THiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông vĩnh cửu tổng chiều dài 229m, khổ cầu 17,5m,tải trọng HL93

TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG Nhiều công trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống thép nhồibê tông cho những cấu kiện chịu nén.. Trong năm 1940, cầuđường sắt

Trang 1

SỐ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP1.Đề tài: Thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bêtông:

2 Cấp thiết kế : Vĩnh cửu

Tổng chiều dài cầu : 229 m

3 Giải pháp kết cấu nhịp :

Nhịp dẫn : dầm I 29 m căng trước

Nhịp chính : vòm ống thép nhồi bêtông có chiều dài 90 m

Sơ đồ kết cấu nhịp : 2x29 + 90 + 2x29 (m)

4 Điều kiện địa chất :

Lớp 1 : Bùn sét hữu cơ màu xám xanh , đôi chỗ lẫn cát và hữu cơ :

Các chỉ tiêu cơ lý :

 Trọng lượng thể tích : w = 1.48 T/m3

 Độ sệt : B = 1.24

 Lực dính : c = 0.082 (KG/cm2)

 Góc ma sát trong :  = 6004’

Lớp 2 : Cát hạt mịn đến trung ,đôi chỗ lẩn sỏi sạn ,màu xám xanh xám trắng ,kết cấu

chặt vừa, trạng thái dẻo cứng :

 Lực dính : c = 0.14 (KG/cm2)

 Góc ma sát trong :  = 10 049’

Trang 2

Lớp 3 : Sét cát màu xám vàng ,màu xanh ,trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng mặt lẩn

nhiều đá dăm sạn :

Chiều dày lớp : h3 = 10.2 m

 Lực dính : c = 0.313 (KG/cm2) ,

 Góc ma sát trong :  = 21028’

Lớp 4 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :

 Trọng lượng thễ tích : w = 1.74 T/m3

 Lực dính : c = 0.125 (KG/cm2)

 Góc ma sát trong :  = 70.10’

 Lực dính : c = 0.355 (KG/cm2)

Trang 3

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH

1 TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

Nhiều công trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống thép nhồibê tông cho những cấu kiện chịu nén Vào năm 1931, một trong những kết cấu đầutiên sử dụng công nghệ ống nhồi bê tông đã được xây dựng ở ngoại ô Paris, cầu vòmnhịp 9m với hai vòm được kết cấu gồm 6 ống cho mỗi vòm Tổ hợp của 40 ống thépf140x50mm đã cấu tạo nên cánh trên hình parabol của kết cấu nhịp cầu dài 101mvượt sông Nêva ở thành phố Xanh Pêterbua vào năm 1936 Trong năm 1940, cầuđường sắt bác qua sông Ixet gần thành phố Kamenskơ - Uranski với nhịp chính dài140m dạng vòm cao 22m, giá thành giảm 20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bêtông, cánh vòm được thiết kế bằng ống thép CT3 f820x13mm Vào những năm củathập niên 60, ống nhồi bê tông bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãitrong xây dựng công trình ở Trung Quốc Tù năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹthuật (CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đã tạonhiều điều kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tôngtrong xây dựng công trình

Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT được bắt đầu thiết kếvào năm 1990 Với cầu có nhịp không lớn hơn 80m, kết cấu vòm được thiết kế vớimột ống đơn Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Zhejiang được thiết kế dạng vòm với mộtống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFT đã vượt được nhịp 80m

Khi cần vượt nhịp lớn hơn và yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm được thiết kếvới hai ống thép liên kết với nhau Nhịp 100m của cầu Yilan Mudanjiang thuộc tỉnhHeilongjiang có kết cấu dạng vòm, tiết diện ngang hình tam giác, cấu tạo từ ba ống(đường kính 600, dày 12mm) được liên kết chặt chẽ với nhau theo suốt chiều dài Cầuvượt Sông Huangbai và sông Xia lao thuộc tỉnh Hubei, thiết kế với bốn ống vượt nhịp160m, mỗi vòm gồm hai ống f1000, dày 12mm

Cầu San-an Yongjiang thuộc tỉnh Guangxi, hợp long vào năm 1999, nhịp chính270m dạng vòm với mặt cầu chạy giữa Vào thời điểm này, cầu San-an Yongjiang đạt

Trang 4

kỷ lục của cầu dạng vòm Cầu Yongning Yongjiang ở tỉnh Guangxi có kết cấu vòmtương tự cầu Wanxian Nhịp chính 312m dạng vòm có mặt cầu chạy giữa.

Cầu Yajisha ở Guangzhou, nhịp hình 360m được khánh thành vào tháng 6 năm

2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống, đạt kỷ lục thế giới

Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Nam tỉnh Guangzhou bắcqua sông Zhujiang Phần cầu chính với sơ đồ phân nhịp 76+360+76m, dạng cầu vòmmở rộng Nhịp giữa dạng vòm bản mặt cầu chạy giữa, hai nhịp biên dạng nửa vòm vớibản mặt cầu chạy trên Nhịp giữa có kết cấu dạng vòm treo không chốt, chiều dàinhịp tính toán 344m, đường tên của vòm: f:76,45m Mặt cắt ngang vòm được thiết kếvới 6 ống thép ống giữa đường kính f = 750, dày 20mm, hai ống hai bên đường kính

750, dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo phương ngang là 12mm; các bộ phận củasườn vòm bao gồm các ống thẳng đứng có kích thước f450x12mm và các ống nghiêngcó kích thước f351x10mm Tiết diện ngang của vòm có chiều rộng không thay đổi4,35m Chiều cao thay đổi từ 4m tại đỉnh vòm đến 8,039m tại chân vòm Đoạn ống tạichân vòm, phần liên kết với kết cấu trụ có chiều dày 36mm Theo phương ngang cầu,hai vòm cách nhau 35,95m được liên kết bằng sáu hệ liên kết ngang dạng chéo và haihệ liên kết ngang dạng chữ K Hai nhịp biên có kết cấu dạng nửa vòm với chiều dàinhịp tính toán 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5m x rộng 3,45m Hệnhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang dạng chéo và một hệliên kết ngang dạng chữ K Hai nửa vòm biên được đặt trên gối chậu di động tại trụbiên

Hai nửa vòm cầu Yajisha được chế tạo riêng biệt trên không vòm dọc theo haibên bờ Thớt trên của đã xoay là phần đế vòm đặt trên trụ Thớt dưới của đã xoay làmviệc như kết cấu truyền tải trọng xuống móng cọc Hai nửa vòm nhịp chính được nânglên đến cao độ thiết kế bằng cách xoay tất cả theo phương đứng một góc 24,7014độ;rồi xoay theo phương ngang đến vị trí thiết kế Nửa vòm của nhịp phía bờ Bắc đượcxoay theo phương ngang một góc 117,10độ và 92,2dộ cho nửa vòm phía bờ Nam

Ống thép được nhồi bê tông C60 có phụ gia trương nở Phụ gia chậm ninh kếtđược trộn vào bê tông đế tăng khả năng làm việc của bê tông Tỉ lệ nước xi măng là0,35 với độ sụt 18-20cm Cường độ chịu nén sau 3 ngày tuổi đạt 58,5 MPa

Trang 5

1.1 Các loại kết cấu ống thép nhồi bêtông:

Cột thép bêtông liên hợp được định nghĩa như là kết cấu chịu nén hoặc có thểthép được bọc trong bêtông hoặc bêtông nhồi trong ống thép Tùy thuộc các chủngloại và hình dạng có thể chia ra làm 3 loại cột liên hợp thường dùng trong xây dựngnhư sau [13] :

- Loại 1 : thép kết cấu (cốt cứng ) được bọc bằng bêtông (hình a, b,c)

- Loại 2 : bêtông nhồi trong hộp, ống thép (hình f, g, i)

- Loại 3 : hỗn hợp 2 loại trên (hình d, h)

Các dạng kết cấu ống thép nhồi bêtông

Loại 1 : đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về phòng cháy, đơn giản khi cần tăngcường độ bằng cách thêm cốt thép ở lớp bêtông ngoài Tuy nhiên việc kiểm tra và xửlý kết cấu thép bên trong không thể thực hiện Chủng loại kết cấu này phù hợp chocác công trình chịu động đất lớn với các tải trọng ngang lặp

Loại 2 : ống thép nhồi bêtông được sử dụng nhiều trong các trụ cầu mà ở đó phải chịutải trọng va xe, các vành cầu vòm, cột nhà cao tầng không nhất thiết có cốt thépbên trong

Loại 3 : có tính năng chống cháy cao và có được các ưu điểm của hai chủng loại kếtcấu trên

1.2 Đặc điểm làm việc của kết cấu ống thép nhồi bêtông chịu nén:

Trong các bộ phận của kết cấu ống thép nhồi bêtông khi chịu lực dọc trục có cácthành phần ứng suất như sau :

Trang 6

Trạng thái ứng suất của cấu kiện ống thép tròn nhồi bêtông chịu nén

- Trong bêtông :ứng suất nén dọc trục cBc và áp lực ngang r

- Trong ống thép :ứng suất dọc trục zs và ứng suất tiếp s

Nguyên nhân gây xuất hiện áp lực ngang r lên bêtông và ứng suất tiếp s trong ốngthép là do hệ số nở ngang của hai loại vật liệu này khác nhau, trong đó hệ số nởngang của bêtông luôn lớn hơn của thép ở mọi giai đoạn làm việc Aùp lực ngang r

lên bêtông không cho phép bêtông tự do phát triển biến dạng theo phương ngang vàtạo ra trạng thái ứng suất ba chiều trong bêtông Ơû trạng thái chịu lực 3 chiều, khảnăng chịu lực dọc trục của bêtông tăng lên đáng kể Đây chính là đặc điểm chịu lựcquan trọng nhất của kết cấu ống thép nhồi bêtông

1.3 Ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông:

Cầu vòm bằng ống thép nhồi bêtông

Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT- Concrete filled tubula steel) là một kết cấu hỗnhợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc Khi chịu cùng ứng suất như nhau thìkết cấu bê tông nhồi trong ống thép có những ưu điểm chính như sau:

Trang 7

* Khi so sánh với kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài bê tông trongống thép có đặc điểm:

- Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần

- Bê tông không bị co ngót mà bị trương nở vì không có sự trao đổi độ ẩm giữa bêtông và môi trường bên ngoài,

- Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt

- Tính phi tuyến của công;

* Khi so sánh với kết cấu biến dang từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi

- Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốtthép,

- Không cần copfa trong thi thép dạng ống:

- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép,

- Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn,

- Giảm độ mảnh của cấu kiện;

* Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở:

- Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và bảodưỡng thấp hơn,

- Độ bền chống gỉ cao hơn,

- Khả năng ổn định đều hơn,

- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió,

- Tăng độ cứng chống xoắn

2 GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TRÌNH:

Kết cấu thượng bộ gồm 2 sườn vòm với tiết diện hình tròn và thanh giằng tạichân vòm Cáp thanh giằng gồm 8 bó, mỗi bó gồm 22 tao Þ 15.24mm, hai đầu đượcneo chặt trên chân vòm Cáp thanh treo gồm 55 Þ 7 mm hợp thành Dầm ngang làloại dầm đúc sẵn bằng BTCT DƯL căng sau Dầm dọc là loại dầm BTCT thường đúcsẵn có tiết diện hình hộp rỗng, dầm bản mặt cầu sử dụng loại dầm bản T được đúc

Trang 8

sẵn bằng BTCT Chân vòm cấu tạo bởi các bản thép hàn liên kết nhau đồng thời chođổ bêtông vào các khoang trống bên trong Hệ dầm ngang gồm những dầm nganggiữa và 2 dầm ngang ngoài cùng Dầm ngang giữa sử dụng loại dầm có phần bụngđặc hình chữ nhật, hai bên hông có phần colson rộng 300mm để đỡ dầm dọc biên vàdầm T bản mặt cầu Dầm ngang ngoài (dầm ngang tại chân vòm) có tiết diện hìnhchữ nhật Phần trên sườn vòm có những thanh giằng ngang chịu tải trọng gió Cáckhoang cáp treo cách nhau 5m, riêng 2 khoang ngoài cùng cách 7.5m

2.1.Hệ thống quy trình và các loại tải trọng áp dụng:

Quy trình – quy phạm thiết kế.

Hiện nay chưa có quy trình thiết kế riêng cho cầu vòm thép nhồi bêtông, vì vậy trongphạm vi đồ án này, sử dụng các tiêu chuẩn khác như ASSHTO LRFD, tiêu chuẩnchâu Aâu Eurocode 4 1994 (EC4), và tiêu chuẩn CECS 28 -90 (Trung Quốc)

Về cơ bản, các bộ phận của kết cấu vẫn tính toán theo quy trình thiết kế cầu 22 TCN

272 – 05 đã ban hành

Tải trọng

- Hoạt tải thiết kế : HL93

- Hệ số xung kích :  = 1.25

2.2.Cấu tạo chi tiết:

2.2.1 Sơ đồ kết cấu:

Sơ đồ bố trí nhịp

Cầu vòm trong đồ án được thiết kế theo phương án cầu vòm xe chạy dưới

Thanh giằng chân vòm có các phương án bố trí thanh giằng : cáp dự ứng lực giằngchân vòm hoặc thép hộp, do cáp dự ứng lực có lợi thế trong thi công, điều chỉnh nộilực, kết hợp với công nghệ chống gỉ hiện nay nên phương án cáp dự ứng lực giằngchân vòm được chọn lựa

Sơ đồ kết cấu nhịp : 2x29m+90m +2x29m

Phương trình đường tim vòm

Việc lựa chọn đường tim vòm có ý nghĩa rất lớn trong khai thác, thông thường cầuvòm thép nhồi bêtông hoặc các công trình cầu vòm khác thường chọn đường cong tim

Trang 9

vòm là đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4 và đường cong dạng dây xích Cácđường cong này có đường cong áp lực khá trùng với đường cong tim vòm Cầu vòmtrong đồ án sử dụng đường cong parabol bậc 2 có phương trình như sau :

2

f

y 4 L x xL

Trong đó :

f : đường tên vòm

L : chiều dài nhịp, tỉ lệ f/L = 1/5

Mặt cắt ngang vành vòm

Có nhiều chủng loại mặt cắt vành vòm như hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn … mỗivành vòm có thể tổ hợp từ 2, 3, hay nhiều hơn các ống thép nhồi bêtông Do khẩu độcầu trong đồ án không quá lớn (90 m), để đơn giản trong quá trình thi công và chế tạo,mặt cắt ngang vành vòm được lựa chọn có hình dạng số 8, gồm hai ống thép có đườngkính D = 1m liên kết với nhau qua bản thép

Chiều cao vành vòm H = 2.4m, vậy mặt cắt có tỷ lệ H/L = 2.4/ 90

Chiều dày ống thép

Thép kết cấu dùng cho vành vòm phù hợp với tiêu chuẩn ASSHTO M270M Grade345W hoặc ASTM A709M Grade 345W có giới hạn chảy tối thiểu fy = 345 MPa.Theo một số tài liệu Trung Quốc thì có thể lấy chiều dày vành vòm t = 8  16 mm.chọn chiều dày vành vòm t = 12 mm

Sơ đồ cáp treo

Dầm dọc bản mặt cầu và hệ thống dầm ngang liên kết với vòm chủ yếu qua hệ thốngcáp treo, bởi vậy cáp treo phải được bố trí nhằm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu trong thicông và khai thác Bước cáp treo được lựa chọn căn cứ vào kích thước dầm vành vòmđể bố trí đầu neo, khả năng cẩu lắp dầm ngang và bản mặt cầu

Bước cáp treo không nên lựa chọn quá dài do sẽ làm tăng nội lực trong cáp, nhưngcũng không thể quá ngắn vì sẽ làm tăng số lượng cáp treo Bước cáp treo được lựachọn là 5m

Trang 10

Kết cấu giằng ngang

Vòm ống thép nhồi bêtông có khả năng chịu nén cao, do đó tính toán ổn định trong vàngoài mặt phẳng vòm rất cần thiết Mặt cắt ngang vành vòm có hình số 8, độ cứngtrong mặt phẳng vòm lớn hơn nhiều so với độ cứng ngoài mặt phẳng vòm Để tăngcường độ cứng này có thể dùng các thanh giằng ngang nhằm làm giảm chiều dài tự docủa vành vòm Cấu tạo của giằng ngang là ống thép tròn nhồi bêtông

3.ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC TIẾT DIỆN

Mặt cắt ngang các cấu kiện:

Ta lần lượt tính các đặc trưng hình học của các cấu kiện, từ đó lấy các số liệu đặc trưng hình học để tính tóan

Vành vòm

t=12mm

Mặt cắt ngang vòm chính

Diện tích ống thép  1000 12mm  :



Es=210000 Mpa,

Trang 11

A=Ac+Asc=1.797+0.286=2.083 mm2

Mômen quán tính của tiết diện đối với trục x:

Mômen quán tính của ống thép đã quy đổi sang bêtông:





  m4Mômen quán tính của hai bản thép đã quy đổi sang bêtông:

I4=0.012 0.63 5.525

12



 =1.193x10-3m4Suy ra:

Ix=I1+I2+I3+I4=0.1272+0.844+6x10-3+1.193x10-3=0.978 m4

Mômen quán tính của tiết diện đối với trục y:

Mômen quán tính của ống thép đã quy đổi sang bêtông:

Trang 12

Mômen quán tính của hai bản thép đã quy đổi sang bêtông:

Thanh giằng ngang vòm chính

t=12mm

Mặt cắt ngang thanh giằng chắn gió

Diện tích mặt cắt: A=1.136m2

Mômen quán tính đối với trục x : Ix=0.5425m4

Mômen quán tính đối với trục y: Iy=0.0424m4

Thanh treo 557

- Môđun đàn hồi E = 2.1 x 1011 Pa

- Diện tích mặt cắt A = 0.2117 x10-2 m2

- Độ cứng EA = 2.1 x 1011 x 0.2117 x 10-2 = 4.4457 x108 KN

Thanh giằng 22 - 75

Trang 13

- Môđun đàn hồi E = 2.1 x 1011 Pa

- Diện tích mặt cắt A = 2.419 x10-2 m2

- Độ cứng EA = 2.1 x 1011 x 2.419 x 10-2 = 5.08 x109 KN

Dầm ngang dự ứng lực

Mặt cắt dầm ngang giữa nhịp

Diện tích mặt cắt: A= 1.169 m2

Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.1445 m4

Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.10266 m4

Dầm dọc biên

Trang 14

Mặt cắt dầm dọc biên

Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.12 m4

Dầm bản mặt cầu biên

Mặt cắt dầm biên bản mặt cầu

Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.00373m4

Dầm T bản mặt cầu

Mặt cắt dầm T bản mặt cầu giữa nhịp

Trang 15

Mặt cắt dầm T bản mặt cầu đầu nhịp

Dầm ngang tại chân vòm:

Mặt cắt dầm ngang tại chân vòm

3.1.Các đặc trưng vật liệu:

Trang 16

Thép kết cấu

Thép kết cấu phù hợp với tiêu chuẩn ASTM A709M Grade 345W, hoặc tương đươngcó các đặc trưng như sau :

- Hệ số giãn nở nhiệt 11.7x10-6 mm / mm / oC

Bêtông

Cường độ chịu nén trụ tròn 28 ngày tuổi đối với :

- Bêtông nhồi vành vòm f’c = 50 MPa

- Bêtông dầm ngang dầm dọc f’c = 40 MPa

- Bêtông bản mặt cầu f’c = 30 MPa

Cáp treo và cáp giằng chân vòm

Cáp treo phù hợp tiêu chuẩn ASTM A421 / ASTM A421M, có các đặc trưng sau:

- Giới hạn chảy fy = 0.9fs (cáp có độ tự chùng thấp)

Cáp giằng chân vòm phù hợp tiêu chuẩn ASTM A822 / ASTM A822M, có các đặctrưng sau:

- Giới hạn chảy fy = 0.9fs (cáp có độ tự chùng thấp)

3.2.Hệ thống chống gỉ:

Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa, môi trường khắc nghiệt, nóng và ẩm,bởi vậy hệ thống chống gỉ cho kết cấu cần phải quan tâm hàng đầu

Chống gỉ cho thép kết cấu

Kết cấu chịu lực chính của cầu là kết cấu thep, cáp cường độ cao Biện pháp chống gỉcho thép kết cấu được đề xuất như sau

Trang 17

Các bề mặt của thép vành vòm sau khi xử lý được bảo vệ bằng hệ thống sơn 3 lớp cótổng chiều dày 200 m

- Lớp sơn trong dùng loại sơn Epoxy tổng hợp giàu kẽm (Epoxy Organic ZincRich – EZP) dày 100 m

- Lớp sơn giữa dùng loại sơn Acrylic Waterborne dày 50 m

- Lớp sơn trang trí dùng loại sơn Acrylic Waterborne dày 50 m

Yêu cầu về sơn lớp ngoài cùng có tuổi thọ tối thiểu 25 đến 30 năm và sau đó phải sơnlại với chu kỳ 8 năm một lần

Chống gỉ cho cáp treo và cáp giằng

Hệ thống chống gỉ cho các bó cáp treo được thực hiện tại công xưởng khi chế tạo cápvà neo bao gồm mạ kẽm các sợi thép cường độ cao 7 mm sau đó các sợi cáp nàyđược quấn chặt và tạo thành bó cáp được bọc trong hai lớp nhựa HDPE bảo vệ, ngoài

ra từ mặt cầu lên cao 2.5m được bảo vệ các tác động cơ học khác có thể làm hỏng bócáp treo

Hệ thống bảo vệ chống gỉ cáp giằng chân vòm : các tao cáp gồm 7 sợi đường kínhdanh định 15.2 mm được duỗi ra và phun bọc một lớp keo Epoxy sau đó đựơc bọc mộtlớp nhựa HDPE chế tạo theo phương pháp ép đùn Các tao cáp này sẽ tạo thành cácbó cáp và tất cả được đặt trong ống HDPE bảo vệ Về nguyên tắc có cấu tạo như cápdự ứng lực ngoài

Trang 18

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ LAN CAN

Sơ đồ tính lan can chịu lực va xe

Để bảo đảm an toàn, lan can phải được thiết kế với tải trọng va đập của xe cộ Trị số tải trọng phụ thuộc vào cấp lan can

Thông số thiết kế lan can:

+ Chiều cao tường bêtông: Hw = 800 mm

+ Chiều cao thanh lan can: HR = 1050 mm

+ Cường độ chịu kéo của cột, thanh lan can: fu = 260 MPa

1 ĐIỀU KIỆN KIỂM TOÁN:

Lan can thiết kế phải thoải mãn điều kiện sau: 





 e t H Y F RTrong đó:

R: Tổng sức kháng cực hạn của hệ lan can

Ft: Lực va ngang của xe vào lan can

Y: Chiều cao từ mặt cầu đến điểm đặt của lực tác dụng ngang Ft (mm)

He: Chiều cao từ mặt cầu đến tổng hợp các sức kháng ngang của các thanh lan can (mm)

2 XÁC ĐỊNH CÁC SỐ LIỆU THIẾT KẾ:

- Cầu được thiết kế cho đường cao tốc với tổ hợp các xe tải và các xe nặng:

Rp R Rw

Trang 19

- Theo bảng A13.7.3.3-1 QT 22TCN 272-05: Cấp lan can là cấp L-3 có

Sức kháng của hệ lan can là tổng hợp sức kháng của tường chắn, cột và dầm lan can

3 THIẾT KẾ TƯỜNG CHẮN:

3.1 Sức kháng của tường chắn:

Sức kháng của tường chắn có thể được xác định bằng phương pháp đường chảy như sau:

t c w

H

LMM8M8)LL(2

2

Trong đó:

Rw: Tổng sức kháng của hệ lan can (N)

Lc: Chiều dài tới hạn của kiểu phá hoại theo đường chảy (mm)

Lt: Chiều dài phân bố của lực va theo hướng dọc Ft (mm), điều 13.7.3.3-1.Mw: Sức kháng uốn của tường theo phương đứng (Nmm/mm)

Mc: Sức kháng uốn của tường theo phương ngang (Nmm/mm)

Mb: Sức kháng uốn phụ thêm của dầm cộng thêm với Mw tại đỉnh tường

(Nmm) Do lan can không có tường đỉnh nên Mb = 0

Chiều dài tường giới hạn trên đó xảy ra cơ cấu đường chảy:

c

w b

2 t t

H M M H 8 2

L 2

- Lớp bêtông bảo vệ : abv = 25 mm

- Đường kính thanh cốt thép dọc : : ddọc = 14 mm

- Đường kính thanh cốt thép đứng : dđứng = 14 mm

Trang 20

Hình dạng tường chắn và bố trí thép trong tường chắn

3.1.1 Sức kháng tường đối với trục thẳng đứng:

- Sức kháng của tường đối với trục thẳng đứng phụ thuộc vào thép ngang trong tường

- Bỏ qua sự tham gia của cốt thép chịu nén, sức kháng uốn dương và âm gần bằng nhau:

- Xác định sức kháng thép ngang Mw trên một đơn vị chiều dài

- Bài toán xác định khả năng chịu lực của tiết diện đặt cốt đơn

- Ta chia tường thành 3 phần có chiều cao lần lượt là 400 mm, 200mm, 200m như hìnhvẽ

 Xét phần 1 của tường:

doc s

280 8 307 b

05 0 85 0 ) 28 f 7

05 0

chịu nén đến trọng tâm

Trang 21

cốt thép chịu kéo:

2

14 14 25 300 2

h h

a

h

dung bv

( a: là khoảng cách từ mép bêtông vùng kéo đến trọng tâm cốt thép chịu kéo)

107 10 836

.

0

45

280 88 307 9 0 ) 2

a d ( f A

(Lấy hệ số kháng uốn   0 9)

Xem tường là một hình chữ nhật có bề dày không đổi

Có: Chiều cao:h 3002500 = 400 mm

Chiều rộng: b = 200 mm

Diện tích thép:

4

14 4

d

A

2 2

280 94 153 b

Khoảng cách từ mép bêtông chịu nén đến trọng

tâm cốt thép chịu kéo:

2

14 14 25 400 2

d d

a

h

dung bv

107 10 836

.

0

45

45 8 354 ( 1000

280 94 153 9 0 ) 2

a d ( f A

Tiết diện qui đổi trong phần

2 của tường chắn

Hình I.5: Bố trí thép trên phần 2

của tường chắn

400

Trang 22

454 46 500

Hình I.6: Bố trí thép trên phần 3

của tường chắn

- Chiều rộng: b = 200 mm

Diện tích thép:

4

14 4

d A

2 2

doc s

280 94 153 b

f 85

.

0

f A

c

y s

Khoảng cách từ mép bêtông chịu nén đến

trọng tâm cốt thép chịu kéo:

2

14 14 25 500 2

d d

a

h

dung bv

107 10 836 0

45 8 a

107

280 94 153 9 0 ) 2

a d ( f A

Vậy tổng sức kháng uốn dọc của tường chắn:

3 w

2 w

1 w 3

1 i

i w



= 19378.68 + 13568.58 + 17447.82 = 50395.07 kNmmBảng tổng hợp giá trị MwH:

Chiềucaocóhiệu d

h f 85 0

f A

c

y s

3.1.2 Sức kháng tường đối với trục ngang:

Sức kháng uốn của tường đối với trục ngang phụ thuộc vào thép đứng trong tường

Bỏ qua sự tham gia của cốt thép chịu nén, sức kháng uốn dương và âm gần bằng

nhau:

Xác định sức kháng thép ngang Mc trên một đơn vị chiều đứng

Bài toán xác định khả năng chịu lực của tiết diện đặt cốt đơn

Trang 23

Các giá trị tính toán:

Chiều cao trụ bêtông (chính là chiều rộng b tính toán trong phương pháp tính cốt đơn):

1 4

d 200

1 A

2 2

dung s

280 77 0 b f 85

0

f A

c

y s

d a h

ds   bv  dung    = 268 mm2

836 0

45 8 a C

280 77 0 9 0 ) 2

a d ( f A

(Lấy hệ số kháng uốn   0 9)

1 4

d 200

1 A

2 2

dung s

280 77 0 b f 85

0

f A

c

y s

d a h

ds   bv  dung    = 368 mm

Trang 24

107 10 836 0

45 8 a C

107 10 d

280 77 0 9 0 ) 2

a d ( f A

1 4

d 200

1 A

2 2

dung s

280 77 0 b f 85 0

f A

c

y s

d a h

ds   bv  dung    = 468 mm

107 10 836 0

45 8 a C

107 10 d

280 77 0 9 0 ) 2

a d ( f A

Vậy tổng sức kháng uốn dọc của tường chắn:

800

200 95 89 200 56 70 400 16 51 H

b M

M 3

1

i ci c

Bảng tổng hợp giá trị Mc:

Phân Chiều Diện tích Chiều

Trang 25

cao cóhiệu d 0 85 f b

f A

c

y s

Mci s y s  

w

i ci c

H

h M M

) 07 50395 0

( 800 8 2

1070 2

1070 M

) H M M ( H 8 2

L 2

L

c

w b

2 t t

b t

c w

H

L.MHM8M8)LL2

(

2R

65 07 50395 8

) 1070 17

2814

2

(

= 462.29 kNĐối với va chạm ở đầu tường hoặc mối nối:

) 07 50395 0

( 800 2

1070 2

1070 M

) H M M ( H 2

L 2

L

c

w b

2 t t

b t

c w

H

LMHMMLL2

2R

65 07 50395 1070

17 2814

2

= 243.71 kNĐây là cầu nằm trên đường cao tốc; không có lề bộ hành cho người đi bộ nên ta chọn lan can thép kê trên tường chắn

4 THIẾT KẾ LAN CAN:

Do không có lề bộ hành nên khi thiết kế lan can ta thiết

kế với tải trọng đặc biệt là tải trọng va xe

Chọn tiết diện thanh lan can là tiết diện tròn rỗng có:

Chọn đường kính thanh lan can:

- Đường kính ngoài: D = 110 mm

- Đường kính trong: d = 100 mm

 Xét trường hợp xe va vào cột lan can (Số nhịp tham gia vào đường chảy là chẵn):

Sức kháng của hệ dầm và cột:

t

2 p p R

L L n 2

L n P M 16 R

Trang 26

Trong đó:

Pp: Sức kháng ngang cực hạn của 1 cột đơn ở độ cao Y

RP phụ thuộc vào biến n, đạo hàm phương trình (1), ta có:

 2 

chan : n N n

M L P 64 ) L P ( L P L P 2 1 n

0

dn

dR

P P

2 t P t

P P

B

2

I

2 ' 3

5

130

2

2 3

= 9.955106 mm4Sức kháng ngang cực hạn của 1 cột đơn ở độ cao Y:

1000 180 ) 800 1050 (

10 955 9 260 9 0 2 b ) H H (

I f 2 H

H

M

P

6 '

w R

u w

4 3

110

100 1 110 1 0 D

d 1 D

9 0 W f

Chiều dài 1 nhịp lan can: L = 2000 mm

Từ (2) suy ra:

103.53 1070 64 103.53 2000 9872 67 1 1 1070

103.53 2000

2

2000 2

103.53 67

9872 16

L L n 2

L n P M

16

R

2 t

2 p p

3 P

2 t P

t P

2 P

L P 4 M L P 64 ) L L P ( L L P L

Trang 27

= 1.1

Chọn n = 1

Sức kháng của hệ dầm và cột:

1070 2000

1 2

67 9872 16 L

L n 2

L P ) 1 n ( ) 1 n ( M

16

R

t

p p

H P H R

R    

 Trường hợp xe va vào cột lan can + đầu tường hoặc mối nối:

800

1050 103.53 800

29 462 H

H P H R R

w

R P w w '

71 243 H

H P H R R

w

R P w w '

5 KIỂM TOÁN LAN CAN:

5.1 Trường hợp 1: Giữa nhịp lan can + đầu tường hoặc tại mối nối.

Sức kháng của hệ lan can:

R = Rw + RR = 243.71 + 53.91 = 297.62 kN > Ft = 240 kN => ĐẠT

Chiều cao kháng:

62 297

1050 91 53 800 71 243 R

H R H R

I.5.2 Trường hợp 2: Giữa nhịp lan can + một phần đoạn tường.

R = Rw + RR = 462.29 + 53.91 = 516.21 kN > Ft => ĐẠT

Chiều cao kháng:

21 516

1050 91 53 800 91 462 R

H R H R

5.3 Trường hợp 3: Cột lan can + đầu tường hoặc tại mối nối.

R = Rw + RR = 326.40 + 142.32 = 468.72 kN > Ft => ĐẠT

Chiều cao kháng:

72 468

1050 32 142 800 40 326 R

H R H R

5.4 Trường hợp 4: Cột lan can + một phần đoạn tường.

R = Rw + RR = 107.81 + 142.32 = 250.13 kN > Ft => ĐẠT

Trang 28

Chiều cao kháng:

13 250

1050 13 250 800 81 107 R

H R H R

Sứckhángcột +dầm

Sức khánghệ lan can

Chiều caokháng

Điềukiệnkiểmtoán

1 can + đầu tườngGiữa nhịp lan

hoặc tại mối nối

Cột lan can +

đầu tường hoặc

4

Cột lan can +

một phần đoạn

Trang 29

6 Tính toán liên kết bu lông:

Chọn bu lông đường kính d = 20 mm được bố trí như hình vẽ:

Hình I.9: Sơ đồ bố trí lổ bulông 6.1 Sức kéo danh định của bu lông:

Ta tính sức kéo danh định của bu lông theo (6.13.2.10.2-1):

4

d n

A

2 2

ln

lMN

Với M là momen tại mặt cắt nối bu lông đựơc tính như sau:

) 800 1050 ( 54 103 ) H H ( P

M  P R  w    = 25.885103 = 25.885106 NmmVậy lực kéo:

) 250 ( 2

250 10

885 25 ) l ( n

l M

6 2

i

max max

Trang 30

7 Tính toán chống cắt cho lan can ngay tại mặt cắt tiếp xúc với bản mặt cầu (Kiểm tra trượt của lan can):

Sự truyền lực của thanh lan can và bản mặt cầu

Giả thuyết Rw phát triển theo góc nghiêng 1:1 bắt đầu từ Lc lực cắt tại chân tường do

va chạm xe cộ VCT trở thành lực kéo T trên 1 đơn vị chiều dài bản hẫng được cho bởi

H 2 L

R V

T

c

w cT







VCT : Lực cắt do va chạm xe

Trong 4 trường hợp vừa tính ở trên, ta chọn trường hợp xe xô vào cột lan can + đầu tường hoặc tại mối nối

Suy ra: T V L R2 H 1483.574682.72875.91

c cT

Acv : diện tích tiếp xúc chịu cắt, Acv = 5001 = 500 mm2/mm

Avf : diện tích cốt thép neo của mặt chịu cắt, Avf =24 200142

10 85 7

2 2

P3: Trọng lượng của cột thép

Chiều cao cột lan can: hcot = 340 mm

1 ) 180 5 130 5 2 ( 10 85 7 s

c : hệ số dính kết (A 5.8.4.2), c = 0.52

: hệ số ma sát (A 5.8.4.2),  = 0.6

 = 1 (Bê tông tỉ trọng thông thường)

Trang 31

c,  Dùng cho bêtông đổ trên lớp bêtông đã đông cứng được rửa sạch vữa bẩn nhưng không làm nhám mặt.

Ta có:

) P f A ( A

c

Vn   cv   vf  y  c = 0.52500 + 0.6 (1.539280 +24.899) = 533.49 N/mm

Ta thấy:

Vn < 0.2fc’Acv = 0.230500 = 30000 N/mm

Vn < 5.5Acv = 5.5500 = 2750 N/mm

Vn > VCT = 144.9 N/mm

 Thỏa điều kiện chống trượt của lan can

8 Tính toán chiều dài neo của cốt thép vào trong bản mặt cầu:

Chiều dài neo thép vào bản mặt cầu lấy theo cấu tạo = 30d (d là đường kính của thép neo)

Vậy chiều dài neo:30d=3014 = 420 mm

Kết luận: Lan can thoả mãn các yêu cầu chịu lực

CH

ƯƠ NG 3 :

TÍNH TOÁN DẦM T BẢN MẶT CẦU

1.TẢI TRỌNG TÁC DỤNG:

Trang 32

gcanh = 2305 thep  h cot= 23057.8510-5340 = 34.697 N

gsuon = 1705 thep  h cot = 17057.8510-5340 = 22.686 N

P1cot = gc + gs=34.697+22.686=57.383NQuy về lực tập trung: P2=gcotx1000=0.029x1000=29NTrọng lượng tường chắn trên 1m dài cầu

gtuong=Acxs=2.4 10  5(300 400 400 200 500 200)     =7.5N/mmQuy về lực tập trung: P3=7.5x1000=7500 N

Tổng trọng lượng thanh lan can gờ chắn truyền xuống dầm

T bản mặt cầuPlc=P1+P2+P3=129+29+7500=7.658 N/mm

- Trọng lượng bản thân lớp phủ mặt cầu và mối nối tăng cường dầm T BMC

Trọng lượng bản thân lớp phủDW=hwxc=2.3x10-5x50=1.15x10-3 N/mm2Vậy tĩnh tải phân bố theo phương ngang cầu:

Trang 33

Xác định mơmen quán tính của dầm chủ:

Mặt cắt quy đổi dầm dọc T bản mặt cầu

Xác định trọng tâm của tiết diện

Áp dụng cơng thức xác định trọng tâm của hình ghép ta cĩ:

Trang 34

Suy ra hệ số mềm của liên kết ngang:

4 4

Trang 35

Ta lần lượt chất tải lên đường ảnh hưởng theo phương pháp phân phối đàn hồi của dầm R0, từ đó ta thu được kết quả tải trọng tác dụng lên dầm R0 trong các trường hợp tải trọng sau đây.

Tĩnh tải phân bố theo phương ngang cầu quy thành tải phân bố theo phương dọc cầu của dầm dọc:

W=3.65x(0.243+ 0.252+ 0.177+ 0.11- 0.03-

0.0345)+7.658x0.57=5.35N/mm

Hệ số phân bố ngang của hoạt tải:

Trang 36

Trang 37

W=3.65x(0.095+ 0.15+ 0.166+ 0.171+0.43)+7.658x0.114=4.56N/mm

Hệ số phân bố ngang của hoạt tải:

1.2.6.Tính hệ số phân bố ngang cho dầm tại gối:

Tại vị trí dầm T bản mặt cầu gối lên dầm ngang tại gối ta tính hệ số phân bố ngang theo phương pháp địn bẫy

Hệ số phân bố ngang tại gối cho dầm biên

Trang 38

Tải trọng làn

Hệ số phân bố ngang của họat tải:

Hệ số phân bố ngang cho dầm giữa

Tải trọng làn

Tổng hợp lại ta được hệ số phân bố ngang của các dầm như sau:

Theo phương pháp phân phối đàn hồi:

Trang 40

110KN 110KN

35KN 145KN

Định dạng
Số trang	92
Dung lượng	2,75 MB