chương 5 thiết kế và phân tích hầm

Chương V: thiết kế phân tích hầm 5.1 tình hình chung Lý thuyết tính toán kết cấu ngầm có lịch sử phát triển lâu dài Đến có nhiều phương pháp tính loại kết cấu ngầm, nhiều phương pháp tính áp dụng thực tế thiết kế Việc tính toán bớt khó khăn áp dụng phần mềm địa kỹ thuật Những điều kiện địa chất công trình phức tạp, đa dạng khác công nghệ thi công gây khó khăn cho việc thiết kế tính toán CTN Theo đặc điểm tác dụng tương hỗ kết cấu khối địa tầng bao quanh công trình hầm phân chia phương pháp tính toán kết cấu hầm làm ba nhóm sau: - Nhóm 1: Không xét đến tác động tương hỗ, kết cấu tính với tải trọng biết - Nhóm 2: Tải trọng đất đá xung quanh chia làm tải trọng chủ động, tải trọng bị động (lực kháng đàn hồi) tải trọng đặc biệt áp lực đất đá coi biết lực kháng đàn hồi xác định tính toán tuỳ thuộc vào sơ đồ tác dụng tải trọng quan hệ đặc trưng biến dạng kết cấu địa tầng - Nhóm 3: Tải trọng tác dụng lên vỏ hầm áp lực đất đá không giả thiết trước mà xác định kết giải toán tiếp xúc tác dụng tương hỗ vỏ hầm địa tầng Các phương pháp thuộc nhóm phần lớn phương pháp thuộc nhóm dựa công cụ môn Cơ học kết cấu Nhóm phương pháp dựa lời giải cổ điển lời giải số môn Cơ học vật rắn biến dạng 5.2 tính toán công trình hầm dạng vòm tựa đất đá Có nhiều dạng vòm tựa đất đá: - Vòm tựa đất đá có vỏ bao kín toàn tiết diện: + Vòm có chiều dày thay đổi: thường áp dụng cho hầm nhịp nhỏ 5m + Vòm có chiều dày không đổi: thường áp dụng cho hầm có nhịp lớn 7m Vòm thoải, dạng parabol chịu lực tốt vòm tròn do Dạng vòm có chiều dày không đổi dk Dạng vòm có chiều dày thay đổi - Vòm tựa đất đá có vỏ phần đỉnh vòm: + Vòm có chiều dày thay đổi + Vòm có chiều dày không đổi Dạng vòm có chiều dày không đổi Dạng vòm có chiều dày thay đổi 5.2.1 Sơ đồ tính Sơ đồ tính toán lựa chọn theo sơ đồ vòm không khớp chịu tải trọng thẳng đứng gồm có áp lực đất trọng lượng thân kết cấu Trong trường hợp kết cấu nằm đất yếu áp lực hông q ei f  ei l Víi: l - chiỊu rộng tính toán vòm (nhịp vòm), m f - chiều cao tính toán vòm (đường tên vòm), m - góc nghiêng chân vòm, rađ (độ) Sơ đồ tính toán lựa chọn theo sơ đồ vòm không khớp chịu tải trọng thẳng đứng gồm có áp lực đất trọng lượng thân kết cấu, áp lực hông Vòm chịu tác dụng áp lực bị động lún tác dụng tải trọng áp lực tác dụng theo phương pháp tuyến với bề mặt vòm (coi bỏ qua tác dụng áp lực theo phương tiếp tuyến) áp lực gọi phản lực đàn hồi f Đối với vòm thoải (thường 0,25) xem l vòm biến dạng tự (không có phản lực đàn hồi) Biến dạng chân vòm tuỳ thuộc vào điều kiện kê gối chân vòm Khi ngàm đặt đất đá cứng chân vòm chuyển vị ngang chuyển vị gãc 5.2.2 TÝnh to¸n néi lùc kÕt cÊu 5.2.2.1 Đối với kết cấu hầm dạng vòm thoải Xét kết cấu hầm có dạng vòm thoải có ngàm đàn hồi, có xét đến biến dạng chân vòm dạng góc xoay chuyển vị chân vòm u(ux, uy) Bỏ qua ma sát kết cấu vòm đá xung quanh Thường tính toán, người ta bỏ qua thành phần chuyển vị thẳng đứng tải trọng tác dụng (thẳng đứng) đối xứng ảnh hưởng không đáng kể đến phân bố nội lực vòm Việc tính toán thực theo phương pháp lực sau: Các ẩn số X1, X2 xác định việc giải phương trình tắc có d¹ng sau: (1)  11X1 + 12X2+ 1p +  =0  21X1 + 22X2+ 2p + f+ ux =0 Với: X1 , X2 - ẩn lực tác dụng đỉnh vòm ij - chuyển vị đơn vị theo ph­¬ng Xi Xj = 1p , 2p - chuyển vị theo phương X1 X2 đỉnh vòm ngoại lực tác dụng - chuyển vị góc vị trí chân vòm ux - chuyển vị thẳng theo phương ngang chân vòm B n.h ct  3 ; C = 7 + 3.B Chuyển vị vị trí đỉnh tường ngoại lực tác dụng (áp lực hông) tác dụng lên tường: B  e1 4e2  ue    8   bk bk C   4 e2 e    5   B  bk C 5.3.4 TÝnh to¸n t­êng mỊm (khi .h > 2,75 3) Xem dầm dài, phần dầm làm việc độc lập, không ảnh hưởng lẫn hy = l =  Khi hy = th× chuyển vị đầu dầm u = 0, nghiệm tổng quát phương trình vi phân có dạng: -x -x y = C2.e cosx + C4.e sinx Để xác định số tích phân C2 C4 ta sử dụng điều kiện biên sau đây: u = u0  = 0 M = M0 H = H0 -x Đặt: = e cosx = e-x.sinx -x 3 = 1 + 2 = e (cosx + sinx) 4 = 1 - 2 = e-x (cosx - sinx) Tõ ®ã, ta cã: 2 2 u  M 4  H 1 k k 4 2   M 1  H 3 k k M  M 03  H 2  Q   M 2 2  H 4 Lùc däc t­êng tính toán tường dầm đàn hồi Tương tự thực với chuyển vị đơn vị Kết ta có: u1 = = k 2 4 ; u2  1  k k Nội lực chuyển vị chân vòm nội lực chuyển vị đỉnh tường Phản lực đàn hồi xác định theo công thức: = -23.(Mv.4 + Hc.1) Lúc này, toán chuyển việc tính toán vòm ngàm hai đầu có phản lực đàn hồi 5.4 Bố trí cốt thép tính duyệt kết cấu hầm 5.4.1 Bố trí cốt thép Việc tính toán bố trí cốt thép kết cấu công trình hầm thực kết cấu bêtông cốt thép Sau xác định nội lực kết cấu loại tải trọng gây ra, tiến hành tổ hợp nội lực, chän tiÕt diƯn nguy hiĨm nhÊt vµ tiÕn hµnh tÝnh toán bố trí cốt thép theo cấu kiện chịu nén lệch tâm Tiết diện hợp lý, đảm bảo tiêu kinh tế - kỹ thuật có chiều dày bêtông thích hợp hàm lượng cốt thép phù hợp Điều thực cách tính toán nhiều lần nội lực lẫn hàm lượng cốt thép đạt tới phương án phù hợp Ngày nay, với trợ giúp máy tính, công tác trở nên dễ dàng Có thể bố trí cốt thép đối xứng, tức bè trÝ cèt thÐp ë vµ ngoµi nh­ Đối với kết cấu hầm có độ nhỏ, cốt thÐp ë líp cã thĨ bè trÝ theo l­ỵng cốt thép tính toán vị trí có mômen dương lớn (vị trí đỉnh vòm hay đỉnh tường) Còn cốt thép lớp bố trí theo lượng cốt thép tính toán vị trí có mômen âm lớn (thường chân vòm/vị trí lân cận) Đối với kết cấu hầm có độ hay chiều cao lớn, để tiết kiệm cốt thép, cø vµo tÝnh chÊt lµm viƯc cđa kÕt cÊu vµ phản lực môi trường đất đá xung quanh để bố trí cốt thép cho phù hợp tiết kiệm Th«ng th­êng, cã thĨ thùc hiƯn nh­ sau: - Cèt thép lớp vòm bố trí theo lượng cèt thÐp tÝnh to¸n ë líp d­íi cđa tiÕt diƯn đỉnh vòm Đến chân vòm, cắt 1/2 1/3 lượng cốt thép này, phần lại kéo thẳng xuống chân tường - Cốt thép lớp bố trí theo lượng cốt thép tính toán tiết diện có mômen âm lớn (ở vị trí chân vòm lân cận xung quanh) cắt bớt 1/2 1/3 lượng cốt thép vị trí 1/3 chiều dài vòm 1/2 chiều cao tường tính từ chân vòm theo mép - Lượng cốt thép tiết diện sau cắt giảm cần phải thoả mãn hàm lượng cốt thép nhá nhÊt cho phÐp ë mÐp vµ mÐp ngoµi vòm ct Đồng thời, phải thoả mãn hàm lượng cốt thép tính toán tiết diện Hàm lượng cốt thép nhỏ thiết kế kết cấu hầm lấy sau: + bêtông M200 400 : ct = 0,15% (riêng vùng chịu nén ct = 0,07%) + bêtông M500  600 : ct = 0,20% Ngoµi ra, còng phải đảm bảo qui định sau: - Cốt thép chịu lực có đường kính không nhỏ 12mm không lớn 32mm, thông thường sử dụng loại có d = 12 25 mm - Khoảng cách cốt thép chịu lực không lớn 250mm, khoảng cách nhỏ cốt thép không nhỏ lần đường kính cốt thép - Để bố trí cốt đai thuận tiện, nên bố trí số lượng cốt thép mép mép vòm nhau, hay số lần chẵn - Cốt thép phân bố dọc hầm thường chọn loại có d = 10 mm, đặt cách 20 30 mm, bố trí mép mép nằm cốt thép chịu lực buộc chặt với - Cốt thép đai thường chọn loại có d = mm, đặt cách 40 60 mm vị trí giao cốt thép chịu lực cốt thép phân bố Nên bố trÝ theo h×nh hoa mai Khi nèi cèt thÐp, cần ý thoả mãn qui định sau: - Đoạn hai cốt thép chồng lên với mối nối buéc lµ 50d, mèi nèi hµn lµ >5d - Bè trí đầu nối so le nhau, phần cốt thép chồng lên phải có chung tiết diện + với thép tròn trơn : không 25% + với thép có gờ: không 50% - Mối nối hàn phải không vượt 50% diện tích cốt thép tiết diện Chiều dày lớp bêtông bảo vƯ ë líp lÊy b»ng 30mm vµ ë líp không nhỏ 40mm 5.4.2 Tính duyệt kết cấu hầm vị trí đầu hầm, chiều dày kết cấu thường lớn đạt tới điều kiện f/l 1/3 , kết cấu làm việc trạng thái ứng suất khối phải xét tới khả chống cắt kết cấu Kết cấu tính toán theo điều kiện chịu nén lệch tâm với độ lệch tâm xác định theo công thức sau: M e0 N Và kiểm tra độ lệch tâm theo ®iỊu kiƯn: M e0   0,167d N NÕu điều kiện không thoả mãn cần phải thay đổi tiết diện vỏ hầm giữ nguyên giá trị d0 chọn để tránh khoảng lệch tăng lên Thông số cần quan tâm f đến thông số khác Thực tế thiết kế công trình hầm cho thấy hình dáng vỏ hầm tỷ lệ hợp lý phận đóng vai trò định tới làm việc tin cậy kết cấu công trình Câu hỏi ôn tập: Trình bày sơ đồ tính toán trình tự xác định nội lực công trình hầm giao thông có dạng vòm tựa đất đá Trình bày sơ đồ tính toán trình tự xác định nội lực công trình hầm giao thông có dạng vòm tựa tường thẳng đứng Nguyên tắc bố trí cốt thép két cấu hầm giao thông Trình bày nội dung tính duyệt kết cấu hầm giao th«ng