thiết kế cầu dầm liên hợp nhịp giản đơn

Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng THIẾT KẾ CẦU DẦM LIÊN HỢP NHỊP GIẢN ĐƠN (Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05) CHƯƠNG I : NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG 1- Cầu thép liên hợp Cầu thép liên hợp dạng kết cấu nhịp cầu có dầm chủ dầm thép, liên kết chặt chẽ với mặt cầu BTCT thông qua hệ thống neo gắn kết vào cánh dầm thép Do có BTCT làm việc chung nên chịu lực uốn phần BTCT chịu ứng lực nén, phần cánh dầm thép chịu kéo, tăng thêm khả chịu tải kết cấu nhịp làm giảm đáng kể diện tích cánh chịu nén dầm thép Việc cho BTCT chịu nén thép chịu kéo sử dụng vật liệu hợp lý Bản BTCT có tác dụng hệ liên kết dọc làm tăng độ cứng ngang cầu Ngoài BTCT che chắn không cho nước mưa làm ướt dầm thép nên tuổi thọ kết cấu tăng lên đáng kể Tuy nhiên có BTCT nên tĩnh tải phân bố kết cấu nhịp tăng đáng kể so với loại mặt cầu gỗ hay thép Nếu thi công bình thường, dầm thép liên hợp làm việc theo giai đoạn: Giai đoạn 1: có tiết diện dầm thép chịu toàn tĩnh tải thân, trọng lượng dầm ngang, bê tông mặt cầu, đà giáo, ván khuôn thi công trọng lượng người thiết bị thi công (gọi tĩnh tải phần I) Giai đoạn 2: Sau BTCT gắn kết chặt chẽ với dầm thép tiết diện liên hợp (bao gồm dầm thép BTCT) tham gia chịu trọng lượng lớp phủ, trọng lượng lan can, lề hành (gọi tĩnh tải phần II) họat tải cầu Có thể dùng biện pháp nâng dỡ dầm thép trình thi công bê tông mặt cầu (gọi điều chỉnh nội lực dầm liên hợp) dùng trụ tạm đỡ dưới, dùng hệ tander đỡ dưới, dùng hệ dây treo dầm thép v.v… Chỉ đến BTCT liên kết chắn với dầm thép giải phóng hệ thống đỡ tạm làm cho tiết diện liên hợp tham gia chịu toàn tĩnh tải hoạt tải, giảm đáng kể nội lực dầm thép 2- Nguyên lý thiết kế Việc thiết kế công trình cầu dựa nguyên lý trạng thái giới hạn (TTGH) Trạng thái giới hạn trạng thái vượt qua cầu hay phận cầu không thỏa mãn điều kiện thiết kế Trong TTGH cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiện: ΣηiγiQi < ΦRn=Rr Trong đó: ηi – Hệ số điều chỉnh tải trọng, hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư tầm quan trọng khai thác cầu : η= ηD ηR ηI γi – Hệ số tải trọng, xác định sở thống kê, liên quan tới hiệu ứng lực Qi – Hiệu ứng lực tác động Φ– Hệ số sức kháng, xét đến biến thiên sức kháng theo tính chất vật liệu, điều kiện làm việc kết cấu, sai khác thi công thiết kế … Rn – Sức kháng danh định hay sức kháng tiêu chuẩn cấu kiện hay liên kết Rr – Sức kháng tính toán -1- Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng 3- Các trạng thái giới hạn Nói chung kết cấu cầu cần xét theo trạng thái giới hạn (TTGH): Trạng thái giới hạn cường độ trạng thái giới hạn có liên quan đến cường độ ổn định Khi tới giới hạn cường độ coi thép đạt tới giới hạn chảy dẻo (fc) toàn tiết diện bê tông đạt tới 85%cường độ chịu nén quy định bê tông (0,85fc’) Trạng thái giới hạn sử dụng (hay khai thác) trạng thái giới hạn liên quan đến biến dạng vết nứt điều kiện khai bình thường Trạng thái giới hạn đặc biệt trạng thái liên quan đến cố động đất, va xô tàu thuyền, xe cộ hay sụp lở… Đối với công trình cầu, trạng thái giới hạn cường độ xét cụ thể trường hợp sau : Trạng thái giới hạn cường độ I : tính với tổ hợp cầu có xe gió Trạng thái giới hạn cường độ II: tính với tổ hợp tải trọng cầu xe có gió với tốc độ gió lớn 25m/s Trạng thái giới hạn cường độ III: tính với tổ hợp tải trọng gây mỏi đứt gãy liên quan đến tác dụng lặp xung kích tải trọng Trạng thái giới hạn sử dụng tính với tổ hợp tải trọng liên quan đến khai thác bình thường cầu với tốc độ gió 25m/s với tất tải trọng lấy theo giá trị danh định 4- Tải trọng thiết kế cầu 4.1 Tải trọng dài hạn Ký Ý nghĩa hiệu DD Tải trọng kéo xuống (ma sát âm) DC Trọng lượng thân kết cấu DW Trọng lượng lớp phủ mặt EH Áp lực đất nằm ngang Ký hiệu EL ES EV Ý nghĩa Hiệu ứng bị kìm hạm thi công Trọng lượng đất thẳng đứng Áp lực đứng đất đắp 4.1 Tải trọng tức thời Ký hiệu BR CE CR CT CV EQ FR IM LL Ký hiệu LS PL SE SH TG TU WA WL WS Ý nghĩa Lực hãm xe Lực ly tâm Từ biến Lực va xe Lực va tàu Lực động đất Lực ma sát Lực xung kích xe Hoạt tải xe Ý nghĩa Hoạt tải chất thêm Tải trọng người Tác động lún Co ngót Gradien nhiệt Nhiệt độ Áp lực nước áp lực dòng chảy Gió hoạt tải Gió kết cấu 5- Cấu tạo cầu dầm thép liên hợp Nhịp cầu dầm thép liên hợp gồm phận sau: 1- Bản mặt cầu : BTCT, có lớp phủ, lan can, lề hành, giải phân cách Bên bản, dầm thép tạo vút bê tông , chiều rộng cánh dầm thép, vát nghiêng 1:1, chiều cao 10-20cm 2- Dầm thép : gồm cánh trên, cánh sườn (bản bụng) Dọc theo sườn có sườn tăng cường đứng để đảm bảo ổn định cục cho sườn để liên kết dầm ngang -2- Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng 3- Hệ neo : liên kết với cánh dầm thép để liên kết BTCT với dầm thép Neo liên kết thép hay thép góc (neo cứng); thép tròn uốn dạng quai chảo (chữ U) hay dạng đinh thẳng đứng (neo mềm) 4- Hệ dầm ngang (hay liên kết ngang) cầu tạo từ thép hình [ hay I dạng dàn thép góc Các dầm ngang đầu nhịp thép hình để kích nâng kết cấu nhịp cần thiết Các sườn tăng cường để liên kết dầm ngang cần bố trí có khoảng cách bằnh 5- Hệ liên kết dọc : gòm thép hình L liên kết chéo khoảng cách đầm chủ Chúng kết hợp với hệ liên kết ngang tạo thành kết cấu dàn tam giác hay dàn chữ X, theo mặt phẳng nằm ngang phía đáy dầm 6- Gối cầu : thép, dạng phẳng, mặt tiếp tuyến hay gối lắc, tùy theo chiều dài nhịp 6- Nội dung tính toán thiết kế cầu dầm thép liên hợp  Tính đặc trưng hình học mặt cắt dầm  Tính tải trọng  Tính nội lực dầm chủ theo trạng thái giới hạn  Tính dầm chủ theo TTGH cường độ  Kiểm tra theo TTGH sử dụng  Kiểm tra theo TTGH mỏi hay đứt gãy  Thiết kế sườn tăng cường  Thiết kế neo liên kết  Thiết kế mối nối -3- Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng CHƯƠNG II : HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ I SỐ LIỆU THIẾT KẾ 7- Chiều dài nhịp (L) : ( cho theo yêu cầu) 8- Tải trọng thiết kế : HL93 ; người 3kN/m2 9- Khổ cầu (G) : ( cho theo yêu cầu) 10- Chiều rộng lề người (T) : ( cho theo yêu cầu) 11- Loại liên kết : Bulong cường độ cao / Đinh tán 12- Vật liệu : Thép hợp kim thấp 13- Dạng dầm chủ : Ghép hàn Sơ đồ mặt cắt tính toán: MC 0-0 : gối ; MC 1-1 = Ltt/4 ; MC 2-2 : mối nối ; MC 3-3 = Ltt/3 ; MC 4-4 = Ltt/2 Nối Nối II SỐ LIỆU LỰA CHỌN CHO DẦM LIÊN HỢP 1- Số liệu bê tông mặt cầu TT 10 11 Chỉ tiêu Cấp bê tông làm mặt cầu Cường độ nén quy định bê tông Modun đàn hồi bê tông Tỷ trọng bê tông Chiều dày bê tông mặt cầu Chiều dày lớp phủ Tỷ trọng vật liệu làm lớp phủ Chiều dày lớp phòng nước Tỷ trọng vật liệu làm lớp phòng nước Chiều cao vút Chiều rộng lan can Ký hiệu Đơn vị fc’ Ec γc hb hf γf hn γn hv bv MPa MPa kN/m3 mm mm kN/m3 mm kN/m3 mm mm Giá trị Ec = 0,043γ c1,5 2- Số liệu thép dầm chủ TT Ký hiệu Et Chỉ tiêu Modun đàn hồi thép Cấp thép hợp kim thấp M270M Cường độ chịu kéo nhỏ Cường độ chảy nhỏ Tỷ trọng thép Đơn vị Giá trị MPa Cấp 345W fk fc γt MPa MPa kN/m3 3- Lựa chọn hình dạng kích thước mặt cắt dầm thép -4- f c' Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TT 10 11 12 13 TS Nguyễn Quốc Hùng Chỉ tiêu Chiều rộng cầu Bề rộng dải phân cách Bề rộng lan can Số lượng dầm chủ Chiều dài phần hẫng Khoảng cách dầm chủ Chiều cao dầm chủ Chiều dày cánh Chiều rộn cánh Chiều dày cánh Chiều rộng cánh Chiều dày sườn dầm Chiều cao sườn dầm Ký hiệu Bc Bpc bv nd C S H ttr btr tdu bdu ts hs Đơn vị mm mm mm Dầm mm mm mm mm mm mm mm mm mm Ký hiệu nn nng Đơn vị cái (L-0,6m)/(3m-:- 4m) nn*(nd-1) ang mm (L-0,6)/nn hng lng bcng tcng tsng hsng mm mm mm mm mm mm Angt mm2 Angn mm2 Png kN Cách tính Giá trị Bc=G+2T+2bv+bpc C< hv+6hb (Bc-2C)/nd (1/17-:-1/25)L < 20mm < 15ttr or btr > 10mm H-hb-hv-hf-ttr-tdu 4- Kích thước dầm ngang TT 10 11 12 Chỉ tiêu Số dầm ngang theo dọc cầu Tổng số dầm ngang Khoảng cách dầm ngang Chiều cao dầm ngang Chiều dài dầm ngang Chiều rộng cánh dầm ngang Chiều dày cánh dầm ngang Chiều dày sườn dầm ngang Chiều cao sườn dầm ngang Diện tích mặt cắt dầm ngang Diện tích mặt cắt dầm ngang Tổng khối lượng dầm ngang b1 Cách tính S-2*20mm γt*(Angt+Angn)*lng*nng b2 III TÍNH ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC CỦA MẶT CẮT S DẦM S 1- Chiều rộng có hiệu cánh 1.1 Dầm Chiều rộng có hiệu với dầm giá trị nhỏ giá trị sau : bc < bc C Ltt/4 12 ts + btr/2 S Với Ltt – Chiều dài nhịp tính toán ( L – 0,6m) S – Khoảng cách tim dầm chủ btr- chiều rộng cánh 1.2 Dầm biên ½ ts 0,5b + (x), với : hb + max Chiều rộng có hiệu lấy c C Giá trị ¼ btr -5- ts Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng x< 2- Tính đặc trưng hình học mặt cắt 2.1 Hệ số quy đổi modun đàn hồi Với tải trọng tức thới : n = Eb / Et với tải trọng dài hạn = 3n 2.2 Tiết diện dầm thép Diện tích mắt cắt dầm thép: At = Atr+As+Adu = btr * ttr + hs * ts + Σ (bdu*tdu) - - - btr ; z1 ht z Khoảng cách trọng tâm tới đáy dầm ytd = Σ(Ai* ai)/At a2 Trong : z3 – khoảng cách từ trọng tâm phần tới đáy dầm Ai – Diện tích tiết diện phần Momen quán tính tiết diện dầm thép a3 It = Ii + ΣAi* zi Trong : Ii – momen quán tính phần đối trục thân Ai – Diện tích tiết diện phần zi – Khoảng cách từ trục thân phần tới trục tâm toàn tiết diện Khoảng cách trục trung hòa tới mép cánh dầm thép : ytt = ht - ytd 2.3 Tiết diện liên hợp ngắn hạn (n) b2 b1 Diện tích phần bê tông : S S Abt= 1/n*(bc*hc+ 0,5*(btr+btr+2hv)*hv Chiều cao dầm liên hợp: Htđ = H + hv + hb Khoảng cách từ trục trung hòa tiết diện liên hợp tới trục C trung hòa tiết diện dầm thép: Z = Abt*(0,5hb+hv+ytt )/(Abt+At ) Momen quán tính tiết diện liên hợp: Itđ = Ib+It + Σ (Ai*zi2) Trong : Ai – Diện tích tiết diện bê tông hay tiết diện dầm thép zi - Khoảng cách từ trọng tâm bê tông hay trọng tâm dầm thép tới trục trung hòa tiết diện liên hợp Khoảng cách từ trục trung hòa tới mép bê tông : ytđt = ytt – Z +hv + hb Khoảng cách từ trục trung hòa tới đáy dầm thép : ytđd = Htđ - ytđt -6- ytd bc ytđt II I II I ytđd Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng 2.4 Tiết diện liên hợp dài hạn (n=3n) Diện tích phần bê tông : Abt= (1/3n)*(bc*hc+ 0,5*(btr+btr+2hv)*hv Khoảng cách từ trục trung hòa tiết diện liên hợp tới trục trung hòa tiết diện dầm thép: Z = Abt*(0,5hb+hv+ytt )/(Abt+At ) Momen quán tính tiết diện liên hợp: Itđ = Ib+It + Σ (Ai*zi2) Trong : Ai – Diện tích tiết diện bê tông hay tiết diện dầm thép zi - Khoảng cách từ trọng tâm bê tông hay trọng tâm dầm thép tới trục trung hòa tiết diện liên hợp BẢNG TỔNG HỢP GIÁ TRỊ ĐẶC TRƯNG HÌNH HỌC Đặc trưng ĐTHH Đơn Dầm vị Tiết diện liên hợp ngắn hạn (n) Chiều cao dầm Htđ mm Chiều rộng tính toán cánh bc /n mm Diện tích bê tông Abt1 mm2 Khoảng cách trục trung hòa tới TT dầm thép Z mm t Khoảng cách TTH tới mặt bê tông ytđ1 mm d Khoảng cách từ TTH tới đáy dầm ytđ1 mm Momen quán tính tiết diện liên hợp Itđ1 mm4 Modun chống uốn tiết diện liên hợp Stđ1 mm3 Tiết diện liên hợp dài hạn (3n) Chiều cao dầm Htđ mm Chiều rộng tính toán cánh bc /3n mm Diện tích bê tông Abt2 mm2 Khoảng cách trục trung hòa tới TT dầm thép z mm t Khoảng cách TTH tới mặt bê tông ytđ2 mm d Khoảng cách từ TTH tới đáy dầm ytđ2 mm Momen quán tính tiết diện liên hợp Itđ2 mm4 Modun chống uốn tiết diện liên hợp Stđ2 mm3 IV TÍNH TẢI TRỌNG Tĩnh tải tác dụng lên dầm chủ 1.1 Tĩnh tải giai đoạn Kích thước TT Bộ phận Dài (m) Rộng (m) Cao (m) Bản mặt cầu Vút Dầm chủ Sườn tăng cường Mối nối Neo liên kết Dầm ngang -7- Số lượng Thể tích (m3) Dầm biên Khối lượng đơn vị (kN/m3) Khối lượng (kN) Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn 10 TS Nguyễn Quốc Hùng Hệ liên kết dọc Ván khuôn Người thiết bị thi công CỘNG P1 = Tĩnh tải rải 1m dầm chủ : qt1 = Σ P1/(nd*L) 1.2 Tĩnh tải giai đoạn Kích thước TT Bộ phận Dài (m) Rộng (m) Cao (m) Số lượng Thể tích (m3) Khối lượng đơn vị (kN/m3) Khối lượng (kN) Lan can Bệ lan can Lớp phủ Dải phân cách CỘNG P1 = Tĩnh tải rải 1m dầm chủ : qt1 = Σ P2/(nd*L) (Tính riêng cho dầm dầm biên theo nguyên tắc đòn bảy) 1.3 ΣP1 Tổng hợp tĩnh tải tác dụng lên dầm Loại tải trọng Đơn vị DC1 kN/m DC2 kN/m Tổng kN/m Dầm Hoạt tải tác dụng lên dầm chủ 2.1 Các hoạt tải tác dụng Xe tải thiết kế (Truck) Xe trục thiết kế (Tander) Tải trọng thiết kế Tải trọng người 2.2 Chọn số lượng xe Số lượng xe phần nguyên kết chia phần chiều rộng phần xe chạy G cho 3500mm : nL = G / 3500 2.3 Tính hệ số phân bố hoạt tải theo 2.3.1 Hệ số phân bố hoạt tải theo momen * Đối với dầm trong: • Một chất tải SI mg momen = 0,06 + ( Kg S S ) 0, ( ) 0,3 ( ) 0,1 4300mm L L.hb • Hai nhiều xe chất tải -8- Dầm biên ΣP2 Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn MI mg momen = 0,075 + ( TS Nguyễn Quốc Hùng K S S ) 0, ( ) 0, ( g3 ) 0,1 2900mm L L.hb Trong : S – Khoảng cách tim dầm chủ, mm L – Chiều dài nhịp, mm Kg – Tham số độ cứng dọc, xác định theo : K g = n( I t + At ytdt ), mm 1800 600 Với : n = Et / Eb It - Momen quán tính dầm thép At – Diện tích mặt cắt dầm thép ytđt – Khoảng cách từ trục trung hòa đến thớ bê tông chịu nén hb – Chiều dày bê tông P/2 P/2 * Đối với dầm biên: • Một chất tải S Tính hệ số phân bố ngang theo nguyên tắc RA đòn bảy: xếp tải hình vẽ Cự ly theo phương ngang xe Truck Tander 1800mm Tính phản lực RA cách cân momen với tim dầm Khi chất tải hệ số xe nL =1,2, có: mgSEmomen = 1,2 * RA • Hai nhiều chất tải mgMEmomen = e.mgSEmomen Với e = 0,77+ dc /2800mm > Trong dc – Chiều dài phần hẫng bê tông 2.3.2 Hệ số phân bố hoạt tải theo lực cắt * Đối với dầm • Một chất tải mgSIcat = 0,36 + S/7600mm • Hai hay nhiều chất tải mgMIcat = 0,2 + S/3600mm – (S/10700mm)2 * Đối với dầm biên • Một chất tải : mgSEcat = 1,2 * RA • Hai hay nhiều chất tải : mgMEcat = e mgMIcat với e = 0,9+dc / 3000mm 2.4 Hệ số phân bố ngang người -9- Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Dùng phương pháp đòn bảy , co tải trọng người lực tập trung, có : Dầm biên : mgpe = Dầm trong: mgpi = 2.5 Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang mg Hai hay Nội lực Một nhiều [1] [2] [3] Momen Dầm Dầm biên Lực cắt Dầm Dầm biên HSPBN tính toán [4] Max([2],[3]) Max([2],[3]) 1,0 Max([2],[3]) Max([2],[3]) 1,0 V TÍNH NỘI LỰC DẦM CHỦ THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 1- Các hệ số tải trọng 1.1 Hệ số tải trọng γ i TTGH cường độ I Loại TTGH tải trọng sử dụng Max Min DC 1,25 0,9 DW 1,5 0,65 LL+IM 1,75 1,35 Hệ số điều chỉnh tải trọng η Hệ số Cường độ Dẻo dai ηD 0,95 Dư thừa ηR 0,95 Quan trọng ηI 1,05 Tích η=ηDηRηI 0,95 HSPBN người [5] TTGH Mỏi 0 0,75 1.2 1.3 Sử dụng 1 Hệ số xung kích(IM) Cấu kiện Mối nối, mặtcầu Tất TTGH Tất cấu kiện khác TTGH mỏi dòn Tất TTGH khác 2- Nội lực dầm chủ tĩnh tải gây - 10 - Mỏi 1 IM 75% 15% 25% Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn 2.1 TS Nguyễn Quốc Hùng Diện tích đường ảnh hưởng nội lực mặt cắt Diện tích ĐAH (m2) Các trị số để tính diện tích ĐAH Mo Ltt (m) Ltt x (m) M1 Ltt Ltt/4 M2(Nối) Ltt Ltt/3,5 M3 Ltt Ltt/3 M4 Ltt Ltt/2 Qo Ltt Q1 Ltt Ltt/4 Q2(Nối) Ltt Ltt/3,5 Q3 Ltt Ltt/3 Q4 Ltt Ltt/2 Nội lực Dạng ĐAH Ltt-x (m) y= x(L tt − x) L tt y1 = Ltt − x Ltt y2 = − y1 ω ω1 ω2 Σω 2.2 Momen lực cắt tĩnh tải giai đoạn (tính cho tiết diện dầm thép) TTGH cường độ I TTGH sử dụng Diện tích Nội lực DC1 (m2) Dầm Dầm biên Dầm Dầm biên Mo M1 M2 (Nối) M3 M4 Qo Q1 Q2 (Nối) Q3 Q4 2.3 Momen lực cắt tĩnh tải giai đoạn TTGH cường độ I Diện tích Nội lực DC2 (m2) Dầm Dầm biên Mo M1 M2 (Nối) M3 M4 Qo Q1 Q2 (Nối) Q3 Q4 2.4 Tổng hợp nội lực tĩnh tải gây - 11 - TTGH sử dụng Dầm Dầm biên Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng TTGH cường độ I Dầm Dầm biên TTGH sử dụng Dầm Dầm biên 3- Nội lực dầm chủ hoạt tải gây 3.1 Momen HL93 Tải trọng trục xe khoảng cách chúng Khoảng cách từ hợp lực đến trục xe thứ 2: Trường hợp trục xe sau cách 4300mm 35*(x+4,3)+145*x = 145*(4,3 –x) => x= 1,455m Trường hợp trục xe sau cách 9000mm 35*(x+4,3)+145*x = 145*(9,0 –x) => x= 3,552m Công thức tính momen : Mtruck = Σ Pi.yi Trong : Pi – Trọng lượng trục xe yi - Tung độ ĐAH momen trục xe y x=1,455m Nội lực Diện tích (m2) Mo M1 M2 (Nối) M3 M4 Qo Q1 Q2 (Nối) Q3 Q4 4,3m 35 kN 4,3m 145 kN 145 kN x=1,455m P2=145 P3=145 4,3m P1=35 4,3m ymax y3 y2 3.2 Momen xe trục P2=110 P1=110 Bảng tung độ vị trí đặt tải momen dầm chủ : Tung độ ĐAH Mặt cắt y1 (m) y2 (m) y3 (m) ymax (m) Gối L/4 L/3,5 (mối nối) L/3 L/2 Tải trọng Mặt cắt P1 (kN) P2(kN) P3(kN) M(kN.m) Gối 35 145 145 L/4 35 145 145 L/3,5 (mối nối) 35 145 145 L/3 35 145 145 L/2 35 145 145 y1 - 12 - y1 y2 Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Khoảng các trục bánh xe 1200mm => x=0,6m Công thức tính momen : Mtander = ΣPi.yi Trong : Pi – Trọng lượng trục xe yi - Tung độ ĐAH momen trục xe Mặt cắt ymax(m) y1(m) y2(m) Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 P1(kN) P2(kN) M (kN.m) P = 9,3kN/m ymax y1 - 13 - P3=145 P2=145 P1=35 L 3.3 Momen tải trọng Là tải trọng rải toàn chiều dài dầm, Có cường độ pL = 9,3 kN/m y Tải trọng không tính xung kích Công thức tính momen : Mlan = pL ωM Trong : PL – Cường độ tải trọng ωM- Diện tích ĐAH momen Diện tích ωM Cường độ pL Mặt cắt x (m) MLàn (kN.m) (kN/m) (m2) Gối 9,3 L/4 9,3 Mối nối 9,3 L/3 9,3 L/2 9,3 3.4 Momen người Tải trọng người kN/m2 Là tải trọng rải toàn chiều dài dầm Tải trọng người không tính hệ số xung kích bp kN/m Công thức tính momen : Mp = pp ωM Trong : pp – Cường độ tải trọng người , y pp = 3.bp (kN/m) bp – Chiều rộng lề hành (m) ωM- Diện tích ĐAH momen Bảng tổng hợp momen hoạt tải không hệ số Mặt cắt Xe trục Xe trục Tải trọng Tải trọng Xe trục người (mỏi) Đơn vị Gối x=1,455m L/4 4,3m 4,3m Mối nối L/3 L/2 Lực cắt HL93 y2 y3 Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Công thức tính lực cắt : Qtruck = Σ Pi.yi Trong : Pi – Trọng lượng trục xe yi - Tung độ ĐAH lực cắt trục xe P3 (kN) 145 145 145 145 145 * Trường hợp trục sau cách 9000mm Mặt cắt y1(m) y2(m) y3(m) P1 (kN) Gối 0,613 0,738 1,000 35 L/4 0,363 0,488 0,750 35 Mối nối Tính Tính Tính 35 L/3 0,280 0,405 0,667 35 L/2 0,113 0,238 0,500 35 P2 (kN) 145 145 145 145 145 P3 (kN) 145 145 145 145 145 3.5 Lực cắt xe trục Công thức tính lực cắt : Qtander = Σ Pi.yi Trong : Pi – Trọng lượng trục xe yi - Tung độ ĐAH lực cắt trục xe Mặt cắt Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 x(m) y1(m) y2(m) y1 Lực cắt tải trọng P1(kN) P2(kN) ωQ - 14 - Tính Q(kN) Tính y2 y1 PL=9,3 kN/m 3.6 Q(kN) P2=110 P2 (kN) 145 145 145 145 145 P1=110 * Trường hợp trục sau cách 4300mm Mặt cắt y1(m) y2(m) y3(m) P1 (kN) Gối 0,750 0,875 1,000 35 L/4 0,500 0,625 0,750 35 Mối nối Tính Tính Tính 35 L/3 0,417 0,542 0,667 35 L/2 0,250 0,375 0,500 35 Q (kN) Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Công thức tính lực cắt : Qlan = pL ωQ Trong : PL – Cường độ tải trọng ωQ- Diện tích ĐAH lực cắt Mặt cắt x (m) Diện tích ωQ (m2) Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 Cường độ pL (kN/m) 9,3 9,3 9,3 9,3 9,3 Q (kN) 3.7 Lực cắt người bp kN/m Công thức tính lực cắt : Qp = pp ωQ Trong : pp – Cường độ tải trọng người , ωQ pp = 3.bp (kN/m) bp – Chiều rộng lề hành (m) ωQ- Diện tích ĐAH lực cắt Bảng tổng hợp lực cắt hoạt tải không hệ số Mặt cắt Xe trục Xe trục Tải trọng Tải trọng người Đơn vị Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 4- Tổng hợp nội lực toàn tải trọng gây 4.1 Tải trọng tác dụng tính toán : Trọng lượng thân kết cấu (DC1) : tính cho tiết diện dầm thép Trọng lượng thân kết cấu (DC1 DC2) Trọng lượng lớp phủ (DW) Hoạt tải xe thiết kế : xe trục (Tander) hay xe trục (Truck) Hoạt tải thiết kế (pL) Tải trọng người (pp) 4.2 Chọn tổ hợp tải trọng tác dụng - 15 - Xe trục (mỏi) Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Bảng tổng hợp momen hoạt tải có hệ số TTGHCĐ I TTGHSD MLL+IM = mgmomen[1,25*max(Mtruck , Mtander)+MLan]+mgp*Mp HSPBN MLL+IM Max Hệ số mgmomen HSPBN Mặt cắt (Mtruck, xung MLàn Mp mgp Dầm Dầm Dầm Dầm Mtander) kích biên biên Gối 1,25 L/4 1,25 Mối nối 1,75 L/3 1,25 L/2 1,25 Bảng tổng hợp lực cắt hoạt tải có hệ số TTGHCĐ I TTGHSD QLL+IM = mgcat[1,25*max(Qtruck , Qtander)+QLan]+mgp*Qp Mặt cắt Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 HSPBN mgcat Dầm Dầm biên Max (Qtruck, Qtander) Hệ số xung kích QLàn HSPBN mgp QLL+IM Qp Dầm Dầm biên 1,25 1,25 1,75 1,25 1,25 Bảng tổng hợp momen hoạt tải có hệ số TTGH mỏi đứt gãy MLL+IM = mgmomen*1,15*max(Mtruck , Mtander) HSPBN mgmomen MLL+IM Hệ số Max Mặt cắt xung Dầm Dầm Dầm Dầm (Mtruck,Mtander) kích biên biên Gối 1,15 L/4 1,15 Mối nối 1,75 L/3 1,15 L/2 1,15 Bảng tổng hợp lực cắt hoạt tải có hệ số TTGH mỏi đứt gãy QLL+IM = mgcat*1,15*max(Qtruck , Qtander) HSPBN mgcat QLL+IM Hệ số Max Mặt cắt xung Dầm Dầm Dầm Dầm (Qtruck,Qtander) kích biên biên Gối 1,15 L/4 1,15 Mối nối 1,75 L/3 1,15 L/2 1,15 Chọn giá trị lớn nhất, đưa vào bảng - 16 - Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Bảng tổ hợp momen toàn tải trọng có hệ số TTGHCĐ I UI =η{1,25DC+1,5DW+1,75(LL+IM)} Mặt cắt HS Điều chỉnh tải trọng η HS Tải trọng Tĩnh tải γ DC Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 Momen tĩnh tải MDC HS Tải trọng Lớp phủ γ DW Momen lớp phủ MDW 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Hệ số hoạt tải γ LL Momen hoạt tải MLL+IM Momen tính toán Mtt 1,75 1,75 1,75 1,75 1,75 Bảng tổ hợp lực cắt toàn tải trọng có hệ số TTGHCĐ I UI =η{1,25DC+1,5DW+1,75(LL+IM)} Mặt cắt HS Điều chỉnh tải trọng η HS Tải trọng Tĩnh tải γ DC Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 0,95 0,95 0,95 0,95 0,95 1,25 1,25 1,25 1,25 1,25 Lực cắt tĩnh tải QDC HS Tải trọng Lớp phủ γ DW 1,5 1,5 1,5 1,5 1,5 Lực cắt lớp phủ QDW Hệ số hoạt tải γ LL Lực cắt hoạt tải QLL+IM 1,75 1,75 1,75 1,75 1,75 Bảng tổ hợp momen toàn tải trọng có hệ số TTGHSD USD =1,0(DC+DW)+1,0(LL+IM) Mặt cắt MDC MDW MLL+IM MSD Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 Bảng tổ hợp lực cắt toàn tải trọng có hệ số TTGHSD USD =1,0(DC+DW)+1,0(LL+IM) Mặt cắt QDC QDW QLL+IM QSD Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 Bảng tổ hợp momen toàn tải trọng có hệ số TTGH mỏi - 17 - Lực cắt tính toán Qtt Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn Mặt cắt Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 TS Nguyễn Quốc Hùng Umỏi =0,75(LL+IM) Hệ số hoạt MLL+IM tải γ LL 0,75 0,75 0,75 0,75 0,75 Mmỏi Bảng tổ hợp lực cắt toàn tải trọng có hệ số TTGH mỏi Umỏi =0,75(LL+IM) Mặt cắt Hệ số hoạt QLL+IM Qmỏi tải γ LL Gối 0,75 L/4 0,75 Mối nối 0,75 L/3 0,75 L/2 0,75 VI TÍNH DẦM CHỦ Căn theo nội lực toàn tải trọng dầm có nội lực bất lợi để thiết kế Các nội dung kiểm tra: Tính khả thi kết cấu TTGH cường độ theo khả chịu uốn chịu cắt TTGH sử dụng theo độ võng độ vồng thiết kế TTGH mỏi đứt gãy chi tiết bụng dầm Bảng giá trị momen Momen tính toán Mtt MSD Mmoi TTGHCĐ TTGHSD TTGH mỏi Mặt cắt x(m) kN.m kN.m kN.m Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 Bảng giá trị lực cắt Lực cắt tính toán Qtt QSD Qmoi TTGHCĐ TTGHSD TTGH mỏi Mặt cắt x(m) kN kN kN Gối L/4 Mối nối L/3 L/2 VII TÍNH DẦM CHỦ THEO TTGH CƯỜNG ĐỘ - 18 - Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Kiểm tra giới hạn kích thước mặt cắt 3.1 Kiểm tra tỷ lệ phần tử Kiểm tra momen quán tính theo điều 6.10.2.1.1 Công thức kiểm toán : 0,1 ≤ I yc Iy ≤ 0,9 Trong : Iyc – momen quán tính cánh chịu nén mặt cắt thép trục thẳng đứng mặt phẳng bụng Iy - momen quán tính mặt cắt thép trục thẳng đứng mặt phẳng bụng 3.2 Kiểm tra độ mảnh bụng Kiểm tra độ mảnh bụng tiết diện đặc theo điều 6.10.4.2.1 Nếu : Dcp ts ≤ 3,76 Et bụng xem đặc fc Khi độ mảnh cánh chịu nén kiểm tra theo điều 6.10.4.1.3.1 : btr E ≤ 0,382 t ttr fc Trong : Dcp – chiều cao bụng chịu nén lúc đạt momen dẻo ts – Chiều dày bụng Et – modun đàn hồi thép fc – cường độ chảy dẻo nhỏ thép cánh btr – Chiều rộng cánh chịu nén ttr – chiều dày cánh chịu nén Để xác định Dcp phải xác định trục trung hòa dẻo (TTHD) mặt cắt liên hợp TTHD xác định theo điều kiện cân lực dẻo thành phần tiết diện Lực dẻo thành phần thép tích số tiết diện thép nhân với cường độ chảy dẻo thích hợp Lực dẻo bê tông chịu nén tổng hợp ứng suất phân bố tới 0,85fc’ toàn chiều cao tiết diện bê tông Bỏ qua vùng bê tông chịu kéo (nếu có) Tính toán cụ thể :  Lực dẻo bê tông mặt cầu : Pb = 0,85fc’.Abt Pb  Lực dẻo cánh chịu nén : Ptr TTHD Ptr = fc Atr Ps  Lực dẻo cánh chịu kéo Pdu = fc Adu  Lực dẻo sườn dầm: Pdu Ps = fc As - 19 - Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng Xác định vị trí TTHD : Nếu Pdu + Ps > Pb + Ptr TTHD nằm bụng (sườn dầm), ngược lại TTHD nằm phần bê tông Khi TTHD nằm bụng, tính Dcp theo công thức theo điều 6.10.3.1.4b-1 : D f c Adu − f c Atr − 0,85 f c' Abt Dcp = [ + 1] f c As Trong :  D – Chiều cao sườn dầm (bản bụng)  Adu ; Atr ; As ; Abt – Diện tích tiết diện cánh dưới, cánh trên, sườn dầm bê tông  fc – cường độ chảy dẻo thép dầm Kiểm tra TTGH cường độ 4.1 Kiểm tra theo sức kháng uốn Chiều cao vùng chịu nén bụng Dcp; chiều cao chịu kéo bụng Hs-Dcp  Tính momen dẻo : Tính tổng momen dẻo TTHD lực dẻo phần nhân với khoảng cách từ trọng tâm phần đến TTHD: D H − Dcp M p = cp Ps d sn + s Ps d sk + Pb dbt + Ptr d tr + Pdu d du Hs Hs Trong : di – khoảng cách từ trọng tâm phần tới TTHD  Xác định sức kháng uốn danh định mặt cắt liên hợp đặc chắc: Nếu Dp < D’ Mn =Mp (Điều 6.10.4.2.2a-1) Nếu D’ < Dp < 5D’ M n = 5M p − 0,85M y 0,85M y − M p D p + ( ' ) (Điều 6.10.4.2.2a-2) 4 D Trong : Dp – Khoảng cách từ đỉnh bê tông tới TTHD (mm) Dp = Dcp + htr +hv + hb D’ – Khoảng cách quy định điều 6.10.4.2.2b-2 : D' = β H t + hv + hb 7,5 Trong : β = 0,7 (vì cường độ chảy nhỏ thép fc = 345 Mpa) Ht – Chiều cao dầm thép hv – chiều cao phần vút bê tông hb – Chiều cao bê tông My – Khả chịu momen chảy ban đầu mặt cắt liên hợp ngắn hạn My = MD1+MD2+MAD Trong : MD1- momen tải trọng thường xuyên giai đoạn có hệ số tiết diện dầm thép MD2- momen tải trọng thường xuyên giai đoạn có hệ số tiết diện ngắn hạn dầm liên hợp MAD- momen gây chảy hoạt tải thép, tính theo công thức: - 20 - Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng M AD = S n [ f c − M D1 M D − ] Ss S3 n Trong : Ss; Sn; S3n – modun chống uốn tiết diện dầm thép, tiết diện liên hợp ngắn hạn tiết diện liên hợp dài hạn : Si = Ii / yi ; với Ii momen quán tính tiết diện yi khoảng cách từ trục trung hòa tiết diện tới đáy dầm Bảng tính đặc trưng hình học tiết diện dầm chủ Tiết diện Ký Momen Khoảng Modun hiệu quán cách yi chống tính Ii uốn Si Dầm thép Ss It ytd Dầm liên hợp nhắn hạn Sn Itđ ytđd Dầm liên hợp dài hạn S3n Itđ ytđd Momen tĩnh tải Hệ số tải Hệ số biến Cường Diện tích Momen Momen đường ảnh trọng đổi tải Mắt cắt độ tĩnh MD1 MD2 hưởng ωM γi trọng η tải qt1 Giai đoạn (dầm thép) L/3 1,25 0,95 L/2 1,25 0,95 Giai đoạn (dầm liên hợp dài hạn) L/3 1,5 0,95 L/2 1,5 0,95 Điều kiện đảm bảo sức kháng uốn Mu < Mr với Mr = ϕm Mn Trong : ϕm – hệ số sức kháng uốn, ϕm = Mu – momen uốn tính toán lớn Mặt cắt Mu Mr Kết luận L/3 Đạt / không đạt L/2 Đạt / không đạt 4.2 Kiểm tra theo sức kháng cắt Điều kiện đảm bảo sức kháng cắt Qmax < Vr với Vr = ϕv Vn Trong : Qmax – Lực cắt tính toán lớn ϕv – hệ số sức kháng cắt ; ϕv = Vn – sức kháng cắt danh định tiết diện dầm Xác định sau : 0,87(1 − C ) ]  Nếu Mu < 0,5ϕmMp 1+ ( ) D 0,87(1 − C ) Vn = RV p [C + ] ≥ CV p  Nếu Mu > 0,5ϕmMp 1+ ( ) D Mr − Mu Với R = [0,6 + 0,4( M − 0,75ϕ M )] ≤ r m y Vn = V p [C + (Điều 6.10.7.3.3a-1) (Điều 6.10.7.3.3a-2) Tính lực cắt dẻo Vp = 0,58fcDts Trong : D ts chiều cao chiều dày bụng – khoảng cách sườn tăng cường đứng - 21 - Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng C – tỷ số ứng suất oằn cắt với cường độ cắt chảy; C=1 Bảng tính kiểm tra sức kháng cắt Mu 0,5ϕmMp Vp Vn Qmax Vr Kết luận Đạt / không đạt VIII KIỂM TRA THEO TTGH SỬ DỤNG Kiểm tra ứng suất theo momen sử dụng Trong tiết diện liên hợp ứng suất cánh không vượt ff < 0,95RbRhfc Trong : Rb- hệ số truyền tải trọng, Rb = Rh- hệ số lai, Rh = fc – Cường độ chảy nhỏ thép cánh, fc = 345Mpa Momen sử dụng lớn mặt cắt nhịp, gây tĩnh tải không hệ số DC1 DC2 hoạt tải tăng 1,30 ( Ghi bảng 3.4.1-1), nghĩa 1,30(LL+IM) 1.1 Ứng suất cánh MDC1 MDC2 MLL+IM Snct Snct Snct Ứng suất Tải trọng 3 (kN.m) (kN.m) (kN.m) (mm ) (mm ) (mm ) ftf(Mpa) DC1 DC2 LL+IM Tổng 1.2 Ứng suất cánh MDC1 MDC2 MLL+IM Snct Tải trọng (kN.m) (kN.m) (kN.m) (mm3) DC1 DC2 LL+IM Tổng Ứng suất Cánh Cánh Vế phải Snct (mm3) Snct (mm3) Tổng hợp so sánh Ký hiệu Đơn vị Giá trị Kết luận ftf MPa fbf MPa Đạt / không đạt MPa Kiểm tra theo độ võng tiêu chuẩn xác định độ vồng 2.1 Độ võng với hoạt tải sử dụng 2.2 Độ võng xe tải đơn 2.3 Độ võng 25% xe tải tải trọng 2.4 Độ võng nhịp tĩnh tải phân bố 2.5 Độ vồng chế tạo Kiểm tra theo TTGH mỏi 3.1 Mỏi tải trọng gây 3.2 Mỏi cong vênh gây 3.2.1 Do bụng chịu uốn 3.2.2 Do bụng chịu cắt - 22 - Ứng suất fbf(Mpa) Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng IX THIẾT KẾ SƯỜN TĂNG CƯỜNG Thiết kế sườn tăng cường gối 1.1 Chiều rộng phần chỉa btc 1.2 Sức kháng tựa 1.3 Sức kháng nén dọc trục Thiết kế sườn tăng cường 2.1 Chiều rộng phần chìa STC : btc 2.2 Momen quán tính STC X THIẾT KẾ NEO LIÊN KẾT Chọn loại neo kích thước neo Tính bước neo 2.1 Theo TTGH mỏi 2.2 Sức kháng chống cắt neo theo TTGH cường độ 2.3 So sánh lựa chọn bước neo XI THIẾT KẾ MỐI NỐI Chọn kích thước nối Đặc trưng hình học mặt cắt mối nối Tính mối nối cánh Tính mối nối bụng - 23 - ... Thiết kế mối nối -3- Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng CHƯƠNG II : HƯỚNG DẪN THIẾT KẾ I SỐ LIỆU THIẾT KẾ 7- Chiều dài nhịp (L) : ( cho theo yêu cầu) 8- Tải trọng thiết kế :... sườn để liên kết dầm ngang -2- Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn TS Nguyễn Quốc Hùng 3- Hệ neo : liên kết với cánh dầm thép để liên kết BTCT với dầm thép Neo liên kết thép hay thép góc (neo cứng);... biên Khối lượng đơn vị (kN/m3) Khối lượng (kN) Thiết kế cầu liên hợp nhịp giản đơn 10 TS Nguyễn Quốc Hùng Hệ liên kết dọc Ván khuôn Người thiết bị thi công CỘNG P1 = Tĩnh tải rải 1m dầm chủ : qt1