tính toán kết cấu cầu chính

tính toán kết cấu cầu chính

CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU CHÍNH

1 Tải trọng hàng hóa (qhh= 4 (T/m2)

Xét trường hợp hàng hoá phân bố đều khắp mặt bến

2 Tải trọng do tàu tác dụng lên công trình

a Tải trọng do gió và dòng chảy

a.1 Tải trọng do gió

Lực do gió theo phương ngang Wq, phương dọc Wn được xác định như sau :

a.1.1 Trường hợp tàu không hàng

Theo phương ngang:

Wq = 73.6x10-5 x AqxVq2x ξ

Diện tích cản gió theo phương ngang tàu Aq (m2) được xác định tùy thuộc vào loại tàu:

Aq = 4350m2 : theo phụ lục 1 trang 12 hướng dẫn đồ án công trình bến

Vq = 38 (m/s): Vận tốc gió theo phương ngang tàu ứng với tần suất 1%

ξ = 0,512: Hệ số phụ thuộc vào kích thước nằm ngang lớn nhất của mặt cản gió theo hướng ngang

An = 985m2 : theo phụ lục 1 trang 12 hướng dẫn đồ án công trình bến

Vn = 38 (m/s): Vận tốc gió theo phương dọc tàu ứng với tần suất 1%

ξ = 1 : Hệ số phụ thuộc vào kích thước nằm ngang lớn nhất của mặt cản gió theo hướng dọc

⇒ Wn = 49.0x10-5x985x382x1 = 699.95 (KN)

a.1.2 Trường hợp tàu đầy hàng

Theo phương ngang:

Wq = 73.6x10-5 x Aqx Vq2x ξ

Diện tích cản gió theo phương dọc tàu An (m2) có thể xác định tùy thuộc vào loại tàu và chiều rộng B (m) của tàu tính toán:

Aq = 2370m2 : theo phụ lục 1 trang 12 hướng dẫn đồ án công trình bến

Vq = 38 (m/s): Vận tốc gió theo phương ngang tàu ứng với suất bảo đảm 2%

ξ = 1 : Hệ số phụ thuộc vào kích thước nằm ngang lớn nhất của mặt cản gió theo hướng ngang

Vn = 38 (m/s): Vận tốc gió theo phương dọc tàu ứng với tần suất 1%

ξ = 1 : Hệ số phụ thuộc vào kích thước nằm ngang lớn nhất của mặt cản gió theo hướng dọc

⇒ Wn = 49.0x10-5x825x382x1 = 358.74 (KN)

a.2 Tải trọng do dòng chảy

Lực do dòng chảy theo phương ngang Qw, phương dọc Nw được xác định như sau:

a.2.1 Trường hợp tàu không hàng

Theo phương ngang:

Nω = 0.59 x At x Vt2

At = Bt x T: Diện tích chắn nước theo phương dọc tàu

Bt = 27.5(m): Bề rộng tàu

T = 3.3(m): Mớn nước của tàu chưa có hàng

⇒ At = 27.5x4.3 = 90.75 (m2)

Vt =1.8 (m/s): Vận tốc dòng chảy theo phương dọc tàu

⇒ Qω= 0.59x90.75x1.82 = 173.48 (KN)

a.2.2 Trường hợp tàu đầy hàng

Theo phương ngang:

Qω = 0.59 x A1 x V12

A1 = Lt x T: Diện tích chắn nước theo phương ngang tàu

T = 12(m): Mớn nước của tàu đầy hàng

At = Bt x T: Diện tích chắn nước theo phương dọc tàu

T = 12(m): Mớn nước của tàu đầy hàng

⇒ At = 27.5x12 = 330 (m2)

Vt =1.8 (m/s) : Vận tốc dòng chảy theo phương dọc tàu

⇒ Qω= 0.59x330x1.82 = 630.83 (KN)

a.3 Tổng tải trọng do gió và dòng chảy tác dụng lên tàu

Bảng : Kết quả tính tải trọng do gió và dòng chảy

Phương tác dụng Tải ngang tàu (KN) Tải dọc tàu (KN)

Do gió

Do dòng chảy

Gió + Dòng chảy

2367.0313.382380.41

2518.848.632567.43

699.95173.48873.43

358.74630.83989.57

b Tải trọng tựa tàu

Tải trọng phân bố q do tàu đang neo đậu ở bến tựa trên công trình dưới tác động của gió, dòng chảy được xác định như sau :

d

ltot

Q 1 , 1

q =

b.1 Trường hợp tàu không hàng

Qtot = 2380.41(KN): Lực ngang do tác động tổng hợp của gio, dòng chảy

ld=87m : Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa tàu và công trình.(chiều dài thành tàu)( theo phụ lục 1 trang 13 hướng dẫn đồ án công trình bến )

)/(1.3087

41.23801

⇒

b.2 Trường hợp tàu đầy hàng

Qtot = 1435.7 (KN): Lực ngang do tác động tổng hợp của gió, dòng chảy

ld=109m : Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa tàu và công trình (chiều dài thành tàu)( theo phụ lục 1 trang 13 hướng dẫn đồ án công trình bến )

)/(9.2543.25671.1

109 KN m

⇒

Nhận xét: Trường hợp tàu không hàng, thành phần của lực tựa tàu lớn hơn

trường hợp tàu đầy hàng nên ta chọn lực tựa tàu trong trường hợp tàu không hàng để làm tải trọng tính toán (so sánh với lực va)

c Tải trọng va tàu, chọn thiết bị đệm

Khi tàu cập vào công trình bến cảng thì động năng va của tàu được xác định theo công thức :

2

2

v D q

E =ψ ×

D = 62500 (T): Lượng nước của tàu tính toán

ψ= 0.65: Hệ số lấy theo bảng 30 trang 21- hướng dẫn đồ án công trình bến

v=0.097(m/s): Thành phần vuông góc (với mặt trước công trình) của tốc độ cập

Thành phần song song với mép bến của lực va khi tàu cập vào công trình được xác định theo công thức: Fn = µFq

µ: Hệ số ma sát, phụ thuộc vào vật liệu lớp mặt của thiết bị đệm

Lớp mặt là cao su: µ = 0.5

⇒ Fn = 0.5x32 = 16 (T) = 160 (KN)

d Tải trọng tác dụng lên công trình do lực kéo dây neo, chọn bích neo tàu

Lực neo S được xác định theo công thức sau:

β

α Cos Sin

n tot

Q S

×

×

=

Qtot: Lực ngang do tác động tổng hợp của gió, dòng chảy

n: Số lượng bích neo làm việc (Lấy theo bảng 2-7 trang 38-công trình bến)

α,β: góc nghiêng của dây neo (Lấy theo bảng 2-8 trang 38-công trình bến)

Hình chiếu lực neo S lên các phương

Bảng : Kết quả tính toán lực neo:

Trạng thái tàu Q tot (KN) α(độ) β(độ) n (cái) S(KN)

Hình chiếu lực neo S lên các phương:

Theo phương vuông góc với mép bến : Sq =

n tot Q

Theo phương song song với mép bến : Sn = S× Cosα × Cosβ

Theo phương thẳng đứng: Sv = S× Sinβ

Bảng : Kết quả tính toán S Q , S n , S v

Trạng thái tàu Q tot (KN) S( KN) S q (KN) S n (KN) S v (KN)

Lực căng lớn nhất của một dây neo: 1117.2(KN)

Tra bảng 11-4, trang 355- Công trình bến

⇒ Chọn bích neo loại: J125

e Phân phối lực ngang do tàu 50.000DWT tác dụng lên công trình

e.1 Xác định chiều dài tính toán các cọc

e.1.1 Chiều dài chịu uốn của cọc

Chiều dài chịu uốn của cọc được xác định sơ bộ theo công thức:

d η 0 L uốn

Bảng : Kết quả tính toán chiều dài chịu uốn của cọc

Hàng cọc AHàng cọc BHàng cọc CHàng cọc DHàng cọc EHàng cọc FHàng cọc GHàng cọc H

14.64014.57515.53514.63613.59612.61311.49210.645

21.64021.57522.53521.63620.59619.61318.49217.645

e.1.2 Chiều dài chịu nén của cọc

Chiều dài chịu nén của cọc được xác định theo công thức :

Lnén = Lo + 7 ×10 −3 EF P

Lo: Chiều dài tự do của cọc

E = 3.6×106 (T/m2): Modun đàn hồi của vật liệu cọc

F : Diện tích mặt cắt ngang của cọc

F = (0.352-0.242)3.14 = 0.204 (m2)

P= 180.2 (T): Sức chịu tải của cọc theo đất nền

Bảng : Kết quả tính toán chiều dài chịu nén của cọc

Hàng cọc AHàng cọc BHàng cọc CHàng cọc DHàng cọc EHàng cọc FHàng cọc GHàng cọc H

14.64014.57515.53514.63613.59612.61311.49210.645

14.64314.57815.53814.63913.59912.61611.49510.648

e.1.3 Diện tích qui đổi và đường kính qui đổi của cọc:

F L

L F

n

u

qd =

Trong đó:

Fqd- diện tích qui đổi của cọc (m2)

Lu- chiều dài chịu uốn của cọc(m)

Ln- chiều dài chịu nén của cọc (m)

F- diện tích thực của cọc ( m2)

14 3

e.2.2 Sơ đồ phân phối lực tác dụng lên một phân đoạn:

Sơ đồ phân phối lực va:

Y

Fq= 32.0T

T Fn= 16.0T

Sơ đồ phân phối lực neo

3 Tải trọng do cần trục tác dụng lên công trình

a Theo phương dọc bến:

Sơ đồ tải trọng cần trục tác dụng vào khung dọc

Aùp lực lớn nhất lên 1 bánh xe là : 37.5T

b Theo phương ngang bến:

- Áp lực max lên một chân khi cẩu: Pmax chân= 300T

⇒ Áp lực max tác dụng lên một bánh xe khi cẩu: P0 = 3008 = 37.5 (T)

- Độ vươn phía trước kể từ tim ray ngoài: 35 (m)

- Độ vươn phía sau kể từ ray trong: 22 (m)

- Khoảng cách 2 ray : 18.0 (m)

- Sức nâng: 30-50(T)

Sơ đồ tính toán áp lực lên chân cần trục

P tương ứng (1 chân) P max (1 chân)= 300T

- Áp lực lên một chân còn lại (Ptương ứng)

Sơ đồ dời lực về tâm O

P tương ứng (1 chân) P max (1 chân)= 300T

Sau khi dời lực 50T về O, tại O xuất hiện lực 50T chia đều cho 4 chân, moment M sẽ gây nên áp lực nén lên 2 chân A và áp lực kéo lên 2 chân B

Sơ đồ tính toán lực bằng phương pháp cân bằng lực

P tương ứng (1 chân) P max (1 chân)= 300T

P B(do M)

bảnthânP

A

P4

50max

Trong đó:

) ( 1 , 61 36

2200 36

) 9 9 (

M B P A

P B A P

5011,613004

50APmaxPbảnthân

⇒

)T(8,1771,614

504,226B

P4

50bảnthânP

4.1.3 CÁC TRƯỜNG HỢP TẢI TRỌNG

1 TRƯỜNG HỢP LỰC NEO TÁC DỤNG VÀO CÔNG TRÌNH:

3 CÁC TRƯỜNG TẢI TRỌNG VÀ TỔ HỢP TẢI TRỌNG:

Dựa vào bảng sau:

Khi tổ hợp ta chỉ chú ý các trường hợp tải trọng gây nguy hiểm cho công trình

4.2 SƠ ĐỒ TÍNH :(khung không gian của cầu chính )

4.3 TÍNH TOÁN NỒI LỰC KHÔNG GIAN BẰNG SAP2000:

Ta có một số biểu đồ tiêu biểu sau đây:

MOMENT 3-3 DIAGRAM(TOHOPBAO) ELEMENT FORCES FRAMES

TORSION DIAGRAM (TOHOPBAO) ELEMET FORCES FRAMES

MOMENT 1-1: DIARAM( TOHOPBAO) ELEMENT FORCES SHELL

MOMENT 2-2: DIARAM ( TOHOPBAO) ELEMENT FORCES SHELL

ELEMENT STRESSES – SOLIDS: S22

ELEMENT STRESSES – SOLIDS: S33

4.4 TÍNH TOÁN BÊ TÔNG CỐT THÉP

4.4.I ĐẶC TRƯNG VẬT LIỆU

1 Bê tông

Bê tông sử dụng là bê tông M300 đá 12 với các đặc trưng cơ học như sau:+ Modul đàn hồi Eb =290000 KG/cm2

+ Cường độ chịu nén tính toán Rn = 130 KG/cm2

+ Cường độ chịu kéo tính toán Rk = 10 KG/cm2

2 Cốt thép

Cốt thép sử dụng:

- Cốt thép sử dụng cho sàn, dầm: Thép AII có các đặc trưng cơ học như sau:+ Modul đàn hồi Ea = 2100000 KG/cm2

+ Cường độ chịu kéo tính toán Ra = 2800 KG/cm2

+ Cường độ chịu nén tính toán Ra' = 2800 KG/cm2

+ Cường độ chịu cắt tính toán Rad = 2240 KG/cm2

- Cốt thép sử dụng cho cốt đai: Thép AI có các đặc trưng cơ học như sau:+ Modul đàn hồi Ea = 2100000 KG/cm2

+ Cường độ chịu kéo tính toán Ra = 2300 KG/cm2

+ Cường độ chịu nén tính toán Ra' = 2300 KG/cm2

+ Cường độ chịu cắt tính toán Rad = 1800 KG/cm2

4.4.2 TÍNH TOÁN CỐT THÉP CHO DẦM NGANG

kết qủa nội lực từ sap 2000

Text m Ton Ton Ton-m Text DAMNGANG343 0.75 7.451 25.018 170.975 663

DAMNGANG344 0.75 7.523 23.545 172.860 669

DAMNGANG345 0.75 7.487 23.123 170.257 675

Từ kết quả giải nội lực cho ra kết quả như sau:

Mmax = 172.9 (Tm)

Mmin = -114.3(Tm)

Qmax = 61.0 (T)

1 Tính toán cốt thép dọc

a Tiết diện chịu moment âm (ở gối)

142 0 10 130 0.045

Ta thấy a > athật thiên về an toàn nên giả thiết là hợp lý

Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

0

.h b

Fa

454.29

=> Chiều cao có ích của tiết diện: ho = h – a = 150 – 8 = 142(cm)

Cánh nằm trong vùng nén tham gia chịu lực với sườn Chiều rộng cánh dầm đưa vào tính toán là: bc = b + 2.c1

Trong đó: c1 là độ vươn của cánh được lấy trị số bé hơn trong ba trị số sau:+ Một nữa khoảng cách hai mép trong của dầm : 0.5400 = 200(cm)

+ Một phần sáu nhịp tính toán của dầm : 61 (450) = 75 (cm)

+ Chín lần chiều cao bản cánh: 935 = 315(cm)

'cb.n

142 40 2 130 0.0275 0

h c b n R att

Chọn 8φ26 (Fa = 42.472 cm2) Bố trí cốt thép như hình vẽ

Kiểm tra a:

Theo hình athật = a0 + 2φ=5+ 22.6 = 6.3(cm)

Ta thấy a=8cm > athật =6.25cm thiên về an toàn nên giả thiết là hợp lý

Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

0

.h b

Fa

472.42

−

2 Tính toán cốt thép ngang

- Kiểm tra các điều kiện hạn chế về lực cắt: Qmax = 61.0(T)

Qmax < K1.Rk.b.ho = 0.6  10  100  142 = 85200 (Kg) = 85.2 (T)

Qmax < K0.Rn.b.ho = 0.35 130  100  142 = 646100 (Kg) = 646.1 (T)

⇒ Q <K R b.h < K R b.h : Chỉ đặt theo cấu tạo

⇒ Qmax = 61.0(T) < Qdb = 213.5(T)

Vậy dầm đảm bảo khả năng chịu lực cắt không cần bố trí cốt xiên tại gối Dầm có chiều cao 150(cm) nên cần bố trí cốt giá gồm 6φ18 bố trí ba lớp

Mặt cắt bố trí cốt thép dầm ngang

4.4.3 TÍNH TOÁN CỐT THÉP DẦM DỌC THƯỜNG :

Bảng kết quả nội lực

Text m Ton Ton Ton-m Text

Text m Ton Ton Ton-m Text

Text m Ton Ton Ton-m Text

DAMDOC161 0 -0.962 -27.410 -38.684 1137

1 Tính toán cốt thép dọc

a Tiết diện chịu moment âm (ở gối):

100 0 130 0.0431

=

a R

bh n

R

att

Chọn theo cấu tạo đặt 4φ22 (Fa=15.204 cm2)

Kiểm tra a: Theo hình athật = a0 + 2φ= 5+ 22.2 =6.1 (cm)

Ta thấy a=10(cm) > athật =9.1(cm) thiên về an toàn nên giả thiết là hợp lý

Cánh nằm trong vùng nén tham gia chịu lực với sườn Chiều rộng cánh dầm đưa vào tính toán là: bc = b + 2.c1

Trong đó: c1 là độ vươn của cánh được lấy trị số bé hơn trong ba trị số sau:

+ Một nữa khoảng cách hai mép trong của dầm: 0.5380 = 190(cm)

+ Một phần sáu nhịp tính toán của dầm : 61 (500) = 83.33 (cm)

+ Chín lần chiều cao bản cánh: 935 = 315(cm)

100 0 23 130 0.0166 0

h c b n R

att

Chọn 4φ24 (Fa = 18.096 cm2) Bố trí cốt thép như hình vẽ

Kiểm tra a: Theo hình athật = a0 + 2φ = 5 + 22.4 =6.7 cm

Ta thấy a=10(cm) > athật =6.7 cm thiên về an toàn nên giả thiết là hợp lý

Kiểm tra hàm lượng cốt thép:

0

.h b

Fa

096.18

−

2 Tính toán cốt thép ngang:

- Kiểm tra các điều kiện hạn chế về lực cắt: Qmax =27.3 T

Qmax< K1.Rk.b.ho = 0.6  10  70  103.3 = 42420 Kg = 43.386 T

Qmax < K0.Rn.b.ho = 0.35 130  70  103.3 = 329010.5 (Kg) = 329 T

⇒ Qmax< K1.Rk.b.ho < K0.Rn.b.ho: Đặt theo cấu tạo

Chọn đai 4 nhánh φ10AI, fa = 0,785(cm2), Rad= 1800 (Kg/cm2)

- Khoảng cách U được lấy thep giá trị sau:

uct < [1/3h và 30cm] = 30 (cm) ⇒ Chọn u = 20 (cm)

- Khả năng chịu lực của cốt đai:

qd =

20

785 0 4 1800

u d f n ad

Mặt cắt bố trí thép dầm dọc thường:

4.4.4 TÍNH TOÁN CỐT THÉP DẦM DỌC DƯỚI CHÂN CẦN TRỤC

Bảng kết quả nội lực

Text m Ton Ton Ton-m Text DAMCANTRUC30 0.5 -2.008 -12.78 -113.244 1006 DAMCANTRUC31 0 -1.921 -136.59 -115.562 1007 DAMCANTRUC41 0 -1.977 -136.24 -113.341 1017 DAMCANTRUC51 0 -1.896 -135.88 -113.292 1027 DAMCANTRUC61 0 -1.733 -136.72 -116.306 1037

Text m Ton Ton Ton-m Text DAMCANTRUC5 0.5 0.235 34.244 200.008 981

DAMCANTRUC6 0 0.183 55.439 200.225 982

DAMCANTRUC85 0.5 0.679 36.521 202.179 1061 DAMCANTRUC86 0 0.692 48.029 202.073 1062

Text m Ton Ton Ton-m Text DAMCANTRUC71 0 -1.49 -143.31 -110.827 1047 DAMCANTRUC71 0.5 -1.49 -143.31 -69.093 1047 DAMCANTRUC81 0 -0.97 -137.01 -59.589 1057 DAMCANTRUC81 0.5 -0.97 -137.01 -46.332 1057

Từ kết quả giải nội lực cho ra kết quả như sau:

Mmax =202.2 Tm

Mmin = -116.3 Tm

Qmax = 143.3 T

1 Tính toán cốt thép dọc

a Tiết diện chịu moment âm (ở gối):

140 0 10 130 0.0445

=

a R

bh n

R att

Chọn 6φ25 (Fa = 29.454cm2)

Kiểm tra a: Theo hình athật = a0 + 2φ= 5 + 22.5=6.25 cm

Ta thấy a=10(cm) > athật =6.25(cm) thiên về an toàn nên giả thiết là hợp lý

Kiểm tra hàm lượng thép:

( .454 )29

Trong đó: c1 là độ vươn của cánh được lấy trị số bé hơn trong ba trị số sau:+ Một nữa khoảng cách hai mép trong của dầm: 0.5365 = 182.5(cm)

+ Một phần sáu nhịp tính toán của dầm : 61 (500) = 83.33 (cm)

+ Chín lần chiều cao bản cánh: 935 = 315(cm)

'cb.nR

1

=

2 cm 55.77 2800

140 60 2 130 0.033 0

h c b n R att

Chọn 8φ30 (Fa =56.552 cm2) Bố trí cốt thép như hình vẽ

Kiểm tra a: Theo hình athật = a0 + 2φ =5+1.5=6.5(cm)

Ta thấy a=10(cm) > athật =6.5(cm) thiên về an toàn nên giả thiết là hợp lý

Kiểm tra hàm lượng thép:

0

.h b

Fa

552.56

−

2 Tính toán cốt thép ngang

- Kiểm tra các điều kiện hạn chế về lực cắt: Qmax = 143.3 (T)

Qmax> K1.Rk.b.ho = 0.6  10  100  143.5 = 86100 (Kg) = 86.1 (T)

Qmax < K0.Rn.b.ho = 0.35 130  100  143.5 = 652925 (Kg) = 652.925(T)

⇒ K1.Rk.b.ho< Qmax< K0.Rn.b.ho : phải tính cốt đai cho dầm

Chọn đai 4 nhánh φ10AII, fa = 0,785(cm2), Rad= 1800 (Kg/cm2) Đặt theo cấu tạo

- Khoảng cách u tính toán được tính như sau:

- Khoảng cách U được lấy giá trị bé hơn 3 giá trị sau:

Q

2 0 h b k R 8 a f

umax = 433 5 ( )

143300

2 5 143 100 10 2

2 0

2

cm Q

h b k R

u d f n ad

4.4.5 TÍNH TOÁN CỐT THÉP BẢN:

Bảng kết quả nội lực Area AreaElem ShellType M11 M22

Text Text Text

m/m Ton-m/m

Area AreaElem ShellType M11 M22

Text Text Text

m/m Ton-m/m

Area AreaElem ShellType M11 M22

Text Text Text

m/m Ton-m/m

Ton-94 31 Shell-Thin 4.08614 6.72184

124 61 Shell-Thin 3.95341 6.66516

154 91 Shell-Thin 3.62327 6.44388

304 241 Shell-Thin 3.68667 6.55664

Area AreaElem ShellType M11 M22

Text Text Text

m/m Ton-m/m

1 Số liệu tính toán:

Bản có chiều dày 35cm, cấu tạo như hình vẽ:

Cấu tạo bản

Xét ô bản có giá trị nội lực lớn nhất để tính (xem bản kết quả )

2 Kết quả tính BTCT bản

a Theo phương cạnh ngắn L 1

M

= 1301384000.100.302 = 0.0865

α = 1- 1 − 2 A = 1- 1 − 2x0 0865 = 0.091

Fa = α.RRan.b.h0 = 0.091×1302800×100×30 = 12.675(cm2)

Chọn thép đặt theo cấu tạo: φ16 a200 thép AII

⇒ Đặt theo cấu tạo hình vẽ φ16a200, AII (Fa = 12.066 cm2

BẢN BÊTÔNG 35cmBÊTÔNG NHỰA DÀY 6cm