Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế cầu dầm hộp bê tông cốt thép kết hợp vòm ống thép một mặt phẳng dây

Vì thế trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của vượt bậc của khoa học kỹ thuật, kết cấu dạng hộp BTCT kết hợp với thép hình đang được áp dụng khá phổ biến, kết cấu dầm hộp có

Trang 1

KHOA XÂY DỰNG BỘ MÔN CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ CẦU DẦM HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP KẾT HỢP VÒM ỐNG THÉP MỘT MẶT PHẲNG DÂY

TP.HỒ CHÍ MINH, NGÀY 06 THÁNG 08 NĂM 2022

Trang 2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỌC KỲ II – NĂM HỌC: 2021 – 2022

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng Công Trình Giao Thông

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

(Ký và ghi rõ họ tên)

TS Nguyễn Duy Liêm

Trang 3

PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ tên sinh viên:Tên đề tài:

Thuyết minh

Trình bày thuyết minh không theo format chuẩn, không thống nhất giữa các phần

Trình bày thuyết minh theo format chuẩn, nhưng còn nhiều lỗi như các đề mục không rõ ràng, các bảng biểu, hình vẽ, công thức không được đánh số

Trình bày thuyết minh theo format chuẩn nhưng còn một vài lỗi nhỏ

Trình bày thuyết minh theo format chuẩn, rõ ràng

Bản vẽ

Trình bày bản vẽ không theo format chuẩn, không thống nhất giữa các bản vẽ

Trình bày bản vẽ theo format chuẩn, nhưng còn nhiều lỗi về đường nét, font chữ, bố trí lộn xộn

Trình bày bản vẽ theo format chuẩn nhưng còn một vài lỗi nhỏ

Trình bày bản vẽ theo format chuẩn, rõ ràng, phân bố bản vẽ hợp lý, đẹp

Bản vẽ có song ngữ Anh-Việt

Chỉ có tiếng Việt Chỉ có tiếng Anh

Có song ngữ Anh – Việt nhưng còn nhiều sai sót từ vựng, ngữ pháp (sai sót trên 30% số lượng bản vẽ)

Có song ngữ Anh – Việt nhưng ít hay không sai sót từ vựng, ngữ pháp (sai sót dưới 30% số lượng bản vẽ)

Thiết kế bản vẽ

phối cảnh màu sắc

Không có phối cảnh Có phối cảnh công trình nhưng không có chèn cảnh quan xung quanh

Có phối cảnh công trình và cảnh quan xung quanh nhưng ở mức độ trung bình

Có phối cảnh công trình và cảnh quan xung quanh nhưng ở mức độ khá trở lên

Kết luận:  Cho bảo vệ □ Không cho bảo vệ Điểm tổng /10

Nhận xét – ý kiến khác: (GV nêu những nhận xét chung (nếu có), những sai sót trong thuyết minh, bản vẽ hoặc những góp ý cho sinh viên):

Giảng viên hướng dẫn

Trang 4

PHIẾU ĐÁNH GIÁ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Họ tên sinh viên:Tên đề tài:

Thuyết minh

Trình bày thuyết minh không theo format chuẩn, không thống nhất giữa các phần

Trình bày thuyết minh theo format chuẩn, nhưng còn nhiều lỗi như các đề mục không rõ ràng, các bảng biểu, hình vẽ, công thức không được đánh số

Trình bày thuyết minh theo format chuẩn nhưng còn một vài lỗi nhỏ

Trình bày thuyết minh theo format chuẩn, rõ ràng

Bản vẽ

Trình bày bản vẽ không theo format chuẩn, không thống nhất giữa các bản vẽ

Trình bày bản vẽ theo format chuẩn, nhưng còn nhiều lỗi về đường nét, font chữ, bố trí lộn xộn

Trình bày bản vẽ theo format chuẩn nhưng còn một vài lỗi nhỏ

Trình bày bản vẽ theo format chuẩn, rõ ràng, phân bố bản vẽ hợp lý, đẹp

Bản vẽ có song ngữ Anh-Việt

Chỉ có tiếng Việt Chỉ có tiếng Anh

Có song ngữ Anh – Việt nhưng còn nhiều sai sót từ vựng, ngữ pháp (sai sót trên 30% số lượng bản vẽ)

Có song ngữ Anh – Việt nhưng ít hay không sai sót từ vựng, ngữ pháp (sai sót dưới 30% số lượng bản vẽ)

Thiết kế bản vẽ

phối cảnh màu sắc

Không có phối cảnh Có phối cảnh công trình nhưng không

có chèn cảnh quan xung quanh

Có phối cảnh công trình và cảnh quan xung quanh nhưng ở mức độ trung bình

Có phối cảnh công trình và cảnh quan xung quanh nhưng ở mức độ khá trở lên

Kết luận:  Cho bảo vệ □ Không cho bảo vệ Điểm tổng /10

Nhận xét – ý kiến khác: (GV nêu những nhận xét chung (nếu có), những sai sót trong thuyết minh, bản vẽ hoặc những góp ý cho sinh viên): ………

Trang 5

Lời đầu tiên em muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Nguyễn Duy Liêm, thầy là một người tận tâm trực tiếp dành nhiều thời gian, công sức hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp cho đến lúc hoàn thiện

Để thực hiện đồ án tốt nghiệp này, em cũng có tham khảo sách vở, bài báo từ các nguồn mạng uy tín và các tài liệu chuyên ngành cầu mà thầy hướng dẫn đã gửi Bên cạnh đó cũng có sự giúp đỡ từ các anh chị khóa trên, bạn bè và những lời động viên của thầy cô trong khoa

Em cũng xin trân trọng ở phía nhà trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đã tạo điều kiện cho em có một môi trường học tập năng động, sáng tạo, thân thiện và có cơ sở vật chất rất tốt để em có thể phát triển bản thân, học tập tích lũy kiến thức một cách dễ dàng trong 4 năm học qua, qua đó đáp ứng được các công việc mà doanh nghiệp, công ty tuyển dụng

Tuy nhiên cũng đã rất cố gắng, đôi khi trong quá trình làm đồ án sẽ không tránh được những thiếu sót, em kính mong quy thầy cô, các chuyên gia và người quan tâm đến đồ án có thể cho em thêm ý kiến, đóng góp giúp đỡ để em có thể hoàn thiện tốt đồ án của mình

Một lần nữa, em xin chân thành cảm ơn rất nhiều!

Trang 6

PHẦN 1: THUYẾT MINH THIẾT KẾ KỸ THUẬT PART 1: TECHNICAL DESIGN DOCUMENT

Trang 7

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU GÒ DẦU 1

1.1 Sơ lược về cầu Gò Dầu 1

1.8 Các thông số về thủy văn 2

CHƯƠNG 2: QUY MÔ VÀ TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT 3

2.1 Tiêu chuẩn thiết kế 3

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU NHỊP 4

3.1 Giới thiệu về kết cấu dầm hộp BTCT dự ứng lực có thanh chống xiên 4

3.2 Cơ sở lựa chọn phương án kết cấu nhịp 4

3.3 Sơ đồ kết cấu nhịp chính 4

3.4 Số liệu thiết kế 4

3.4.1 Theo phương dọc cầu 4

3.4.2 Theo phương ngang cầu 4

3.6 Lựa chọn sơ bộ kích thước kết cấu nhịp chính 5

3.6.3 Lựa chọn sơ bộ kích thước vòm chủ 5

3.6.4 Lựa chọn kích thước liên kết ngang vòm 6

3.6.5 Lựa chọn kích thước thanh chống xiên 6

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH KẾT CẤU NHỊP BẰNG PHẦN MỀM MIDAS CIVIL 7

4.1 Mô hình hóa vật liệu 7

4.2 Mô hình hóa đặc tính co ngót và từ biến cho bê tông dầm chủ 8

4.3 Mô hình hóa mặt cắt ngang của các phần tử kết cấu 9

4.4 Mô hình hóa kết cấu nhịp 11

4.5 Gán các tải trọng và điều kiện biên 11

4.6 Khai báo cáp dự ứng lực cho dầm chủ 12

4.7 Khai báo giai đoạn thi công 13

4.8 Khai báo các tổ hợp tải trọng và chạy chương trình 13

4.9 Xuất các kết quả nội lực tính toán 13

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN MẶT CẮT NGANG (BẢN MẶT CẦU) 14

5.1 Cấu tạo, sơ đồ tính toán 14

5.1.1 Thiết kế cấu tạo của bản mặt cầu 14

5.1.2 Sơ đồ tính toán 14

5.1.3 Nguyên tắc tính toán 14

5.1.4 Xác định các tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu 14

5.1.5 Xác định bề rộng tính toán của dải bản 15

5.2 Tính toán nội lực trong bản mặt cầu 15

5.2.1 Các hệ số tính toán 15

5.2.2 Tính toán nội lực bản hẫng phần phía ngoài thanh chống xiên 15

5.2.3 Tính toán nội lực bản hẫng phần phía trong thanh chống xiên 16

5.2.4 Tính toán nội lực phần bản nắp phía trong dầm hộp 18

5.3 Thiết kế cốt thép và kiểm toán bản mặt cầu 19

5.3.1 Phần bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên chịu moment âm 19

5.3.2 Phần bản hẫng phía trong thanh chống xiên chịu moment dương 22

5.3.3 Phần bản hẫng phía trong thanh chống xiên chịu moment âm 24

5.3.4 Phần bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment dương 25

Trang 8

6.1 Kích thước của thanh chống xiên 29

6.2 Vật liệu làm thanh chống xiên 29

6.3 Cách tính toán nội lực phát sinh trong thanh chống 29

6.4 Xác định các nội lực tác dụng lên thanh chống 29

6.5 Mô hình hóa bằng phần mềm Midas Civil và xuất kết quả nội lực 29

6.6 Kiểm toán thanh chống xiên 30

6.6.1 Kiểm tra các yêu cầu về cấu tạo 30

6.6.2 Kiểm tra sức kháng nén dọc trục theo Trạng thái giới hạn cường độ 1 31

CHƯƠNG 7: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM DUYỆT THANH CÁP TREO 32

7.1 Số liệu thiết kế 32

7.1.1 Kích thước của thanh treo thiết kế 32

7.1.2 Vật liệu sử dụng cho thanh cáp treo 32

7.2 Xác định nội lực trong thanh cáp treo 32

7.2.1 Các nội lực tác dụng lên thanh cáp treo 32

7.2.2 Nội lực thanh cáp treo trong giai đoạn khai thác 32

7.3 Kiểm toán thanh cáp treo ở Trạng thái giới hạn cường độ 1 34

7.4 Kiểm toán thanh cáp treo ở Trạng thái giới hạn sử dụng 34

8.1.4 Đặc điểm chịu lực của vòm chủ 35

8.2 Nội lực vòm chủ trong giai đoạn khai thác 35

8.2.1 Các giai đoạn làm việc của vòm chủ 35

8.2.2 Xuất kết quả nội lực vòm chủ ở giai đoạn khai thác 36

8.3 Tính toán đặc trưng hình học của mặt cắt vòm chủ 43

8.3.1 Đặc trưng hình học của mặt cắt vòm chủ loại 1 (D1000) 43

8.3.2 Đặc trưng hình học của mặt cắt vòm chủ loại 2 (D800) 43

8.4 Sự làm việc của kết cấu ống thép nhồi bê tông khi chịu nén 43

8.5 Tính lực chịu tải của kết cấu ống thép nhồi bê tông 44

8.5.1 Tính toán sức chịu tải của cột nhánh đơn 44

8.5.2 Tính toán sức chịu tải của cột tổ hợp 45

8.6 Tính toán ổn định tổng thể của kết cấu vành vòm loại 1 (D1000) 46

8.6.1 Tính sức chịu tải của cột đơn 46

8.6.2 Tính toán ổn định kết cấu vành vòm 46

8.7 Kiểm toán vòm thép D800 theo TCVN 11823-06-2017 48

8.7.1 Kiểm tra điều kiện về yêu cầu cấu tạo 48

8.7.2 Tính duyệt vòm thép D800 theo TTGH cường độ 1 48

8.8 Tính toán tải trọng gió ngang tác dụng lên vòm chủ 50

9.2.2 Phân chia mặt cắt cần tính toán 53

9.2.3 Nội lực dầm chủ ở Trạng thái giới hạn cường độ 1 53

9.2.4 Nội lực dầm chủ ở Trạng thái giới hạn sử dụng 54

9.3 Tính toán sơ bộ và bố trí cốt thép dự ứng lực 55

9.3.1 Nguyên tắc tính toán cốt thép dự ứng lực 55

9.3.2 Tính sơ bộ cáp cho mặt cắt dầm tính toán 56

9.4 Sơ đồ bố trí cáp dự ứng lực dầm chủ 57

9.5 Tính toán đặc trưng hình học mặt cắt ngang 57

9.5.1 Giai đoạn 1: Tiết diện bị khoét lỗ 57

9.5.2 Giai đoạn 2: Tiết diện bị bịt lỗ 57

9.6 Tính toán mất mát ứng suất 58

9.6.1 Nguyên tắc tính toán 58

Trang 9

9.7 Kiểm toán dầm chủ theo TTGH cường độ 1 63

9.7.1 Nguyên tắc kiểm duyệt 63

9.7.2 Kiểm toán sức kháng uốn của dầm chủ 63

9.7.3 Kiểm toán sức kháng cắt của dầm chủ 68

9.8 Kiểm toán dầm chủ theo TTGH sử dụng 70

9.8.1 Lý thuyết kiểm toán 70

9.8.2 Kiểm toán ứng suất bằng giá trị tính toán 70

9.8.3 Kiểm toán ứng suất theo dạng biểu đồ 77

9.8.4 Kiểm toán độ võng dầm chủ 78

CHƯƠNG 10: MÔ PHỎNG ỨNG SUẤT TRONG THANH CHỐNG XIÊN 79

10.1 Mô phỏng phần mềm 79

10.1.1 Xuất file sang phần mềm Ansys 79

10.1.2 Khai báo vật liệu cho mô hình phân tích 79

10.1.3 Mô hình kết cấu trong Ansys bằng chức năng Geometry 80

10.2 Kết quả mô phỏng 81

10.2.1 Kết quả mô phỏng cho trường hợp 1 81

10.2.2 Kết quả mô phỏng cho trường hợp 2 82

10.3 Kết luận về các trường hợp phân tích 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

Trang 10

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CẦU GÒ DẦU

1.1 Sơ lược về cầu Gò Dầu

Công trình cầu Gò Dầu là cây cầu bắc qua sông Vàm Cỏ Đông nối liền thị trấn Gò Dầu với Cửa khẩu Mộc Bài, nằm trên trục Đường Xuyên Á (Quốc Lộ 22), thuộc địa phận huyện Bến Cầu và huyện Gò Dầu của tỉnh Tây Ninh

Cầu nằm cách Thành phố Hồ Chí Minh khoảng 60 km, Thành phố Tây Ninh 36 km, đây là một khu vực trung tâm của vùng trọng điểm phía Nam của tỉnh Tây Ninh và có tiềm năng phát triển cơ sở hạ tầng giao thông vì tiếp giáp với các vùng kinh tế phát triển vượt bậc như TP Hồ Chí Minh, cửa khẩu Mộc Bài (Campuchia) và Thành phố Tây Ninh

Để làm nổi bật lên vẻ đẹp của một quốc gia, cùng với sự phát triển vượt bậc của cơ sở hạ tầng ta sẽ xây dựng công trình cầu Gò Dầu vượt sông Vàm Cỏ Đông Trong các dạng cầu được xây dựng thường tạo được kiến trúc đẹp là các loại cầu treo, cầu vòm và đã được ưu tiên xây dựng ở nhiều thành phố lớn trên thế giới Tuy nhiên hình dạng cầu vòm với đường cong trục vòm sẽ tạo được dáng hài hoà, và khi áp dụng những tiến bộ kỹ thuật về công nghệ thiết kế, cầu vòm sẽ khắc phục hạn chế vượt nhịp nhỏ Nếu sử dụng các loại vật liệu tiên tiến thì các kết cấu, cấu tạo cầu vòm sẽ thanh mãnh và đẹp hơn Vì thế loại kết cấu được sử dụng trong đồ án này là kết cấu vòm, với kiến trúc hình dạng vòm sẽ làm tôn lên vẻ đẹp mỹ quan, ấn tượng của một công trình nổi tiếng mang tầm vóc quốc gia

1.2 Tổng quan về kết cấu vòm

Cầu vòm là thể loại cầu tạo hình vòm Cầu vòm có thể chuyển một phần trọng lượng của cầu và tải trọng của nó thành lực đẩy ngang được truyền đến các mố cầu Một cây cầu dài có thể được xây từ một loạt các vòm, mặc dù ngày nay những cấu trúc khác hiệu quả về mặt kinh tế hơn thường được sử dụng

Đá, gạch và các vật liệu khác có khả năng chịu biến dạng nén cao và chịu biến dạng trượt phần nào, nhưng không thể chịu được nhiều biến dạng căng Do đó, cầu vòm bằng đá được thiết kế để chịu lực nén liên tục, càng lâu càng tốt Mỗi vòm được xây dựng trên một giàn giáo tạm thời để đỡ những khối hình nêm của vòm cho đến khi khối hình nêm cuối cùng hay đá đỉnh vòm được đưa vào vị trí Trong những cây cầu vòm nén đầu tiên, khối đá đỉnh vòm chịu trọng lượng của cả cây cầu Càng dồn nhiều trọng lượng lên cây cầu, cấu trúc của nó càng trở nên vững chắc hơn Cầu vòm đá sử dụng một lượng vật liệu đắp (thường là đá dăm nén chặt) phía trên vòm để tăng trọng lượng chết này ở phần trên của cầu và ngăn chặn lực căng xuất hiện trong vành vòm khi những vật có tải trọng di chuyển trên mặt cầu Các vật liệu khác được sử dụng để xây dựng loại cầu này là gạch và

bê tông không cốt thép Khi đá khối được sử dụng các góc của bề mặt được cắt để giảm thiểu biến dạng trượt Trong trường hợp sử dụng khối đá ngẫu nhiên (đá chưa cắt và chưa qua xử lý), chúng được liên kết với nhau bằng vữa và vữa được chờ cho đến khi đông lại trước khi lấy giàn giáo ra

Các vòm đá truyền thống thường bền, và phần nào có khả năng chống lún hoặc phá hoại Tuy nhiên, so với các giải pháp thay thế hiện đại thì những cây cầu như vậy rất nặng, đòi hỏi phải có phần móng rộng Chúng cũng tốn kém để xây dựng ở nơi có giá nhân công cao, nên ngày nay kết cấu này rất ít được sử dụng

Kết cấu cầu vòm bê tông cốt thép là một trong những kết cấu thuộc loại cổ điển trong công nghệ cầu Kết cấu cầu dạng vòm không những thuộc loại kết cấu đạt yêu cầu kỹ thuật do tận dụng được hiệu ứng vòm mà còn trở thành một trong những kết cấu mang tính thẩm mỹ cao Kết cấu cầu vòm rất đa dạng trong thực tế Căn cứ vào vị trí cao độ của mặt xe chạy so với cao độ đỉnh vòm có thể phân thành cầu vòm xe chạy trên, xe chạy giữa và xe chạy dưới Về mặt kết cấu, có dạng cầu vòm không chốt, vòm hai chốt hoặc vòm ba chốt Một số vòm thuộc dạng giản đơn, một số khác có dạng liên tục Về vật liệu, có cầu vòm đá, cầu vòm thép, cầu vòm bê tông cốt thép hoặc cầu vòm liên hợp thép – bê tông (cầu vòm ống thép nhồi bê tông)

Hình 1.1 Các dạng sơ đồ cầu vòm thực tế

Trang 11

1.3 Điều kiện địa hình, địa mạo

- Địa hình khu vực xây dựng cầu tương đối bằng phẳng, độ chênh cao không lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khảo sát và xây dựng

Cường độ kháng cắt không thoát nước kN/m2 38.1

+ Lớp 3: Lớp đất có thành phần là Sét pha màu xám, trạng thái dẻo mềm Lớp này có bề dày trung bình 3 đến 10m, một số chỉ tiêu cơ lý của lớp 3 như sau:

+ Lớp 4: Lớp đất có thành phần là Cát hạt nhỏ, màu xám, kết cấu chặt Lớp này có bề dày trung bình từ 5 đến 12m, một số chỉ tiêu cơ lý của lớp 4 như sau:

+Lớp 5: Lớp đất có thành phần là cát hạt nhỏ lẫn sỏi sạn, màu đỏ, trạng thái cứng Lớp này có bề dày vô hạn, có các chỉ tiêu cơ lý như sau:

1.5 Khí hậu

Vùng đồng bằng Nam Bộ nói chung và thành phố Hồ Chí Minh nói riêng nằm trong miền khí hậu nhiệt đới nóng ẩm quanh năm, có sự phân hóa theo mùa sâu sắc Hàng năm có hai mùa rõ rệt: mùa mưa và mùa khô

- Mùa khô trùng với gió mùa Đông vốn là luồng tín phong ổn định, mùa mưa trùng với gió mùa Hạ mang lại những khố không khí nhiệt đới và xích đạo nóng ẩm với những nhiễu động khí quyển thường xuyên

1.6 Nhiệt độ

- Nhiệt độ trung bình năm vùng này đạt tới (26-27)0C Chênh lệch giữa nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất và lạnh nhất không quá (4-5)0C

1.7 Độ ẩm

- Khu vực có độ ẩm trung bình năm là 80%, thời kì ẩm ướt nhất là 85%, thời kì khô nhất là 70%;

1.8 Các thông số về thủy văn

- MNCN: + 2.00 m - MNTT: +1.00 m - MNTN: -3.10 m

Trang 12

CHƯƠNG 2: QUY MÔ VÀ TIÊU CHUẨN KỸ THUẬT

2.1 Tiêu chuẩn thiết kế

+ Tiêu chuẩn quốc gia: TCVN 11823-2017 Thiết kế cầu đường bộ mới + Tiêu chuẩn quốc gia: TCVN 4054-2005 Đường ô tô- Yêu cầu thiết kế + Tiêu chuẩn nghành: TCN 272-05 (tiêu chuẩn cũ)

+ Quy phạm thiết kế cầu dây văng trên đường ôtô JTJ 027-86 của Trung Quốc

+ Đảm bảo công tác thi công được suôn sẻ

2.3 Quy mô xây dựng

Cầu được thiết kế với quy mô vĩnh cửu, tuổi thọ > 100 năm

2.6 Hệ số tải trọng

+ Tĩnh tải DC: DC = 1.25 + Tĩnh tải DW: DW = 1.5 + Hoạt tải LL: LL = 1.75

+ Thiết kế kỹ thuật 100% kết cấu nhịp chính

+ Biện pháp thi công + Phần thiết kế sơ bộ, các chi tiết mố, trụ, nền móng không yêu cầu tính toán

+ Phần nâng cao: Mô phỏng ứng suất thanh chống xiên đỡ bản mặt cầu

+ Do khối lượng đồ án về cả thuyết minh lẫn bản vẽ thiết kế khá nhiều nên việc thiết kế mố cầu dựa trên các dự án có thông số kĩ thuật và địa chất tương tự khu vực xây dựng, và sẽ được chiết giảm trong phần thuyết minh đồ án

Hình 2.1 Phối cảnh công trình đồ án tốt nghiệp

Trang 13

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ KẾT CẤU NHỊP

3.1 Giới thiệu về kết cấu dầm hộp BTCT dự ứng lực có thanh chống xiên

Kết cấu tổ hợp giữa bê tông cốt thép và thép (gọi tắt là bê tông-thép) là một dạng kết cấu mới được phát triển trong thời gian gần đây trên thế giới và còn mới mẻ ở Việt Nam Tuy cũng có một số công trình ứng dụng kết cấu này vào thực tế thông qua các dự án xây dựng hợp tác với nước ngoài, nhưng số lượng sử dụng kết cấu bê tông-thép ở Việt Nam còn rất hạn chế

Với sự phát triển của vật liệu mới, công nghệ thi công mới, các dạng kết cấu mới cũng được hình thành và phát triển, trong đó điển hình là dạng kết cấu mới có sự kết hợp giữa kết cấu thép và kết cấu BTCT trong cùng một kết cấu nhằm tận dụng tối đa các ưu điểm sẵn có của từng loại vật liệu thép và bê tông

Vì thế trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của vượt bậc của khoa học kỹ thuật, kết cấu dạng hộp BTCT kết hợp với thép hình đang được áp dụng khá phổ biến, kết cấu dầm hộp có mặt cầu mở rộng, được chống bởi các thanh chống xiên, về mặt chịu lực không tham gia vào chịu lực theo phương dọc cầu, tuy nhiên theo phương ngang cầu sẽ đỡ bản mặt cầu BTCT

Dạng kết cấu cầu này đã được áp dụng rất nhiều ở các nước tiên tiến như: Hàn Quốc (cầuBeolgyo, cầu Yeosu), Nhật Bản (cầu Shibakawa), Pháp (cầu Meaux),… và hiện tại nước Việt Nam cũng đang xây dựng tuyến đường bộ trên cao dọc đường vành đai II đoạn từ cầu Vĩnh Tuy đến Ngã Tư Sở

3.2 Cơ sở lựa chọn phương án kết cấu nhịp

Với quy mô xây dựng công trình cầu vượt mang tầm vóc quốc gia, cùng với sự phát triển của cơ sở hạ tầng và sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật hiện nay Kết cấu độc lạ mang tên “Kết cấu dầm hộp BTCT dự ứng lực có thanh chống xiên” mang một vẻ đẹp kiến trúc mới lạ, tạo ấn tượng mới mẻ cho người kỹ sư thiết kế, về tính khả thi của kết cấu cũng được áp dụng rộng rãi tại các nước tiên tiến và cũng đáng vui mừng là kết cấu này lại đang được áp dụng xây dựng tại Việt Nam

Kết cấu này có đặc điểm là mở rộng bản mặt cầu bằng thanh chống xiên, giúp thu nhỏ bề rộng đáy hộp, giảm được tiết diện cánh trên, do đó sẽ giảm được trọng lượng kết cấu phần trên, giảm được đáng kể trọng lượng trụ, số lượng cọc và bệ móng Ngoài ra do khối lượng giảm nhiều nên giảm được nội lực do động đất, tiến độ thi công xây dựng nhanh hơn

Cùng với sự đam mê thiết kế của bản thân, muốn tìm tòi những thứ mới mẻ, dưới sự hướng dẫn của thầy Nguyễn Duy Liêm, một người thầy rất am hiểu về lĩnh vực thiết kế cầu, từng là trưởng phòng thiết kế cầu đường của một công ty lớn phía Nam, cộng với lượng kiến thức sau hơn 3 năm học tập

tại trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, loại kết cấu mà tôi lựa chọn trong Đồ án tốt nghiệp

là: Dầm hộp BTCT dự ứng lực có thanh chống xiên kết hợp vòm ống thép một mặt phẳng dây

3.3 Sơ đồ kết cấu nhịp chính

Cầu được thiết kế dạng dầm hộp BTCT dự ứng lực có thanh chống xiên kết hợp với vòm ống thép một mặt phẳng dây Dạng sơ đồ kết cấu nhịp chính là một dầm giản đơn được tựa lên một gối cố định và một gối di động như hình bên dưới

Hình 3.1 Sơ đồ kết cấu nhịp chính 3.4 Số liệu thiết kế

3.4.1 Theo phương dọc cầu

+ Chiều dài nhịp chính: L = 120 m + Khoảng cách từ đầu dầm đến tim gối: a = 1 m + Chiều dài nhịp tính toán: Ltt = 118 m

3.4.2 Theo phương ngang cầu

+ Bề rộng phần xe chạy: B1 = 16 m + Số làn xe thiết kế: n = 4 làn + Bề rộng lề bộ hành: B2 = 0 m + Bề rộng gờ chắn xe: B3 = 0.5m x 2 + Bề rộng dải phân cách giữa (vòm 1 mp dây): B4 = 3m + Tổng bề rộng khổ cầu: B = 16 + 0.5 x 2 + 3 = 20 m

3.5 Vật liệu sử dụng cho đồ án 3.5.1 Vật liệu bê tông dầm chủ

Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày: f’c = 45 MPa

Trang 14

3.5.2 Vật liệu cáp dự ứng lực

Loại cáp dự ứng lực Tao cáp có độ tự trùng thấp Modun đàn hồi: Ec 197000MPa

Hình 3.2 Mặt cắt ngang dầm chủ tại giữa nhịp

Hình 3.3 Mặt cắt ngang dầm chủ tại chân vòm 3.6.2 Đường cong trục vòm

Việc lựa chọn đường tim vòm có ý nghĩa rất lớn trong khai thác, thông thường cầu vòm ống thép nhồi bê tông hoặc các công trình cầu vòm thường chọn đường cong tim vòm là đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4 và đường cong dạng dây xích Các đường cong này có đường cong áp lực khá trùng với đường cong tim vòm Cầu vòm trong đồ án được sử dụng là đường cong parabol bậc 2 có phương trình như sau:

2f

3.6.3 Lựa chọn sơ bộ kích thước vòm chủ

Để lựa chọn được một kích thước vòm với chiều cao hợp lý, người ta đánh giá dựa trên tỷ số giữa chiều cao vòm f với nhịp vòm l Tỷ số này càng nhỏ, tức là vòm càng thoải thì lực đẩy ngang càng

Trang 15

lớn và ngược lại Thông thường, người ta lựa chọn trong khoảng:

𝑓𝑙 =

14÷

16Với kết cấu nhịp L = 120 m kiến nghị lựa chọn: + Đường tên vòm Loại 1 (D1000): f = 24m + Đường tên vòm Loại 2 (2xD800): f = 30m Ta có tỷ số: + Loại 1: 24

0 2120

f

.l + Loại 2:

300 25120

f

.l

Vậy sử dụng đường tên vòm Loại 1 là 30 m và Loại 2 là 24m

Hình 3.4 Sơ đồ phân chia kết cấu vòm

Sử dụng 1 vòm ống thép loại 1 với D1000 (nhồi bê tông) và 2 vòm ống thép loại 2 với D800 đặt lệch tâm nhau theo phương ngang cầu là 8000mm

Hình 3.5 Mặt cắt ngang vòm loại 1

Hình 3.6 Mặt cắt ngang vòm loại 2 3.6.4 Lựa chọn kích thước liên kết ngang vòm

+ Sử dụng 16 ống thép D500 dày 12 mm giằng ngang cho 2 ống vòm thép D800

Hình 3.7 Mặt cắt ngang thanh giằng loại 1

+ Sử dụng 32 ống thép D300 dày 12 mm giằng xiên cho 3 ống vòm thép như sơ đồ

Hình 3.8 Mặt cắt ngang thanh giằng loại 2 3.6.5 Lựa chọn kích thước thanh chống xiên

+ Sử dụng ống thép có đường kính ngoài 300 mm với chiều dày 12 mm Chi tiết kích thước được thể hiện như hình bên dưới:

Hình 3.9 Chi tiết kích thước thanh chống xiên D300

Trang 16

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH KẾT CẤU NHỊP BẰNG PHẦN MỀM MIDAS CIVIL

4.1 Mô hình hóa vật liệu

Để khai báo vật liệu theo thông số đầu vào của đồ án ta chọn chức năng “ User Define” tức là định nghĩa vật liệu theo ý muốn của mình

+ Khai báo vật liệu cho dầm chủ: (thông số đầu vào như bảng)

Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày: f’c = 45 MPa

Hình 4.1 Bảng thông số Midas cho vật liệu dầm chủ

+ Khai báo vật liệu cho vành vòm và thanh giằng: (thông số đầu vào như bảng)

Modun đàn hồi: Ec = 200000 MPa Cường độ chảy nhỏ nhất: Fy = 345 MPa Cường độ chịu kéo nhỏ nhất: Fu = 485 MPa

Hệ số giãn nở nhiệt: 1.17e−5Trọng lượng riêng: γc = 78.5 kN/m3

Hình 4.2 Bảng thông số Midas cho vật liệu vành vòm

+ Khai báo vật liệu cho cáp dự ứng lực: (thông số đầu vào như bảng)

Loại cáp dự ứng lực Tao cáp có độ tự trùng thấp Modun đàn hồi: Ec 197000MPa

Hệ số giãn nở nhiệt: 1.17e−5Trọng lượng riêng:  c 78.5 kN / m3

Trang 17

Hình 4.3 Bảng thông số Midas cho vật liệu cáp dự ứng lực 4.2 Mô hình hóa đặc tính co ngót và từ biến cho bê tông dầm chủ

Như chúng ta đã biết trong quá trình khai thác hoặc thi công thì yếu tố từ biến và co ngót của bê tông là điều không thể tránh sót, để được an toàn và đảm bảo chất lượng công trình ta sẽ xét đến mô hình hóa đặc tính từ biến và co ngót cho bê tông bằng phần mềm Midas Civil

Cường độ bê tông ở tuổi 28 ngày 45 MPa cho vật liệu bê tông dầm chủ Độ ẩm tương đối của môi trường 80%

Kích thước danh định 0.25

Tuổi bê tông khi bắt đầu co ngót 3 ngày

Hình 4.4 Khai báo thuộc tính của bê tông dầm chủ

Hình 4.5 Kết quả đặc tính co ngót, từ biến của bê tông dầm chủ

Trang 18

Hình 4.6 Sự thay đổi cường độ bê tông dầm chủ 4.3 Mô hình hóa mặt cắt ngang của các phần tử kết cấu

* Khai báo mặt cắt dầm chủ:

Để định nghĩa cho mặt cắt dầm hộp có tiết diện phức tạp, ta khai báo mặt cắt trong Midas dưới dạng PSC-Value, tiến hành lọc tọa độ để khai báo từng điểm mặt cắt dầm hộp, khi đó Midas sẽ tự động tính toán đặc trưng hình học của mặt cắt

Hình 4.7 Mô hình mặt cắt giữa nhịp trong Midas

Hình 4.8 Mô hình mặt cắt đầu dầm trong Midas BẢNG TỔNG HỢP TÍNH TOÁN ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA MẶT CẮT DẦM CHỦ

Đặc trưng hình học mặt cắt Giữa nhịp Đầu dầm

Trang 19

* Khai báo mặt cắt vòm chủ: + Vòm ống thép loại 1 D1000 (nhồi bê tông)

Do là mặt cắt liên hợp thép và bê tông, ta cần quy đổi thép về bê tông sau đó khai báo vào Midas để tính toán

Area 0.781 0.738 0.043 0.738 0.228 0.967 m2Asy 0.672 0.634 0.038 0.634 0.201 0.835 m2Asz 0.672 0.636 0.037 0.636 0.194 0.829 m2Ixx 0.097 0.086 0.010 0.086 0.055 0.141 m4Iyy 0.049 0.043 0.005 0.043 0.028 0.071 m4Izz 0.049 0.043 0.005 0.043 0.028 0.071 m4Cyp 0.500 0.486 0.014 0.486 0.074 0.560 m Cym 0.500 0.486 0.014 0.486 0.074 0.560 m Czp 0.500 0.486 0.014 0.486 0.074 0.560 m Czm 0.500 0.486 0.014 0.486 0.074 0.560 m Qyb 0.083 0.078 0.005 0.078 0.024 0.102 m2Qzb 0.083 0.078 0.005 0.078 0.024 0.102 m2Peri:O 3.138 3.050 0.088 3.050 0.465 3.515 m Peri:I 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 m Cent:y 0.500 0.486 0.014 0.486 0.074 0.560 m Cent:z 0.500 0.486 0.014 0.486 0.074 0.560 m y1 -0.321 -0.312 -0.009 -0.312 -0.048 -0.360 m z1 0.383 0.372 0.011 0.372 0.057 0.429 m y2 0.321 0.312 0.009 0.312 0.048 0.360 m z2 0.383 0.372 0.011 0.372 0.057 0.429 m y3 0.321 0.312 0.009 0.312 0.048 0.360 m z3 -0.383 -0.372 -0.011 -0.372 -0.057 -0.429 m y4 -0.321 -0.312 -0.009 -0.312 -0.048 -0.360 m z4 -0.383 -0.372 -0.011 -0.372 -0.057 -0.429 m Zyy 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 m3Zzz 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 m3

Hình 4.9 Khai báo mặt cắt vòm loại 1 trong Midas

Hình 4.10 Khai báo mặt cắt vòm loại 2 trong Midas

Trang 20

* Khai báo mặt cắt thanh giằng:

4.4 Mô hình hóa kết cấu nhịp

Việc xây dựng mô hình hóa hình học được thực hiện thông qua các Node và Element, để công

việc quản lý được thuận tiện Ta đánh lại tên của các Node và Element như sau:

Dầm chủ 1 to 47 1 to 46 Node và phần tử dầm chủ Vòm chủ 101 to 171 101 to 170 Node và phần từ vòm chủ Thanh giằng 201 to 248 Phần tử thanh giằng

Sau khi khai báo mặt cắt ta tiến hành mô hình tất cả các kết cấu lại với nhau trong Midas ta được:

Hình 4.12 Mô hình hóa kết cấu nhịp chính trong Midas 4.5 Gán các tải trọng và điều kiện biên

Hình 4.13 Bảng khai báo các trường hợp tải trọng tác dụng

Trang 21

 Tải trọng bản thân dầm chủ và vòm chủ sẽ được phần mềm Midas Civil tự động tính toán thông qua chức năng Self Weight

 Các tĩnh tải tác dụng lên dầm chủ gồm có lớp phủ mặt cầu và lan can được mô hình thông qua chức năng Element Beam Load

 Tĩnh tải thanh chống xiên được quy về các tải tập trung thông qua chức năng Nodal Loads đặt tại các node tương ứng với vị trí bố trí thanh chống xiên trên cầu

 Hoạt tải được khai báo với 4 làn xe và lấy theo tiêu chuẩn ASSHTO LRFD

Hình 4.14 Gán tĩnh tải do lớp phủ gây ra (trường hợp khác tương tự)

Hình 4.15 Khai báo tải trọng HL93 cho xe 2 trục

Hình 4.16 Khai báo tải trọng HL93 cho xe 3 trục

4.6 Khai báo cáp dự ứng lực cho dầm chủ

Từ kết quả tính toán nội lực dầm chủ, ta sẽ tính toán ra được sơ bộ số bó cáp dự ứng lực, sau đó sẽ mô hình cáp vào Midas và tiến hành chạy phần mềm sau đó kiểm toán

+ Ta sẽ khai báo cáp dự ứng lực thông qua chức năng Tendon Property:

Hình 4.17 Khai báo cáp dự ứng lực

+ Để khai báo đường đi của cáp ta dùng chức năng Tendon Profile:

Hình 4.18 Khai báo đường đi của cáp dự ứng lực

Trang 22

+ Khai báo lực căng kích cho cáp dự ứng lực thông qua chức năng Tendon Prestress, ta sẽ khai báo lực căng 0.74fpu = 1376.4 MPa và kéo cáp ở 2 đầu

Hình 4.19 Khai báo lực căng kích cáp trong dầm chủ 4.7 Khai báo giai đoạn thi công

Do biện pháp thi công chủ yếu sử dụng trên hệ đà giáo cố định, nên không gây ảnh hưởng đến kết cấu quá nhiều Để mô phỏng quá trình thi công đơn giản ta sẽ chia làm 2 giai đoạn làm việc chính, để khai báo giai đoạn thi công ta dùng chức năng Construction Stage:

+ Giai đoạn 1 (150 days): Dầm chủ, vòm chủ và các thanh liên kết sẽ được lắp đặt cùng tham gia chịu lực, các điều kiện biên sẽ được kích hoạt

+ Giai đoạn 2 (10000 days): là giai đoạn khai thác, lớp phủ mặt cầu, lan can và tiện ích trong giai đoạn khai thác sẽ được lắp đặt, điều kiện biên không thay đổi

Hình 4.20 Khai báo giai đoạn thi công cho kết cấu

4.8 Khai báo các tổ hợp tải trọng và chạy chương trình

Các tổ hợp tải trọng được khai báo bao gồm: + TTGHCĐ1 3T: tổ hợp tải trọng có xe 3 trục ở trạng thái giới hạn cường độ 1 + TTGHSD 3T: tổ hợp tải trọng có xe 3 trục ở trạng thái giới hạn sử dụng + TTGHCĐ1 2T: tổ hợp tải trọng có xe 2 trục ở trạng thái giới hạn cường độ 1 + TTGHSD 2T: tổ hợp tải trọng có xe 2 trục ở trạng thái giới hạn sử dụng

4.9 Xuất các kết quả nội lực tính toán

Chi tiết các nội lực của từng kết cấu trong đồ án sẽ được trình bày chi tiết ở các chương Sau khi có được nội lực tính toán, ta cần kiểm toán lại tất cả

Các kết cấu hay mặt cắt nào không thỏa mãn cần phải điều chỉnh lại cho đến khi tính duyệt các kết cấu đều thỏa mãn và hoàn toàn đủ khả năng chịu lực

Trang 23

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN MẶT CẮT NGANG (BẢN MẶT CẦU)

5.1 Cấu tạo, sơ đồ tính toán 5.1.1 Thiết kế cấu tạo của bản mặt cầu * Lựa chọn kích thước cơ bản của bản mặt cầu:

Hình 5.1 Kích thước bản mặt cầu tại giữa nhịp - Nhịp ở bản nắp phía trong dầm hộp:

+ Nhịp tính toán của bản phía trong lấy bằng khoảng cách giữa 2 vách, Ltt = 4m + Chiều dày bản mặt cầu bản phía trong: t = 0.35m

- Nhịp hẫng ở phía trong đoạn thanh chống xiên: + Nhịp tính toán của bản hẫng phía trong thanh chống xiên: Ltt = 3.6m + Chiều dày bản mặt cầu bản hẫng phía trong thanh chống xiên: t = 0.3m - Nhịp hẫng ở phía ngoài đoạn thanh chống xiên:

+ Nhịp tính toán của bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên: Ltt = 2.4m + Chiều dày bản mặt cầu bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên: t = 0.3m

* Cấu tạo lớp kết cấu áo đường:

+ Lớp bê tông nhựa dày: 7cm + Lớp phòng nước dày: 5mm

5.1.2 Sơ đồ tính toán

+ Phần bản hẫng: phía ngoài đoạn thanh chống xiên

Tính theo sơ đồ bản hẫng: 1 đầu ngàm và 1 đầu tự do

+ Phần bản hẫng phía trong đoạn thanh chống và phần bản nắp phía trong hộp

 Tính theo sơ đồ khung như hình bên dưới

Hình 5.2 Sơ đồ tính toán bản mặt cầu 5.1.3 Nguyên tắc tính toán

+ Sử dụng nguyên tắc gần đúng để thiết kế bản mặt cầu BTCT của cầu dầm hộp bê tông cốt thép đổ liền khối và đúc tại chỗ

+ Khi tính toán hiệu ứng tải trong bản, cho phép phân tích một dải bản rộng 1m theo chiều dọc cầu , mô hình hoá sơ đồ làm việc của kết cấu như một sơ đồ khung kín, với giả thiết gối được đặt tại đáy 3 sườn như mô hình sơ đồ tính toán bản mặt cầu ở trên

+ Khi tính toán hiệu ứng lực, tải trọng bánh xe được mô hình hóa như tải trọng vệt mà chiều dài dọc theo nhịp sẽ là chiều dài của diện tích tiếp xúc của lốp xe cộng với chiều dày của bản mặt cầu hoặc như tải trọng phân bố đều đặt tại trọng tâm lốp xe và phân bố dọc theo chiều dài dải tương đương + Ở đây ta mô hình hóa tải trọng bánh xe như tải trọng phân bố đều đặt tại trọng tâm lốp xe và phân bố dọc theo chiều dài dải tương đương

5.1.4 Xác định các tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu

+ Trọng lượng bản thân bản mặt cầu: DC + Trọng lượng phần lan can thép và gờ chắn bánh: DClc+ Trọng lượng lớp phủ mặt cầu: DW

+ Hoạt tải HL93 theo phương ngang cầu bao gồm tải trọng làn q = 9.3 kN/m và xe tải 3 trục thiết kế xếp theo phương ngang cầu với tải trọng bánh xe P = 72.5 kN (xét cả xung kích IM=1.33)

Hình 5.3 Sơ đồ hoạt tải xe 3 trục tác dụng lên bản mặt cầu

Trang 24

5.1.5 Xác định bề rộng tính toán của dải bản

Bản mặt cầu được tính toán theo điều kiện làm việc một phương theo lý thuyết dải bản tương đương Khi chịu hoạt tải, chiều rộng làm việc của dải bản đúc tại chố căng sau SW được xác định như sau: + Khi tính cho bản chịu moment dương:

SW = 660 + 0.55S + Khi tính cho bản chịu moment âm:

SW = 1220 + 0.25S + Còn bản hẫng được coi như một dải bản một đầu ngàm vào dầm chủ, một đầu tự do có chiều rộng làm việc bằng:

SW = 1140 + 0.833X Với X là khoảng cách từ tâm gối đến điểm đặt tải trọng

* Phần bản nắp phía trong dầm hộp:

+ Bản chịu moment dương: SW = 660 + 0.554000 = 2860 (mm) + Bản chịu moment âm:

SW = 1220 + 0.254000 = 2200 (mm)

* Phần bản hẫng phía trong đoạn thanh chống xiên:

+ Bản chịu moment dương: SW = 660 + 0.553600 = 2640 (mm) + Bản chịu moment âm:

SW = 1220 + 0.253600 = 2120 (mm)

* Phần bản hẫng phía ngoài đoạn thanh chống xiên:

+ Bản chịu moment âm: (sơ đồ 1 đầu ngàm, 1 đầu tự do: dạng consol thì bản chỉ chịu moment âm) SW = 1140 + 0.8331600 = 2473 (mm), với: X = 2400 – 500 – 300 = 1600 (mm)

Bản hẫng phía trong thanh chống xiên 2640 2120

Bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên 2473

5.2 Tính toán nội lực trong bản mặt cầu 5.2.1 Các hệ số tính toán

 Hệ số điều chỉnh tải trọng: đối với trường hợp sử dụng các giá trị cực đại của 𝛾𝑖

𝜂 = 1𝜂𝑅 𝜂𝐷 𝜂𝐿Trong đó:

 ηD = 1 : cho các kết cấu thông thường và theo đúng Tiêu chuẩn  ηR = 1.05 ∶ lấy cho bản hẫng

 ηL = 1 : là hệ số tầm quan trọng của công trình Vậy: 𝜂 = 0.95 ( đối với TTGH cường độ ) , đối với TTGH sử dụng lấy bằng 1  Hệ số làn xe : m = 1.2 cho trường hợp 1 làn xe chất tải, m = 1 cho trường hợp 2 làn chất tải  Hệ số xung kích: IM = 33 %

5.2.2 Tính toán nội lực bản hẫng phần phía ngoài thanh chống xiên

- Trọng lượng lan can và gờ chắn: vì trọng tâm lan can không nằm ở mép của bản mặt cầu nhưng để đơn giản và thiên về an toàn nhất ta đặt tải trọng tập trung của phần lan can thép và gờ chắn nằm ở mép ngoài cùng của bản hẫng

+ Trọng lượng của gờ chắn bánh:

q   A 25 0.27 6.75 (kN/m) + Ta chọn phần trọng lượng lan can thép rải đều là 0.1 kN/m:

qlc = 0.1 (kN/m) + Tổng phần trọng lượng lan can và gờ chắn trên bề rộng dải bản tính toán:

Plc = (qgc + qlc) B = (6.75 + 0.1) 2.473 = 16.94 (kN) - Trọng lượng của lớp phủ mặt cầu trên bề rộng dải bản tính toán:

DW = hwlp B = 0.07522.52.473 = 4.18 kN/m

Trang 25

Ta tiến hành mô hình hóa bản mặt cầu theo chiều dài dải bản để tính toán nội lực, tiêu chuẩn sử dụng mô phỏng tải trọng trong phần mềm Midas là: AASHTO LRFD

Hình 5.4 Mô hình hóa bản mặt cầu đoạn phía ngoài thanh chống (bản chịu moment âm)

Sau khi mô phỏng tất cả và tổ hợp tải trọng các trạng thái giới hạn ta chạy kết quả Midas:

* Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn cường độ I:

Hình 5.5 Biểu đồ Moment bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

Hình 5.6 Biểu đồ Lực cắt bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

* Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn sử dụng:

Hình 5.7 Biểu đồ Moment bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên ở TTGH SD

Hình 5.8 Biểu đồ Lực cắt bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên ở TTGH SD 5.2.3 Tính toán nội lực bản hẫng phần phía trong thanh chống xiên

* Bản chịu moment dương:

+ Chiều rộng làm việc: E = 2640 mm + Tĩnh tải do lớp phủ mặt cầu: DW = 0.07522.52.64 = 4.46 kN/m + Tải trọng lan can: Plc = (6.75 + 0.1) 2.64 = 18.1 kN

Hình 5.9 Mô hình hóa bản mặt cầu đoạn phía trong thanh chống (bản chịu moment dương)

Trang 26

Hình 5.10 Biểu đồ Moment bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

Hình 5.11 Biểu đồ Lực cắt bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH CĐ1 * Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn sử dụng:

Hình 5.12 Biểu đồ Moment bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH SD

Hình 5.13 Biểu đồ Lực cắt bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH SD

* Bản chịu moment âm:

Hình 5.14 Mô hình hóa bản mặt cầu đoạn phía trong thanh chống (bản chịu moment âm) * Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn cường độ I:

Hình 5.15 Biểu đồ Moment bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

Hình 5.16 Biểu đồ Lực cắt bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

Trang 27

Hình 5.17 Biểu đồ Moment bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH SD

Hình 5.18 Biểu đồ Lực cắt bản hẫng phía trong thanh chống xiên ở TTGH SD 5.2.4 Tính toán nội lực phần bản nắp phía trong dầm hộp

* Bản chịu moment dương:

Hình 5.19 Mô hình hóa bản mặt cầu bản nắp phía trong dầm hộp (bản chịu moment dương)

Hình 5.20 Biểu đồ Moment bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH CĐ1

Hình 5.21 Biểu đồ Lực cắt bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH CĐ1 * Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn sử dụng:

Hình 5.22 Biểu đồ Moment bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH SD

Hình 5.23 Biểu đồ Lực cắt bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH SD

Trang 28

* Bản chịu moment âm:

Hình 5.24 Mô hình hóa bản mặt cầu bản nắp phía trong dầm hộp (bản chịu moment âm) * Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn cường độ I:

Hình 5.25 Biểu đồ Moment bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH CĐ1

Hình 5.26 Biểu đồ Lực cắt bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH CĐ1

Hình 5.27 Biểu đồ Moment bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH SD

Hình 5.28 Biểu đồ Lực cắt bản nắp phía trong dầm hộp ở TTGH SD 5.3 Thiết kế cốt thép và kiểm toán bản mặt cầu

5.3.1 Phần bản hẫng phía ngoài thanh chống xiên chịu moment âm * Thiết kế cốt thép:

Ta sẽ thiết kế cốt thép theo chiều rộng làm việc của dải bản b = 2473 mm Lấy giá trị nội lực ở TTGH Cường độ 1 để thiết kế cốt thép, giá trị đã tính toán như sau: + Moment tính toán: Mu = 641.3 (kN.m)

+ Lực cắt tính toán: Vu = 918.4 (kN) Các thông số kích thước của mặt cắt tính toán: + Chiều cao mặt cắt: h = 685 mm + Chiều rộng của mặt cắt: b = 2473 mm + Cường độ của thép thanh: fy = f’y = 400 Mpa

+ Cấp bê tông: f’c = 45 MPa

+ Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén: d’s = 50 mm

Trang 29

+ Khoảng cách từ thớ chịu kéo đến trọng tâm cốt thép chịu kéo: d = 50 mm + Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo: ds = 635 mm + Chiều cao vùng bê tông chịu nén:

0

Hình 5.29 Bố trí cốt thép cho bản hẫng phía ngoài thanh chống chịu moment âm

* Kiểm tra sức kháng uốn của tiết diện theo TTGH cường độ 1

Điều kiện:

Mu ≤ Mr = Mn Xác định sức kháng uốn danh định của mặt cắt theo công thức của mặt cắt hình chữ nhật:

Vậy thỏa mãn về điều kiện sức kháng uốn * Kiểm tra nứt của tiết diện theo TTGH sử dụng

- Khoảng cách từ thớ chịu kéo ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép gần nhất: dc = 50 (mm) - Moment tính toán ở TTGH sử dụng: Ms = 324.6 (kN.m)

- Modul đàn hồi của bê tông:

Eb = 0.0017γc 3 f 'ci = 0.001725002  3 45 = 37792 (MPa) - Modul đàn hồi của thép: Es = 200000 (MPa)

- Hệ số quy đổi thép sang bê tông:

n = sb

EE =

200000

5.3

Trang 30

- Chiều cao vùng nén bê tông khi tiết diện bị nứt:

5.3 (635 97.04)3

7017526960 ( mm )

4084.07



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

sc

6s

sr

Kiểm tra điều kiện ta có: fs = 131.88 (MPa) < 0.6fy = 240 (MPa)  OK

Vậy thỏa mãn điều kiện về nứt * Kiểm tra khả năng chịu lực cắt:

- Sức kháng cắt của dầm phải đảm bảo:

V .VV

Trong đó:

+ v = 0.9: là hệ số sức kháng cắt theo quy định + Vu.max : là lực cắt lớn nhất tính toán ở TTGH CĐ 1 + Vn: là sức kháng cắt danh định (kN)

+ Vr: là sức kháng cắt tính toán (kN) - Xác định sức kháng cắt danh định:

Sức kháng cắt danh định Vn phải được xác định bằng:

n1csp

n2cvvp

V V V VV min

A f d cot g cot g sinV

S

+ dv: là chiều cao chịu cắt hữu hiệu (mm) + bv: là chiều rộng bản bụng hữu hiệu + S: là cự ly cốt thép đai (mm)

+ β: là hệ số chỉ khả năng của bê tông bị nứt chéo truyền lực kéo + : là góc nghiêng của ứng suất nén chéo (độ)

+ α: là góc nghiêng của của cốt thép đai đối với trục dọc (độ)+ Av: là diện tích cốt thép chịu cắt trong cự ly s (mm2) + Vp : là thành phần lực dự ứng lực hữu hiệu trên hướng lực cắt tác dụng, là dương nếu ngược chiều lực cắt (N)

- Các thông số đặc trưng để xác định sức kháng cắt danh định:

+ Cấp bê tông: f’c = 45 Mpa + Chiều rộng bản bụng hữu hiệu: bw = 2473 (mm) + Chiều cao chịu cắt hữu hiệu: dv = 0.72h = 493.2 (mm) + Thành phần dự ứng lực hữu hiệu trên hướng lực cắt tác dụng: Vp = 0 (N) + Lực cắt tính toán ở TTGH cường độ 1: Vu.max = 918.4 (kN)

+ Ứng suất cắt danh định:

3uvp

v 0.84

0.02f  45 + Biến dạng dọc:

Giả sử θ = 400, cotgθ = 1.192 Tính εx (5.8.3.4.2-2)

u

3v

x

sspsps

M0.5N 0.5(V V ) cot A f

0.67 10A E A E 4084.07 2 00 000

Trang 31

+ Xác định  và β:

Với

'c

v0.02f  và  x 0.67 10 3, ta tra bảng như hình có được: θ = 31.50 , cot θ = 1.63, β = 2.4 + Sức kháng cắt danh định do ứng suất kéo trong bê tông:

'

V 0.083 f b d 0.083 2.4  452473 493.2 1629831.76(N) + Kiểm tra sự cần thiết có thép ngang: Vu = 918.4 (kN) > 0.5(Vc+Vp) = 733.42 (kN)

 Cần phải bố trí thép ngang (cốt thép đai chịu cắt)

+ Sức kháng cắt của cốt thép chịu cắt

v yvs

A f d cot g cot g sinV

 Av = 1130.97 (mm2) là diện tích cốt thép đai chịu cắt

Khi đó sức kháng cắt của cốt thép chịu cắt là:

Vậy thỏa mãn điều kiện về sức kháng cắt 5.3.2 Phần bản hẫng phía trong thanh chống xiên chịu moment dương

Hình 5.30 Bố trí cốt thép cho bản hẫng phía trong thanh chống chịu moment dương

Cách tính toán tương tự như trên, ta lập bảng Excel tóm tắt quá trình tính toán

Bản hẫng phía trong thanh chống chịu moment dương Kí hiệu Đơn vị Giá trị

Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén d’s mm 50 Khoảng cách từ thớ chịu kéo đến trọng tâm cốt thép chịu kéo d mm 50 Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo ds mm 250

Trang 32

Hệ số quy đổi hình khối ứng suất β1 mm 0.73 Chiều cao vùng bê tông chịu nén trong trường hợp cân bằng c mm 8.05 Diện tích cốt thép chịu kéo tính toán As mm2 1484.12 Kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu:

2

 

1.2Mcr N.mm 200827526 1.33Mu N.mm 175560000

Kiểm tra sức kháng uốn tiết diện theo TTGH CĐ1

Diện tích cốt thép chịu kéo As mm2 2613.80288 Diện tích cốt thép chịu nén A's mm2 2001.19283

Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo ds mm 250

Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén d’s mm 50 Sức kháng uốn danh định tính theo mặt cắt hình chữ nhật Mn kN.m 220.64

Kiểm tra điều kiện: Mu ≤ Mr = Mn Check OK

Kiểm tra nứt của tiết diện theo TTGH SD

Moment tính toán ở TTGH sử dụng Ms kN.m 52.4

Chiều cao vùng nén bê tông khi tiết diện bị nứt x mm 46.21 Moment quán tính của tiết diện khi bê tông bị nứt Icr mm4 661305921.6 Ứng suất trong cốt thép do ngoại lực gây ra fs MPa 85.5 Kiểm tra điều kiện nứt: fs < 0.6fy Check OK

Kiểm tra khả năng chịu cắt của tiết diện theo TTGH CĐ1

Lực cắt tính toán ở TTGH cường độ 1 Vu.max kN 428.2

Hệ số sức kháng cắt theo quy định v  0.9 Thành phần dự ứng lực hữu hiệu trên hướng lực cắt tác dụng Vp kN 0

Diện tích cốt thép đai chịu cắt Av mm2 1130.97

Trang 33

Sức kháng cắt của cốt đai thép chịu cắt Vs N 703555.31

Sức kháng cắt tính toán: Vr = vVn Vr kN 1347.57 Kiểm tra điều kiện khả năng chịu cắt: Vr > Vu.max Check OK

5.3.3 Phần bản hẫng phía trong thanh chống xiên chịu moment âm

Hình 5.31 Bố trí cốt thép cho bản hẫng phía trong thanh chống chịu moment âm

Lập bảng Excel tóm tắt quá trình tính toán

Bản hẫng phía trong thanh chống chịu moment âm Kí hiệu Đơn vị Giá trị

Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén d’s mm 50 Khoảng cách từ thớ chịu kéo đến trọng tâm cốt thép chịu kéo d mm 50 Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo ds mm 500 Chiều cao vùng bê tông chịu nén a mm 17.68 Hệ số quy đổi hình khối ứng suất β1 mm 0.73 Chiều cao vùng bê tông chịu nén trong trường hợp cân bằng c mm 24.22 Diện tích cốt thép chịu kéo tính toán As mm2 3584.49

Kiểm tra hàm lượng cốt thép tối thiểu:

2

 

1.2Mcr N.mm 542048368.9 1.33Mu N.mm 842954000

Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo ds mm 500 Chiều cao vùng bê tông chịu nén a mm 17.68 Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén d’s mm 50 Sức kháng uốn danh định tính theo mặt cắt hình chữ nhật Mn kN.m 785.09

Kiểm tra điều kiện: Mu ≤ Mr = fMn Check OK

Moment tính toán ở TTGH sử dụng Ms kN.m 317.3 Khoảng cách từ thớ chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu kéo ds mm 500

Trang 34

Diện tích cốt thép chịu kéo As mm2 4181.5

Thành phần dự ứng lực hữu hiệu trên hướng lực cắt tác dụng Vp kN 0

Diện tích cốt thép đai chịu cắt Av mm2 904.78 Sức kháng cắt của cốt đai thép chịu cắt Vs N 1043346.47

5.3.4 Phần bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment dương

Hình 5.32 Bố trí cốt thép cho bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment dương

Bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment dương Kí hiệu Đơn vị Giá trị

2

 

1.2Mcr N.mm 296127625.2 1.33Mu N.mm 201229000

Trang 35

Số thanh n thanh 14 Diện tích cốt thép chịu kéo chọn As(chọn) mm2 2814.86464 Chọn cốt thép chịu nén:

Diện tích cốt thép chịu nén chọn A's(chọn) mm2 2155.13074

Diện tích cốt thép đai chịu cắt Av mm2Sức kháng cắt của cốt đai thép chịu cắt Vs N 0.00

5.3.5 Phần bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment âm

Hình 5.33 Bố trí cốt thép cho bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment âm

Trang 36

Bản nắp phía trong dầm hộp chịu moment âm Kí hiệu Đơn vị Giá trị

2

 

1.2Mcr N.mm 562503024.4 1.33Mu N.mm 364154000

Diện tích cốt thép chịu kéo As mm2 4181.45629

Diện tích cốt thép chịu nén A's mm2 2211.67936

Hệ số sức kháng cắt theo quy định v  0.9 Thành phần dự ứng lực hữu hiệu trên hướng lực cắt tác dụng Vp kN 0

Trang 37

Ứng suất cắt danh định v MPa 0.59

Diện tích cốt thép đai chịu cắt Av mm2Sức kháng cắt của cốt đai thép chịu cắt Vs N 0.00

Trang 38

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN VÀ KIỂM DUYỆT THANH CHỐNG XIÊN

6.1 Kích thước của thanh chống xiên

Hình 6.1 Kích thước của thanh ống thép xiên D300 6.2 Vật liệu làm thanh chống xiên

Modun đàn hồi: Ec = 200000 MPa Cường độ chảy nhỏ nhất: Fy = 345 MPa Cường độ chịu kéo nhỏ nhất: Fu = 485 MPa

Hệ số giãn nở nhiệt: 1.17e−5

Trọng lượng riêng: γc = 78.5 kN/m3

6.3 Cách tính toán nội lực phát sinh trong thanh chống

Việc tính toán nội lực trong thanh chống xiên được tính toán bằng cách mô hình tiết diện mặt cắt ngang của dầm chủ có thanh chống trên phần mềm Midas Civil 2019 Cách mô hình tính toán thanh chống cũng giống tương tự như cách mô hình tính toán bản mặt cầu, nhưng bề rộng tính toán được lấy bằng khoảng cách giữa 2 thanh chống theo phương dọc cầu, Btt = 3.0 m

6.4 Xác định các nội lực tác dụng lên thanh chống

Ta có bề rộng làm việc của dải bản là: Btt = 3.0 m + Tĩnh tải do lớp phủ tác dụng: DW = 0.075322.5 = 5.06 (kN/m) + Tĩnh tải do lan can tác dụng: DClc = (0.2725 + 0.1) 3= 20.55 (kN/m) + Hoạt tải HL93 theo phương ngang cầu bao gồm tải trọng làn q = 9.3 kN/m và xe tải 3 trục thiết kế xếp theo phương ngang cầu với tải trọng bánh xe P = 72.5 kN

Hình 6.2 Sơ đồ hoạt tải xe 3 trục tác dụng lên thanh chống

6.5 Mô hình hóa bằng phần mềm Midas Civil và xuất kết quả nội lực

Hình 6.3 Thông số đầu vào Midas của mặt cắt ngang thanh chống

Ta tiến hành mô hình mặt cắt ngang tính toán thanh chống xiên trong phần mềm Midas

Hình 6.5 Mô hình hóa sơ đồ chịu lực của thanh chống xiên bằng Midas Civil

Sau khi mô hình hóa sơ đồ chịu lực của thanh chống xiên bằng phần mềm Midas Civil, ta tiến hành xem và xuất các kết quả nội lực tại TTGH cường độ 1 và TTGH sử dụng của thanh chống

Trang 39

Hình 6.6 Biểu đồ Lực dọc (Axial Force) của thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

Hình 6.7 Biểu đồ Moment của thanh chống xiên ở TTGH CĐ1

Hình 6.8 Biểu đồ Lực cắt (Shear Force) của thanh chống xiên ở TTGH CĐ1 * Nội lực tính toán ở Trạng thái giới hạn sử dụng:

Hình 6.9 Biểu đồ Lực dọc (Axial Force) của thanh chống xiên ở TTGH SD

Hình 6.10 Biểu đồ Moment của thanh chống xiên ở TTGH SD

Hình 6.11 Biểu đồ Lực cắt (Shear Force) của thanh chống xiên ở TTGH SD 6.6 Kiểm toán thanh chống xiên

6.6.1 Kiểm tra các yêu cầu về cấu tạo * Kiểm tra về độ mảnh giới hạn:

Hình 6.12 Mặt cắt ngang của thanh chống xiên

Ở đây thanh chống chủ yếu là chịu nén dọc trục, đối với các cấu kiện chịu nén, cần phải thỏa mãn yêu cầu về độ mảnh theo điều kiện sau:

KL120

Trang 40

Trong đó:  K: là hệ số chiều dài hiệu dụng lấy theo điều 4.6.2.5 Với liên kết chốt ở cả 2 đầu K = 0.875  L = 3657 (mm) là chiều dài không giằng

 r: là bán kính hồi chuyển nhỏ nhất Tính như sau:

Ir

A

+ Với I là moment quán tính của mặt cắt ngang:

* Kiểm tra về chiều rộng và chiều dày giới hạn đối với cấu kiện nén dọc trục

- Theo điều 9.4.2 11823-06-2017, chiều dày vách của các ống thép kể cả thép mặt rỗng phải thỏa mãn điều kiện sau:

y

2.8t   FTrong đó:

+ D = 300 (mm) là đường kính ống thép + t = 12 (mm) là chiều dày ống thép + E = 200000 (Mpa) là modul đàn hồi của thép + Fy = 345 (Mpa) là cường độ chảy nhỏ nhất của thép

Kiểm tra điều kiện về giới hạn chiều rộng và chiều dày đối với nén dọc trục ta có:

6.6.2 Kiểm tra sức kháng nén dọc trục theo Trạng thái giới hạn cường độ 1

Theo kết quả nội lực tính toán thanh chống xiên của phần mềm Midas Civil, xét theo trạng thái giới hạn cường độ 1, ta thấy nội lực thanh chống chủ yếu chịu nén dọc trục, do đó ta chỉ kiểm toán theo cấu kiện chịu nén đúng tâm và có Lực nén tính toán ở TTGH CĐ1 là Pu = 1527.3 (kN)

Điều kiện kiểm toán:

Pr > PuSức kháng nén tính toán của các cấu kiện chịu nén Pr phải được lấy như sau:

Pr = φcPnTrong đó:

 Pn: là sức kháng nén danh định  φc: là hệ số sức kháng nén theo quy định Tính toán sức kháng nén danh định:

Đối với các cấu kiện không liên hợp chịu nén, sức kháng nén danh định Pn được lấy như sau: Nếu: λ ≤ 2.25 thì:

Pn = 0.66λFyAsNếu: λ > 2.25 thì:

Pn =0.88FyAs

lTrong đó:

 As= 10875.34 mm2: là diện tích mặt cắt ngang của mặt cắt thép  Fy= 345 MPa: là cường độ chảy nhỏ nhất quy định của thép  Hế số λ tính như sau:

λ = (KLrπ)

2

 Fy

E = (0.875 × 3657

144𝜋 )

2

× 345200000= 0.0863 < 2.25 Do đó sức kháng nén danh định được tính theo công thức:

Pn = 0.660.0863× 345 × 10875.34 = 3619827.52 N = 3619.83 kN Sức kháng nén tính toán :

Pr = φ × Pn = 0.9 × 3619.83 = 3257.84 kN Kiểm tra lại điều kiện ta có:

Pu = 1527.3 (kN) < Pr = 3257.84 (kN) => Thỏa mãn điều kiện