc cộng lại với để làm tính duyệt mặt cắt chọn cốt thép 138 Hình 3-23: Các sơ đồ tính toán mặt cầu 6.3.2 Các yêu cầu cấu tạo mặt cầu: + Chiều dày tối thiểu mặt cầu: Điều 5.13.1 22TCN 272-05 dẫn yêu cầu cầu mặt cầu phần 22TCN 272-05 Ngồi cịn phải tn theo qui định phần 22TCN 272-05 + Chiều dày tối thiểu mặt cầu BTCT qui định điều 9.7.1.1 175 mm (không kể lớp hao mòn) + Khi chọn chiều dày phải cộng thêm lớp hao mòn 15 mm + Đối với hẫng dầm phải thiết kế chịu tải trọng va chạm vào rào chắn nên chiều dày phải tăng thêm 25 mm (chiều dày tối thiểu mút hẫng 200 mm) (điều 13.7.3.5.1) + Chiều dày tối thiểu chọn theo tỷ lệ với chiều dài nhịp tính tốn để đảm bảo yêu cầu độ cứng qui định điều 2.5.2.6.3.1: S 3000 hmin (mm) 30 S độ nhịp + Riêng dầm hộp dầm chữ T bê tông cốt thép đúc chỗ yêu cầu chiều dày cánh (bản mặt cầu) phải lớn 1/20 lần khoảng cách nách dầm sƣờn dầm 6.3.3 Sơ đồ tính tốn + Xét dải kê cấu kiện đỡ Các cấu kiện đỡ dầm chủ hay dầm ngang Nhịp dải đƣợc coi song song với hƣớng (hƣớng có khoảng cách gối đỡ ngắn hơn) Các hẫng chiều dài hẫng đƣợc tính từ tim sƣờn dầm biên đến mút hẫng + Các dải tính theo hai sơ đồ: Sơ đồ hẫng; Sơ đồ kiểu dầm liên tục kê dầm chủ 139 + Trong thực tế mặt cầu đƣợc kê dầm chủ dầm ngang Khi khoảng cách dầm ngang lớn 1,5 lần khoảng cách dầm chủ hƣớng chịu lực theo phƣơng ngang cầu Dải tƣơng đƣơng đƣợc coi ngàm hai dầm chủ chịu toàn lực Nếu tỷ lệ nhỏ 1,5 phải xét mơ hình giao + Lực tác dụng lên sơ đồ tuỳ thuộc vào cấu tạo 6.3.4 Ngun tắc tính tốn 6.3.4.1 Phương pháp phân tích nội lực: + Phƣơng pháp kinh nghiệm theo điều 9.7.2 nội dung qui định chi tiết kích thƣớc cấu tạo, số lớp cốt thép, số lƣợng cốt thép tối thiểu, cấp cốt thép…Sau yêu cầu cấu tạo thỏa mãn khơng cần tính tốn + Phƣơng pháp truyền thống (điều 9.7.3): qui định chiều dày, lớp cốt thép… tính lƣợng cốt thép để chịu mơ men sau quy định phân bố cốt thép theo hƣớng phụ vng góc với hƣớng + Phƣơng pháp xác Có thể áp dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn để tính mặt cầu Ngày cách tính tốn thơng dụng có sẵn chƣơng trình máy tính nhƣ SAP, MIDAS, STAAD PRO,v.v + Phƣơng pháp gần (các kỹ sƣ thƣờng dùng, dễ dàng áp dụng) Trong nội dung sách sau nói phƣơng pháp 6.3.4.2 Thiết kế theo phương pháp gần Có thể sử dụng phƣơng pháp phân tích gần để thiết kế mặt cầu BTCT đúc bê tông chỗ đúc liền khối (điều 4.6.2.1.6) Mơ hình tính tốn coi mặt cầu nhƣ dải vng góc với cấu kiện kê đỡ Khi tính tốn hiệu ứng lực bản, phân tích dải rộng 1m theo chiều ngang cầu Các cấu kiện kê đƣợc giả thiết cứng tuyệt đối Ta có hai sơ đồ tính, phần cánh hẫng dầm biên đƣợc tính theo sơ đồ cơng son, mặt cầu phía tính theo sơ đồ dầm liên tục kê gối cứng vị trí dầm chủ Cũng sử dụng sơ đồ ngàm hai sƣờn dầm chủ với đƣờng lối phân tích gần nhƣ sơ đồ giản đơn kê cạnh đƣợc tính nhƣ dầm giản đơn sau xét hệ số điều chỉnh cho ngàm Chiều rộng dải chịu ảnh hƣởng bánh xe đƣợc gọi chiều rộng dải tƣơng đƣơng đƣợc lấy nhƣ bảng TCN 4.6.2.1.3-1 Đối với cầu BTCT: Ta có : + Đối với phần hẫng : E = 1140+0,833.x (mm) + Đối với vị trí có mơ men dƣơng : E+ = 660+0,55.S (mm) + Đối với vị trí có mơ men âm : E- = 1220+0,25.S (mm) Trong : x : khoảng cách từ tâm gối đến điểm đặt tải S : khoảng cách cấu kiện đỡ Trong cầu dầm thƣờng khoảng cách 140 dầm chủ E: chiều rộng dải tƣơng đƣơng Có thể hiểu chiều rộng ảnh hƣởng tải trọng (làm phát sinh nội lực) Hình 3-24: Xác định chiều rộng dải tương đương Đƣờng lối phân tích mơ hình xác định lực tác động lên dải tƣơng đƣơng sau qui lực tác động lên dải có chiều rộng m theo phƣơng xác định E Nhƣ đƣa tốn mơ hình phẳng để tính tốn nội lực bố trí vật liệu 6.3.5 Bản hẫng 6.3.5.1 Tính tốn nội lực hẫng Xét cấu tạo thực tế xảy trƣờng hợp: + Bản hẫng chịu tĩnh tải ngƣời + Bản có tĩnh tải tải trọng ơtơ + Bản chịu tĩnh tải, bánh xe ôtô ngƣời Sau trình bày trƣờng hợp tổng quát cho trƣờng hợp hẫng chịu tĩnh tải, bánh xe ôtô ngƣời A/- Tĩnh tải tác dụng: Các phận kết cấu đƣợc tính cho 1m chiều rộng (phƣơng dọc cầu) Hệ số vƣợt tải tĩnh tra theo bảng 3.4.1.2 TT Loại tải trọng Kí hiệu Dạng tác động Hệ số vƣợt tải p #1 1.25 1.25 1.25 1.50 #1 0.9 0.9 0.9 0.65 01 Trọng lƣợng thân DC1 Phân bố 02 Lan can DC2 Tập trung 03 Gờ chắn bánh xe DC3 Tập trung 04 Lớp phủ mặt cầu DW Phân bố B/- Hoạt tải tác dụng Hoạt tải tác dụng gồm tất tải trọng đƣợc quy định nhƣ điều 3.6.1, tải trọng bánh xe đƣợc mơ hình hố nhƣ tải trọng tập trung tải trọng vệt mà chiều dài dọc theo nhịp chiều dài diện tích tiếp xúc lốp xe với mặt đƣờng đƣợc điều 3.6.1.2.5, cộng với chiều cao mặt cầu h f ( theo điều 4.6.2.1.6) Các dải đƣợc thiết kế theo lí thuyết dầm cổ điển 141 Để đơn giản tính tốn nên chọn tải trọng bánh xe đƣợc mơ hình hố nhƣ tải trọng tập trung Diện tích tiếp xúc bánh xe với mặt đường: - Chiều rộng (ngang cầu) b = 510 mm - Chiều dài (dọc cầu) IM 2.28 x 10 n 1 P (điều 3.6.1.2.5-1) 100 đó: n -hệ số tải trọng ôtô lấy theo bảng 1.1 IM - lực xung kích (%) lấy theo bảng 3.6.2.1.1 P - tải trọng bánh xe Hình 3-25 P = Ptr =145 000/2 = 72 5000 N = 72 KN ( cho xe tải) = Pta =110 000/2 = 55 000 N = 55 KN ( cho xe trục) Diện tích phân bố bánh xe lên bề mặt bản: - Chiều rộng (ngang cầu) b + h f - Chiều dài (dọc cầu) IM 2.28 x 10 1 P h f 100 Để thuận lợi cho mơ hình tính tốn theo sơ đồ phẳng, tác dụng tải trọng bánh xe qui băng tải chiều dài (b h f ) theo phƣơng ngang cầu có cƣờng độ phân bố cho m chiều rộng bản: LL P b h f E với E # 1000 mm Vị trí tác động bánh xe lên hẫng: tim bánh xe cách mép đá vỉa 300 mm (3.6.1.3.1) Khi tính tốn thiết kế hẫng thƣờng bố trí xe nên phải nhân thêm với hệ số xe m =1.2 Theo điều 3.6.1.3.4 chiều dài hẫng không 1800 mm =1.8 m có lan can bê tơng liên tục, tải trọng dãy bánh xe ngồi đƣợc thay băng tải phân bố có cƣờng độ 14.6 N/mm =1460 N/m đặt cách bề mút hẫng 0.3 m Tải trọng ngang va xe vào rào chắn hẫng tính theo qui định Phần 13 Tiêu chuẩn thiết kế C/ Tải trọng người đi: PL = kPa qui tải trọng rải theo phƣơng ngang lực tập trung đặt tim lề ngƣời Công thức tính tốn nội lực hẫng: Mơ men ngàm: 142 L2 L2 M i Q i p1 DC1 p1 DC2 L2 p1 DC3 L3 p DW 2 L25 m n LL IM m pl PL L6 Lực cắt ngàm: Q p1 DC1 L1 p1 DC2 p1 DC3 p DW L4 m n LL IM L5 m pl PL đó: p1 - hệ số tải trọng tĩnh tải thân kết cấu p1 =1.25 p - hệ số tải trọng tĩnh tải thân kết cấu p =1.5 n - hệ số tải trọng hoạt tải xe n =1.75 pl - hệ số tải trọng hoạt tải ngƣời pl =1.75 m - hệ số chất tải L1 - chiều dài hẫng L2 - khoảng cách từ tim lan can đến ngàm L3 - khoảng cách từ tim đá vỉa hay gờ chắn bánh xe đến ngàm L4 - chiều dài phần có lớp phủ mặt cầu L5 - chiều dài đoạn phân bố tải trọng bánh xe L6 - khoảng cách từ tim lề ngƣời đến ngàm - hệ số điều chỉnh tải trọng (điều 1.3.2.1) 6.2.5.2 Ví dụ tính tốn nội lực hẫng theo trạng thái giới hạn cường độ I Tính tốn nội lực mặt cắt ngàm hẫng cầu BTCT mặt cắt ngang dạng hộp có chiều dài phần cánh hẫng L = 2.85 m chịu tác dụng đồng thời tĩnh tải, ngƣời tải trọng bánh xe, kính thƣớc nhƣ hình vẽ A/- Tĩnh tải tác dụng cho dải rộng m theo phương ngang cầu Do trọng lƣợng thân: chiều dày đầu công xon h f = 200 mm = 0.2 m; ngàm h f = 550mm = 0.55 m; chiều dày trung bình 375 m DC1 1m x h f x 1.0 x 0.4 x 2400 960 kg/m = 9.6 KN/ m Do trọng lƣợng lan can DC2 1.38 KN ( tập trung) Do gờ chắn bánh xe DC3 1m x h x b x 1.0 x 0.3 x 0.25 x 2400 180 kg= 1.80 KN (tập trung) 143 Các tham số chủ yếu: Chiều dài (m) L3 L2 L4 L1 L5 L6 2.85 2.725 0.975 2.60 0.85 1.85 Tĩnh tải DW DC1 DC DC 9.6 1.38 (KN/m) (KN) Hoạt tải LL 51.26 (KN/m) Hệ số tải trọng 1.80 (KN) 2.26 (KN/m) PL 4.5 KN n pl p1 p2 1.75 1.75 1.25 1.50 Hình 3-26 Do lớp phủ mặt cầu Tính toán theo bảng sau: STT Lớp Chiều dày (m) D(KN/m) (KN/m3) Lớp phủ asphal 0.05 23 1.15 Bê Tông bảo vệ 0.02 24 0.48 Chống thấm 0.01 15 0.15 Mui luyện 0.02 24 0.48 Cộng 0.10 2.26 Vậy DW = 2.26 KN/m B/- Hoạt tải tác dụng cho dải rộng m theo phương ngang cầu - Do xe tải thiết kế (Design Truck) Xét bánh xe nặng xe tải thiết kế có trọng lƣợng P đặt cách mép gờ chắn bánh xe 300 mm = 0.3 m; (luu ý xét hẫng) Khoảng cách từ tim bánh xe tới ngàm x = 550 mm = 0.55m Chiều rộng tiếp xúc bánh xe b = 510 mm = 0.5 m; chiều dày trung bình mặt cầu h f = 375 mm = 0.375 m Chiều rộng dải tƣơng đƣơng: E =1140+0,833.x =1140 + 0.833 x 550 =1598.15 mm = 1.59815 m 1.00 m LL Ptr 72.5 b h f E 0.51 0.375x1.59815 51.26 KN/m - Do người Chiều rộng lề ngƣời 1.50 m Tải trọng ngƣời 300 kg/ m2 = KN/m2 Lực tập trung tải trọng ngƣời đặt tim lề ngƣời đi: 144 PL x 1.5 = 4.5 KN C/- Nội lực ngàm Xét hệ số điều chỉnh tải trọng trƣờng hợp sử dụng giá trị cực đại i : D R I 1 đó: D tính dẻo, trƣờng hợp thiết kế thông thƣờng D =1; R tính dƣ, hẫng khơng có tính dƣ R =1.05; I tầm quan trọng, cầu quốc lộ I =1.05; D R I 0.907 1 x 1.05 x 1.05 Mô men ngàm: L2 L2 M p1 DC1 p1 DC L2 p1 DC3 L3 p DW 2 m n LL IM L25 pl PL L6 2.85 2.60 0.907 1.25( 9.6x 1.38 x 2.725 1.8 x 0.975) 1.50x2.26x 2 1.2x1.75x(1 0.25)x51.26x 0.85 1.75 x 4.5x1.85 115.883KNm Lực cắt ngàm: Q p1 DC1 L1 p1 DC2 p1 DC3 p DW L4 m n LL IM L5 m pl PL Q p1 DC1 L1 p1 DC2 p1 DC3 p DW L4 m n LL IM L5 pl PL 0.907 1.25( 9.6x2.85 1.38 1.8 ) 1.50x2.26x2.60 1.2x1.75x(1 0.25)x51.26x0.85 1.75 x 4.5 153.499 KN 6.3.6 Bản kiểu dầm 6.3.6.1 Tính tốn mơ men dương Đối với cầu dầm phân tích nhƣ mơ hình dải liên tục kê dầm chủ Đối với mặt cầu dầm có mặt cắt hình hộp phân tích theo mơ hình dải ngàm đầu tính theo phƣơng pháp gần với đƣờng lối tính tốn mơ men dƣơng mặt cắt nhịp mơ hình giản đơn kê gối khớp Trị số mô men mặt cắt nhịp đầu ngàm xác định theo công thức: M 0.5 L k M 00.5 L với: M 00.5 L - mô men ngoại tải gây mặt cắt nhịp giản đơn k - hệ số điều chỉnh lấy 0.5 Hình 3-27 145 A/- Tĩnh tải tác dụng: Các phận kết cấu đƣợc tính cho 1m chiều rộng (phƣơng dọc cầu) Hệ số vƣợt tải tĩnh tra theo bảng 3.4.1.2 TT Loại tải trọng Kí hiệu Dạng tác động Hệ số vƣợt tải p #1 1.25 1.50 #1 0.9 0.65 01 Trọng lƣợng thân DC1 Phân bố 04 Lớp phủ mặt cầu DW Phân bố B/- Hoạt tải tác dụng Dải chịu lực theo phƣơng ngang cầu, chiều rộng dải tƣơng đƣơng theo phƣơng dọc cầu tính theo bảng 4.6.2.1.3-1: Đối với vị trí có mô men dƣơng: E+ = 660+0.55.s (mm) Tác dụng bánh xe tải thiết kế: Theo mơ hình tính tốn theo sơ đồ phẳng, tác dụng tải trọng bánh xe qui băng tải dài (b h f ) theo phƣơng ngang cầu có cƣờng độ phân bố cho m chiều rộng bản: LL Ptr b h f E với E # 1000 mm Tác dụng bánh xe hai trục: tuỳ thuộc vào trị số chiều rộng dải tƣơng đƣơng E: + Nếu E < 1.2 m có bánh xe xe trục đặt phạm vi chiều rộng dải tƣơng đƣơng nên cƣờng độ tải trọng băng bánh xe gây bằng: LL Pta b h f E với E # 1000 mm + Nếu E # 1.2 m có bánh xe xe trục đặt phạm vi chiều rộng dải tƣơng đƣơng nên cƣờng độ tải trọng băng bánh xe gây bằng: LL Pta b h f E Hình 3-28: Xếp bánh xe mặt 146 So sánh chọn giá trị lớn áp lực bánh xe trƣờng hợp để đƣa vào tính tốn thiết kế Tác dụng tải trọng làn: Điều 3.6.1.3.3 qui định: + Khi dải ngang (chịu lực chủ yếu theo phƣơng ngang cầu) có chiều dài nhịp tính tốn khơng vƣợt 4600 mm - dải ngang phải đƣợc thiết kế theo bánh xe trục nặng xe tải 145 KN + Khi dải ngang có chiều dài nhịp tính tốn vƣợt q 4600 mm dải ngang phải đƣợc thiết kế theo bánh xe trục nặng xe tải 145 KN tải trọng + Khi dải dọc - dải ngang phải đƣợc thiết kế với tất tải trọng qui định điều 3.6.1.2 bao gồm tải trọng Vị trí tác động bánh xe lên bản: tim bánh xe cách mép đá vỉa 300 mm cách mép 600 mm (3.6.1.3.1) Cần xê dịch vị trí trục xe theo phƣơng ngang cầu để tìm vị trí gây nội lực bất lợi nhƣng đƣợc phép xê dịch phạm vi Trên hình 3-29 thể cách xếp tải theo phƣơng ngang cầu để tính tốn mơ men dƣơng mặt cắt nhịp có chiều dài nhịp lớn 4600 mm Việc xếp vị trí xe bất lợi theo phƣơng ngang cầu đƣợc phân tích tƣơng tự nhƣ mục 1.2.3.1 chƣơng I: + Điều 3.6.1.2.2 qui định xe tải thiết kế có ghi rõ chiều rộng xe thiết kế 3500 mm + Điều 3.6.1.1.1 dẫn cách xác định số xe thiết kế W/ 3500mm với W chiều rộng cầu Đồng thời dẫn hai điểm đáng ý ý sau: - Chiều rộng xe thiết kế nhỏ 3500 mm - Cầu có chiều rộng từ 6000 dến 7000 mm phải thiết kế với xe, nửa cầu Nhƣ có trƣờng hợp bố trí số xe theo phƣơng ngang cầu nhƣ sau: * Chiều rộng cầu W< 6000 mm : có xe, chiều rộng chuẩn xe thiết kế 3500 mm Tuy nhiên vị trí xe mặt cắt ngang xê dich cho tạo ứng lực lớn * Chiều rộng cầu 6000 mm # W < 7000 mm cầu có xe chiều rộng W/2 * Chiều rộng 7000 mm # W < 10 500 mm cầu có xe chiều rộng 3500 mm tính từ tim hai bên, phần dƣ chiều rộng cầu không đặt tải trọng xe Nhƣ với trƣờng hợp vị trí xe đƣợc xê dịch để tạo nội lực cực đại phạm vi xe 147 Cấu tạo ngàm đầu Sơ đồ tính mơ men mặt cắt nhịp dầm giản đơn Sơ đồ tính tốn lực cắt gối Hình 3-29 Cơng thức tính tốn mơ men dương mặt cắt nhịp kiểu dầm: Mô men mặt cắt nhịp dầm giản đơn: M M M M 0 p1DC1 M D p DW D m n ( LL IM ) P m p LLl L đó: p1 - hệ số tải trọng tĩnh tải thân kết cấu p1 =1.25 p - hệ số tải trọng tĩnh tải thân kết cấu p =1.5 n - hệ số tải trọng hoạt tải n =1.75 m - hệ số chất tải MD - diện tích phần đƣờng ảnh hƣởng mơ men dƣới tác dụng tĩnh tải MP - diện tích phần đƣờng ảnh hƣởng mô men dƣới tác dụng bánh xe tải thiết kế ML - diện tích phần đƣờng ảnh hƣởng mô men dƣới tác dụng tải trọng thiết kế LLl - cƣờng độ tải trọng theo phƣơng ngang cầu (9.3/3) KN /m Các tham số khác trình bày phần Mô men mặt cắt nhịp xét tới hiệu ứng ngàm đầu bản: M L/ 0.5M 0 6.3.6.2 Tính tốn mơ men âm 148 Trình tự tính tốn hồn tồn tƣơng tự nhƣ tính tốn mơ men dƣơng nhƣng thay trị số chiều rộng dải tƣơng đƣơng E tính theo cơng thức: E - = 1220 + 0,25.s (mm) Sau tính đƣợc mơ men mặt cắt nhịp mơ hình dầm giản đơn gối khớp M 0 , mô men âm gối đƣợc suy nhờ xét tới hệ số điều chỉnh tính chất ngàm bản: M gèi 0.8 M 0 6.3.6.3 Lực cắt ngàm Lực cắt đƣợc xác định theo nguyên lý học thông thƣờng Điểm cần lƣu ý đặt tải theo phƣơng ngang cầu để tạo hiệu ứng bất lợi cần thoả mãn qui định vị trí tải trọng tới mép đá vỉa mép xe thiết kế Cơng thức tính toán lực cắt: Q p1 DC1 QD p DW QD m n ( LL IM ) QP m p LLl QL đó: p1 - hệ số tải trọng tĩnh tải thân kết cấu p1 =1.25 p - hệ số tải trọng tĩnh tải thân kết cấu p =1.5 n - hệ số tải trọng hoạt tải n =1.75 m - hệ số chất tải QD - diện tích phần đƣờng ảnh hƣởng lực cắt dƣới tác dụng tĩnh tải QP - diện tích phần đƣờng ảnh hƣởng lực cắt dƣới tác dụng bánh xe tải thiết kế QL - diện tích phần đƣờng ảnh hƣởng lực cắt dƣới tác dụng tải trọng thiết kế LLl - cƣờng độ tải trọng theo phƣơng ngang cầu (9,3/3) KN/m Các tham số khác trình bày phần 6.3.6.4 Tính tốn mặt cầu đầu nhịp Các mặt cầu đầu nhịp khơng có nâng đỡ dầm ngang nên phạm vi ảnh hƣởng tải trọng bánh xe bị thu hẹp dẫn đến chiều rộng dải tƣơng đƣơng giảm Chiều rộng dải tƣơng đƣơng lấy theo dẫn mục 4.6.2.1.4c mô tả hình 3-30 tính theo cơng thức: Hình 3-30 : Bản đầu nhịp Eb a E / 6.3.6.5 Tính tốn mặt cầu có chiều dài làm việc theo phương dọc cầu 149 Căn tính tốn đƣợc qui định điều 6.2.1.2: Đối với cầu bê tơng cốt thép có nhịp lớn 4600 mm có hƣớng nhịp tính toán song song với hƣớng xe chạy, phải áp dụng điều 4.6.2.3 Chiều rộng dải tƣơng đƣơng tính toán nhƣ sau: + Khi xếp tải xe: E 250 0.42 L1W1 (4.6.2.3-1) + Khi xếp tải nhiều xe: E 2100 0.12 L1W1 W Nt (4.6.2.3-2) đó: W - chiều rộng cầu ( mép tới mép) Nt - số xe thiết kế L1 - chiều dài nhịp qui ƣớc, lấy trị số nhỏ chiều dài nhịp tính tốn 18000 mm W1 - chiều rộng qui ƣớc cầu, lấy trị số nhỏ chiều rộng thực tế cầu (W) 9000 mm Đối với dải biên (khi cầu khơng có lề ngƣời hay có lề ngƣời nhƣng khơng có gờ chắn bánh xe phía trong), chiều rộng dải tƣơng đƣơng xét nhƣ dẫn điều 4.6.2.1.4b Eb chiỊu réng gê ch¾n 300 E/2 1800 mm 6.3.7 Bản mặt cầu đường sắt có máng ba lát Sơ đồ tính tốn đƣợc lấy tuỳ theo cấu tạo thực tế kết cấu nhịp cầu đƣờng sắt thép ghép từ khối dầm chữ T nhƣ hình 5-7 sơ đồ tính tốn dầm cơng xon, mặt cắt tính tốn đƣợc chọn mặt cắt ngang nhƣ vẽ hình 5-7 Đối với loại có mối nối nhịp nhƣ hình 5-8a sơ đồ tính tốn dầm ngàm đàn hồi hai đầu, nhịp tính tốn lấy khoảng trống sƣờn dầm Đối với cầu đúc bê tông chỗ dùng sơ đồ tính tốn nhƣ Tải trọng tác dụng gồm có: trọng lƣợng ba lát tà vẹt, ray, phụ kiện giữ ray, trọng lƣợng lớp cách nƣớc, trọng lƣợng vỉa hè, lan can Tải trọng tiêu chuẩn trọng lƣợng mặt cầu ba lát lấy bằng: Pba lát = hb b (5-17) Trong đó: hb - Chiều dày lớp ba lát, kể từ đáy ray đến mặt BTCT, lấy tuỳ cấp đƣờng sắt (ví dụ hb = 45cm) b = T/m3 - Trọng lƣợng riêng ba lát đƣờng Trọng lƣợng lan can thép bên lấy 0,07 T/m Trọng lƣợng vỉa hè pv trọng lƣợng BTCT máng ba lát lấy theo cấu tạo thực tế 150 Hoạt tải thẳng đứng tiêu chuẩn đoàn tàu tác dụng lên tính trực tiếp từ áp lực bánh xe nặng đầu máy truyền lên tà vẹt từ đáy tà vẹt truyền lên mặt diện tích bề mặt BTCT Gọi q lực rải hoạt tải tác dụng hẫng có chiều rộng mét (đo dọc cầu) Trị số q đƣợc tính tốn cụ thể tuỳ theo khổ đƣờng sắt 1435 hay khổ đƣờng sắt 1000 cấp tải trọng đồn tàu T-Z (ví dụ, đồn tàu T-13 với khổ đƣờng 1000mm) Trên hình 5-8 sơ đồ tính tốn máng ba lát có nối đúc bê tông liền khối chỗ Đó thƣờng sơ đồ kiểu dầm Các tính toán nội lực hẫng kiểu dầm với sơ đồ hình 57 5-8 tƣơng tự cách tính nội lực loại cầu ơtơ 6.4 Tính nội lực dầm dọc dầm ngang 6.4.1 Nội lực dầm dọc phụ Ngày hầu nhƣ cầu bê tông lắp ghép đúc bê tông chỗ mà không cấu tạo dầm dọc phụ hệ mặt cầu nhằm mục đích đơn giản để thi cơng Trong số cầu cũ với sƣờn dầm chủ cách - 5m đƣợc thi công đúc bê tông chỗ có cấu tạo dầm dọc phụ để giảm chiều dài nhịp mặt cầu xuống - 2,5m Sơ đồ xác định nội lực dầm dọc phụ nhƣ hình 5-9 Hình 5-8 Mặt cắt ngang sơ đồ tính tốn máng ba lát có nối đúc bê tông liền khối 6.4.2 Nội lực dầm ngang Trong kết cấu nhịp lắp ghép có dầm ngang, mối nối đƣợc thực dầm ngang, toàn kết cấu nhịp hệ mạng dầm phức tạp Ngày phƣơng pháp tính tốn khơng gian hệ kết cấu nhịp đƣợc hồn thiện có sẵn chƣơng trình để tính máy tính Tuy nhiên thiết kế sơ nhƣ điều kiện thông thƣờng áp dụng phƣơng pháp tính tốn gần 6.4.2.1 Giả thuyết tính tốn 151 - Dầm ngang chịu lực phức tạp Mối nối dầm dọc dầm ngang có tính ngàm chặt, tính chất phụ thuộc vào độ cứng chống xoắn dầm dọc Dầm ngang làm việc nhƣ dầm hai đầu ngàm chịu uốn dƣới tác dụng lực thẳng đứng - Để tính dầm ngang ta xác định lực từ mặt cầu truyền xuống - Khẩu độ tính toán dầm ngang khoảng cách tim hai dầm dọc 6.4.2.2 Tải trọng tác dụng lên dầm ngang A/-Xác định phản lực từ mặt cầu truyền xuống dầm ngang a Tĩnh tải lớp phủ mặt cầu: Để thiên an toàn ta giả thiết dầm ngang chịu tĩnh tải mặt cầu lớp phủ mặt cầu khoang dầm ngang (khoảng cách hai dầm ngang L1 = 4,5 m) DCbản = 2,4.0,3.4,5 = 3,24 T/m Lớp phủ lấy trung bình = 10 cm có = 2,3 T/m3 => DW=2,3.0,1.4,5 =1,035T/m Tĩnh tải thân dầm ngang: DCd = Ad. = 1.0,3.2,4 =0,72T/m b.Phản lực truyền xuống dầm ngang hoạt tải: Vẽ đƣờng ảnh hƣởng phản lực truyền xuống dầm ngang: + Phản lực tải trọng làn: Rlàn = 9,3/9,81. =9,3/9,81.4,5 = 4,266T + Phản lực dãy bánh xe tải thiết kế : RK 145.( ,04 ) 35.0 ,04 ,757T 2.9 ,81 + Phản lực dãy bánh xe trục thiết kế : Rm 110.( ,73 ) ,7T 2.9 ,81 B/- Xác định nội lực dầm ngang Dầm ngang đƣợc coi nhƣ dầm hai đầu ngàm, vẽ đƣờng ảnh hƣởng nội lực dầm ta xác định mô men lực cắt dầm a Đối với mặt cắt nhịp 152 + Diện tích đƣờng ảnh hƣởng : = 2,475 + Mô men tĩnh tải: - Lớp phủ: MDW = 1,035.2,475 = 2,562 T.m - Bản mặt cầu : MDCb = 3,24.2,475 = 8,019 T.m - Dầm ngang : MDCd = 0,72.2,475 = 1,782 T.m + Mô men hoạt tải: - Xe tải : tung độ đƣờng ảnh hƣởng dƣới bánh xe: y1 = 0,13 ; y2 = 0,69 ; y3 = 0,69 ; y4 = 0,13 Mk = Rk.yi = 7,757.(0,13+0,69).2 = 12,72T.m - Xe trục : tung độ đƣờng ảnh hƣởng dƣới bánh xe: y1 = 0,13 ; y2 = 0,69 ; y3 = 0,69 ; y4 = 0,13 Mm = 9,7.2.(0,13+0,69) = 15,9 T.m - Tải trọng : tung độ đƣờng ảnh hƣởng dƣới mép làn: y1 = 0,03 ; y2 = 0,77 ; y3 = 0,94 ; y4 = 0,06 => M L R1 yi ,266 ,03 ,77 ,94 ,06 ,839T m Tổ hợp mô men mặt cắt nhịp theo trạng thái giới hạn cƣờng độ I: Mgữa= 1,75.(LL+IM)+1,5DW+1,25DC Mgữa= 87,12T.m b.Đối với mặt cắt ngàm: - Tính mơ men: 153 T¶i träng xe R R R R 0,94 1,107 Tải trọng Đ-ờng ảnh h-ởng mô men mặt cắt ngàm + Din tớch ng nh hng : = 4,5562m2 + Mô men tĩnh tải: - Lớp phủ: MDW = 1,035.4,5562 = 4,72 T.m - Bản mặt cầu : MDCb = 3,24.4,5562 = 14,76 T.m - Dầm ngang : MDCd = 0,72.4,5562 = 3,28 T.m + Mô men hoạt tải: - Xe tải : tung độ đƣờng ảnh hƣởng dƣới bánh xe: y1 = 0,88 ; y2 = 1,02 ; y3 = 0,76 ; y4 = 0,21 Mk = Rk.yi = 7,757.(0,88+1,02+,076+0,21) = 22,26T.m - Xe trục : tung độ đƣờng ảnh hƣởng dƣới bánh xe: y1 = 0,88 ; y2 = 1,02 ; y3 = 0,76 ; y4 = 0,21 Mm = 9,7.(0,88+1,02+,076+0,21) = 27,84 T.m - Tải trọng : tung độ đƣờng ảnh hƣởng dƣới mép làn: y1 = 0,24 ; y2 = 0,99 ; y3 = 0,76 ; y4 = 0,21 => M L R1 yi ,266 ,24 ,99 ,76 ,21 ,69T m , Tổ hợp mô men mặt cắt nhịp theo trạng thái giới hạn cƣờng độ I: Mngàm= 1,75.(LL+IM)+1,5DW+1,25DC Mngàm= 149,5 T.m - Tính lực cắt: 154 ... thép 138 Hình 3 -23 : Các sơ đồ tính tốn mặt cầu 6.3 .2 Các yêu cầu cấu tạo mặt cầu: + Chiều dày tối thiểu mặt cầu: Điều 5.13.1 22 TCN 27 2-05 dẫn yêu cầu cầu mặt cầu phần 22 TCN 27 2-05 Ngồi cịn phải... 2. 85 2. 60 0.907 1 .25 ( 9.6x 1.38 x 2. 725 1.8 x 0.975) 1.50x2 .26 x 2 1.2x1.75x(1 0 .25 )x51 .26 x 0.85 1.75 x 4.5x1.85 115.883KNm Lực cắt ngàm: Q p1 DC1 L1 p1 DC2... 1 52 + Diện tích đƣờng ảnh hƣởng : = 2, 475 + Mô men tĩnh tải: - Lớp phủ: MDW = 1,035 .2, 475 = 2, 5 62 T.m - Bản mặt cầu : MDCb = 3 ,24 .2, 475 = 8,019 T.m - Dầm ngang : MDCd = 0, 72. 2,475 = 1,7 82 T.m