Đồ án môn học thiết kế cầu thép (Thuyết minh + bản vẽ DWG)

Đồ án môn học thiết kế cầu thép được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 11823:2017. Do kiến thức có hạn nên khó tránh những sai sót trong quá trình thực hiện, em rất mong nhận được sự phê bình góp ý của quý thầy cô, đó là những bài học quý báu giúp em vững bước hơn trên con đường hành nghề.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HCMKHOA CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG

T.P Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2021

LỜI NÓI ĐẦU

Đồ án môn học thiết kế cầu thép được xây dựng dựa trên tiêu chuẩn Việt Nam TCVN11823:2017 Do kiến thức có hạn nên khó tránh những sai sót trong quá trình thực hiện,em rất mong nhận được sự phê bình góp ý của quý thầy cô, đó là những bài học quý báugiúp em vững bước hơn trên con đường hành nghề.

Để thực hiện tốt đồ án này, em xin chân thành cảm quý thầy cô trong khoa Côngtrình giao thông cũng như Viện đào tạo chất lượng cao đã tạo điều kiện để em hoàn thànhđồ án Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến xxxxxxx– một người thầy tận tình vàtâm huyết với nghề nhà giáo, cảm ơn vì những buổi học hay, những câu chuyện vui mỗikhi đến lớp và hơn hết là những kiến thức quý báu được tích góp trong gần 10 năm hànhnghề của thầy Em xin đại diện lớp kính chúc thầy luôn mạnh khỏe, vui vẻ và thành côngtrong cuộc sống.

Chân thành cảm ơn!Đạt

Nguyễn Tấn Đạt

MỤC LỤC

Chương 1 TỔNG HỢP SỐ LIỆU 10

1.1 Số liệu thiết kế 10

1.2 Vật liệu 10

1.3 Thiết kế sơ bộ mặt cắt ngang 10

1.3.1 Chọn số lượng dầm n, khoản cách dầm S, chiều dài cánh hẫng Lc 10

1.3.2 Thiết kế thoát nước mặt cầu 11

3.1 Đặt trưng hình học của tiết diện 18

3.1.1 Giai đoạn chưa liên hợp (NC) 18

3.1.2 Giai đoạn liên hợp (tính cho đầm trong) 19

3.1.2.1 Bề rộng hữu hiệu 19

3.1.2.2 Giai đoạn liên hợp ngắn hạn 20

3.1.2.3 Giai đoạn liên hợp dài hạn 22

3.2 Tải trọng và hệ số số phân bố ngang 24

3.2.1 Tải trọng tác dụng lên cầu 25

3.4.1 Sức kháng cắt của khoang không sườn tăng cường (khoang đầu) 46

3.4.2 Sức kháng cắt của khoang có sườn tăng cường 46

3.5 Kiểm toán khả năng thi công (Điều 10.3 TCVN 11823:2017) 47

3.5.1 Xác định mô men dẻo Mp, mô men chảy My 47

3.5.1.1 Mô men dẻo Mp 47

3.5.1.2 Mô men chảy My 49

3.5.2 Phân loại tiết diện 49

3.5.2.1 Bản bụng (Điều A2 phụ lục A) 49

3.5.2.2 Bản cánh nén (Điều A3 phụ lục A) 50

3.5.3 Tính các tham số kiểm toán sức kháng uốn giai đoạn thi công 51

3.5.3.1 Ứng suất trong bản cánh không xét uốn ngang fbu ( Điều 10.1.6) 51

3.5.3.2 Sức kháng ổn định uốn danh định của bản bụng theo Fcrw (Điều 10.1.9) 523.5.3.3 Ứng suất uốn ngang fl (Điều 10.1.6) 53

3.5.4 Sức kháng uốn 56

3.5.4.1 Bản cánh chịu nén được giằng gián đoạn 56

3.5.4.2 Bản cánh chịu kéo có giằng gián đoạn 57

3.5.4.3 Bản cánh kéo nén giằng liên tục 57

3.6 Kiểm tra sức kháng uốn tiết diện liên hợp (Điều 10.7) 57

3.6.1 Xác định mô men dẻo Mp, mô men chảy My 57

3.6.1.1 Mô men dẻo Mp 57

3.6.1.2 Mô men chảy My 61

3.6.2 Phân loại tiết diện chịu uốn 64

3.6.3 Xác định sức kháng uốn danh định Mn 65

3.6.4 Kiểm toán sức kháng uốn dầm liên hợp 65

3.6.4.1 Xác đinh modul mặt cắt đàn hồi xoay quanh trục chính mặt cắt đối với bản cánh Sxf 65

3.6.4.2 Xác định chiều cao chịu nén Dc đàn hồi bản bụng(Điều 3.1 phụ lục D) 66

3.6.4.3 Xác định ứng suất uốn ngang trong bản cánh fl (Điều 10.1.6) 67

3.6.5 Phương trình kiểm toán sức kháng uốn 72

3.7 Kiểm toán theo TTGH sử dụng 72

3.7.1 Kiểm tra biến dạng không phục hồi (điều 10.4.2.2) 72

3.7.1.1 Ứng suất bản biên và chiều cao vùng nén đàn hồi Dc 73

3.7.1.2 Ứng suất uống ngang fl ở TTGHSD 74

3.7.2 Ứng suất trong bản bê tông 76

3.7.3 Kiểm toán độ võng của dầm 77

3.7.3.1 Độ võng do tĩnh tải 77

3.7.3.2 Độ võng do hoạt tải 78

3.8 Kiểm toán ở TTGH mỏi 80

3.8.2 Kiểm toán mỏi bản biên (0.75(LL IM ) 81

3.8.2.1 Sức kháng mỏi danh định (F)n 81

3.8.2.2 Ứng suất mỏi (f) 82

3.8.3 Kiểm toán mỏi vách đứng (2 0.75( LL IM ) 83

3.8.3.1 Lực cắt Vu do xe tải mỏi và tĩnh tải gây ra tại vị trí đầu dầm (mặt cắt I-I) 843.8.3.2 Sức kháng cắt Vcr 84

4.1.2.3 Sức kháng mỏi chịu cắt của một neo riêng lẻ Zr 91

4.1.3 Kiểm tra sức kháng của neo đinh 92

4.2 Sườn tăng cứng 93

4.2.1 Yêu cầu về mô men quán tính 93

4.2.2 Kiểm toán sườn tăng cứng gối 94

4.2.2.1 Sức kháng tựa của sườn gối 94

4.2.2.2 Sức kháng dọc trục 95

4.3 Thiết kế mối nối (Tham khảo “Steel bridge design handbook-splice design”) 96

4.3.1 Thiết kế mối nối bản cánh dưới (bản cánh khống chế) 96

4.3.1.1 Xác định số lượng bu long theo sức kháng cắt 96

4.3.1.2 Kiểm tra bulong theo sức kháng trượt 98

4.3.2 Mối nối bản cánh trên (bản cánh không khống chế) 100

4.3.2.1 Xác định số lượng bu long theo sức kháng cắt 100

4.3.2.2 Kiểm tra bulong theo sức kháng trượt 102

4.3.3 Mối nối bản bụng 103

4.3.3.1 Sơ bộ bố trí bulong bản bụng 103

4.3.3.2 Xác định lực tác dụng tác dụng lên bulong 104

4.3.3.3 Kiểm toán sức kháng cắt của bulong bản bụng 105

4.3.3.4 Kiểm toán sức kháng trượt của bulong bản bụng 106

4.4 Thiết kế bản nối 109

4.4.1 Sơ bộ kích thước bản nối 109

4.4.2 Tính đặt trưng hình học bản nối 110

4.4.3 Kiểm toán mối nối bản cánh trên 111

4.4.4 Kiểm toán mối nối bản cánh dưới 112

4.4.5 Kiểm tra mối nối bản bụng 112

4.5 Thiết kế hệ liên kết ngang 113

4.5.1 Sơ bộ cấu tạo và bố trí khung ngang 113

4.5.2 Thiết kế dầm ngang 113

4.5.2.1 Sơ đồ dặt kích và nội lực 113

4.5.2.2 Chọn tiết diện dầm ngang 114

4.5.2.3 Thiết kế mối nối bulong giữa dầm ngang và sườn tăng cường: 114

4.5.3 Thiết kế liên kết khung ngang 116

4.5.3.1 Tải trọng 116

4.5.3.2 Nội lực 117

4.5.3.3 Kiểm toán thanh giằng xiên 117

4.5.3.4 Thiết kế liên kết bulong giữa LKN và STC 118

4.5.4 Thiết kế đường hàn sườn dầm và bản cánh 119

4.5.4.1 Mối nối hàng góc chịu kéo và nén 119

4.5.4.2 Kiểm toán khả năng chịu cắt của đường hàn 120

Bảng 3.5 Tổng hợp tải trọng 35

Bảng 3.6 Tổng hợp tung độ ĐAH do hoạt tải xe 43

Bảng 3.7 Tổng hợp nội lực chưa nhân hế số 43

Bảng 3.8 Tổng hợp nội lực ở TTGH cường độ I 44

Hình 1.2 Sườn tăng cứng gối 13

Hình 2.1 Chi tiết cột lan can 14

Hình 2.2 Lề bộ hành 15

Hình 2.3 Vị trí các lực tác dụng lên lan can, lề bộ hành 16

Hình 2.4 Bố trí thép lề bộ hành 16

Hình 2.5 Mặt cắt ngang cầu 17

Hình 3.1 Kí hiệu các kích thước 18

Hình 3.2 Tiết diện liên hợp ngắn hạn 21

Hình 3.1 Tiết diện liên hợp dài hạn 22

Hình 3.2 Tải trọng xe HL93 27

Hình 3.3 Mặt cắt bố trí thép hệ liên kết ngang 30

Hình 3.4 và mặt cắt thép liên kết ngang L100x100x10 30

Hình 3.5 Đường ảnh hưởng phản lực gối R2 31

Hình 3.6 ĐAH phản lực gối biên 32

Hình 3.7 Đường ảnh hưởng phản lực gối R1 34

Hình 3.8 Sơ đồ xếp tải để tính nội lực mặt cắt I-I cho dầm giữa 36

Hình 3.9 Sơ đồ xếp tải để tính nội lực cho mặt cắt II-II 37

Hình 3.10 Sơ đồ xếp tải tính nội lực mặt cắt III-III 39

Hình 3.11 Sơ đồ xếp tải tính nội lực mặt cắt III-III 41

Hình 3.12 Lực dẻo trong dầm chưa liên hợp 49

Hình 3.13 Biểu đồ ứng suất giữa hai điểm giằng 54

Hình 3.14 Khoảng cách từ đỉnh bản đến trục trung hòa dẻo 59

Hình 3.15 Tính Dc tại mặt cắt chịu mô men dương 66

Hình 3.16 Độ vồng ngược 78

Hình 3.17 Độ võng tại mặt cắt giữa nhịp 78

Hình 3.18 Xe tải mỏi 81

Hình 3.19 ĐAH mô men tại mặt cắt II-II 82

Hình 3.20 ĐAH lực cắt tại mặt cắt I-I 84

Hình 4.1 Bố trí cấu tạo neo chống cắt 86

Hình 4.2 Các mặt cắt kiểm toán thiết kế bước neo 87

Hình 4.9 Tấm thép nối bản cánh trên 109

Hình 4.10 Tấm thép nối bản bụng 110

Hình 4.11 Tấm thép nối bản cánh dưới 110

Hình 4.12 Sơ đồ đặt kích 114

Hình 4.13 Liên kết bulong dầm ngang và sườn tăng cứng 116

Hình 4.14 Bố trí bulong liên kết giữa STC và LKN 120

Chương 1 TỔNG HỢP SỐ LIỆU1.1 Số liệu thiết kế

Thiết kế một kết cấu nhịp giản đơn, dầm thép liên hợp bản BTCT với các số liệu đầu vào sau:

 Chiều dài toàn dầm: L = 31m; Bề rộng phần xe chạy: B = 11.5m; Lề bộ hành: 2x1.5m;

 Lan can: 2x0.25m;

Trọng lượng riêng của lớp dính bám và chống thấm: 1,5 10 5N mm/ 3.

1.3 Thiết kế sơ bộ mặt cắt ngang

1.3.1 Chọn số lượng dầm n, khoản cách dầm S, chiều dài cánh hẫng Lc

Độ dốc ngang thiết kế : i n 2%

1.3.2 Thiết kế thoát nước mặt cầu

Diện tích ống thoát nước được tính trên cơ sở 1m2 bản mặt cầu phải có ít nhất 1 cm2ống thoát nước Khoảng cách ống tối đa 15m, chiều dài ống vượt qua đáy dầm 100mm.

Diện tích mặt cầu: Acau B Ltc 15 31 465  m Vậy cần bố trí ít nhất 465cm2 2 ốngthoát nước.

Chọn đường kính ống ống D =11.2cm

23.14 11.2

chọn chiều dày bản mặt cầu: hf 180mm.;

Lớp phủ cho bản mặt cầu: sử dụng bê tông asphan dày 50mm.

t  , chọn chiều dày bản bụng tw = 15mm  chiều cao bản bụng

+ Bề rộng bản cánh dưới: b t 480 chọn bt 350mm; + Chiều dày bản cánh dưới: tt 30mm.

1.3.3.3 Sườn tăng cứng đứng

Chỉ bố trí sườn tăng cường đứng, không bố trí sườn tăng cường dọc Vì sườn tăng cường dọc thường chỉ dùng cho các cầu liên tục nhịp lớn khi chiều cao dầm lớn hơn 2 (m), chiều dài nhịp lớn hơn 90 (m).

Khoảng cách giữa các sườn tăng cường đứngdo 3D, với D là chiều cao vách Đoạnđầu dầm sẽ có lực cắt lớn do vậy mà khoảng cách giữa các sườn tăng cường tại vị trí đầudầm d 0 1,5D

Hình 3.1 Bố trí sườn tăng cứng

Sườn tăng cường trung gian

Chiều dày sườn trung gian: tp1 15mm

Chiều rộng phần nhô ra của sườn trung gian bt1:

 

 Sườn tăng cường gối

Chọn bề rộng của sườn gối bt2 = 140mm

Chiều dày của sườn gối được xác định như sau:

E

Hình 3.2 Sườn tăng cứng gối

- Khoảng cách giữa các sườn gối:

d  t    mm, bố trí hai sườn tại gối với d0g 200mm.

Chương 2 THIẾT KẾ LAN CAN VÀ BẢN MẶT CẦU2.1 Lan can

Hình 1.1 Chi tiết cột lan can.

Cột lan can:

- Bố trí chiều dài nhịp 31m;

- Bố trí khoảng cách 2 cột lan can là 2m.

Vậy ta sẽ bố trí mỗi bên cầu gồm: 16 cột lan can, khoảng cách giữa hai cột cuối là 1.5m.

- Một cột lan can được tạo bởi 3 tấm thép: + T1 100 x 1740 x 5 (mm).

+ T2 140 x 740 x 5 (mm).+ T3 100 x 150 x 5 (mm).- Thể tích các tấm thép là:

+ Thể tích tấm thép T1: VT1 = 100 x 1740 x 5 =870000 mm3+ Thể tích tấm thép T2: VT2 = 140 x 740 x 5 =518000 mm3 + Thể tích tấm thép T3: VT3 = 100 x 150 x 5 = 75000 mm3



Hình 1.2 Vị trí các lực tác dụng lên lan can, lề bộ hành.

Vị trí đặt DC3: Xác định bằng cách cân bằng momen tại điểm A

0,246 125 4.063 125+3.25 900 1.5 16509.06

Cốt thép dùng trong bản mặt cầu là thép CII có cường độ Fy=280 MPa, bê tông dùng cho bản mặt cầu là loại bê tông có cường độ chịu nén f’c=28 MPa

Thiết kế bản mặt cầu theo cấu tạo, các thông số kích thước được thể hiện ở hình bên dưới.

Hình 1.1 Mặt cắt ngang cầu

Chương 3 THIẾT KẾ DẦM CHỦ3.1 Đặt trưng hình học của tiết diện

Do khối lượng tính lớn nên ở đây ta chỉ tính cho dầm biên làm đại diện, các trường hợp khác tính tương tự và lập bảng kết quả.

3.1.1 Giai đoạn chưa liên hợp (NC)

X XsK

NCs tNCI

s bNCNCs bNCI

 1850

1025 19502

Cốt thép trong bản mặt cầu là 14a200, bê tông bản mặt cầu có cường độ f’c=35Mpa.Mô đun đàn hồi của bê tông được xác định như sau:

Hình 3.2 Tiết diện liên hợp ngắn hạn

Diện tích mặt cắt ngang dầm liên hợp

dscttd ctA A A A 

Trong đó:

i std ct

Khoảng cách từ trục TH1 đến trục TH2:

s ts tSTNCs bs b

106 100 180 386

s tSTSTs tST

s bSTSTs b

3.1.2.3 Giai đoạn liên hợp dài hạn

Hình 3.1 Tiết diện liên hợp dài hạn

Diện tích mặt cắt ngang dầm liên hợp:2

Y Y  c   mm

s bs bLTNC

Y Y c   mm

Khoảng cách từ trục trung hòa TH2 đến mép dưới, trên phần bê tông:

c bs tLTLT

Tiết diện dầm thép liên hợp Ngắn hạn (ST) Dài hạn (LT)

Mô men kháng uốn

mép trên dầm thép mm3 9119072 166476413 43032229Mô men kháng uốn

mép dưới dầm thép mm3 11902939 18673439 17017382Mô men kháng uốn

Mô men kháng uốn

tông

Mô men quán tính

của tiết diện mm4 5421505357 17629619420 12804590431

DẦM BIÊN Đặc trưng Đơn vị Chưa liên

hợp (NC)

Tiết diện dầm thép liên hợp Ngắn hạn (ST) Dài hạn (LT)

Mô men kháng uốn

mép trên dầm thép mm3 9119072 184610486 45005673Mô men kháng uốn

mép dưới dầm thép mm3 11902939 18738882 17105371Mô men kháng uốn

Mô men kháng uốn mép dưới bản bê tông

Mô men quán tính

của tiết diện mm4 5421505357 17862675782 13014282670

3.2 Tải trọng và hệ số số phân bố ngang 3.2.1 Tải trọng tác dụng lên cầu

3.2.1.1 Tĩnh tải

Tải trọng bản thân dầm thép DC1 gồm hai phần

Tải trọng của phần thép làm dầm:5

dams s

Tải trọng của phần sườn tăng cứng qsuon:

- Sườn tăng cứng gối: mỗi dầm có 8 sườn

5

- Sườn trung gian (vị trí có hệ liên kết ngang): bố trí hệ LKN trùng với vị tríSTC trung gian khoảng cách giữa các hệ liên kết ngang Lb = 2500mm

+ Thanh ngang dài: 1745mm ;

+ Thanh xiên dài: 940mm.

+ Trọng lượng bản thân của hệ liên kết ngang quy về tải phân bố đều:

250000, 27 /

N mm

- Dầm ngang: sử dụng thép W760x265 dài 1745m đặt ở các vị tríđầu;1/3;2/3;cuối dầm chủ với khoảng cách 24400 6100

ttn A l

 Tải trọng DC3: Lan can + lề bộ hành:

Sử dụng phương pháp nén lệch tâm để tìm giá trị tải trọng của DC3 truyền vào dầmbiên và dầm trong Do tính chất đối xứng của kết cấu nên theo phương pháp nén lệchtâm, tải trọng DC3 sẽ phân phối đều cho các dầm và có giá trị:

1.133 /8

Hình 2.1 Tải trọng xe HL93

- Tải trọng xe 2 trục:

+ Xe 2 trục: P1 = P2 = 0.65x110000 = 715000 N;+ Khoảng các hai trục 1200mm;

+ Khoảng hai bánh theo phương ngang 1800mm.

- Tải trọng làn: Wlàn = 9,3 N/mm theo chiều dọc Theo ngang cầu phân bố trênchiều rộng 3000mm.

3.2.2 Xác định hệ số phân bố ngang dầm chính

Điều kiện áp dụng:

- Số lượng dầm = 8 > 4;

- Khoảng cách giữa các dầm dọc: 1100 S 1850 4900 mm ;- Nhịp dầm dọc: 6000 L 30400 73000 mm;

- Bề rộng mặt cầu không đổi và độ cong trên mặt bằng = 0;

và bản mặt cầu;

+ Ig INC 5,421,505,000mm4;+ Ag As 31500mm2;

Thoả phương pháp dầm đơn.

Ta tiến hành tính HSPN cho dầm giữa bằng phương pháp dầm đơn Đồi với dầm biêntrường hợp 1 làn xe chất tải tính theo phương pháp đòn bẩy, trường hợp nhiều làn xe chấttải tính như HSPBN cho dầm giữa và nhân hệ số điều chỉnh ;e e mv

3.2.2.1 Hệ số phân bố ngang cho dầm trong:

Hệ số phân bố tải trọng cho mô men:- Trường hợp 1 làn xe chất tải:

tttt sK

tttt sK

tt nB

d IL I

(3.2.2.1)

Trong đó:

- Ltt 30400mm là chiều dài nhịp tnh toán;- B = 12950mm là bề rộng hệ dầm;

- d = 1850mm là khoảng cách hai dầm chủ;

- I = 5,421,505,000mm4 là mô men quán tính dầm chủ;

- I là mô men quán tính ngang trên 1m dài và được xác định như sau:n

Hình 1.1 Mặt cắt bố trí thép hệ liên kết ngang

Hình 1.2 và mặt cắt thép liên kết ngang L100x100x10.

Thép L100x100x10 có: A = 1920 mm2 ; I=1,770,000 mm4 và khoảng cách từ trục trung hòa đến mép tiết diện L= 28,2mm

Momen tĩnh đối với trục X-X:

1000 180 2 19206.761

X XK

0.426 0.530400

Hình 1.3 Đường ảnh hưởng phản lực gối R2

+ Đặt gốc tọa độ tại vị trí đầu thừa của phần bản hẫng, các giá trị tung độ khác nội tuyến tính ta đươc kết quả như sau:

3.2.2.2 Dầm biên

Một làn xe chất tải (Phương pháp đòn bẩy)

Hình 2.1 ĐAH phản lực gối biên

Nhiều làn xe chất tải

Theo mục C4.6.2.2.2d LRFD bridge design specifications 2014, khi tính HSPBN chodầm biên, cần tính xét thêm phương pháp nén lệch tâm để kể đến ảnh hưởng của kết cấungang, sau đó lấy giá trị HSPBN = max( PP đòn bẩy, dầm đơn và nén lệch tâm)

Phương pháp dầm đơn:

- Điều kiện sử dụng: d e 725 300, lấy de = -300 là khoảng cách từ tim

dầm biên đến mép trong bó vỉa:

- Tính các hệ số điều chỉnh mô men (em), lực cắt (ev):300



Hình 2.2 Đường ảnh hưởng phản lực gối R1

+ Đặt gốc tọa độ tại vị trí đầu thừa của phần bản hẫng, các giá trị tung độ khác nội tuyến tính ta đươc kết quả như sau:

Bảng 2.1 Nội suy tung độ đường ảnh hưởng gối R1

Vị trí tương

Tải trọngngười

Kiểm tra dầm chủ tại các mặt cắt sau:

- Mặt cắt tại gối (I-I): cách gối một khoảng L = 0 (Vu);

- Mặt cắt giữa dầm (II-II): cách gối một khoảng L =15200mm (Mu,Ms,Mmỏi)- Mặt cắt mối nối (III-III): cách gối một khoảng L = 9700 mm(Ms,Vs)

- Tại mặt cắt LKN gần mặt cắt giữa dầm (IV-IV): cách gối một khoảng L3 =13950 mm(Cb)

3.3.1 Xét dầm trong

3.3.1.1 Xét mặt cắt I-I (vị trí đầu dầm)

Hình 1.1 Sơ đồ xếp tải để tính nội lực mặt cắt I-I cho dầm giữa

Mô men:M = 0

Lực cắt chưa nhân hệ số:- Do TLBT:

truck 94250 ( 1) 94250 ( 0.859) 22750 ( 0.717)191523

Hình 2.1 Sơ đồ xếp tải để tính nội lực cho mặt cắt II-II

Mô men do chưa nhân hệ số:- DC1+DC2+DC3:

3.3.1.3 Xét mặt cắt III-III (mối nối)

Hình 3.1 Sơ đồ xếp tải tính nội lực mặt cắt III-III

Mô men do chưa nhân hệ số:- DC1+DC2+DC3:

- Xe tải ba trục (truck):

94250 (6605 5233) 22750 36771,199,383,000