Lý thuyết cầu vòm

giới thiệu tác giả Trần Bảo Xuân sinh tháng năm 1958 huyện La Nguyên, tỉnh Phúc Kiến Năm 1982, sau tốt nghiệp chuyên ngnh cầu đờng trờng Đại học Phúc Châu, ông tham gia thi công cầu Dung Kỳ tỉnh Quảng Đông Năm 1986, sau hon thnh nghiên cứu sinh với đề ti kết cấu công trình dân dụng trờng Đại học Phúc Châu ông đợc giữ lại trờng lm công tác giảng dạy Hiện ông l phó Viện trởng Viện công trình xây dựng dân dụng trờng Đại học Phúc Châu, phó giáo s, ông có thời gian di dạy công trình cầu, chủ trì nghiên cứu khoa học, thiết kế v giám sát thi công kết cấu cầu Vòm công bố 30 đề ti khoa học Trong có "Phân tích v trình tự thiết kế kết cấu cầu dầm hình hộp v lm chủ nhiệm đề ti nghiên cứu khoa học cấp tỉnh, có đề ti "Nghiên cứu đặc tính chịu lực kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông" đạt trình độ tiên tiến giới, ginh đợc phần thởng công nghệ cấp năm 1998 tỉnh Phúc Kiến Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -1- giới thiệu nội dung Tập sách ny chủ yếu giới thiệu lý thuyết kết cấu ống thép nhồi bê tông, tình hình phát triển v áp dụng cầu vòm, cấu tạo v kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông, đặc tính chịu lực kết cấu, phơng pháp tính toán thiết kế kỹ thuật thi công v công nghệ thi công Ton có chơng Trong 10 năm lại đây, cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trung Quốc phát triển nhanh, nhng nghiên cứu lý thuyết cha theo kịp Trớc mắt cha có quy phạm thiết kế v quy phạm thi công tơng ứng v cha có sách giới thiệu tơng ứng Cuốn sách ny đợc biên soạn dựa sở nghiên cứu công trình thực tế, thu thập nhiều ti liệu công trình thí điểm cụ thể, đợc chỉnh lý, với vốn hiểu biết tác giả qua nhiều năm giảng dạy, nghiên cứu v thiết kế cầu vòm Trong sách đa nhiều cầu ví dụ, lời văn mạch lạc, nội dung thiết thực, lý luận rõ rng, thực dụng, lại có tính lý luận cao, có số thnh nghiên cứu lần phát triển công khai Cuốn sách ny lm ti liệu tham khảo cho ngời lm công tác thi công v thiết kế công trình chuyên ngnh cầu, dùng cho nghiên cứu sinh v học sinh chuyên ngnh năm cuối tham khảo hay giảng dạy chuyên ngnh kết cấu công trình, cầu hầm, công trình dân dụng trờng Đại học v Viện nghiên cứu, lm ti liệu tham khảo cho ngời nghiên cứu kết cấu cầu, kết cấu tổ hợp Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -2- Lời tựa Đây l sách dùng để thiết kế v thi công cầu vòm ống thép Cầu vòm ống thép nhồi bê tông l tiến kỹ thuật đợc phát triển xây dựng cầu Trung Quốc nhiều năm gần đây, có u điểm l khả chống biến dạng lớn, cờng độ cao, trọng lợng thân nhẹ Nó giải tốt đợc nhiều mâu thuẫn nh yêu cầu có khả chịu tải lớn nhng tiết kiệm đợc vật liệu, trọng lợng lắp ghép nhẹ, thi công đơn giản, l dạng kết cấu lý tởng cho cầu vòm độ lớn Kể từ năm 1990, Tứ Xuyên sau xây dựng xong cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trung Quốc với độ 115m tới nay, năm, ton quốc xây dựng xong 80 cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trong cầu Tam An Quảng Tây đạt đợc độ 270m nớc ngoi, nghiên cứu kết cấu ống thép nhồi bê tông v ứng dụng có lịch sử gần 100 năm Còn Trung Quốc, đến thập niên 50 bắt đầu nghiên cứu v năm 80 việc ứng dụng thu đợc thnh lớn, đồng thời áp dụng xây dựng, đồng thời môn có liên quan Chính phủ tiếp tục ban hnh quy trình thiết kế v thi công Những năm 90, ống thép nhồi bê tông trở thnh loại vật liệu tổ hợp mới, loại vật liệu thích hợp với cầu thuộc hệ thống vòm, kết cấu đợc áp dụng rộng rãi v phát triển nhanh Nhng cha có quy trình thiết kế v thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông Đó l yêu cầu xức nay, dễ thấy rằng, việc xuất sách ny l việc lm cần thiết Cuốn sách ny luận án thạc sỹ, nghĩa l từ công tác nghiên cứu phân tích kết cấu cầu vòm tác giả, năm gần ông lại chuyên tâm nghiên cứu kỹ thuật thi công bê tông Ti liệu ny thiết thực, minh họa nhiều cầu, có ý nghĩa lý thuyết v thực tế chuyên ngnh, l thnh nghiên cứu, giảng dạy thời gian di tác giả Tuy nhiên nh tác giả nói, l thnh v trí tuệ phơng diện nghiên cứu cầu khoa kết cấu công trình, trờng Đại học Phúc Châu Tin tởng rằng, việc xuất sách ny có tác dụng thúc đẩy phát triển kỹ thuật cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trung Quốc, có giá trị tham khảo v đánh giá loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông đợc xây dựng nhiều nớc Trung Quốc l vơng quốc cầu vòm Năm 606, theo ti liệu lịch sử Hổ Bình lm cầu vòm Triệu Châu tỉnh H Bắc, cầu thể Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -3- thông minh, ti trí dân tộc Trung Hoa Sau thời gian di, cầu vòm Trung Quốc có bớc chậm chạp lập quốc lại phát triển nhanh Khoảng 20 năm lại đây, cầu vòm Trung Quốc tiến đến mức tiền tiến giới, đặc biệt l thể phát triển sôi động rầm rộ Có chuyên gia nói, đạt đến độ lớn loại cầu ny vợt qua cầu dây văng Cho nên cần không ngừng xây dựng công trình, không ngừng tổng kết kinh nghiệm, không ngừng sâu nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông có tiền đề phát triển vô rộng lớn Tháng năm 1999 Trịnh Chấn Phi Trờng Đại học Phúc Châu Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -4- lời nói đầu Sau xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông Vơng Cang (Wangcang) sông Đông (East-river) thuộc tỉnh Tứ Xuyên (Sichuan) vo năm 1990, việc ứng dụng công nghệ nói phát triển nhanh Trung Quốc kể từ năm 1993, trờng Đại học Phúc Châu triển khai nghiên cứu thiết kế, thi công, giám sát cầu vòm ống thép nhồi bê tông (CFST concrete-filled steel tubular) trớc, sau tỉnh Phúc Kiến thiết kế cầu Phúc Thanh, Ngọc Trùng (Fuging Yurong), cầu An Khê, Danh Đạt (Auxi Mingxuan), cầu Phúc An Quần Lợi (Fuan Quangi) v Trung Thanh Thạch Trạch (Minging Shitanxi) v cầu Tiến Du Lam Khê (Xianyou Lanxi) tổng cộng cầu Trong Trờng Đại học Phúc Châu chịu trách nhiệm giám sát v thử tải trọng tĩnh cầu v nghiên cứu nghiên cứu đặc tính chịu lực kết cấu ống thép nhồi bê tông Uỷ ban khoa học tỉnh Phúc Kiến nghiên cứu thí nghiệm cầu vòm ống thép nhồi bê tông độ lớn Thạch Trạch (Shitanxi) Quốc lộ 316, Uỷ ban xây dựng thnh phố Phúc Châu (Fuzhou) triển khai thí nghiệm tải trọng xe ô tô cho cầu Giải Phóng (Jiefong) Phúc Châu Uỷ ban xây dựng Thâm Quyến tiến hnh phân tích phần tử hữu hạn v thí nghiệm quang đn hồi cho ứng suất cục điểm tiếp xúc trụ cầu với vòm cho cầu Bắc Trạm (Beizhan) Thâm Quyến công tác nghiên cứu khoa học đạt đợc thnh đáng kể tính chịu lực kết cấu dới tác dụng tải trọng sử dụng cầu vòm ống thép nhồi bê tông, phân tích chịu lực thi công, khả chịu tải trọng mặt cắt, phân tích ổn định chung, ứng lực nhiệt độ "Nghiên cứu đặc trng chịu lực kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông" đạt đợc giải thởng thứ hai tỉnh Phúc Kiến tiến khoa học kỹ thuật Các thnh ny l kết tinh trí tuệ tập thể, lao động cần cù chuyên tâm ton thể giáo viên môn cầu, khoa kết cấu công trình trờng Đại học Phúc Châu Trên sở nghiên cứu v áp dụng kể trên, tác giả tập sách thu thập đợc nhiều t liệu, dựa chuyên đề có liên quan trình nghiên cứu lm thạc sỹ kết cấu công trình giao thông Tác giả bắt đầu nghiên cứu lý luận v áp dụng bi giảng cầu vòm ống thép nhồi bê tông (CFST) Do trớc mắt cha có sách giới thiệu cầu vòm ống thép nhồi bê tông (concrete-filled steel tubular arch bridges), đợc cổ vũ v giúp đỡ nhiều mặt, qua năm cố gắng, bổ sung v hon thiện hệ thống bi giảng, tác giả hon thnh việc soạn tập sách ny Ton có chơng Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -5- Chơng thứ "Giới thiệu tóm tắt ống thép nhồi bê tông" Giới thiệu tình hình phát triển kết cấu ống thép nhồi bê tông, vật liệu, phân loại v tính ống thép nhồi bê tông Chơng thứ hai "Lý thuyết tính toán ống thép nhồi bê tông" Trớc mắt Trung Quốc chịu ảnh hởng ba hệ thống lý luận, phần ny tiến hnh đối chiếu giới thiệu quy trình tơng ứng, giúp cho độc giả hiểu rõ lý thuyết cấu kiện ống thép nhồi bê tông v để áp dụng linh hoạt Chơng thứ ba "áp dụng v phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông" Giới thiệu tóm tắt lịch sử phát triển cầu vòm, tính hợp lý v tính tất yếu việc áp dụng ống thép nhồi bê tông cho cầu vòm v tình hình áp dụng cầu vòm ống thép nhồi bê tông Trung Quốc, đồng thời chọn số cầu có tính đại diện để giới thiệu chi tiết Trong cầu đợc chọn đó, xem xét sâu loại hình kết cấu cầu, phân bố thnh phố, đơn vị thiết kế, đơn vị thi công Chơng thứ t "Cấu tạo v kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông" Cầu vòm ống thép nhồi bê tông" so với cầu truyền thống nh cầu vòm bê tông cốt thép v đá xây nâng cao đợc cờng độ vật liệu v thi công dễ dng, thể đợc khả trội, bao trùm lên cầu vòm đá xây, cầu vòm bê tông cốt thép v cầu vòm thép tất loại hình cầu, loại hình cầu vòm sờn khung cứng có treo Chơng ny dựa sở cầu giới thiệu so sánh hớng ngang cầu, cấu tạo vnh vòm chủ, cấu tạo hớng ngang cầu, hệ mặt cầu, cột treo thẳng đứng v treo mảnh Do cầu vòm ống thép nhồi bê tông lực đẩy ngang đợc áp dụng nhiều chơng ny thêm tiết giới thiệu cầu vòm lực đẩy ngang, vòm hệ giằng gió m quy cấu tạo hớng ngang vòm Chơng thứ năm "Phân tích tính chịu lực kết cấu cầu vòm ống thép" Tập trung phản ảnh thnh nghiên cứu lý thuyết cầu vòm ống thép nhồi bê tông đơn vị sản xuất, khoa nghiên cứu khoa học trờng Đại học Phúc Châu Có số thnh cha đợc công bố tạp chí khoa học Chơng ny thông qua đặc tính chịu lực tĩnh kết cấu, sức chịu tải mặt cắt, khả chịu tải ngoi mặt cắt, đặc tính nhiệt độ, co ngót, vấn đề từ biến đặc tính động học kết cấu để giới thiệu đặc tính chịu lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông Các thnh nghiên cứu việc tận dụng v sử dụng hợp lý đặc tính chịu lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông, đẩy mạnh tiến kỹ thuật cầu vòm ống thép nhồi bê tông, có ý nghĩa tích cực lý luận v thực tiễn Chơng Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -6- ny giới thiệu tóm tắt thnh nghiên cứu lâu di cầu vòm tổ nghiên cứu thy dạy, tác giả giáo s Trịnh Chấn Phi (Zheng Zhengfei) đạo Chơng thứ sáu "Tính toán thiết kế cầu vòm" sở chơng giới thiệu phơng pháp tính toán thiết kế cầu vòm ống thép nhồi bê tông v phận khác cầu vòm, đồng thời có ví dụ thiết kế cầu vòm cứng ống thép nhồi bê tông có treo mảnh để tham khảo Chơng thứ bảy "Yêu cầu thi công v chế tạo ống thép nhồi bê tông" Giới thiệu việc gia công v chế sửa ống thép, chế tạo v gia công sờn ống thép chống rỉ v sơn ống thép, sản xuất v nhồi bê tông ống thép, nghiệm thu v vấn đề thi công Chơng thứ tám "Kỹ thuật thi công lắp thnh cầu vòm ống thép nhồi bê tông" Giới thiệu phơng pháp thi công cầu vòm, sơ giới thiệu phơng pháp thi công v phạm vi thích hợp, đồng thời từ việc áp dụng ống thép nhồi bê tông l phải giải vấn đề thi công dầm cầu vòm có độ lớn Phơng pháp thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông thực chất l phơng pháp giá vòm cứng v phơng pháp tự thân lm giá vòm Chơng ny tập trung giới thiệu phơng pháp lắp giá vòm ống thép theo hai phơng pháp chủ yếu l : phơng pháp lắp dây cáp treo v phơng pháp thi công tự xoay, đồng thời giới thiệu vấn đề ổn định trình thi công v vấn đề trình tự xếp tải thi công Tác giả trình nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông v biên soạn sách ny đợc cổ vũ v trợ giúp Giáo s Chung Thiện Đồng (Zhong Shantong), GS Hn Lâm Hải (Han Linhai), GS Hong Kiều (Huang Qiceo) trờng Đại học Kiến trúc Cáp Nhĩ Tân (Harbin), GS Đái Thiệu Hoi (Chai chaohuai) Viện hn lâm khoa học Trung Quốc, Tổng công trình s Trơng Thơng Tiêu Tổng công ty đờng cao tốc Quảng Châu (Quang zhou), Tổng công trình s (TCTS) Củng Sơng (Gong Chaizi) (Viện nghiên cứu thiết kế kiến trúc tỉnh Phúc Kiến), GS Nhiếp Kiến Quốc (Nie Jiangua) trờng Đại học Thanh Hoa (Tsinghua), TCTS Hứa Dao Phong (Xu Xiaofung) Sở nghiên cứu đờng ô tô Trùng Khánh (Chongqing) Bộ Giao thông Tiến sỹ Lu Ngọc Cảnh (Li Yuquing), trờng Đại học Cửu Châu (Kyushu) Nhật chuyên gia v đồng nghiệp Giáo s Kim Thnh Ly (Sing Chengli) trờng Đại học Đồng Tế (Tongji), TCTS Tề Cảnh Xuyên (Qiao JingChuan), Viện khảo sát thiết kế, Cục đờng sắt Trịnh châu (Zhenghou), TCTS Tạ Bang Cầu (Xie Bangzhu) Viện nghiên cứu khảo Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -7- sát thiết kế đờng tỉnh Tứ Xuyên (Shehuan), TCTS Trình Huệ Phơng (Cheng Maofang), Viện nghiên cứu thiết kế kim loại Nam Xơng (Namchang), TCTS Lý Quân (Ji Kuan), Viện khảo sát thiết kế I Bộ đờng sắt TCTS Trần Nghị Ngôn v CTS Lý Dũng (Xhen Yiyan v Li Yong) viện thiết kế đô thị Thâm Quyến (Shengheu), TCTS Lâm Vỹ Tuyên (Lin ShuYuan), xởng kết cấu kim loại cục 12 thủy lợi Thủy Diện CTS Cù Đổng (Qu Dong) Công ty Tổng công ty công trình giao thông Giang Tô (Jiangshu) cung cấp nhiều ti liệu v ảnh chụp cho sách Tác giả xin chân thnh cảm tạ cổ vũ v trợ giúp tiền bối, chuyên gia v đồng nghiệp nêu v cha nêu Đồng thời với việc biên soạn sách ny, tác giả nhận lời mời Tổng công ty đờng ô tô cao tốc Quảng Châu tham gia tổ công tác xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông, có độ lớn - cầu Y Phả Xa (Yjisha) đờng vnh đai cao tốc Đông Nam thnh phố Quảng Châu nhịp vòm di 360m Nhận lời mời Sở nghiên cứu đờng Trùng Khánh, Bộ giao thông, tác giả tham gia biên soạn "Quy phạm thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông", nhận lời mời Viện thiết kế đô thị thâm Quyến tham gia nghiên cứu thiết kế cầu Bắc trạm Thâm Quyến Trong công tác trên, chuyên gia v đồng nghiệp có nhiều kinh nghiệm thực tế với hiểu sâu lý thuyết có nhiều ý kiến góp ý quý báu giúp tác giả hon thnh sách ny Các nghiên cứu sinh Tôn Triều (Shun chao), Trần Hữu Tiên (Chen Youjie), Từ Dân (Xuaiming A), Âu Trí Thanh (Ou Zhijing) tham gia công tác nghiên cứu khoa học có liên quan đến nội dung từ chơng đến chơng Các sinh viên Lâm Anh (Lin Ying), Trịnh Bảo Cẩm (Zhen Baojing), Hong Quốc Hng (Huan Quaxing), Bnh Trụ Luân (Pen Quihan) cần cù lao động viết v vẽ cho sách ny Giáo s Trịnh chấn Phi, giáo s Quách Kim Kinh (Quo Jing Qiong), phó giáo s Mao Thừa Trung (Mao Chung Hong) giúp đỡ biên soạn sách ny từ bắt đầu tới kết thúc, đặc biệt l GS Trịnh Chấn Phi, bận nhiều việc dnh thời gian đọc sách ny v nêu nhiều ý kiến quý báu Chủ nhiệm nh xuất Giao thông nhân dân, ông Tởng Minh Huy (Jiang mingyao), đồng chí Trơng Xích (Zhong Bin) v Khúc lạc (Qu Le) ban biên tập miệt mi lao động cho việc xuất sách ny Những ngời gia đình tác giả, đặc biệt l nữ sĩ Trần Hải Yến (ChenHai Yen), vợ tác giả giúp đỡ nhiều cho việc biên soạn sách ny Tác giả chân thnh cảm tạ giúp đỡ Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -8- Do thời gian v trình độ có hạn tác giả, định sách nhiều khiếm khuyết, kính mong nhận đợc phê bình v bảo vị chuyên gia v độc giả Tác giả Trờng Đại học Phúc Châu 3-1999 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - -9- mục lục Chơng thứ nhất: Khái quát ống thép nhồi bê tông Tiết 1: Tình hình phát triển kết cấu ống thép nhồi bê tông Tiết 2: Phân loại v tính ống thép nhồi bê tông Tiết 3: Vật liệu ống thép nhồi bê tông Ti liệu tham khảo Chơng thứ hai : Lý luận tính toán ống thép nhồi bê tông Tiết 1: Khái niệm Tiết 2: Tính chịu lực cấu kiện chịu nén dọc trục Tiết 3: Tính cờng độ cấu kiện chịu nén dọc trục Tiết 4: Tính ổn định cấu kiện chịu nén dọc trục Tiết 5: Tính khả chịu tải cấu kiện chịu nén lệch tâm Tiết 6: Tính cấu kiện ghép ống thép Tiết 7: Mô đun biến dạng đn hồi Các ký hiệu Ti liệu tham khảo Chơng thứ ba : Phát triển v ứng dụng cầu vòm ống thép nhồi bê tông Tiết 1: Giới thiệu phát triển cầu vòm Tiết 2: Phát triển v ứng dụng ống thép nhồi bê tông cầu vòm Tiết 3: Ví dụ cầu vòm ống thép nhồi bê tông Tiết 4: Ví dụ giá cầu vòm cứng ống thép nhồi bê tông Ti liệu tham khảo Chơng thứ t : Cấu tạo v kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông Tiết 1: Các loại hình chủ yếu vòm ống thép nhồi bê tông Tiết 2: Cấu tạo sờn vòm chủ Tiết 3: Cầu vòm thép có lực đẩy ngang Tiết 4: Cấu tạo kết cấu hớng ngang sờn vòm Tiết 5: Hệ mặt cầu Tiết 6: Cột đứng, treo v hệ treo Ti liệu tham khảo Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 10 - Độ mảnh nhánh cột : l1 = J BC / ABC n Jy = (J BC + a ABC ) i n ; Jx = (J BC + b AsC ) i Trong : Asc - diện tích mặt cắt nhánh cột Asc = r2 Jsc - mô men quán tính mặt nhánh cột Jsc = r4/4 a, b - cự ly từ tim cột đến trục y-y v trục x-x L1 - cự ly nhánh cột n - số nhánh cột Công thức tìm độ mảnh tính đổi kết cấu khung cột v công thức tính chiều di có hiệu lấy từ "Quy phạm thiết kế kết cấu thép" (GBJ-17-88) Do công thức tính chiều di có hiệu chủ yếu thuộc nh xởng tầng v cột công trình xây dựng, không nhắc lại Công thức "CECS-28-90" Trị số thiết kế sức chịu tải ton kết cấu khung cột tính theo công thức: n N* = 1* e* N oi (2-21) i Trong : Noi - trị số thiết kế lực chịu tải cột thấp chịu nén tâm cột kết cấu khung cột tính theo công thức (2-1) * - hệ số triết giảm lực chịu tải chung xét ảnh hởng độ mảnh tính theo công thức 2-23) * e - hệ số triết giảm lực chịu tải chung xét ảnh hởng độ lệch tâm tính theo công thức (2-24) Trong công thức (2-21) trờng hợp phải thỏa mãn 1* e* o* (2-22) * Trong o theo cột chịu nén tâm xét trị số 1* hệ số triết giảm chịu lực chịu tải chung, kết cấu khung cột có xét ảnh hởng độ mảnh tính theo : 1* = - 0.0575 * 16 ( * > 16) (2-23a) * * = ( 16) (2-23b) * Trong độ mảnh tính đổi kết cấu khung cột dùng theo bảng 2-9 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 70 - Hệ số triết giảm lực chịu tải chung kết cấu khung cột xét ảnh hởng độ lệch tâm e* Khi mặt cắt đối xứng có hai cột hay bốn cột : e* = 1 + 2e o / b ( eo / b b ) (2-24a) e* = (1 + + )(2eo / b 1) ( eo / b > b ) (2-24b) Khi mặt cắt có nhánh cột v nhiều nhánh không đối xứng e* = 1 + 2eo / a1 ( eo / b b ) (2-24c) e* = (1 + + )(2eo / a1 1) ( eo / b > b ) (2-24d) Trong : eo - độ lệch tâm lực nén dọc trục đầu chịu uốn lớn trọng tâm cờng độ nén kết cấu khung cột eo = M2/N, M2 l mô men uốn tơng đối lớn hai đầu cột h - cự ly tim cột mặt phẳng mô men uốn tác dụng a1, ac - trọng tâm vùng cột chịu kéo có mô men uốn tác dụng Cự ly từ trọng tâm vùng cột chịu nén đến trục trọng tâm cờng độ nén kết cấu khung cột hình 2-8 a1 = hNoc/No* ; ac = hNot/No*, Noc tổng cộng trị số thiết kế sức chịu tải chịu nén tâm cột thấp vùng chịu nén, Not l tổng cộng trị số thiết kế lực chịu tải chịu nén tâm cột thấp vùng chịu kéo No* = Noc + Not - tiêu bó chặt nhánh cột vùng chịu kéo giới hạn độ lệch tâm kết cấu khung cột b tính theo công thức (2-25) Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 71 - Hình 2-8 - Sơ đồ tính toán kết cấu khung cột theo "CECS-28-90" Với mặt cắt đối xứng có hai cột hay bốn cột b = 0.5 + (1 + (2-25a) Với ba cột v nhiều cột mặt cắt không đối xứng : b = N 01 (0.5 + ) * 2N (1 + (2-25b) Từ công thức (2-21) đến công thức (2-25) ta thấy "CECS-28-90" kiểm toán ổn định chung kết cấu khung cột, hình thức công thức giống nh cột đơn, dùng hệ số triết giảm theo độ mảnh 1* v hệ số triết giảm theo độ lệch tâm nhân với công thức kinh nghiệm Công thức "JCJ-01-89" Quy trình ny ống thép nhồi bê tông Hình thức công thức lực chịu tải chung kết cấu khung cột chịu nén tâm giống nh cột đơn, nhng chịu nén lệch tâm lại dùng hình thức kiểm toán ứng suất Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 72 - Hệ số ổn định cấu kiện tổ hợp chịu nén tâm thép A3 "JCJ 01-89" x(y) Bảng 2-10 Ghi : Với loại thép khác khung cột tổ hợp chịu nén tâm độ mảnh tính đổi phải nhân mác thép với hệ số Kb ; Kb = (fs/220)1/2 Trong công thức fs theo đơn vị MPa Lực chịu tải kết cấu khung cột ống thép nhồi bê tông chịu nén tâm tính theo công thức (2-26) : n N * = 1* N oi (2-26) i =1 Trong : - hệ số ổn định kết cấu khung cột chịu nén tâm độ mảnh tính theo bảng 29 Tra bảng 2-10 n - số lợng cột * Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 73 - N oi - lực chịu tải nén tâm cấu kiện ống thép nhồi bê tông thứ i Tính theo công thức (2-22) Kết cấu khung cột ống thép nhồi bê tông chịu ngoi lực hớng trục N, đồng thời mặt phẳng chịu mô men uốn Mx, theo công thức (2-27) để kiểm toán tính ổn định mô men tác dụng mặt phẳng : N x + mxMx N Wx (1.0 x ) Nk A n Noi (2-27) i =1 Trong : N- trị số thiết kế lực dọc trục kết cấu khung cột chịu Mx - trị số thiết kế mô men uốn lớn chiều di tính toán kết cấu khung cột x - hệ số ổn định kết cấu khung cột chịu nén tâm theo độ mảnh tính đổi tra bảng 2-10, mô men uốn tác dụng mặt phẳng (trục x) n, Noi - giống công thức (2-26) mx - hệ số mô men uốn đẳng hiệu, chọn dùng giống nh m công thức (2-17) Nk - tổng sức chịu tải ổn định cột kết cấu khung cột, tính theo : n Nk = i =1 xi N oi Wx - mặt cắt nguyên kết cấu khung cột cột chịu nén chống uốn A - tổng diện tích mặt cắt nguyên kết cấu khung cột "JCJ-01-89" quy dịnh cấu kiện nén uốn mô men uốn quay quanh trục ảo tác dụng, không cần kiểm toán ổn định chung mô men uốn tác dụng ngoi mặt phẳng, nhng phải kiểm toán ổn định cục cột đơn, phơng pháp tính toán xem phần kiểm toán nhánh đơn tiết ny Kết cấu khung cột có hai cột, tính ổn định ngoi mặt phẳng tính theo công thức (2-28) txMx N + Noi y 0.8l (2-28) Trong : y - hệ số ổn định cấu kiện nén tâm, ngoi mặt phẳng mô men uốn tác dụng tra bảng 2-10 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 74 - N - trị số thiết kế lực nén dọc trục lớn đoạn cột tính toán Mx - trị số thiết kế mô men uốn lớn đoạn cột tính toán l - cự ly đờng tim cột (xem hình 2-9) tx - hệ số mô men uốn đẳng hiệu, cột có điểm đỡ gối ngoi mặt phẳng mô men uốn tác dụng, hai đầu kề nhau, điểm gối đoạn cột tải trọng hớng ngang, chọn tx v mx nh nhau, với cột có đầu ngm đầu tự do, chọn tx = 1.0 No - cờng độ chịu nén tâm cột Hình 2-9 - chiều di tính toán nhánh kết cấu khung cột Công thức "DL 5099-97" Lực chịu tải cấu kiện chịu nén tâm kết cấu khung cột ống thép nhồi bê tông tính theo công thức (2-29) n N 1* Noi (2-29) i =1 Trong : - hệ số ổn định kết cấu khung cột chịu nén tâm theo bảng (2-9) tính độ mảnh, tra bảng 2-11 n - số cột nhánh Noi - lực chịu tải chống nén tâm nhánh thứ i, cấu kiện ống thép nhồi bê tông tính theo công thức (2-4) * Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 75 - Trị số hệ số ổn định 1* kết cấu khung cột chịu nén tâm "DL 5099-97" Bảng 2-11 = 4Lo/D Loại thép 10 30 40 50 60 70 80 Q235 1.000 0.9985 0.9894 0.9719 0.9461 0.9120 0.8596 0.8189 Q345 1.000 0.9982 0.9872 0.9663 0.9354 0.8946 0.8438 0.7830 15MnV 1.000 0.9982 0.9869 0.9655 0.9338 0.8919 0.8398 0.7775 = 4Lo/D Loại thép 20 90 100 110 120 130 140 150 Q235 0.7598 0.6924 0.6167 0.5208 0.4438 0.3827 0.333 Q345 0.7123 0.6316 0.5409 0.4546 0.3873 0.3340 0.2909 15MnV 0.7049 0.6222 0.5292 0.4444 0.3786 0.3265 0.2844 Ghi : Các trị số dùng phơng pháp nội suy xác định "DL 509997" ngoi độ mảnh tính đổi theo bảng 2-9 cho kết cấu khung cột mặt cắt không đổi, cho độ mảnh tính đổi cho nhánh cột có mặt cắt không giống (xem công thức 2-30) Khi có bốn cột m cột v ngoi có mặt cắt không giống nhau, theo công thức dới để tính độ mảnh tính đổi m oy = 2y + 13.5 2.5 ( EAsi ) i =1 EAw (2-30a) m ox = 2x + 13.5 2.5 ( EAsi) i =1 EAw (2-30b) Khi có ba cột, m cột v ngoi có mặt cắt không giống nhau, theo công thức dới tính độ mảnh tính đổi m ox = 2x + 13.5 2.5 ( EAsi) i =1 EAw (2-30c) Trong : Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 76 - m 2.5 ( EAsi) - tổng độ cứng tính đổi mặt cắt ba cột hay bốn cột i =1 EAw - độ cứng mặt cắt ống thép rỗng giằng Asi - diện tích mặt cắt ống thép cột Khi kết cấu khung cột ống thép nhồi bê tông chịu nén, uốn, cắt lại tác dụng ổn định chung mặt phẳng tính theo công thức (2-31) N mM + * * Noi Wsc(1 N / NE ) f sc V + Asc f v sc (2-31) Trong : Noi - lực chịu nén tâm kết cấu khung cột, tính theo công * thức (2-29) Wsc - tổng mô men chống uốn ton mặt cắt nhánh ống thép nhồi bê tông NE - lực lâm giới Euler ; NE = EscAsc/2 Các ký hiệu lại xem công thức (2-17) v (2-18) "DL 5099-97) quy định không kiểm toán ổn định chung ngoi mặt phẳng kết cấu khung cột II Kiểm toán nhánh Cả ba tập quy trình quy định nói chung kết cấu khung cột phải tiến hnh kiểm toán lực chịu tải nhánh, m chiều di tính toán lấy cự ly giằng hay giằng Lực dọc trục nhánh tiến hnh kiểm toán theo cấu kiện chịu nén tâm Nếu có nhánh chịu kéo xuất phải tiến hnh kiểm toán theo ống thép rỗng chịu kéo, công thức kiểm toán nhánh theo tiết hai chơng ny Trong mặt phẳng dn chiều di lấy chiều di khoang l kết cấu khung cột, hớng vuông góc với mặt phẳng dn hoa lấy cự ly điểm gối bên a, xem hình 2-9 "JCJ 01-89" quy định cấu kiện chịu nén tâm kết cấu khung cột, cấu kiện giằng l giằng độ mảnh không đợc lớn 0,7 lần trị số độ mảnh lớn max hai nhánh (độ mảnh tính đổi trục ảo) Khi cấu kiện giằng l giằng, không đợc lớn 40, đồng thời không lớn 0,5 lần max (khi max 50, dùng max = 50) "DL 5099-97" quy định hạn chế độ mảnh, nhng cho thỏa mãn yêu cầu kết cấu khung cột chịu nén tâm, không cần kiểm toán lực chịu tải ổn định nhánh Cho nên "JCJ 01-89" Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 77 - hạn chế độ mảnh nhánh đơn Thực tế l hạn chế ổn định cục chịu nén kết cấu khung cột III Tính toán cấu kiện giằng : Phơng pháp "CECS-28-90" Cấu kiện giằng kết cấu khung cột phải chịu đợc trị số lớn lực cắt dới Trị số lực cắt coi l không thay đổi ton chiều di kết cấu khung cột Thực tế tác dụng l trị số thiết kế lực cắt hớng ngang kết cấu khung cột hay : V = N*/85 (2-32) Trong : N*-trị số thiết kế sức chịu tải cột ngắn chịu nén tâm kết cấu khung cột Phơng pháp "JCJ 01-89" Cột tổ hợp kiểu kết cấu khung chịu tải trọng l trị số thiết kế lực cắt, theo công thức dới : n A V= i =1 is f s + K n f c Asc ) 85 x ( y ) fs 235 (2-33) Lực cắt V coi l không thay đổi dọc theo chiều di cấu kiện Khi dùng giằng nội lực giằng l : Lực cắt : Mô men uốn : V1 h a Vl M= 11 Vt = (2-34) (2-35) Trong : V - phân phối lực cắt cho giằng l - cự ly trọng tâm giằng, xem hình 2-9 a - cự ly đờng tim cột, xem hình 2-9 Kết cấu khung cột tổ hợp giằng nên chọn cấu kiện chịu lực cắt thực tế hay theo công thức (2-33) tính toán trị số lực cắt thiết kế để tiến hnh thiết kế, lực cắt thực tế lớn trị số công thức (2-33) phải dùng cột có giằng tổ hợp Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 78 - Phơng pháp "DL 5099-97" Thanh bụng kết cấu khung cột theo công thức dới tính toán lực cắt : V = Ascfsc/85 (2-36) Trong : Asc - diện tích mặt cắt cột Lực cắt ny không thay đổi ton chiều di cấu kiện, bụng chịu lực cắt ny Thanh bụng chịu cắt nên chọn lực cắt thực tế v trị số lực cắt theo công thức chọn số lớn tiết thứ bẩy mô đun biến dạng đn hồi Mô đun biến dạng đn hồi cấu kiện ống thép nhồi bê tông "CECS 2890" tính toán biến dạng chơng nêu công thức tính độ cứng cấu kiện ống thép nhồi bê tông : EA = EcAc + EsAs EJ = EcJc + EsAs (2-37) Trong : EA - độ cứng kéo dãn v ép ngắn ống thép nhồi bê tông EJ - độ cứng chống uốn ống thép nhồi bê tông Ec - mô đun đn hồi bê tông Ac - bê tông Jc - mô men quán tính bê tông Es - mô đun đn hồi ống thép As - diện tích mặt cắt ống thép Js - mô men quán tính ống thép Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 79 - Mô đun đn hồi tổ hợp ống thép nhồi bê tông Bảng 2-12 (dán bảng) Ghi : Các trị số trung gian xác định theo phép nội suy Hiển nhiên, ống thép hình tròn, EA v EJ công thức (2-37) l ký hiệu chung, A v J chọn diện tích mặt cắt nguyên mẫu bê tông ống thép nhồi bê tông v mô men quán tính, mô đun biến dạng chịu kéo (nén), ký hiệu E scN v mô đun biến dạng chịu uốn ( E scM ) không giống "JCJ 01-89" mô đun biến dạng cấu kiện ống thép nhồi bê tông tính theo công thức (2-38) Esc = 0.85 [(1 - ) Ec + Es] (2-38) Trong : Esc - mô đun biến dạng đn hồi cấu kiện ống thép nhồi bê tông - hm lợng thép Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 80 - Ec ; Es nh công thức (2-37) "DL 5099-97 tỷ số k2 mô đun biến dạng đn hồi chịu uốn với mô đun biến dạng đn hồi chịu nén Bảng 2-13 (dán bảng) Nếu tính gần cho = As so sánh công thức (2-37) v (2-38) ta Ac thấy "JCJ 01-89" v "CECS 28-90" mô đun biến dạng cấu kiện chịu nén lệch 0.85 lần Ngoi "JCJ 01-89" tính toán ổn định cấu kiện chịu nén tâm, xét độ mảnh hệ số triết giảm cờng độ thì, dùng công thức (238) lm mô đun đn hồi chịu uốn (xem tiết chơng 2) Do "DL 5099-97", ta biết cấu kiện ống thép nhồi bê tông chịu uốn có mô đun biến dạng đn hồi lớn mô đun biến dạng đn hồi chịu nén, không phân biệt chịu nén v chịu uốn, thống chọn dùng mô đun biến dạng đn hồi l không hợp lý "DL 509997" quy định tạm thời "DLGJ 99-91" cho sở mô đun biến dạng đn hồi chịu nén cấu kiện ống thép nhồi bê tông, tăng thêm mô đun biến dạng chịu uốn, tính theo công thức (2-39) E scN = f sc / sc (2-39) E Msc = k / E scN E M sc Trong : - mô đun biến dạng cấu kiện ống thép nhồi bê tông chịu uốn Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 81 - f sc - tỷ lệ giới hạn vật liệu tổ hợp sc - trị số ứng biến tơng ứng với tỷ lệ giới hạn k2 - hệ số Trong công thức (2-39) f sc v sc l trị số biến dạng tơng đối v trị số cờng độ cấu kiện tổ hợp ống thép nhồi bê tông đợc coi nh loại vật liệu Công thức cụ thể phức tạp, "DLGJ 99-91" lập bảng với mác thép khác nhau, loại cấp cờng độ bê tông khác v hm lợng thép khác E Msc hình thức bảng biểu cho trị số cụ thể, xem bảng 2-12 Qua so sánh thấy thấp trị số tính theo "CECS 28-90", nghĩa l kết tính toán theo công thức (2-37) k2 công thức (2-39) l tỷ số mô đun biến dạng chịu uốn ống thép nhồi bê tông "DL 5099-97" dùng bảng biểu để cấp trị số cụ thể xem bảng 2.13 Trong công trình thờng dùng k2 thay đổi nói chung từ 1.1 đến 1.5 Quy trình ny có mô đun biến dạng chịu cắt cấu kiện ống thép nhồi bê tông Bảng 2-13 cho loạt mô đun biến dạng đn hồi cấu kiện ống thép nhồi bê tông dùng kết tính toán ba tập quy trình ghi bảng 2-14 Bảng 2-14 (dán bảng) Qua tính toán thấy E scN tính theo công thức (2-37) cho kết lớn nhất, công thức (2-39) cho kết tính toán thấp hơn, công thức (2-38) l nhỏ Nhng chênh lệch ba kết không nhiều Xét đến cấu kiện ống thép nhồi bê tông, bê Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 82 - tông vo trạng thái ứng suất ba hớng, mô đun đn hồi cao bê tông cốt thép thờng, ti liệu (7) có xu hớng dùng công thức (2-37) để tính toán mô đun biến dạng chịu nén cấu kiện ống thép nhồi bê tông Ký hiệu chủ yếu : D - đờng kính ngoi ống thép t - bề dầy thnh ống thép fs - trị số thiết kế cờng độ thép Es - mô đun đn hồi thép f iw , f cw , f vw - trị số thiết kế cờng độ chịu nén, chịu cắt, chịu kéo mạch hn nối đối đầu f lw - trị số thiết kế cờng độ chịu nén, chịu cắt, chịu kéo mạch hn góc fsc - trị số thiết kế cờng độ tổ hợp chịu nén ống thép nhồi bê tông "DL 509997" Asc - diện tích mặt cắt cấu kiện ống thép nhồi bê tông fc - trị số thiết kế cờng độ chịu nén bê tông fck - trị số tiêu chuẩn cờng độ chống nén bê tông fi - trị số thiết kế cờng độ chịu kéo bê tông Ec - mô đun đn hồi bê tông fy - cờng độ giới hạn dẻo thép - hm lợng thép ( = 4t/D) "JCJ 01-89" s - hm lợng thép (s = As/Ac) "DL 5099-97" Esc - mô đun biến dạng tổ hợp cấu kiện ống thép nhồi bê tông "JCJ-01-89" E scN - mô đun biến dạng đn hồi chịu nén cấu kiện ống thép nhồi bê tông E Msc - mô đun biến dạng đn hồi chịu uốn cấu kiện ống thép nhồi bê tông Esct - mô đun tiếp tuyến tổ hợp cấu kiện ống thép nhồi bê tông EA - Độ cứng kéo dãn, ép ngắn ống thép nhồi bê tông EJ - độ cứng uốn cong ống thép nhồi bê tông f scp - trị số cờng độ tiêu chuẩn ống thép nhồi bê tông f scy - trị số tiêu chuẩn cờng độ tổ hợp ống thép nhồi bê tông scp - trị số biến dạng tơng đối tơng ứng với cờng độ tiêu chuẩn cấu kiện ống thép nhồi bê tông k2 - tỷ số mô đun biến dạng chống nén mô đun biến dạng chống uốn ống thép nhồi bê tông No - sức chịu nén tâm cột tháp k1 - hệ số tăng cờng độ chịu nén lõi bê tông "JCJ 01-89" - tiêu bó chặt cấu kiện ống thép nhồi bê tông Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 83 - - Độ mảnh (4Lo/D) "JCJ 01-89" "DL 5099-97" - Độ mảnh (Lo/D) "CECS 28-90" lo - chiều di tính toán chịu nén - hệ số ổn định chịu nén tâm e - hệ số triết giảm lực chịu tải cấu kiện chịu nén lệch tâm - hệ số hiệu chỉnh e Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 84 -