Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2Cau thep F2
Nguyễn Văn Vĩnh Bộ môn Cầu Hầm Trường ĐH GTVT Hà Nội tháng 08 - 2007 Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Chương Cấu tạo cầu dàn thép Đ4.1 Khái niệm chung 4.1.1 Khái niệm cầu dàn thép - Cầu dàn dạng kết cấu nhịp cầu thép bao gồm phận sau: + Hệ dàn chủ + Hệ dầm mặt cầu: dầm dọc, dầm ngang bê tông mặt cầu + Hệ liên kết: Hệ liên kết dọc, liên kết ngang cầu 4.1.2 Lịch sử xu hướng phát triển cầu dàn thép 4.1.2.1 Lịch sử phát triển cầu dàn thép giới Chiếc cầu dàn thép xây dựng Mỹ vào năm 1840 cầu dàn thép hoàn toàn xây dựng cầu qua kênh Erie New York năm 1840 có chiều dài nhịp 24,5m Những cầu dàn xây dựng thời kì thường có cấu tạo phức tạp với nhiều xiên gần với cầu gỗ thời Sơ đồ chủ yếu thời kỳ cầu giản đơn dàn hẫng Điển hình cầu: cầu qua vịnh Forth Scotland (1890) nhịp dài 521m; cầu Quebec Canada (1917) nhịp dài 549m Hình 4.1: Cầu dàn hẫng qua vịnh Forth (Scotland - 1890) - Một số cầu dàn thép lớn giới Tên cầu STT Lnhịp (m) Thành phố Đất Hoàn nước thành Pont de Quebec 549 Quebec Canada 1917 Firth of Forth 521 Edinburgh Scotland 1890 Minato 510 Osaka Japan 1974 Commandore Barry 501 Chester, PA USA 1974 Greater New Orleans-1 480 New Orleans, LA USA 1958 Greater New Orleans-2 480 New orleans LA USA 1988 Howrah 457 Calcutta India 1943 Veterans Memorial 445 Gramercy, LA USA 1995 Transbay 427 San Francisco, CA USA 1936 10 Ikitsuki 400 Nagasaki Japan 1991 11 Astoria 376 Oregon USA 1966 12 Mississippi 376 Baton Rouge, LA USA 1968 - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - 4.1.2.2 Lịch sử phát triển cầu dàn thép n ước Cây cầu dàn thép tiếng xây dựng thời cầu Long Biên, cầu dàn có biên đa giác với chiều dài toàn cầu gần 3000m phần dàn thép dài 1860m, theo sơ đồ dàn hẫng, nhịp lớn dài 130m nhịp đeo dài 52,5m đến cầu sử dụng Hình 4.2: Cầu Long Biên (Hà Nội - 1902) Cầu Hàm Rồng xây dựng lại theo sơ đồ dàn giản đơn nhịp (80 + 80)m Hình 4.3: Cầu Hàm Rồng (Thanh Hoá) Cầu Thăng Long bắc qua sông Hồng dạng cầu dàn thép liên tục gồm liên, liên nhịp có chiều dài 112m, mặt cầu thép trực hướng (Orthotropic), chiều dài toàn cầu L cau = 1680m Cầu thiết kế cho xe ôtô chạy trên, hai đường sắt xe thô sơ chạy Từ năm 1972 1977 chuyên gia Trung Quốc thực từ năm 1978 1985 cầu hoàn thành với giúp đỡ chuyên gia Liên xô Hình 4.4: Cầu Thăng Long (Hà Nội) Cầu Chương Dương xây dựng năm 1985 với 11 nhịp có chiều dài nhịp 97,6m, chiều dài toàn cầu L cau = 1211m - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Cầu Việt Trì (Phú Thọ), cầu Đò Quan (Nam Định) xây dựng năm 1994 dạng cầu thép bê tông liên hợp liên tục ba nhịp: 42 + 63 + 42m Hình 4.5: Cầu Việt Trì (Phú Thọ) Cầu Tràng Tiền (Huế) xây dựng theo dạng KCN cầu dàn biên cong với kiểu dáng mềm mại đem lại vẻ đẹp riêng cho khung cảnh Sông Hương Núi Ngự xứ Huế Hình 4.6: Cầu Tràng Tiền (Huế) 4.1.3 Xu hướng phát triển cầu dàn thép đại Về mặt vật liệu có hai xu hướng là: tăng cường độ thép, sử dụng vật liệu cường độ cao vào vị trí chịu lực bất lợi để giảm khối l ượng thép; sử dụng kết hợp nhiều loại vật liệu để sử dụng hiệu tính loại vật liệu Các loại vật liệu liên kết ngày có chất lượng cao dễ thi công dễ kiểm tra chất lượng Các kết sử dụng thép chất lượng cao (HPS) vào số dàn; ứng dụng kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bêtông; sử dụng bulông thông minh liên kết Cấu tạo chi tiết kết cấu cầu dàn thép ngày đ ược đơn giản hoá, dễ dàng cho công tác chế tạo, thi công trình bảo dưỡng, sửa chữa sau Điển hình cấu tạo kết cấu dàn Nhật Về sơ đồ kết cấu: cầu dàn thép có xu hướng kết hợp với số sơ đồ khác kết cấu dàn-vòm, khung-dàn 4.1.4 ưu nhược điểm phạm vi áp dụng 4.1.4.1 ưu điểm Có khả vượt nhịp độ lớn tiết kiệm vật liệu so với cầu dầm Khả vượt nhịp hợp lý cầu dàn L > 80m Khả chịu lực ngang cầu dàn tốt so với cầu dầm diện tích chắn gió thực tế nhỏ hơn, khoảng cách tim hai dầm chủ lớn Cầu dàn có hình dạng đẹp, đảm bảo yêu cầu mỹ quan - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Có thể thi công lắp ráp cầu dàn thép vị trí cầu lắp hoàn thiện kết cấu nhịp đưa tới vị trí công trình cầu rút ngắn thời gian thi công Dễ dàng cho công tác sửa chữa, tăng cường Với phận hỏng, yếu thay thế, tăng cường cục bộ phận 4.1.4.2 Nhược điểm Cầu dàn thép có cấu tạo phức tạp khó khăn cho công tác chế tạo thi công Kết cấu nhịp cầu dàn nói riêng kết cấu nhịp cầu thép nói chung chịu ¶nh h ëng trùc tiÕp cđa ®iỊu kiƯn khÝ hËu, thời tiết nên dễ bị gỉ chi phí tu bảo d ưỡng lớn Các chi tiết phức tạp đặc biệt vị trí tiết điểm (nút dàn) th ường bị hư hỏng gây khó khăn cho công tác tu bảo d ưỡng Giá thành ban đầu cầu dàn thép đắt so với cầu BTCT cầu dầm thép 4.1.4.3 Phạm vi áp dụng Khi chiều dài nhịp lớn dùng dầm thép chiều cao dầm lớn, sử dụng kết cấu nhịp dàn hợp lý Theo tổng kết với cầu có chiều dài nhịp nhỏ 40ữ50m thường cầu dầm hợp lý hơn, cầu có chiều dài nhịp lớn 80m cầu dàn hợp lý hơn, cầu có chiều dài nhịp từ 50 đến 80m phải so sánh kỹ kinh tế kỹ thuật để xác định dàn hay dầm để lựa chọn ph ương án hợp lý G Gdầm Gdàn Go Lo Thích hợp cho Dầm < 40 50m L Thích hợp cho Dàn > 80m Hình 4.7: Phạm vi hiệu kết cấu cầu dàn thép - áp dụng cho cầu chịu tải trọng lớn tải trọng Đường sắt - Khi cần thi công nhanh tuyến đường khai thác - Khi thi công cầu phục vụ cho quân sự, cầu tạm đảm bảo giao thông - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Đ4.2.Tổng quan dạng sơ đồ cầu dàn thép 4.2.1 Phân loại theo sơ đồ chịu lực 4.2.1.1 Cầu dàn giản đơn - Đặc điểm: + Dàn giản đơn loại dàn dùng phổ biến dễ thiết kế định hình, dễ tiêu chuẩn hoá công tác chế tạo lắp đặt + Với cầu có đường xe chạy cầu dàn giản đơn có nhịp 60á80m; với cầu có đường xe chạy thường làm nhịp nhỏ để giảm chiều cao kiến trúc cầu + Không chịu ảnh hưởng nhiệt độ gối lún - Các sơ đồ cấu tạo + Dàn chủ có đường biên song song + Dàn chủ có đường biên đa giác + Dàn chủ có đường biên cong theo đường Parabol a/ i/ b/ k/ c/ l/ d/ m/ e/ g/ n/ h/ o/ Hình 4.8: Các sơ đồ dàn chủ cầu dàn giản đơn - Dàn có đường biên song song loại đơn giản nhất, biên có kích thước, đứng xiên nh Trong cầu đường xe chạy biên biên Do loại có kích thước nên dễ tiêu chuẩn hoá nút dàn Khi thi công cho cần trục chạy theo đường biên để tiến hành lắp ráp kết cấu nhịp Dàn có đ ường biên song song dàn dùng phổ biến - Dàn có đường biên đa giác có ưu điểm nội lực biên điều hoà hơn, chiều dài nội lực số đứng, xiên nhỏ đi, dàn có đường biên đa giác tiết kiệm thép dàn có đ ường biên song song Tuy nhiên dàn biên đa giác có nhược điểm cấu tạo phức tạp, thi công khó chẳng hạn với cầu - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - chạy có đường biên đa giác lao dọc lăn, loại dàn dùng dàn có đường biên song song - Dàn có đường biên parabôn tiết kiệm thép nh ưng cấu tạo, gia công thi công phức tạp nên dùng 4.2.1.2 Cầu dàn hẫng dàn liên tục - Đặc điểm KCN cầu dàn liên tục: + Cầu dàn liên tục thường làm hai đến ba nhịp, nhiều ba nhịp cấu tạo khe biến dạng phức tạp + Dàn liên tục hai nhịp thường làm chiều dài nhau, dàn ba nhịp nhịp nên làm dài hơn, tỷ số chiều dài nhịp biên với nhịp hợp lý từ 0,7 0,8 + So với dàn giản đơn, dàn liên tục có ưu điểm tiết kiệm thép (khoảng từ 5% đến 10%) độ cứng theo phương đứng phương ngang lớn Tuy dàn liên tục thường có cấu tạo phức tạp, phát sinh ứng suất phụ gối lún nhiệt độ thay đổi + Dàn mút thừa có ưu điểm tương tự dàn liên tục, hệ dàn tĩnh định nhiều nhịp có tượng gối lún không sinh øng st phơ Tuy vËy dµn mót thõa cã nhược điểm đường đàn hồi bị gẫy khúc khớp làm tăng tác dụng xung kích hoạt tải Nên lấy chiều dài đoạn mút thừa vào khoảng 15% đến 40% chiều dài nhịp - Các sơ đồ cấu tạo: a/ b/ c/ d/ Hình 4.9: Các sơ đồ cầu dàn liên tục - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Dàn liên tục có đường biên song song cấu tạo đơn giản, lắp ráp dễ dàng, dễ tiêu chuẩn hoá nút, lý nên không thật tiết kiệm thép dàn liên tục hai, ba nhịp có đường biên song song hay sử dụng Hình dạng dàn liên tục có liên quan đến hình bao mômen nh ưng không nên phức tạp Đối với dàn lớn trị số mômen âm gối lớn nhiều so với mômen dương nhịp tăng chiều cao dàn vị trí gối nh ưng tránh cấu tạo dàn có góc gãy nhọn vị trí gối nh cấu tạo phức tạp không kinh tế 4.2.2 Phân loại theo cấu tạo khoang dàn - Cầu dàn có đứng, treo Hình 4.10: Cầu dàn có đứng, treo Việc cấu tạo có đứng treo làm giảm chiều dài khoang dàn, đồng thời giảm chiều dài tính toán dầm dọc, số l ượng dầm ngang tăng lên chiều cao dầm ngang giảm, từ làm giảm đ ược chiều cao trọng lượng hệ dầm mặt cầu Tuy nhiên việc cấu tạo có đứng treo làm cho nút dàn có cấu tạo phức tạp nút dàn có tập trung biên, xiên đứng Cầu dàn có đứng, treo đ ược sử dụng phổ biến đặc biệt thích hợp cầu có đường xe chạy cầu Thăng Long Về mặt cấu tạo đứng treo giống nhau, nhiên mặt chịu lực có khác biệt thể chỗ treo chịu kéo có tải trọng chạy d ưới, đứng chịu nén có tải trọng chạy Trong số cầu dàn tải trọng chạy đứng hoàn toàn không chịu lực, nhiên bỏ góp phần tạo nên kết cấu không biến dạng hình học - Cầu dàn đứng, treo (Dàn tam giác) Hình 4.11: Cầu dàn đứng, treo - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Về mặt cấu tạo dàn tam giác có cấu tạo đơn giản bớt đ ược đứng liên kết vào nút Tuy nhiên chiều dài khoang tăng nên chiều dài chiều cao dầm dọc dầm ngang tăng từ làm tăng trọng l ượng kết cấu mặt cầu Cầu dàn tam giác thường nên áp dụng cho cầu chạy Nếu áp dụng cho cầu dàn chạy biên hệ liên kết ngang bên phải đ ược cấu tạo có kích thước lớn để đảm bảo đủ chịu lực - Cấu dàn tổ hợp Ltt Hình 4.12: Cầu dàn tổ hợp Cầu dàn tổ hợp thực chất kết hợp nhiều dàn tam giác để giảm chiều dài khoang dàn giảm độ tính toán hệ dầm mặt cầu - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Đ4.3.Cấu tạo dàn chủ 4.3.1 Cấu tạo chung KCN cầu dàn - Cấu tạo chung phận cầu dàn thép gồm: hệ dàn chủ, hệ dầm mặt cầu, hệ liên kết, mặt cầu Hình 4.13: Cấu tạo chung KCN cầu dàn + Hệ dàn chủ gồm biên (mạ thượng), biên (mạ hạ), xiên, đứng treo (nếu có) + Hệ dầm mặt cầu gồm có dầm dọc dầm ngang Các dầm ngang thường đặt vị trí nút dàn phần xe chạy + Hệ liên kết gồm có hệ liên kết dọc liên kết ngang Hệ liªn kÕt däc gåm cã liªn kÕt däc trªn n»m phần biên dàn liên kết dọc d ưới nằm 2% 2% phần biên dàn + Mặt cầu phần trực tiếp tiếp nhận tải trọng hoạt tải truyền xuống kết cấu nhịp Hình 4.14: Mặt cắt ngang cầu dàn 4.3.2 Chiều cao dµn chđ (H) - ChiỊu cao dµn chđ (H) khoảng cách đ ường tim biên biên Có thể hình dung chiều cao dàn chủ có vai trò giống chiều cao dầm chủ KCN cầu dầm - Chiều cao dàn chủ phụ thuộc vào yếu tố sau: + Quy mô thiết kế cầu quy mô tải trọng thiết kế + Đảm bảo cho KCN cầu có đủ khả chịu lực: theo điều kiện c ường ®é vµ ®iỊu kiƯn vỊ ®é cøng, còng nh dao động + Đảm bảo khổ thông xe hạn chế chiều cao kiến trúc cầu + Đảm bảo tính mỹ quan cho công trình cầu + Phù hợp với điều kiện thi công lắp ghép kết cấu nhịp - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - + a1, a2, a3 : Diện tích mặt cắt chịu lực nút theo đ ường 1-2 ; 2-3 3-4 - Kiểm toán khả chịu cắt mặt cắt 1-2-3-4: [ N ttmax £ (a1 + a3 ).0,75 f y + a2 f y ] - KiĨm to¸n khả chịu lực mặt cắt - - - 4: N ttmax £ [l5-2 + l3-6 - d ].n.t.0,75 f y + a2 f y - Kiểm toán mặt cắt III III: Mặt cắt qua hàng đinh biên Đối với mặt cắt III III nút gối bất lợi ta kiểm tra nút gối Gọi Z tổng (III) (III) e hình chiếu lực phía mặt cắt lên trục song song với mặt cắt III III Gọi V phản lực gối e khoảng cách từ trọng tâm đến mặt cắt III III x khoảng cách từ giao điểm xiên gối với mặt cắt III III Z x V Hình 5.26: Sơ đồ tính nút dàn gối => Vậy Z V gây mômen mặt cắt III - III M = V x Z.e Kiểm toán điều kiện bền mặt c¾t: V M + £ 0.9 f y Ath Wth - Kiểm toán mặt cắt IV - IV: + Nội lực tác dụng lên mặt cắt IV-IV lấy theo bên trái bên phải mặt cắt + Gọi e khoảng cách từ trọng tâm mặt cắt IV-IV đến trục biên + Nội lực tác dụng lên mặt cắt là: Lực dọc: (N1.cosa1 + N4) Mômen: (N1.cosa1 + N4) e + Kiểm toán điều kiện bền mặt cắt IV - IV N1 cos a1 + N ( N1 cosa1 + N )e + £ 0,9 f y Ath Wth - Nguyễn Văn Vĩnh - 86 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - 5.6.2 Tính nối ghép 5.6.2.1 Nguyên tắc tính nối ghép - Trong cấu tạo nên hạn chế đến mức tối đa việc phải bố trí nối ghép dàn - Nối ghép dàn phải đảm bảo c ường độ chịu lực Cường độ nối ghép định yếu tè : + Cêng ®é tiÕt diƯn thu hĐp cđa nối ghép + Số đinh tán dùng để nối ghép + Cường độ cấu kiện cần nối ghép tính theo tiết diện thu hẹp - Các hình thức nối ghép dàn: Nối ghép dàn thực đinh tán bulông cường độ cao theo hình thức: + Nối đối đầu + Nối so le + Kết hợp hai biện pháp nối 5.6.2.2 Tính mối nối đối đầu theo PP biến dạng hình học - Giả thiết tính toán: + Biến dạng hình học phận tiết diện + Biến hình dọc dẫn đến ứng suất phận - Sơ đồ tính: - Khả chịu lực tập thép cần nối là: f y Fi - Khả chịu lực tập táp là: a f y Ai Với a = ồF ồA i i - Số đinh cần thiết cho 1cm cần nối m đinh: m = fy [R ] b r - Sè ®inh cần thiết cho 1cm tháp là: a.m (đinh) - Số đinh cần thiết bên mối nối là: + Trên mặt a1 - a1: + Trên mặt a2 - a2: n1 = am(A1 + A2) a m A1 n1 = m2 + Trên mặt a3 - a3: n1 = amA3 Với m2 hệ số điều kiện lµm viƯc, m = 0,9 5.6.2.3 TÝnh mèi nèi sole theo PP biến dạng hình học - Đặc điểm mối nối so le vị trí bị gián đoạn khác không bị gián đoạn có tác dụng giống táp nối Vì mối nối so le tiết kiệm thép mối nối đối đầu - Nguyễn Văn Vĩnh - 87 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - - Sơ đồ tính: A1 F1 a1 No A2 a2 a2 a1 a3 F2 No a3 A3 Hình 5.27: Tính nối dàn theo PP biến dạng hình học - Hệ số ghép nối 1: a1 = - HÖ sè ghÐp nèi 2: a2 = - HÖ sè ghÐp nèi 3: a1 = åF i Ft1 + F2 + F3 + Ft åF i Ft1 + F1 + F3 + Ft åF i Ft1 + F1 + F2 + Ft => NÕu F1 = F2 = F3 th× hÖ sè a1 = a2 = a3 - TÝnh sè đinh cần thiết mặt cắt: + Trên mặt a1 - a1: n1 = am.Ft1 + Trên mặt a2 - a2: n2 = am.(Ft1 + F1) + Trªn mỈt a3 - a3: n3 = am.(Ft2 + F3) + Trên mặt a4 - a4 : n4 = am.Ft2 5.6.2.4 Tính mối nối đối đầu theo nguyên tắc đòn bẩy - Giả thiết tính toán: + Giả thiết nội lực nối phân chó táp theo nguyên tắc đòn bẩy Nội lực nối coi bị gián đoạn + Bản nối ghép xem điểm tựa đòn bẩy + Khi tính toán có xét đến hệ số điều kiện làm việc m = 0,9 - Sơ đồ tÝnh: F1 Ft1 c3 c2 c1 No F2 No Ft2 Hình 5.28: Sơ đồ tính nối dàn theo PP đòn bẩy - Tính lực tác dụng lên táp sè 1: Ft1(c1 + c2 + c3) = F1(c2 + c3) + F2.c3 => Ft1 = F1 (c2 + c3 ) + F2 c3 c1 + c2 + c3 => Số đinh nối táp F t1 với nối: n1 = - Nguyễn Văn Vĩnh - F (c + c ) + F2 c3 m Ft1 = 1,11.m m1 c1 + c2 + c3 88 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - - T¬ng tù ta cã: Ft = F1.c1 + F2 (c1 + c2 ) F c + F2 (c1 + c2 ) vµ n1 = m.Ft = 1,11.m 1 c1 + c2 + c3 c1 + c2 + c3 m2 5.6.2.5 TÝnh mèi nèi theo ph ương pháp kết cấu thép - Sơ đồ tính: n n No No L1 Hình 5.29: Sơ đồ tính mối nối dàn - Lực tác dụng: Mối nối cánh chịu tác dụng lực dọc: N o No = fy.Athbc Trong đó: + fy: Giới hạn ch¶y cđa thÐp + Athbc: TiÕt diƯn thu hĐp cđa cánh - Xác định số bulông cần bố trí: Nb = - Nguyễn Văn Vĩnh - [ ] No N £ Rrb => n ³ bo => Chän sè bulông bố trí n Rr [ ] 89 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - Đ5.7.Tính toán hệ liên kết 5.7.1 áp lực gió tác dụng lên hệ liên kết dọc 5.7.1.1 áp lực gió tác dụng lên cầu a Tải trọng gió ngang cầu (WS) - Tải trọng gió ngang PD phải lấy theo chiều tác dụng nằm ngang đặt trọng tâm phần diện tích thích hợp, tÝnh nh sau: PD = 0,0006 V2 At Cd ³ 1,8 At (kN) Trong ®ã: + V: tèc ®é giã thiết kế xác định theo phương trình (m/s) + At: DiƯn tÝch cđa kÕt cÊu hay cÊu kiƯn ph¶i tÝnh t¶i träng giã ngang (m2) + Cd: HƯ sè c¶n quy định Hình 2.15 - Diện tích kết cấu hay cấu kiện xét phải diện tích đặc chiếu lên mặt trước vuông góc, trạng thái hoạt tải tác dụng, với điều kiện sau đây: + Đối với kết cấu phần (KCPT) có lan can đặc, diện tích KCPT phải bao gồm diện tích lan can đặc hứng gió, không cần xét ảnh hưởng lan can không hứng gió + Đối với KCPT có lan can hở, tải trọng toàn phải lấy tổng tải trọng tác dụng lên KCPT , phải xét lan can hứng gió không hứng gió riêng rẽ loại Nếu có lan can xét ảnh hưởng lan can có ảnh hưởng lớn phương diện không che chắn + Đối với trụ, không xét mặt che chắn - Hệ số cản Cd phải tính theo phương pháp sau: + Đối với KCPT có mặt trước đặc, kết cấu quy đổi có mép cạnh dốc đứng góc vuốt đáy đáng kể khí động phải lấy Cd theo Hình 2.13, đó: b = Chiều rộng toàn cầu bề mặt lan can (mm) d = Chiều cao KCPT bao gồm cá lan can đặc có (mm) + Đối với KCPT giàn, lan can kết cấu phần phải lấy lực gió cấu kiện với giá trị Cd theo Tiêu chuẩn TCVN 2737 - 1995 Bảng theo tài liệu khác Chủ đầu tư duyệt + Đối với KCPT khác, phải xác định Cd hầm thí nghiệm gió - Nguyễn Văn Vĩnh - 90 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - Hệ số cản C d hệ số tối thiểu mặt cầu đặt dầm I, với dầm, dầm hộp Tỷ số b/d Hình 5.30: Hệ số cản Cd dùng cho kết cấu phần có mặt hứng gió đặc Ghi chú: Dùng cho hình 3.8.1.2.1 -1: - Các giá trị cho hình dựa giả thiết mặt hứng gió thẳng đứng gió tác dụng nằm ngang - Nếu mặt hứng gió xiên so với mặt thẳng đứng, hệ số cản Cd giảm 0.5% độ xiên so với mặt đường tối đa giảm 30% - Nếu mặt hứng gió có phần đứng lẫn phần dốc phần dốc nghiêng với góc khác nhau, tải trọng gió phải lấy sau: a Hệ số cản Cd tính với chiều cao toàn kết cấu b Đối với mặt đứng hệ số cản tính giảm theo ghi chó c TÝnh t¶i träng giã tỉng céng cách dùng hệ số cản thích hợp cho diện tương ứng - Nếu kết cấu phần nâng cao, phải lấy Cd tăng lên 3% cho độ nghiêng so với đường nằm ngang, không 25% - Nêu kết cấu phần chịu gió xiên không 50 so với hướng nằm ngang, phải tăng Cd lên 15% Nếu góc xiên vượt 50 ph¶i chia hƯ sè c¶n cho mét hƯ sè theo thí nghiệm - Nếu kết cấu phần nâng cao đồng thời chịu gió xiên, phải lấy hệ số cản theo kết khảo sát đặc biệt b Tải trọng gió dọc cầu - Đối với mố, trụ, kết cấu phần dàn hay dạng kết cấu khác có bề mặt cản gió lớn song song với tim dọc kết cấu phải xét tải trọng gió dọc Công thức tính toán giống t¶i träng giã ngang: PD = 0,0006 V2 At Cd ³ 1,8 At (kN) Trong ®ã: + V: tèc ®é giã thiÕt kÕ (m/s) + At: DiƯn tÝch cđa kÕt cÊu hay cÊu kiƯn ph¶i tÝnh t¶i träng giã ngang (m2) - Nguyễn Văn Vĩnh - 91 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - + Cd: Hệ số cản quy định hình vẽ c Tải trọng gió theo ph ương thẳng đứng - Phải lấy tải trọng gió thẳng đứng Pv tác dụng vào trọng tâm diện tích thích hợp theo công thøc: Pv = 0.00045 V2Av (kN) Trong ®ã: + V: Tèc ®é giã thiÕt kÕ (m/s) + Av: DiƯn tÝch phẳng mặt cầu hay câu kiện dùng để tính tải trọng gió thẳng đứng (m2) - Chỉ tính tải trọng gió thẳng đứng cho TTGH không liên quan đến gió lên hoạt tải tính lấy hướng gió vuông góc với trục dọc cầu Phải đặt lực gió thẳng đứng với lực gió nằm ngang quy định d Tải trọng gió tác dụng lên xe cộ - Điểm đặt: cách mặt đường 1,8 m - Giá trị: coi lực phân bố tác dụng theo phương ngang + Ngang với tim dọc kết cầu: WL = 1.5 KN/m + Song song víi tim däc kết cầu: WL = 0.75 KN/m - Phải đặt lực gió ngang dọc lên xe cộ cho trường hợp đặt tải riêng rẽ, thích hợp, phải kiểm toán kết cấu hợp lực gió có xét ảnh hëng cđa c¸c gãc híng giã trung gian 5.7.1.2 ¸p lực gió tác dụng lên hệ liên kết dọc cầu - Lực gió tác dụng lên hệ liên kết dọc cầu chủ yếu ta xét đến áp lực gió ngang cầu: + Cầu chạy trên: Hệ liên kết däc trªn: WSt = 0,8.nl.C HƯ liªn kÕt däc dưới: WSd = 0,4.nl.C + Cầu chạy dưới: Hệ liªn kÕt däc trªn: WSt = 0,4.nl.C HƯ liªn kÕt däc díi: WSCd = 0,8.nl.C Trong ®ã: + nl: Hệ số vượt tải lực lắc ngang lực ly tâm + WSt, WSd: Lực gió truyền lên HLK dọc HLK dọc 5.7.2 lực lắc ngang lực ly tâm tác dụng lên HLK dọc 5.7.2.1 Lực lắc ngang - Trên Cầu đường sắt: (lấy theo tiêu chuẩn 22TCN.18-79) + Điểm đặt : đỉnh ray + Tác dụng theo phương ngang ngang cầu + Trị số: xem tải trọng rải đều: S = 0,25.Z (kN/m) (với Z cấp tải đoàn tàu) - Nguyễn Văn Vĩnh - 92 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - - Trên Cầu Đường ôtô (Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05) quy định lực lắc ngang 5.7.2.2 Lực ly tâm - Điểm đặt: Cách mặt đường 1,8 m - Tác dụng theo phương ngang ngang cầu - Giá trị: Là lực tËp trung v2 => Flt= Ptruc.C C= g R Trong ®ã : + v: Tèc ®é thiÕt kế đường ôtô (m/s) + g: Gia tốc trọng trường (m/s2), g = 9,807 (m/s 2) + R: B¸n kÝnh cong cầu (m) + Ptruc:: Trọng lượng trục xe (T) 5.7.2.3 Lực lắc ngang lực ly tâm tác dụng lên HLK dọc - Lực lắc ngang: + Cầu chạy trên: Hệ liên kết dọc trên: St = 0,8.nl.S HƯ liªn kÕt däc díi: Sd = 0,4.nl.S + Cầu chạy dưới: Hệ liên kết dọc trên: St = 0,4.nl.S HƯ liªn kÕt däc díi: Sd = 0,8.nl.S - Lực ly tâm: + Cầu chạy trên: HƯ liªn kÕt däc trªn: Ct = 0,8.nl.C Hệ liên kết dọc dưới: Cd = 0,4.nl.C + Cầu chạy dưới: Hệ liên kết dọc trên: Ct = 0,4.nl.C HƯ liªn kÕt däc díi: Cd = 0,8.nl.C Trong đó: + nl: Hệ số vượt tải lực lắc ngang lực ly tâm + St, Sd: Lực lắc ngang truyền lên HLK dọc HLK dọc d ưới + Ct, Cd: Lực ly tâm truyền lên HLK dọc HLK dọc d ưới 5.7.3 Tính toán hệ liên kết dọc cầu 5.7.3.1 Vai trò hệ liên kết dọc cầu - Liên kết mặt phẳng dàn chủ thành khối chịu lực thống - Tăng độ cứng theo phương ngang cầu cho kết cấu nhịp - Chịu tác dụng lực theo phương ngang cầu như: áp lực gió, lực lắc ngang lực ly tâm - Nguyễn Văn Vĩnh - 93 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - 5.7.3.2 Tính toán nội lực - Tải trọng tác dụng lên hệ liên kết dọc bao gồm: áp lực gió ngang, lực lắc ngang lực ly tâm - Theo cấu tạo hệ liên kết dọc coi dàn phẳng với vị trí gối cầu vị trí khung cổng cầu Kết cấu chịu tải trọng phân bố toàn nhịp - Sơ đồ tính: q Hình 5.32: Sơ đồ tính hệ liên kết dọc cầu - Vẽ ĐAH nội lực dàn Hình 5.33: ĐAH nội lực biên d ưới nhịp Hình 5.34: ĐAH nội lực đứng đầu dàn - Xếp tĩnh tải lên toàn chiều dài đ ường ảnh hưởng tính toán nội lực theo c«ng thøc: N tt = å g i qitc v N Trong đó: + qitc: Tải trọng dải tiêu chuẩn: lực gió ngang, lực lắc ngang, lực ly tâm + g i : Hệ số vượt tải tải trọng dải thứ i + v N : Tổng diện tích ĐAH nội lực 5.7.3.3 Kiểm toán - Các hệ liên kết dọc dàn chịu kéo nén kéo (nén) uốn đồng thời Do hệ liên kết dọc đ ược kiểm toán theo công thức kiểm toán dàn mặt phẳng dàn chủ - Nguyễn Văn Vĩnh - 94 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - 5.7.4 Tính khung cổng cầu 5.7.4.1 Vai trò khung cổng cầu - Khung cổng cầu hệ liên kết ngang đầu dàn Khung cổng cầu có nhiệm vụ tiếp nhận lực ngang hệ liên kết dọc truyền lên truyền xuống gối cầu - Đối với dàn chủ có biên song song khung cổng cầu chịu lực ngang H hƯ liªn kÕt däc trun lªn R z2 z3 Hình 5.35: Tải trọng tác dụng lên khung cổng cầu - Đối với dàn chủ có biên đa giác lực ngang H hệ liên kết dọc truyền lên khung cổng cầu chịu lực R SWi Z i 2B sin a R= Trong ®ã: + a: Là góc nghiêng đầu dàn + zi : Là khoảng cách từ điểm đặt lực wi đến mặt phẳng nằm ngang qua điểm đặt lực wi - Thông thường tính toán khung cổng cầu ta giả thiết chân khung đ ược ngàm đầu đầu liên kết ngang hệ dàn 5.7.4.2 Tính khung cổng cầu ngang dầm đặc - Sơ đồ tính: R H H/2 h H(h-e)/2 N N H/2 H/2 N H/2 N e He/2 He/2 Hình 5.36: Sơ đồ tính khung cổng cầu dạng dầm - V trí điểm có mômen un bng không xác nh theo công thc: e= J h + 3r h víi r = n + 6r JcB Trong đó: - Nguyễn Văn Vĩnh - 95 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - + h: Chiều cao cổng cầu (Chiều dài chân khung cổng cầu) + Jn,Jc: Mômen quán tính tiết diện ngang chân khung cổng cầu + B: Khoảng cách tim hai dàn chủ H ( h - e) B => Tõ e vµ N ta xác định nội lực mặt cắt khung cổng cầu N = R+ - Tính N: 5.7.4.3 Tính khung cổng cầu hệ liên kết ngang dạng dàn - Sơ đồ tính: R H R C H C D F E D y H(c-e)/2 h H/2 c H/2 H/2 H/2 e A B A B Hình 5.37: Sơ đồ tính khung cổng cầu dạng dàn - Giả thiết tính toán : Để tính khung cổng cầu tr ường hợp ta giả thiết tác dụng lực H khung có chuyển vị ngang giữ nguyên độ dài, CD giữ nguyên mức cũ Điểm C,E D,f đôi nằm đ ường thẳng đứng - Tách chân khung coi chân công xon ngàm phía d ưới, phía chịu lực X Y truyền từ dàn tời điểm C E - Do giả thiết chuyển vị ngang C E nªn ta cã: Xh Y (3h - c )c X (3h - c )c Yc = 6 Sau biến đổi phương trình ta có: 3c X = Y 2h + 2hc - c - Vị trí điểm có mômen không đ ược xác định theo điều kiÖn: X(h-e) – Y(c-e) = hay: X c-e = Y h-e Từ (1) (2) rút biểu thức xác định e: e= c(2h + c ) 2(h + 2c ) - Vẽ biểu đồ mômen hệ khung cổng cầu: - Nguyễn Văn Vĩnh - 96 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - 5.7.5 Tính toán dàn hãm 5.7.5.1 Lực hãm dọc cầu lực khởi động hoạt tải - Trên Cầu đường sắt: + Điểm đặt: cao độ đỉnh ray + Tính chất: Tác dụng theo phương ngang dọc cầu + Giá trị: lực phân bố đều: BR = 0,1qtd (KN/m) (với qtd tải trọng tương đương đoàn tàu) - Trên Cầu đường ôtô: + Điểm đặt: cách mặt đường xe chạy 1,8m + Tính chất: Tác dụng theo phương ngang dọc cầu + Giá trị: lực tËp trung BR = 25%SPtrơc (KN) Trong ®ã : + SPtrục: Tổng trọng lượng trục xe xếp tất lafnxe chiều 5.7.5.2 Tính toán dàn hãm - Sơ đồ tính: x T1 T2 T3 T4 H T5 V V Hình 5.38: Sơ đồ tính dàn hãm - Tổng lực hãm gối cố định: T= ồTi hSTi - Phản lực gối: V = l - Trong cầu đường sắt dầm dọc gián đoạn có dàn hãm riêng, dàn truyền lực hãm từ đoạn dầm dọc nút dàn Nừu dàn hãm đủ độ cứng để chịu lực kéo lực nén nội lực chéo ngang tÝnh nh sau: Dh = T T vµ Rh = tgb cos b Trong đó: + b: góc xiên dọc + Dh: Nội lùc chÐo + Rh: Néi lùc ngang - Nguyễn Văn Vĩnh - 97 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - DhT/4 R T/4 D b Dh+ h R h D + h + h T/4 T/4 Hình 5.39: Nội lực dàn hãm - Nguyễn Văn Vĩnh - 98 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - Đ5.8 Đặc điểm tính toán thiết kế cầu dàn liên tục 5.8.1 Đặc điểm cấu tạo - Cầu dàn théo liên tục thường cấu tạo từ hai đến ba nhịp, dùng dàn liên tục đến nhịp cầu thép chuyển vị gối di động đầu dàn lớn nhiệt độ lực tác dụng theo phương dọc cầu - Sơ đồ tĩnh học M Hình 5.40: Sơ đồ KCN liên tục + Phân bố nội lực : Giá trị M - mặt cắt gối lớn M + mặt cắt nhịp dó phát huy hết khả làm việc vật liệu + Tỉ lệ phân chia nhịp kết cấu nhịp liên tục - Khi cầu có nhịp nên chän: L = L2 - Khi cÇu cã nhịp nên chọn tỉ lệ: Lb = (0,7 0,8) Lg - Khi cầu có nhịp nên chọn: L 1: L2: L3 = 1: 0,75 : 0,4 Hình 5.41: Tỉ lệ phân chia nhịp KCN liên tục - Cầu dàn liên tục có đặc điểm sau: + Nội lực dàn nhỏ so với dàn giản đơn có chiều dài nhịp tương ứng, biên lại có nội lực đổi dấu nên kiểm toán mỏi chưa tiết kiệm nhiều vật liệu + Cấu tạo kết cấu nhịp thuận tiện cho thi công theo ph ương pháp lắp hẫng + Nói chung tiết kiệm vật liệu so với dàn giản đơn, độ lớn ưu điểm thể rõ tĩnh tải thay đổi không nhiều tải trọng dải tương đương nhỏ chiều dài đặt tải lớn + Chiều cao dàn nhỏ chiều cao dàn giản đơn có độ, chiều cao nhịp biên nhịp thay đổi - Nguyễn Văn Vĩnh - 99 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 5: Tính toán cầu dàn thép - + Để tăng độ cứng không gian kết cấu nhịp, độ lớn bố trí khung cổng cầu xiên tất trục, tức có hai khung cổng cầu cho nhịp dàn + Độ võng dàn liên tục nhỏ độ võgn dàn giản đơn độ + Cấu tạo thanh, nút hoàn toàn giống nh cầu dàn giản đơn phải tính thêm nội lực gối lún không nội lực thay đổi nhiệt độ dàn liên tục kết cấu siêu tĩnh 5.8.2 Đặc điểm Tính toán - Về nội dung tính toán cầu dàn liên tục giống nh tính toán cầu dàn giản đơn Tuy nhiên kết cấu nhịp cầu dàn liên tục kết cấu ngoại siêu tĩnh nên tính toán phải xét đến nội lực dàn t ượng gối lún thay đổi nhiệt độ gây - Khi tính toán dàn thiết cần có hỗ trợ phần mềm nh Sap 2000 Midas để vẽ ĐAH nội lực dàn, tính toán vẽ ĐAH thủ công phức tạp nhiều thời gian - Nguyễn Văn Vĩnh - 100 Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT ... với 11 nhịp có chiều dài nhịp 97,6m, chiều dài toàn cầu L cau = 1211m - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - Cầu Việt Trì (Phú Thọ),... Mississippi 376 Baton Rouge, LA USA 1968 - Nguyễn Văn Vĩnh - Bộ môn Cầu Hầm - ĐH GTVT Bài giảng cầu thép F2 - Chương 4: Cấu tạo Cầu dàn thép - 4.1.2.2 Lịch sử phát triển cầu dàn thép n ước Cây cầu dàn... liên, liên nhịp có chiều dài 112m, mặt cầu thép trực hướng (Orthotropic), chiều dài toàn cầu L cau = 1680m Cầu thiết kế cho xe ôtô chạy trên, hai đường sắt xe thô sơ chạy Từ năm 1972 1977 chuyên