đồ án tốt nghiệp thiết kế móng trụ cầu

III.1.4 - Giải phương trình chính tắc + Quy ước gốc tọa độ và tính tọa độ của các cọc trong đài như hình dưới đây:... III.2 - TÍNH NỘI LỰC VỚI TỔ HỢP TẢI TRỌNG THEO PHƯƠNG NGANG CẦUIII.2

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ MÓNG TRỤ

CẦU

I - SỐ LIỆU THIẾT KẾ MÓNG TRỤ

I.1 - SỐ LIỆU ĐỊA CHẤT, THỦY VĂN

+ Trụ thiết kế: lấy trụ T3 để thiết kế điển hình

+Lớp 1: Bùn sét màu xám nâu xen kẹp cát mỏng trạng thái chảy, Lớp này

xuất hiện ở tất cả các lỗ khoan với chiều dày trung bình từ 3,02 m đến 4,50 m

+Lớp 2: Cát hạt mịn màu xám xanh, Lớp này xuất hiện ở tất cả các lỗ khoan

với chiều dày trung bình từ 3,19 m đến 5,51 m,

+Lớp 3: Sét màu xám xanh lẫn vàng trạng thái nửa cứng, Lớp này xuất hiện

ở tất cả các lỗ khoan với chiều dày trung bình từ 7,09 m đến 10,02m,

+Lớp 4: Á cát nặng màu vàng xám xanh trạng thái chặt vừa, Lớp này xuất

hiện ở tất cả các lỗ khoan với chiều dày trung bình từ 13,44 m đến 19,10 m,

+Lớp 5: Cát trung lẫn sạn sỏi màu vàng trạng thái chặt, Lớp này xuất hiện ở

tất cả các lỗ khoan khi kết thúc lỗ khoan và chưa thấy lớp đất mới với chiều dàytrung bình từ 6,13 m đến 10,35m,

+ Hình trụ lỗ khoan tại trụ xem cụ thể phần bố trí chung móng trụ

Các số liệu địa chất được tập hợp trong bảng sau đây:

P4 a4 cm²/kG 0,103 0,013 0,019 0,016 0,006Sức chống cắt P1 σ 1 kG/cm² 0,099 0,414 0,591 0,573 0,661Ứng với cấp tải P2 σ 2 kG/cm² 0,113 0,702 0,825 1,039 1,248kG/cm² P3 σ 3 kG/cm² 0,127 1,041 1,058 1,487 1,887

I.2 - VẬT LIỆU THIẾT KẾ

- Bê tông cọc và đài cọc:

' 30

c

f = MPa và E c =0.043*γ1.5c * f c' =0, 043*2500 * 30 29440 (1,5 = MPa)

- Cốt thép chủ: thép AIII có f y =365MPa và E=200000MPa.

- Thép đai: Thép AII f y =280MPa và E=200000MPa.

I.3 - TỔ HỢP TẢI TRỌNG TẠI TIM ĐỈNH ĐÀI CỌC

I.3.1 - Trạng thái giới hạn cường độ

+ Tải trọng thiết kế ở TTGHCĐ tại tim trụ trên đỉnh đài cọc lấy từ phần tổ hợp

nội lực thiết kế trụ ta chọn hai tổ hợp sau:

+ TH3: 2 làn xếp trên 2 nhịp cầu, tải bộ hành xếp 2 bên trên 2 nhịp (TTGHCĐ I)

+ TH1: 1 làn xếp trên 2 nhịp cầu, tải bộ hành xếp 1 bên trên 2 nhịp (TTGHCĐ III)

I.3.2 - Trạng thái giới hạn sử dụng

+ Tải trọng thiết kế ở TTGHSD tại tim trụ trên đỉnh đài cọc lấy từ phần tổ hợpnội lực thiết kế trụ ta có:

+ TH3: 2 làn xếp trên 2 nhịp cầu, tải bộ hành xếp 2 bên trên 2 nhịp (TTGHSD)

II - TÍNH SỨC CHỊU TẢI VÀ CHỌN SỐ CỌC

II.1 - TÍNH SỨC CHỊU TẢI CỦA CỌC

II.1.1 - Sức chịu tải theo vật liệu

+ Cọc sử dụng là cọc BTCT đường kính 40x40 cm và có bố trí 8 thanh thép dọcđường kính 25mm đều theo chu vi thân cọc

+ Sức chịu tải của cọc theo vật liệu được tính như một cấu kiện cột bêtông cốtthép ngàm tại độ sâu bằng chiều dài chịu nén uốn L Mcủa cọc (xem tính phần sau)

+ Công thức tính sức chịu tải tính toán của cọc theo vật liệu trong trường hợpchịu lực dọc trục:

s

+ Cường độ chảy dẻo của thép: f y =365(MPa)

+ Cường độ chịu nén của bêtông cọc: f c' =30(MPa)

+ Hệ số kinh nghiệm φ =λ 0,78 tra được từ Bảng 3.2 sách Nền Móng-Châu Ngọc

Ẩn để xét đến độ mảnh λ của cọc, tra với độ mảnh tính như sau:

- Trong đó:

b = 0,4 m - là chiều rộng cọc

K = 2 - là hệ số chiều dài tính toán.

II.1.2 - Sức chịu tải theo đất nền

II.1.2.1 - Tính sức kháng mũi danh định của cọc

+ Theo điều 10.7.3.2 của 22TCN 272-05 ta có sức kháng mũi cọc danh định:

σ - Áp lực tầng phủ hữu hiệu thẳng đứng tại mũi cọc (MPa)

+ Tính áp lực tầng phủ hữu hiệu thẳng đứng tại mũi cọc:

σ và h i - dung trọng đẩy nổi và chiều dày lớp đất thứ i

Dung trọng đẩy nổi của lớp thứ i tính theo công thức chuyển đổi chỉtiêu cơ lý như sau:

1

n dn

o

D e

II.1.2.2 - Tính sức kháng thân danh định của cọc

+ Sức kháng thân cọc theo điều 10.7.3.2 và 10.7.3.4.2b của 22TCN 272-05 là:

II.1.2.3 - Sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền

+ Theo điều 10.7.3.2 của 22TCN 272-05, ta có sức kháng đỡ tính toán của cọcđơn là:

Với λ =v 0,8- tra theo bảng 10.5.5-2 theo phương pháp thi công và đánh giá khả

năng chịu lực của cọc trong và sau khi đóng cọc

II.2 - TÍNH VÀ BỐ TRÍ SƠ BỘ CỌC, ĐÀI CỌC

P

β

(cọc)Trong đó:

( )

11.711.622 N

V = - Tải trọng thẳng đứng tính toán lớn nhất tại tim đỉnh bệ

cọc ở trạng thái giới hạn cường độ

β = - Hệ số xét đến ảnh hưởng của mômen.

+ Chọn số cọc thiết kế: 36 cọc bố trí cách nhau đều theo hai phương bằng 3d =3*0,4 = 1,2 (m)

+ Kích thước đài cọc: 10,5 x 4,5 x 1,5 mét

II.2.2 - Bố chí chung hệ móng cọc

III - TRẠNG THÁI GIỚI HẠN CƯỜNG ĐỘ

III.1 - TÍNH NỘI LỰC VỚI TỔ HỢP TẢI TRỌNG THEO PHƯƠNG DỌC CẦU

III.1.1 - Tổ hợp tải trọng tại tim đáy bệ cọc theo phương dọc cầu

+ Chọn tổ hợp tải trọng tại tâm đỉnh bệ cọc tính theo phương dọc cầu:

TH3: 2 làn xếp trên 2 nhịp cầu, tải bộ hành xếp 2 bên trên 2 nhịp (TTGHCĐ I)

Lực nén V (N) Cắt dọc cầu Hx (N) Uốn dọc cầu M (N.mm)

11.711.622 284.375 4.095.814.603

Ghi chú:

→ Chiều cao thân trụ ngập trong nước: 0,66 m

→ Chiều cao thân trụ nhô lên mặt nước: 8,30 m

+ Truyền tổ hợp tải trọng này xuống tim đáy bệ cọc ta có các tải trọng tính toán:

* Lực nén thẳng đứng:

γ γ - là khối lượng thể tích của bê tông và của nước, ở đây ta xét

đến lực đẩy nổi của nước lên bệ cọc chìm trong nước

Trong đó: h = 1500 mm là chiều cao bệ cọc

+ Vậy tổ hợp nội lực tính toán móng cọc theo phương dọc cầu là:

Lực nén N (kN) Cắt dọc cầu Hx (kN) Uốn dọc cầu My (kN.m)

III.1.2 - Tính chiều dài chịu nén uốn của cọc

+ Tính chiều dài nén uốn của cọc theo điều 5.2 của 20TCN 21-86:

ω ω ωω

ωωω

u v ω là chuyển vị ngang, chuyển vị thẳng đứng, góc xoay của bệ quanh điểm O

- gốc tọa độ tại đáy bệ

rik : Phản lực trong liên kết (i) do chuyển vị đơn vị tại liên kết (k) gây ra

III.1.4 - Giải phương trình chính tắc

+ Quy ước gốc tọa độ và tính tọa độ của các cọc trong đài như hình dưới đây:

+ Công thức tính các hệ số trong ma trận A của phương trình chính tắc:

2 1

Ji = d4/12 = 0,44/12 = 0,002133 (m4) , Mô men quán tính mặt cắt ngang cọc.

βi = tan-1(1/10) = 5,7106o hoặc βi = 00 , Góc nghiêng của cọc thứ i theophương thẳng đứng trong mặt phẳng OZY

xi : Tọa độ từ cọc thứ i (Xem sơ đồ bố trí cọc ở trên)

+ Thế số ta vào phương trình chính tắc:

+ Kết quả giải hệ phương trình chính tắc:

III.1.5 - Tính nội lực trong tầng cọc

III.1.6 - Kiểm tra kết quả tính

III.2 - TÍNH NỘI LỰC VỚI TỔ HỢP TẢI TRỌNG THEO PHƯƠNG NGANG CẦU

III.2.1 - Tổ hợp tải trọng tại tim đáy bệ cọc theo phương ngang cầu

+ Chọn tổ hợp tải trọng tại tâm đỉnh bệ cọc tính theo phương ngang cầu:

TH1: 1 làn xếp trên 2 nhịp cầu, tải bộ hành xếp 1 bên trên 2 nhịp (TTGHCĐ III)

Lực nén V (N) Cắt ngang cầu Hy (N) Uốn ngang cầu M (N.mm)

Ghi chú:

→ Chiều cao thân trụ ngập trong nước: 0,66 m

→ Chiều cao thân trụ nhô lên mặt nước: 8,30 m

+ Truyền tổ hợp tải trọng này xuống tim đáy bệ cọc ta có các tải trọng tính toán:

γ γ - là khối lượng thể tích của bê tông và của nước, ở đây ta xét

đến lực đẩy nổi của nước lên bệ cọc chìm trong nước

Trong đó: h = 1500 mm là chiều cao bệ cọc

+ Vậy tổ hợp nội lực tính toán móng cọc theo phương ngang cầu là:

Lực nén N (kN) Cắt ngang cầu Hy (kN) Uốn ngang cầu Mx (kN.m)

11307 122 4970

III.2.2 - Chiều dài chịu nén uốn của cọc

+ Chiều dài nén uốn của cọc như tính khi tính theo phương dọc cầu LM = 3,9 m

ω ω ωω

ωωω

u v ω là chuyển vị ngang, chuyển vị thẳng đứng, góc xoay của bệ quanh điểm O

- gốc tọa độ tại đáy bệ

rik : Phản lực trong liên kết (i) do chuyển vị đơn vị tại liên kết (k) gây ra

III.2.4 - Giải phương trình chính tắc

+ Quy ước gốc tọa độ và tính tọa độ của các cọc trong đài như hình dưới đây:

+ Công thức tính các hệ số trong ma trận A của phương trình chính tắc:

2 1

2 1

Ji = d4/12 = 0,44/12 = 0,002133 (m4) , Mô men quán tính mặt cắt ngang cọc

βi = tan-1(1/10) = 5,7106o hoặc βi = 00 , Góc nghiêng của cọc thứ i theophương thẳng đứng trong mặt phẳng OZY

yi : Tọa độ từ cọc thứ i (Xem sơ đồ bố trí cọc ở trên)

+ Tính các hệ số của phương trình chính tắc:

+ Thế số vào hệ phương trình chính tắc:

+ Kết quả giải phương trình chính tắc:

III.2.5 - Tính nội lực trong tầng cọc

III.2.6 - Kiểm tra kết quả tính

III.3 - KIỂM TOÁN TTGH CƯỜNG ĐỘ

III.3.1 - Kiểm tóan sức chịu tải của cọc

+ Sức chịu tải tính toán của cọc theo đất nền:

+ Lớp bê tông bảo vệ cọc lấy là 5 cm.

III.3.2.1 - Kiểm toán cọc chịu tải trọng ở TTGHCĐ

+ Kiểm toán cọc như cột chịu nén uốn ngàm tại độ sâu bằng chiều dài nénuốn của cọc, đầu trên tự do Chiều dài của cột chính là chiều dài chịu nén uốn LM

= 3900 mm Hệ số chiều dài tính toán K = 2

+ Tải trọng dọc trục, mômen trên đầu cột là:

( )

486.580, 0 11,319 11.319.000

+ Chiều rộng tiết diện: b = 400 mm

+ Chiều cao tiết diện: h = 400 mm

+ Diện tích cốt thép chịu kéo dưới tác dụng của mômen:

2

2 3*3,14*25

1472 4

- chiều dài không giằng của trụ: Lu = 3900 mm

- Hệ số chiều dài tính toán: K = 2

- Mômen quán tính của mặt cắt nguyên bê tông:

- Bán kính quán tính của tiết diện:

K L

+ Coi như đầu trên của cọc không được giằng thì hệ số C m =1 nên ta có hệ số

khuyếch đại mômen:

2 2

1, 2 486.580,0

1 1

0,75*4.071.239

u e

P P

−

− Φ

( Pu = N là lực dọc tính toán tại đầu cọc)

+ Mômen kiểm toán sẽ được nhân với hệ số khuyếch đại mômen và độ lệch tâmcủa lực dọc tính toán cũng tăng lên tương ứng:

+ Giả sử chiều cao vùng nén:

( )

' 1

1

1

0,05 0,85 28 0,65

7 0,05 0,85 30 28 0,84 0,65

7 0,84

+ Sức kháng nén danh định của cột khi chịu nén uốn 1 phương:

( )

' ' ' 0,85 0,85*30*168*400 1472*365 1472*365

2 349.216.000

Kết cấu cọc đủ độ bền chịu tải trọng truyền xuống.

III.3.2.2 - Kiểm tra độ bền kết cấu khi vận chuyển cọc

+ Tải trọng bản thân cọc và tính phân bố theo chiều dài:

q = Fcọc*γbt = 0,42*25 = 4 (kN/m)

+ Chiều dài đốt cọc tính toán: L = 12,9 m

+ Tính mô men theo sơ đồ hai móc cẩu khi cẩu cọc:

Trong đó: γ =1, 4 - Hệ số xét đến lực động khi cẩu lắp cọc.

+ Tính mô men theo sơ đồ dựng cọc:

Trong đó: γ =1, 4 - Hệ số xét đến lực động khi cẩu lắp cọc.

+ Mô men tính toán :M = max (Mu 1,max, M2,max) 40,07 kNm = 40.070.000 N.mm=

+ Kiểm tra khả năng chịu uốn của tiết diện tại vị trí móc cẩu với các thông sốcủa tiết diện như sau:

Lớp bê tông bảo vệ = 5 cm.

+ Khoảng cách từ tâm thanh thép đến mép dưới dầm là 60 mm Khi đó ta có

s y c

( với f c' =30MPa≥28MPa)

→ Chọn giá trị a vừa tính được để tính tiếp

+ Khả năng chịu lực của tiết diện:

52,7 1472*365* 340 168.517.872

III.3.3 - Thiết kế mối nối cọc

+ Các đốt cọc được nối bằng phương pháp hàn nối.Các bản nối ốp góc là 4 thanhthép góc đều cạnh V100x100x10 Chiều cao đường hàn là 10 mm, các kích thướckhác xem chi tiết trong bản vẽ Việc tính toán đường hàn là tiến hành kiểm toán lạicường độ của đường hàn khi chịu lực dọc là nội lực trong cọc

+ Công thức kiểm toán :

ax ax dh

τ

δ

∑Trong đó :

→ Đạt !

III.3.4 - Thiết kế thép đài cọc

III.3.4.1 - Thiết kế thép theo phương dọc cầu

+ Thiết kế thép theo phương dọc cầu coi đài cọc là ngàm congxol tại mép thântrụ, chịu tải trọng thẳng đứng hướng lên từ các hàng cọc nằm phía dưới ngoài phạm

vi thân trụ (theo phương dọc cầu)

+ Sơ đồ tính và tải trọng khi thiết kế thép theo phương dọc cầu như sau:

+ Lực V1 và V2 là tổng hợp lực trên các hàng cọc 1 và 2 phía dưới ngoài thântrụ Các lực này lấy khi giải phương trình chính tắc trong trường hợp tổ hợp tảitrọng theo phương dọc cầu Lấy các giá trị này từ bảng tính nội lực ta có:

+ Diện tích cốt thép thiết kế:

'

2 0,85* * * 0,85*30*19, 4*10500

14231 ( ) 365

c s

+ Chọn 52 22φ (A s = 19757mm2) để bố trí cho cốt thép cho bệ cọc theo phương

dọc cầu như hình vẽ trên

III.3.4.2 - Thiết kế thép theo phương ngang cầu

+ Thiết kế thép theo phương ngang cầu coi đài cọc là ngàm congxol tại mép thântrụ, chịu tải trọng thẳng đứng hướng lên từ các hàng cọc nằm phía dưới ngoài phạm

vi thân trụ (theo phương ngang cầu)

+ Sơ đồ tính và tải trọng thiết kế thép theo phưong ngang cầu như sau:

+ Lực V9 và V8; V7 là tổng hợp lực trên các hàng cọc 9; 8 và 7 phía dưới ngoàithân trụ Các lực này lấy khi giải phương trình chính tắc trong trường hợp tổ hợp tảitrọng theo phương ngang cầu Lấy các giá trị này từ bảng tính nội lực ta có:

Trong đó N N N9 ; 8 ; 7 là các lực ở hàng cọc 9; 8 và 7 theo quy ước khi giải nội lựcvới tổ hợp lực theo phương ngang cầu.

+ Mô men thiết kế thép:

19366 ( ) 365

c s

2 ,min

30 0,03* * * 0, 03* 4500*1500* 16644 ( )

365

c s

c

v

Đạt.

+ Khả năng chịu cắt của thép đai là nhỏ nhất khi góc nghiêng của vết nứt là

45o

θ = và hệ số β = 2 Với bê tông cốt thép thường, để đơn giản khi thiết kế lực cắt

ta chọn trường hợp này để tính bước thép đai thiết kế

+ Khả năng chịu cắt của bêtông:

+ Chọn tổ hợp ở TTGHSD để kiểm tóan theo phương dọc cầu:

TH3: 2 làn xếp trên 2 nhịp cầu, tải bộ hành xếp 2 bên trên 2 nhịp (TTGHSD)

Lực nén V (N) Cắt dọc cầu Hx (N) Uốn dọc cầu M (N.mm)

9.009.480 195.000 2.808.558.585

Ghi chú:

(*) Mực nước tính toán: -2,50 m (MNTN)

→ Chiều cao thân trụ ngập trong nước: 0,66 m

→ Chiều cao thân trụ nhô lên mặt nước: 8,30 m

+ Truyền tổ hợp tải trọng xuống tim đáy bệ cọc theo phương dọc cầu:

+ Truyền tổ hợp tải trọng này xuống tim đáy bệ cọc ta có các tải trọng tính toán:

γ γ - là khối lượng thể tích của bê tông và của nước, ở đây ta xét

đến lực đẩy nổi của nước lên bệ cọc chìm trong nước

+ Vậy tổ hợp nội lực tính toán móng cọc theo phương dọc cầu là:

Lực nén N (kN) Cắt dọc cầu Hx (kN) Uốn dọc cầu My (kN.m)

IV.2 - TÍNH CHUYỂN VỊ ĐẦU CỌC

IV.2.1 - Chiều dài chịu nén uốn của cọc

+ Chiều dài chịu nén uốn của cọc như đã tính ở phần tính theo TTGHCĐ:

LM = 3,9 m

IV.2.2 - Giải phương trình chính tắc

+ Các quy ước tọa độ, các thông số tính toán như ở phần tính theo TTGHCĐtheo phương dọc cầu nhưng với tải trọng tính toán ở TTGHSD như trên

+ Kết quả tính hệ số của phương trình chính tắc theo phương dọc cầu đã có:

+ Phương trình chính tắc:

+ Kết quả giải phương trình chính tắc:

IV.2.3 - Kiểm toán chuyển vị đầu cọc

+ Chuyển vị ngang cho phép của đầu cọc theo điều 10.7.2.2 của 22TCN 272-05

ở TTGHSD là u gh =3( )cm .

+ Chuyển vị đứng cho phép ở TTGHSD là v gh =1,5( )cm

+ Chuyển vị góc cho phép ở TTGHSD gây ra là: ω =gh 1/ 500(rad)

+ Kiểm tóan chuyển vị đầu cọc:

IV.3 - TÍNH LÚN HỆ MÓNG CỌC

IV.3.1 - Xác định khối móng quy ước

+ Theo điều 10.7.2.1 của 22TCN 272-05, khối móng quy ước được lấy như sau:

+ Khối móng quy ước có kích thước theo phương dọc cầu là:

15110

A= mm

+ Kích thước theo phương ngang cầu của khối móng quy ước là:

+ Tải trọng tại trọng tâm đáy khối móng quy ước:

+ Trong đó:

q= MPa – áp lực đáy khối móng quy ước (không bao gồm

trọng lượng cọc và đất phía trên)

I – hệ số ảnh hưởng của chiều sâu chôn hữu hiệu của nhóm cọc

X = 9230 (mm) – Chiều rộng, hay chiều nhỏ nhất của nhóm cọc.+ Tính hệ số ảnh hưởng I theo công thức:

D I

X I

- độ sâu hữu hiệu

IV.3.4 - Kiểm toán lún

+ Độ lún yêu cầu cho phép đối với công trình cầu tối đa là:

( )1,5 1,5* 35 8,9