Qua kết quả thu thập về địa hình, địa chất của vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long cho thấy cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép có khả năng đáp ứng được nhu cầu phát triển hạ tầng gi
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Trang 2KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS NGUYỄN XUÂN TOẢN
Đà Nẵng - Năm 2017
Trang 3Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kỳ công trình khác
Tác giả luận văn
Nguyễn Khánh Vi
Trang 4TÓM TẮT LUẬN VĂN
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ
MỞ ĐẦU 1
1 Tính cấp thiết của đề tài 1
2 Mục đích nghiên cứu 2
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2
4 Phương pháp nghiên cứu 2
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2
Chương 1 – SƠ LƯỢC VỀ CẦU DẦM THÉP, ĐỊA HÌNH - ĐỊA CHẤT VÀ KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG Ở VÙNG ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG 3
1.1 Sơ lược về cầu dầm thép 3
1.2 Sơ lược về điều kiện địa hình, địa chất ở Đồng Bằng Sông Cửu Long 5
1.2.1 Đặc điểm địa hình địa chất Đồng Bằng Sông Cửu Long 5
1.2.2 Đặc trưng cơ lý của đất bùn ở một số tỉnh ĐBSCL 7
1.3 Khả năng ứng dụng cầu dầm thép vùng ĐBSCL 9
Chương 2 - CẤU TẠO VÀ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP 13
2.1 Cấu tạo dầm thép liên hợp 13
2.1.1 Cấu tạo chung cầu dầm thép liên hợp 13
2.1.2 Các bộ phận chính trong dầm liên hợp 14
2.2 Lý thuyết tính toán cầu dầm thép liên hợp 18
2.2.1 Nguyên tắc thiết kế 18
2.2.2 Xác định nội lực dầm chủ 19
2.2.3 Tiết diện chữ chịu uốn 21
2.2.4 Neo chống trượt 31
Chương 3 – TÍNH TOÁN VÀ LỰA CHỌN TIẾT DIỆN HỢP LÝ CỦA DẦM THÉP LIÊN HỢP VỚI BẢN BÊ TÔNG CỐT THÉP 37
3.1 Mở đầu 37
3.2 Xác định nội lực trong kết cấu nhịp L= 34m 37
3.2.1 Các số liệu cơ bản và tải trọng 37
3.2.2 Hệ số phân bố ngang cho dầm biên 38
3.2.3 Nội lực do tĩnh tải trong dầm chủ 38
3.2.4 Nội lực do hoạt tải trong dầm chủ 42
3.2.5 Tính toán tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra 45
Trang 5Tính toán tương tự như ở phần 3.2 ta xác định được tĩnh tải và hoạt tải như sau: 46
3.3.1 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp L= 38m 46
3.3.2 Tổ hợp các nội lực do tĩnh tải và hoạt tải gây ra với nhịp L= 42m 46
3.4 Sức kháng uốn và sức kháng cắt trong dầm theo TTGHCĐ 1 46
3.5 Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp L= 34m 47
3.6 Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp L= 38m 49
3.7 Tính toán, lựa chọn tiết diện hợp lý cho kết cấu nhịp L= 42m 51
3.8 Kết luận 53
KẾT LUẬN 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao)
Trang 6Tóm tắt: Luận văn đã tìm hiểu về đặc điểm của cầu dầm thép và đặc điểm địa
chất của khu vực Đồng Bằng Sông Cửu Long Qua kết quả thu thập về địa hình, địa chất của vùng Đồng Bằng Sông Cửu Long cho thấy cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép có khả năng đáp ứng được nhu cầu phát triển hạ tầng giao thông của vùng trong tương lai trong trường hợp bị khống chế về chiều cao Nền đất đắp ở 2 bên đường đầu cầu bị hạn chế về chiều cao do phải đắp trên nền đất yếu Việc lựa chọn được tiết diện hợp lý của dầm liên hợp với bản bê tông cốt thép trong điều kiện bị khống chế về chiều cao là cần thiết và mở ra khả năng ứng dụng rộng rãi loại cầu này
trong khu vực
Qua việc nghiên cứu cấu tạo và cơ sở lý thuyết, nguyên tắc thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép, học viên đã ứng dụng vào tính toán và lựa chọn tiết diện hợp lý cầu dầm thép liên hợp trong trường hợp bị khống chế về chiều cao theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05
Qua kết quả phân tích tính toán kết cấu cầu liên hợp với chiều dài nhịp L=34m, L=38m, L=42, học viên đã lựa chọn được các tiết diện hợp lý của dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép trong trường hợp bị khống chế về chiều cao theo TTGHCĐ 1
Từ khóa: Đồng Bằng Sông Cửu Long, cầu dầm thép liên hợp, tiết diện hợp lý, TTGHCĐ 1
ANALYSIS OF REASONABLE REASONING OF REFRIGERATED STAINLESS STEEL BEARINGS WITH REFRIGERANT STEEL COPPER PIPE Learner: Nguyen KhanhVi - Specialization: Engineering construction traffic
Code: 60.58.02.05 - Course K31- University of Technology - University of Da Nang
Summary: The essay explores the characteristics of steel girder bridges and the
geological features of the Mekong Delta Based on the results of the geomorphology of the Mekong delta, it is suggested that the steel girder bridge combined with the reinforced concrete slab will be able to meet future transportation infrastructure development needs of the region in the case of height restrictions The embankment
on both sides of the bridge road is limited in height due to the embankment on weak ground The selection of the correct cross section of the beam combined with the reinforced concrete under controlled height conditions is essential and opens the possibility of widespread application of this type of bridge in the area
Through the study of the structure and theoretical basis, the principle of design of steel girder bridge combined with reinforced concrete slabs, students applied to calculate and select the reasonable cross section of steel bridge girder in the field The compound is controlled in height according to design standards 22TCN 272-05
Based on the results of the analysis of bridged bridge structure with the span length of L = 34m, L = 38m, L = 42m, participants have selected the reasonable cross sections of the steel beams associated with the reinforced concrete slab in the case of height restriction under Intensity Limitation Status 1
Keywords: Mekong Delta, composite steel bridge girder, suitable section,
boundary strength status 1
Trang 7Số hiệu
1.1 Đặc trưng cơ lý của đất bùn ở tỉnh Đồng Tháp 8 2.1 Tỷ số ứng suất cắt mất ổn định với cường độ cắt chảy 31
3.2 Tổng hợp lực cắt do tĩnh tải giai đoạn 1 40
3.4 Tổng hợp lực cắt do tĩnh tải giai đoạn 2 42
3.7 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Mu) 45 3.8 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Vu) 45 3.9 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Mu) 46 3.10 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Vu) 46 3.11 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Mu) 46 3.12 Tổng hợp nội lực do hoạt tải và tĩnh tải (Vu) 46
Trang 81.1 Cầu Rạch Cỏ 4
1.5 Mặt cắt địa chất tiêu biểu tại khu vực ĐBSCL 9
2.11 Đường cong quan hệ mô men và độ cong lý tưởng 22
2.13 Các lực dẻo tiết diện liên hợp chịu uốn dương 24
2.15 So sánh sức kháng của neo với cường độ bê tông và mô đun
3.2 Sơ đồ xếp tĩnh tải lên đah mô men và đah lực cắt tại một số
Trang 9hình
3.5 Sơ đồ xếp xe lên đah lực cắt tại một số mặt cắt 44 3.6 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn 48
3.8 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn 50
3.10 Biểu đồ quan hệ giữa diện tích tiết diện và sức kháng uốn 52
Trang 10Đồng Bằng Sông Cửu Long (ĐBSCL) là vùng đất rộng lớn là hạ nguồn của hệ thống sông Mekong nằm ở phía Nam của Việt Nam Và có diện tích khoảng 39.000
km2 với dân số khoảng 20 triệu người Phần lớn dân số tham gia sản xuất nông nghiệp Diện tích trồng lúa khoảng 2,3 triệu ha, chiếm hơn 40% diện tích trồng lúa của cả nước Sản lượng đầu ra của lúa gạo đạt gần 50% Hàng năm, lượng lúa gạo dư thừa khoảng 4 triệu tấn, được bán với giá thấp gây nhiều thiệt hại cho nông dân Một trong những nguyên nhân chính là chi phí vận chuyển cao do hạ tầng giao thông chưa phát triển
Một đặc điểm nổi bật của vùng ĐBSCL là bị chia cắt bởi hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt Việc đi lại giữa các xã, đặc biệt là vùng sâu, vùng xa gặp nhiều khó khăn Phương thức giao thông vận tải chủ yếu vẫn là đường thủy, sử dụng thuyền, ghe nhỏ ĐBSCL có mạng lưới giao thông đường thủy dày đặc với tổng chiều dài khoảng 5.000km, gấp 3 lần chiều dài các tuyến đường bộ của vùng Lượng hàng hóa được vận chuyển bởi giao thông đường thủy nội địa chiếm khoảng 70% trong khi vận tải đường bộ chỉ chiếm 30% trong tổng số Nguyên nhân là do hệ thống đường bộ bao gồm các cầu qua sông và kênh rạch, nối liền các khu dân cư vẫn chưa phát triển Các tuyến đường giao thông nông thôn thường dọc theo các sông và kênh đào (việc đào kênh kết hợp với đắp đường) nên nền đất bên dưới chủ yếu là đất yếu Với độ dày đặc cao của hệ thống sông ngòi, kênh rạch, số lượng 20.107 cầu với tổng chiều dài khoảng 273.743 m như hiện nay là không đủ để đáp ứng yêu cầu của giao thông vận tải ở khu vực này Do vậy hệ thống giao thông đường bộ và đường thủy cần phải đầu tư xây dựng và phát triển mạnh trong tương lai gần Các công trình cầu vượt hệ thống sông và kênh rạch rất nhiều Phần lớn các cầu trong khu vực bị khống chế về chiều cao do bị giới hạn bởi cao độ gầm cầu để đảm bảo giao thông đường thủy và bị khống chế bởi
cao độ đất đắp hai bên đầu cầu vì địa chất yếu.Vì vậy cầu dầm thép là một loại cầu có
khả năng đáp ứng được yêu cầu trên, đảm bảo khổ thông thuyền, đáp ứng được kết cấu thượng tầng nhẹ phù hợp với nền đất yếu vùng ĐBSCL Cho tới nay cầu thép là loại cầu được sử dụng rộng rãi nhất cho các cầu nhịp trung và nhịp lớn do tính chất ưu việt của vật liệu thép Đặc biệt ngày nay thép còn được thêm vào các thành phần kim loại quý khác để tạo ra những loại thép hợp kim có tính năng rất tốt, đặc biệt các chỉ tiêu
cơ học rất cao và có khả năng chống gỉ tốt
Cầu dầm thép có nhiều ưu điểm như sau:
- Chế tạo công nghiệp, lắp đặt dễ dàng và vượt nhịp lớn
- Có thể thi công dễ dàng và nhanh chóng
- Có thể sử dụng trong trường hợp tĩnh không và chiều dài nhịp lớn, đôi lúc những địa hình qua kênh, rạch nhỏ không cần trụ cầu
Trang 11Cầu dầm thép có kết cấu thanh mảnh gọn nhẹ Các dầm thép I cấu tạo đơn giản, được chế tạo tại nhà xưởng theo mẫu định hình được tính toán theo các tiêu chuẩn hiện hành với khả năng chịu lực và vượt nhịp khá lớn Tuy nhiên với địa hình cần phải khống chế về chiều cao kiến trúc, chiều cao dầm, đảm bảo thông thủy dưới cầu thì việc phân tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép
bị khống chế về chiều cao là rất cần thiết với vùng ĐBSCL
2 Mục đích nghiên cứu
Đề tài “Phân tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bêtông cốt thép bị khống chế về chiều cao” có ý nghĩa khoa học và thực tiễn
nhất định có thể áp dụng ở một số địa phương của vùng ĐBSCL
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép (BTCT) bị khống chế về chiều cao
4 Phương pháp nghiên cứu
Vận dụng các cơ sở lý thuyết tính toán, TCVN và các phần mềm ứng dụng từ đó đưa ra phân tích xác định tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bê tông cốt thép theo trạng thái giới hạn cường độ 1 (TTGHCD1)
5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Để giải quyết nhu cầu xây dựng cầu giao thông như đã đề cập ở trên, một nghiên cứu về giải pháp cầu dầm thép với kết cấu và vật liệu tốt, đảm bảo chi phí bằng hoặc thấp hơn phương án cầu bê tông hiện tại là rất có ý nghĩa đối với khu vực ĐBSCL Cầu dầm thép có nhiều ưu điểm như được chế tạo công nghiệp, lắp đặt dễ dàng
và vượt nhịp lớn Tuy nhiên, chi phí cao hơn cầu bê tông cốt thép và bê tông cốt thép
dự ứng lực trong trường hợp cầu có nhịp ngắn Đề xuất này dựa trên thực tế rằng số lượng cầu giao thông ở ĐBSCL là rất lớn Vì vậy, chi phí cho 1 mét cầu cần được tối
ưu hóa để đáp ứng nhu cầu vận tải với nguồn ngân sách hạn hẹp, cạnh tranh được với các cầu bê tông cốt thép và cầu bê tông cốt thép dự ứng lực Một dạng cầu dầm thép mới có thể được sử dụng rộng rãi ở ĐBSCL, đặc biệt là về địa hình, địa chất cần phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Có thể thi công dễ dàng và nhanh chóng
- Có thể sử dụng trong trường hợp tĩnh không và chiều dài nhịp lớn mà không cần trụ cầu
- Chi phí cho 1 mét chiều dài cầu là hợp lý
- Chi phí duy tu bảo dưỡng là nhỏ nhất khi sử dụng trong điều kiện khí hậu nhiệt đới
Trang 121.1 Sơ lược về cầu dầm thép
Thép là loại vật liệu với nhiều ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông Thép cung cấp nhiều lợi thế trong việc xây dựng cầu bởi những tính năng ưu việt như cường độ cao, thời gian thi công nhanh, tính linh động cao, dễ duy tu bảo dưỡng, có thể tái sử dụng và tuổi thọ dài
Tính chịu lực cao với tất cả các loại ứng suất: kéo , nén uốn cắt…., có thể dùng chế tạo tất cả các dạng cầu khác nhau như dầm, dàn, vòm, treo và các hệ liên hợp Thép có độ bền cao, trọng lượng bản thân nhẹ nên cầu thép có thể vượt những nhịp rất lớn
Thép có cường độ cao, môđun đàn hồi lớn, độ cứng lớn, đảm bảo độ ổn định dưới tác dụng của tải trọng gió, tải trọng có chu kì (tải trọng lặp hay tải trọng mỏi)
Sự phá hoại dẻo, phá hoại kèm theo biến dạng lớn, gây phân bố lại nội lực và ứng suất nên cầu thép có khả năng chịu tải trọng xung kích và ứng suất tập trung tốt
Có khả năng chịu lực lớn và độ tin cậy cao Cầu thép có khả năng chịu lực lớn,
độ tin cậy cao do vật liệu thép có cường độ lớn nhất trong các vật liệu xây dựng Độ tin cậy cao là do cấu trúc thuần nhất của vật liệu, sự làm việc đàn hồi và dẻo của thép gần sát với lý thuyết tính toán Sự làm việc thực tế của cầu thép phù hợp với lý thuyết tính toán
Trọng lượng nhẹ Kết cấu cầu thép nhẹ nhất trong số các loại kết cấu cầu, để đánh giá phẩm chất “nhẹ” của vật liệu người ta thường dùng hệ số c là tỷ số giữa trọng lượng riêng và cường độ chịu lực của nó
Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp dựng các cấu kiện thép dễ dàng và nhanh chóng, có thể dùng trong các công trình cầu tạm cũng như cầu vĩnh cửu
Tính công nghiệp hóa cao Do sự sản xuất vật liệu hoàn toàn trong nhà máy, và
sự chế tạo cấu kiện thép được làm chủ yếu trong các nhà máy chuyên ngành hoặc ít ra cũng dùng những loại máy móc thiết bị chuyên dụng, thích hợp nhất với điều kiện cơ giới hóa triệt để
Ngoài những ưu điểm trên, cầu thép còn những tồn tại cần khắc phục như:
- Hiện tượng gỉ do tác động của môi trường, gỉ làm ăn mòn kim loại, làm giảm tiết diện chịu lực, phá hoại các liên kết và do đó làm giảm tuổi thọ công trình
- Việc sơn mạ chống gỉ có tác dung trọng một thời gian nhất định, công trình cần thường xuyên kiểm tra bảo quản, cạo rỉ, sơn lại
- Chi phí duy tu bảo dưỡng khá cao so với cầu dùng vật liệu khác
Hiện nay cầu thép thường dùng cho các kết cấu nhịp cầu lớn hơn 30m trên đường
ô tô Với cầu đường sắt thường sử dụng cầu dầm thép và giàn thép do tải trọng tác
Trang 13dụng là tải trọng lớn, tải trọng lặp và gây phá hoại mỏi, trong khi thép chịu tải trọng lặp và mỏi rất tốt
Cầu dầm thép bao gồm kết cấu nhịp đơn giản 1 nhịp hoặc nhiều nhịp, liên tục và mút thừa nhiều nhịp có tiết diện chữ I, H, Π, hình hộp (Hình1.1, 1.2, 1.3)
Hình 1.1 Cầu Rạch Cỏ
Hình 1.2 Cầu Nắm Hin Boun
Trang 14Hình 1.3 Cầu Phong Hòa
Kết cấu cầu dầm thép trên thế giới và Việt Nam phổ biến nhất là nhịp đơn giản
có liên hợp hoặc không liên hợp với bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép Do tính phức tạp trong sản xuất và thi công nên phần lớn cầu dầm thép liên tục và mút thừa được xây dựng ở các nước phát triển Ở Việt Nam và khu vực ĐBSCL sử dụng loại kết cấu nhịp đơn giản là chủ yếu vì nó phù hợp với khả năng sản xuất, lắp đặt và trình độ và năng lực trong nước
Cầu dầm thép nhịp đơn giản có những ưu điểm: Không phát sinh nội lực do lún lệch của mố trụ cầu, do thay đổi nhiệt độ kết cấu đơn giản, dễ định hình hóa có thể sản xuất hành loạt trong nhà máy, hư hỏng cục bộ không ảnh hưởng đến toàn cầu Tuy nhiên cầu dầm thép nhịp đơn giản còn tồn tại hạn chế: Kết cấu nặng nề và tốn thép nhiều hơn cầu dầm liên tục và mút thừa, kết cấu trụ lớn hơn so với cầu liên tục so với cầu dầm liên tục và mút thừa do trụ phải đỡ hai hàng gối lệch tâm, đường đàn hồi không liên tục nên xe chạy qua cầu không thuận
Các cầu dầm nhịp đơn giản (hình 1.1, 1.2, 1.3) nói chung kinh tế đối với các nhịp nhỏ, khoảng 30 m Do kết cấu đơn giản, thi công thuận lợi, giá thành hợp lý nên cầu dầm vẫn dùng cho những nhịp lớn đến 50 m, thậm chí có thể hơn
1.2 Sơ lược về điều kiện địa hình, địa chất ở Đồng Bằng Sông Cửu Long
1.2.1 Đặc điểm địa hình địa chất Đồng Bằng Sông Cửu Long
1.2.1.1 Cấu trúc địa chất
Theo kết quả nghiên cứu của Tồng cục địa chất cho rằng cấu trúc ĐBSCL có dạng bồn trũng theo hướng Đông Bắc - Tây Nam mà trung tâm bồn trũng có thể là
Trang 15vùng kẹp giữa Sông Tiền và Sông Hậu Vây quanh vùng trung tâm là các vùng cánh của bồn trũng và xa hơn các đới nâng cao của móng đá lộ ra ở Bình Dương, Đồng Nai, Tây Ninh (miền Đông Nam Bộ) bên kia là đá núi Hà Tiên, An Giang, vịnh Thái Lan Các tài liệu nghiên cứu phần lộ điều cho thấy tuổi của móng đá trước Kanozoi (khoảng trên 65 triệu năm) Phủ trên mặt móng đá là tập hợp các thành tạo bời rời có tuổi từ Neogen đến đệ tứ, trên cùng là tầng trầm tích trẻ (trầm tích Hologen) có tuổi khoảng 15.000 năm có chiều sâu tới 110 m, đây cũng chính là tầng yếu của móng mặt, móng của các công trình chủ yếu đặt trên tầng đất yếu này
Chiều dày lớp trầm tích Holoxen trên biến đổi từ 9 đến 20 m, trung bình 15m Tầng bồi tích cổ hay bồi tích Pleixtoxen.Tại khu vực ĐBSCL, trầm tích này gồm 3-5 tập hạt mịn xen kẹp với 3-5 tập hạt thô, mỗi tập tương ứng với một Pleixtoxen trên, giữa và dưới Mỗi tập hạt mịn có chiều dày từ 1-2 m đến 40-50m, các tập hạt thô được
đặt trưng bề dày thay đổi từ 4 - 85m
1.2.1.2 Đặc điểm đất yếu Đồng Bằng Sông Cửu Long
(Theo tài liệu nghiên cứu của GS.TSKH.Nguyễn Văn Thơ) Tầng trầm tích mới
ĐBSCL là đối tượng nghiên cứu chủ yếu về mặt địa chất công trình Các lớp đất chính thường là loại sét hữu cơ và sét không hữu cơ trạng thái độ sệt khác nhau Ngoài ra còn gặp những lớp đất cát, sét bùn lẫn vỏ sò sạn laterit Ngay trong sét còn gặp các vệt cát mỏng và có thể phân chia các lớp đất như sau:
a/ Lớp đất trên mặt
Dày khoảng 0.5-1.5 m, gồm những loại sét hạt bụi đến hạt cát, có màu xám nhạt đến vàng xám Có nơi là bùn sét hữu cơ màu xám đen Lớp này có nơi nằm trên mực nước ngầm có nơi dưới mực nước ngầm (vùng sình lầy)
b/ Lớp sét hữu cơ
Nằm dưới lớp mặt là lớp sét hữu cơ, có chiều dày thay đổi từ 3-4 m, (Long An), 9-10 m (Thạch An , Hậu Giang) đến 18-20 m (vùng Long Phú Hậu Giang) Chiều dày lớp này tăng dần về phía biển Ở lớp gần mặt thường có những khối hữu cơ ở dạng than bùn
c/ Lớp sét cát lẫn ít sạn, mảnh vụn laterit là vỏ sò hoặc lớp cát
Lớp này dày khoảng 3-5m, thường nằm chuyển tiếp giữa sét lớp hữu cơ với lớp sét không hữu cơ Lớp này không liên tục trên toàn vùng ĐBSCL
d/ Lớp đất sét không lẫn hữu cơ
Lớp đất sét này khá dày xuất hiện ở các độ sâu khác nhau Một số hố khoan Long
An cho thấy: lớp đất sét tương đối chặt nằm chặt cách mặt đất 3-4 m Ở những nơi khác lớp đất sét tương tự nằm cách mặt khảng 9 - 10 m và càng gần ven biển, lớp đất sét càng nằm sâu cách mặt đất tự nhiên
Trang 161.2.2 Đặc trưng cơ lý của đất bùn ở một số tỉnh Đồng Bằng Sông Cửu Long
Năm 1984 GS.TSKH Nguyễn Thanh và GS.TSKH Phạm Xuân đã nghiên cứu thống kê đặc trưng cơ lý các loại đất bùn ở khu vực thành phố Hồ Chí Minh và một số
Trang 17tỉnh ĐBSCL như Long An, Đồng Tháp, Bến Tre, Cửu Long, An Giang, Kiên Giang, Minh Hải.Các số liệu thống kê cho thấy đặc trưng cơ lý của đất bùn ở các tỉnh ĐBSCL tương tự nhau
Bảng 1.1 Đặc trưng cơ lý của đất bùn ở tỉnh Đồng Tháp
(Theo tài liệu của Nguyễn Văn Thơ,1978-1984 và Nguyễn Thanh, 1984)
S
Giá trị trung bình Bùn sét Amb QIV Bùn á sét Amb QIV
Trang 18Hình 1.5 Mặt cắt địa chất tiêu biểu tại khu vực ĐBSCL
1.3 Khả năng ứng dụng cầu dầm thép vùng ĐBSCL
Với đặc điểm ĐBSCL là vùng đất dễ sạt lở, lún sụt mất ổn định, nhất là vùng đất
ở nông thôn có hệ thống sông rạch chằng chịt, quanh co, khó vận chuyển trang thiết bị, vật tư Thi công trên nền đất yếu kết cấu bên trên phải nhẹ, dễ vận chuyển, lắp ráp trong điều kiện địa hình phức tạp, đường vào cầu chiều cao đất đắp không quá 2m, nếu chiều cao đất đắp >2m sẽ gây mất ổn định nền đất lún sụt, sạt lở, gia cố sẽ tốn kém nhiều
Khí hậu vùng ĐBSCL chia làm 2 mùa rõ rệt Vào mùa mưa, nước lũ dâng cao gây nhiều khó khăn cho việc thi công nên các công trình chủ yếu được xây dựng vào mùa khô, yêu cầu đặt ra là phải rút ngắn thời gian thi công Cầu thép với kết cấu định hình có tính thi công lắp ráp cao, thi công tại hiện trường đơn giản, chi phí hợp lý, phù hợp với khẩu độ thường sử dụng ở ĐBSCL
Giao thông đường thủy phổ biến nên cần phải đảm bảo tĩnh không thông thuyền cho các phương tiện thủy qua lại dễ dàng, nhất là vào mùa mưa lũ Cầu thép có thể vượt nhịp lớn mà không cần phải có trụ giữa, điều này góp phần mở rộng khoảng thông thuyền, đồng thời tiết kiệm chi phí cho kết cấu phần dưới
Trang 19Do địa chất ở vùng này chủ yếu là các dạng đất yếu như sét dẻo, bùn sét hữu cơ, bùn á cát, bùn á sét và đất than bùn Sức chịu tải đất nền yếu nên dễ gây sụt lở nếu có biến dạng lớn Kết cấu phần trên phải nhẹ để giảm áp lực xuống kết cấu phần dưới Vật liệu thép tuy có khối lượng riêng lớn hơn nhiều so với bê tông nhưng lại có khả năng chịu được tải trọng lớn với kết cấu được thiết kế thanh mảnh hợp lý
Qua phân tích trên cầu dầm thép là một loại cầu mà kết cấu nhịp cầu bằng dầm thép có nhiều ưu điểm: nhịp cầu dài tùy theo địa hình đảm bảo khoảng tĩnh không ngang và chiều cao thông thuyền, đáp ứng được kết cấu thượng tầng nhẹ dễ vận chuyển bằng phương tiện nhỏ, thô sơ, thi công bằng thiết bị nhỏ, đơn giản không yêu cầu kỹ thuật phức tạp ; phù hợp với nền đất yếu vùng ĐBSCL Cho tới nay cầu thép là loại cầu được sử dụng rộng rãi nhất cho các cầu nhịp trung và nhịp lớn do tính chất ưu việt của vật liệu thép Đặc biệt ngày nay thép còn được thêm vào các thành phần kim loại quý khác để tạo ra những loại thép hợp kim có tính năng rất tốt, đặc biệt các chỉ tiêu cơ học rất cao và có khả năng chống gỉ tốt hơn
a)
Trang 20b) Hình 1.6 (a;b): Kiểm tra gia công chế tác dầm
Hình 1.7: Cầu Xẻo Bèo – Tỉnh Đồng Tháp
Trang 211.4 Kết luận
Thép là loại vật liệu với nhiều ưu điểm được sử dụng rất rộng rãi trong xây dựng kết cấu hạ tầng giao thông Thép cung cấp nhiều lợi thế trong việc xây dựng cầu bởi những tính năng ưu việt như cường độ cao, thời gian thi công nhanh, tính linh động cao, dễ duy tu bảo dưỡng, có thể tái sử dụng và tuổi thọ dài Tính cơ động trong vận chuyển, lắp ráp Do trọng lượng nhẹ, việc vận chuyển và lắp dựng các cấu kiện thép dễ dàng và nhanh chóng, có thể dùng trong các công trình cầu tạm cũng như cầu vĩnh cửu.Đặc biệt ngày nay thép còn được thêm vào các thành phần kim loại quý khác để tạo ra những loại thép hợp kim có tính năng rất tốt, đặc biệt các chỉ tiêu cơ học rất cao
và có khả năng chống gỉ tốt hơn
Bên cạnh đó thì ở ĐBSCL là vùng đất dễ sạt lở, lún sụt mất ổn định, nhất là vùng đất ở nông thôn có hệ thống sông rạch chằng chịt.Do địa chất ở vùng này chủ yếu là các dạng đất yếu như sét dẻo, bùn sét hữu cơ, bùn á cát, bùn á sét và đất than bùn Sức chịu tải đất nền yếu nên dễ gây sụt lở nếu có biến dạng lớn.Vì vậy kết cấu phần trên phải nhẹ để giảm áp lực xuống kết cấu phần dưới Vật liệu thép tuy có khối lượng riêng lớn hơn nhiều so với bê tông nhưng lại có khả năng chịu được tải trọng lớn với kết cấu được thiết kế thanh mảnh hợp lý
Qua những phân tích trên thì đề tài “Phân tích lựa chọn tiết diện hợp lý của cầu dầm thép liên hợp với bản bêtông cốt thép bị khống chế về chiều cao” có ý
nghĩa khoa học và thực tiễn nhất định có thể áp dụng ở một số địa phương của vùng ĐBSCL
Trang 222.1 Cấu tạo dầm thép liên hợp
2.1.1 Cấu tạo chung cầu dầm thép liên hợp
Cấu tạo chung cầu dầm thép liên hợp bao gồm các bộ phận cơ bản sau đây: Dầm chủ, bản bê tông, neo liên kết Khi khoảng cách dầm chủ lớn, có thể cấu tạo hệ dầm ngang mặt cầu, nhưng rất ít sử dụng.Ngoài ra còn có các bộ khác như: bộ hành, lan can, tay vịn Với mục tiêu lựa chọn tiết diện dầm phù hợp với điều kiện bị khống chế
về chiều cao, phù hợp với trình độ và công nghệ của khu vực ĐBSCL Luận văn tiếp cận tìm hiểu đặc điểm cấu tạo và khả năng ứng dụng của các loại tiết diện dầm thông dụng nhất Trong đó dầm tiết diện chữ I có cấu tạo đơn giản dễ chế tạo và thi công lắp dựng nên sẽ được nghiên cứu áp dụng trong luận văn này
B¶n
DÇm biªn
DÇm trong
Tay vÞn ChiÒu réng phÇn xe ch¹y
Trang 23Lợi dụng khả năng chịu nén của bê tông, người ta đưa bản mặt cầu bê tông cùng tham gia làm việc chịu uốn với dầm thép Nếu không liên kết bản bê tông với dầm thép thì bản bê tông làm việc độc lập với dầm thép, khi đó tiết diện làm việc chỉ có dầm thép Khi liên hợp bản bê tông với dầm thép thì tiết diện làm việc gồm cả bản bê tông và dầm thép sao cho trong bản chịu ứng suất nén và dầm thép chịu ứng suất kéo Kết cấu liên hợp tạo thành kết cấu chịu uốn có mô men quán tính lớn và có sức kháng tốt hơn
Ưu điểm nổi bật của dầm liên hợp là yếu tố kinh tế Trong kết cấu liên hợp, dầm thép sẽ nhỏ hơn so với dầm không liên hợp Kết cấu liên hợp sẽ có trọng lượng nhỏ hơn do sử dụng hợp lý sự làm việc của dầm thép và bản mặt cầu, trong đó bản mặt cầu vừa làm việc cục bộ do hoạt tải theo phương ngang vừa tham gia chịu nén như biên trên của dầm dọc nên tiết kiệm được thép Neo được chôn vào đáy của bản bê tông tạo cho biên chịu nén của dầm thép được chống đỡ ngang trên toàn chiều dài nhịp nên có thể sử dụng hết cường độ chịu nén của bản biên mà không xảy ra mất ổn định
Các dạng tiết diện của dầm liên hợp (hình 2.2) Dầm thép có thể là dầm cán có hoặc không có bản táp (hình 2.2a, b) Để tiết kiệm thép dầm tổ hợp hoặc để tận dụng dầm cán, bê tông có thể được chế tạo dạng chữ T (hình 2.2c)
a)
Hình 2.2 Các dạng tiết diện ngang dầm liên hợp
Dầm thép liên hợp có hiệu quả lớn và được áp dụng nhiều đối với nhịp đơn giản chỉ có mô men dương và bản mặt cầu nằm trong vùng chịu nén
2.1.2 Các bộ phận chính trong dầm liên hợp
2.1.2.1 Bản bê tông
Bản mặt cầu liên tục kê trên các dầm thép đặt song song với phương xe chạy Cốt thép trong bản đặt theo vuông góc với dầm chủ Thì quá trình thiết kế bản mặt cầu liên hợp và không liên hợp giống như nhau
Khi dầm chịu uốn thì trong kết cấu liên hợp, bản mặt cầu và dầm thép được giả thiết làm việc đồng thời như một tiết diện lai còn gọi là liên hợp Khi đó không có sự trượt giữa mặt tiếp xúc bản bê tông và dầm thép, bản được giả thiết làm việc như bản táp vào biên chịu nén của dầm nên làm tăng cường độ và độ cứng của biên chịu nén
Do không có hiện tượng trượt giữa mặt tiếp xúc giữa mặt bản và dầm thép, khi
có tác dụng của tải trọng thì bản và dầm cùng biến dạng, tại mặt tiếp giáp giữa bản bê tông và dầm thép xuất hiện ứng suất cắt Chính ứng suất này tạo nên ứng suất nén dọc
Trang 24nằm xa vách không hoàn toàn chịu mô men Do vậy trong trường hợp này, ta phải thay
bề rộng thực tế của bản bằng bề rộng giảm bớt để có một tiết diện liên hợp mà ứng suất chịu uốn gần giống ứng suất thực Bề rộng đã giảm bớt của bản gọi là chiều rộng
Trang 25Khi dùng chiều dày bản không nhỏ hơn 180 mm và liên hợp với thép cán thì diện tích chuyển đổi tập trung tại biên chịu nén và mô men quán tính tiết diện tăng nhiều Tuy nhiên, vì diện tích biên liên hợp chịu nén lớn hơn nhiều diện tích biên chịu kéo của thép các dẫn đến trục trung hòa nằm rất cao cách xa biên chịu kéo Kết quả là mô men kháng uốn của biên dưới tăng ít và ứng suất biên kéo sẽ rất lớn Do đó để tiết diện hiệu quả, ta tăng diện tích biên chịu kéo bằng cách hàn thêm một bản táp dọc theo chiều dài dầm thép Thực tế cho thấy với dầm tương đối nhỏ và thấp nếu có bản táp sẽ đạt chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật rất lớn
AASHTO đã đưa ra các chỉ dẫn về yêu cầu đối với bản táp Vì mô men dầm thay đổi theo chiều dài nhịp nên bản táp chỉ yêu cầu tại ví trí có mô men lớn Khi đó, bản táp chỉ yêu cầu bố trí trên một đoạn chiều dài nhất định của dầm Chiều dày lớn nhất của bản táp không vượt quá hai lần chiều dày bản biên mà bản táp hàn vào Chiều dài bản táp hàn vào dầm thép cán không nhỏ hơn d 6 900 mm với d là chiều cao dầm thép (mm), bản táp có thể hẹp hoặc rộng hơn chiều rộng bản biên Nếu bản táp hẹp hơn thì phải nhỏ hơn bản biên ít nhất ở mỗi bên bằng kích thước mối hàn cộng thêm 3 mm; khi bản táp rộng hơn thì ít nhất rộng hơn 50 mm
Thiết kế chiều dài bản táp dựa trên việc xác định điểm cắt lý thuyết (hình 2.4) Điểm cắt lý thuyết của bản táp xác định theo ứng suất giới hạn trong trạng thái giới hạn sử dụng Điểm cắt được xác định tại nơi ứng suất bản biên (không có bản táp) bằng ứng suất giới hạn trong trạng thái giới hạn sử dụng Chiều dài bản táp phải kéo ra ngoài điểm lý thuyết một đoạn gọi là đoạn cuối; và chiều dài đoạn cuối dựa vào điều kiện tại đầu bản táp là nếu không hàn đầu bản táp thì lấy hai lần chiều rộng bản táp, còn nếu hàn thì lấy 1.5 lần Chiều rộng nhỏ nhất của đầu bản táp yêu cầu không nhỏ hơn 75 mm Mối hàn nối bản táp với bản biên tại đoạn cuối phải đủ lớn để truyền ứng suất không nhỏ hơn ứng suất tính toán trong bản táp tại điểm cắt lý thuyết
Trang 26Hình 2.5 Neo liên kết bản mặt cầu với dầm thép
Hình 2.8 Các loại neo dính bám
Trang 272.2 Lý thuyết tính toán cầu dầm thép liên hợp
2.2.1 Nguyên tắc thiết kế
Các trạng thái giới hạn dùng trong thiết kế kết cấu đều thực hiện theo nguyên tắc
là hiệu ứng do tải trọng gây ra trong kết cấu không được vượt quá sức kháng kết cấu Nguyên tắc này được thể hiện trong công thức dưới đây:
i .i Qi Rn (2.1) Trong đó: Q i- hiệu ứng do tải trọng tác dụng lên kết cấu; có thể là mô men, lực cắt, lực dọc, độ võng, góc xoay, ứng suất,
= 1,0 đối với mọi trạng thái giới hạn trừ trạng thái giới hạn cường độ
Ở trạng thái giới hạn cường độ, D= 1,05 đối với các bộ phận và liên kết không dẻo, D=1,0 đối với thiết kế, và cấu tạo thông thường theo đúng tiêu chuẩn, và D
0,95 đối với các bộ phận và liên kết có tính dẻo hoặc có tăng cường dẻo
Hệ số dư thừa R Một kết cấu xem như dư thừa vì có nhiều liên kết hơn số liên kết cần thiết để cân bằng tĩnh học Tính dư thừa làm tăng miền an toàn của kết cấu Hệ
số này được lấy như sau
R
=1,0 đối với mọi trạng thái giới hạn trừ trạng thái giới hạn cường độ
Ở trạng thái giới hạn cường độ, R 1, 05 đối với bộ phận không dư thừa, và R= 1,0 đối với bộ phận dư thừa thông thường, và R 0,95 đối với bộ phận có mức dư thừa khác thường
Hệ số quan trọng I Công trình cầu được xem là quan trọng nếu nó nằm trên đường ngắn nhất giữa khu dân cư, bệnh viện, trường học; nằm trên đường dẫn đến
Trang 28được lấy như sau:
I
=1,0 đối với mọi trạng thái giới hạn trừ trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt
Ở trạng thái giới hạn cường độ và đặc biệt, I 1, 05 đối với cầu quan trọng, và
100 200 300
DÇm kh«ng liªn hîp DÇm liªn hîp
Hoạt tải ô tô dùng để thiết kết kết cấu nhịp là HL93 bao gồm xe tải thiết kế hoặc
xe hai trục thiết kế kết hợp với tải trọng làn Đối với cầu nằm trên tuyến đường cấp thấp hơn, có thể xác định tải trọng trục của xe tải thiết kế và xe hai trục thiết kế nhân với hệ số 0.5 hoặc 0.65 Đối với tất cả đường bộ hành rộng hơn 600 mm, tải trọng người được lấy bằng 3 kN/m2 và được tính đồng thời với hoạt tải ô tô Đối với cầu chỉ dành cho người đi bộ và đi xe đạp, hoạt tải được lấy bằng 4 kN/m2
Trang 292.2.2.2 Xác định nội lực
Các tải trọng được chất trên đường ảnh hưởng sao cho gây ra hiệu ứng bất lợi
nhất Nội lực trong dầm được xác định bởi công thức:
U DC DW i. LL.mg LL 1 IM.P y i. i p L
i .p g PL p (2.2) trong đó các số hạng trong dấu là các hiệu ứng lần lượt do tải trọng tĩnh tải, hoạt
tải, và đoàn người gây ra
, p = hệ số tải trọng của hoạt tải HL93, và của đoàn người
DC, DW = tải trọng phân bố của bản thân dầm, và của lớp phủ mặt cầu
i
P, y i = tải trọng trục xe chất lên đường ảnh hưởng và tung độ đường ảnh
tương ứng
(1IM)= hệ số xung kích
p L, PL = tải trọng làn, và tải trọng người
= tổng diện tích của đường ảnh hưởng
= diện tích đường ảnh hưởng ứng với tải trọng làn và người
mg LL, g PL= hệ số phân phối ngang của hoạt tải HL93 có kể đến hệ số làn xe, và
của người
Hiệu ứng các tải trọng xác định ở công thức (2.2) có thể được viết lại tương ứng
với các trạng thái giới hạn cho một cầu thông thường:
Trạng thái giới hạn cường độ I:
trong đó các ký hiệu như DC, DW, LL, … là các hiệu ứng do các tải trọng tương ứng
gây ra, và LL const là hiệu ứng do hoạt tải thi công
Trang 30hoặc tổng thể Nếu tiết diện ổn định khi chịu tải trọng lớn thì tiết diện chữ có thể phát triển sức kháng uốn vượt quá mô men chảy M yđầu tiên đến mô men dẻo M Nếu ổn p
định bị hạn chế bởi sự mất ổn định cục bộ hoặc tổng thể thì sức kháng uốn nhỏ hơn
p
M và nếu sự mất ổn định đáng kể thì còn nhỏ hơn M y
Hãy xét tiết diện chữ đối xứng hai phương chịu uốn thuần túy tại giữa nhịp do hai lực tập trung như nhau gây ra (xem hình 2.10a) Giả thiết rằng tiết diện ổn định khi chịu tải trọng Khi tải trọng tăng, tiết diện vẫn phẳng, và biến dạng tăng cho đến khi thớ ngoài đạt tới yF E y Mô men uốn mà khi thớ đầu tiên trong tiết diện đạt đến
giới hạn chảy được gọi là mô men chảy M y(xem hình 2.10b) Khi tải trọng tăng thêm nữa, biến dạng và sự xoay tăng lên, và có nhiều thớ đạt đến chảy (xem hình 2.10c) Khi tải trọng tác dụng lớn đến mức mà toàn bộ tiết diện đạt đến chảy xảy ra, tiết diện lúc này là hoàn toàn dẻo và mô men uốn tương ứng được gọi là mô men dẻo Mp Bất
kỳ sự tăng tải trọng nào sẽ chỉ tăng biến dạng mà không tăng sức kháng mô men uốn
Mô men giới hạn này có thể thấy trên đường cong quan hệ giữa mô men và độ cong như được thể hiện ở hình 2.11
Trang 31Hình 2.11 Đường cong quan hệ mô men và độ cong lý tưởng
Khi mô men dẻo Mp đạt được tại tiết diện nào đó, khớp dẻo sẽ hình thành Nếu khớp dẻo hình thành trong kết cấu tĩnh định, như dầm đơn giản ở (hình 2.10a), thì cơ cấu sụp đổ sẽ xảy ra Nếu nó hình thành trong kết cấu siêu tĩnh thì cơ cấu sụp đổ không xảy ra và khả năng chịu được tải trọng cao hơn nữa cho đến khi hình thành cơ cấu sụp đổ Sự phân bố lại mô men có thể xảy ra trong kết cấu siêu tĩnh Điều này tạo
ra sự chuyển mô men từ vị trí ứng suất cao hơn sang vị trí có dự trữ cường độ Kết quả
là nâng cao khả năng chịu tải trọng và tải trọng phá hoại kết cấu sẽ lớn hơn
Sức kháng uốn của tiết diện phụ thuộc chủ yếu vào khả năng chịu nén của biên chịu nén Nếu biên chịu nén được đỡ ngang liên tục và vách chắc chắn thì mất ổn định trong bản biên chịu nén không xảy ra và tiết diện sẽ đạt đến mô men dẻo hoàn toàn, nghĩa là Mn=Mp Tiết diện mà thỏa mãn sự thu hẹp các điểm đỡ ngang và tỷ số chiều rộng/bề dày đối với bản biên và vách được gọi là tiết diện chắc Các tiết diện sẽ làm việc hoàn toàn dẻo và quan hệ giữa mô men và độ cong của nó tương tự như đường cong trên cùng ở (hình 2.12)
Hình 2.12 Ứng xử ba loại tiết diện
Nếu biên chịu nén được đỡ ngang với các khoảng đủ lớn để cho bản biên chịu nén mất ổn định cục bộ, nhưng không mất ổn định tổng thể, thì biên chịu nén làm việc giống như một cột quá đàn hồi Tiết diện của cột quá đàn hồi có dạng chữ T, trong đó một phần đạt đến chảy và phần khác thì không Các tiết diện này nằm trung gian giữa
Trang 32mất ổn xoắn ngang thì biên chịu nén làm việc như một cột đàn hồi mà sức kháng của nó
là tải trọng mất ổn định cực hạn giống như Euler bị giảm đi do hiệu ứng xoắn Sự mất
ổn định sẽ xảy ra đối với các tiết diện này khi tỷ số độ mảnh của biên chịu nén tương đối lớn và được gọi là tiết diện mảnh Sự làm việc tiết diện mảnh được thể hiện bằng đường cong dưới cùng của hình (2.12) Các tiết diện mảnh sử dụng vật liệu không hiệu quả và hầu hết các nhà thiết kế đều tránh bằng cách bố trí thêm các liên kết đỡ ngang
2.2.3.2 Mô men chảy của tiết diện liên hợp
Bởi vì tiết diện làm việc đàn hồi cho đến khi đạt đến chảy đầu tiên nên việc cộng tác dụng các mô men vẫn được áp dụng Vì vậy, mô men My là tổng mô men tác dụng riêng biệt lên tiết diện dầm thép, tiết diện liên hợp dài hạn và tiết diện liên hợp ngắn hạn
Ba giai đoạn tác dụng tải trọng lên tiết diện liên hợp chịu mô men dương:
- Mô men do tải trọng thường xuyên có hệ số lên tiết diện dầm thép trước khi bê tông đạt 75% cường độ chịu nén 28 ngày là MD1 và mô men kháng uốn (hay còn gọi là
mô đun tiết diện) ở giai đoạn này là SNC
- Mô men do các tải trọng thường xuyên có hệ số còn lại (lớp phủ mặt cầu, bê tông rào chắn, …) là MD2, và mô men kháng uốn của tiết diện liên hợp dài hạn là SLT
- Mô men cần thêm vào để gây ra chảy tại một thớ biên dầm thép là MAD Mô men mày do hoạt tải có hệ số gây ra và mô men kháng uốn của tiết diện liên hợp ngắn hạn là SLT Mô men MAD có thể tìm được từ phương trình:
2.2.3.3 Trục trung hòa dẻo của tiết diện liên hợp
Bước đầu tiên để xác định mô men dẻo của tiết diện liên hợp là tìm trục trung hòa của các lực dẻo Các lực dẻo trong các phần thép trong tiết diện bằng tích của diện tích các bản biên, vách và cốt thép nhân với cường độ chảy tương ứng Các lực dẻo trong phần bê tông của tiết diện, mà nó phải chịu nén, dựa vào ứng suất hình chữ nhật tương đương '
0.85f ; tuy nhiên, bê tông chịu kéo thì không cần xét đến c
Vị trí trục trung hòa dẻo PNA tìm được bằng cách cân bằng các lực dẻo chịu nén với các lực dẻo chịu kéo Nếu không chắc chắn thì có thể giả thiết vị trí của PNA, sau
đó chứng tỏ giả thiết đó đúng hay không bằng cách cộng các lực dẻo Nếu vị trí giả
Trang 33thiết không thỏa mãn điều kiện cân bằng thì cần giải một biểu thức sửa đổi để tìm vị trí chính xác của PNA
Mô men dẻo Mp là tổng các mô men của các lực dẻo đối với trục PNA Sự mất
ổn định tổng thể và mất ổn định cục bộ được giả thiết không xảy ra để đạt được các lực dẻo
yi : Khoảng cách từ lực dẻo Pi đến trục trung hòa dẻo
2.2.3.5 Phân loại tiết diện và các bộ phận của tiết diện
Hình dạng tiết diện ngang được phân loại thành tiết diện chắc, không chắc, hoặc mảnh phụ thuộc vào tỷ số chiều rộng-bề dày của các phần tử chịu nén và các yêu cầu của hệ liên kết:
Tiết diện chắc là tiết diện có thể phát triển mô men dẻo hoàn toàn Mp trước khi mất ổn định xoắn ngang hoặc mất ổn định cục bộ của bản biên hoặc vách xảy ra
Tiết diện không chắc là tiết diện có thể phát triển bằng hoặc lớn hơn mô men chảy My nhưng nhỏ hơn Mp trước khi mất ổn định cục bộ của bất kỳ phần tử chịu nén nào xảy ra
Tiết diện mảnh là tiết diện các phần tử chịu nén quá mảnh gây ra mất ổn định trước khi đạt đến mô men chảy My
Đường cong ứng xử các loại tiết diện này ở (hình 2.12) đã mô tả sự làm việc của chúng
2.2.3.6 Tính chất ổn định theo tiêu chuẩn AASHTO
Tỷ số độ mảnh của bản biên, vách, hoặc dầm được biểu diễn dưới dạng tỷ số không thứ nguyên, tức là chiều rộng chia cho chiều dài Ví dụ, tỷ số này đối với cột là
kl r, hoặc tỷ số chiều rộng-bề dày b f 2t f, hoặc tỷ số độ mảnh của vách D t w
Trang 34có thể đạt được ứng suất chảy và được xem là chắc Trong vùng mà tỷ số độ mảnh
lớn hơn r (điểm neo 2), phần tử kết cấu được xem là mảnh và mất ổn định đàn hồi sẽ khống chế sức kháng của nó Trong vùng nằm giữa điểm neo 1 và điểm neo 2, nghĩa là
một đường tuyến tính giữa hai điểm trên Tiêu chuẩn AASHTO LRFD cho phép dùng
mô hình này cho hầu hết sự làm việc chịu nén của thép
2.2.3.7 Mất ổn định cục bộ của vách
Tiêu chuẩn về mất ổn định vách thẳng đứng Mất ổn định thẳng đứng không
được chỉ ra trực tiếp trong Tiêu chuẩn AASHTO LRFD Các giới hạn tổng quát đối với độ mảnh vách được lấy:
Khi có sườn tăng cường ngang: 150
w
D
t (2.6) Khi có sườn tăng cường dọc: 300
- Tiêu chuẩn về mất ổn định vách do uốn Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2005 đưa
để xác định tỷ số độ mảnh của vách trong đó có phân biên mất ổn định đàn hồi và quá đàn hồi Các biểu thức của AASHTO năm 2005 là:
+ Khi vách không có sườn tăng cường dọc:
2 150
c w
D
t (2.8) + Khi vách có sườn tăng cường dọc:
2 300
c w
cp
t F (2.10) Đối với tiết diện chắc chịu uốn âm, yêu cầu độ mảnh của vách là:
2 5.7
cp
t F (2.11)
Trang 35- Mất ổn định cục bộ của bản biên chịu nén
Theo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 2005 đơn giản các công thức này có tính đến
c yc
f F để tránh sự tương tác giữa tải trọng và sức kháng Ngoài ra, AASHTO LRFD
2005 còn quy định giới hạn kích thước bản biên là:
12 2
Nếu chiều dài không liên kết dọc lớn hơn L r , nghĩa là:
Nếu vách tương đối chắc, hoặc nếu có bố trí sườn tăng cường dọc thì mất ổn định uốn của vách không thể xảy ra và cả hai sức kháng xoắn thuần túy và xoắn oằn Có thể được đơn giản hóa nếu giả thiết rằng tiết diện chữ là đối xứng kép và mô men quán tính của tiết diện thép đối với trục yếu Iy, bỏ qua sự tham gia của vách, là:
I y I ycI yt 2I yc (2.16) Cũng vậy, mô đun đàn hồi cắt G có thể được viết theo tỷ số Poisson 0.3 là 2 1 2 1 0.3 0.385