Thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT (composite)

Thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT (composite)

-Thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT (composite):

-Lựa chọn tiết diện dầm chủ

-Kiểm tra tiết diện dầm chủ theo các trạng thái giới hạn

-Thiết kế liên kết giữa các bộ phận trong tiết diện dầm chủ

-Thiết kế mối nối dầm chủ

-Thiết kế hệ neo liên kết

3 Tiêu chuẩn áp dụng:

Tiêu chuẩn thiết kế được áp dụng là tiêu chuẩn 22TCN 272 - 05



+ Cường độ chảy min Fy = 345 Mpa

+Cường độ chịu kéo min Fu = 450MPa

- Thiết kế dầm chịu uốn theo:

+ TTGH cường độ

+ TTGH sử dụng

+ TTGH mỏi và đứt gãy cho các chi tiết

- Bêtông sử dụng cho bản mặt cầu là bêtông có fc’ = 30MPa

- Thép đường hàn là thép cấp 250

2.1.2 Chọn dạng mặt cắt ngang và chiều dài tính toán :

- Chiều rộng phần xe chạy: B1 = 7 m

- Chiều rộng phần người đi bộ: B2 = 2 x 1.25 m

- Chọn dạng bố trí phần người đi bộ cùng mức với phần xe chạy, dùng dải phân cách cứng

để phân cách giữa người đi bộ và làn xe

- Chiều rộng cột lan can cứng: B3 = 50 cm

- Chiều rộng làn sơn : B4 =25 cm

Vậy: Chiều rộng toàn mặt cầu được xác định:

B = B1 + 2B2 + 2B3 + 2B4 = 7 + 2 x 1.25 + 2 x 0.25+2×

0.5= 11 m.

2.1.2.1 Chiều dài tính toán

Chiều dài tính toán cầu dầm giản đơn 1 nhịp: Ltt = 35 - 0,3.2=34,4 m

Các lớp mặt cầu được chọn như sau:

- Bê tông Atphan dày 7cm

- Lớp phòng nước dày 0,4 cm

- Lớp tạo dốc bằng vữa xi măng trung bình dày 4 cm

2.1.2.6 Chiều dày bản mặt cầu

- Ta có các yêu cầu về cấu tạo bản mặt cầu:

- Chiều dày tối thiểu của bản mặt cầu BTCT được quy định ở điều {A9.7.1.1} là175mm (không kể lớp hao mòn)

- Khi chọn chiều dày bản phải cộng thêm lớp hao mòn 15mm

Đồng thời chiều dày của bản bêtông được xác định theo AASHTO:

s

S+3000 2200+3000

Vậy ta quyết định chọn chiều dày bản mặt cầu ts = 200mm

Dạng mặt cắt ngang cầu được chọn như hình vẽ:

2%

2%

Hình 1.1: Sơ đồ bố trí chung mặt cắt ngang cầu

2.1.3 Sơ bộ chọn tiết diện dầm :

6× × ≤b f ≤ ×

⇔ 253,33 ≤b f2 ≤ 480Chọn bf2 = 350 (mm)

2.1.3.5.Cấu tạo dầm chủ:

300

350450

- Chiều dày bản bê tông cốt thép được chọn : ts = 20cm

- Tỷ trọng của bê tông: Wc = 2500kg/m3

- Cường độ nén của bê tông bản mặt cầu: f’c = 30 MPa

- Giới hạn chịu kéo nhỏ nhất của thép thanh: fu = 450MPa

2.2.1.2 Các hệ số của tải trọng

*Hệ số của tĩnh tải:

Các hệ số tải trọng dùng cho tải trọng thường xuyên γp (tra bảng {3.4.1-2):

- Đối với bản mặt cầu và lan can tay vịn:

*Hệ số của hoạt tải:

Các hệ số dùng cho tải trọng nhất thời :

2.2.1.4 Chọn hệ số điều chỉnh tải trọng cho các trạng thái giới hạn (TTGH)

Hệ số biến đổi tải trọng  là hệ số đưa vào tính toán có liên quan đến tính dẻo, tính dư,

và tầm quan trọng của cầu

D R L

η = η η η

 0,95Trong đó:

+D hệ số liên quan đến tính dẻo

+R hệ số liên quan đến tính dư

+L hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác

Hệ số điều chỉnh Tiêu chuẩn TTGH

cường độ

TTGH

sử dụng

TTGH mỏi

3.Hệ số quan trọng ηI {A1.3.5} 1,05 1,00 1,00

I R

2.2.1.5.1 TTGH cường độ:

TTGH cường độ I là tổ hợp tải trọng cơ bản để tính với tải trọng khai thác khi trên cầu

có xe và không có gió Gồm:

+ DC: Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu và liên kết

+ DW: Trọng lượng tĩnh tải của các lớp mặt cầu và thiết bị

- Việc tính toán một cách chính xác sơ đồ tính không gian của cầu là hết sức phức tạp,

do đó người ta dùng cách tính gần đúng bằng cách đưa sơ đồ cầu thực tế về sơ đồ cầu phẳngkhi đó phải kể thêm hệ số phân bố ngang của hoạt tải

- Loại tiết diện ngang có L = 35000 (mm)

- Hoạt tải tác dụng gồm có: + Xe tải thiết kế HL93

+Tải trọng làn gl=9.3 KN/m2

+Tải trọng người PL= 3 KN/m2

I/ Hệ Số Phân Bố Ngang Cho Mômen

a Tính toán hệ số phân bố ngang cho mômen của dầm trong:

Công thức xác định theo AASHTO :

- Một làn xe thiết kế:

mgMSI = 0,06 +

0,4( )4300

( )S

L

0,1 3( g)

s

K Lt

- 2 hay nhiều làn xe thiết kế:

mgMMI = 0,075 +

0,6( )2900

( )S

L

0,1 3( g )

s

K Lt

+ Id : mômen quán tính của dầm ở giai đoạn chưa liên hợp

-Diện tích mặt cắt ngang của dầm thép:

E E n

-Cường độ chịu nén của bê tông làm bản mặt cầu :

' 2

f

= 30 Mpa

Mô dun đàn hồi của bản mặt cầu :

( )S

L

0,1 3( g)

s

K Lt

=0,06+

0,42200( )4300

0,32200

34400 (1,75)0,1

=0,414-Hệ số phân bố ngang đối với 2làn xe hoặc nhiều làn chất tải :

mgMMI = 0,075 +

0,6( )2900

( )S

L

0,1 3( g )

s

K Lt

=0,075+

0,62200( )2900

0,22200

34400 (1,75)0,1

=0,59

b Tính toán hệ số phân bố ngang cho mômen của dầm biên

- Đối với dầm trong:

+ Một làn thiết kế chịu tải

mgm = 0,06+

0,4 0,3 0,1

3( ) ( ) ( )4300

g s

mgm = 0,075+

0,6 0,2 0,1

3( ) ( ) ( )2900

g s

K

L Lt

- Đối với dầm ngoài:

+ Một làn thiết kế chịu tải: Sử dụng phương pháp đòn bẩy.

⇒ mgMEM = × e mgMIM

= 1*0,59= 0,59Vậy chọn hệ số phân bố moment cho dầm ngoài:

mgM =Max( SE ME)

M M

g , g = 0,708

II/Xác Định Hệ Số Phân Bố Lực Cắt Của Dầm Trong Và Dầm Ngoài

a Tính toán hệ số phân bố ngang cho lực cắt của dầm trong:

Đk áp dụng:

1100≤ S= 2300 ≤4900mm ; 110 ≤ t=200 ≤300mm ;6000≤L=40000≤ 73000mm

Công thức xác định theo AASHTO :

22200

10700

b Tính toán hệ số phân bố ngang cho lực cắt của dầm biên

- Một làn thiết kế chịu tải:

Dùng nguyên tắt đòn bẩy

SE SE

mg = mg = 0, 708

- Hai làn thiết kế chịu tải:

Hệ số điều chỉnh cho lực cắt dầm ngoài:

Bảng 1-4: bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang của moment và lực cắt:

II/Xác Định Hệ Số Phân Bố Của Người Dầm Trong Và Dầm Ngoài

a/ Hệ số phân bố ngang của đoàn người với dầm trong :

2.1, 25

0,55

3.4.4 Tính toán nội lực dầm chủ do tĩnh tải

3.4.4.1 Tải trọng của mặt đường trên cầu và các bộ phận mặt cầu

- Tải trọng do lan can

- Do trọng lượng của lan can:

Tĩnh tải lan can tay vịn: Plc = 0,06T/m

Tĩnh tải bệ đỡ lan can:

- Do trọng lượng bản thân các lớp mặt cầu

Tính toán theo bảng sau:

Mô hình tải trọng tác dụng lên cánh hẫng như hình vẽ:

L2 – Khoảng cách từ tim lan can đến ngàm

L3 – Chiều dài phần có lớp phủ mặt cầu

L4 – Chiều dài đoạn phân bố tải trọng bánh xe

L5 – Chiều dài đoạn phân bố tải trọng người đi bộ

Với L1, L2, L3, L4, L5 được tính theo nhịp có hiệu của bản kê trên dầm dọc là chiều dàicủa bản cánh hẫng trừ đi một nữa chiều rộng bản cánh dầm dọc tức là bf/2

301.1081.95.22.01.2

DCbmc =b e t sγbt = x x x =

-Tĩnh tải do bêtông phần vút :

KN/m)(

319.081.95.205.026.0

ft γ-Vậy:

DC: Cấu kiện và các thiệt bị phụ 1,25/0,9

ω - diện tích đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt đang xét.

ω+ - diện tích đường ảnh hưởng lực cắt dương tại mặt cắt đang xét

ω- - diện tích đường ảnh hưởng lực cắt âm tại mặt cắt đang xét

0 17,20 370,56 370,56

Nhận xét: Nội lực tại các mặt cắt của dầm ngoài luôn lớn hơn dầm trong Vậy ta chỉphải kiểm toán nội lực của dầm ngoài.

3.4.5 Tính toán nội lực dầm chủ do hoạt tải

Hoạt tải xe ôtô trên mặt cầu hay kết cấu phụ trợ (HL-93) sẽ gồm một tổ hợp của:

- Xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế

- Tải trọng làn thiết kế

Hiệu ứng lực của tải trọng làn thiết kế không xét lực xung kích

Hiệu ứng lực lớn nhất phải được lấy theo giá trị lớn hơn của trường hợp sau

- Hiệu ứng của xe 2 trục thiết kế tổ hợp với hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế9HL93M)

- Hiệu ứng của một xe tải thiết kế tổ hợp với hiệu ứng của tải trọng làn thiết kế(HL93K)

mgLL, gPL: Hệ số phân bố mômen của hoạt tải xe và đoàn người : mgLLM = 0,708 , gPL=1,23

Pi: Tải trọng của trục xe

yi: Tung độ ảnh hưởng tương ứng dưới trục bánh xe Pi

1+IM =1,25 là hệ số xung kích

PL=3KN/m2: Tải trọng đoàn người

ω: Diện tích đường ảnh hưởng

- Đường ảnh hưởng mômen tại mặt cắt giữa nhịp

- Xe tải thiết kế + Tải trọng làn + Tải trọng người

- Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn + Tải trọng người

+ Trạng thái giới hạn cường độ 1

Mu = η.[1,75.gm.[(1+IM).110.(y1+y2) + 9,3.ω] + 1,75.gpl.3.ω ]

= 0,95*[1,75*0,708*[(1+0,25)*110*(8,6+8)+9,3*147,92]+1,75*0,985*3*147,92]

= 5032,51 kN/m

Đường ảnh hưởng lực cắt tại mặt cắt gối

- Xe tải thiết kế + Tải trọng làn + Tải trọng người

= 688,69 kN/m

+ Trạng thái giới hạn sử dụng

Vu = η.[1,3.mgm.[(1+IM) (35.y1+145 y2+145 y3) + 9,3 ω+] + 1,3.gpl.3 ω+]

= 1*[1,3*0,708*[(1+0,25)*(35*0,75+145*0,88+145*1)+9,3*17,2] +1,3*0,985*3*17,2]

= 557,13 kN/m

- Xe 2 trục thiết kế + Tải trọng làn + Tải trọng người+ Trạng thái giới hạn cường độ 1

Vu = η.[1,75.mgm.[(1+IM).110.(y1+y2) + 9,3 ω+] + 1,75.gpl.3 ω+]

= 0,95*[1,75*0,708*[(1+0,25)*110*(1+0,97)+9,3*17,2] + 1,75*0,985*3*17,2]

= 591,61 kN+ Trạng thái giới hạn sử dụng

Vu = η.[1,3.mgm.[(1+IM).110.(y1+y2) + 9,3 ω+] + 1,3.gpl.3 ω+]

= 1*[1,3*0,708*[(1+0,25)*110*(1+0,97)+9,3*17,2] + 1,3*0,985*3*17,2]

= 462,61 kNBảng tổng kết:

Mômen do hoạt tải (kNm)

MLL(SD)(KN.m) 4635,28 4321,94 3463,19 2081,00 0,00MLL(CĐ1)(KN.m) 7106,73 6620,40 5299,08 3183,40 0,00Lực cắt do hoạt tải (kN)

mht(HL93)(KN.m) (KN.m)mu

Vht(HL93)(KN) (KN)Vu Vtt (DC+DW)(KN)

Vht(HL93)(KN) Vu (KN)

IV Kiểm tra các tiết diện thiết kế yêu cầu :

1.Theo TTGH CD1 và Sử Dụng.

1.1.Các giai đoạn làm việc.

Dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép làm việc theo 2 giai đoạn chính :

-Giai đoạn 1: Dầm thép chưa liên hợp ( NC ) Toàn bộ tải trọng dầm chủ DC1 và bản mặtcầu DC2 chưa đông cứng chỉ do dầm thép chịu

- Giai đoạn 2 : Dầm thép liên hợp bản mặt cầu : dầm liên hợp làm việc theo 2 giai đoạn :

+ Tải trọng tĩnh chất thêm DC3 + DW là do dầm liên hợp dài hạn chịu (LT)

+ Hoạt tải và lực xung kích PL+LL là do tiết diện liên hợp ngắn hạn chịu (ST)

1.2 Xác định chiều rộng có hiệu của bản mặt cầu:

- Chiều rộng có hiệu của dầm trong được xác định như sau:

w

2, 2

0,3min 12 ax( , ) min 12.0, 2 ax(0,014; ) 2,55

Vậy chiều rộng có hiệu của dầm trong là bi =2,2 m

-Chiều rộng có hiệu của dầm biên được xác định như sau:

1 w

V.Xác định các đặc trưng hình học của tiết diện:

a.Tiết diện dầm thép (Giai đoạn 1)

300

350 450

15893,6.10

25,84.10615,03

c

E n

1 2200.20015893,6.10 637,04 42988 [ 2200.200.(347,92 50 0,5.200) ]

ST II ST t

350 450

1 2200.20015893,6.10 339,32 42988 [ 2200.200.(645,65 50 0,5.200) ]

1.6 Xác định Mômen chảy My và Mômen dẻo Mp:

cd DC

cd DW DC

( * ) * (300 18) 250 10 1350( ).

P = b t F = x x x − = KN

+Biên trên : 3

( * ) * (1542 14) 250 10 5397( ).

+Vách : 3

( * )* (350 20) 250 10 1750( ).

+Biên dưới : 3

2200

PsPc

Do đó, PNA ở phía dưới mép trên cùng của tiết diện liên hợp một đoạn 191,56 mm

-Xác định mômen dẻo với tiết diện dầm :

.11220.95,78.10 5397.847, 44 1350.67, 44 1750.1628, 44 2250.1648, 44 200

p

= 12224,46 kN.m

2.2.5 Kiểm tra các giới hạn trong việc xác định kích thước mặt cắt :

2.2.5.1 Kiểm tra trị số mômen:

yc y

I I

≤ 0,9Trong đó:

+Iy: Mômen quán tính của mặt cắt thép đối với trục thẳng đứng trong mặt phẳng của

I I

=

6 6

40,5.10264,18.10

= 0,15≤ 0,9 →Thoả mãnVậy điều kiện này thoả mãn

Trong đó:

+Dcp: Chiều cao của vách chịu nén khi chảy hoàn toàn (mm)

Với tiết diện liên hợp chịu mômen như trên và trục PDA đi qua biên trên của dầm nên

Dcp = 0

+Fyc : Cường độ chảy ở bản biên chịu nén Fyc = Fy =250 Mpa

= 0 ≤ 3,76

yc

E F

= 3,76

200000250 = 106,34Thỏa mãn điều kiện độ mãnh của vách dầm,tiết diện đặc chắc

Bản biên chịu nén không yêu cầu kiểm tra ở TTGH CĐ1 nhưng phải thỏa mãn điều kiện chịu tải trọng trước khi bê tông đông cứng

Chiều dài không được liên kết dọc để tiết diện chắc Lp là:

+Lb : khoảng cách giữa các điểm liên kết dọc

+rt : bán kính quán tính nhỏ nhất của biên chịu nén (có xét một phần ba vách chịu nén) đối với trục thẳng đứng trong mặt phẳng vách

ứng suất tổng cộng của tiết diện liên hợp

Thay số vào công thức ta có:

F F

NC= 158.346 Mpa <ϕt.Fcn = 1,0.279,46 = 279,46 Mpa→ thỏa mãn

2.2.6 Kiểm tra Sức kháng uốn theo TTGH CĐ 1:

-Đối với tiết diện chắc, sức kháng uốn có hệ số được xác định theo dạng mômen:

+ Mu : mômen tính toán tại giữa nhịp , Mu =11257,36kN.m

: hệ số kháng cắt được quy định ở {6.5.4.2} đối với cắt Фv=1

Vu = 1080,14 kN.Lực cắt tính toán lớn nhất tại gối

D

và

52.10

1441, 41542

2.2.8 Kiểm tra tiết diện theo TTGH sử dụng:

2.2.8.1 Kiểm tra trạng thái ứng suất của dầm theo TTGH sử dụng:

Ứng suất đàn hồi lớn nhất của bản biên trong giai đoạn sử dụng

+Fyf : cường độ chảy của thép bản biên Fyf = Fy =345Mpa

→ ff = 227,99 Mpa < 0,95.1.250 = 237,5 Mpa Thỏa mãn điều kiện làm việc bình thường ở TTGH Sử Dụng

2.2.8.2 Kiểm tra độ võng của dầm do hoạt tải gây ra theo TTGH sử dụng :

1.5.2 Kiểm tra độ võng của dầm

-Biến dạng do tải trọng khai thác quá lớn, gây hư hỏng các lớp mặt cầu, nứt cục bộ trong bản mặt cầu, gây cảm giác không an toàn cho người lái xe Để hạn chế điều này quy trình kiến nghị như sau:

- Độ võng do hoạt tải của dầm,bản đơn giản,cầu ô tô ≤ Lnhịp /800

* Khi tính võng do hoạt tải cần so sánh giữa:

35 145 145

13.2 17.5 21.8

lan dam

n DF

34400.( 4300) 3 22,75.10 ( 4300) 3 34400

1.6 Kiểm tra theo trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy do mỏi {6.5.3}

Trạng thái này nhằm hạn chế sự phát triển vết nứt và tránh hiện tượng đứt gãy do tảitrọng khai thác Xe tải thiết kế để tính mỏi là xe tải đơn, có khoảng cách giữa các trục xe cốđịnh

Ta có biên độ ứng suất cho phép phụ thuộc vào chu kỳ tải trọng và cấu tạo liên kết Đứtgãy phụ thuộc vào cấp liệu và nhiệt độ

Điều kiện: Φ.(ΔF)n 

η

γ.ΔfTrong đó:

+(ΔF)n là sức kháng mỏi danh định (MPa)+Δf là biên độ ứng suất do tải trọng mỏi gây ra (MPa)

Ở trạng thái giới hạn mỏi thì hệ số sức kháng  =1,0;  = 1,0

Như vậy điều kiện đảm bảo sức kháng mỏi của dầm là:

(ΔF)n 

γ.Δfγ

= 0,75-trạng thái giới hạn mỏi

1.6.1.Kiểm tra trạng thái giới hạn mỏi ở tiết diện giữa nhịp:

1.6.1.1 Chu kỳ tải trọng:

- Vì sức kháng mỏi phụ thuộc vào số chu kỳ ứng suất tích lũy nên ta cần biết chu kỳ ápdụng của tải trọng mỏi Chu kỳ cảu tải trọng mỏi được lấy bằng số lần giao thông trung bìnhcủa 1 làn xe tải đơn hàng ngày ADTTSL

Trừ trường hợp có điều khiển giao thông, số lượng xe tải của một làn đơn có thể tínhtrực tiếp từ lưu lượng xe tải trung bình hằng ngày ADTT:

ADTTSL = p.ADTTGiả thiết đường liên quốc gia thuộc vùng nông thôn với lượng giao thông trung bìnhhằng ngày ADTT = 20000xe/1ngày.1làn

+ Theo bảng 6-2 (sách cầu thép của GS.TS Lê Đình Tâm ): Tỉ lệ xe tải trong luồngbằng 0,2

+ Theo bảng : Phần xe tải trong làn đơn p = 0,85 (Ứng với 2 làn xe tải).

⇒

Lượng xe tải trung bình hằng ngày:

ADTT = 0,2.ADT.2làn = 0,2.20000.2 = 8000 (xe tải/1ngày)

⇒

Lượng xe tải trung bình hằng ngày của 1 làn xe tải đơn:

ADTTSL = p.ADTT = 0,85.8000 = 6800 (xe tải/1ngày1làn)

+ Theo bảng 6-3 (sách cầu thép của GS.TS Lê Đình Tâm):

Chu kỳ ứng suất trên một xe tải cho dầm đơn giản nhịp 35000mm >12000mm là n = 1

- Số lượng chu kỳ ứng suất N là số lượng xe dự kiến qua cầu của làn xe nặng nhất của tải trọng thiết kế Với tuổi thọ 100 năm, nó được biểu diển:

N = 365.100.1.6800 = 248,2.106 (chu kỳ)

1.6.1.2 Biên độ ứng suất cho phép mỏi

- Sức kháng mỏi danh định ứng với loại cấu tạo A được biểu diển như sau:

11 33

6

82.0x10

32.09248.2 10

1.10.1.3 Biên độ ứng suất lớn nhất:

- Hệ số xung kích khi tính mỏi IM = 15%

- Mômen lớn nhất do tải trọng mỏi tại giữa nhịp dầm ngoài:

1446, 41.10

38,41( / ) 38, 41( ) 82,5 ( ) 37,66.10

moi L

Thỏa mãn điều kiện

1.10.2.Kiểm tra trạng thái giới hạn mỏi ở tiết diện tại gối

Kiểm tra TTGH mỏi đối với vách dầm ở tiết diện gối

Xác định lực cắt V ở gối do tải trọng thường xuyên không hệ số và tải trọng mỏi có hệ số gây ra

* (

* )

i i LL làn

M LL

1 Tính toán và Thiết kế sườn tăng cường :

1.1 Kiểm tra xem ta cần phải sử dụng sườn tăng cường dọc hay không.

=191,48> D/tw=1542/14=117,28