Bài giảng cầu thép p3

Bài giảng CẦU THÉP 37 - CHƯƠNG IV - CẦU DẦM GIÀN 4.1 Khái niệm chung 1) Đặc điểm: - Giàn chủ gồm (cấu kiện) liên kết thành giàn bất biến, chịu lực kéo nén dọc trục ; khác với dầm đặc, chịu momen uốn ; - Kết cấu giàn thoáng, dễ tạo dáng mỹ thuật cho công trình ; - Tiết kiệm vật liệu thép dầm đặc, phải vượt nhịp dài L>30m ; - Dễ tiêu chuẩn hóa chế tạo sẵn chi tiết cấu kiện công xưởng : - Lắp ráp cầu công trường đòi hỏi nhiều công đoạn cầu dầm đặc ; - Đối với cầu dầm giàn đường xe chạy dưới, phải có hệ mặt cầu chịu trực tiếp hoạt tải, truyền sang giàn chủ xuống gối cầu Biểu đồ ứng suất kéo nén túy Biểu đồ ứng suất kéo nén uốn 2) Các sơ đồ cầu dầm giàn kích thước : - Dầm giàn có mạ (biên) thẳng cong; - Cầu đường xe chạy chạy dưới; - Kết cấu nhịp cầu giản đơn, liên tục, mút thừa - Kích thước cầu dầm giàn: ● chiều dài nhịp phải đạt hợp lý kinh tế, đủ độ thoát nước yêu cầu thông thuyền; ● chiều cao (h) giàn : thông thường chọn tỷ lệ h h 1  1 1 =  ÷  ; mạ cong =  ÷  l l  10  5 8 h 1 1 cầu liên tục mút thừa =  ÷  l  10 12  mạ song song Bài giảng CẦU THÉP 38 - cầu nhịp dài l >40m, chiều cao giàn thường chọn h > 6m; ● chiều dài khoang giàn d = (0,6 ÷ 0,8)h, d = (0,8 ÷ 1,0)h giàn có dạng tam giác đứng treo ; ● góc xiên xiên α = 40° ÷ 60° so với phương ngang ; ● khoảng cách tim giàn chủ (b) cầu ô-tô có đường xe chạy nên bố trí hai giàn chủ với khoảng cách lớn khổ đường xe chạy từ 800mm đến 1000mm để tính đến phần gờ chắn bánh bề rộng giàn; cầu ô-tô đường xe chạy bố trí hai giàn chủ cách 5000 đến 7000mm, có giàn chủ cách 2500 đến 4000mm 3) Các phận cầu dầm giàn : - Hệ mặt cầu : gồm đà dọc, đà ngang, liên kết đà dọc, hệ chống xô (khi l > 80m) Hệ mặt cầu trực tiếp đỡ tĩnh tải mặt cầu hoạt tải để truyền vào giàn chủ qua đà ngang - Giàn chủ : chịu toàn tĩnh tải hoạt tải cầu để truyền xuống gối mố trụ cầu Giàn chủ có chi tiết phận (cấu kiện) mạ (biên) dưới, xiên (chéo), đứng, treo, nút giàn (liên kết chi tiết giàn - Hệ liên kết : giữ ổn định cầu dầm giàn, không làm biến dạng dầm giàn chịu gió tải trọng ngang khác ; hệ liên kết gồm hệ liên kết - dưới, hệ liên kết ngang cổng cầu - Gối cầu : gối di động, gối cố định ; gối cầu đỡ toàn tải trọng từ dầm truyền vào mố trụ 4) Cấu tạo mặt cắt cầu dầm giàn : - Mặt cắt đà dọc, đà ngang thường có dạng chữ I, với liên kết ngang liên kết dọc đà dọc thường dùng thép góc thép hình I, U - Mặt cắt giàn chủ (thanh mạ, xiên, đứng, treo) : - Mặt cắt hệ liên kết : - Khi lựa chọn mặt cắt thanh, nên : ● tạo mặt cắt đơn giản, thoáng, dễ sơn sửa (khe hở để thao tác sơn cần lớn 350mm; ● tránh dùng nhiều chủng loại chiều dày thép khác ; Bài giảng CẦU THÉP 39 - ● tạo mặt cắt không gây đọng nước rác bẩn (nếu mặt cắt tạo thành máng chứa nước phải khoan lỗ thoát nước vào bụng Φ50mm, cách khoảng 1000mm) ; ● tổ hợp hàn, phải suy tính trước cách lắp ráp thuận tiện, cách đặt chìa vặn bu lông dễ thao tác ; ● kích thước chi tiết phù hợp qui định cấu tạo : qui định bề dày nhỏ thép, tỷ lệ bề rộng (b) so với bề dày (δ), độ mảnh cho phép giàn Tính toán hệ mặt cầu (đã nêu Chương II - Hệ mặt cầu) 4.2 Tính toán giàn chủ 1) Nguyên lý : - Kết cấu nhịp cầu hệ không gian, cho phép phân thành nhiều hệ mặt phẳng riêng biệt đẻ tính toán đơn giản hóa ; sau phải kiểm toán số phận chịu lực ảnh hưởng lẫn hệ mặt phẳng ; - Nội lực phát sinh phận kết cấu xác định theo trạng thái giới hạn cường độ ; số trường hợp riêng biệt xác định theo trạng thái giới hạn mỏi - Tải trọng tĩnh hoạt cầu truyền vào giàn qua nút, giàn phân tích tổ hợp kết cấu liên kết chốt (4.6.2.4) 2) Trọng lượng dầm giàn - tĩnh tải dầm hệ số : Trước tính toán giàn chủ, người thiết kế phải lựa chọn loại dạng giàn, kích thước nhịp giàn ; từ đó, giả thiết trọng lượng cầu dầm giàn theo cách sau : a) Dựa vào kết cấu nhịp tương tự có sẵn kết cấu nhịp điển hình tương tự để suy Bài giảng CẦU THÉP 40 - Kết cấu nhịp điển hình ký hiệu VN-64 (vật liệu thép cacbon), VN-64/71 (thép hơp kim thấp), hoạt tải H-13(tương đương h=3500 0,65HL-93), khổ cầu 5m, có tổng khối lượng thép 87,8T, tải trọng tĩnh DC= 25,0kN/m (chưa kể khối lượng mặt cầu) b=6500 l = 10x3000=30000 b=5300 h=3000 Kết cấu nhịp điển hình, cầu thép HKT, tổ hợp hàn, hoạt tải H-30 (HL-93) khổ cầu 7m,nhịp dài 80m, tổng khối lượng thép 588.4T, tĩnh tải DC=73.5 kN/m (chưa kể mặt cầu BTCT) h=11000 Dầm giàn ký hiệu GTNT-30, thép HKT, tổ hợp hàn, hoạt tải H-13(0,65HL-93), mặt cầu thép, khổ cầu 4.5m; khối lượng thép toàn nhịp70.6T, tải trọng tĩnh DC= 23,5kN/m (bao gồm mặt cầu thép) l =14x2500=3500 l =10x8000=80000 b=9000 b) Dựa vào tỷ lệ trọng lượng thép phận kết cấu để suy Nếu khối lượng thép giàn chủ 100%, khối lượng thép hệ mặt cầu chiếm tỷ lệ 32÷36% , hệ liên kết dọc chiếm 16÷18%, hệ liên kết ngang chiếm 1,7÷1,9% c) Tham khảo khối lượng phần mặt cầu sau : - mặt cầu gỗ, khổ cầu 6m - tĩnh tải DW = 7,8 kN/m - mặt cầu BTCT khổ cầu 6m - DW = 23 kN/m ; khổ cầu 7m - 26 kN/m - mặt cầu thép có gân tăng cường (bản thép dày 8mm) DW = 2,4 kN/m d) Tổng tải trọng thường xuyên tính toán phải lấy sau : Q = Σ η i γ i Qi đó, η i - hệ số điều tải trọng, cầu điển hình thông thường lấy η i = 1,0 γ i - hệ số tải trọng, xét với tải trọng thường xuyên, γ i = γp , với cấu kiện thiết bị phụ γp = 1,25 ; với lớp phủ mặt cầu phận phụ mặt cầu γp = 1,50 Chú ý : Đối với cầu giàn thép có hai giàn chủ, tĩnh tải toàn dầm tính toán theo công thức phải phân nửa cho bên giàn chủ chịu 3) Hoạt tải hệ số hoạt tải : - Hoạt tải ô-tô HL-93 gồm tổ hợp xe tải thiết kế tải trọng rải tổ hợp xe hai trục thiết kế tải trọng rải (xem mục 2.4.3) - Hệ số xe : theo mục 2.4.3 Bài giảng CẦU THÉP 41 - - Hệ số tải trọng γ = 1,75 dùng cho hoạt tải tổ hợp, tính theo trạng thái giới hạn cường độ - Hệ số xung kích IM : theo 2.4.5 - Tính hệ số phân phối ngang (g) hoạt tải tác động vào giàn chủ : ● khổ cầu xe, tính (g) theo phương pháp đòn bảy ● khổ cầu hai xe, g = ● khổ cầu hai xe, tính (g) theo phương pháp đòn bảy g 4) Vẽ đường ảnh hưởng tính nội lực giàn : Đối với dầm giàn tĩnh định, đường ảnh hưởng giàn có dạng tam giác ; dầm giàn siêu tĩnh, đường ảnh hưởng giàn chủ có dạng đường cong lồi đường cong lõm MT MD λ1 ĐAH MT 3-5 5' 3' 1' h=8,50m Thí dụ: Vẽ đường ảnh hưởng dầm giàn kết cấu nhịp L = 66m, dạng tam giác tĩnh định l=12 * 5,50m = 66,00m λ1 λ2 λ1 λ2 h λ1 l λ1 ĐAH MD 4-6 ĐAH X 2-3 h sin α Tính nội lực kéo nén tính toán theo công thức sau : Bài giảng CẦU THÉP 42 - Pr = D.Ap + 1,75 [(Pta Ptr).(1+IM/100) + Pln + Png] (kN) đó, D - tổng tải trọng thường xuyên với hệ số tải trọng (kN/m), cầu có hai giàn chủ, đường xe chạy dưới, tổng tải trọng tính cho nửa cầu Ap - diện tích đường ảnh hưởng thanh, đường ảnh hưởng có hai dấu (+, -) tổng đại số hai đại lượng diện tích (m) 1,75 - hệ số tải trọng γ tính tổ hợp hoạt tải theo trạng thái giới hạn cường độ I Pta , Ptr , Pln , Png - nội lực kéo nén dọc trục gây xe tải xe hai trục, tải trọng làn, tải trọng người ; trị số nội lực tính theo giá trị tung độ diện tích đường ảnh hưởng tương ứng Chú ý : - Khi tính nội lực giàn chủ, nên lập thành bảng tính để dễ kiểm tra kết tính ; - Khi tính nội lực phát sinh giàn, cho phép bỏ qua nội lực momen gây tải trọng thân 5) Lựa chọn mặt cắt kiểm tra nội lực a) Nội lực kéo tính toán Pr phải thỏa mãn : Pr ≤ φy Pny = φy Fy Ag Pr ≤ φu Pnu = φu Fu An U đó, Pny - nội lực kéo chảy danh định mặt cắt nguyên thanh(N) Fy - cường độ chảy thép (MPa) Ag - diện tích mặt cắt nguyên (mm2) Pnu - nội lực kéo đứt danh định mặt cắt có hiệu (N) Fu - cường độ chịu kéo thép (MPa) An - diện tích mặt cắt có hiệu (mm2) U - hệ số triết giảm xét tính tác dụng truyền lực vào thanh, kết cấu nhịp thép giàn thông thường liên kết nút giàn coi nối khớp U = φy - hệ số kháng kéo chảy mặt cắt nguyên, φy = 0,95 φu - hệ số kháng kéo đứt mặt cắt có hiệu, φu = 0,80 - Mặt cắt chịu kéo giàn phải thỏa mãn điều kiện tỷ số độ mảnh giới hạn sau : ● cấu kiện chịu ứng suất đổi dấu, l / r ≤ 140 ● cấu kiện chịu kéo túy, l / r ≤ 200 ● hệ liên kết, l / r ≤ 240 b) Nội lực nén tính toán Pr phải thỏa mãn : Pr ≤ φc Pn đó, φc - hệ số kháng nén dọc trục thép, φc = 0,90 P n - nội lực nén danh định (N) ; chịu nén, đạt tỷ lệ cấu tạo chiều dày/chiều rộng thỏa mãn tỷ số độ mảnh, nội lực Pn lấy sau: λ ≤ 2,25 Pn = 0,66λ Fy As Bài giảng CẦU THÉP 43 - λ > 2,25 Pn = đó, λ =  K     rs π  0,88 F y As λ Fy E As - diện tích mặt cắt nguyên (mm2) Fy - cường độ chảy thép (MPa) E - moduyn đàn hồi thép (MPa) K - hệ số chiều dài có hiệu, K = 0,750 - với liên kết bu lông hàn hai đầu, K = 0,875 - với liên kết chốt hai đầu l - chiều dài tính toán chịu nén, giằng suốt chiều dài (mm) rs - bán kính hồi chuyển theo mặt phẳng nén uốn (mm) - Mặt cắt chịu nén giàn phải thỏa mãn điều kiện tỷ số độ mảnh giới hạn sau : K ≤ 120 r K liên kết : r ≤ 140 ● cấu kiện : ● hệ với r - bán kính hồi chuyển nhỏ (mm) c) Tính nội lực dọc trục theo trạng thái giới hạn mỏi : Một số xiên khoảng nhịp dầm cần xét thêm trạng thái giới hạn mỏi hoạt tải xe gây nên kéo-nén trùng phục xung kích - Hoạt tải tính mỏi xe tải thiết kế HL-93 trục với khoảng cách không đổi 9000mm trục 145 kN ; - Hệ số xung kích để tính chịu mỏi IM = 15% - Hệ số hoạt tải tính mỏi 0,75 - Mỗi giàn xét thêm trạng thái giới hạn mỏi hoạt tải xe gây phải thỏa mãn : Y (∆f) ≤ (∆F)n đó, Y - hệ số hoạt tải tính mỏi, Y = 0,75 (∆f) - biên độ ứng suất hoạt tải gây mỏi phát sinh xe qua lại kết cấu nhịp (MPa) ; ∆f = Pmax + Pmin Ag với Pmax,Pmin- nội lực phát sinh thêm hoạt tải qua lại (N) Ag - diện tích nguyên (mm2) (∆F)n - sức chịu mỏi danh định (MPa) (∆F)n =  A 3   ≥ N (∆F)TH với A - số (MPa3) N = (365)(100)n(ADTT)SL (∆F)TH - giới hạn biên độ mỏi không đổi (MPa) Bài giảng CẦU THÉP 44 - Kết tính cần đưa vào bảng ghi tên giàn chủ, tương ứng thành phần mặt cắt, đặc trưng hình học, nội lực danh định, đối chiếu nội lực tính toán 6) Tính toán mối nối liên kết nút giàn : a) Nguyên lý tính toán : - Tính toán mối nối thanh, dầm giàn vào sức chịu danh định bu lông liên kết, từ tính số đinh liên kết ; - Giả thiết nội lực phân bố cho đinh liên kết theo hướng tác dụng song song với đường tim ; - Mọi liên kết bu lông cường độ cao (chịu ma sát mặt) hàn không cho phép phát sinh chuyển vị ; liên kết bu lông tinh bu lông cường độ cao (chịu cắt ép mặt) phát sinh chuyển vị - Các liên kết mối nối cấu kiện phải thiết kế trạng thái giới hạn cường độ b) Một số qui định cấu tạo mối nối liên kết nút giàn : - Các bu lông liên kết cần bố trí đối xứng theo trục tim cấu kiện; - Trường hợp liên kết hàng đinh, số lượng bu lông không hai mạch hàn tương đương ; - Tại nút giàn nút liên kết hệ giằng gió, đường tim phải giao điểm ; cần tránh liên kết lệch tâm ; - Các mối ghép bắt bu lông cường độ cao phải rõ liên kết ma sát, liên kết ép tựa ; - Các mặt tiếp giáp bắt bu lông cấu kiện phủ không tráng phủ phải ép khít chắn với sau bu lông xiết chặt; bề mặt tiếp giáp phải bảo đảm vảy cờn, vết bẩn vật lạ bám mặt ; - Cự ly tim đến tim tối thiểu bu lông liền kề, theo chiều dọc chịu lực hay chiều ngang, không lấy nhỏ ba lần đường kính bu lông ; - Khoảng cách từ tim bu lông đến mép cấu kiện không nhỏ bảng sau : Khoảng cách tối thiểu đến mép cấu kiện (mm) Đường kính Các mép thép bu lông (mm) Các mép cắt hay thép hình cán cắt hàn 16 28 22 20 34 26 22 38 28 24 42 30 27 48 34 30 52 38 36 64 46 c) Tính số bu lông liên kết : Số bu lông liên kết cần thiết xác định theo công thức : Bài giảng CẦU THÉP 45 - n= Pr ϕRn đó, Pr - nội lực kéo (nén) dọc trục tính toán thanh, gây tải trọng (N) φ - hệ số sức kháng bu lông, nén dọc trục φ = 0,90, kéo dọc trục theo mặt cắt có hiệu φ = 0,80, bu lông ép mặt vật liệu thép φ = 0,80 Rn - sức chịu danh định bu lông liên kết (N) Đối với bu lông cường độ cao liên kết ma sát, Rn = Kh Ks Ns Pt (xem mục 2.5.6) ; bu lông tinh chế (nửa tinh chế) liên kết chịu cắt, Rn = 0,48 Ab Fub Ns đó, Ab - diện tích bu lông tương ứng với đường kính danh định (mm2) Fub - cường độ kéo nhỏ qui định bu lông ; bu lông tinh chế đinh tán thép cacbon, Fub = 420MPa ; bu lông cường độ cao có đường kính từ 16mm tới 27mm, cường độ kéo tối thiểu 830MPa Ns - số lượng mặt phẳng chịu cắt tính cho bu lông Đối với bu lông tinh chế (nửa tinh chế) liên kết chịu ép mặt, có khoảng cách tĩnh lỗ không nhỏ 2,0d với khoảng cách tĩnh đầu không nhỏ 2,0d, Rn = 2,4 d t Fu đó, d - đường kính danh định bu lông (mm) t - chiều dày vật liệu liên kết (mm) Fu - cường độ kéo vật liệu liên kết qui định theo bảng sau (MPa) Ký hiệu thép theo AASHTO Ký hiệu thép tương đương theoASTM Chiều dày thép bản, mm Cường độ chịu kéo nhỏnhất Fu ,MPa Cường độ chảy nhỏ (giới hạn chảy) M270M Cấp 250 Các đặc tính học thép kết cấu Thép hợp kim thấp Thép hợp Thép hợp kim cường độ cao kim thấp ram ram cường độ chảy dẻo cao M270M M270M M270M M270M Cấp 345 Cấp 345W Cấp 485W Các cấp 690/690W A709M Cấp 250 A709M Cấp 345 A709M Cấp 345W A709M Cấp 485W Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Từ 65 đến 100 400 450 485 620 760 690 250 345 345 485 690 620 Thép kết cấu A709M Các cấp 690/690W Bài giảng CẦU THÉP 46 - Fy , MPa Đối với bu lông loại liên kết chịu cắt hay ép mặt, tính R n theo chịu cắt theo ép mặt để chọn giá trị nhỏ hơn, tính số bu lông cần thiết d) Kiểm tra cường độ nút giàn : - Bản nút phải đủ lớn để liên kết xiên mạ, cắt nút theo 4-4 xét phần phải, ta có nội lực tổng cộng theo hướng ngang Pu = P4 + X4 cosα ; - Kiểm tra cường độ nút giàn chịu nội lực kéo Pu uốn Mux kết hợp sau : , , đó, Pr - nội lực kéo tính toán theo qui định mục (5,a) trên, N Mrx - momen uốn tính toán theo trục x-x mặt cắt gồm nút, nối phủ, thép góc liên kết ngang (N.mm) X4 α P4 2 x x y 1 Mux - momen uốn theo trục x-x, tải trọng tính toán gây (N.mm), thí dụ nút 4, Mux = Pu y, với y khoảng cách từ đường tim mạ đến trục trung hòa x-x mặt cắt liên kết 4-4 Pu - nội lực tổng cộng theo hướng ngang tải trọng tính toán gây (N) Nếu nội lực tổng cộng theo hướng ngang tải trọng tính toán gây nội lực nén dọc trục, trị số nội lực nén tính toán Pr phải xét theo hiệu ứng ổn định oằn cục nút 7) Kiểm toán đứng chịu lực nén dọc trục dầm giàn kiểu "hở trên" Dầm giàn kiểu "hở trên" kết cấu nhịp đường xe chạy chạy giữa, liên kết dọc liên kết ngang H h H Bài giảng CẦU THÉP 47 - Khi mạ chịu nén dọc trục, gây ổn định ngang mạ chịu oằn, nên khung ngang dầm giàn (gồm dầm ngang hai đứng có chiều cao tính toán h) thiết kế chịu lực ngang H không nhỏ 4,38 N/mm đặt đường tim mạ phạm vi khoang giàn, xem tải trọng thường xuyên tổ hợp tải trọng I theo trạng thái giới hạn cường độ nhân với hệ số tương ứng Mr ≤ Mn (hệ số kháng uốn φf = 1,0) đó, Mr - momen uốn tính toán (N.mm), Mr = H.h Mn - momen uốn danh định (N.mm), Mn = Z.Fy với Z - momen chống uốn mặt cắt đứng chịu uốn mặt phẳng giàn chủ (mm3), Fy - cường độ giới hạn chảy nhỏ thép làm đứng (MPa) 4.3 Tính hệ liên kết trên, 1) Phân tích tải trọng tác dụng lên hệ liên kết giàn : - Hệ liên kết trên, cầu dầm giàn kết cấu giữ ổn định có gió tác dụng ngang cầu, hệ liên kết chịu tác động gió vào đoàn xe cầu truyền vào hệ mặt cầu ; - Đối với cầu dầm giàn, xét tác động tải trọng gió theo hướng ngang cầu bỏ qua tải trọng gió theo hướng dọc cầu diện tích chắn gió nhỏ ; - Giả thiết toàn tải trọng gió ngang tác động vào giàn phân làm hai nửa : nửa hệ liên kết ngang chịu, nửa hệ liên kết chịu ; - Cầu đặt vùng phải tính áp lực gió W o theo vùng (Tiêu chuẩn TCVN 2737-1995) ; có xe cộ qua cầu, qui định vận tốc gió tới 25m/s (tương đương 90Km/h, tức gió cấp 9), vậy, cho phép xe cộ qua cầu an toàn có gió không cấp 2) Tải trọng gió ngang vào giàn đoàn xe cầu : a) Tải trọng gió ngang tác động vào giàn : WS L1 PD1 H WL PD2 L2 PDM Tải trọng gió ngang rải PD phải lấy theo phương tác dụng nằm ngang truyền vào hệ liên kết dọc trên, sau : PD = 0,0006 V2 At Cd ≥ 1,8 At (kN/m) đó, V - tốc độ gió thiết kế (m/s) xác định theo V = VBS, với VB tốc độ gió giật giây với chu kỳ xuất 100 năm thích hợp với vùng tính gió vị trí cầu thiết kế, qui định bảng sau : Vùng tính gió theo TCVN 2737 - 1995 I Tốc độ gió thiết kế VB (m/s) 38 Bài giảng CẦU THÉP 48 - II III IV 45 53 59 với S - hệ số điều chỉnh khu đất chịu gió độ cao mặt cầu theo qui định bảng sau : Độ cao mặt cầu mặt đất khuvực xungquanh hay mặt nước (m) Khu vực lộ thiên hay mặt nước thoáng , S Khu vực có rừng hay có nhà cửa với cối, nhà cao tối đa khoảng 10m ,S 10 20 30 40 50 1,09 1,14 1,17 1,20 1,21 1,00 1,06 1,10 1,13 1,16 At - diện tích phần kết cấu giàn hay hệ mặt cầu hứng chịu tải trọng gió ngang (m2), theo mét dài cầu ; diện tích phần kết cấu giàn hứng chịu gió giả thiết chiếm 40% diện tích mặt giàn tính theo hình sơ đồ đường tim (m2/m) ; diện tích hệ mặt cầu hứng chịu gió giả thiết chiếm 60% diện tích kín đặc hệ mặt cầu (m2/m) Cd - hệ số cản dùng cho kết cấu phần có mặt hứng gió đặc, tùy thuộc tỷ số b/d (tỷ số chiều rộng ngang cầu tính theo khoảng cách hai lan can với chiều cao kết trúc phần : tỷ số b/d 0, hệ số cản Cd = 1,8 0,4 = 2,3 0,8 = 2,5 1,2 = 1,9 1,6 = 1,7 2,0 = 1,5 b) Tải trọng gió ngang tác dụng lên xe cộ : WL Khi xét tổ hợp tải trọng gió có vận tốc 25m/s có xe cộ qua cầu, phải xét tính tải trọng gió ngang tác dụng lên xe tải trọng phân bố 1,5 kN/m, tác dụng theo hướng nằm ngang, vuông góc với tim dọc kết cấu đặt độ cao 1800mm so với mặt đường 3) Tính nội lực kiểm toán cường độ hệ liên kết : a) Chọn mặt cắt hệ liên kết : Bằng cách tham khảo hệ liên kết kết cấu nhịp giàn tương tự sẵn có để định cấu tạo mặt cắt hệ liên kết ; đó, hai khoang đầu hệ liên kết thường có cấu tạo giống nhau, khoang lại thường chọn theo qui định kích thước nhỏ qui định độ mảnh cho phép b) Tính nội lực hệ liên kết chịu gió : - Tính nội lực theo trạng thái giới hạn cường độ II (tổ hợp tải trọng liên quan đến cầu chịu gió với vận tốc vượt 25m/s) trạng thái giới hạn Bài giảng CẦU THÉP 49 - cường độ III (tổ hợp tải trọng liên quan đến việc sử dụng xe tiêu chuẩn cầu chịu gió với vận tốc đến 25m/s) theo tổ hợp sau : Thanh giằng chéo hệ liên kết : Pr = PWS (nội lực chéo thứ (i) gây gió với vận tốc vượt 25m/s) Giả thiết tải trọng gió ngang vào giàn chủ phân làm hai nửa : nửa giàn truyền vào hệ liên kết trên, nửa giàn truyền vào hệ liên kết Thanh giằng chéo hệ liên kết : Pr = PWS (nội lực chéo thứ (i) gây gió với vận tốc vượt 25m/s) Pr = PWS + PWL (nội lực gây gió có vận tốc đến 25m/s tác động vào giàn hệ mặt cầu, cộng với nội lực gây gió vào đoàn xe qua cầu WS WS WL Tải trọng gió WS WL tính theo rải theo mét dài cầu Căn đường ảnh hưởng giằng chéo khoang tính nội lực hệ Chú ý : giằng chéo chữ X, khoang giả thiết có giằng chéo nội lực phát sinh chịu kéo chịu nén, so sánh nội lực danh định khống chế 4.4 Tính hệ liên kết ngang cổng cầu 1) Nguyên lý tính : - Giả thiết khung cổng cầu điểm tựa cứng cho hệ liên kết dọc ; - Áp lực gió tác động vào mạ hệ liên kết trên, truyền vào khung cổng cầu xuống gối cầu ; - Khung cổng cầu phải đủ độ cứng để giữ ổn định kết cấu không gian kết cấu nhịp H D Io H h I x A Ix In B 2) Tính hệ liên kết ngang : C B Bài giảng CẦU THÉP 50 - a) Sơ đồ kết cấu để tính hệ liên kết ngang khung kín Áp lực gió tính theo diện tích nửa khoang giàn Khung kín có thành bên đứng, có momen quán tính theo chiều vuông góc với mặt phẳng giàn chủ I x ; chống ngang hệ liên kết dọc có momen quán tính I o ; dầm ngang khoang giàn có momen quán tính In ; nội lực phát sinh khung kín hệ liên kết ngang sau : Lực kéo (nén) dọc trục vào dầm ngang HA = HB = ± H Nội lực momen phát sinh dầm ngang AB : MAB = ± H × h  + 3x o     ν  Nội lực momen phát sinh chống ngang CD : MCD = ± đó, h' = In h Io ν=1+ xo xn + xo H × h  + 3x o 1 −  ν xo = h' L' o L'o = B In Io xn = h' L' n L'n = h Io In    Từ nội lực momen tính toán, kiểm tra cường độ bền danh định dầm khung b) Tính nội lực phát sinh khung cổng cầu có chống ngang kết cấu giàn : Trước hết, tìm điểm uốn (lo) khung hai chân khung giả thiết ngàm, trị số lo lo = đó, l = với α góc xiên đầu dầm với trục tim mạ Có trị số lo, đưa khung dạng sơ đồ tĩnh định để tính nội lực kiểm tra cường độ bền danh định H H l c H/2 tim đà ngang B lo V H/2 B V 4.7 Kiểm tra độ võng đàn hồi kết cấu nhịp thiết kế tạo vồng cho dầm giàn 1) Kiểm tra độ võng đàn hồi kết cấu nhịp theo trạng thái giới hạn sử dụng tức tính độ võng tuyệt đối lớn gây xe tải với tổ hợp tải trọng sử dụng (mục 2.4.3, trang 8) có hệ số tải trọng 1,3 với lực xung kích IM (chỉ tính cho tải trọng trục xe), hệ số xe hệ số phân phối ngang (nếu có) ; trị số độ võng lớn cầu giàn thép không vượt giới hạn sau : hoạt tải xe ô-tô nói chung L / 800 tải trọng xe người L / 1000 đó, L - chiều dài nhịp dầm tính toán Bài giảng CẦU THÉP 51 - - Thông thường cầu dầm giàn, tính độ võng tuyệt đối lớn điểm nhịp cách dùng công thức tính chuyển vị Mohr-Maxwell sau : ∆1P = ∑ đó, ∆1P - chuyển vị thẳng đứng điểm đặt lực P=1 P=1 gây tải trọng P tải trọng đơn vị trọng rải hay tải trọng Tải rải q = 1kN/m trục xe), m Hoạt tải rải Ň - nội lực gây tải p = 9,3kN/m trọng P=1 đặt nút 110kN 110kN Tải trọng xe nhịp (tức vị trí phát sinh độ trục võng lớn nhất), kN 1,2m NP - nội lực gây tải ĐAH mạ 4-6 trọng rải tải trọng trục xe, kN ĐAH li , Fi - chiều dài tính toán mạ 3-5 (m), diện tích nguyên (m ) thứ (i) giàn chủ ∑ - tổng cộng trị số tính tất giàn chủ, không tính đứng treo E - moduyn đàn hồi thép, E = 200.000 MPa = 200×106 kN/m2 Để thuận tiện tính toán, trước tiên tính chuyển vị thẳng đứng dầm giàn vị trí đặt lực đơn vị P=1, gây tải trọng rải đơn vị p = 1kN/m theo công thức có dạng sau : ∆1p = E ∑ N N ip l i Fi ý nghĩa công thức tương tự trên, N trị số tung độ nhịp đường ảnh hưởng tất giàn ; Nip diện tích đường ảnh hưởng tất giàn Sau tính ∆ 1p (m), độ võng dầm giàn gây hoạt tải tiêu chuẩn p = 9,3 kN/m ∆1p × 9,3 (m) Chú ý : - Nếu cầu dầm giàn có hai xe, giàn chủ chịu xe gồm tải trọng rải tải trọng trục xe ; - Nếu cầu dầm giàn có xe, giàn chủ chịu nửa xe tải - Trị số chuyển vị thẳng đứng dầm tính theo cộng tác dụng tải trọng tải trọng trục xe - Chuyển vị thẳng đứng dầm gây tải trọng trục xe tính theo công thức trên, NiP trị số tung độ đường ảnh hưởng tất vị trí đặt trục xe nhân với tải trọng trục 110 kN 2) Phương pháp thiết kế tạo vồng : Để ô-tô vào cầu êm thuận hơn, cầu có nhịp dài 50m, nên tạo vồng sẵn cho cầu với trị số lớn độ võng tĩnh tải gây (6.14.2.5 22TCN 272-05) Tạo vồng cho cầu dầm giàn phương pháp sau : Bài giảng CẦU THÉP 52 - - thay đổi tăng dần chiều dày lớp bê tông nhựa phủ mặt cầu để bù võng cho dàm giàn (thường dùng dầm giàn có nhịp nhỏ 50m) - nới rộng cự ly tim nút giàn chủ mạ cách tách điểm giao hai đường tim xiên liền kề với tim mạ giàn chủ cách xa từ đến 8mm, tùy chiều cao giàn chủ Bê tông nhựa bù võng mặt cầu ∆ = ~ 8mm Ghi : - Theo 22TCN 272-05, điều 4.7.1.5 qui định việc xem xét độ rung độ cứng cầu dầm giàn lắc ngang động đất, phải dựa vào mô hình hóa khối lượng để so sánh với tần số dao động riêng cầu dầm giàn dựa vào mô hình hóa 4.8 Kiểm toán đà ngang đầu dầm chịu kích (xem mục 2.4 mục 3.3, chương III) 4.9 Kiểm toán dầm giàn lao lắp - Khi thiết kế dầm giàn thép, phải định giải pháp thích hợp cho việc lắp đặt dầm, : lắp đường lao dầm sông đường trượt hệ lăn, lắp hẫng từ đường bờ vươn dần sông - Lựa chọn giải pháp thích hợp, sau tiến hành kiểm toán số có khả phát sinh nội lực lớn giai đoạn thi công, mạ trên, mạ dưới, treo choịu nén cục tác động lăn - Thiết kế sẵn nối chữ T bố trí sẵn lỗ đinh cần thiết dự phòng nút đầu dầm mạ lao lắp dầm giản đơn nhiều nhịp Cần cẩu lắp dầm Thanh nối T Lao kéo dọc 4.10 Bố trí, thiết kế công trình phụ trợ phục vụ tu sửa chữa cầu - Trong tập hồ sơ vẽ thiết kế dầm cầu giàn thép phải xem xét chế tạo sẵn công trình phụ trợ phục vụ tu sửa chữa nhịp dầm cầu có chiều cao 6m (so với mức nước thấp hàng năm) có chiều dài nhịp 50m Bài giảng CẦU THÉP 53 - - Bố trí tay vịn thang kiểm tra xiên đầu dầm mạ : - Bố trí thiết kế xe treo kiểm tra tu sơn sửa mạ dưới, thép hệ mặt cầu ; thường lắp đặt cho dầm cầu thép có chiều dài nhịp L>60m : - Bố trí thang kiểm tra kích sửa gối cầu : Thường lắp đặt chiều cao từ mặt cầu mặt đường người hai bên giàn chủ h>2m h>2m ♣♣♣♣♣♣♣♣♣♣♣♣ CHƯƠNG V - GỐI CẦU THÉP Gối dùng cho cầu dầm thép phải chế tạo vật liệu thép đúc cacbon cấp 485-250 ; thép đúc rèn thành gối phải tuân theo tiêu chuẩn ASTM A47M, cấp 24118 - Tiêu chuẩn sản phẩm gang ferit rèn với cường độ chảy dẻo nhỏ phải cao 241MPa Không dùng gối cầu cao su cốt thép cho cầu dầm thép Gối cầu có chức : - truyền áp lực tải trọng từ kết cấu nhịp xuống mố trụ cầu ; - đảm bảo chuyển vị tự đầu dầm, chủ yếu chuyển vị dọc cầu gây tăng giảm nhiệt độ môi trường, hoạt động qua lại loại phương tiẹn cầu 5.1 Các loại gối cầu - Gối cố định : Đảm bảo giữ cho đầu dầm không di động được, cho phép xoay ; áp lực truyền vào gối qua điểm tựa gọi chốt quay - Gối di động : Cho phép đầu dầm vừa di động dọc, vừa xoay ; áp lực truyền từ dầm xuống theo phương thẳng đứng Ngoài ra, loại dầm cầu thép đặc biệt, đưa vào sử dụng loại gối cầu xoay vừa xoay vừa di động theo hai phương dọc ngang cầu Bài giảng CẦU THÉP 54 - Gối cố định Gối cố định 5.2 Cách bố trí gối cầu - Thông thường, bên giàn chủ (hoặc dầm chủ) kết cấu nhịp giản đơn bố trí đầu gối cố định, đầu bên gối di động dọc theo tim giàn (hoặc dầm) - Đối với nhịp cầu có khổ mặt cầu xe chạy W>12m bề rộng tim đến tim giàn chủ B>15m, có gối di động đặt xiên theo hướng đường chéo, thay gối cố định gối di động theo hướng ngang cầu B - Cách bố trí gối nhịp cầu sau : ● cầu dầm giản đơn (tĩnh định), đầu gối cố định, đầu bên gối di động ; ● cầu dầm liên tục (siêu tĩnh định), bố trí gối cố định trụ cầu, số lại gối di động ; ● khe hở hai đầu dầm thép thường 100mm đến 150mm để tiện thao tác nâng hạ dầm Ký hiệu : gối cố định gối di động 5.3 Cấu tạo gối cầu - Về mặt cấu tạo, có : gối tiếp tuyến, dùng cho nhịp dầm L< 25m gối có cho9ót quay gối có lăn (tròn hay vát cạnh) hình vành lước, dùng cho nhịp dầm L> 25m - Gối cầu gồm phận sau : ● thớt trên, bắt bu lông chặt vào đáy dầm, thường thép kết cấu M270M cấp 250 (tương đương A709M cấp 250) có cường độ chịu kéo 400 MPa ; có hình thù phức tạp, chế tạo thép đúc cacbon M103M (tương đương 27M) cấp 485-250 ; Bài giảng CẦU THÉP 55 - ● chốt quay, thường thép cán cácbon, trục tròn, M270M cấp 250 ; ● thớt ; ● lăn tròn vát cạnh (vừa tăng đường kính lăn, vừa bố trí sát làm nhỏ kính thước thớt), chế tạo thép kết cấu M270M ( tương đương A709M) cấp 250, 345 (biểu thị cường độ chảy nhỏ Fy , MPa) ● thớt đáy, phận làm mặt tựa cho lăn, đồng thời bắt bu lông neo giữ chặt vào bệ kê gối mố trụ cầu Gối tiếp tuyến (di động, cố định) Gối di động Thớttrên Thớt Con lăn tròn Thớt Thớt Thớt Thớt Chốt quay Thớt Thớt đáy Con lăn vát Gối cố định Gối di động 5.4 Kiểm toán gối cầu 1) Ngoại lực tác dụng lên gối cầu gồm có : P - phản lực thẳng đứng từ dầm (giàn) chủ cầu truyền xuống gối cần kiểm toán, gây toàn tĩnh tải hoạt tải tính toán phân phối vào dầm (giàn) Chú ý : Theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-05, không xét tính lực hãm xe dọc tim cầu, ngoại lực nằm ngang hướng dọc tim cầu tác dụng vào chốt quay gối cầu P bT hT Thớt Chốt hD Thớt bD 2) Lựa chọn kích thước gối : Thông thường, trị số P để lựa chọn gối theo loại dạng cấu tạo thiết kế sẵn theo vẽ điển hình ; ra, tham khảo kích thước sau : - chiều dài thớt gối dọc theo tim cầu không vượt hai lần chiều cao thớt (tính đến tim chốt) bT ≤ 2hT bD ≤ 2hD - phần thớt đáy thò trục lăn không vượt hai lần bề dầy thớt - bề dày thớt gối thép cán hay thép đúc sau gia công không nhỏ 40mm Bài giảng CẦU THÉP 56 - - gối cầu di động loại lớn thường phải bố trí lăn không ; lăn phải liên kết với giằng mặt bên cho đảm bảo không bị xê dịch dọc trượt ngang, dễ dàng cho việc lau chùi phải che kín hộp che Sau chọn kiểu loại gối thích hợp theo vẽ điển hình, tiến hành kiểm toán gối theo trị số phản lực lực ngang thực có cầu 3) Kiểm toán gối cố định : a) Tính áp lực ép mặt tập thép mạ đầu dầm tựa khít lên mặt thớt gối cầu : P ≤ φb RP (N) P bT A đó, P - áp lực ép mặt tính toán truyền qua A tập thép mạ đầu dầm hT Thớt φb - hệ số sức kháng ép mặt, φb = 1,0 Chốt hD Thớt RP - áp lực ép mặt danh định tập C C thép mạ lên mặt bD thớt, RP = 1,5 AP Fy , với AP diện tích tập thép tựa aT Mặt A-A khít lên mặt gối (mm2), Fy cường độ chảy qui định thép cán thép đúc cacbon (MPa) Mặt C-C aD b) Tính áp lực ép mặt bê tông bệ kê gối phạm vi đáy thớt : P ≤ φPn (N) đó, Pr r- áp lực tổng tải trọng thẳng đứng P trọng lượng thân gối (N) φ - hệ số sức kháng, trường hợp mặt đáy gối ép tựa bê tông, φ=0,70 Pn - sức kháng danh định bệ kê gối bê tông, Pn = 0,85 f 'c A1 m, (công thức 5.7.5-2 TCN) với f 'c cường độ chịu nén nhỏ qui định bê tông bệ gối, f 'c = 28 MPa ; A1 = ad bd diện tích mặt đáy gối ; m - hệ số điều chỉnh, m = A2 A1 ≤ 2,0 với A2 diện tích mặt bệ kê gối, thông thường rộng đáy gối chiều 150 mm c) Tính áp lực ép mặt chốt gối : Sức kháng ép mặt tính toán chốt tròn đường kính D (mm) phải lấy sau : P ≤ φb (RpB)n (công thức 6.7.6.2.2-1) đó, φb - hệ số sức kháng ép mặt thép, φb = 1,00 (RpB)n - sức kháng ép mặt danh định chốt thép, (RpB)n=1,5 t DFy với t chiều dày thép gối (mm) thường lấy trị số nhỏ 40mm ; Fy cường độ chảy nhỏ qui định chốt thép cácbon dùng theo bảng sau : Bài giảng CẦU THÉP 57 - Ký hiệu ASSHTO với giới hạn kích thước Ký hiệu ASTM, với cấp hạng Điểm chảy nhỏ Fy MPa M169đườn g kính 100mm hoặcnhỏhơ n A108, cấp 1016 đến 1030 250 M102, đường kính đến 500mm M102,đườn g kính đến 500 mm M102,đườn g kính đến 250 mm M102,đườn g kính đến 500 mm A668 Hạng C A668 Hạng D A668 Hạng F A668 Hạng G 230 260 345 345 d) Kiểm toán thớt gối tiếp tuyến mặt cắt 1-1 : Mặt cắt 1-1 hT Pr = P/2 hT Đường tim dầm chủ aT eT = bT/4 bT Thớt gối tiếp tuyến mặt cắt 1-1 chịu sức kháng uốn tính toán sau : Mr ≤ φf Mn đó, Mr = Pr eT (N.mm) φf = 1,00 - hệ số kháng uốn M n - sức kháng uốn danh định (N.mm), M n = Z Fy với Z momen chống uốn thớt mặt cắt 1-1, Z = aT hT2 /6 ; Fy cường độ giới hạn chảy nhỏ thép cán cácbon (MPa) 4) Kiểm toán gối di động : Kiểm toán thớt trên, thớt dưới, chốt lăn gối di động tương tự kiểm toán gối cố định Riêng thớt đáy gối di động phải xét đến trường hợp phát sinh sức kháng uốn lớn hệ lăn di chuyển dọc phía ∆/2 Chuyển vị dọc lớn nhiệt độ (dãn dài) hoạt tải tính toán : ∆ = ∆T + ∆H = α L ∆to + Pr L EF đó, α - hệ số dãn nở nhiệt thép kết cấu, α = 11,7 × 10-6 mm/mm/oC L - chiều dài nhịp tính toán (mm) ∆to - biên độ nhiệt độ cầu, khu vực từ miền Bắc đến đèo Hải Vân ∆to = -3oC đến +63oC, khu vực từ đèo Hải Vân đến miền Nam ∆to = +2oC đến +63oC Pr - nội lực dọc trục trung bình mạ giàn (hoặc cánh dầm), N, hoạt tải tính toán (bao gồm hệ số) gây nên, tương ứng với diện tích mạ (hoặc cánh dầm) F (mm2) Bài giảng CẦU THÉP 58 - Đường tim hệ lăn Đường tim gối Hệ lăn Thớt đáy ∆/2 Chú ý : - Kiểm toán thớt đáy gối cầu theo điều kiện cho độ chuyển dịch hệ lăn hai phía nhau, vậy, kích thước thớt gối theo phương dọc cầu nhỏ - Đối với gối cầu di động có lăn (tròn vát cạnh), phải đặt gối cho nhiệt độ trung bình ∆to/2, đường tim hệ lăn đường tim thớt đáy vị trí trùng với tim gối cầu ♣♣♣♣♣♣♣♣♣ ... vào cầu êm thuận hơn, cầu có nhịp dài 50m, nên tạo vồng sẵn cho cầu với trị số lớn độ võng tĩnh tải gây (6.14.2.5 22TCN 272-05) Tạo vồng cho cầu dầm giàn phương pháp sau : Bài giảng CẦU THÉP... phương thẳng đứng Ngoài ra, loại dầm cầu thép đặc biệt, đưa vào sử dụng loại gối cầu xoay vừa xoay vừa di động theo hai phương dọc ngang cầu Bài giảng CẦU THÉP 54 ... H-13(0,65HL-93), mặt cầu thép, khổ cầu 4.5m; khối lượng thép toàn nhịp70.6T, tải trọng tĩnh DC= 23,5kN/m (bao gồm mặt cầu thép) l =14x2500=3500 l =10x8000=80000 b=9000 b) Dựa vào tỷ lệ trọng lượng thép phận