Bài giảng Thiết kế cầu thép 1

ĐẠI HỌC THỦY LỢI HỌC PHẦN: THIẾT KẾ CẦU THÉP TS TRƯƠNG VIỆT HÙNG Email: truongviethung@tlu.edu.vn Hà Nội, 2021 THIẾT KẾ CẦU THÉP • Các mơn học liên quan: – Sức bền vật liệu – Cơ học kết cấu – Vật liệu xây dựng – Địa chất công trình – Cơ học đất – Trắc địa – Nền móng – Thủy văn – Kết cấu BTCT – Kết cấu thép – Mố trụ cầu – Cầu BTCT • Các môn học chuyên ngành cầu: – Mố trụ cầu – Thiết kế cầu BTCT – Đồ án cầu BTCT – Thiết kế cầu thép – Đồ án cầu thép – Thiết kế thi công hầm – Tin học ứng dụng cầu – Chuyên đề cầu – Xây dựng cầu – Cầu treo cầu dây văng – Khai thác kiểm định cầu – Thực tập cán kỹ thuật – Đồ án tốt nghiệp MỤC ĐÍCH U CẦU MƠN HỌC Môn học Cầu thép cung cấp cho sinh viên: - Các kiến thức cầu thép, bao gồm: đặc điểm phạm vi ứng dụng sơ đồ cầu thép - Vật liệu để làm cầu thép - Cấu tạo, kích thước cầu dầm thép cầu dầm thép bê tông liên hợp - Ngun tắc tính tốn thiết kế cầu dầm thép NHỊP GIẢN ĐƠN theo tiêu chuẩn thiết kế cầu Cùng với mơn học này, sinh viên phải hồn thành đồ án mơn học tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép NỘI DUNG MÔN HỌC CHƯƠNG KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP CHƯƠNG CẦU TẠO CẦU DẦM THÉP CHƯƠNG TÍNH TỐN CẦU DẦM THÉP TÀI LIỆU THAM KHẢO Cầu thép – Lê Đình Tâm, NXB Giao thơng vận tải Ví dụ tính tốn thiết kế cầu dầm thép đường ô tô – Trần Đức Nhiệm, Nguyễn Văn Vinh, Nguyễn Thạch Bích, NXB Giao thơng vận tải, HN 2010 Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272.05 - Bộ GTVT Bridge Engineering Handbook - Wai Fan Chen and Lian Duan, NXB CRC press, NewYork, 2000 Design of highway bridge - Richard M.Baker, Jay A.Pucket, NXB MC Graw Hill, 1997 Thiết kế Cầu thép – Nguyễn Xuân Toản, Nguyễn Văn Mỹ, NXB Xây Dựng TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI KHOA CƠNG TRÌNH BỘ MƠN CƠNG TRÌNH GIAO THÔNG BÀI GIẢNG THIẾT KẾ CẦU THÉP TS TRƯƠNG VIỆT HÙNG CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM CHUNG VỀ CẦU THÉP Cầu thép cầu có kết cấu chịu lực làm thép, hợp kim thép, thép liên hợp bê tơng cốt thép (BTCT) vật liệu thép đóng vai trị chủ yếu KẾT CẤU NHỊP THÉP 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP 1.1.1 Khái niệm: Kết cấu thép dùng để kết cấu chịu lực cơng trình xây dựng làm thép kim loại khác nói chung 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU THÉP 1.1.2 Ưu điểm: - Khả chịu lực cao: vật liệu thép có cường độ lớn vật liệu xây dựng - Độ tin cậy cao: Do cấu trúc thép, làm việc đàn hồi dẻo vật liệu thép gần sát với giả thiết tính toán - Trọng lượng nhẹ: Kết cấu thép loại vật liệu nhẹ so với vật liệu xây dựng thông thường khác c = γ/R (tỷ trọng / cường độ) (1/m) Ta có c ~ 3,7.10-4 1/m (cho thép); c ~ 4,5.10-4 1/m (cho gỗ) c ~ 24.10-4 1/m (cho BTCT) → Tải trọng thân kết cấu thép nhỏ 3.4.2 KIỂM TRA SƯỜN TĂNG CƯỜNG ĐỨNG TẠI GỐI b) Sức kháng dọc trục cửa sườn tăng cường đứng gối : 233 3.4.3 TÍNH MỐI NỐI DẦM a) Nối sườn dầm Dầm làm việc chịu uốn nên tại tiết diện có momen M lực cắt V Momen uốn phân cho sườn dầm tỷ lệ với momen quán tính của sườn dầm, cịn lực cắt có thể coi sườn dầm chịu toàn vậy thiên an toàn, tức là: Iw Mw  M I Vw  V Nội lực truyền cho đinh bu lông là: Do M: Mw V RV  R RM max ymax  Mw y  i n Do V: Mw Vw Trong đó: k- số lượng đinh nửa bản nối y- khoảng cách từ trục trọng tâm tiết diện dầm đến tim của đinh Vw 234 3.4.3 TÍNH MỐI NỐI DẦM a) Nối sườn dầm v  RM2 max   Rr ymax R yi Điều kiện: R  max Rr sức kháng của đinh bu lông làm việc với mặt ma sát R M,i K ri Mw R M,Max Trường hợp bản nối khá rộng, tức số hàng đinh theo phương nằm ngang nhiều thì r m ax RM max  M w rmax r i Với rmax – khoảng cách từ trung tâm khu vực bố trí đinh(trên nửa bản nối) tới đinh xa ri – khoảng cánh tới các đinh 235 3.4.3 TÍNH MỐI NỐI DẦM a) Nối sườn dầm Nếu kết cấu nhịp cầu dầm liên hợp với bản mặt cầu M w  M D1 3n n Iw I I  M D w3n  M AD wn I th I I Vw  V  V D1  V D  V AD Khi tính Rv khơng có khác trên, tính RM.max vị trí trục trọng tâm tiết diện thay đổi phụ thuộc tiết diện dầm dầm thép đơn thuần tiết diện liên hợp nhiên có thể lấy gần theo vị trí trục trọng tâm của dầm thép 236 3.4.3 TÍNH MỐI NỐI DẦM b) Nối dầm biên Lực biên dầm có thể xác định biểu thức N = FrAf Ở đây: N - sức kháng của biên dầm Fr – cường độ giới hạn cho phép đối với vật liệu biên dầm Af – diện tích tính toán của biên dầm Số đinh bu lông cần thiết để nối biên dầm n N Rr với Rr sức kháng của đinh làm việc thường với mặt ma sát  Các bản nối sườn dầm biên dầm có diện tích tiết diện, momen quán tính( lấy đối với trục dầm thép) khơng nhỏ đặc trưng hình học của phận tương ứng của dầm 237 3.4.4 TÍNH NEO LIÊN KẾT BMC VỚI DẦM THÉP 3.4.4.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG 3.4.4.2 SỨC KHÁNG MỎI CỦA CÁC NEO CHỐNG CẮT TRONG MẶT CẮT LIÊN HỢP 3.4.4.3 KIỂM TOÁN NEO THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN VỀ CƯỜNG ĐỘ 238 3.4.3.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG Bố trí neo:  Trong mặt cắt liên hợp, phải làm neo chữ U hoặc neo đinh chống cắt mặt tiếp xúc giữa bản mặt cầu mặt cắt thép để chịu lực cắt mặt tiếp xúc  Ở cấu kiện liên hợp nhịp giản đơn phải làm neo chống cắt suốt chiều dài nhịp  Ở cầu liên hợp liên tục thường nên làm neo chống cắt suốt chiều dài cầu Phải bố trí neo chống cắt vùng chịu moment âm mà cốt thép dọc được xem phần của mặt cắt liên hợp Các mặt cắt vùng chịu moment khác không cần phải bố trí neo, phải đặt neo bổ sung vùng của điểm uốn tĩnh tải 239 3.4.3.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG Kích thước neo đinh: Đối với neo đinh tỷ lệ giữa chiều cao đường kính khơng được nhỏ 4.0 H s  4d s Lớp phủ độ chôn sâu:  Chiều cao của lớp bê tông phủ đỉnh neo không được nhỏ 50 mm  Các neo chống cắt cần được chơn sâu 50 mm vào bản mặt cầu  Phần lõi của bản mặt cầu phải lớn hoặc 100 mm 240 3.4.3.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG Khoảng cách theo phương ngang:  Các neo đinh chống cắt không được đặt gần lần đường kính từ tim đến tim  Khoảng cách tĩnh giữa mép của bản biên mép của neo chống cắt gần không được nhỏ 25mm 241 3.4.3.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG Khoảng cách theo phương dọc dầm: Bước của neo chống cắt không được nhỏ hơn: p ns Z r I Vsr Q Trong đó: p : bước của neo chống cắt dọc theo trục dọc; (mm) n : số lượng neo chống cắt mặt cắt ngang I : moment quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn; (mm4) Q : moment thứ (moment tĩnh) của diện tích bản mặt cầu quy đổi đối với trục trung hoà của mặt cắt liên hợp ngắn hạn; (mm3)  beff t s Q     t   y st  n  t h  s  2  beff : chiều rộng hữu hiệu của bản; (mm) ts : chiều dày của bản mặt cầu; (mm) yst-n : khoảng cách từ mép của bản biên đến trục trung hoàn mặt cắt liên hợp ngắn hạn; (mm) th : chiều cao vút dầm; (mm) Zr : sức kháng mỏi chịu cắt của neo chống cắt riêng lẻ Vsr : phạm vi lực cắt dưới tác dụng của LL + IM xác định cho TTGH mỏi Vsr = Vpos,u+Vneg,u Vpos,u : lực cắt dương tính toán tác dụng của tải trọng mỏi; (N) 242 Vneg,u : lực cắt âm tính toán tác dụng của tải trọng mỏi; (N) 3.4.3.1 CÁC YÊU CẦU CHUNG Ngoài ra, bước từ tim đến tim của các neo chống cắt không được vượt 600mm không được nhỏ lần đường kính đinh 243 3.4.3.2 SỨC KHÁNG MỎI CỦA NEO CHỐNG CẮT TRONG MẶT CẮT LIÊN HỢP  Sức kháng mỏi của neo chống cắt riêng lẻ, Zr , được xác định sau: 38  d Z r  d    238  29.5  LogN Với Trong đó: d : đường kính của neo đinh; (mm) N : số chu kỳ quy định điều S6.6.1.2.5  Đối với neo làm thép chữ U ( có thể các loại neo cứng), Zr xác định theo điều kiện sức kháng của mối hàn neo vào đỉnh dầm làm việc chống mỏi: Zr = 0,8(ΔF)nAh Với 0,8 hệ số sức kháng (φhan); (ΔF)n – Sức kháng danh định vật liệu mối hàn; Ah – diện tích mối hàn 244 3.4.3.3 KIỂM TOÁN NEO THEO TTGH VỀ CƯỜNG ĐỘ Sức kháng cắt: Zr = φscZn Zn = sức kháng danh định φsc = hệ số sức kháng đối với các neo chống cắt = 0,85   Z n  0,5 Asc f c E  Asc Fu Đối với neo đinh Asc = diện tích mặt cắt ngang của neo đinh chịu cắt f’c = cường độ nén 28 ngày của bê tông Ec = mô đun đàn hồi của bê tông Fu = cường độ kéo nhỏ quy định của neo đinh chịu cắt Đối với neo chữ U: ' Z n  0,3  t f  0,5tw  Lc f E  , c c tf – bề dày bản cánh neo chữ U tw – bề dày sườn neo chữ U Lc – bề rộng của neo 245 3.4.3.3 KIỂM TOÁN NEO THEO TTGH VỀ CƯỜNG ĐỘ Điều kiện số lượng neo bố trí tối thiểu: Vh m Zr Vh – lực cắt nằm ngang danh định( lực trượt) giữa bản dầm thép m – số lượng neo bố trí nửa dầm giản đơn hoặc từ điểm M dương lớn đến điểm M = mối phía đối với dầm liên tục, hoặc từ điểm M =0 đến tim gối giữa của dầm 246 3.4.3.3 KIỂM TOÁN NEO THEO TTGH VỀ CƯỜNG ĐỘ Lực cắt nằm ngang danh định Vh Từ điểm M dương lớn đến điểm M = liền kề lấy trị số nhỏ giữa Vh = 0,85f’cbts Và Vh = FywDtw + Fytbttt + Fycbftf Trong đó: f’c – cường độ nén của bê tơng bản mặt cầu b – bề rộng cánh bản tham gia làm việc ts – bề dày của bản Fyw, Fyt, Fyc – cường độ chảy của thép sườn dầm, biên dưới biên dầm tw, tt,tf bề dày sườn dầm, biên dưới biên D, bt, bf - chiều cao sườn dầm, bề rộng biên dưới biên Trong dầm liên tục lực cắt Vh giữa điểm M = tim gối giữa: Vh = ArFyr Ar Fyr diện tích cường độ chảy của cốt thép dọc bố trí phần bản tham gia chịu lực gối giữa 247