CHUONG MO DAU:
NHUNG VAN DE CHUNG
Trang 2A _LÝ DO CHỌN ĐÈ TÀI
Việc áp dụng tiêu chuẩn mới 22TCN 272-05, có tham khảo tiêu chuẩn
AASHTO LRFD 1998 , AASHTO LRFD 2002 trong tính tốn thiết kế kết cầu
nói chung và bản mặt cầu nói riêng, còn gặp nhiều bỡ ngỡ, khó khăn đối với sinh
viên ngành Xây Dựng Cầu Đường
Trong tiêu chuẩn cho phép tính nội lực bản mặt cầu bằng nhiều phương pháp, nhưng lại chưa đưa ra được nhân xét chính xác về các biện pháp trên Do đó là một kỹ sư thiết kế cầu thì việc lựa chọn và đưa ra một phương pháp hiệu quả tối ưu mang ý nghĩa quan trọng không chỉ mang lại hiệu quả về mặt kinh tế, mà còn nâng cao sự ôn định của kết cấu thượng tầng
Hiện nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thơng tin, đã góp phần lớn trong việc sử dụng phương pháp tính dé tinh tốn kết cấu cơng trình Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM) là một trong những phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất trong việc xây dựng các
chương trình phân tích kết câu, chẳng hạn như : SAP2000, RM2000, Midas civil
Và các chương trình này ngày càng được hoàn thiện và phát triển
Do đó trong đề tài này chúng em có đề cập đến nội dung tính nội lực Bản mặt cầu theo phương pháp chính xác (phương pháp phần tử hữu hạn) bằng phần mềm
Midas civil, để so sánh với các phương pháp tính nội lực khác trong 22TCN 272-
05 Qua đó áp dụng để mơ hình kết cấu trên phần mềm này mà tiêu biểu là “
Câu Đông Nai đang xây mới ” B MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 có tất cả 5 phương pháp đề tính
tốn nội lực bản mặt cầu :
> Phuong php tính chính xác (phương pháp phần tử hữu han)
> Phuong phap tính gần đúng ( phương pháp dải tương đương )
> Phương pháp tính kinh nghiệm
Trang 3
> Phuong phap tinh truyền thống
Riêng hai phương pháp tính kinh nghiệm (9.7.2 22TCN 272-05) va tinh
truyền thống (9.7.3 22TCN 272-05) theo PGS.TS Nguyễn Viết Trung (Đại Học
Giao Thông Vận Tải Hà Nội ) thì nội dung chính là quy định chỉ tiết về kích
thước cấu tạo, số lớp cốt thép, số lượng cốt thép tối thiểu, cấp cốt thép Sau khi
các yêu cầu cầu tạo thỏa mãn có thể khơng cần tính tốn Do những nguyên nhân
trên nên trong nội dụng đề tài bản than em không đưa vào đề tài của mình
Cịn hai phương pháp còn lại đều có những ưu điểm, khuyết điểm riêng
Từ những ưu, khuyết đó em có thể đưa ra một cái nhìn tổng quát về hai phương
pháp này Từ đó có thể tùy trường hợp thực tế mà có thể áp dụng thích hợp cho từng phương pháp
C ĐÓI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Mặt cầu là bộ phận chịu tải trọng và chủ yếu quyết định chất lượng giao
thông, chất lượng khai thác của cầu Do đó trong thiết kế bản mặt cầu là bộ phận
được tính tốn đầu tiên
Hình 1.1 : Bản mặt cầu và các ảnh hưởng
Trong công tác thiết kế ngày nay, đặc biệt là những cơng trình mang tầm cỡ quốc gia như : Cầu Đồng Nai mới, Cầu Rạch Miều, Cầu Mỹ Thuận với
nhiều kết cấu, bộ phận phức tạp thì việc tính nội lực cho từng kết cấu đòi hỏi phải
nhanh, hiệu quả cao Do đó không cho phép ta cùng một lúc có thể áp dụng nhiều
Trang 4
phương pháp tính cho cùng một kết cấu Vì nó đòi hỏi rất nhiều thời gian và công sức, mà yêu cầu công việc không cho phép điều đó Ta chỉ có thể lựa chọn một phương pháp đề thiết kế nhưng phải đảm bảo tính chính xác cao
Dường như để đáp ứng được các yêu cầu trên thì việc tự động hóa trong thiết kế cầu được cho là phù hợp Trong thiết kế kết cầu xây đựng nói chung và Bản mặt cầu nói riêng thì Midas civil là phần mềm được đề cập đến Tuy nhiên việc áp dụng như thế nào để phù hợp với tiêu chuẩn cho phép thì đường như chưa được đề cập đến Đó chính là yêu cầu đặt ra trong đề tài này cần xem xét
Bản mặt cầu hay còn gọi là kết cầu thượng tầng của cầu có những tác động
ảnh hưởng đến sự én định : s Tác động bên trong
> Tai trong Bản mặt cầu Bê Tông Cốt Thép > Tai trong Lan can
> Tải trọng Lớp phủ bê tông át phan
> Tai trong giải phân cách (nếu có)
s* Tác động ngồi :
> Trọng lượng xe cộ qua lại > Trọng lượng người đi (nếu có) D NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU:
Từng bước xác định nội lực Bản mặt cầu theo hai phương pháp :
+ Dải tương đương quy định theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05
(phương pháp gần đúng)
+ Phương pháp phần tử hữu han bang phan mém midas civil (phương pháp
tính chính xác)
Xác định độ chệnh lệch của kết quả bang ty lệ %,và đưa ra nhận xét cụ thể về hai phương pháp Từ đó đưa ra kiến nghị cho đề tài
Trang 5
E PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (kèm theo phan giải thích tiêu chuẩn
của Bộ Giao Thông Vận Tải) có tham khao thêm tiêu chuẩn AASHTO LRED
1998 , AASHTO LRFD 2002 để tính nội lực Bản mặt cầu theo phương pháp dải
tương đương
Sử dụng Phần mềm Midas đẻ tính nội lực bản mặt cầu theo phương pháp
tính chính xác
Tìm được sự tương quan từ hai phương pháp đựa vào kết quả tìm được ( Nội lực Max, Min)
Từ đó đưa ra được tính thực tiễn của từng phương pháp F ĐỘ TIN CÂY CỦA ĐÈ TÀI
Đề tài được dựa trên những quy đỉnh xây dựng trong tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 của Bộ Giao Thông Vận tải thay thế cho bộ tiêu chuẩn cũ 22TCN
18-79 Đồng thời có tham khảo tham một số ý kiến của các Giáo Sư Tiến Sĩ đầu
ngành về cách vận dụng tiêu chuẩn trong tính tốn thiết kế như : GS TS Nguyễn Viết Trung (Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội), GS.TS Lê Đình Tâm
(Bộ mơn Cầu - Hầm trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội), TS Lê Bá Khánh
(Trưởng Bộ môn Cầu — Đường trường Đại Học Bách Khoa Thành Phó Hồ Chí
Minh)
Áp dụng nguyên tắc thiết kế trong phần mềm Midas phiên bản 7.01 của môn “Tin học Cầu — Đường” để mơ hình kết cấu Bản mặt cầu và tính nội lực phần kết cầu thượng tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam
Một số cơng trình cầu điển hình đã được thiết kế, tính tốn với Midas
/cilvil :
+ Cầu SooTong : là cầu dây văng lớn thứ 2 trên thế giới với nhịp chính dài 1088 m, bắc qua sông Dương Tử Trung quốc.Được midas Civil phân tích với
1253 nút cùng 1532 phần tử, trong đó có 272 phần tử cáp và 1260 phần tử thanh
dầm tổng quát
Trang 6
Hinh 1.2-Cau Sootong — Trung Quéc
+ Cầu Thuận Phước — Việt Nam : là cầu 3 nhịp dây võng (125 + 405 +125 =655 m)
Hình 1.3-Cầu Thuận Phước — Việt Nam + Cầu samchun Bay Grand (Hàn Quốc):
Hình 1.4- Cầu samchun Bay Grand (Hàn Quốc):
Trang 7
G Ý NGHĨA CỦA ĐÈ TÀI:
Đề tài này được thực hiện không những đưa ra phương pháp tối ưu mang tính hiệu quả cao mà còn đề cao được tính tự động hóa trong cơng tác thiết kế bang phan mém Midas civil
Từ hai kết quả cặp nội lực tính tốn, giúp cho các sinh viên làm đồ án và
kỹ sư thiết kế có được nhận xét và cách lựa chọn phù hợp cho từng phương án
tính nội lực của đồ án môn học cũng như trong công tác thiết kế kết cấu bản mặt
câu
H KẾT CẤU ĐÈ TÀI
Gồm những chương chính sau :
CHƯƠNG I : SƠ LƯỢC VÈ TIÊU CHUẨN 22TCN272-05 VÀ HAI PHƯƠNG PHÁP TÍNH NỘI LỰC BẢN MẶT CAU
1.1 SO LUQC VE TIEU CHUAN 22TCN 272-05 1.1.1 Nguyên tắc thiết kế
1.12 Hệ số tải trọng và các trạng thái giới han
1.2 SƠ LƯỢC HAI PHƯƠNG PHÁP TÍNH NỘI LỰC BẢN MẶT CÀU
1.2.1 PHƯƠNG PHÁP DẢI BẢN (PHƯƠNG PHÁP TÍNH GÀN
DUNG)
1.22 PHƯƠNG PHÁP PHÀN TỬ HỮU HẠN (PHƯƠNG PHÁP TÍNH CHÍNH XÁC)
CHƯƠNG II : VÍ DỤ TÍNH TỐN CỤ THE
2.1 Tính tốn nội lực cầu dầm I 2.2 Tính tốn nội lực cầu dầm hộp
CHUONG III : KET LUAN VA DUA RA NHUNG KIEN NGHỊ
Trang 8
CHƯƠNG I:
SO LUOC VE TIEU CHUAN THIET
KE CAU 22TCN 272-05 VA CAC
PHUONG PHAP TINH TOAN
THIET KE BAN MAT CAU
Trang 9I Sơ Lược tiêu chuẩn 22 TCN 272-05
1.1 Nguyên tắc cơ bản cúa tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05
Tiêu cẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 thỏa mãn tất cả các trạng thái giới
hạn, cả tổng thể và cục bộ, các biểu thức được thẻ hiện dưới đạng :
n>: XQ, SOR,
Trong đó :
Q; : Hiệu ứng tải trọng
Rạ : Sức kháng danh định của vật liệu +¡ : Hệ số tải trọng theo thống kê
® : hệ số sức kháng theo thống kế của sức kháng danh định 1: hé số điều chỉnh tải trọng
12 Hệ số tải trong va cac trang thai gidi han :
1.2.1, Tải trọng thiết kế
Các tải trọng thường xuyên và tức thời sau đây được xem xét : e Tải trọng thường xuyên:
DD = Lực ma sát âm
DC = Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu và liên kết
DW = Tải trọng tĩnh của các lớp mặt cầu và thiết bị EH = Áp lực ngang của đất
EL= Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do thi công ES = Tai trong cia dat chất thêm
EV = Ap luc thẳng đứng do tải trọng dat dap e_ Tải trọng tức thời :
BR = Lực hãm xe CE = Luc li tâm
CR = Từ biến
CT = Lực xô va của xe cộ CV = Lực xô va của tàu bè
Trang 10
EQ = Lực động đất
FR = Lực ma sát
IM = Luc xung kích của xe cộ LL = Hoạt tải xe
LS = Áp lực đất do hoạt tải sau mé PL = Tải trọng người đi
SE=Lún SH = Co ngot TG = Gadient nhiét
TU = Nhiét d6 phan bé déu
WA = Tải trọng nước và áp lực dòng chảy WL = Gio trén xe
WS = Tai trong gió trên kết cấu
1.2.1 Các trạng thái giới han và hệ số tải trọng
A Các trang thái giới hạn :
1.2.1.1 Trang thái giới hạn cường độ I:
Là tổ hợp tải trọng cơ bản để tính với tải trọng khai thác khi trên cầu có xe và khơng có gió
1.2.1.2 Trạng thái giới hạn cường độ II :
Là tổ hợp tải trọng dé tính cầu chịu lực gió có vận tốc lớn hơn 25m/s Trên
câu khơng có xe
1.2.1.3 Trang thái giới hạn cường độ IH :
Là tô hợp để tính với trường hợp xe chạy bình thường khi trên cầu có gió
với vận tôc dưới 25 m/s
1.2.1.4 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gay do mdi:
Trạng thái này nhằm hạn chế sự phát triển của vết nứt và tránh hiện tượng đứt gãy do tải trọng khai thác Xe tải thiết kê đề tính mỏi là xe tải đơn, có khoảng cách giữa các trục xe cô định
1.2.1.5 Trạng thái giới hạn đặc biệt :
Bao gồm các trạng thái đặc biệt xảy ra có chu kỳ lớn hơn tuổi thọ thiết kế của cơng trình (động đất, va tàu) Trạng thái này nhằm đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau biến cố, mạc dù có thể bị hư hỏng
1.2.1.6 Trạng thái giới hạn sử dụng :
Trang 11
Trạng thái giới hạn sử dụng phải được xem xét đến như một số hạn chế đối với ứng suất,biến dạng và vết nứt dưới điều kiện bình thường
B Các hệ số tải trọng và tô hợp tải trọng :
Các hệ số tải trọng cho các tổ hợp khác nhau và tĩnh tải được trình
bày trong bảng 1.1 và bảng 1.2: Bảng 1.1 Các tổ hợp tải trọng và hệ số tải trọng Tổ hợp | DC [ LL |WA[WS |WL[ FR | TU [TG [SE] Cùng một lúc tải DD | IM CR chỉ dùng một
trong | DW| CE SH trong các tải
trạng | EH | BR trọng
thái giới | EV | PL EQ | CT | CV
han ES | LS EL
Cường | y, | 1,75] 1,00] - - | 1,00 | 0,5/1,2 | Y„w } Yse | - - - độ I
Cường | y, - |J1,00|1/40| - | 1,00 | 0,5/1,2 | yag | yg| - - - độ II
Cường | y„ | 1,35 | 1,00 | 0,40 | 1,00 | 1,00 | 0,5/1/2 | yạe | yø | - - - độ II Đặc biệt | y„ |0,50| 1/00, - - | 1,00 - Sử dụng | 1,0 | 1,00 | 1,00 | 0,30 | 1,00 | 1,00 | 1,0/1,2 | yo | yon | - - - Mỏichỉ | - |0.75| - - - - - - - - - - có LLM, CE
Bảng 1.2 Hệ số tải trọng cho tĩnh tải thường xuyên
Loai tai tong Hệ số tải trọng
Lớn nhất Nhỏ nhất
DC : Cấu kiện và các thiết bị phụ 1,25 0,90
DD : Kðo xuống 1,80 0,45 DW : Lớp phủ mặt cầu và các tiện ích 1,50 0,65 EA : áp lực ngang của đất Chủ động 1,50 0,90 Nghỉ 1,35 0,90 EL : Các ứng suất lắp ráp bị hãm 1,00 1,00 EV : áp lực đất thẳng đứng e ổn định tổng thể 1,35 N/A
e©_ kết cấu tường chắn 1,35 1,00
e kết cấu vùi cứng 130 0,90
+ Khinsne # | #8
e _ Kết cấu vùi mềm khác với cống hộp thép 1.50 0.90
Trang 12
e_ ống hộp thép mềm
ES : Tải trọng đất chất thêm 1,50 0,75
1.3 Tái trọng trong tiêu chuẩn 22TCN 272-05 :
1.3.1 Tải trọng thẳng đứng :
Tải trọng thẳng đứng là tải trọng gây ra đo trọng lượng của vật thể nằm trên cầu Các loại này vừa là tĩnh tải vừa là hoạt tải và tác dụng từ trên
xuống theo hướng vào trọng tâm của quả đất 1.3.1.1 Tải trọng thường xuyên :
Tải trọng thường xuyên hay còn gọi là tĩnh tải là tải trọng nằm bất động trên cầu trong một thời gian dài,có lẽ trong suốt thời gian phục vụ (Kết cấu nhịp, mặt cầu, lan can, go chắn bánh wee
Bảng 1.3 Tỷ trọng của một số cấu kiện
Vật liệu Ty trong (kg/m*)
Hop kim nhom 2800
Lớp phủ bêtông atpha 2250 Xi than 960 Cát chặt, phù xa hay đất sét 1925 Nhẹ 1775 Bêtông Cát nhẹ 1925 Thường 2400
Cát rời, phù xa, sỏi 1600
Đất sét mềm 1600
Sỏi, cuội, macadam, balat 2250
Thép 7850
Đá xây 2725
Nước Ngọt 1000
Mặn 1025
1.3.1.2 Tải trọng tức thời (Hoạt tải) : 1.3.1.2.1 Hoat tdi xe 6 t6 : LL
Hoạt tải thiết kế HL-93 gồm tổ hợp của :
- _ Xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng làn
- Xe hai truc két hợp với tải trọng làn
° Xe tải thiết kế :
Trang 13
Trọng lượng và khoảng cách giữa các trục của bánh xe của xe tải
thiết kế (xem hình 1.3) Cự li giữa hai trục 145 KN thay đổi giữa
4300 mm và 9000 mm để gây ra ứng lực lớn nhất | T T 18001
35EN fey am “KN x3tigom '45KN Nói chung 600mm =
mút thừa của mặt cầu
Làn thiết kế 3.6m
Hình 1.4- Đặc trưng của xe tải thiết kế
° Xe tai hai truc :
Xe dac biét gồm hai trục, mỗi trục 110 KN cách nhau 1200 mm ° Tải trọng làn :
Tải trọng làn thiết kế bao gồm tải trọng rải đều 9,3 N/mm xếp theo
phương dọc cầu Theo chiều ngang được giả thiết phân bó đều trên chiều rộng 3000 mm Hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế không xét lực xung kích
1.3.1.2.2 Hệ số làn xe
Nếu trên cầu đồng thời có một số làn xe thì phải nhân với hệ số làn
xe để xác suất xảy ra hiệu ứng cựa đại
Trang 14Bảng 1.5 Lực xung kích IM
Cấu Kiện IM
Môi nội bản mặt câu 75%
Tắt cả các trạng thái giới hạn
Tât cả kêt câu khác
Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy 15%
Các trạng thái giới hạn khác 25%
II Các phương pháp tính nội lực bản mặt cầu
2.1.Phương pháp tính dải tương đương ( phương pháp tính gần đúng ) 2.1.1 Phương làm việc của Bán mặt cầu (theo 4.6.2.1.5 )
Nếu khoảng cách của các cấu kiện đỡ theo hướng phụ lớn hơn 1.5 lần theo hướng chính, thì phương làm việc của bản mặt cầu theo phương ngang của cầu ( vng góc với hướng xe chạy ) ngược lại thì mặt cầu được mơ hình hóa như một hệ các dải giao nhau
2.1.2 Khái qt:
Mơ hình tính tốn coi mặt cầu như các đải bản vng góc với các cấu kiện đỡ
Khi tính toán hiệu ứng lực trong bản, phân tích một dải rộng 1m theo
phương ngang cầu Các cầu kiện kê được giả thiết là cứng tuyệt đối
2.1.3 So dé tinh :
Ta có hai sơ đồ tính, phần hãng ở đầm biên được tinh theo sơ đồ công son, các bản mặt cầu phía trong tính theo sơ đồ dầm lien tục kê trên các gối cứng tại
các vị trí đầm chủ Cũng có thể sử dụng sơ đồ bản ngàm tại hai sườn đầm chủ với
đường lối phân tích gần đúng như sơ đồ bản giản đơn kê 2 cạnh được tính như
dầm giản đơn sau đó xét hệ số điều chỉnh cho ngam
Trang 15
ì t T T T | 1
ph = tr =
Pll ~~~~~~~~
A A
Hình 2.1 — Các sơ đồ tính tốn của Bản mặt cầu
2.1.3.1 Tính toán nội lực bản hing :
+ Tĩnh tái tac dụng cho dái bán rộng 1m theo phương ngang cầu
i 1.50 0.25 0.30 0.55 e@ [|
Hinh 2.2 — MG hinh tai trọng tác dụng lên cánh hãng e Tĩnh tái do trọng lượng bán than bản mặt cầu :
Trang 16
DC, = 1m x t, x Yur = (KN/m) e Tinh tai do trong lwong lan can :
DC, = 1m x Anan can X Yor = (KN) (luc tap trung)
¢ Tinh tải do gờ chắn bánh xe :
DC; = 1m x Aggy chin X Yor = (KN) (luc tp trung) e Tĩnh tải do lớp phủ :
DW = 1m X hyna x Yipna = (KN/m)
+ Hoạt tải tác dụng cho dải bản rộng 1m theo phương ngang cầu Hoạt tải tác dụng gồm tất cả các tải trọng được quy định như trong điều 3.6.1, trong đó tải trọng bánh xe được mơ hình hóa như tải trong tập trung hoặc
tải trọng vệt mà chiều đài đọc theo nhịp sẽ là chiều dài của diện tích tiếp xúc của
lốp xe với mặt đường
©ˆ Diện tích phân bó của bánh xe lên bề mặt bản
- _ Chiều rộng (làm việc theo phương ngang cầu) b +t, = 510 + t, - _ Chiều đài (làm việc theo phương dọc cầu) :
IM
=2 10`ya+ |1+—— |xP+
1=2.28 x 10° y, nh ts vn—Hé số tải trọng
IM- Lực xung kích
P — tai trong xe 72.5 KN cho tai trong xe thiét ké, 55 KN cho xe hai truc t,— Chiều dày bản mặt cầu
Để thuận lợi cho mơ hình tính tốn theo sơ đồ phẳng, tác dung của tải trọng bánh xe có thể quy đổi về 1 bang tải chiều đài (b + t,) theo phương ngang cầu có cường độ phân bố cho 1m chiều rộng bản :
Trang 17
teh) [pee
Hinh 2.3 — Phan bé tai trọng bánh xe
P
LL = ———
(b+t,)xE
Với E= 1140 + 0.833 x (mm) : Chiều rộng đải bản chịu ảnh hưởng của
bánh xe ở phần hằng
Ví trí tác động của bánh xe lên bản hãng : tim bánh xe cách mép đá vỉa
300 mm (3.6 1.3 L)
Khi tính tốn thiết kế bản hang thường chỉ bố trí một làn xe nên phải nhân
thêm hệ số làn xe m = 1,2
Theo điều 3.6.1.3.4 khi chiều dài hãng không quá 1800 mm và có lan can
bằng bê tông liên tục, tải trọng của dãy bánh xe ngoài cùng được thay thế bằng
tải phân bố đều có cường độ 14,6 N/mm = 1640 N/m đặt cách mút hãng 0,3 m
e Công thức tính nội lực bản hãng :
Mô men tại ngàm :
Trang 182.1.3.2 Tính toán nội lực bản kiểu dầm
+ Tính tốn mơ men dương :
Đối với bản cầu dầm có thể phân tích như dải bản liên tục kê trên các
dầm chủ
Trị số mô men tại mặt cắt giữa nhịp của bản hai đầu ngàm xác định theo công thức :
M 05L = kx Most
Véi M;,, - Mé men do ngoai tai gay ra tai mặt cắt giữa nhịp bản giản don
k— hệ số điều chỉnh lay bằng 0,5
Hình 2.4— Sơ đồ đơn giản hóa
e Tinh tai tac dung:
Các bộ phận kết cấu được tính cho 1 m chiều rộng bản Hệ số tải trọng tĩnh tra theo bảng sau :
Bang 1.6
eta ane THiệ số vượt tải
TT Loại tải trọng Kíhieu | Dạng tác động POE
>1 <1 01 | Trọng lượng bản thân DC, Phân bố 1.25 0.9 04 | Lớp phủ mặt cầu DW Phan bo 1.50 0.65
Trang 19
e Hoạt tải tác dụng :
Chiều rộng đải tương đương của bánh xe ở vùng mô men dương :
E* = 660 + 0,55.S (mm)
Y Tac dung cia banh xe tai thiét ké :
"ăn với E >1000 mm
+t, x
V6i Py, = = =72,5(KN)
v Tác dụng của bánh xe hai trục :
Tùy thuộc vào trị số chiều rộng của dải bản tương đương E :
- E< 1,2 m chỉ có l bánh xe của xe hai trục đặt trong phạm vi chiều rong của dải bản tương đương nên hoạt tải do bánh xe gây ra có trị số:
LL “bathe voi E > 1000 mm
+ 3)X
- E > 1,2m chỉ có 2 bánh xe của xe hai trục đặt trong phạm vi chiều rộng của dải bản tương đương nên hoạt tải do bánh xe gây ra có trị số:
2P, (b+t,)xE Với Pụ = = =55(KN) UUUUNII {Wii mm ⁄4 m
"Trường hợp có 1 bánh của xe 2 trục 'Trường hợp có 2 bánh của xe 2 trục
Hình 2.5 -Phân bỗ bánh xe trên dải mặt cầu
Trang 20
So sánh chọn giá trị lớn của áp lực bánh xe trong các trường hợp trên để đưa vào tính tốn thiết kế
v Tác dụng của tải trọng làn :
- Khi đải cơ bản là ngang (phương chịu lực theo phương ngang cầu) có chiều dài nhịp tính tốn khơng vượt q 4600 mm - các dải bản ngang phải được thiết kế theo các bánh xe của trục nặng xe tải 145 KN
-_ Khi dải cơ bản là ngang có chiều dài nhịp tính tốn vượt q 4600 mm - các dải bản ngang phải được thiết kế theo các bánh xe của trục nặng xe tải 145 KN và tải trọng làn
Cau tao ban ngam 2 I £ i
in - ~ L 2 | £ 1
dau i ⁄⁄ ir LY 2
1 800 1200, 1800
Sơ đồ tính mơ men P-ẫ04⁄/2KN_ a
tại mật cắt giữa nhịp
của đảm giản đơn DAH M (giita nhịp)
So đỏ tính toán lực cất tại gối L—— ĐAH Q6)
y„ - hệ số tải trọng của hoạt tải = 1,75 m- hệ số làn chất tải
OJ' - diện tích phần đường ảnh hưởng mô men đưới tác dụng của tĩnh tải
Q™ - điện tích phần đường ảnh hưởng mô men dưới tác dụng của bánh xe tải
thiết kế
O†' - điện tích phần đường ảnh hưởng mô men dưới tác dụng của tải trọng làn
thiết kế
LL¡ — cường độ tải trọng làn theo phương ngang cầu bằng (9,3/3) KN/m
Trang 21Mô men tại mặt cắt giữa nhịp khi xét tới hiệu ứng ngàm tại hai đầu bản :
M;,,=0,5 Mj
+ Tính tốn mơ men âm :
Trình tự tính tốn hồn tồn tương tự như tính tốn mơ men dương nhưng thay trị số chiều rộng dải tương đương E tính theo cơng thức :
E = 1220+ 0,25.S (mm)
Sau khi tính được mơ men tại mặt cắt giữa nhịp của mơ hình dầm bản giản đơn trên hai gối khớp Mj, mô men âm tại gối được suy ra nhờ xét tới hệ số điều chỉnh do tính chất ngàm của bản :
M¿„ =-0.8xM¿
2.1.3.3 Tính tốn nội lực bản kiểu dầm (dùng phương pháp tra bảng) A.4 BANG THIET KE CAU BAN :
Đây là bảng giá trị mô men trên một đơn vị chiều rộng tính đến lực xung
kích và hệ số làn đường Mô men lớn nhất gây ra do hoạt tải đưa ra trong bảng tra phụ thuộc vào khoảng cách giữa các dầm chủ Đối với các giá trị không có
sẵn trong bảng thì chúng ta sử dụng phương pháp nội suy để tính tốn
Trong thiết kế bản mặt cầu trên thế giới thì phương pháp trên đượ sử dụng
nhiều hơn so với phương pháp phần tử hưu hạn vì sẽ tiết kiệm được thời gian đo
không phải triển khai phần tử hữu hạn % Điều kiện áp dụng :
e Các mô men được tính theo phương pháp đải tương đương áp dụng cho bản bê tông tựa trên các dầm song song
e_ Đã có hệ số làn và hệ số xung kích trong giá trị bảng
® Cựlytim dầm đến vị trí mặt cắt thiết kế mô men âm trong mặt cầu
xem điều 4.6.2.1.6 Có thể dung phép nội suy các giá trị trong bảng
cho các cự ly khác với bảng trên
Trang 22
e_ Các mô men áp dụng cho mặt cầu được tựa trên ít nhất 3 dầm và có bề rộng giữa tim hai đầm ngoài cùng không nhỏ hơn 4200 mm
e Các mô men đại diện cho biên trên ở các vùng trong của bản và với cự ly dầm khác nhau trong mặt cắt ngang cầu Với mỗi tô hợp cự ly dầm và số lượng dầm đã xét 2 trường hợp chiều rộng cánh hãng sau đây: a) Tổng chiều rộng cánh hãng tối thiểu là 530 mm tính từ tìm dầm ngồi
cùng
b) Tổng chiều rộng cánh hãng tối đa là 0,625 x cự ly dam va 1800 mm,
lây giá trị nhỏ hơn
Đã lấy chiều rộng hệ lan can là 530 mm để xác định chiều rộng cánh Với
các chiêu rộng khác của hệ lan can, khác biệt về mô men trong cac ving bên trong của bản được coi là năm trong giới hạn châp nhận được đôi với
thiết kê thực hành
- Các mô men không áp đụng cho cánh hãng mặt cầu và các vùng lân cận của mặt cầu nên cần được thiết kế theo quy định riêng
Và em sẽ dùng phương pháp này để tính mơ men đo hoạt tải xe gây ra :
Bang A4.1 Mo men téi da do hoat tai trén don vi bé rong (N- mm/mm)
MO MEN AM
s Mo men Cu ly tir tim dam dén mat cat thiét ke mé men am
Trang 232.2.Phương pháp tính chính xác bằng phần mềm Midas civil 7.01 ( phương pháp phần tử hữu hạn )
Phương pháp phần tử hữu hạn được coi là phương pháp có hiệu quả nhất hiện nay để giải các bài toán cơ học trong môi trường liên tục nói chung và trong kết cấu cơng trình nói riêng Midas civil là chương trình phân tích và thiết kế kết cầu đựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn
2.2.1 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn
Để tính tốn một kết cấu với cấu tạo bất kỳ, chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ
Sự biến dạng tổng thê của kết cầu được thể hiện thông qua sự biến dạng
của lưới nút hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt Tính liên tục
của các cấu kiện và sự liên kết với các cấu kiện với nhau được thể hiện qua sự liên kết giữa các phân tử thông qua các nút
Trạng thái làm việc của kết cấu được thể hiện thông qua sự làm việc của các nút Các nút này được liên hệ với nhau thông qua các phần tử nối giữa chúng, vì vậy từ điều kiện nối tiếp nối tiếp giữa các phần tử và độ cứng của từng phần tử có thể xác định được quan hệ giữa các nút Đó là quan hệ chuyển vị nút và nội lực tác dụng từ phần tử lên nút Từ điều kiện cân bằng nội lực tại các nút, ta thiết lập được hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút Trong hệ phương trình
biểu diễn quan hệ sẽ có những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị
nút, từ đó ta có thê tìm ra những thành phần còn lại chưa biết
2.2.1.1 Mơ hình hóa rời rạc kết cấu
Ý tưởng của phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu là coi vật thể liên tục như là tổ hợp của nhiều phần tử liên kết với nhau bằng một số hữu hạn các điểm, gọi là các nút Các phần tử được hình thành này gọi là các
phần tử hữu hạn
Trang 24
2.2.1.2 Chuyển vị nút và lực nút
Khi kết cấu chịu lực, kết cấu sẽ biến dạng, các phần tử cũng sinh ra biến dạng, do đó cũng sinh ra chuyên vị Chuyên vị của nút gọi là chuyển vị nút
Do số lượng nút trên kết cấu là hữu hạn mà số lượng chuyển vị nút là hữu hạn, nên trạng thái biến đạng và trạng thái nội lực của kết cấu có thể biểu diễn bằng một số hữu hạn các chuyển vị nút và các lực nút Hay nói cách
khác phương pháp PTHH lấy một hệ hữu hạn các độ tự do thay cho kết cầu
2.2.1.4 Các bước tính tốn kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn
+ Chia lưới phần tử hữu hạn
+ Chọn hàm chuyển VỊ
+ Tính toán ma trận độ cứng phần tử trong hệ tọa độ địa phương + Thiết lập ma trận độ cứng của toàn bộ kết cầu
+ Thiết lập ma trận véc tơ trong nút + Thiết lập ma trận cân bằng + Sử lý các điều kiện biên + Giải hệ phương trình
+ Tính tốn nội lực, chuyển vi trong phần tử
2.2.2 Mơ hình hóa và phân tích kết cầu phần tử hữu hạn với Midas civil
Việc mơ hình hóa kết cấu gồm có : > Mơ hình hóa hình học
> Mơ hình hóa điều kiện biên
> Mơ hình hóa tải trọng
Trang 25
2.2.2.1 Giao diện phần mềm midas phiên bản 7.01 Menu chính Cửa sẽ tác vụ Cây Menu |
Hình 2.6 — Giao diện của midas civil
2.2.2.2 Mơ hình hóa hình học
e Xác định kiểu mơ hình :
Mơ hình kết cấu dạng dầm :
Khi lựa chọn kết cấu dạng này thì Midas civil tự động tạo ra các phần tử
dầm nằm ngang trên cùng 1 đường thẳng Khai báo :
-Từ menu chính lưa chọn Model⁄Structure Wizard/Beam hoặc lựa chọn Geometry/ Structure Wizard/Beam tu tree menu
- Nhập các thông số cần thiết vào hộp thoại : = Edit&Input:
> Distance : nhập vào khoảng cách giữa các điểm
> Repeat : nhap vào số lần lặp lại và khoảng cách giữa các điểm > Auto Bound Condition : tự động đặt các gối tại các điểm > Show element.No : Hiện số hiệu của phân tử
Trang 26
> Metarial,Section : Khai bao vat liệu và mặt cắt cho phan tử (nếu chưa
khai báo thì bấm vào nút -°*Ì để khai báo các thông số vật liệu và mặt
cat) Beam Wizard 3] Input/Edit | insert | Distance Repeat 0 ft 0 = Add Delete Delete All T~ Auto Bound Condition [T Show Element No Material 0 vj Section 0 x
Retr pate Dats |
OK Close Apply
Hinh 2.7-a = Insert:
Insert Point : Nhap vao toa d6 cua điểm cần tạo ra các phần tử trong kết
cau
> Rotations : Nhap cac gia tri góc xoay của phân tử Alpha, Beta, gamma tương ứng theo các trục X, Y, Z
> Merge Duplicate Nodes : kết hợp hai điểm chồng lên nhau để tạo thành
một phân tử mới
> Intersect Frame Elements : chia phần tử tại điểm giao > Show No : hiện số hiệu của điểm
Trang 27
> Origin Point : xac định điểm gốc, khi điểm nào được lựa chọn thì nó
chun sang màu đỏ
Ieam Wizar | Beam Wizard
TnrutEit lisa | InputfEdit Insert |
No | XCoord, | Distance Repeat Insert Poin
| J2 n | 3 00,0
20 Add |
40 ——— Ratatlons
x ae Alpha feta Gamma
400 Delete dll | 0 + 0 + 0 +
1A Ƒ maBard.Cadiin
[Show Element No, \¥ Merge Cuplicate Nodes "
(Intersect Frame Elements ol
Material |1 1; Bé ting v | =——————————0imnBrint —
sim [LT] | ¡ suM [ỀữẨẩAAAA.‹
STITNTETESTESTIE
Redraw & Updete Data
TIFF] a oO Ls Ly
Ok | Chse Apply | OK | Close | Apply |
Hình 2.7a,b — Khai báo mô hình kết cấu dẦm
Trang 28
Material Data ea Generel Material ID 1 Name: Bề tổng Elasticity Data
T/pedf Design |concrete xỉ Standard Steel +
OB *
Concrete
Type oF Material —— emma TRC =
© tsotropic © orthctrapic D8 x
Steel
Modulus of Blastioty : O,0000e+000 KNjm? Poisson's Ratio
Thatmal Ccefficiant +
Weight Denaty
[Ƒ Use Mass Density:
Concrete
Modulus of Basticty ;
Poisson's Ratio 7
Thermal Coefficient: F,00002-006 fc) Weight Density : 3.56 AN fmt
| Use Mass Density: 242? kNjmjg
Plasticity Data
Plastic Material Name = NONE v > Thermal Transfer
Spectic Heat : ũ qjkM{C]
Heat Conduction 0 1Jnlr{c]
Hình 2.8 — Khai báo vật liệu phần tử
SVTH: Cáp Trọng Biên
Trang 29
Section : bam nút uJ để khai báo mặt cắt : Cee TT ES] D8B/Llser | Section 1D 1 [+ Section xị
Name [ChuT C User © pe fasscoxtus) BỊ Sect Name WT20%165.5 x r [ascu = | zl H fosisis m B [£2093 — m bà j m tf [ocs#i02 m
I¥ Consider Shear Defarmaticn, Offset: Center-Center
Change Cffset
Show Calculation Results OK] cmml |
Hình 2.9— Khai báo mặt cắt của dầm Khai báo điều kiện biên:
Từ menu chính lua chon Model/Boundaries/Supports
Khai báo các chuyển vị bị khống chế tại hai điểm nút (gối cố định và gối di động, ngàm)
> Đối với gối cố định : các độ tự do bị không chế là: DX, DY, DZ và RX,
RZ
Trang 30
> Đối với gối đi động : các độ tự do bị khống chế là : DY, DZ và RX, RZ
> Đối với ngàm : các độ tự do bị khống chế là : DX, DY, DZ và RX, RY, RZ
Bam nut Apply va close
Tree Mem HK
ement Mass Loa
‘Supports ~i mm
Boundary Group Name
[berarit xi ha | Optiors @ Ad ( Replace Cc Delete
Support Type (Local Drecticn)
IZ BD-ALL Dx» Iv Dy Iv Da Iv [— R-ALL Py Í@ Ry Mr OV
Hình 2.10 — Khai báo điều kiện biên của kết cấu
Khai báo tải trọng :
Khai báo trường hợp tải trọng
Tw menu chinh chon Load/Static Load Cases
Trang 31
Slalic Luad Cases LS
Nene : Treng long ben then Add Type i [Deed Load of Component and Attachments (DC) 7 Mudty
mm Description: | T Dead Load (0) 1} Tire tai at Oose
2.11— Khai báo trường hop tải trong > Name : tên trường hợp tải trọng
>_Type : trường hợp tải trọng (kích vào đó và kéo xuống đề chọn trường hợp tải trọng )
> Description : Mô tả trường hợp tải trọng
> Sau đó bấm add, muén sửa chọn Mođiƒÿ, muốn xóa chon Delete > Tai trong do lực khối (tải trọng bản thân cầu kién) : Midas/civil tự động
tính tốn trọng lượng bản thân của kết cầu căn cứ vào trọng lượng riêng
của vật liệu và kích thước hình học của các phần tử Từ menu chính chon Load/seft Weight
Trang 32
ent Mass Load
Self Weight x] |
Load Case Name
Trong luong ban than x wee
; Load Group Name
[rer] | TTBT
^
Self Weight Factor
tiạt.Z 3 tigte¥
gt
Load Case [x Ty [z ] Group
Trongluong O O -1 TTBT < im | B Modify Delete Operation Add
Hình 2.12 — Khai báo trọng lượng bản thân
> Load case name : tên trường hợp tải trọng bản thân > Load group name : Nhóm tải trọng là bản thân
> Self weight factor : hé sé tai trong bản thân theo phương X,Y,Z
Sau dé bam nut Add
Khai bdo tai trong tinh :
Lựa chọn phần tử cần khai báo tải trọng fĩnh Tw menu chinh chon Load/Element beam loads
Trang 33
eI ary lass
| — a
Element Beam Loads xi mí Í Load Case Name —————————————————————-
Tinh tai ~ Load Group ame ——————————————————;
[Tinh tai x |
- Options
Add © Replace ©¢€ Delete
- Load Type Uniform Loads xi wo Ni@®——————————èHN: x1 ll x2 Direction : Global Z 7 | Projection : c Yes f No Value f Relative £~ Absolute Apply | Close | wa
Hình 2.13 — Khai báo tĩnh tải phân bố đều tác dụng lên dầm
> Load case name : tên trường hợp tải trong tinh tai
> Load group name : Nhom tai trong 1a tinh tai
> Load type : Loại tải trọng (kéo xuống và lựa chọn loại tải trọng cần khai báo)
> Direction : hudng cua tai trọng > Value : Gia tri tai trong
Trang 34
> Relative hoặc Absolue ; Khoảng cách tương đối hoặc tuyệt đối so với
điểm đầu của phần tử
> Sau d6 nhan Apply va OK
Phân tích kết cấu
Lựa chọn perƒform Analpsis từ Menu chính hoặc bắm phím F5
Xuất kết quả :
> Phản lực gối : Chon Result/Reactions/Reactions Forces/ Moments > Noiluc: Chon Result/Forces/Beam Diagram dé xuất biểu đồ nội lực > Ung xuat : Chon Result/Stresses/ Beam stresses Diagram để xuất biểu dd
Trang 35
CHUONG II:
CAC Vi DU TINH TOAN CU THE
Trang 362 1 Tính nội lực theo dầm I
Bài toán cụ thể :
Cho một khổ cầu Bê tông cột thép Dam I được chế tạo tại nhà máy đúc đầm Bê
tông Châu Thới 620 căng trước như hình :
Chiều dài nhịp L = 33 m
Chiều rộng Lan can trái / phải B, = 0,5 m Chiều rộng đải phân cách B; = 1,1 m
Chiều rộng phần xe chạy W = 3,5 x 4= 14m Tổng bề rộng cầu là : B = 2xB, + W+ B= 15,1 m DAM 133 ^I~ luliilfuiitiitiiiiiiiiaititiiiidituiiiiiiiiiiiitibibuigh - i i +t = | q ale § i i 2: i ‡ = i Le] to L táo |_— 2 ]§ MẶT CẮT GIỮA DẦM † i Ị — i
aN i \Y CÁC cul TIÊU KỸ THUẬT
Ị TAY TROWG THẾT KẾ 3 VÀ Y840, TẢ! TRỘN NGƯồ 0 BỘ: X0K2/V2
| + CUDNG 00 THIET KE COA BÊ TÔNG (28 NÀY TUỐ): M62) i + TONG LUNG MỘT DẦM LÀ 34 T i + $Ử DỤNG GỐI CA0 $U 00x200»£5 VŨ 7 LÚP THÉP | | | | i i i i i
Hình 3.1 — Kich thuéc Dam I33 Bé téng chau théi 620
Trang 37
Xác Kích thước mặt cắt ngang cầu :
© _ Xác định khoảng cách giữa hai dầm chính Dùng bài tốn lặp :
Lua chọn sơ bộ S =1800 mm Số lượng dầm chính :
_B-2xB,~B, ,¡_l5,I~2x0,5-1,l
N ° S 18 +1=8 (dam)
Chiéu réng phan hang :
_ B-(N,=1)xS _ 15,1-(8-1) x18
S * 2 2 =1,25(m) (1)
Ta có chiều rộng bản hãng Sự ~ (0,35 + 0,5).S
Ở đây ta chọn S, = 0,4.S = 0,4 1,8 = 0,72 m (2)
Từ (1) & (2) ta thấy chiều rộng hãng như trên là không hợp lý, và ta tiếp tục chọn lại Từ đó ta có bảng tính tốn Excel như sau :
Bang 3 1 — Kết quả lựa chọn kích thước dầm chủ
S(m) Nb Sk (m) | _0.4S (m) Kết Luận 1,9 8 1,05 0,76 Chọn S lại 2 8 1,05 0,8 Chọn S lại 2,1 7 1,05 0,84 Chọn S lại 22 7 1,05 0,88 Chọn S lại 2,3 7 1,05 0,92 Chọn S lại 2,4 6 1,05 0,96 Chọn S lại 2,5 6 1,05 1 Chọn S lại 2,6 6 1,05 1,04 OK Suy ra khoảng cách nhịp cần tìm : S = 2,6 m, voi chiều rộng hãng ,$; = 1,05 m © Xác định chiều dày bản mặt cầu :
Đối với bản đúc tại chỗ, liên tục :
Trang 38
cơm 2 +3000 _ 2600+ 3000 _ 96.67 (mm) (2.5.2.6.3 -1 22TCN272-05)
‘ 30 30
Ta chon t, = 190 + 15 =0,205 (m) lam chiều dày chịu lực của Bản mặt cầu, cộng thêm phần hao mòn do bánh xe
MAT CAT NGANG BAN MAT CAU
500 705 1100 7057 500 AA " | 600 | 2600 | 600 600 | 600 | 1050
Hình 3.2 — Kích thước mặt cắt ngang cầu
2.1.2 Tính nội lực bản mặt cầu theo phương pháp dải tương đương
(pp gan dung)
2 1.2.1 Phương làm việc của Bản mặt cầu
Theo điều 4.6.2.1.5 của tiêu chuẩn :
Ta có tỷ lệ = = = oA =2,47 >1,5 = Bản làm việc theo phương ngang ( phương
vng góc với hướng xe chạy )
Xác định nội lực bản mặt cầu kê trên cấu kiện đỡ (ở đây là các đầm chính) cơ
chiều rộng 1 m như trong hình 3.3
Trang 39
SƠ ĐỊ TÍNH TỐN BMC 900 05 05 500 | 2% Sy i rc _ © z2 ⁄ TEN 1 | 4 j ⁄ ly ¿ 2 đa | { | | Killick : i i i | | losd 2600 | 2600 | 2600 | 2600 | 260g hosd
Hình 3.4 — So do tinh toán Bản mặt cầu
2.1.2.1 Tính tốn nội lực ban hang
+ Tĩnh tai tac dụng cho dải bản rộng 1m theo phương ngang cầu
¢ Tinh tai do trọng lượng bản thân bản mặt cầu :
DC, = 1m x t, x Yur = 1 x 0,205 x 25 = 5,125 (KN/m) e Tinh tai do trong lw lan can:
N Y yy G7 7 7 7 Y ^^ « | 250 560 | 300 | 250 | 150
Hình 3.5 — Kích thước lan can
Trang 40
Alanean = 0,35xI+0,25x0,15+0,5x0,25x0,15 = 0,40625 m
DC, = 1m x Atan can X Yor = 1 x 0,40625 x 25 = 10,15625 (KN)
e Tinh tai do lép phi :
DW = 1m X byna X Yipna = 1 x 0,07 x 22,5 = 1,575 (KN/m)
+ Hoạt tải tác dụng cho dải bản rộng 1m theo phương ngang cầu
Chiều rộng đải tương đương cho phan hang :
E= 1140+ 0,833xX
Trong đó :
X - khoảng cách từ tim bánh xe tới ngàm :
X = 1050 - 500 - 300 = 250 (mm) => E=1140+0,833x250 = 1348,33(mm) = 1,35 (m) > 1m P, 72,5 Ta có: LU= ——*#——=—————————- (b+t)xE_ (0,51+0,205)x1,35 =75,11 (KN/m)
Hình 3.6 - Sơ đồ tính tốn nội lực bản hãng