đồ án tốt nghiệp xây dựng cầu đường phương án cầu dầm thép liên hợp

II.2.2 Thiết kế cột lan can ở THGH cường độ II.2.2.1 Sơ đồ tính – tải trọng Bỏ qua lực thẳng đứng tác dụng vào cột lan can.Lấy cột lan can ở giữa cầu để tính.. - Tĩnh tải tập trung do ho

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP PHƯƠNG ÁN CẦU DẦM

THÉP LIÊN HỢP

I - SỐ LIỆU THIẾT KẾ

I.1 CÁC SỐ LIỆU THIẾT KẾ

Tiêu chuẩn và quy trình áp dụng:

● 22TTC272-05: “Tiêu chuẩn thiết kế cầu”

● Và các tiêu chuẩn kỹ thuật khác có liên quan

Tải trọng thiết kế: HL93

Chiều dài nhịp dầm : 35 m

Bề rộng phần xe chạy : 7 m

Bề rộng lề bộ hành: 2 x 1,5 m

Bề rộng dải lan can: 2x0,25 m

I.2 VẬT LIỆU THIẾT KẾ

● Bản mặt cầu và bê tông lề bộ hành, tường lan can sử dụng cấp bê tông là C30, có cường độchịu nén f c' 30Mpa

→ E c0, 043*1,5c * f c' 0, 043*2500 * 301,5 29.440 (MPa)

● Thép lan can là thép CT3, có cường độ chịu kéo Fy = 240 MPa

● Cốt thép thanh trong bản mặt cầu, tường lan can, lề bộ hành sử dụng thép AIII, có cường

độ chịu kéo Fy = 365 MPa

- Dầm chủ, sườn tăng cường, hệ liên kết ngang ( thép hình L ) dùng thép tấm M270 cấp 345W theo ASSHTO ( tương đương A707M cấp 345W- theo ASTM ) có cường độ chịu kéo min là Fu = 485 Mpa và cường độ chảy min là Fy = 345 MPa

● Bulông cường độ cao tuân theo tiêu chuẩn AASHTO M253M (ASTM A490M) làm từ thép cường độ cao A325 cường độ kéo tối thiểu Fu = 120 ksi = 827 MPa, cường độ chảy tối thiểu Fy = 92 ksi = 634 MPa Đai ốc tuân theo tiêu chuẩn AASHTO M291M (ASTM

A563M) hoặc ASHTO M292 (ASTM A194M), vòng đệm theo tiêu chuẩn ASTM F34 GM

I.3 BỐ TRÍ SƠ BỘ CÔNG TRÌNH

Chiều dài nhịp dầm cầu là 35 m Bề rộng toàn cầu là 10,5 m Lan can sử dụng kiểu kết hợp giữa lan can ô tô và lan can lề bộ hành Bố trí 5 dầm chủ là dầm thép liên hợp bê tông cốt thép dọc theo cầu với khoảng cách hai dầm liên tiếp là 2,1 m Chiều cao dầm thép là 1,5 m

II - THIẾT KẾ LAN CAN – LỀ BỘ HÀNH

II.1 BỐ TRÍ CHUNG LAN CAN – LỀ BỘ HÀNH

Chi tiết lan can – lề bộ hành.

II.2 THIẾT KẾ LAN CAN

II.2.1 Thiết kế thanh lan can

II.2.1.1 Sơ đồ tính – tải trọng

Để đơn giản, sơ đổ tính cho mỗi nhịp thanh lan can là sơ đồ dầm giản đơn.Nhịp tính toán là khoảng cách giữa hai cột lan can liền kề L = 2060 mm

Sơ đồ tính và tải trọng tác dụng lên thanh lan can.

Tải trọng tác dụng lên thanh lan can, bao gồm:

● Trọng lượng bản thân lan can trên 1 mm chiều dài:

2 2

5 (70 62 )7,85*10 *3,14

4



→ DC = 0,065 N/mm

● Hoạt tải thiết kế:

Tải phân bố trên chiều dài thanh lan can W = 0,37 N/mm và tải tập trung P = 890 N theo Điều 13.8.2

II.2.1.2 Nội lực trong thanh lan can

● Mômen do tải trọng bản thân gây ra tại mặt cắt chính giữa nhịp:

● Tổ hợp tải trọng ở trạng thái giới hạn cường độ:

Mômen tại mặt cắt chính giữa nhịp trong trạng thái giới hạn cường độ là:

Hệ số điều chỉnh tải trọng  D*I*R 1 theo các Điều 1.3.2.1 ; 1.3.3 ; 1.3.4 và 1.3.5

Hệ số tải trọng với hoạt tải là L 1,75; hệ số tải trọng cho tĩnh tải L 1, 25 theo Điều 3.4.1, Bảng 3.4.1-1 và 3.4.1-2

→ M  [1, 25*32500 1,75*(185000+445000)] 2[1,75*(185000+445000)]2

→ M = 1.588.156 (Nmm)

II.2.1.3 Khả năng chịu lực của lan can

● Mômen quán tính của tiết diện:

II.2.1.4 Kiểm toán

Công thức kiểm toán trạng thái giới hạn cường độ : .M n M

Hệ số sức kháng 1 đối với uốn theo Điều 6.5.4.2

→ 1*3165828 (Nmm) ≥ 1588156 (Nmm) → Đảm bảo chịu lực.

II.2.2 Thiết kế cột lan can ở THGH cường độ

II.2.2.1 Sơ đồ tính – tải trọng

Bỏ qua lực thẳng đứng tác dụng vào cột lan can.Lấy cột lan can ở giữa cầu để tính Tải trọng tác dụng lên cột chỉ chỉ bao gồm các lực theo phương ngang cầu tại các vị trí liên kết thanh lan can, bao gồm:

● Hoạt tải phân bố W = 0,37 N/mm trên 2 nửa nhịp thanh lan can đường truyền về cột thành lực tập chung P’ = W*L = 0,37*2060 = 740 (N)

● Hoạt tại tập trung P = 890 N trên thanh lan can nay được di chuyển vị đặt ngay vị trí giao với cột

→ Vậy tổng hợp lực tác dụng lên cột theo phương ngang cầu tại mỗi vị trí giao với thanh lan can là :

F = P + P’ = 740 + 890 → F = 1360 (N)

Sơ đồ tính và các kích thước hình học của cột dưới đây:

Sơ đồ tính cột lan can.

II.2.2.2 Nội lực trong cột lan can

(Hệ số tải trọng với hoạt tải là LL 1,75)

II.2.2.3 Khả năng chịu lực của cột lan can

Sơ đồ tính cột lan can là dầm congxol (khi bỏ qua lực thẳng đứng dọc trục)

Mômen quán tính của tiết diện cột lan can tại mặt cắt B-B được sử dụng AutoCad 2007 tính được kết quả là:

Area: 19203,1820 Perimeter: 1959,9849 Bounding box: X: 0,0000 400,0000 Y: 0,0000 300,0000 Centroid: X: 199,9702 Y: 149,6748 Moments of inertia: X: 520465345,0568 Y: 1279361273,6390 Product of inertia: XY: 574740922,5494 Radii of gyration: X: 164,6301

Y: 258,1131 Principal moments and X-Y directions about centroid:

II.2.2.4 Kiểm toán cột lan can

→ Thỏa!

II.3 THIẾT KẾ LỀ BỘ HÀNH

II.3.1 Thiết kế bản bê tông lề bộ hành

II.3.1.1 Sơ đồ tính và tải trọng

Sơ đồ tính là dầm giản đơn, cắt 1000 mm dài theo phương dọc cầu để tính, tiết diện tính là hình chữ nhật b*h = 1000 x 100 mm, chiều dài nhịp tính toán là L = 1300 mm

II.3.1.2 Tính toán nội lực

Mô men trạng thái giới hạn cường độ:

30

365

c s

II.3.2 Thiết kế bó vỉa ở TTGH đặc biệt

II.3.2.1 Sơ đồ tính và tải trọng

- Tính bó vỉa lề bộ hành trong THGH đặc biệt, với cấp ngăn chặn L3

- Lực thiết kế lan can lấy theo A.13.7.3.3:

II.3.2.2 Khả năng chịu lực

- Đối với các va xô trong một phần đoạn tường:

2

.2

.2

- Do không có tường đỉnh nên Mb = 0, các ký hiệu sử dụng thống nhất như A.13.7.3.4.

- Xác định khả năng chịu mômen của tường trên một đơn vị chiều dài đối với trụcngang (Mc)

Tiết diện tính toán bxh = 1x200 (mm), tính theo tiết diện đặt cốt đơn,cốt thép bố trí là:

- Với các va chạm tại đầu tường hoặc tại mối nối :

II.3.2.3 Kiểm toán

- Công thức kiểm toán: Rw F t (A.13.7.3.3)

→ 319191 N 240000 N → Thỏa !

III - THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU

III.1 SỐ LIỆU TÍNH TOÁN

Bê tông bản mặt cầu: C30 có fc’ = 30 MPa và Ec = 29440 MPa

Cốt thép AIII có Fy = 365 MPa

Chiều dày bản mặt cầu ts = 200 mm

III.2 TÍNH BẢN CONGXOL

III.2.1 Sơ đồ tính

Sơ đồ tính bản congxol là sơ đồ dầm congxol có nhịp tính toán là L = 1050 mm

Cắt 1000 mm dài theo phương dọc cầu để tính toán Tiết diện tính toán là hình chữ nhật có kích thước là b x h = 1000 x 200 (mm)

c

P  N

- Tĩnh tải tập trung do hoạt tải bộ hành:

Sơ đồ tính bản dầm giữa là sơ đồ dầm liên tục nhưng để đơn giản trong tính toán ta sẽ với sơ

đồ dầm giản đơn sau đó kết quả nội lực sẽ được nhân với hệ số điều chỉnh cho sơ đồ liên tục Nhịp tính toán là L = 2100 mm

Cắt 1000 mm dài theo phương dọc cầu để tính toán Tiết diện tính toán là hình chữ nhật có kích thước là b x h = 1000 x 200 (mm)

Sơ đồ tính bản dầm giữa.

III.3.3 Tổ hợp và tính toán nội lực

- Mô men dương tại giữa nhịp ở TTGH cường độ, có xét đến hệ số điều chỉnh ½ cho sơ đồ liên tục:

III.4 THIẾT KẾ CỐT THÉP CHO BẢN MẶT CẦU

III.4.1 Thiết kế cốt thép chịu mômen âm

Lấy mômen lớn nhất của mômen âm trong bản hẫng và gối của bản nhịp giữa làm mô men thiết kế thép: M u goi 36.841.921( N mm)

, tiết diện thiết kế là bxh = 1000x200 (mm)

30

365

c s

III.4.2 Thiết kế cốt thép chịu mômen dương

Mô men thiết kế thép: M1/ 2u  25.424.464( N mm), tiết diện thiết kế là bxh = 1000x200 (mm).Chọn ds = 150 mm

( với f c' 30MPa28MPa)

30

365

c s

Mặt cắt ngang điển hình của cầu thuộc loại a) Bảng 4.6.2.2.1.1 của 22TCN 272-05

IV.1 Hệ số phân bố ngang cho dầm giữa

IV.1.1 Hệ số phân bố ngang cho mômen (Bảng 4.6.2.2.2.a-1)

● Thiết kế sơ bộ nên chọn 3

1

*

g s

S t L N

S = 2100 mm : khoảng cách hai dầm chủ

ts = 200 mm : chiều dày bản

L = 35000 mm : Nhịp tính toán của dầm

Nb = 5 : số dầm chủ

Vậy điều kiện áp dụng thỏa !

● Hệ số mômen cho dầm trong khi một làn xe chất tải:

0,1

0,1 3

g SI

0.1 3

g MI

IV.1.2 Hệ số phân bố ngang cho lực cắt (Bảng 4.6.2.3a-1)

Phạm vi áp dụng hệ số phân bố cho lực cắt như với hệ số phân bố ngang cho mô men, thêm điều kiện là 4.109 K g 3.1012

sẽ kiểm tra sau

● Hệ số phân bố với lực cắt cho dầm trong khi một làn xe chất tải:

Tải trọngngườiDầm

V.1 LỰA CHỌN SƠ BỘ TIẾT DIỆN DẦM CHỦ

Chọn tiết diện ngang dầm thép hình chữ I, được tổ hợp từ thép tấm bằng các mối hàn góc liêntục ngấu hoàn toàn trong nhà máy.Thép sử dụng là M270 cấp 345W theo ASSHTO ( tương đương A707M cấp 345W- theo ASTM ) có cường độ chịu kéo min là Fu = 485 Mpa và cường

độ chảy min là Fy = 345 MPa

Chiều cao dầm thép tối thiểu phải lớn hơn:

V.2 KIỂM TRA CÁC GIỚI HẠN VỀ TỶ LỆ HÌNH HỌC

V.2.1 Tỷ lệ cấu tạo chung

I I

V.3 XÁC ĐỊNH TĨNH TẢI – TÍNH NỘI LỰC DO TĨNH TẢI TÁC DỤNG

Trọng lượng bản thân kết cấu lấy theo Bảng 3.5.1-1 22TCN 272-05

Để đơn giản khi tính toán, tĩnh tải coi như phân bố đều trên các dầm chủ không phân biệt dầm trong hay dầm ngoài

● Trọng lượng bản thân dầm chủ (bao gồm cả sườn tăng cường):

DC1 = [67750*7,85*10-5 ] +23*[ 1428*187,5*20]*7,85*10-5/35000

→ DC1 = 5,59 N/mm

● Trọng lượng liên kết ngang:

Liên kết ngang chọn thép L127x76x9,5 có khối lượng trên một mét dài là 14,5 kg/m = 0,145

V.4 XÁC ĐỊNH HOẠT TẢI – TÍNH NỘI LỰC DO HOẠT TẢI TÁC DỤNG

(Ghi chú: Ở phần này chưa nhân các hệ số phân bố ngang mg, hệ số tải trọngi và hệ số điều chỉnh tải trọng)

Tổ hợp hoạt tải tác dụng:

TH1 : [Tải trọng làn q = 9,3 N/mm] + [Xe tải (35+145+145 kN)] + PL

TH2 : [Tải trọng làn q = 9,3 N/mm] + [Xe hai trục (110+110kN)] + PL

Trong đó hoạt tải người bộ hành: PL = 0,003*1500 = 4,5 N/mm

Vẽ đường ảnh hưởng cho mômen và lực cắt tại các mặt cắt tính toán Tính toán trên các mặt cắt là:

● MC 1-1 tại gối.

● MC 4-4 tại vị trí liên kết ngang đầu tiên tính từ giữa nhịp

● MC 5-5 tại giữa nhịp

Xếp tải trọng lên cầu theo phương dọc và tính toán nội lực tại các mặt cắt tương ứng

V.4.1 Tính toán tại MC 5-5 (giữa nhịp)

Đường ảnh mômen và lực cắt tại mặt cắt giữa nhịp và sơ đồ chất tải.

● Nội lực do xe ba trục khi chưa nhân hệ số:

PL

V  

V.4.2 Tính toán tại mặt cắt 1-1 (tại gối)

Đường ảnh hưởng lực cắt tại gối và sơ đồ chất tải.

● Nội lực do xe ba trục khi chưa nhân hệ số:

2

PL

V 

V.4.3 Tính toán tại mặt cắt MC 4-4 (Liên kết ngang đầu tiên tính từ giữa nhịp)

Đường ảnh hưởng nội lực tại MC liên kết ngang đầu tiên

tính từ giữa nhịp và sơ đồ chất tải.

● Mômen do xe ba trục khi chưa nhân hệ số:

V.5 XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA DẦM GIAI ĐOẠN 1

Tiết diện ngang dầm chủ.

● Tính mômen quán tính chính trung tâm của tiết diện dầm thép:

Mô men quán tính chính của tầng phần tiết diện được tính với hệ trục quán tính chính trung tâm của nó tương ứng là:

I S

V.6 XÁC ĐỊNH ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA DẦM GIAI ĐOẠN 2

V.6.1 Xác định bể rộng hữu hiệu (b e ) của bản cánh bê tông

Theo điều 4.6.2.6.1 của 22TCN 272-05 ta có:

Tiết diện dầm liên hợp.

V.6.2 Tính toán cho tiết diện liên hợp ngắn hạn

Lấy dầm biên để tính toán, be = 2100 mm Ở phần trước ta đã có các số liệu của dầm thép trong hệ Oxy (Hình 4-2) là:

As = 67750 mm2; yo = 132 mm; IX = 22.220.880.580 (mm4)

Tiết diện dầm liên hợp ngắn hạn quy đổi.

Bê tông bản có f' c=30 MPa , theo điều 6.10.3.1.1b, 22TCN 272-05 ta có n = 8.

Diện tích phần bê tông bản cánh:

● Môdun kháng uốn của tiết diện quy đổi tại các điểm cần tính ứng suất là:

- Tại biên dưới tiết diện (mép bản táp):

628 490

b ST

t ST

V.6.3 Tính toán cho tiết diện liên hợp dài hạn

Tiết diện dầm liên hợp dài hạn quy đổi.

Diện tích thép quy đổi từ diện tích bê tông:

● Môdun kháng uốn của tiết diện quy đổi tại các điểm cần tính ứng suất là:

- Tại biên dưới tiết diện (mép bản táp):

t LT

M



→ Trục trung hòa dẻo đi qua vách dầm thép.

Trục trung hòa dẻo cách mép dưới bản cánh trên dầm thép một khoảng là:

Như vậy lực dẻo trong vách dầm chia làm hai phần ngược dấu nhau bao gồm:

- Lực dẻo trong vách dầm phía trên trục trung hòa dẻo:

V.8.4 Tính mô men dẻo

- Cân bằng mô men quanh trục trung hòa dẻo ta có mô men dẻo:

- Với tiết diện dầm giai đoạn 2 (tiết diện liên hợp), từ kết quả trong mục tính mômen dẻo ta

có chiều cao bản bụng chịu nén: D cp 291,5 (mm)

- Thế số cho tiết diện dầm thép (giai đoạn 1):

M1 là mômen nhỏ hơn do tác dụng của tải trọng tính toán ở mỗi đầu của chiều dài

không được giằng Lấy khoang dầm ở giữa liên kết ngang chính giữa và một liên kết ngang liền kề (trái hoặc phải) để tính mômen Đó chính là mặt cắt 5-5 và 4-4 mà ta đã tính toán nội lực Ta thấy tại mặt cắt thì mặt cắt 4-4 có mômen tính toán nhỏ hơn Tổ hợp nội lực để tính mômen này ta có:

- Môđun đàn hồi của thép E = 200,000 MPa

- Cường độ chảy của bản cánh chịu nén Fyc = 345 MPa

- ry là bán kính hồi chuyển của mặt cắt thép với trục thẳng đứng:

605869399

94,667750

y y

V.10 KIỂM TOÁN TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ

V.10.1 Kiểm toán mô men giai đoạn 1 (dầm thép)

- Công thức kiểm toán:

- Hệ số sức kháng  1

- Tổ hợp nội lực tại mặt cắt kiểm toán 5-5, giai đoạn 1:

Giả xử tải trọng thi công là 4,8*10-4 MPa (tham khảo mục A.5.14.2.3.3) phân bố đều trên toàn bộ bề mặt cầu Khi đó tải trọng tác dụng lên một dầm là:

- Sức kháng uốn danh định của tiết diện thép đặc chắc:

Với tiết diện đặc chắc thông thường (tiết diện thép), ta có:

n p

M M

Tính mô men dẻo của tiết diện thép đặc trắc Mp:

Chiều cao bản bụng chịu nén của tiết diện thép tại mômen chảy như đã tính ở phần phân loại tiết diện là Dcp = 855 mm Do đó Mô men dẻo của tiết diện thép là:

 2

2

' ' '

V.10.2Kiểm toán mô men giai đoạn 2 (dầm liên hợp)

- Công thức kiểm toán:

- Hệ số sức kháng  1 đối với uốn

- Tổ hợp nội lực tại mặt cắt kiểm toán 5-5, giai đoạn 1:

của tiết diện liên hợp:

Với chu kỳ biên độ ứng suất: N = 365 * 100 * n * (ADTT)SL

Trong đó:

+ A = 82 x 1011 MPa3 : hằng số phân loại chi tiết

+ n = 1 : số các chu kì phạm vi ứng suất đối với mỗi lượt chạy qua của xe tải+ ( F) TH 165 MPa: ngưỡng mỏi biên độ không đổi

+ (ADTT)SL

Xác định chu kỳ biên độ ứng suất (N):

- Giả thiết ADT = 20000 xe/ngày đêm

- Mômen max do tải trọng mỏi gây ra tại giữa nhịp:

+ Mmoi = 1.825.050.000 N.mm: mômen mỏi tại giữa dầm

+ SST = 51.551.788 mm3: mômen tĩnh tiết diện ngắn hạn

V.12 KIỂM TRA SƯỜN TĂNG CƯỜNG

- Kiểm tra bề rộng phần chìa (A.6.10.8.1.2 và A.6.10.8.1.2):

p o

It : mômen quán tính của sườn tăng cường đứng quanh mép tiếp xúc với bản bụng đối với các gờ đơn và quay quanh trục giữa chiều dày của bản bụng đối với các gờ kép

→ I = 87890625 mmt 4 1730 * 20 * 0.5 6920000 mm3   4 → Đạt.