Thiết Kế Cầu Thép – BTCT Liên Hợp

Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Bộ Môn Cầu Đường ĐỒ ÁN MÔN HỌC Thiết Kế Cầu Thép – BTCT Liên Hợp GVH D : TS NGUYỄN CẢNH TUẤN SVTH : LÊ THÁI DƯƠNG MSSV : 81000560 Tp HCM, Tháng 05/2014 Trường Đại Học Bách Khoa Tp HCM Khoa Kỹ Thuật Xây Dựng Bộ Môn Cầu Đường THUYẾT MINH ĐAMH Thiết Kế Cầu Thép – BTCT Liên Hợp MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VE -3- DANH MỤC BẢNG BIỂU -4- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN Tiêu chuẩn kỹ thuật 1.1 Giới thiệu đồ án (giới thiệu sơ bộ đồ án: chiều dài nhịp, bề rộng xe, số xe, …) 1.2 Tiêu chuẩn thiết kế Cầu các kết cấu thiết kế cho các trạng thái giới hạn quy định Tiêu chuẩn Thiết Kế Cầu (22TCN272-05) để đạt các mục tiêu an toàn, khả thi công bảo trì đảm bảo khả kiểm tra, tinh kinh tế tính thẩm mỹ việc xem xét kéo dài tuổi thọ thiết kế cầu cấu trúc đến 100 năm 1.3 Quan điểm thiết kế 1.3.1 Tổng quan Các yêu cầu liên quan đến an toàn kết cấu xây dựng dựa trạng thái giới hạn Một trạng thái giới hạn hiểu có nghĩa một trạng thái mà một cấu trúc đáp ứng một yêu cầu định Theo AASHTO LRFD cấu kiện liên kết phải đáp ứng phương trình sau cho trạng thái giới hạn, trừ trường hợp quy định Σηi · γi · Qi = Σηi · Qd ≤ ϕ · Rn = Rr Trong η Hệ số điều chỉnh tải trọng, một yếu tố liên quan đến độ dẻo dai, độ dư thừa tầm quan trọng vận hành γi Hệ số tải trọng ϕ Hệ số sức kháng Qi Ảnh hưởng lực Qd Ảnh hưởng tải trọng thiết kế Rn Sức kháng danh định Rr Sức kháng tính toán Hệ số điều chỉnh tải trọng tính theo bảng sau: Bảng 1 Hệ số điều chỉnh tải trọng HỆ SỐ ĐIỀU CHỈNH TẢI TRỌNG TRẠNG THÁI GIỚI HẠN Trạng thái giới hạn sử dụng η = 1.00 Trạng thái giới hạn Mỏi Nứt η = 1.00 Trạng thái giới hạn Cường độ Xem phần 1.2.4 Trạng thái giới hạn Đặc biệt η = 1.00 -5- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN 1.3.2 Trạng thái giới hạn Sử dụng Trạng thái giới hạn sử dụng lấy dựa ứng suất, biến dạng bề rộng vết nứt điều kiện tải trọng sử dụng 1.3.3 Trạng thái giới hạn Mỏi Nứt Trạng thái giới hạn độ mỏi đứt gãy liên quan đến hoạt tải xe cộ trùng phục xung kích tác dụng một xe tải đơn Trạng thái giới hạn đứt gãy lấy dựa một tập hợp các yêu cầu độ bền vật liệu theo Tiêu chuẩn vật liệu AASHTO 1.3.4 Trạng thái giới hạn cường độ Trạng thái giới hạn cường độ lấy dựa để đảm bảo sức kháng ổn định thiết kế để chịu các tổ hợp tải trọng đáng kể mà cầu dự kiến chịu thời gian tuổi thọ thiết kế Hệ số điều chỉnh tải trọng tính sau: Bảng Hệ số điều chỉnh tải trọng HỆ SỐ ĐIỀU CHỈNH TẢI TRỌNG Hệ số dẻo dai ηD =1.00 Hệ số dư thừa ηR =1.00 Hệ số quan trọng ηI =1.05 Thông số thiết kế 2.1 Mặt cắt ngang điển hình Hình 2-1 Mặt cắt ngang điển hình 2.2 Tĩnh tải (DC, DW) Tĩnh tải cố định tính theo quy định tại khoản 3.5 AASHTO LRFD Tĩnh tải (DC) bao gồm trọng lượng bê tông, cốt thép, dây chằng ứng suất trước, dây văng, các kết cấu thép các thành phần khác gắn kèm, dựa tỉ trọng đơn vị sau Bê tông (cốt thép) : 24.5 kN/m3 Bê tông (không cốt thép) : 23.2 kN/m3 (f’c ≤ 35MPa) Bê tông nhựa : 22.5 kN/m3 -6- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP Kết cấu thép GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN : 78.5 kN/m3 Khối lượng riêng thể với các đơn vị kN/m các đơn vị khối lượng, đơn vị lực Vì vậy, tổng tĩnh tải chồng chất cho phép (DW) giả định 81,66 kN/m, với cách phân chia sau đây: Nhựa phủ mặt đường : 34.65 kN/m (dày 70 mm) cho toàn bộ mặt cầu Dải phân cách bê tông : 7.31 kN/m Lan can thép : 1.50 kN/m bên Gờ chắn bê tông : 4.04 kN/m bên 2.3 Hoạt tải (LL, IM) Hoạt tải xe cầu kết cấu phụ trợ, hoạt tải thiết kế HL-93, bao gồm một tổ hợp tải trọng của: Xe tải thiết kế xe hai trục thiết kế, Tải trọng thiết kế a) Xe tải thiết kế: Các trọng lượng khoảng cách các trục bánh xe cho xe tải thiết kế thể Hình 3-3 Hệ số xung kích xem xét theo quy định tại Điều 3.6.2 22TCN 272-05 Trừ trường hợp quy định tại Điều 3.6.1.3.1 3.6.1.4.1 22TCN 272-05, khoảng cách hai trục 145,000 N thay đổi từ 4,300mm 9,000mm để tạo các hiệu ứng lực cực hạn Hình 2-2 Đặc điểm xe tải thiết kế b) Xe trục thiết kế: Xe hai trục thiết kế bao gồm một cặp trục 110,000 N cách 1,200mm Khoảng cách ngang bánh xe lấy 1,800 mm Tải trọng xung kích cho phép xem xét c) Tải trọng thiết kế: Tải trọng thiết kế bao gồm một tải trọng 9,3 N/mm, phân bố đồng theo hướng dọc Nằm ngang, tải trọng thiết kế đường giả định phân bố đồng một chiều rộng 3,000mm Các tác dụng lực từ tải trọng thiết kế không tính lực xung kích d) Tải trọng mỏi Tải trọng mỏi một xe tải thiết kế trục quy định tại Điều 3.6.1.2.2, với một khoảng cách cố định 9,000mm các trục 145,000 N Lực xung kích cho phép quy định tại Điều 3.6.2 áp dụng tải trọng mỏi e) Lực xung kích cho phép: IM Các hiệu ứng tĩnh học các xe tải thiết kế xe trục thiết kế, lực ly tâm lực hãm, gia tăng theo phần trăm quy định bảng lực xung kích cho phép -7- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN Các yếu tố để áp dụng cho tải trọng tĩnh lấy sau: (1 + IM/100) Lực xung kích cho phép không áp dụng cho tải trọng dành cho người bộ tải trọng xe thiết kế Bảng 2-1 Lực xung kích cho phép, IM THÀNH PHẦN IM Mối nối mặt cầu 75% Tất trạng thái giới hạn Tất các bộ phận khác Trạng thái giới hạn độ mỏi độ gãy 15% Tất trạng thái giới hạn khác 25% Lực xung kích cho phép giảm cho các thành phần khác, mối nối cầu, nếu điều chỉnh từ các luận chứng đầy đủ Khi phân tích sự tương tác động một cầu hoạt tải cần thiết, chủ đầu tư quy định cụ thể và/hoặc phê duyệt độ nhám bề mặt, tốc độ, các đặc tính động học các phương tiện sử dụng để phân tích Tác động khai triển một tỷ số lực động tương ứng cho lực tĩnh Tải trọng động cho phép sử dụng thiết kế không 50% tải trọng động cho phép quy định tại Bảng trên, ngoại trừ không chiết giảm cho mối nối mặt cầu j) Hệ số xe Hiện diện nhiều hoạt tải số chất tải phải áp dụng theo Điều 3.6.1.1.2 22TCN 272-05 Bảng 2-2 Hệ số xe SỐ LÀN CHẤT TẢI HỆ SỐ LÀN XE “m” 1.20 1.00 0.85 >3 0.65 2.4 Tổ hợp tải trọng 2.4.1 Phân loại tải trọng các ảnh hưởng tải trọng Tải trọng các ảnh hưởng tải trọng chia thành ảnh hưởng thường xuyên ảnh hưởng tức thời 1) Tải trọng thường xuyên DC = tải trọng thân các bộ phận kết cấu thiết bị phụ DW = tải trọng thân lớp phủ mặt các tiện ích công cộng 2) Tải trọng nhất thời LL = hoạt tải xe IM = lực xung kích xe -8- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN 2.4.2 Các tổ hợp tải trọng Các hệ số tải trọng cho các tải trọng khác bao gồm một tổ hợp tải trọng sau: Bảng 2-3 Tổ hợp tải trọng hệ số tải trọng LL IM CE BR PL LS WA WS 1.75 1.00 - 1.00 1.00 0.30 0.75 - - Bảng 2-4 Hệ số tải trọng cho tải trọng dài hạn, γP -9- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN 2.5 Vật liệu 2.5.1 Bê tông Các cấp bê tông sau giả thiết cho các mục đích tính toán (cường độ chịu nén 28 ngày f’ c) Hệ số Poisson : 0.2 Hệ số giãn nở nhiệt :10.8 x 10-6/oC Bảng 2-5 Cấp bê tông KẾT CẤU Ec γc= 2.5.2 Thép kết cấu Thép kết cấu phải phù hợp với các yêu cầu bảng bên thiết kế dựa các đặc tính tối thiểu nêu Kết cấu thép có các vật liệu tương đương ASTM cũng áp dụng Mô đun đàn hồi : 200,000MPa Hệ số giãn nở nhiệt: 11.7 x 10-6/oC Bảng 2-6 Cấp thép dùng cho dầm GIỚI HẠN CHẢY TỐI THIỂU Fy (MPa) 345 2.5.3 Cốt thép gia cường Cốt thép gia cường tuân theo Tiêu chuẩn TCVN1651-2008 Bảng 2-7 Cấp thép dùng cho kết cấu BTCT MÔ ĐUN ĐÀN HỒI (Mpa) 200,000 200,000 200,000 2.5.4 Lớp bê tông bảo vệ Lớp bê tông bảo vệ sau định, trừ có quy định khác Bảng 2-8 Bề dày lớp bê tông bảo vệ VỊ TRI LỚP BẢO VỆ TỐI THIỂU (mm) Cốt thép mặt cầu (lớp trên, lớp dưới) 50 Cốt thép lan can bê tông 40 2.5.5 Bu lông cường độ cao Mối nối dầm sử dụng bu long cường độ cao loại M164 (A325M) theo tiêu chuẩn ASTM Các tiêu chí kỹ thuật qui định Mục 6.13.2 Tiêu Chuẩn Thiết Kế Cầu 22TCN 272-05 - 10 - ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN 2.5.6 Hệ số sức kháng 1) Trạng thái giới hạn Cường độ Hệ số sức kháng phải phù hợp với Mục 5.5.4.2 Tiêu chuẩn Thiết Kế Cầu (22TCN 272-05) đây: Bảng 2-9 Hệ số sức kháng HẠNG MỤC KẾT CẤU BÊ TÔNG KẾT CẤU THÉP DANH MỤC Φ Dùng cho uốn kéo bê tông cốt thép 0.9 Đối với uốn 1.00 Đối với cắt 1.00 Đối với nén dọc trục, cho thép 0.90 Đối với nén dọc trục, liên hợp 0.90 Đối với kéo, đứt mặt cắt thực 0.80 Đối với kéo, chảy mặt cắt nguyên 0.95 Đối với ép mặt tựa các chốt, các lỗ doa, khoan bắt bulông các bề mặt cán 1.00 Đối với bu lông ép mặt vật liệu 0.80 Đối với neo chịu cắt 0.85 Đối với bu lông A 325M A 490M chịu kéo 0.80 Đối với bu lông A 307 chịu kéo 0.80 Đối với bu lông A 307 chịu cắt 0.65 Đối với bu lông A 325M A 490M chịu cắt 0.80 Đối với cắt khối 0.80 Đối với kim loại hàn các đường hàn ngấu hoàn toàn: Cắt diện tích hữu hiệu 0.85 Kéo nén trực giao với diện tích hữu hiệu Kim loại Kéo nén song song với trục đường hàn Kim loại Đối với kim loại hàn các đường hàn ngấu cục bộ: Cắt song song với trục đường hàn 0.80 Kéo nén song song với trục đường hàn Kim loại Nén trực giao với diện tích hữu hiệu Kim loại 0.80 Kéo trực giao với diện tích hữu hiệu Đối với kim loại hàn các mối hàn: Kéo nén song song với trục đường hàn Cắt chiều cao tính toán kim loại hàn Kim loại 0.80 2) TTGH Sử dụng Đối với TTGH sử dụng, hệ số sức kháng tính 1.0 bu lông, các quy định Mục 6.5.5 áp dụng - 11 - ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN CẢNH TUẨN Phân tích kết cấu 3.1 Kết cấu dầm thép Nội lực dầm thép phân tích tính toán dựa phương pháp đặt tải đường ảnh hưởng nội lực tương ứng bao gồm momen uốn lực cắt Các mặt cắt khảo sát L/2, L/4, L/8, vị trí gối vị trí mối nối 3.2 Kết cấu bản mặt cầu Nội lực mặt cầu bao gồm momen uốn lực cắt tại vị trí dầm vtai5 vị trí dầm Nội lực xác định dựa phương pháp đặt tải đường ảnh hưởng mô hình dầm gối liên tục các dầm theo phương pháp gần cách tính toán momen uốn dương tại vị trí hai dầm sau nhân hệ số tương ứng cho momen âm momen dương 3.3 Kết cấu lan can, dải phân cách Kết cấu lan can bao gồm 02 phần: gờ bê tông lan can thép Tính toán nội lực lan can dải phân cách theo qui định hướng dẫn qui trình thiết kế 22TCN 272-05 Kết quả tính toán (Xem phụ lục tính toán) - 12 - PHỤ LỤC TINH TOÁN ... Thuật Xây Dựng Bộ Môn Cầu Đường THUYẾT MINH ĐAMH Thiết Kế Cầu Thép – BTCT Liên Hợp MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VE -3- DANH MỤC BẢNG BIỂU -4- ĐAMH THIẾT KẾ CẦU THÉP GVHD : TS.NGUYỄN... nhịp, bề rộng xe, số xe, …) 1.2 Tiêu chuẩn thiết kế Cầu các kết cấu thiết kế cho các trạng thái giới hạn quy định Tiêu chuẩn Thiết Kế Cầu (22TCN272-05) để đạt các mục tiêu an... thẩm mỹ việc xem xét kéo dài tuổi thọ thiết kế cầu cấu trúc đến 100 năm 1.3 Quan điểm thiết kế 1.3.1 Tổng quan Các yêu cầu liên quan đến an toàn kết cấu xây dựng dựa trạng thái giới