Đồ Án Cầu Thép Chiều Dài Nhịp Tính Toán Ltt=32m (Kèm Bản Vẽ Cad)

CHƯƠNG I LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DẦM CHỦ VÀ TÍNH TOÁN NỘILỰC 1.1.XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC MẶT CẮT DẦM CHỦ 1.1.1.Chọn tiết diện dầm chủ Cơ sở để chọn tiết diện dầm: + Theo điều kiện kinh tế + T

CHƯƠNG MỞ ĐẦU GIỚI THIỆU NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN THIẾT KẾ

1.1 Số liệu thiết kế:

Chiều dài nhịp tính toán : Ltt = 32m

Tải trọng thiết kế : Hoạt tải HL93

Tải trọng người : 250 daN/m2

1.2 Nội dung thiết kế:

 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

1.3 Tiêu chuẩn áp dụng:

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

CHƯƠNG I LỰA CHỌN TIẾT DIỆN DẦM CHỦ VÀ TÍNH TOÁN NỘI

LỰC

1.1.XÁC ĐỊNH CÁC KÍCH THƯỚC MẶT CẮT DẦM CHỦ

1.1.1.Chọn tiết diện dầm chủ

Cơ sở để chọn tiết diện dầm:

+ Theo điều kiện kinh tế

+ Theo kinh nghiệm

+ Theo điều kiện độ cứng

1.1.1.1.Chọn theo kinh nghiệm:

+ Đối với cầu dầm thép liên hợp bản BTCT kết cấu nhịp giản đơn gồm các dầmchủ đặt song song nhau cùng đỡ bản mặt cầu thì có thể chọn chiều cao dầm (kể cảbản):

Sơ bộ chọn chiều cao phần dầm thép: D= 170(cm)

Chiều dày của bản mặt cầu lấy không nên nhỏ hơn 190(mm) (có cộng thêm 15mmlớp chống hao mòn) để đảm bảo cho dầm thép đủ khả năng chịu lực Đồng thời chiềudày của bản bêtông được xác định theo AASHTO:

s

S+3000 2150+3000

Chọn chiều dày của bản mặt cầu ts =20(cm); phần vút:tvs = 10(cm)

Vậy chiều cao của tiết diện liên hợp: H= 190(cm)

Chọn các kích thước của tiết diện dầm thép:

+ Sườn dầm:

Chiều dày sườn dầm :tw không được nhỏ hơn 12(mm)

+ Bản biên:

Chiều rộng không nhỏ hơn 1/6 chiều cao dầm và nhỏ hơn hoặc bằng 24 lần bềdày bản biên

Chiều dày bản biên lớn hơn hoặc bằng 1,1tw (chiều dày sườn dầm)

1.1.1.2.Chọn theo điều kiện kinh tế

Tức là chọn sao cho khối lượng thép là nhỏ nhất có thể Nó được xác định theocông thức:

3 y

MD=A

F Trong đó :

A: Hệ số lấy theo kinh nghiệm phụ thuộc cấu tạo bản biên và sườn dầm, thườnglấy 5.5-6,5; lấy 6,5 đối với dầm hàn nhịp nhỏ;

Fy: Cường độ chảy của thép dầm, Fy = 345(MPa);

M (kN.m): mômen có hệ số tại tiết diện giữa nhịp của dầm biên

1.1.1.2.1.Tính toán khối lượng bản mặt cầu

Bảng 1-1

ĐơnvịThể tích BT bản

mặt cầu Vbmc (0,2×7,8+0,55×0,1×4+0,5×0,525×0,1)×32 57,36 m3Trọng lượng BT

1.1.1.2.2Tính toán khối lượng lan can - tay vịn:

Trên 1 nhịp 32m ta bố trí 17 cột lan can tương ứng với 16 bước tay vịn, mỗi bướctay vịn bằng ống INOX dài 2,0m

Bảng 1-2 Bảng tính toán khối lượng lan can – tay vịn một nhịp

Cấu kiện Kí

1.1.1.2.3.Tính toán khối lượng các lớp mặt cầu:

Bảng 1-3 Bảng tính toán khối lượng các lớp mặt cầu một nhịp

Lớp1: Bê tông nhựa dày

Lớp2: Phòng nước dày

Tính Tổng khối lượng các lớp phủ mặt cầu trên 1m dài:DW = 10,185(kN/m)

1.1.1.2.4.Tính toán khối lượng dầm chủ:

Trọng lượng thép của dầm được xác định theo công thức gần đúng của giáo sư

Trong đó :

DCdc : Trọng lượng thép trên 1m dài dầm

Ltt : Nhịp tính toán của dầm , L = 32(m)

1,75 và 1,4 : Các hệ số tải trọng đối với hoạt tải và tĩnh tải

Fy= 3,45.105(kN/m2): Cường độ chảy nhỏ nhất của thép làm dầm

α= 0,12: Hệ số xét đến trọng lượng hệ liên kết

a,b : Các đặc trưng trọng lượng ,lấy tuỳ theo kết cấu nhịp khác nhau

Với cầu dầm , ta lấy a = b =5

3

γ=78,5(kN/m ): Trọng lượng riêng của thép làm dầm

DCmc :Trọng lượng phân bố đều của bản mặt cầu, lan can – tay vịn và các lớpmặt cầu trên 1m dài của dầm, tính chia cho các dầm chủ: (4dầm)

1+IM: Hệ số xung kích được tính như sau:

Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05, tác động tĩnh học của xe hai trục thiết kế hay xetải thiết kế không kể lực ly tâm và lực hãm, phải được tăng thêm một tỉ lệ phần trămcho lực xung kích Hệ số xung kích được lấy bằng: (1+IM/100)

Với IM: Lực xung kích tính bằng phần trăm Tất cả các trạng thái giới hạn khác trừtrạng thái giới hạn mỏi và giòn lấy IM = 25%

1.1.2.1 Hệ số phân bố ngang cho momen:

1.1.2.1.1 Đối với dầm trong:

Vì số dầm chủ Nb =4 nên ta dùng công thức để tính hệ số phân bố ngang

- Một làn thiết kế chịu tải:

0.1

g SI

1.1.2.1.2Đối với dầm ngoài:

- Một làn thiết kế chịu tải: Dùng nguyên tắt đòn bẩy

Theo đó lấy cân bằng moment đối với gối giả định ta được:

7600

300 300

Hình 1-2: Đường ảnh hưởng phản lực tại gối R

1.1.2.2.1 Đối với dầm trong

- Một làn thiết kế chịu tải: SI

1.1.2.2.2 Đối với dầm ngoài:

- Một làn thiết kế chịu tải:

Hệ số điều chỉnh cho lực cắt dầm ngoài: de 500

Thay các giá trị vào công thức tính K0 ta xác định được:

* Đối với dầm biên:

M 4836,33D=A =6,5 =1,57(m)

F 3,45.10

1.3.1.2 Chọn theo điều kiện độ cứng

Tức là khống chế độ võng của dầm.Theo AASHTO,độ võng do hoạt tải có kể đếnxung kích phải nhỏ hơn 1/800 chiều dài nhịp,nghĩa là :

1.3.1.3 Theo diều kiện chống mất ổn định cục bộ:

Chọn và kiểm tra sau

Qua một số yêu cầu của dầm liên hợp ở trên ta chọn tiết diện dầm như sau:

Bảng 1-5

1.3.2 Xác định chiều rộng có hiệu của bản cánh:

1.3.3 Vật liệu

1.3.3.1 Bê tông bản mặt cầu:

Bản mặt cầu BTCT có cường độ chịu nén ở 28 ngày tuổi : '

- Cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fu= 450(MPa)

- Cường độ chảy nhỏ nhất Fy=345(MPa)

- Môđuyn đàn hồi Et=200000(MPa)

E 200000

E 27691, 47 chọn n=8

− Đối với tải trọng tạm thời: n=8

− Đối với tải trọng dài hạn: 3n=3×8=24

Bảng 1-6 Bảng kết quả tính toán các giá trị.

Khoảng cách từ TTH đền mép trên dầm thép:Yt -9.29E+01 cmKhoảng cách từ TTH đền mép dưới dầm thép:Yd 7.71E+01 cmMoment quán tính đối với trục X_X: Ix 5.30E+06 cm 4

Moment tĩnh của 1/2 tiết diện St -1.76E+04 cm 3Moment tĩnh của 1/2 tiết diện Sd 2.11E+04 cm 3

Hình 1-5: tiết diện dầm thép dài hạn

Bảng 1-7 kết quả tính toán các giá trị

Moment tĩnh đối với trục X_X: Sx 3.61E+04 cm 3

Khoảng cách từ TTH đền mép trên dầm thép:Yt -5.92E+01 cmKhoảng cách từ TTH đền mép dưới dầm thép:Yd 1.108E+02 cm

Moment quán tính đối với trục X_X: Ix 5.37E+06 cm 4Moment quán tính dối với trục TH ILT 3.23E+06 cm 4Moment tĩnh của 1/2 tiết diện St -5.45E+04 cm 3Moment tĩnh của 1/2 tiết diện Sd 2.91E+04 cm 3

Bảng 1-8 kết quả tính toán các giá trị

Khoảng cách từ TTH đền mép trên dầm thép:Yt -3.00E+01 cmKhoảng cách từ TTH đền mép dưới dầm thép:Yd 1.40E+02 cm

Moment quán tính đối với trục X_X: Ix 5.31E+06 cm 4

1.5 TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG

1.5.1 Xác định hệ số phân bố ngang của hoạt tải:

Từ các thông số của tiết diện dầm đã chọn ta đi xác định lại hệ số phân bố ngangcủa hoạt tải để thiết kế kỹ thuật

1.5.1.1 Xác định hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với momen của dầm trong và dầm ngoài:

1.5.1.1.1 Đối với dầm trong:

ts:bề dày bản bê tông ts=200mm

+ Khi thiết kế kỹ thuật hệ số g3

s

K

Lt được tính như sau:

Kg:được xác định theo công thức: 2

K =n(I+Ae )

n = 8 : hệ số quy đổi vật liệu

I1=1.63E+06 cm4 : momen quán tính dầm

A=4.25E+02cm2 : diện tích dầm dọc chủ

eg=112,90cm : cự li giữa trọng tâm của dầm và bản mặt cầu

Vậy:

2 g

2000 0,6 2000 0,2 0,1

0,075 ( ) x( ) x2,202 0,572

2900 32000

1.5.1.1.2 Đối với dầm ngoài:

− Trường hợp 1: Có hoạt tải đoàn người và xe chạy phía trong vạch sơn

+ Khi có một làn xe chất tải: dùng phương pháp đòn bẩy (đã tính );

+ Khi có hai hoặc nhiều làn xe chất tải: không áp dụng;

+ Với tải trọng người đi:dùng phương pháp đòn bẩy (đã tính)

− Trường hợp 2: Xe chạy lấn qua lề đi bộ, không có hoạt tải đoàn người

+ Khi có một làn xe chất tải: dùng phương pháp đònbẩy (đã tính)

+ Khi có hai hoặc nhiều làn xe chất tải:

gm2=e.gm(trong)

e=0,77+ =0,77+

2800 2800®Trong đó: de = 500mm là khoảng cách từ tim dầm chủ ngoài cùng đến mép trongcủa lan can

Suy rag =e.gm2 m(trong)=(0,77+ 500 ).0,572=

Bảng 1-9 Kết hợp với những giá trị đã tính ở phần sơ bộ ta có bảng sau:

nhiều làn

HSPBNtính toán

1.5.1.2.1 Đối với dầm trong:

- Một làn thiết kế chịu tải: SI

2 MI

1.5.1.2.2 Đối với dầm ngoài:

- Một làn thiết kế chịu tải:

Dùng nguyên tắt đòn bẩy

mg =mg =0.6

- Hai làn thiết kế chịu tải:

Hệ số điều chỉnh cho lực cắt dầm ngoài: de 500

Trường hợp 1: Xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế + tải trọng làn.

1.6 TÍNH NỘI LỰC DẦM CHỦ THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 1.6.1 Bảng các hệ số tải trọng

Bảng 1-12 Bảng hệ số tải trọng

sử dụng

TTGHmỏi

Tất cả kết cấu khác TTGH Mỏi 15

1.6.2 Nội lực dầm chủ do tải trọng gây ra

Ta đi xác định nội lực dầm chủ do tĩnh tải và hoạt tải gây ra tại vị trí giữa nhịp đốivới momen và tại vị trí gối đối với lực cắt của dầm trong và dầm ngoài

1.6.2.2 Nội lực dầm chủ do hoạt tải:

Đối với momen:

Hoạt tải xe thiết kế + tải trọng làn + hoạt tải người

− TTGH CĐ 1:

Mu=1,75.[gmLL.((1+IM).0,65

n

i i i=1

P y

∑ +9,3.ΩM)+gmPL.4,0.ΩM](kN.m)Đối với lực cắt:

Đường ảnh hưởng moment tại vị trí L/2

Đ.a.h lực cắt và cách sắp xếp tải trọng như sau:

Đường ảnh hưởng lực cắt tại vị trí gối

Đường ảnh hưởng lực cắt tại vị trí L/2

Kết quả tính toán được thực hiện thông qua bảng tính:

Bảng 1-16 Bảng tính diện tích đường ảnh hưởng

Các trị số để tính diện tích đah Diện tích đah

Bảng 1-17 Bảng tính toán momen do tĩnh tải giai đoạn 1: DC1

M 3l/8 13.202 114.075 2017.27 1882.52 1613.82 1506.02

Bảng 1-18 Bảng tính toán momen do tĩnh tải giai đoạn 2: DC2

Bảng 1-19 Bảng tính toán momen do tĩnh tải giai đoạn 2: DW

Bảng 1-21 Bảng tính toán lực cắt do tĩnh tải giai đoạn 1: DC1

V(kN) (kN/m) (m 2 ) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

Bảng 1-22 Bảng tính toán lực cắt do tĩnh tải giai đoạn 2: DC2

Bảng 1-23 Bảng tính toán lực cắt do tĩnh tải giai đoạn 2: DW

V 3l/8 106.50 99.30 70.84 67.15

Bảng 1-25 Bảng xác định tung độ đường ảnh hưởng và tải trọng xe:

Bảng 1-26 Bảng tính toán momen do hoạt tải xe 3 trục gây ra

P y

∑

Bảng 1-31 Bảng tính toán lực cắt do hoạt tải xe 2 trục gây ra

Lực cắt

V(kN)

Diện tích (m 2 )

P y

∑

CHƯƠNG II KIỂM TRA TIẾT DIỆN DẦM CHỦ THEO CÁC TRẠNG THÁI

GIỚI HẠN

2.1.KIỂM TRA CÁC GIỚI HẠN KÍCH THƯỚC TIẾT DIỆN

2.1.1.Kiểm tra tính cân xứng:

Để tiết diện chịu uốn cân xứng thì phải thỏa mãn biểu thức:

38.25x10

0, 237161.6x10 = ≤ 1,0 OK

2.1.2.Kiểm tra mỏi của sườn dầm khi chịu uốn:

Độ mãnh của vách đứng được xác định theo công thức sau:

w w

2

λ = D c t

t =17mm là chiều dày của sườn dầm

Về nguyên tắc sườn tăng cường sẽ ngăn cản hay chống lại sự mất ổn định củavách dầm, nhưng để bất lợi ta xét trường hợp không có sườn tăng cườn đứng hayphần sườn nằm giữa hai sườn tăng cường đứng

Khi đó ứng suất nén đàn hồi lớn nhất ở biên chịu nén khi uốn Fcf sẽ đại diện choứng suất uốn lớn nhất trong vách

E

(mãnh)Trong đó:

Rh = 1,0 hệ số triết giảm cường độ khi xét đến tiết diện lai

Fyc là cường độ chảy ở biên chịu nén, chọn thép cấp 345 như vậy giới hạn chảycủa thép là Fyc=345Mpa

E=200GPa là môđun đàn hồi của thép

Fcf :ứng suất nén đàn hồi lớn nhất ở biên chịu nén khi uốn do tải trọng tĩnh không

hệ số và hai lần tải trọng mỏi

Mcf =Tải trọng tĩnh không hệ số + Tải trọng mỏi

-Mômen do 2 lần tải trọng mỏi:

Xe tải nặng qua cầu gấp gần 2 lần tải trọng mỏi do vậy ta phải nhân đôi

Mômen do tải trọng mỏi gây ra tại giữa nhịp khi kể đến lực xung kích 15%

Hệ số làn xe: m=1,2 (xét cho một làn xe)

mgMS = 0,6 hệ số phân bố mômen của dầm ngoài

Suy ra:

MLL+IM=2x0,75x0,6x(1,15(145(8.25 +3.75)+35x6.1)/1,2= 1678.67 (kNm).-Ứng suất nén khi uốn lớn nhất trong vách của dầm thép do tĩnh tải và hai lần tảitrọng mỏi:

Bảng 2-1:

ỨNG SUẤT UỐN TRONG VÁCH DO MÔMEN DƯƠNG (TTGH MỎI)

2.1.3.1.1 Ứng suất nén cực đại ở tại đỉnh của dầm thép do tải trọng có hệ số: Bảng 2-2:

1.75*(LL+IM) 2467.14 3.16E+07 77.99

η.TỔNG

4984.63

Từ bảng tổng hợp ta nhận thấy maxff= max(137.31; 189.46) < 345MPa

Vậy dầm liên hợp đã đảm bảo làm việc bình thường ở trạng thái giới hạn cường độ

2.1.3.2 Kiểm tra theo sức kháng uốn:

Tiết diện đặc chắc là tiết diện mà khi đạt được mômen dẻo toàn phần Mp trướckhi xảy ra mất ổn định ngang hoặc ổn định cục bộ bản biên, vách dầm

2.1.3.2.1 Xác định được trục trung hoà dẻo PNA của dầm bằng cách cân bằng cáclực dẻo:

Khoảng cách của cốt thép N10 bên trong bản bê tông cách nhau 250mm Nên

số lượng thanh thép trên đỉnh bản trong chiều rộng có hiệu

n = b i

250 ~ 8 thanh số 10 Khoảng cách của cốt thép dưới trong bản bê tông là 350mm nên số thanh thépN15 ở đáy bản là:

Khi đó lực dẻo trong vách đứng của dầm phải chia ra lực dẻo chịu kéo và nén

= 15401394,8 (kN/mm) = 15401,4 (kN.m)2.1.3.2.2 Độ mảnh của vách dầm (6.10.4.1.2):

Để đạt Mp trên toàn tiết diện, không chỉ bản biên đạt đến dẻo mà còn có

cả vách Để tránh cho vách khỏi mất ổn định trước khi biến dạng quá xuất hiện khi đó

độ mãnh của tiết diện chắc phải thỏa:

Dcp: là chiều cao phần vách chịu nén tại lúc moment dẻo

tw: là chiều dày của vách dầm

tf = 17mm: bề dày của biên chịu nén

bf = 300mm: bề rộng của biên chịu nén

Rn: là sức kháng danh định của tiết diện dầm

Hệ số sức kháng Φ= 1,0 (22TCN272-05)

Khi đó: Mn = Mp =15401,4 kNm

ΣγiQi = 7805,73kNm < Φ.Rn= 15401,4 kNm →OK

Vậy trạng thái giới hạn cường độ I được thoả mãn

2.1.3.4 Kiểm tra tính dẻo dai của tiết diện chịu mônmen:

DP :là khoảng cách từ trục trung hoà dẻo của dầm đến đỉnh bản

d : chiều cao của tiết diện dầm thép d=1700mm

tS :là bề dày của bản mặt cầu tS=200mm

th :là chiều cao của phần vút th=100mm

2.1.3.5 Kiểm tra theo sức kháng cắt:

Sức kháng cắt tính toán của dầm hoặc tổ hợp dầm Vr được tính theo:

Vr=φvVnTrong đó :

v

φ = 1: Hệ số sức kháng cắt (6.5.4.2);

Vn: Sức kháng cắt danh định tính như sau:

Nếu bản bụng không được tăng cường và:

3 w n

4,55.t E

V =

D (kN)Bảng 2-4:

v

φ Vn

>VuDầm

2.1.4 Kiểm tra dầm trong trạng thái giới hạn sử dụng:

2.1.4.1.Kiểm tra độ võng không bắt buộc:

Độ võng không bắt buộc ở đây là độ võng do hoạt tải gây ra trong dầm tại vị trígiữa nhịp (dầm đơn giản).

Độ võng do hoạt tải gây ra có thể được xét đối với hai trường hợp hoạt tải:

+Trường hợp có một xe tải thiết kế:

+Trường hợp 25% xe tải thiết kế và tải trọng làn thiết kế

Các làn đều được chất tải và các dầm đở làn đều võng và giả thiết là các dầm đềuvõng như nhau

Khi đó hệ số phân bố độ võng có thể lấy bằng số làn chia cho số dầm:DF=2/5=0,4

2.1.4.1.1.Xét trường hợp xe tải đơn thiết kế:

2.1.4.2.Kiểm tra ứng suất của dầm trong giai đoạn sử dụng bình thường:

Trong giai đoạn sử dụng tải trọng tác dụng lên dầm gồm có: tĩnh tải D1,D2,D3 vàhoạt tải 1,3(LL+IM) Ứng suất này phải tính toán đối với cả hai biên của dầm thép.Ứng suất đàn hồi lớn nhất của bản biên trong giai đoạn sử dụng:

ff=0,95xRhxFyf=0,95x1,0x345=327,75MPa

Bảng 2-4:ứng suất của bản biên trên của dầm thép do mômen sử dụng:

Ứng suất của bản biên trên của dầm thép do moment sử dung

Bảng 2-5: Ứng suất của bản biên dưới của dầm thép do mômen sử dụng:

Ứng suất của bản biên dưới của dầm thép do moment sử dung

Từ bảng tổng hợp ta nhận thấy maxff= 189,46< 327,75MPa

Vậy dầm liên hợp đã đảm bảo làm việc bình thường ở trạng thái giới hạn sử dụng

2.1.5 Kiểm tra trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy:

2.1.5.1.Kiểm tra mỏi do tải trọng gây ra:

Thiết kế theo trạng thái giới hạn mỏi bao gồm giới hạn ứng suất do hoạt tảicủa xe tải thiết kế mỏi chỉ đạt đến một trị số thích hợp ứng với một số lần tác dụnglặp xảy ra trong quá trình phục vụ của cầu.

Biên độ ứng suất cho phép phụ thuộc vào chu kỳ của tải trọng và cấu tạo liênkết Đứt gãy phụ thuộc vào cấp vật liệu và nhiệt độ

Điều kiện: Φ.(ΔF)n  η.γ.(Δf)

Trong 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:

Số lượng xe tải của một làn đơn trong một ngày:

ADTTSL=p ADTT=0,85.8000=6800 (xe/ngày)Trong đó p=0,85 là một phần số làn xe tải trong làn đơn

Số chu kỳ xe tải qua cầu trong thời gian (tuổi thọ) của cầu 100 năm là:

N = 365 100.1,0x6800 = 248,2.106 chu kỳ

n=1,0 là chu kỳ của một xe tải (bảng 6-3)

Quan niệm chung về sức kháng mỏi:

( )N

A

=(

12 6

A là hệ số cầu tạo lấy ở bảng 6.5

(ΔF)TH là ngưỡng ứng suất mỏi có biên độ không đổi