Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương 4: Tính toán cầu dầm thép, cầu dầm thép bê tông liên hợp cung cấp cho người học các kiến thức: Những vấn đề chung vềtính toán thiết kế, phân phối tải trọng kết cấu nhịp dầm thép, tính toán thiết kế kết cấu nhịp cầu thép. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.
5/4/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU THÉP NGUYỄN NGỌC TUYỂN Bộ môn Cầu Công trình ngầm website: http://48cdhn2.tk/ 4‐2012 CHƯƠNG IV Tính tốn cầu dầm thép, cầu dầm thép bê tông liên hợp 2 5/4/2012 4.1. Những vấn đề chung tính tốn thiết kế • Theo quy trình 272‐05, cầu thép thiết kế theo TTGH – Trạng thái giới hạn cường độ (Strength Limit State) – Trạng thái giới hạn mỏi phá hoại giòn (Fatigue and Fracture Limit State) – Trạng thái giới hạn sử dụng (Servire Limit State) – Trạng thái giới hạn đặc biệt (Extreme Event Limit State) • Một số lưu ý – Với TTGH cường độ chia ra sau: • Cường độ I: tổ hợp tải trọng với xe tiêu chuẩn khơng có gió thổi • Cường độ II: Tổ hợp tải trọng khơng có hoạt tải, cộng với gió 25m/s • Cường độ III: Tổ hợp tải trọng cộng với gió 25m/s Những vấn đề chung (t.theo) – Khi xét TTGH đặc biệt có xét đến động đất, lực va tàu thuyền, lực va xe cộ số ảnh hưởng lực nước – Khi xét TTGH sử dụng, tải trọng lấy trị số tiêu chuẩn gió ở tốc độ v=25m/s – Khi xét TTGH mỏi với cầu ô tô xét tác động 1 xe tải với cự ly trục bánh xe quy định đây: 35KN 145KN 4300mm 145KN 9000mm Sơ đồ tải trọng tính tốn mỏi 5/4/2012 Những vấn đề chung (t.theo) – Hệ số tải trọng khái quát sau: Với tĩnh tải • Tĩnh tải do trọng lượng kết cấu mặt cầu • Tĩnh tải do các lớp mặt cầu Đối với hoạt tải ơ tơ người • Khi xét trạng thái giới hạn cường độ I • Khi xét trạng thái giới hạn cường độ II. • Khi xét trạng thái giới hạn cường độ III. • Khi xét trạng thái giới hạn đặc biệt. • Khi xét trạng thái giới hạn sử dụng. • Khi xét trạng thái giới hạn mỏi. Hệ số xung kích ô tô • Khi xét trạng thái giới hạn mỏi • Khi xét trạng thái giới hạn khác 1.25 1.50 0.9 0.65 1.75 0 1.35 0.50 1.30 0.75 1.15 1.25 Những vấn đề chung (t.theo) – Khi thiết kế phải đảm bảo điều kiên: “Hiệu ứng do tải trọng phải nhỏ sức kháng kết cấu” i Q i R n Rr đó: • η = hệ số điều chỉnh tải trọng • γi = hệ số tải trọng • Qi = nội lực (hiệu ứng) do tải trọng gây • φ = hệ số sức kháng • Rn = sức kháng danh định • Rr = sức kháng tính tốn 5/4/2012 4.2. Phân phối tải trọng kết cấu nhịp dầm thép • Tổng quan – Tải trọng đặt mặt cầu truyền lên không dầm thép vị trí tải trọng mà truyền cho dầm khác. – Sự phân bố tải trọng lên dầm phụ thuộc vào nhiều yếu tố: • • • • • • • Khoảng cách từ điểm đặt tải trọng tới dầm, vị trí tải trọng chiều dài nhịp dầm, độ cứng dầm, độ cứng hệ liên kết ngang, độ cứng mặt cầu, khoảng cách dầm, tính chất vật liệu dầm mặt cầu Phân phối tải trọng… (t.theo) • Hệ số phân phối ngang – Để xác định tải trọng tác dụng lên dầm sử dụng phương pháp khác mang tính chất gần hay chính xác, đơn giản hay phức tạp phụ thuộc vấn đề mơ hình hóa kết cấu. – Trong thực tế thiết kế thường sử dụng phương pháp gần tính tốn đơn giản hóa đủ độ xác cần thiết, bảo đảm an tồn. => Ví dụ nhóm phương pháp sử dụng khái niệm “Hệ số phân phối ngang” – Khi sử dụng khái niệm “Hệ số phân phối ngang”, việc tính tốn thiết kế kết cấu không gian phức tạp cầu thu gọn lại thành toán thiết kế dầm đơn lẻ 5/4/2012 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Khái niệm “Hệ số phân phối ngang”: • Khi đặt tải trọng có độ lớn 1 đơn vị lên mặt cầu, một phần tải trọng lớn ghi nhận tải trọng đơn vị di động mặt cầu truyền lên dầm gọi hệ số phân phối tải trọng. • Do trong mặt cắt ngang cầu khơng tải trọng mà có nhiều tải trọng truyền từ bánh xe hoạt tải, nên tổng phần tải trọng lớn truyền cho dầm chia cho tổng tải trọng hoạt tải tương ứng gọi hệ số phân phối ngang – Hệ số phân phối ngang kết cấu nhịp xác định theo phương pháp sau đây: • • • • Phương pháp địn bẩy Phương pháp nén lệch tâm Phương pháp dầm liên tục gối tựa đàn hồi Phương pháp quy phạm 22TCN272‐05 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Phương pháp đòn bẩy: dùng trường hợp liên kết ngang dầm chủ yếu 1800 y1 1200 1800 y2 y3 10 5/4/2012 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Phương pháp nén lệch tâm: dùng trường hợp liên kết ngang dầm chủ chặt chẽ, khi mặt cắt ngang cầu không biến dạng mà bị xoay chuyển vị thẳng đứng tác dụng tải trọng 1800 1200 1800 y2 y1 y3 y4 11 Phân phối tải trọng… (t.theo) • Phương pháp quy phạm 22TCN272‐05 – Hệ số phân phối mơ men cho dầm ở phía (tra bảng 4.6.2.2.2a‐1) • Khi chất tải 1 làn xe (đã kể tới hệ số xe) 0.4 0.3 S S Kg mg 0.06 4300 L L t s 0.1 SI M • Khi chất tải từ 2 làn xe trở lên (đã kể tới hệ số xe) 0.6 0.2 S S Kg mg MMI 0.075 2900 L L ts 0.1 12 5/4/2012 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Hệ số phân phối mô men cho dầm ở biên (tra bảng 4.6.2.2.2c‐1) • Khi chất tải 1 làn xe – Sử dụng phương pháp đòn bẩy cho dầm biên – Kết tính ở bước phải nhân với hệ số xe tương ứng cho trường hợp 1 làn xe m = 1.2 • Khi chất tải từ 2 làn xe trở lên (đã kể tới hệ số xe) d mg MME 0.77 e mg MMI 2800 mg ME M 0.1 0.6 0.2 de S S Kg 0.77 0.075 2800 2900 L L ts 13 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Hệ số phân phối lực cắt cho dầm ở phía (tra bảng 4.6.2.2.3a‐1) • Khi chất tải 1 làn xe (đã kể tới hệ số xe) mgVSI 0.36 S 7600 • Khi chất tải từ 2 làn xe trở lên (đã kể tới hệ số xe) mgVMI 0.2 S S 3600 10700 14 5/4/2012 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Hệ số phân phối lực cắt cho dầm ở biên (tra bảng 4.6.2.2.3b‐1) • Khi chất tải 1 làn xe – Sử dụng phương pháp địn bẩy cho dầm biên – Kết tính ở bước phải nhân với hệ số xe tương ứng cho trường hợp 1 làn xe m = 1.2 • Khi chất tải từ 2 làn xe trở lên (đã kể tới hệ số xe) d mgVME 0.6 e mgVMI 3000 d S S mgVME 0.6 e 0.2 3000 3600 10700 15 Phân phối tải trọng… (t.theo) – Trong đó: • • • • S = khoảng cách dầm chủ (mm) L = chiều dài nhịp tính tốn (mm) ts = bề dày mặt cầu (mm) Kg = tham số độ cứng K g n I Aeg2 • n = Eth / Eb = tỷ số mô đun đàn hồi vật liệu dầm (thép) và vật liệu mặt cầu (bê tơng) • A = diện tích tiết diện dầm (mm2) • eg = khoảng cách trọng tâm dầm trọng tâm • d = chiều cao dầm 16 5/4/2012 4.3. Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép – Căn vào trị số hệ số phân phối ngang để xác định dầm chủ kết cấu nhịp chịu tải trọng lớn nhất, theo tính tốn nội lực dầm đó, nghĩa dựng biểu đồ bao nội lực (momen uốn lực cắt), để thiết kế tiết diện dầm. – Ý tưởng phương pháp thiết kế dựa quy định cấu tạo để giả thiết kích thước tiết diện dầm chi tiết kết cấu khác xác định sức kháng. Điều kiện sức kháng phải lớn hiệu ứng (nội lực, ứng suất, biến dạng) do tải trọng 17 Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép (t.theo) • 4.3.1. Xác định nội lực dầm liên hợp – Dầm thép không liên hợp: – Dầm thép liên hợp với BTCT: 18 5/4/2012 Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép (t.theo) – Với cầu dầm thép liên hợp với mặt cầu tính tốn tiết diện liên hợp. – Trường hợp dầm thép đơn giai đoạn làm việc có dầm thép số hạng biểu thức tính tốn chứa phần BTCT sẽ khơng đưa vào – Nguyên nhân nội lực dầm thép liên hợp là: tĩnh hoạt tải, co ngót ảnh hưởng nhiệt độ thay đổi – Nội lực do tải trọng: Xác định M, Q tại tiết diện dầm. Trong dầm giản đơn liên tục vẽ biểu đồ bao M, Q để thiết kế tiết diện tương ứng (thay đổi theo chiều dài nhịp). Thông thường xem xét tiết diện đặc trưng: giữa nhịp, L/4, gối trung gian khoảng (0.1÷0.2)L tiết diện. Nội lực có kể đến hệ số lấy theo quy phạm 19 Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép (t.theo) • 4.3.2. Đặc trưng hình học tiết diện dầm liên hợp – Xác định bề rộng tham gia vào làm việc (còn gọi bề rộng hữu hiệu bản) SS hb hc • Khi L ≥ 4B lấy b = 0.5B • Khi L Với dầm ở biên bề rộng hữu hiệu be = b + c 20 10 5/4/2012 Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép (t.theo) – Đặc trưng hình học tiết diện • Trục 1‐1 là trục trọng tâm dầm thép • Trục 2‐2 là trục trọng tâm tiết diện liên hợp thép‐BTCT Biết tỷ số mơ đun đàn hồi n = Eth / Eb => Tìm y = ??? Nếu trục 2‐2 là trục trọng tâm tiết diện liên hợp tổng mơ men tĩnh = 0 b a Ab ; Ib Ath ; Ith y Ab a y Ath y n Ab a y n A Ath b n 21 Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép (t.theo) =>Tìm mơ men qn tính tiết diện liên hợp I2 = ??? I I th Ath y 1 I b Ab a y n n b y a Ab ; Ib Ath ; Ith • Chú ý: khi tính với tải trọng lâu dài (tĩnh tải 2), sẽ kể đến tượng từ biến biểu thức đặc trưng hình học tiết diện liên hợp thay n 3n 22 11 ... Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép (t.theo) • 4. 3.1. Xác định nội lực dầm liên hợp – Dầm thép không liên hợp: – Dầm thép liên hợp với BTCT: 18 5 /4/ 2012 Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép... 16 5 /4/ 2012 4. 3. Tính tốn thiết kế kết cấu nhịp cầu thép – Căn vào trị số hệ số phân phối ngang để xác định dầm chủ kết cấu nhịp chịu tải trọng lớn nhất, theo tính tốn nội lực dầm đó, nghĩa dựng. ..5 /4/ 2012 4. 1. Những vấn đề chung tính tốn thiết kế • Theo quy trình 272‐05,? ?cầu thép thiết kế theo TTGH – Trạng thái giới hạn cường độ (Strength Limit State)