THIẾT KẾ CẦU THÉP - CHƯƠNG 3 ppsx

• Hệ liên kết dọc thứ hai và những liên kết ngang trong phạm vi nhịp có tác dụng – Tăng độ cứng của kết cấu nhịp – Chịu tác động của tải trọng lệch tâm tốt – Tăng cường ổn định cho cánh

TRƯỜNG………

KHOA………

THIẾT KẾ CẦU THÉP -

CHƯƠNG 3

Chương 3: CẦU DẦM THÉP

1 Giới thiệu chung

2 Cấu tạo dầm thép

3 Các bộ phận của cầu dầm thép

4 Nguyên tắc bố trí dầm trong cầu ôtô

5 Cầu dầm bê tông cốt thép liên hợp

6 Tính toán cầu dầm thép

BÀI 1: GIỚI THIỆU CHUNG

1 Khái niệm

2 Các sơ đồ cầu dầm thép

1 Khái niệm

• Nửa đầu thế kỷ XIX, sử dụng KCN dầm thép khárộng rãi để bắc qua những nhịp lớn

• Bộ phận chịu lực chính là dầm có sườn đứng ởdạng đặc

• Cầu đường sắt, thường có hai dầm chủ

• Cầu đường ô tô: số lượng dầm chủ nhiều hơn vàxác định trên cơ sở các điều kiện kinh tế kỹ thuật

1 Khái niệm

• Trong kết cấu nhịp cầu tối thiểu phải có một

hệ thống liên kết dọc và những liên kết ngang tại gối.

• Hệ liên kết dọc thứ hai và những liên kết ngang trong phạm vi nhịp có tác dụng

– Tăng độ cứng của kết cấu nhịp

– Chịu tác động của tải trọng lệch tâm tốt

– Tăng cường ổn định cho cánh trên chịu nén

2 Các sơ đồ cầu dầm thép

2.1 Cầu dầm giản đơn

2.2 Cầu dầm liên tục

2.3 Cầu dầm mút thừa

2.1 Cầu dầm giản đơn

• Cầu dầm giản đơn thường dùng l ≤ 40-60m, đối vớinhịp l ≤ 25-30m thì rất kinh tế

• Mặc dù nó có khối lượng thép lớn nhưng do cấutạo, thi công đơn giản nên giá thành vẫn rẻ

• Nó có thể áp dụng cho các loại địa chất và rất thíchhợp cầu nhiều nhịp Cầu dầm giản đơn thường cóchiều cao h không thay đổi

BÀI 2: CẤU TẠO DẦM THÉP

• Tiết diện ngang của dầm ghép

• Sườn tăng cường

1 Tiết diện ngang của dầm ghép

• Có thể chế tạo từ thép tấm, thép góc hoặc thép T(làm nhiệm vụ bản cánh) liên kết với một tấm thép(làm nhiệm vụ của bản bụng) để tạo thành một tiếtdiện I

• Ngoài ra còn có dầm delta là một dầm ghép cócánh hình ống

2 Sườn tăng cường

• Sườn tăng cường là một bộ phận của dầm, là tấmthép hàn vào bản bụng để phân bố tải trọng, truyềnlực cắt và chống mất ổn định

• Sườn tăng cường dạng ống có độ cứng chốngxoắn tốt hơn nhưng chế tạo phức tạp và tốn kémhơn

• Sườn tăng cường có thể đặt đứng hoặc ngang

BÀI 3: CÁC BỘ PHẬN CỦA CẦU DẦM THÉP

• 1 Bản mặt cầu

• 2 Dầm dọc

• 3 Hệ liên kết ngang

• 4 Hệ liên kết dọc

1 Bản mặt cầu

• Loại thông dụng nhất là mặt cầu bê tông cốt thép

có thể liên hợp hoặc không liên hợp với dầm thép

• Bản mặt cầu là một dầm liên tục kê trên các dầmdọc chịu uốn ngang Do đó chịu mômen dương ởgiữa nhịp và mômen âm trên dầm dọc

2 Dầm dọc

• Thường đặt cách đều nhau và có cùng kích thước

• Lực trong dầm dọc do tĩnh tải và hoạt tải phụ thuộcvào chiều dài nhịp và khoảng cách giữa chúng.Nhìn chung dầm chịu các tải trọng sau

– Tải trọng bản thân và tĩnh tải bản mặt cầu kýhiệu là DC Phần tải trọng bản dành cho dầmnằm giữa hai tim dầm dọc

– Tải trọng tĩnh phần II: lớp áo đường, lan can, tayvịn,… ký hiệu là DW

– Hoạt tải, gồm cả xung kích

4 Hệ liên kết dọc

• Trong cầu đường sắt, khi dầm dọc của hệ mặt cầu

có nhịp lớn hơn 3m và không có bản mặt cầu thìphải có hệ liên kết dọc trên

• Khi tà vẹt đặt trực tiếp lên dầm thì khoảng cách từmặt trên các thanh và bản nút của hệ liên kết dọcđến đáy tà vẹt phải lớn hơn 4cm

• Các liên kết ngang cũng coi là thanh của hệ liên kếtdọc

• Hệ liên kết dọc có thể cấu tạo dạng một thanhchéo, hai thanh chéo, dạng chữ K

BÀI 4: NGUYÊN TẮC BỐ TRÍ DẦM

TRONG CẦU ÔTÔ

• Một số dầm đặt cách đều và song song với nhau

đỡ bản mặt cầu bê tông cốt thép

• Bố trí hai dầm chủ đặt cách nhau tương đối xa, đỡcác dầm ngang

• Một cách phân bố khác, trong đó hoạt tải truyềnqua một hệ thống dầm dọc phụ và dầm ngang đếnhai dầm chủ

• Cũng có thể bố trí khung dầm dọc phụ, cho phépkhoảng cách giữa các dầm dọc phụ lớn hơn, phùhợp với nhịp bản

BÀI 5: CẦU DẦM THÉP

BÊ TÔNG CỐT THÉP LIÊN HỢP

• 1 Đặc điểm của kết cấu liên hợp

• 2 Các bộ phận chính trong cầu dầm thép BTCTliên hợp

• 3 Điều chỉnh ứng suất trong cầu dầm thép BTCTliên hợp

1 Đặc điểm của kết cấu liên hợp

• Kết cấu liên hợp tạo thành một kết cấu chịu uốn cómômen quán tính lớn hơn dầm thép thông thường,giảm độ võng do hoạt tải

2 Các bộ phận chính trong cầu dầm thép

BTCT liên hợp

6 Điều chỉnh ứng suất trong cầu dầm

thép BTCT liên hợp

• 6.1 Dùng trụ tạm

• 6.2 Tạo chuyển vị gối và chất tải trọng phụ

• 6.3 Dùng bản bê tông có cốt thép kéo trước

6.1 Dùng trụ tạm

6.2 Tạo chuyển vị gối

và chất tải trọng phụ

6.2 Tạo chuyển vị gối

và chất tải trọng phụ

6.3 Dùng bản bê tông

có cốt thép kéo trước

6.3 Dùng bản bê tông

có cốt thép kéo trước

• Trong dầm liên tục và hẫng, có thể tạo mộ bản bêtông cốt thép phụ ở dưới ngay tại vùng có mômenâm

BÀI 6: TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP

• 1 Tổng quan về thiết kế cầu dầm

• 2 Tiết diện I chịu uốn

• 3 Sức kháng cắt của tiết diện I

• 4 Neo chống cắt

• 5 Sườn tăng cường

1 Tổng quan về thiết kế cầu dầm

• Nguyên lý thiết kế theo hệ số tải trọng và hệ số sức kháng (LRFD) là:

– Xác định được sức kháng danh định hay tính toán của các bộ phận kết cấu để kiểm tra theo điều kiện ở trên.

2 Tiết diện I chịu uốn

• 2.5 Tóm tắt tiết diện I chịu uốn

• 2.6 Nhận xét về tiết diện I chịu uốn

- Nếu độ ổn định bị hạn chế thì khả năng chịuuốn sẽ nhỏ hơn Mp

- Nếu mất độ ổn định nghiêm trọng thì khả năngchịu uốn nhỏ hơn My

2.1 Tổng quát

• 2.1.1 Momen chảy My và mômen dẻo Mp

• 2.1.2 Sự phân bố lại mômen

• 2.1.3 Ổn định

• 2.1.4 Phân loại tiết diện

2.1.1 Momen chảy My và mômen dẻo Mp

• Xét 1 dầm giản đơn có tiết diện I đối xứng chịumômen uốn thuần túy tại giữa nhịp bởi 2 lực tậptrung bằng nhau

• Khi tăng tải trọng, biến dạng tăng, đến khi thớngoài cùng của tiết diện đạt ε = F /E Trị số

ngoài cùng của tiết diện đạt εy = Fy/E Trị sốmômen uốn khi thớ ngoài cùng đạt cường độ chảygọi là mômen chảy My

2.1.1 Momen chảy My và mômen dẻo Mp

• Tiếp tục tăng tải trọng, biến dạng tăng, hiện tượngquay bắt đầu và càng nhiều thớ cánh đạt cường độchảy

• Trường hợp tới hạn khi biến dạng do tải trọng lớnđến mức toàn bộ tiết diện coi như đạt cường độchảy Fy Khi đạt đến điểm này, toàn tiết diện thànhdẻo và mômen uốn tương ứng gọi là mômen dẻoMp

2.1.2 Sự phân bố lại mômen

• Khi tiết diện đạt mômen dẻo Mp, độ quay phụ sẽxuất hiện tại tiết diện và hình thành một khớp dẻo

có sức chịu mômen Mp không đổi Khi khớp dẻoxuất hiện trong kết cấu tĩnh định thì dầm sẽ bị gãy

• Nếu khớp dẻo hình thành trong 1 kết cấu siêu tĩnh,hiện tượng gãy không xảy ra và xuất hiện một khảnăng chịu tải phụ

2.1.3 Ổn định

• Mất ổn định tổng thể xuất hiện khi bản cánh chịunén của tiết diện chịu uốn không được giữ theophương ngang

• Lúc đó nó sẽ có tính chất như một cột và cókhuynh hướng mất ổn định ra ngoài mặt phẳnggiữa hai điểm được giữ theo phương ngang

• Tuy nhiên bản cánh là một bộ phận của dầm, cóvùng chịu kéo giữ cho cánh đối diện luôn luônthẳng, tiết diện ngang bị xoắn khi cánh trên dịchchuyển ngang

2.2 Mômen chảy và mômen dẻo

• 2.2.1 Mômen chảy của tiết diện liên hợp

• 2.2.2 Mômen chảy của tiết diện không liên hợp

• 2.2.3 Trục trung hòa dẻo của tiết diện liên hợp

• 2.2.4 Trục trung hòa dẻo của tiết diện không liênhợp

• 2.2.5 Mômen dẻo của tiết diện liên hợp

• 2.2.6 Mômen dẻo của tiết diện không liên hợp

• 2.2.7 Chiều cao của bản bụng chịu nén

2.2.1 Mômen chảy của tiết diện liên hợp

• Mômen chảy My là mômen gây nên ứng suất chảyđầu tiên tại bất kỳ bản cánh nào của tiết diện thép

• Vì tiết diện ngang có tính chất đàn hồi cho đến khixuất hiện cường độ chảy đầu tiên nên có thể ápdụng nguyên lý cộng mômen

My = MD1 + MD2 + MAD

2.2.2 Mômen chảy của tiết diện

2.2.3 Trục trung hòa dẻo của

tiết diện liên hợp

• Vị trí của trục trung hòa dẻo tính bằng cách cânbằng lực dẻo chịu nén và lực dẻo chịu kéo

• Nếu không rõ ràng thì giả định vị trí TTHD sau đóchứng minh hoặc bác bỏ giả thiết bằng cách cộngcác lực dẻo

• Nếu vị trí giả định không thỏa mãn điều kiện cânbằng thì giải biểu thức để xác định vị trí đúng củaTTHD

2.2.4 Trục trung hòa dẻo của tiết

diện không liên hợp

• Đối với tiết diện không liên hợp, sẽ không có sựtham gia làm việc của bản mặt cầu Nếu tiết diệndầm thép đối xứng, với cánh trên và cánh dướibằng nhau thì Pc = Pt và = D/2

2.2.5 Mômen dẻo của tiết diện liên hợp

• Mômen dẻo Mp là tổng mômen của lực dẻo đối

.với trục trung hòa dẻo.

2.2.6 Mômen dẻo của tiết diện

không liên hợp

• Giống mômen dẻo của tiết diện liên hợp nhưngkhông kể đến lực dẻo trong bản bê tông chịu nén

và trong cốt thép của bản

2.2.7 Chiều cao của bản bụng chịu nén

• Khi xét tới độ mảnh của bản bụng về mất ổn định,chiều cao của bản bụng chịu nén đóng vai tròquan trọng

- Trong tiết diện không liên hợp, dầm thép đốixứng kép, một nửa chiều cao bản bụng D chịunén

- Với tiết diện không đối xứng không liên hợp

và liên hợp, chiều cao chịu nén của bản bụng sẽthay đổi theo chiều uốn của dầm liên tục

2.2.7 Chiều cao của bản bụng chịu nén

• Đối với các mặt cắt chịu uốn dương, chiều caocủa bản bụng chịu nén Dc tại mômen đàn hồithiết kế bằng chiều cao mà trên đó tổng đại sốcủa các ứng suất trong thép ở các mặt cắt liênhợp dài hạn và liên hợp ngắn hạn do các tĩnh tải

và hoạt tải gây ra cộng với xung kích đều là ứngsuất nén

• Đối với các mặt cắt chịu uốn âm, có thể tính toán

Dc cho mặt cắt bao gồm dầm thép cộng với cốtthép theo phương dọc

2.3 Ổn định

• 2.3.1 Mất ổn định cục bộ

• 2.3.2 Mất ổn định xoắn ngang

2.3.1 Mất ổn định cục bộ

• 2.3.1.1 Mất ổn định của bản bụng

• 2.3.1.2 Mất ổn định của bản cánh chịu nén

Mất ổn định thẳng đứng của bản bụng

Mất ổn định uốn của bản bụng

2.3.1.2 Mất ổn định của

bản cánh chịu nén

2.3.2 Mất ổn định xoắn ngang

3 Sức kháng cắt của tiết diện I

diễn bằng

Vn = VT + VσTrong đó

VT : sức kháng cắt tác động lên dầm

Vσ : sức kháng cắt do tác động của trường căng

3.5.5 Tổng hợp khoang có vách được tăng cường

D d

( )

p p

o

D d

C C

=

2

) / ( 1

1 87 0

cr C

D

10 1

≤

yw w

Ek t

D F

Ek

38 1 10

D

38 1

>

yw

Ek t

D

C

/

1 1

=

Ek t

D

/

52 1

=

4 Neo chống cắt

• Có nhiều loại neo chống cắt: neo cứng, neo mềm, neo bằng bu lông cường độ cao Trong tài liệu này chỉ giới thiệu neo hình nấm

• Trong cầu liên hợp, neo chống cắt thường được bố trí trên toàn chiều dài nhịp

4.1 Trạng thái giới hạn mỏi neo hình

nấm

[A.6.10.7.4.2]

α = 238 – 29.5lgN

2 2

19d d

4.7.1 Trạng thái giới hạn mỏi neo hình nấm

• Lực cắt ngang trên một đơn vị chiều dài Vhđược tính theo công thức

4.1 Trạng thái giới hạn mỏi neo hình

nấm

• Lực cắt trên một đơn vị chiều dài được chống đỡ bằng n neo của một tiết diện ngang với khoảng cách p (mm) giữa các

I

nZ p

sr r

=

4.2 Trạng thái giới hạn cường độ cho neo hình nấm

5 Sườn tăng cường

• Bản bụng của thép hình cán thường đủ dày để đạt ứng suất chảy uốn và cắt mà không mất ổn định

• Có thể dùng cả sườn tăng cường đứng và dọc để nâng cao cường độ bản bụng

– STC đứng tăng cường độ chịu cắt

– STC dọc tăng cường độ mất ổn định uốn củabản bụng

5.1 Sườn tăng cường đúng trung gian 5.1.1 Độ mảnh

• Theo 6.10.8.1.2

yc

p t

F

Et

b

d

48

030

5.1 Sườn tăng cường đúng trung gian

5.1.2 Độ cứng

• Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 [A.6.10.8.1.3]

J t

Trong đó:

– tw : chiều dày bản bụng (mm)

– do : khoảng cách của gờ tăng cường ngang (mm)

– Dp : chiều cao bản bụng không có các sườn tăng cường dọc hoặc chiều cao lớn nhất của bản bụng có các sườn tăng cường dọc (mm).

5.1 Sườn tăng cường đúng trung gian 5.1.3 Cường độ

• Diện tích tiết diện ngang của STC đứng trung gian phải đủ lớn để chống lại thành phần thẳng đứng của ứng suất xiên trong vách

• Giả thiết rằng chiều dài có hiệu của vách là 18twcùng làm việc với sườn tăng cường.

r

u w

s

F

F t

V

V C BDt

5.2 Sườn tăng cường gối

5.2.1 Dầm thép cán

• Yêu cầu có STC gối ở vách của dầm cán tại điểm có lực tập trung khi

Vu > 0.75ϕbVnTrong đó:

– ϕb : hệ số sức kháng đối với gối

– Vu : lực cắt do các tải trọng tính toán (N)

– Vn : sức kháng cắt danh định (N)

5.2 Sườn tăng cường gối

– bt : chiều rộng cánh lồi của STC

– tp : chiều dày phần tử lồi của STC

– Fys : cường độ chảy của STC

ys p

t

F

E t

b

48 0

≤

5.2 Sườn tăng cường gối

5.2.3 Sức kháng tựa

• Các đầu của STC gối phải được áp sát với bảnbiên dưới để nhận phản lực từ đáy bản biên ởgối và vào đáy bản biên trên để nhận lực tậptrung từ kết cấu nhịp xuống

• Diện tích tựa có hiệu nhỏ hơn diện tích nguyên

vì đầu STC phải vát chéo để không cho mủ hànlọt vào góc giữa bản biên và vách Sức khángtựa tính toán, Br phải được lấy như sau:

Br = ϕbApnFys

5.2 Sườn tăng cường gối

5.2.4 Sức kháng nén dọc trục

• Sức kháng nén dọc trục tính toán được tính theo công thức

Pr = ϕcPnTrong đó

ϕc : hệ số sức kháng nén

Pn : sức kháng nén danh định