thuyết minh cầu bê tông cốt thép

BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 THIẾT KẾ MÔN HỌC Cầu bê tông cốt thép F1  1. Số liệu thiết kế * Các số liệu cho trước: - Chiều dài toàn dầm L=20m ⇒ Chiều dài nhịp tính toán Ltt =20-2.0,4=19,2 m - Dạng kết cấu nhịp cầu dầm BTCT dự ứng lực - Dạng mặt cắt ngang chữ I liên hợp kéo sau - Khổ cầu: K10,5m - Tải trọng thiết kế: HL93, người 30kN/m 2 - Bó cốt thép DƯL: Bó 7T12,7 * Vật liệu sử dụng: - Bêtông dầm chủ có các chỉ tiêu sau: + f c ’ = 31 Mpa + γ c = 24 KN/m 3 + E c = 31975,35 Mpa + Hệ số poisson = 0,2 + Cường độ chịu nén của BT lúc bắt đầu đặt tải hoặc tạo ứng suất trước f ci ’ =31 Mpa + CĐ chịu kéo khi uốn của BT f r =3,984 Mpa - Bêtông bản mặt cầu có các chỉ tiêu sau: + f c ’ = 30Mpa + γ c = 24 KN/m 3 + E c = 27691,47 Mpa + Hệ số poisson = 0,2 + CĐ chịu kéo khi uốn của BT f r =3,45 Mpa - Lớp phủ có: γ c = 22,5 KN/m 3 - Cốt thép DƯL loại tao 12,7 mm có: + Mô đun đàn hồi E p = 197000 Mpa + Diện tích 1 tao = 140 mm 2 + Cường độ chịu kéo khi uốn f pu =1860 Mpa. Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 1 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 + Giới hạn chảy f py =0,9f pu =1674 Mpa -Cốt thép thường: +Mô đun đàn hồi E s =200000 Mpa. +Giới hạn chảy tối thiểu của thép thanh f y =400 Mpa. 2. Nội dung tính toán 2.1.Tính bản mặt cầu 2.2.Tính dầm chủ 2.2.1. Tính tải trọng và các hệ số 2.2.2. Tính Ml/2, Ml/4, Q gối, Ql/4 2.2.3. Bố trí cốt thép DƯL 2.2.4. Tính toán theo TTGH sử dụng 2.2.5. Tính toán theo TTGH cường độ về uốn và cắt 2.2.6. Tính toán theo TTGH mỏi 3. Bản vẽ Khổ A1: bố trí chung, mặt cắt ngang kết cấu nhịp, cốt thép thường và DƯL  Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 2 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 PHẦN 1: NỘI DUNG THUYẾT MINH I.TÍNH BẢN MẶT CẦU 1. Chọn tiết diện mặt cắt dầm chủ 1.1. Bố trí chung mặt cắt ngang cầu Tổng chiều dài toàn dầm là 22 m, để hai đầu dầm mỗi bên 0,4 mét để kê gối. Như vậy chiều dài nhịp tính toán của nhịp cầu là 21,2 mét. Cầu gồm 5 dầm có mặt cắt chữ I chế tạo bằng bêtông có f c ’=40MPa, bản mặt cầu có chiều dày 20cm, được đổ tại chỗ bằng bêtông f c ’=30MPa, tạo thành mặt cắt liên hợp. Trong quá trình thi công, kết hợp với thay đổi chiều cao đá kê gối để tạo dốc ngang thoát nước. Lớp phủ mặt cầu gồm có 3 lớp: lớp phòng nước có chiều dày 0,5cm, lớp bêtông Asphalt trên cùng có chiều dày 7cm. Lớp phủ được tạo độ dốc ngang bằng cách kê cao các gối cầu. Khoảng cách giữa các dầm chủ S=2400 mm 1.2. Chọn mặt cắt ngang dầm chủ. Dầm chủ có tiết diện hình chữ I với các kích thước sau: -Chiều cao toàn dầm: 1600mm -Chiều dày sườn dầm: 200mm -Chiều rộng bầu dầm: 600mm -Chiều cao bầu dầm: 250mm -Chiều cao vút của bụng bầu dầm: 200mm -Chiều rộng cánh dầm: 800mm Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 3 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 Phần gờ dỡ bản bêtông đổ trước: 100mm (mỗi bên) Các kích thước khác như hình vẽ: 2. Chiều cao kết cấu nhịp tối thiểu (A2.5.2.6.3-1) Yêu cầu: h min =0,045.L Trong đó : L: Chiều dài nhịp tính toán L=19200mm h min : chiều cao tối thiểu của kết cấu nhịp kể cả bản mặt cầu, h min =1600+200=1800mm ⇒ h min =0,045.L=0,045.21200=954mm < h = 1600mm => Thỏa mãn 3. Xác định chiều rộng bản cánh hữu hiệu (A.4.6.2.6) 3.1. Đối với dầm giữa Bề rộng bản cánh hữu hiệu có thể lấy giá trị nhỏ nhất của: + 1/4 chiều dài nhịp(= 5300 4 21200 = mm) + 12 lần độ dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất của bề dày bản bụng dầm hoặc 1/2 bề rộng bản cánh trên của dầm Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 4 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 =12.200+max    2/800 200 = 2800 + Khoảng cách trung bình giữa các dầm kề nhau (S= 2400) ⇒ Bề rộng cánh hữu hiệu của dầm giữa là: b i = 2400 mm 3.2. Đối với dầm biên Bề rộng cánh dầm hữu hiệu có thể được lấy bằng 1/2 bề rộng hữu hiệu của dầm kề trong(=2400/2=1200) cộng trị số nhỏ nhất của + 1/8 chiều dài nhịp hữu hiệu(= 2650 8 21200 = mm ) + 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn hơn giữa 1/2 độ dày bản bụng hoặc 1/4 bề rộng bản cánh trên của dầm chính =6.200+max    4/800 2/200 =1400 + Bề rộng phần hẫng( =950) Khống chế ⇒ Bề rộng cánh hữu hiệu của dầm biên là: b e = 2000 mm ⇒ Kết luận: Bề rộng bản cánh dầm hữu hiệu Dầm giữa (b i ) 2100 mm Dầm biên (b e ) 2000 mm Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 5 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 4. Tính toán bản mặt cầu 4.1. Phương pháp tính toán nội lực bản mặt cầu Áp dụng phương pháp tính toán gần đúng theo Điều 4.6.2(AASHTO98). Mặt cầu có thể phân tích như một dầm liên tục trên các gối đàn hồi là các dầm chủ. 4.2. Chiều dày bản Chiều dày tối thiểu của bản BTCT theo AASHTO là 175mm (A 9.7.1.1). Chiều dày tối thiểu theo điều kiện chịu lực phụ thuộc vào nhịp bản S (Bảng A 2.5.2.6.3-1) Đối với bản đúc tại chỗ, liên tục: min 3000 2100 3000 30 30 S h + + = = =170 mm < 175 mm Chọn h S = 185 mm làm chiều dày bản chịu lực của, cộng thêm 15 mm hao mòn, trọng lượng bản khi tính bản mặt cầu là: h = 200 mm 4.3. Tính trọng lượng các bộ phận Tỷ trọng của các cấu kiện lấy theo Bảng (A.3.5.1.1) Tĩnh tải tác dụng lên bản mặt cầu gồm các tĩnh tải rải đều do TTBT của bản mặt cầu, TTBT của lớp phủ, lực tập trung do lan can tác dụng lên phần hẫng. Đối với tĩnh tải, ta tính cho 1 m dải bản ngang -Bản mặt cầu dày 200mm : g DC1 =2400 (kg/m 3 ).9,81.10 -3 (kN/kg).200.10 -3 (m) = 4,71 kN/m Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 6 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 -Lớp phủ dày 75mm : g DW =2250.9,81.10 -3 .75.10 -3 =1,66 kN/m -Lan can : Thực chất lực tập trung quy đổi của lan can không đặt ở mép bản mặt cầu nhưng để đơn giản tính toán và thiên về an toàn ta coi đặt ở mép. g DC2 = 4,564 kN/mm 4.4. Xác định nội lực do tĩnh tải Theo Điều (A.4.6.2.1) : Khi áp dụng theo phương pháp giải phải lấy mô men dương cực trị để đặt tải cho tất cả các vùng có mô men dương, tương tự đối với mô men âm do đó ta chỉ cần xác định nội lực lớn nhất của sơ đồ. Trong dầm liên tục nội lực lớn nhất tại gối và giữa nhịp. Do sơ đồ tính là dầm liên tục 3 nhịp đối xứng, vị trí tính toán nội lực là: 1, 2, 3, 4, 5 như hình vẽ. Theo Điều (A.4.6.2.1.6): “Các dải phải được coi như các dầm liên tục hoặc dầm giản đơn. chiều dài nhịp phải được lấy bằng khoảng cách tâm đến tâm giữa các cấu kiện đỡ. Nhằm xác định hiệu ứng lực trong các dải , các cấu kiện đỡ phải được giả thiết là cứng vô hạn” . Các tải trọng bánh xe có thể được mô hình hoá như tải trọng tập trung hoặc như tải trọng vệt mà chiều dài dọc theo nhịp sẽ là chiều dài của diện tích tiếp xúc được chỉ trong điều (A.3.6.1.2.5) cộng với chiều cao của bản mặt cầu, ở đồ án này coi các tải trọng bánh xe như tải trọng tập trung. Để tính nội lực cho các mặt cắt 1, 2, 3, 4, 5 ta vẽ đường ảnh hưởng của các mặt cắt rồi xếp tải lên đương ảnh hưởng. Do sơ đồ tính toán bản mặt cầu là hệ siêu tĩnh bậc cao nên ta sẽ dùng chương trình Midas-Civil để vẽ đah và từ đó tính toán nội lực tác dụng lên bản mặt cầu. * Công thức xác định nội lực tính toán: M U =η (γ P .M DC1 + γ P M DC2 +γ P M DW ) η : Hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư, và sự quan trọng trong khai thác xác định theo Điều 1.3.2 η = η i η D η R ≥ 0,95 Hệ số liên quan đến tính dẻo η D = 0,95 (theo Điều 1.3.3) Hệ số liên quan đến tính dư η R = 0,95 (theo Điều 1.3.4) Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác η i = 1,05 (theo Điều 1.3.5) => η = 1,05.0,95.0,95 = 0,95 γ p : Hệ số tải trọng (Bảng A.3.4.1-2) Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 7 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 Loại tải trọng TTGH Cường độ I TTGH sử dụng max min DC: Cấu kiện và liên kết 1,25 0,9 1 DW: Lớp phủ mặt cầu và thiết bị 1,5 0,65 1 4.4.1. Nội lực tại mặt cắt 1 Mômen tại mặt cắt 1 là mômen phần hẫng. Sơ đồ tính dạng công xon chịu uốn M a = ]10.800 10.2 )500800.( 10.2 800.800. .[. 3 )(2 6 2 ¦ 6 )(1 − + − + lcncanDCp WD p bmcDC p g g g γγγη Trong THGH C§1 M a = ]10.25,1.950.148,4 10.2 5,1.450.450.665,1 10.2 25,1.950.950.8,4 .[95,0 3 66 − ++ =7,492 kNm Trong THGH SD M a = ]10.1.950.148,4 10.2 1.450.450.665,1 10.2 1.950.950.8,4 .[95,0 3 66 − ++ =9,54 kNm 4.4.2. Nội lực tại mặt cắt 2 Dùng chương trình Midas-Civil ta vẽ được đah mômen tại mặt cắt 2 -0.064 -0.077 -0.064 -0.049 -0.032 -0.015 -0.032 0.000 0.017 0.013 0.019 0.019 0.018 0.019 0.018 0.016 0.013 0.010 0.013 0.007 0.003 0.007 0.000 -0.003 -0.004 -0.004 -0.004 -0.004 -0.004 -0.004 -0.004 -0.003 -0.003 -0.003 -0.002 -0.002 0.000 -0.001 -0.189 -0.378 0.000 0.000 0.153 0.076 0.000 -0.038 -0.064 0.008 0.000 0.013 -0.002 0.000 -0.003 0.000 0.004 0.002 0.153 0.232 0.314 0.400 0.314 0.491 0.388 0.491 0.293 0.293 0.126 0.205 0.126 0.058 0.000 -0.081 -0.064 -0.090 -0.091 -0.090 -0.087 -0.087 Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 8 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 Để tạo ra ứng lực lớn nhất tĩnh tải, trên phần đah dương ta xếp tĩnh tải với hệ số lớn hơn 1, trên phần đah âm ta xếp tĩnh tải với hệ số nhỏ hơn 1.Cụ thể xếp như sau: Tính nội lực theo công thức: M U =η (γ P .M DC1 + γ P M DC2 +γ P M DW ) Trên phần đah dương: Với bản mặt cầu lấy hệ số γ p = 1,25 trong THGH CĐ1, bằng 1 trong TTGH SD Với lớp phủ lấy hệ số γ p = 1,5 trong THGH CĐ1, bằng 1 trong TTGH SD Trên phần đah âm: Với bản mặt cầu lấy hệ số γ p = 0,9 trong THGH CĐ1, bằng 1 trong TTGH SD Với lớp phủ lấy hệ sô γ p = 0,65 trong THGH CĐ1, bằng 1 trong TTGH SD Bảng tính giá trị mômen các thành phần Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 9 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 Phần đah Giá trị Giá trị mômen M i Bản mặt cầu Lớp phủ Lan can Dương 0,4513 2,1256 0,7514 Âm 0,2586 -1,218 -0,4306 Tung độ -0,378 -1,5567 0.004 0,3104 Mômen tại mặt cắt 2: Trong TTGH cường độ I: M 2 =0,95.[1,25.(2,1256+0,3104+0,004)+1,5.0,7514 +0,9.(-1,218-1,5567-0,004)+0,65.(-0,378)] = 1,359 kN.m Trong TTGH sử dụng: M 2 =0,95.[1.( 2,1256+0,3104+0,004+0,7514 -1,218-1,5567-0,004-0,378)] = -0,033 kN.m 4.4.3. Nội lực tại mặt cắt 3 Tương tự cách như trên ta có: 0.097 0.194 0.000 0.000 -0.094 -0.048 0.000 -0.075 -0.129 0.015 0.000 0.026 -0.003 0.000 -0.006 0.000 0.008 0.004 -0.094 -0.136 -0.172 -0.200 -0.172 -0.218 -0.223 -0.218 -0.215 -0.215 -0.148 -0.190 -0.148 -0.085 0.000 -0.163 -0.129 -0.180 -0.183 -0.180 -0.173 -0.173 -0.128 -0.154 -0.128 -0.097 -0.064 -0.031 -0.064 0.000 0.033 0.026 0.037 0.037 0.036 0.038 0.036 0.032 0.027 0.020 0.027 0.013 0.006 0.013 0.000 -0.006 -0.009 -0.008 -0.009 -0.009 -0.009 -0.008 -0.009 -0.007 -0.005 -0.007 -0.004 -0.004 0.000 -0.002 Phần đah Giá trị Giá trị mômen M i Bản mặt cầu Lớp phủ Lan can Dương 0,0993 0,4677 0,1653 Âm 0,483 -2,2749 -0,8042 Tung độ 0,194 0,5386 0,008 0,0137 Mômen tại mặt cắt 3: Trong TTGH cường độ I: M 3 =0,95.[1,25.(0,4677+0,5386+0,0137)+1,5.0,1653 +0,9.(-2,2749-0,0494-0,0011)+0,65.(-0,8042)] Nguyễn Sinh Lập Lớp Cầu đường bộ A - K43 10 [...]... Vì không có cốt thép ứng suất trước ,b=bW và coi As’ = 0 a  ⇒ M n = As f y  d s − ÷ 2  Trong đó: AS = Diện tích cốt thép chịu kéo không ứng suất trước (mm2) fy = Giới hạn chảy qui định của cốt thép (Mpa) dS = Khoảng cách tải trọng từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu kéo không ứng suất trước (mm) A'S = Diện tích cốt thép chịu nén (mm2) f'y Giới hạn chảy qui định của cốt thép chịu nén... cường độ I cốt thép phải bố trí sao cho mặt cắt đủ khả năng chịu lực 4.8.1 Bố trí cốt thép chịu mômen âm của bản mặt cầu( cho 1m dài bản mặt cầu) và kiểm toán theo THGH cường độ I - Không xét đến cốt thép chịu nén (sẽ bố trí cho mômen dương của bản mặt cầu) - Mômen tính toán cho mômen âm của bản mặt cầu Mu= 43,103 kNm (Bảng trên) - Ta chọn trước số thanh rồi kiểm toán cường độ - Bố trí 5 thanh cốt thép φ... hàm lượng thép tối thiểu Cự ly tối đa giữa các thanh cốt thép Theo Điều (A.5.10.3.2) trong bản cự ly giữa các cốt thép không được vượt quá 1,5 chiều dày cấu kiện hoặc 450mm Smax ≤ 1,5.200=250 (mm) ⇒ Chọn bước cốt thép S=225 mm 4.8.3 Bố trí cốt thép chịu mômen âm của phần hẫng của bản mặt cầu( cho 1 m dài bmc) và kiểm toán theo TTGH CD I Để thận tiên cho thi công: Bố trí 2 mặt phẳng lưới cốt thép cho... (A.5.10.3.2) trong bản cự ly giữa các cốt thép không được vượt quá 1,5 chiều dày cấu kiện hoặc 450mm Smax ≤ 1,5.200=250 (mm) ⇒ Chọn bước cốt thép S=225 mm 4.8.2 Bố trí cốt thép chịu mômen dương của bản mặt cầu( cho 1 mét dài bmc) và kiểm toán theo THGH CD I - Không xét đến cốt thép chịu nén (sẽ bố trí cho mômen âm của bản mặt cầu) - Mômen tính toán cho mômen dương của bản mặt cầu Mu= 43,103 kNm (Bảng trên)... bản mặt cầu là: Mômen TTGH cường độ I TTGH sử dụng Dương 42,1656 23,323 Âm -43,103 -25,623 Hẫng -8,87 -6,051 4.7 Vật liệu thiết kế cho bản mặt cầu -Bê tông bản mặt cầu f’c = 30 Mpa: Cường độ nén quy định ở tuổi ở tuổi 28 ngày 1,5 Ec = 0, 043.γ c f c' (A5.4.2.4-1) => Ec =27691,47 Mpa -Cốt thép fy= 420 Mpa: Giới hạn chảy tối thiểu quy định của thanh cốt thép Es= 200000 MPa 4.8 Tính toán cốt thép chịu... thép cho bản mặt cầu nên cốt thép âm cho phần hẫng được bố trí giống cốt thép âm(5 thanh φ16) Chỉ tiến hành kiểm toán + Mômen tính toán cho mômen âm của bản mặt cầu Mu=8,87 kNm(Xem bảng trên) Do mômen tính toán Mu < Mômen tính toán của mômen âm của bản mặt cầu nên chắc chắn các kiểm toán trong kiểm toán về cường dộ thoả mãn 4.8.4 Bố trí cốt thép co ngót và nhiệt độ Theo Điều A.5.10.8 cốt thép cho các ứng... được đặt gần bề mặt bê tông lộ ra trước các thay đổi nhiệt độ hàng ngày Đối với các cấu kiện mỏng hơn 1200mm diện tích cốt thép mỗi hướng không được nhỏ hơn: AS ≥ 0,75 Ag fy Ag = Tổng diện tích mặt cắt Nguyễn Sinh Lập 24 Lớp Cầu đường bộ A - K43 BỘ MÔN CẦU HẦM TKMH-CẦU BTCT - F1 Chiều dày có hiệu 200mm => Ag=200x1 = 200mm2 AS ≥ 0, 75 Ag fy = 0, 75 200 = 0,3571mm 2 / mm 420 Cốt thép do co ngót và nhiệt... (50.27200)1/ 3 do vậy lấy fsa=207,594 Mpa > fS = 8,694 Mpa ⇒ Thoả mãn Vậy bản mặt cầu thoả mãn điều kiện kiểm toán nứt ở trạng thái giới hạn sử dụng 4.8.5.3 Bố trí cốt thép theo kinh nghiệm -Phải đặt 4 lớp cốt thép đẳng hướng, fy≥ 400MPa -Cốt thép phải đặt càng gần các mặt ngoài càng tốt như các đòi hỏi về lớp bảo vệ cho phép Cốt thép phải được đặt trong mỗi mặt của bản với lớp ngoài cùng đặt theo phương... dầm để ƯS thớ dưới của b tông đạt đến ƯS suất keó: M cr y I 106=ff-f=3,451-3,239=0,212 MPa Nguyễn Sinh Lập 21 Lớp Cầu đường bộ A - K43 BỘ MÔN CẦU HẦM Mcr= TKMH-CẦU BTCT - F1 0, 212.672503203,3 10−6 =1,502 kNm 94,947 Vậy min ( 1.2Mcr, 1.33Mu)=min(1,802 ; 30,508)= 1,802 kNm => Mr > 1,802 ⇒ Thoả mãn Vậy mặt cắt thoả mãn về hàm lượng thép tối thiểu Cự ly tối đa giữa các thanh cốt thép Theo Điều (A.5.10.3.2)... tra lượng cốt thép tối đa (A.5.7.3.3.1) Nguyễn Sinh Lập 20 Lớp Cầu đường bộ A - K43 BỘ MÔN CẦU HẦM Phải thoả mãn điều kiện TKMH-CẦU BTCT - F1 c ≤ 0.42 de de = dP =132mm (Do coi Aps = 0 (A.5.7.3.3.1-2)) c: khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hòa, c= 10,035 mm c 10, 035 = = 0,0760 < 0,42 => Thoả mãn de 132 Vậy mặt cắt giữa nhịp thoả mãn về hàm lượng thép tối đa! *Lượng cốt thép tối thiểu .       −−+       −−       −+       −= 22 )(85.0 2 ' 22 1 ''' r rwcsy s syspspsn ha hbbf a dfA a dfA a dfaM p β Vì không có cốt thép ứng suất trước ,b=b W và coi A s ’ = 0 ⇒ 2 n s y s a M A f d   = − . 1,5 ' 0,043. . c c f γ (A5 .4.2.4-1) => E c =27691,47 Mpa -Cốt thép f y = 420 Mpa: Giới hạn chảy tối thiểu quy định c a thanh cốt thép E s = 200000 MPa 4.8. Tính toán cốt thép chịu. hợp với thay đổi chiều cao đá kê gối để tạo dốc ngang thoát nước. Lớp phủ mặt cầu gồm có 3 lớp: lớp phòng nước có chiều dày 0,5cm, lớp b tông Asphalt trên cùng có chiều dày 7cm. Lớp phủ được