Đồ án môn học cảng biển bến cầu tàu đài mềm hệ dầm bản trên nền cọc bê tông cốt thép ƯST

Đồ án môn học cảng biển bến cầu tàu đài mềm hệ dầm bản trên nền cọc bê tông cốt thép ƯST

I SỐ LIỆU ĐẦU VÀO

Kết cấu công trình bến : Cầu tàu đài mềm hệ dầm bản trên nền cọc bê tông cốt thép

ứng suất trước

1 Loại tàu thiết kế : Tàu chở quặng

trước bến, m

2 Tải trọng hàng hóa, phương tiện, thiết bị

Sơ đồ 2.8.a – Trang 41 - Sách Công trình bến cảng

Theo chiều rộng bến tải trọng được phân thành các vùng sau :

200 200 600

A B

C D

Kích thước, mChiều dài

Bề rộng

Chiều cao mạn

Mớn nước Chiều dài đoạn thẳng tàu

Lớn nhất

Ltmax

Giữa hai đường vuông góc Lw

đầy hàng không hàng hàngđầy không hàng

Hình1: Sơ đồ tải trọng khai thác

- Dựa vào các số liệu về cao trình bến sẽ được trình bày ở mục II.1 sau đây :

Thiết kế tải trọng Cấp II

- Tốc độ gió theo phương dọc tàu : Vgdt = 4 (m/s)

- Tốc độ gió theo phương ngang tàu : Vgnt =16 (m/s)

4.3 Số liệu về dòng chảy

- Tốc độ dòng chảy theo phương dọc tàu : Vdcdt = 0,9 (m/s)

- Tốc độ dòng chảy theo phương ngang tàu : Vdcnt = 0,4 (m/s)

II XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN

1 Xác định các cao trình bến

1.1 Cao trình mặt bến

Cao trinh mặt bến được xác định theo hai trường hợp như sau :

- Theo tiêu chuẩn chính :

T - Mớn nước khi tàu chở đầy hàng

hàng hoá bị xê dịch

Z1 - Độ dự phòng chạy tàu tối thiểu tính với an toàn lái tàu

Z2 - Độ dự trữ do sóng, theo bài ra trước bến không có sóng

Z3 - Độ dự phòng về tốc độ tính tới sự thay đổi mớn nước của tàu khi chạy so với mớn nước của tàu neo đậu khi nước tĩnh

Z4 - Độ dự phòng cho sa bồi

Xác định các độ dự phòng Z0, Z1, Z2, Z3, Z4 (Theo tiêu chuẩn 22-TCN-207-92)

Với tàu chở quặng ta có:

Z0 = 0,026 x Bt = 0,026 x 18,5 = 0,481 (m) (theo bảng 6-tiêu chuẩn 22-TCN-207-92)

Z1 = 0,07 x T = 0,07 x 8 = 0,56 (m) (theo bảng 3-tiêu chuẩn 22-TCN-207-92)

2 Xác định chiều dài bến

phòng d theo công thức:

Lb = Lt + dTrong đó d được lấy theo bảng 1-3 sách Công trình bến cảng

- Chọn bước cọc theo phương ngang 5,25 (m)

- Chọn bước cọc theo phương dọc 4,5 (m)

- Dầm ngang và dầm dọc không dưới chân cần trục có kể cả chiều dày bản sàn bê tông cốt thép : b x h = 100 cm x 150 cm

- Dầm dọc dưới chân cần trục có kể cả chiều dày bản sàn: b x h = 100 cm x 170 cm.

- Tường chắn cao 2,5 m, rộng 2 m

- Khe giữa tường chắn và bản rộng 5 cm

III XÁC ĐỊNH CÁC LOẠI TẢI TRỌNG – TỔ HỢP TẢI TRỌNG

1 Tải trọng gió tác dụng lên tàu

Vdoc = 4 (m/s)

Vngang = 16 (m/s)

Angang, Adoc - Diện tích cản gió theo phương ngang tàu và phương dọc tàu

Vngang, Vdoc - Vận tốc gió theo phương ngang tàu và phương dọc tàu

ξngang ,ξdoc - Hệ số lấy theo bảng 2-6 Sách Công trình bến cảng :

2 Tải trọng dòng chảy tác dụng lên tàu

Theo 22 TCN 222 - 95 (trang 521):

Thành phần ngang Qω và thành phần dọc Nω của tải trọng do dòng chảy tác động lên tàu được xác định theo công thức:

2 ngang doc

Nω =

Vngang, Vdoc - Vận tốc dòng chảy theo hướng ngang và dọc tàu (m/s).

3 Tải trọng neo tàu

Tải trọng tác dụng lên công trình do lực kéo của dây neo

Xác định theo mục 5.11 [Tr.525 - 22TCN222-95] Lực neo S (KN) tác dụng lên một bích neo được xác định theo công thức sau :

.sin cos

t Q S

=Trong đó :

n - Số lượng bích neo chịu lực, chọn n = 4 (Lt = 144m< 150 m)

α , β - Góc nghiêng của dây neo (xem hình dưới đây), được lấy theo

Lực tác dụng lên công trình theo 2 phương: Phương vuông góc Sq , phương song với

4 Tải trọng tựa tàu

- Tải trọng phân bố q do tàu đang neo đậu ở bến tựa lên công trình dưới tác dụng của sóng, gió, dòng chảy được xác định theo công thức sau :

Ltx - Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa tàu với công trình

Q S n

=

Động năng của tàu được xác định theo công thức sau :

2

2

q

D V

E =ψ Trong đó :

D - Lượng rẽ nước của tàu D = 15000 (T)

V - Thành phần vuông góc với mép bến của tốc độ tàu cập lấy theo

Eb - Năng lượng biến dạng của bến:

2

12

q b

E l E

l = 17,8 m Chiều dài tính toán của cọc

Số lượng đệm tàu trên một phân đoạn là 5 chiếc.

Thiết bị đệm tàu bằng cao su µ = 0,5 → Thành phần lực song song với mép bến

Fn = µ.Fq = 0,5x270 = 135 (KN)

6 Tải trọng thiết bị , hàng hóa.

Thiết kế tải trọng Cấp II

Cấp tải trọng

khai thác trên

bến

Tải trọng do thiết bị và phương

- Tải do cần cẩu K250:Tải trọng do cần cẩu tác dụng lên cầu tàu có dạng tập trung đặt

tại chân của cần cẩu áp lực được cho mỗi chân lần lượt là : 100 (T) ,60 (T)

200 200 600

A B

C D

825

Hình3: Sơ đồ tải trọng khai thác

7 Tải trọng bản thân

Bao gồm trọng lượng của bản, dầm ngang, dầm dọc Để tính toán nội lực của bến ta cắt một dải bản song song với dầm ngang có chiều rộng bằng khoảng cách giữa hai hàng cọc.

- Tải trọng bản:

Ta có tải trọng bản thân do bản là tải trọng phân bố được xác định:

qbản = b x h x γbt

Trong đó:

qbản - Tải trọng bản thân của bản

b - Bề rộng dải bản tính toán lấy bằng nhịp dầm

t - Chiều cao dầm không kể bản

Thay các giá trị vào ta có: qdầm ngang = 1 x 1,2 x 2,5 = 3 (T/m)

- Tải trọng dầm dọc : Pdầm dọc = a x t x γbt

Các ký hiệu như trên, thay các giá trị ta có:

+ Dầm dưới chân cần trục : Pdầm dọc = 1 x 1,4 x 2,5 = 3,5 (T/m)

+ Dầm không dưới chân cần trục : Pdầm dọc = 1 x 1,2 x 2,5 = 3 (T/m)

- Tải trọng của dầm vòi voi

Tải trọng của dầm vòi voi được tính một cách tương đối và quy về thành tải trọng tập trung tại đầu dầm :

275 500

2950

525 525

500 500

Hình4: Sơ đồ tính toán chiều dài cọc.

Chiều dài tính toán của cọc xác định theo phương pháp kinh nghiệm : ltt = l0 + η.d

l0 - chiều dài tự do của cọc

η - Hệ số kinh nghiệm được lấy trong khoảng từ (5 ÷ 7), trong đồ án chọn η = 6

A B

iy

H x x

ix

H y y

H

∑Trong đó :

giả thiết cọc đều ngàm chặt trong đất và ở đầu cọc thì phản lực ngang Hix và Hiy của cọc đơn được xác định như lực cắt Q gây ra do các chuyển vị đơn vị theo các công thức của cơ học kết cấu :

- Mô men quán tính của cọc :

Từ các công thức đó ta có bảng tổng phản lực các đầu cọc như sau:

Xét một số trường hợp cầu tàu chịu tác dụng của các tải trọng tác dụng theo phương ngang và chọn ra trường hợp nguy hiểm nhất để tính toán

- Cầu tàu chịu lực neo tàu

Lực neo tàu tác động lên từng phân đoạn của cầu tàu thông qua lực căng dây neo Thành phần lực ngang của dây neo này là: Sq và Sn đã tính toán ở trên Trong hai trường hợp tàu đầy hàng và không hàng thì trường hợp tàu không hàng có tải trọng neo lớn hơn do đó lấy tải trọng neo trong trường hợp này để tính toán

Chuyển lực neo về tâm đàn hồi :

ΣX = -2.Sn = -21,0886 (T)

ΣY = -2.Sq = -12,1755 (T)

Mo = 267,34 (Tm)

- Cầu tàu chịu lực va tàu :

Ta có tải trọng va tàu bao gồm 2 thành phần đã tính được ở trên là :

+ Thành phần vuông góc với tuyến mép bến: Fq = 18,5 (T)

+ Thành phần song song với tuyến mép bến: Fn = 9,25 (T)

Từ đó ta có kết quả phân bố lực va tàu lên các khung ngang và khung dọc như sau:+ Theo phương x :

8 0.16314 0.2423 0.3698 0.5987 1.0597 1.8311 4.2647

- Cầu tàu chịu lực tựa tàu:

Ta có kết quả phân bố lực tựa tàu lên các khung ngang và khung dọc như sau:

- Tổng lực phân bố trên các đầu cọc tác dụng theo khung ngang và dọc:

Kết luận : Khung số 1là khung ngang nguy hiểm nhất với trường hợp neo tàu, khung số

9 là khung ngang nguy hiểm nhất trong trường hợp va tàu

9 Tổ hợp tải trọng.

Các tổ hợp tải được trình bày trong bảng sau:

hợp bản thân hàng hóa cần trục neo tàu va tàu tựa tàu

Lấy biểu đồ bao của 6 tổ hợp trên

- Sơ đồ các trường hợp tải:

+ Tải trọng bản thân: Bản + Dầm ngang + Dầm dọc + Vòi voi

525 500

2950 500 500

525 500

2950 500 500

2950

525 525

500 500

125

+ Tải trọng neo tàu

Sq= 1.955 T

275 500

2950

525 525

500 500

125

+ Tải trọng va tàu:

Py,va= 4.686 T

275 500

2950

525 525

500 500

125

+ Tải trọng tựa tàu

Py,tua= 2 T

275 500

2950

525 525

500 500

525 500

2950 500 500

+ Tải trọng bản thân, Tải trọng hàng hoá, Tải trọng va tàu

525 500

2950 500 500

+ Tải trọng bản thân, Tải trọng hàng hoá, Tải trọng tựa tàu

525 500

2950 500 500

+ Tải trọng bản thân, Tải trọng hàng hoá, Tải trọng cầu trục, Tải trọng neo tàu

525 500

2950 500 500

+ Tải trọng bản thân, Tải trọng hàng hoá, Tải trọng cầu trục, Tải trọng va tàu

525 500

2950 500 500

+ Tải trọng bản thân, Tải trọng hàng hoá, Tải trọng cầu trục, Tải trọng tựa tàu

525 500

2950 500 500

IV GIẢI CẦU TÀU

1 Giải nội lực trong khung ngang cầu tầu

- Hệ phương trình chính tắc theo phương pháp Antonov :

Sơ đồ kết cấu khung ngang gồm 6 nút:

1011

12

76

- Sử dụng phần mềm SAP200 để giải nội lực: Biểu đồ và số được thể hiện ở phụ lục

- Thống kê kết quả cực trị của dầm ngang và cọc

- Kiểm tra sức chịu tải của cọc

Sức chịu tải của cọc tính theo đất nền được xác định theo công thức :

d

gh s

F P F

α1, α2: Hệ số kể đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc Ở đây dùng phương pháp đóng ép cọc nên lấy α1 = α2 = 1.

Ri : Sức kháng đầu mũi của lớp đất thứ i ngay mũi cọc

Fc,ui :Diện tích mũi cọc và chu vi tiết diện cọc Fc = 0,5024 (m2) , ui = 2,512 (m)

τi : Cường độ ma sát thành bên của lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh cọc

Tính toán sức chịu tải của cọc từ chiều sâu ngàm giả định, cọc đóng vào lớp đất 3 Chiều dài cọc chọn là 42 m, chia làm 2 đoạn, cao trình mũi cọc là -37 m Cọc mép bến

có chiều sâu cắm trong đất là nhỏ nhất nên ta dùng để tính toán sức chịu tải của cọc Đặc trưng của các lớp đất :

(m)

γ(T/m3)

ϕ(°)

P P F

= ≈193,11 (T) > Nmax = 178,18 (T)

 Chiều dài cọc chọn là 42 m đảm bảo sức chịu tải của cọc

- Xác định nội lực trong trường hợp thi công cẩu lắp:

Cọc có chiều dài 42 m, chia làm 2 đoạn cọc, mỗi đoạn dài 21 m

+ Cọc trong quá trình cẩu lắp 1 móc cẩu:

Điểm đặt móc cẩu được xác định sao cho mômen dương lớn nhất tại giữa nhịp bằng trị

số mômen âm lớn nhất tại gối trong quá trình cẩu lắp.Theo giáo trình Nền và Móng của tác giả Lê Đức Thắng thì: a = 0,294xL = 0,294x21 = 6,174 (m)

Tải trọng tác dụng lên cọc là tải trọng bản thân cọc có dạng phân bố đều trên chiều dài đoạn cọc.Giá trị tải trọng này được xác định như sau:

+ Trường hợp cẩu lắp 2 móc cẩu và vận chuyển cọc:

m 2

m 2

Điểm đặt móc cẩu được xác định sao cho mômen dương lớn nhất tại giữa nhịp bằng trị

số mômen âm lớn nhất tại gối trong quá trình cẩu lắp.Theo giáo trình Nền và Móng của tác giả Lê Đức Thắng thì: b = 0,207xL = 0,207x21 = 4,347 (m)

2

qb

= 4,94 (T.m)Lực cắt lớn nhất: Q2.max = q.b = 0,523 x 4,347 = 2,273 (T)

Nhận thấy : M1 > M2 → Nội lực trong cọc tương ứng với trường hợp cẩu lắp 1 móc cẩu nguy hiểm hơn, dùng giá trị nội lực này để tính toán cọc trong giai đoạn thi công

Mmax = M1 = 9,968 (Tm)

Qmax = Q1 = 3,23 (T)

2 Giải nội lực bản sàn cầu tàu :

Chọn ô bản chịu tải trọng hàng hóa lớn nhất để tính toán, qh = 6 (T/m2)

- Tải trọng tính bản :

d d

Tính toán bản kê 4 cạnh theo sơ đồ khớp dẻo Giả thiết cốt thép đặt đều theo phương l1,

lực ta được biểu thức :

Do đó : M1 ≈ 2,57 T.m ; M2 = 1,799 T.m

MI = 3,855 T.m ; M II= 3,238 T.m

M’I = 3,855 T.m ; M'II= 3,238 T.m

Biểu đồ để tính cốt thép cho bản :

3 Tính toán nội lưc dầm vòi voi

Dầm vòi voi chịu tác dụng của lực va tàu và tựa tàu.Phần trên của dầm vòi voi liên kết với dầm ngang, truyền tải trọng vào dầm ngang và chủ yếu là lực nén nên không cần tính toán mà chỉ tính toán với phần dầm bên dưới như dầm côngxon chịu uốn dưới tác dụng của lực tựa tàu và lực va tàu

F

- Lực tác dụng lên dầm trong trường hợp tựa là : F = 4,5 T

2,57Tm

4,2 m

- Thiên về an toàn ta xem như lực này đặt tại đầu dầm, khi đó mô men tại mép ngàm

Rtd : Thành phần trượt do khối đất gây ra

Rtp : Thành phần trượt do cọc gây ra

có điều kiện :

g tr

M = M

k ∑

∑ =n n ne.m . d = 1.1,25.1,15 1,25

n : hệ số vượt tải n=1,25 với cảng biển

ne: hệ số tổ hợp tải trọng ne=1 với tổ hợp cơ bản

nd: hệ số điều kiện làm việc mômen trượt nd=1,15

m : hệ số điều kiện làm việc mômen giữ m =1,15

Với tâm trượt nguy hiểm nhất ta có :

Mtr = R.(Σgi.sinαi + Σwi.zi)

Mg = R [(Σgi.cosαi tgϕi ) + ΣCi.li + ΣQ]

Trong đó :

R : Bán kính cung trượt

gi : Tổng trọng lượng của lớp đất thứ i và các cấu kiện công trình trong phạm vi đó

điểm cung trượt và đường tác dụng lực gi: αi = arcsin ri

R

ri : Khoảng cách theo đường nằm ngang từ tâm quay O1 đến đường tác dụng của lực gi

ϕi , Ci : Góc nội ma sát và lực dính của lớp đất thứ i

li : Chiều dài đoạn cung ở đáy cột thứ i

wi = 0 : Áp lực thuỷ động tăng thêm

zi : Khoảng cách của tâm cung trượt đến đường tác dụng gi

z

4.M Q

Mc : Mômen uốn của cọc dưới mặt trượt:

2

p a c c

( - ).l t M

đất truyền lên cọc: lc= L khi L≤3d ;lc=3dckhi L>3d

4.3 Xác định tâm trượt nguy hiểm

Sau đó ta tính thêm 2 điểm O2 (5,453; 5) , O3 ( 7; 7,049)

Chia lớp phân tố như hình vẽ Ta tính ổn định cho 3 tâm trượt O1, O2, O3:

a) Kiểm tra ổn định cho tâm trượt O1( 5,453 m ; 7,049 m ) R1=50,91 (m)

Tổng mômen gây trượt : Mt = 33846 (Tm)

Tổng mômen giữ : Mg = 117246 (Tm )

K Mg

Mt =

Vậy đảm bảo điều kiên ổn định

b) Kiểm tra ổn định trượt với tâm O2 ( 5,453 m; 5 m ) , R= 48,793 m

Tổng mômen gây trượt: Mt = 33846 ( Tm )

Tổng mômen giữ: Mg = 112122 ( Tm)

K Mt 11212233846 3,31

Mg =

Vậy đảm bảo điều kiên ổn định

c) Kiểm tra ổn định trượt với tâm O3 ( 7; 7,049) có bán kính R= 51,189 m

m = 2.5

O1

xy

Tổng mômen gây trượt: Mt = 41002,3 ( Tm )

Tổng mômen giữ: Mg = 119535,6 ( Tm)

K = Mg Mt =119535,641002,3 =2,9 > Kmin = 1,25

Vậy đảm bảo điều kiên ổn định

Bảng tính chi tiết ổn định tâm O1,O2,O3 được thể hiện trong phụ lục C

V TÍNH TOÁN CÁC CẤU KIỆN CẦU TÀU

kn – hệ số bảo đảm, với công trình cấp II , kn = 1,25

nc – hệ số tổ hợp tải trọng, với tổ hợp cơ bản nc = 1,0

mb – hệ số điều kiện làm việc của bê tông , mb = 1,15

ma – hệ số điều kiện làm việc của cốt thép , ma = 1,1

Rn, Ra.n – Cường độ chịu nén của bê tông và cốt thép , Rn = 175 KG/cm2

Ra – cường độ chịu kéo của cốt thép: Ra = Ra.n = 2800 KG/cm2

Để đảm bảo điều kiện phá hoại dẻo  α ≤m αr (ξ ≤ ξr )

Với αm = ξ.(1-0,5 ξ) ; ξ = x/h0 ; αr = ξr.(1-0,5ξr )

Bê tông M300 , cốt thép nhóm AII , tra bảng 17 – tiêu chuẩn bê tông cốt thép thuỷ công 4116-85 ta được ξr = 0.6.

 αr = 0.6x(1-0.5 x 0.6) = 0.42

Giả thiết đặt cốt thép đơn Fa ,  F’a = 0.Từ công thức (1) ta có :

2 0

n c m

2.2 Tính toán cốt đai, không bó trí cốt xiên

Theo “Kết cấu bê tông cốt thép”, điều kiện để không phải tính cốt thép ngang là :

kn.nc.Q ≤ mb Qb với Qb = k1.Rk.b.h0

Nếu kn.nc.Q < mb Qb Bê tông đủ khả năng chị cắt, cốt đai bố trí theo cấu tạo

Nếu kn.nc.Q > mb Qb Bê tông không đủ khả năng chịu cắt, cần tính toán cốt đai

Điều kiện cường độ trên tiết diện nghiêng theo lực cắt: Qmax < Qbi +Qsw

Qbi – Lực kháng cắt của bê tông trên tiết diện nghiêng có hình chiếu Ci

Qbi = Mb/ Ci và Mb = 2Rbtbho2

Ci – Hình chiếu trên tiết diện nghiêng: Ci = l- 0,5bc < 2

3

b o b h

ϕϕ

Qsw – Lực cắt do cốt đai chịu được trên vết nứt nghiêng có hình chiếu Co ( Với Co= 2ho)

Qsw = qswCo

Tính giá trị qsw theo các hệ số bi

bi

Q Q Q

Q q

C

χχ

C

−

=Khoảng cách giữa các lớp cốt đai:

tt

sw

R A s

q

+ Theo câu tạo: Với dầm h> 45 cm Thì: sct ≤min(h/3; 50)

Với dầm h≤ 45 cm Thì: sct≤min(h/2; 150)

+ Khoảng cách lớn nhất giữa các cốt đai:

2 4 max

max

b R bh bt o s

Q

ϕ

=Vậy khoảng cách các đai cần bố trí s = min ( stt; sct; smax )

2.3 Tính toán sự hình thành và mở rộng vết nứt :

Theo tiêu chuẩn 4116 – 85, chiều rộng vết nứt aT vuông góc với trục dọc dầm được

+ k : Hệ số kể đến tính chất chịu lực của cấu kiện, với cấu kiện chịu uốn k = 1

+ Cg : Hệ số xét đến tính chất của tải trọng tác dụng , với tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời là 1,2

+ η : Hệ số kể đến loại thép sử dụng , với cốt thép thanh AII có gờ lấy là 1

+ σa : Ứng suất trong cốt thép chịu kéo không kể đến cường độ bê tông vùng chịu kéo

của mặt cắt , với cấu kiện chịu uốn thì σa xác định theo công thức : a .

a

M

F Z