Thiết kế cầu dây văng 1

Thiết kế cầu dây văng

Trờng Đại học giao thông vận tải hà NộiKhoa công trình

bộ môn cầu hầm

-Đồ án tốt nghiệp

thiết kế cầu dây văng

Giáo viên hớng dẫn : CHU VIếT BìNHGiáo viên đọc duyệt : Nguyễn đại việtSinh viên thực hiện : Hồ XUÂN NAM Lớp : Cầu - Đờng bộ A K41

Trờng : ĐH Giao thông vận tải Hà Nội.–

Hà Nội : Tháng 5 - 2005

Lời nói đầu*

Sau thời gian học tập tại trờng ĐHGTVT bằng sự nỗ lực của bản thân cùng với sự chỉ bảo dạy dỗ tận tình của các thầy cô trong trờng ĐHGTVT nói chung và các thầy cô trong Khoa Công trình nói riêng em đã tích luỹ đợc nhiều kiến thức bổ ích trang bị cho công việc của một kỹ s tơng lai.

Đồ án tốt nghiệp là kết quả của sự cố gắng trong suốt 5 năm học tập và tìm hiểu kiến thức tại trờng , đó là sự đánh giá tổng kết công tác học tập trong suốt thời gian qua của mỗi sinh viên Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp này em đã đợc sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô giáo trong bộ môn Cầu – Hầm , đặc biệt là sự giúp đỡ trực tiếp của thầy : Chu Viết Bình.

Do thời gian tiến hành làm Đồ án và trình độ lý thuyết cũng nh các kinh nghiệm thực tế còn có hạn nên trong tập Đồ án này chắc chắn sẽ không tránh khỏi nhứng thiếu sót Em xin kính mong các thầy cô trong bộ môn chỉ bảo để em có thể hoàn thiện hơn Đồ án cũng nh kiến thức chuyên môn của mình.

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, 30 tháng 04 năm 2005.Sinh viên : Hồ Xuân Nam.

NHËn xÐt cña gi¸o viªn h íng dÉn.

NHận xét của giáo viên đọc duyệt

Mục lục

Nhận xét của giáo viên hớng dẫn 2Nhận xét của giáo viên đọc duyệt 3

Cầu liên tục đúc hẫng

36 Chơng III Phơng án sơ bộ I :

Cầu Liên hợp liên tục

70 Chơng IV So sánh lựa chọn PA thiết kế kĩ thuật 108

Chơng V Điều chỉnh nội lực Cầu dây văng 112 Chơng VI Xác định nội lực và tính duyệt dầm chủ 137

Chơng VIII Tính và kiểm duyệt Mặt cầu - dầm ngang 163

Tổng quan *

- Khẩu độ thoát nớc yêu cầu : L > 300mI.2 – Đặc điểm về Địa chất

- Đã tiến hành khoan tại 6 lỗ khoan ỏ vị trí xây dựng cầu dự kiến và có kết quả sau :+) Lớp 1a : Lớp đất đắp,cát san lấp,hạt trung

+) Lớp 1b: Lớp bùn sét màu xám đen,trạng thái dẻo chảy :

+) Lớp 2 : Lớp sét màu xám đen, nâu,nâu vàng.Trạng thái cứng đến nửa cứng +) Lớp 3a : Cát hạt trung màu nâu đỏ,vàng,vàng nâu đôi chỗ lẫn thạch anh,kết cấu chặt vừa

+) Lớp 3b : Lớp sét màu xám đen.Trạng thái dẻo mềm đến dẻo cứng+) Lớp 3c : Lớp sét màu nâu vàng.Trạng thái dẻo cứng

+) Lớp 3d : Lớp sét màu vàng.Trạng thái dẻo mềm

+) Lớp 3e : Lớp cát lẫn ít sét màu xám.Trạng thái dẻo mềmII – Các ph ơng án và ph ơng pháp xây dựngII.1 – Quy trình thiết kế và các nguyên tắc chung

II.1.1 Quy trình thiết kế–

- Quy trình thiết kế : Quy trình thiết kế đờng ôtô 4054-98

- Quy trình thiết kế cầu cống : 22TCN – 272 – 01 (Bộ GTVT)

II.1.2 Các nguyên tắc thiết kế–

- Công trình đợc thiết kế vĩnh cửu , có kết cấu thanh thoát phù hợp vơi squy mô của tuyến đờng.

- Đáp ứng đợc yêu cầ quy hoạch , phân tích tơng lai của tuyến đờng.- Thời gian thi công ngắn.

- Thuận tiện cho công tác duy tu bảo dỡng- Giá thành xây dựng thấp.

II.2 – Các thông số kĩ thuật cơ bản.

II.2.1 Quy mô xây dựng–

- Cầu đợc thiết kế vĩnh cửu với tuổi thọ >100 năm.

II.2.2 Tải trọng thiết kế –

- Sử dụng cấp tải trọng theo quy trình thiết kế cầu : 22TCN – 272 - 2001

+) Hoạt tải thiết kế : HL93

- Xe tải thiết kế : P = 325 KN- Xe 2 trục thiết kế : P = 220 KN

- Tải trọng làn thiết kế : q = 9,3 KN /m+) Tải trọng Ngời : 3 KN /m2

- Hệ số tải trọng

+) Tĩnh tải giai đoạn 1 : γ1 = 1,25+) Tĩnh tải giai đoạn 2 : γ2 = 1,5+) Hoạt tải : γ1 = 1,75

- Hệ số động (hệ số xung kích ) : IM = 1+ 25 / 100 = 1,25

II.2.3 Khổ cầu thiết kế–

- Mặt cắt ngang thiết kế cho 3 làn xe với vận tốc thiết kế : V=80 km/h- Mặt cắt ngang khổ : K = 10.5+2x1.5 m

+) Phần xe chạy : Bxe = 3x3.5 m+) Phần lề bộ hành : Ble = 2x1.5m

II.2.4 Khổ thông thuyền–- Sông thông thuyền cấp II :

+) Tĩnh cao : H = 9 m+) Tĩnh ngang : B = 60 m

Phần I : Thiết kế sơ bộ các Phơng án cầu

Chơng I : Phơng án sơ bộ IThiết kế Cầu dây văng

I – Giới thiệu chung về ph ơng ánI.1 – Tiêu chuẩn thiết kế

- Quy trình thiết kế : 22TCN – 272 – 01 Bộ Giao thông vân tải- Tải trọng thiết kế : HL93 , đoàn Ngời bộ hành 300 Kg/m2I.2 – sơ đồ kết cấu

I.2.1 Kết cấu phần trên–

- Sơ đồ bố trí chung toàn cầu 3x33+90+187+90+2x33

- Kết cấu cầu không đối xứng gồm 5 nhịp dẫn 33 m và hệ cầu dây văng ba nhịp - Chiều cao cột tháp dự tính : 53.05 m tính từ đỉnh bệ tháp

- Mặt cắt ngang dầm có chiều cao không đổi dạng TT - Chiều dài một khoang sơ bộ chọn 8 m

- Số lợng dây cho một cột tháp 22 dây

- Các dầm ngang đợc bố trí trên suốt chiều dài dầm dọc với khoảng cách 4m một dầm ngang

- Vật liệu chế tạo kết cấu nhịp :+ Bê tông mác 400

+ Cốt thép cờng độ cao dùng các loại tao đơn 7 sợi + Thép cấu tạo dùng thép CT3

I.2.2 Kết cấu phần d– ới

1 - Cấu tạo tháp cầu :

- Tháp cầu dùng loại thân hộp đặc đổ BT tại chỗ Bê tông chế tạo M300- Phơng án móng : Móng cọc đài cao ,cọc khoan nhồi đờng kính φ 1,5 m.2- Cấu tạo trụ cầu :

- Trụ cầu dùng loại trụ thân hẹp , đổ bê tông tại chỗ mác M300- Trụ cầu dẫn : đợc xây dựng trên móng cọc khoan nhồi D= 120 cm -Trụ cầu chính : đợc xây dựng trên móng cọc khoan nhồi D= 150 cm- Phơng án móng : Móng cọc đài cao

3 - Cấu tạo mố cầu

- Mố cầu dùng loại mố U BTCT , đổ tại chỗ mác bê tông chế tạo M300.

- Mố của kết cấu nhịp đợc đặt trên móng cọc khoan nhồi φ1.2 m.III– Tính toán kết cấu nhịp cầu dây văng

II.1 – Chọn sơ đồ nhịp cầu

Nghiên cứu các đặc điểm địa chất - địa hình - thủy văn và kiến trúc cảnh quan xung quanh, điều kiện kinh tế - xã hội - chính trị của các vùng mà tuyến đi qua Ta quyết định chọn phơng án cầu dây văng ba nhịp có hai mặt phẳng giàn dây đối xứng qua tháp cầu.

Theo thống kê các cầu dây văng trên thế giới và trong nớc đã và đang xây

II.3 – Lựa chọn các thiết bị phụ cho cầu dây văng

Hiện nay, các tao cáp đơn đợc sử dụng rộng rãi cho kết cấu BTCT Ư.S.T và cầu dây văng vì các tao đơn dễ vận chuyển, dễ lắp đặt và thích hợp với hệ neo thông dụng nhất hiện nay là neo kẹp

Sử dụng loại tao đơn gồm 7 sợi thép φ5 đờng kính ngoài 15,2 mm Đồng thời sử dụng dây văng đợc tổ hợp từ các tao thép giảm đợc độ giãn của dây ( do độ võng của trọng lợng bản thân gây ra khi chịu tác dụng của hoạt tải ).

Các tao thép đợc căng kéo riêng biệt và đợc ghép thành bó lớn trong các khối neo ở ngay hiện trờng Công tác lắp đặt dây văng rất đơn giản vì dây đợc lắp từng tao nhỏ lên không cần giàn dáo Hệ neo dùng với loại dây văng này là neo kẹp 3 mảnh giống hệ neo dùng trong cầu BTCT - ƯST.

Khối neo là khối thép hình trụ có khoan các lỗ hình côn để luồn các tao thép và các tao thép này đợc kẹp chặt bằng nêm 3 mảnh hình côn có ren răng Bên ngoài khối neo đợc ren răng và dùng một êcu đủ lớn để xiết neo theo nguyên tắc vặn bu - lông.

Phơng án dùng dây văng tổ hợp từ các tao thép 7 sợi và hệ neo kẹp là phơng án tối u nhất vì so với các dây văng sử dụng cáp xoắn ốc hay cáp kín thờng phải dùng neo đúc, loại neo này cần đợc đổ ở nhiệt độ 4500ữ 5000 là yêu cầu khó đảm bảo ở ngay tại công trờng Đồng thời việc vận chuyển lắp đặt các bó cáp lớn và dài sẽ gặp khó khăn hơn và việc điều chỉnh nội lực dây văng bằng cách thay đổi chiều dài dây cũng rất hạn chế.

II.4 – Hình dạng và tiết diện của tháp cầu

- Chiều cao tháp cầu đợc chọn sao cho đảm bảo các yêu cầu sau :+) Đảm bảo liên kết giữa dây văng và tháp

+) Đảm bảo cho goc nghiêng của dây văng hơp lý trong quá trình chịu lực Góc nghiêng của dây văng giữa α = 20 ữ25 o

- Từ các phân tích trên ta chọn tháp cầu có các thông số nh sau+) Chiều cao toàn bộ của tháp h th = 53.05 m

+) Chiều cao từ bệ tháp đến đáy dầm : hct= 10.30 m

+) Chiều cao từ tai neo đến dây văng thấp nhất : htt = 24.14 m+) Chiều cao bố trí dây văng : hdv =18 m

+) Khoảng cách từ điểm neo dây trên cùng đến đỉnh tháp : hdt = 2.5m1 - Bảng tính toán góc nghiêng dây văng nhịp biên :

II.5.1 Tính tĩnh tải–1- Tính tĩnh tải giai đoạn I

- Tĩnh tải giai đoạn I gồm có các bộ phân sau :+) Trọng lợng bản thân dầm chủ : DCdc+) Trọng lợng dầm ngang : DCdn

+) Trọng lợng tai đeo dây văng : DCtdDCITC = DCdc+ DCdn+ DCtd- Tính trọng lợng dầm chủ: DCdc

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị

- Tính trọng lợng dầm ngang và tai đeo dây văng: DCdc, DCtd

Tên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trịĐơn vị

Khoảng cách giữa các dầm ngang adn 400 cm

Chiều dày tai đeo δtd 80 cm

Khoảng cách giữa các tai đeo atd 800 cm

Trọng lợng dầm ngang dải đều DCdn 12.1 KN /m

Trọng lợng dầm tai đeo dải đều DCtd 2 KN /m

- Tĩnh tải dải đều tiêu chuẩn giai đoạn I

DCITC = DCdc+ DCdn+ DCtd = 109,57+12,1+ 2 = 123,67 KN/m- Tĩnh tải giai đoạn I tính toán :

DCITT = γ.DCITC = 1,25 123,67 = 154,57 KN/m2 - Tính tĩnh tải giai đoạn II

- Tĩnh tải giai đoạn II gồm có các bộ phận sau :+) Trọng lợng gờ chắn bánh

+) Trọng lợng phần chân lan can+) Trọng lợng lan can tay vịn+) Trọng lợng lớp phủ mặt cầu+) Trọng lợng phần lề Ngời đi bộ

DWIITC = DWgc+ DWclc+ DWlc+tv+ DWng- Tính trọng lợng lớp phủ mặt cầu

Tên gọi các đại lợng Chiều dày h (cm)

Lớp bê tông mui luyện dày 1.03 0.24 KN/m2

Trọng lợng lớp phủ mặt cầu DWmcTC 2.77 KN/m2Trọng lợng dải đều lớp phủ mặt cầu tính cho 1 dầm :

DWmctc= 2,77 5,25= 14,53 (KN/m)

- Tính trọng lợng của lan can + tay vịn +gờ chắn bánh + lề Ngời đi bộTên gọi các đại lợng Kí hiệu Giá trị Đơn vị1- Tính trọng lợng chân lan can

Chiều rộng chân lan can ngoài Blcn 20 cmChiều cao chân lan can ngoài Hlcn 25 cmChiều rộng chân lan can trong Blct 20 cmChiều cao chân lan can trong Hlct 25 cmTrọng lợng dải đều phần chân lan can DWlc 4.25 KN/m

2- Tính trọng lợng cột lan can và tay vịn

Trọng lợng 1 ống thép tròn lan can Polc 237.49 KNTrọng lợng dải đều phần ống thép polc 1.294 mTrọng lợng 1 thép bản lan can Ptb 0.0407 KN/mTrọng lợng dải đều phần thép bản ptb 1.356 KN/mTrọng lợng dải đều lan can Pot 2.65 KN/m3- Tính trọng lợng gờ chắn bánh

Trọng lợng dải đều của gờ chắn bánh DWg 1.41 KN/m4 - Tính trọng lợng lề ngời đi bộ

Chiều dày trung bình lề ngời đi bộ Hle 10 cmTrọng lợng lề ngời đi bộ DWNG 3.45 KN/m- Tính tĩnh tãi giai đoạn II

+) Tính tải giai đoạn II tiêu chuẩn

DWIITC = DWgc+ DWclc+ DWlc+tv+ DWng

= 14,53 + 4,25 + 2x 2,65 + 1,41 + 3,45 = 24,16 KN/m+) Tĩnh tải giai đoạn II tính toán

DWIItt = γ DWIITC = 1,5 24,16 = 36,24 KN/m3 - Tổng hợp tĩnh tải 2 giai đoạn

- Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn I : DCTC

I = 123,67 KN/m- Tĩnh tải tiêu chuẩn giai đoạn II : DWTC

II = 24,16 KN/m- Tĩnh tải tiêu chuẩn tổng cộng : DTC = 155,3 KN/m- Tĩnh tải tính toán giai đoạn I : DCTC

I = 154,57 KN/m- Tĩnh tải tính toán giai đoạn II : DWTC

II = 36,24 KN/m- Tĩnh tải tính toán tổng cộng : DTT = 190,81 KN/m

II.5.2 Tính hoạt tải–

1 - Hoạt tải xe tính toán theo quy trình 22TCN – 272 - 01

- Hoạt tải xe HL 93 lấy theo quy trình 22TCN – 272 – 01 Tuỳ thuộc vào dạng ĐAH mà xếp tải sao cho đạt đợc hiệu bất lợi nhất.

+) Hệ số điều chỉnh tải trọng : ηi = 1+) Hệ số tải trọng của hoạt tải : γi = 1,75

+) Hệ số xung kích 1+IM/100 = 1+25/100 = 1,252 - Tính hệ số phân bố ngang

- Nguyên tắc tính hệ số phân bố ngang.

- Nội dung tính hệ số phân bố ngang

+) Coi bản mặt cầu là dầm hẫng kê trên các gối cứng là các dầm chủ+) Vẽ ĐAH phản lực gối.

+) Xếp tải trọng bất lợi theo phơng ngang cầu+) Xác định tung độ ĐAH

- Tính hệ số phân bố ngang

+) Xe tải thiết kế : gXT = .(1,010,8130,6260,4290,2420,045)2

+) Xe 2 trục thiết kế : g2T = .(1,010,8130,6260,4290,2420,045)2

+) Tải trọng làn : gL = .3.(1,0760,7470,6920,3630,3080,021)2

+) Tải trọng Ngời : gNG = .1,5.(1,3561,191)2

+ =0,856II.6 – Tính toán nội lực và chọn tiêt diện dây văng

II.6.1 Chọn loại cáp làm dây văng–

- Sử dụng loại cáp CĐC loại bó xoắn 7 sợi của hãng VSL có các chỉ tiêu nh sau :+) Đờng kính danh định : 15,2 mm

+) Giới hạn chảy : fpy = 1670 Mpa +) Giới hạn bền : fpu = 1860 Mpa +) Cờng độ sử dụng : f = β.fpu

β = 0,45 với tổ hợp tải trọng chính

β = 0,5 với tổ hợp tải trọng phụ

β = 0,56 với tổ hợp tải trọng thi công

=> Cờng độ sử dụng của cáp với tổ hợp tải trọng chính là : fsa = 0,45.1860.102 = 873 Mpa

II.6.2 Tính nội lực trong dây văng–

1 – Tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

a- Công thức tính nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

- Nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn I đợc tính với sơ đồ của giai đoạn thi công - Công thức tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

+) Nội lực trong dây thứ i

+) Nội lực trong dây giữa

b- Bảng tính nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn I

i αi

(độ) Sinαi SiI tĩnh

KN1 67.50 0.924 1338.462 56.06 0.830 1490.423 47.37 0.736 1680.544 41.19 0.659 1877.805 36.65 0.597 2071.476 33.22 0.548 2256.777 30.56 0.508 2431.848 28.44 0.476 2596.239 26.72 0.450 2750.1510 25.29 0.427 2894.1411 24.10 0.408 3028.84

Dây

i αi

(độ) Sinαi SiI tĩnh

KN1' 67.50 0.924 1338.462' 56.06 0.830 1490.423' 47.37 0.736 1680.544' 41.19 0.659 1877.805' 36.65 0.597 2071.476' 33.22 0.548 2256.777' 30.56 0.508 2431.848' 28.44 0.476 2596.239' 26.72 0.450 2750.1510' 25.29 0.427 2894.1411' 24.10 0.408 2839.542 – Tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn II và hoạt tải

a- Công thức tính nội lực dây văng do tĩnh tải giai đoạn II và hoạt tải

- Nội lực trong dây văng do tĩnh tải giai đoạn II và hoạt tải đợc tính với sơ đồ KCN cầu hoàn chỉnh trong giai đoạn khai thác.

- Để tính nội lực trong dây văng do tĩnh tải dg2 và hoạt tải thì ta sử dụng chơng trình Sap2000 vẽ ĐAH nội lực trong dây văng sau đó xếp tải trọng lên ĐAH để tính nội lực

- Nội lực trong các dây đợc tính với sơ đồ xếp tải trọng trên toàn cầu , riêng dây neo đợc tính với sơ đồ xếp hoạt tải tại nhịp giữa

).(+=

- Nội lực do tĩnh tải giai đoạn II SttII = qttII ∑ω

- Nội lực do hoạt tải

+) Do tải trọng làn : SLantt = γlan qlan ϖ++) Do tải trọng Ngời : SNGtt = γNG qNG ϖ+

+) Nội lực do xe tải : Tiến hành đặt 1 xe tải lên ĐAH ở vị trí bất lợi nhất (với khoảng cách các trục sau của xe thay đổi từ 4,3 – 9 m )

b- Đờng ảnh hởng nội lực trong dây văng

- Đờng ảnh hởng nội lực dây 1 và 1’

- Đờng ảnh hởng nội lực dây neo (xếp tải trên nhịp giữa)

c - B¶ng tÝnh to¸n néi lùc trong d©y v¨ng do tÜnh t¶i giai ®o¹n II vµ ho¹t t¶i

A - Néi lùc d©y v¨ng nhÞp biªn

KN1 5.96 -3.78 2.18 80.50 125.32 86.62 238.53 41.99 405.842 10.18 -4.37 5.81 210.54 196.95 135.38 389.72 68.61 655.273 12.34 -3.63 8.71 315.54 225.35 160.08 472.36 83.16 780.874 13.02 -2.03 11.00 398.50 245.30 167.78 498.43 87.75 831.485 13.47 -0.42 13.05 473.05 247.28 169.71 515.54 90.76 853.586 14.67 -0.52 14.14 512.61 220.34 151.10 561.47 98.85 880.667 15.96 -1.10 14.87 538.84 171.37 117.42 611.04 107.58 889.998 17.70 -2.40 15.30 554.49 145.97 99.45 677.42 119.26 942.659 21.27 -5.74 15.53 563.01 113.38 61.27 814.30 143.36 1071.0410 27.88 -12.79 15.09 547.06 283.61 193.13 1067.33 187.90 1538.84D©y neo 34.03 -18.80 15.24 551.52 346.38 235.15 1300.48 228.95 1875.82

B - Néi lùc d©y v¨ng nhÞp gi÷a

D©y i ϖ+ ϖ− ϖ S tÜnh IIKN

S ho¹t t¶i (KN)

Xe t¶i Xe 2 trôc Lµn Ngêi

Si h max

KN1' 5.55 -2.67 2.89 113.52 123.54 85.01 231.74 40.80 396.082' 9.835 -3.078 6.757 244.90 190.72 132.17 376.47 66.28 633.473' 12.405 -2.462 9.943 360.37 224.52 155.91 474.85 83.60 782.974' 13.96 -1.622 12.338 447.17 240.24 165.54 534.37 94.08 868.695' 15.7 -1.026 14.674 531.84 255.71 174.84 600.98 105.80 962.496' 16.675 -0.811 15.864 574.97 253.19 172.92 638.30 112.37 1003.867' 17.748 -1.209 16.539 599.43 244.66 167.14 679.37 119.60 1043.648' 18.55 -1.885 16.665 604.00 231.59 158.16 710.07 125.01 1066.67