Đồ án cầu thép 1 chuyên ngành cầu đường

+ Zi : là khoảng cách từ điểm đặt lực dẻo thứ i đến THH dẻo− Trường hợp THH đi qua bản cánh trên dầm thép ta có: + Công thức tính momen dẻo Mp... Cấu tạo hệ liên kết dọc − Trọng lượng củ

SỐ LIỆU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẦU1.1 Yêu cầu thiết kế

Thiết kế kết cấu nhịp cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép

1.2 Các số liệu ban đầu

+Bx : Bề rộng phần xe chạy ( = 12 m )

+Bng : Bề rộng lề người đi bộ ( = 1,25 m )

+Blc : Bề rộng lan can ( = 0,5 m )

+Bpc : Bề rộng dải phân cách (dải phân cách mềm - Bpc = 0 )

− Dầm chủ: Dầm tổ hợp dùng liên kết hàn

− Vật liệu: Thép hợp kim có cường độ chảy: Fy = 345MPa

− Chiều dày bản mặt cầu: ts = 18 cm

− Bê tông bản mặt cầu: '

c

f = 40 MPa

1.3 Lựa chọn kích thước dầm chủ và bản bê tông

1.3.1 Kích thước cơ bản của dầm chủ

− Chiều cao sườn dầm: Dw = h – tc – tt = 1100 – 30 – 30 = 1040mm

− Modun đàn hồi của thép: Es = 2.105MPa

1.3.2 Kích thước cơ bản của bản bê tông

− Chiều cao phần vút mở rộng: tv = hv = (100 – 150)mm = 120mm

− Bề rộng phần vút mở rộng: bv = (100 – 200)mm = 120mm

− Chiều dày bản mặt cầu: ts = 180mm

− Chiều cao liên hợp Thép BTCT H cb mm L tt 896mm

25

1

− Khối lượng riêng của bê tông: γ =c 2500kG/m3

− Modun đàn hồi của bê tông:

MPa f

E c =0,043.γc1 , 5 c' =0,043.25001 , 5 40 =33994,48

1.3.3 Xác định bề rộng bản cánh hữu hiệu

b2b2

b2

Sde

Hình 1.1 Bề rộng tính toán của bản bê tông

− Xác định b1: Lấy nhỏ nhất trong các giá trị sau:

max1.300 75mm4

+ 6ts +

w

c

1t2max1b4

max1.300 75mm4

− Momen tĩnh của tiết diện đi qua đáy dầm thép:

Momen tĩnh của tiết diện đi qua đáy dầm SNC 2.143.107 mm3

1.4.2 Xác định DTHH mặt cắt liên hợp – chịu lực ngắn hạn

− Hệ số quy đổi:

+ Diện tích bản bê tông:

• Đối với dầm trong:

+ Diện tích mặt cắt quy đổi:

• Đối với dầm trong:

− Khoảng cách từ TTH I-I đến trọng tâm tiết diện liên hợp:

• Đối với dầm trong:

ST ST

SZ

SZ

A

110200

− Xác định momen quán tính của tiết diện liên hợp:

+ Momen quán tính của dầm thép:

• Đối với dầm trong:

+ Momen quán tĩnh của phần bản bê tông:

• Đối với dầm trong:

2 3

+ Momen quán tĩnh của phần vút bản cánh:

• Đối với dầm trong:

2 3

2 3

2 3

Bảng 1.1 Bảng kết quả tính DTHH mặt cắt liên hợp – chịu lực ngắn hạn

Các đặc trưng hình học của mặt cắt Kí hiệu Giá trị Đơn vị

Dầm trong Dầm biên

Momen quán tĩnh của tiết diện liên hợp với

TTH I-I của tiết diện dầm thép

Khoẳng cách từ TTH I-I đến trọng tâm tiết

Momen quán tính của tiết diện liên hợp IST 2,66.1010 2,641.1010 mm4

1.4.3 Xác định DTHH mặt cắt liên hợp – chịu lực dài hạn

− Hệ số quy đổi:

n’ = 3.n = 3.6 = 18

− Diện tích mặt cắt:

+ Diện tích bản bê tông:

• Đối với dầm trong:

• Đối với dầm biên:

+ Diện tích mặt cắt quy đổi:

• Đối với dầm trong:

2 S

− Momen quán tính của tiết diện liên hợp với TTH I-I của tiết diện dầm thép:

• Đối với dầm trong:

− Khoảng cách từ TTH I-I đến trọng tâm tiết diện liên hợp:

• Đối với dầm trong:

7 LT

− Xác định momen quán tính của tiết diện liên hợp:

+ Momen quán tính của dầm thép:

• Đối với dầm trong:

+ Momen quán tính của phần bản bê tông:

• Đối với dầm trong:

2 3

+ Momen quán tính của phần vút bản cánh:

• Đối với dầm trong:

2 3

2 3

2 3

Tương tự với dầm ngoài, ta có:

Bảng 1.1 Bảng kết quả tính DTHH mặt cắt liên hợp – chịu lực dài hạn

Các đặc trưng hình học của mặt cắt Kí

hiệu

Dầm trong Dầm biên

Momen quán tĩnh của tiết diện liên

hợp với TTH I-I của tiết diện dầm

thép

Khoẳng cách từ TTH I-I đến trọng

Momen quán tính của tiết diện liên

1.4.4 Xác định đặc DTHH mặt cắt giai đoạn chảy dẻo

a, Xác định vị trí THH dẻo

− Tính lực dẻo tại các phần của tiết diện

+ Lực dẻo tại bản cánh dưới dầm thép : Pt = Fyt.bt.tt

+ Lực dẻo tại bản cánh trên dầm thép : Pc = Fyc.bc.tc

+ Lực dẻo tại sườn dầm thép : Pw = Fyw.Dw.tw

+ Lực dẻo tại trọng tâm bản bê tông : Ps = 0,85.f’c.As

+ Lực dẻo tại cốt thép trên trong bản BT : Pt = Fyrt.Art

+ Lực dẻo tại cốt thép dưới trong bản BT : Pt = Fyrb.Arb

− Kiểm tra vị trí trục trung hòa của mặt cắt

+ Nếu : Pt + Pw > Pc + Prb + Ps + Prt => THH đi qua sườn dầm

+ Nếu : Pt + Pw < Pc + Prb + Ps + Prt và Pt + Pw + Pc > Prb + Ps + Prt => THH đi qua bản cánh trên của dầm thép

+ Nếu : Pt + Pw + Pc < Prb + Ps + Prt => THH đi qua bản bê tông

− Chiều cao phần sườn dầm chịu nén trong trường hợp THH đi qua sườn dầm

F A F A 0,85.f A F AD

− Bảng tính toán lực dẻo tại các phần của mặt cắt

Diện tích cốt thép dọc trong bản phía trên Art 1130,97 1130,97 mm2Diện tích cốt thép dọc trong bản phía dưới Arb 1130,97 1130,97 mm2Lực dẻo tại cốt thép trên trong bản bê tông Prt 390,185 390,185 kNLực dẻo tại cốt thép dưới trong bản bê tông Prt 390.185 390.185 kN

− Vị trí THH cần tìm của dầm trong: THH đi qua bản cánh trên của dầm thép

− Vị trí THH cần tìm của dầm biên: THH đi qua bản cánh trên của dầm thép

+ Zi : là khoảng cách từ điểm đặt lực dẻo thứ i đến THH dẻo

− Trường hợp THH đi qua bản cánh trên dầm thép ta có:

+ Công thức tính momen dẻo Mp

TÍNH TOÁN TẢI TRỌNG1.5 Tĩnh tải tác dụng lên KCN

1.5.1 Tĩnh tải giai đoạn I

1.5.1.1 Trọng lượng sườn gia cường

− Trọng lượng của sườn tăng cường:

do = (Dw ÷ 3Dw) = (1040 ÷ 3120)mm

sgc sgc sgc sgc thep

g =t h b γ =0,016.1,040.0,140.78,5 0,183= kN

sgc sgc stc

Bảng 1.1 Bảng số liệu sườn gia cường

Hình 2.1 Liên kết ngang tại mặt cắt gối

− Chiều cao dầm ngang:

hdn = (0,6 – 0,7)hdc = (660 – 770)mm

− Trọng lượng của dầm ngang:

dn dn dn dn

Bảng 1.1 Số liệu dầm ngang mặt cắt gối

Số hiệu thép làm liên kết ngang tại gối I700

1.5.1.3 Trọng lượng hệ liên kết ngang ở giữa dầm

Hình 3.1 Liên kết ngang tại mặt cắt giữa nhịp

− Chiều cao hệ liên kết ngang:

hdn = (0,6 – 0,7)hdc = (660 – 770)mm

− Trọng lượng của hệ liên kết ngang:

alkn = 2.do = 2.1,6 = 3,2 m

lkn lkn lkn lkn

Bảng 1.1 Số liệu hệ liên kết ngang tại mặt cắt giữa nhịp

Khoảng cách giữa các hệ LKN alkn 3200 m

Thanh trên, dưới

Thanh xiên

Hình 4.1 Cấu tạo hệ liên kết dọc

− Trọng lượng của liên kết dọc:

lkd lkd lkd lkd

Số khoang của hệ lên kết dọc nk 7 khoang

1.5.1.5 Xác định tĩnh tải GDI

− Tĩnh tải giai đoạn I

+ Trọng lượng bản thân dầm chủ

qdc = A.γthep = 0,0448.78,5 = 3,517 kN/m

+ Trọng lượng hệ liên kết ngang, dầm ngang cầu tính cho 1m dài dầm chủ

+ Trọng lượng sườn gia cường tính cho 1m dài dầm chủ

+ Trọng lượng hệ liên kết dọc cầu tính cho 1m dài dầm chủ

+ Trọng lượng mối nối tính cho 1m dài dầm chủ

+ Trọng lượng bản bê tông mặt cầuVới dầm trong : qbmc = As γbt = 0,4014.25 = 10,035kN/m

Với dầm biên: qbmc = As γbt = 0,3924.25 = 9,81 kN/m

− Tĩnh tải giai đoạn I được xác định:

DC =q +q +q +q +q +q +q

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp tính toán tĩnh tải GĐI

Trọng lượng hệ liên kết ngang trên 1m dài dầm chủ qlkn 0,278 kN/mTrọng lượng sườn gia cường trên 1m dài dầm chủ qsgc 0,214 kN/m

1.5.2 Tĩnh tải giai đoạn II

− Tĩnh tải GD II

+ Trọng lượng lớp phủ (lớp phòng nước dạng phun)

+ Trọng lượng lan can

Bảng 1.1 Bảnh tính tĩnh tải GĐ II

Trọng lượng lan can

Hình 1.2 Cấu tạo lan can

− Trọng lượng phần chân lan can:

DW = qlc + qlpb = 4,869 + 2,205 = 7,074 kN/m

+ Với dầm trong:

t tc

DW = qlpt = 3,071 kN/m

Bảng 2.1 Bảng giá trị momen, lực cắt tĩnh tải dầm biên

− Đối với 1 làn chịu tải:

1.6.1.4 Hệ số phân bố ngang lực cắt dầm trong

− Đối với 1 làn chịu tải:

1.6.1.5 Hệ số phân bố ngang lực cắt dầm biên

− Đối với 1 làn chịu tải:

− Mặt cắt bố trí mối nối dầm: để kiểm toán mối nối dầm L/3

1.6.2.1 Giá trị momen và lực cắt do hoạt tải người và làn gây ra

− Do tải trọng làn gây ra:

1.6.2.2 Giá trị momen và lực cắt do hoạt tải xe gây ra

− Tải trọng do truck và tandem gây ra:

11,2 11,2

Bảng 1.1 Bảng giá trị momen, lực cắt truck, tandem dầm biên

− Nội lực sẽ là tổ hợp bất lợi hơn trong 2 tổ hợp:

+ TH1: Tĩnh tải + xe tải thiết kế + tải trọng làn + đoàn người

+ TH2: Tĩnh tải + xe 2 trục thiết kế + tải trọng làn + đoàn người

Bảng 1.1 Bảng tổng hợp giá trị dầm biên theo TTGH sử dụng

Bảng 1.4 Bảng tổng hợp giá trị dầm trong theo TTGH cường độ

=>Kiểm toán M dầm biên , V dầm trong

1.7 Tính nội lực trạng thái giới hạn mỏi

145 145

35kN

4,3

145 145

35kN

145 145

DAH luc cat goi

DAH luc cat L/2

DAH luc cat l/4

DAH luc cat l/8

DAH luc cat l/3

1

0,5 0,5

0,25 0,75

0,125 0,875

2/3 1/3

Xét tính mỏi lấy hệ số làn cho 1 làn xe

Bảng 1.2 Bảng tính giá trị mỏi cho dầm biên

Bảng 1.3 Bảng tính giá trị mỏi cho dầm trong

KIỂM TOÁN DẦM CHỦ1.8 Kiểm tra điều kiện cấn tạo chung của mặt cắt dầm chủ

1.8.1 Kiểm tra tỉ lệ cấu tạo chung của mặt cắt

− Dầm chủ chịu uốn phải đảm bảo tỉ lệ sau:

yc y

Iyc: Momen quán tính của bản cánh chịu nén của mặt cắt dầm với trục thẳng đứng

Iy: Momen quán tính của mặt cắt dầm với trục thẳng đứng

c c yc

8 y

i i

ii ii

tt

Hình 1.1 Tính mặt cắt chảy dẻo

− Công thức kiểm toán

Fyc: Cường độ chảy của thép làm bản cánh chịu nén, Fyc = 345MPa

E: Modun đàn hồi của thép, E = 2.105Mpa

=>Vì TTH dẻo đi qua bản cánh trên nên không cần kiểm tra

1.8.3 Kiểm tra độ mảnh của bản cánh chịu nén

− Công thức kiểm toán

Fyc: Cường độ chảy của thép làm bản cánh chịu nén, Fyc = 345MPa

E: Modun đàn hồi của thép, E = 2.105Mpa

1.9 Kiểm tra dầm theo trạng thái giới hạn cường độ

1.9.1 Kiểm toán sức kháng uốn theo trạng thái cường độ

* Kiểm toán cho dầm biên có M lớn nhất

− Công thức kiểm toán:

MD1: Momen uốn do tĩnh tải giai đoạn I có hệ số tác dụng lên dầm thép.

MD2: Momen uốn do tĩnh tải giai đoạn II có hệ số tác dụng lên dầm thép

IS

IS

1.9.2 Kiểm toán sức kháng cắt theo trạng thái giới hạn

* Kiểm toán cho dầm trong có V lớn nhất

− Công thức kiểm toán:

tt

V ≥V =V

1,52 E.k

FD

1040D

+ Nếu Mu ≤0,5 .Mφf p thì n p p

2 o w

0,87.(1 C)

d1D

0,87.(1 C)

d1D

0,87.(1 C)

d1D

1.10 Kiểm tra dầm theo trạng thái giới hạn sử dụng

1.10.1 Kiểm tra độ võng do tĩnh tải theo phân tích đàn hồi

− Kiểm tra độ võng

+ Đối với cả hai cánh dầm thép của mặt cắt liên hợp

f ≤0,95.R R F+ Đối với cả hai cánh dầm thép của mặt cắt không liên hợp

6 '

NC

6 DW

Ứng suất đàn hồi trong dầm thép do tĩnh tải GĐ I

Ứng suất đàn hồi trong dầm thép do tĩnh tải GĐ II

Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến TTH II’-II’ h-(Y+Z) 355,495 mm

Khoảng cách từ mép dưới dầm thép đến TTH II’-II’ Y+Z 744,505 mm

5 g.q.L

384 E.I

∆ =

4 lan

6.22,4.10 2.10 2,641.105,178mm

6.22,4.10 2.10 2,641.104,388mm

∆ =

=

( ) ( ( )2 )

35.10 22, 4 15,5 10 11, 2.10 22, 4 22,4 15,5 15, 2 100,546.1, 25

6.22,4.10 2.10 2,641.100,855mm

− Tổng hợp độ võng do hoạt tải: Lấy giá trị lớn nhất của:

+ Độ võng do xe tải thiết kế + người:

NC

DC L5

2

=> Vậy dùng độ vồng ngược cho tất cả các dầm là ∆ =40mm

1.11 Kiểm tra dầm theo trạng thái giới hạn mỏi

1.11.1 Kiểm toán theo điều kiện ứng suất do uốn

− Khi sườn dầm không có sườn tăng cường dọc thì:

Ứng suất đàn hồi trong dầm thép do tĩnh tải GĐ I

Ứng suất đàn hồi trong dầm thép do tĩnh tải GĐ II

Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến TTH II’-II’ h-(Y+Z’) 355,495 mmKhoảng cách từ mép dưới dầm thép đến TTH II’-II’ Y+Z’ 744,505 mm

Ứng suất đàn hồi trong dầm thép do hoạt tải mỏi

Khoảng cách từ mép trên dầm thép đến TTH II-II h-(Y+Z) 139,093 mm

− Ứng suất nén đàn hồi

fcf = f1 + f2 + f3 = 66,659 + 8,611 + 2,71 = 77,979 MPa

1.11.2 Kiểm toán theo điều kiện mỏi do vách chịu cắt

− Phải bố trí các bản bụng của mặt cắt đồng nhất có gờ tăng cường ngang và có hoặc không có gờ tăng cường đứng để thỏa mãn:

− Đường kính thân neo d = 16 ÷ 24mm, Chọn d = 20mm

− Chiều cao neo h > 4d = 4.20 = 80mm, Chọn h = 120mm

− Bước neo tính từ tim đến tim neo không vượt quá 600mm và không nhỏ hơn 6d = 6.20 = 120mm

− Theo phương ngang cầu khoảng cách neo >4d = 4.20 = 80mm

− Khoảng cách tĩnh giữa bản cánh trên và mép của neo chống cắt phải lớn hơn 25mm

1.12.2 Tính toán neo theo TTGH cường độ

φ : Hệ số sức kháng đối với neo chống cắt, φ =sc 0,85

Asc: Diện tích mặt cắt ngang của 1 neo

2 SC

1.12.3 Tính toán neo theo TTGH mỏi

Bước từ tim đến tim neo theo phương dọc không quá 600mm và không nhỏ hơn 6

Lần đường kính thân neo (6 20=120mm)

Theo sức kháng mỏi thì bước neo phải thỏa mãn:

nn: Số lượng neo trong một mặt cắt ngang cầu, nn = 2 (neo)

p: bước neo theo phương dọc cầu

IST: Momen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn, IST = 2,641.1010mm4

Ss: Momen tĩnh của diện tích tiết diện tính đổi của bản đối với trục trung hòa của mặt cắt liên hợp ngắn hạn, với n là hệ số quy đổi từ bê tông sang thép.

n: Số các chu kì phạm vi ứng suất đối với mỗi lượt chạy qua của xe tải, n =1

ADTT: Số xe tải trong một ngày theo một chiều tính trung bình trong tuổi thọ thiết kế, ADTT = 0,85.7000 = 5950

Bước neo nằm giữa giới hạn 120 mm và 600mm.Vậy số lượng tổng cộng của neo 20mm là

- Số lượng neo từ mặt cắt gối tới mặt cắt L/4 là:

+ Số neo trên 1 hàng, nneo = 2 neo

+ Bước neo theo phương ngang cầu, pn = 150mm

+ Số hàng neo trên chiều dài dầm

Với đầu dầm:Từ gối tới L/4: nh = 35 hàng, => bước neo p = 160mm

Với giữa dầm:Từ L/4 tới L/2: nh = 26 hàng, = > bước neo p = 180mm

1.13 Tính toán và bố trí sườn tăng cường

1.13.1 Kiểm tra sườn gia cường tại gối (bố trí 1 đôi STC)

Bố trí một đồi STC tại gối

1.13.1.1 Kiểm tra điều kiện cấu tạo

− Bề rộng sườn gia cường phải thỏa mãn

tp: Chiều dày sườn gia cường, ts = 16mm

bt: Bề rộng sườn gia cường, bt = 140mm

L: Chiều dài lấy bằng chiều cao sườn gia cường, L = 1040mm

K: Hệ số chiều dài hiệu dụng, K = 0,75

rs: Bán kính quán tính của mặt cắt hiệu dụng lấy đối với trục đi qua giữa chiều dày sườn dầm

7 pn

1.13.1.4 Kiểm tra độ mảnh giới hạn

− Công thức kiểm toán

K: Hệ số chiều dài hiệu dụng, K = 0,75

L: Chiều dài lấy bằng chiều cao sườn gia cường, L = 1040mm

rs: Bán kính quán tính của mặt cắt hiệu dụng lấy đối với trục đi qua giữa chiều dày sườn dầm, rs = 50,059mm

1.13.2 Kiểm toán sườn gia cường trung gian

1.13.2.1 Kiểm tra điều kiện cấu tạo

− Bề rộng của sườn gia cường phải cấu tạo đảm bảo điều kiện:

1.13.2.2 Kiểm tra momen quán tính của sườn gia cường

− Momen quán tính của bất kì sườn tăng cường phải thỏa mãn điều kiện:

3

I ≥d t J

Trong đó:

do: Khoảng cách giữa các sườn tăng cường trung gian, do = 1900mm

Ir: Momen quán tính của sườn tăng cường quanh mép bản bụng đối với các sườn tăng cường đơn và quanh trục giữa chiều dày bản bụng đối với các sườn tăng cường kép, Ir

1.13.2.3 Kiểm tra diện tích sườn gia cường

− Công thức kiểm toán:

FV

C: Tỉ số ứng suất oằn cắt và cường độ chảy cắt, C =1

1.14 Tính toán liên kết bản cánh và bản bụng (sử dụng liên kết hàn)

1.14.1 Lực gây trượt dọc do tải trọng gây ra

V ST

V ,V , V + :Lần lượt là lực cắt tính toán xuất hiện trong dầm do tĩnh tải I, tĩnh tải

II, do hoạt tải tác dụng

I II II '

S ,S ,S : Lần lượt là momen tĩnh của bản cánh nén của dầm thép đối với trục trung hòa của dầm thép I-I, của mặt cắt liên hợp ngắn hạn II-II, của mặt cắt liên hợp dài hạn II’-II’

Momen quán tĩnh của tiết diện liên hợp dài hạn ILT 1,832.1010 mm4

Momen quán tĩnh của tiết diện liên hợp ngắn hạn IST 2,641.1010 mm4

Momen tĩnh của bản cánh nén đối với TTH I-I I

Fy: Cường độ chạy nhỏ nhất của cấu kiện liên kết, Fy = 345MPa

Fexx: Cường độ phân loại của thép đường hàn, đối với que hàn E70XX có cường độ là

1.14.4 Xác định chiều cao đường hàn

− Chiều cao tính toán của đường hàn

1.15 Tính toán mối nối dầm chủ (sử dụng liên kết bu lông cường độ cao)

Ns: Số mặt cắt cho mỗi bu lông, Ns = 2

fub: Cường độ kéo nhỏ nhất của bu lông, với bu lông A490 có fub = 1050MPa

1.15.3 Tính mối nối bản cánh

− Lực tác dụng lên bản cánh

u 0

0

MN

h

=

Trong đó:

Mu: Momen uốn tính toán tại vị trí mối nối, Mu = 3917,752 kN.m

h0: Khoảng cách giữa 2 tim bản cánh, c t

Nn

Đại lượng Bản cánh trên Bản cánh dưới Đơn vị

Bảng 1.1 Lựa chọn bu long cho bản bụng

Idc: Momen quán tính của tiết diện dầm chủ, Idc = 8,516.109mm4

Iw: Momen quán tính của tiết diện bản bụng, Iw = 1,982.109mm4

Mtt: Momen tính toán tại vị trí mối nối, Mtt = 3917,752 kN.m

Vtt: Lực cắt tính toán tại vị trí mối nối, Vtt = 391,227 kN

e: Khoảng cách từ trọng tâm mối nối đến trọng tâm của các bu lông trên 1 nửa mối nối, e = 150mm

=> Lực cắt V = 391,227 kN

=> Momen

9

3 9