Kết cấu cầu tàu bệ cọc cao, đài mềm có dầm ngang, dầm dọc và bản mặt cầu trên nền cọc ống BTCT ƯST
3.1.2.1. Thông số cơ bản của cầu tầu
Cao trình đỉnh bến: +5m Cao trình đáy bến: -6m
Cầu chính dài 90 (m), rộng 6 (m). Cầu dẫn dài 19 (m), rộng 6 (m).
3.1.2.2. Nền cọc
Nền cọc cầu chính sử dụng cọc ống BTCT DƯL M400 tiết diện D = 600mm, chiều dày T = 110mm, chiều dài L = 29m
Trong một khung ngang có 3 hàng cọc đóng thẳng
Bước cọc theo phương ngang tính từ sông trở vào là: 2+2m. Bước cọc theo phương dọc a = 5,2m. Trên đầu 02 hàng cọc phía trong có bệ BTCT để liên kết với hệ dầm phía trên
Tổng số cọc của cầu chính là 54 cọc đóng thẳng
3.1.2.3. Hệ thống dầm
Toàn bộ hệ thống dầm cầu chính bằng BTCT M350 đá 1x2 đổ tại chỗ. Hệ thống dầm bao gồm dầm ngang và dầm dọc
a)Dầm ngang cầu chính:
Dầm ngang cầu chính bao gồm dầm ngang N1 có tiết diện bxh = 70x60cm ( kể cả bản mặt cầu ) . Tại các vị trí 2 hàng cọc đầu tiên phía mép bến, dầm ngang hạ thấp xuống thành tiết diện bxh = 70x60cm để liên kết với bản tựa tàu. Cầu chính có tổng số 13 dầm ngang N1 và 03 dầm ngang N1A
b) Dầm dọc cầu chính:
Dầm dọc cầu chính D1 có tiết diện bxh = 70x60cm ( kể cả bản mặt cầu ). Chiều dài dầm dọc theo chiều dọc bến 90m
Cầu chính có tổng số 03 dầm dọc D1 c) Dầm tựa tàu
Dầm tựa tàu bằng BTCT M350 đá đổ 1x2 đổ tại chỗ được bố trí ở mặt trước cầu chính tại vị trí các đầu dầm ngang. Bản tựa tàu có chiều cao 3,5m, dày 0,4m, chạy dọc theo chiều dài bến.
- Các thông số về gờ chắn BTCT, bích neo tàu, công trình bảo vệ bờ… ta chọn như phương án 1.
3.2. Tính toán tải trọng do tàu tác dụng lên công trình 3.2.1. Tải trọng neo tàu
Tàu neo đậu ở bến chịu tác động tổnghợp của gió, dòng chảy và sóng. Được xác định theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ”
3.2.1.1. Tải trọng neo do gió
Theo tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 tải trọng tác động lên tàu do gió được xác định theo công thức Thành phần ngang (KN) ( 3-1 ) Thành phần dọc (KN) ( 3-2 ) Trong đó:
Wq và Wn – Thành phần ngang và dọc của gió tác động lên tàu vq và vn – Thành phần ngang và dọc của tốc độ gió tác dụng lên tàu.
vq = vn = 20m/s ( Tương đương với gió cấp 8 )
q và n - Hệ số phụ thuộc vào kích thước lớn nhất của mặt cản gió Vớí L = 80m tra bảng 2.6 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có:
q = 0,82
Vớí B = 10m tra bảng 2.6 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có:
n = 0,13
Aq và An – Diện tích cản gió theo hướng ngang và theo hướng dọc của tàu (m2)
q và n - Hệ số phụ thuộc vào loại tàu, chiều dài lớn nhất của tàu tính toán. Với tàu hàng tổng hợp và chiều dài tàu Lt.max = 80m và Bt.max = 10m tra Bảng 1 và Bảng 2- phụ lục 3 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có:
qc = 0,05 và nc = 0,9 ( có khách )
qk = 0,09 và nk = 1,2 ( Không có khách )
Kết quả tính toán được thể hiện trong bảng sau: Bảng 4.1. Tải trọng neo do gió
Gió vuông góc với tàu Gió song song với tàu Tàu có khách Tàu không có khách Tàu có khách Tàu không có khách Aq (m2) 320 576 An (m2) 90 120 vq (m/s) 20 20 vn (m/s) 20 20 q 0,82 0,82 n 0,13 0,13 Wq (T) 77,25 139,05 Wn (T) 2,29 3,06
3.2.1.2. Tải trọng neo do dòng chảy
Theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” tải trọng tác dụng lên tàu do dòng chảy được tính theo công thức
Thành phần ngang
(KN) ( 3-3 )
Thành phần dọc
(KN) ( 3-4 )
Trong đó:
Q và N - Thành phần ngang và dọc của lực dòng chảy tác dụng lên tàu vt và vl – Thành phần ngang và thành phần dọc của vận tốc dòng chảy (m/s)
vt = 0,38 ( m/s ) và vl = 2,16 ( m/s )
At và Al - Diện tích cản nước theo phương ngang và phương dọc tàu (m2)
Al = Ltmax.T và At = Bt.T
Lt.max - Chiều dài phần tàu chìm trong nước. Lt.max= 0,85.Lt Lt - Chiều dài tàu tính toán: Lt = 80m
Bt - Chiều rộng tàu tính toán: Bt = 10m T - Mớn nước của tàu tính toán: T = 5,5m Kết quả tính toán được trình bày trong bảng 3.2
Bảng 4.2. Tải trọng neo do dòng chảy
Dòng chảy vuông góc với tàu
Dòng chảy song song với tàu
Tàu có khách Tàu có khách
Al (m2) 374 At (m2) 55
vt (m/s) 0,38 vl (m/s) 2,16
Q (T) 31,86 N (T) 151,4
Tải trọng neo do sóng
Vị trí xây dựng công trình nằm sâu trong nội địa do đó không chịu ảnh hưởng trực tiếp của các cơn sóng. Sóng tác động chủ yếu là do gió, sóng tàu chạy trên tuyến luồng gây ra, chiều cao sóng thường nhỏ hơn 1m
Do vậy ta có thể bỏ qua tải trọng neo do sóng
Tính toán lực neo lên cầu tàu
S S S S q v n
Hình 4.3 Sơ đồ phân bố lực neo lên một bích neo
Tải trọng tác dụng lên một bích neo do gió và dòng chảy được xác định theo công thức
( 3- 5 )
Trong đó:
S - Lực tác dụng lên một bích neo do gió và dòng chảy
Q - Tổng lực ngang do tác động tổng hợp của gió và dòng chảy. Q = 109,11(T)
N - Tổng lực dọc do tác động tổng hợp của gió và dòng chảy. N = 153,29 (T)
n - Số bích neo chịu lực. n = 3
và - Góc nghiêng của dây neo. Tra theo bảng 32 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có = 300 và = 200
( T )
Lực neo theo các phương
a) Theo phương vuông góc với tuyến bến
Sq = S.cos.sin ( 3 - 6 )
Sq = 56,43.cos200.sin300 = 26,51 (T)
b) Theo phương song song với tuyến bến
Sn = S.cos.cos ( 3 - 7 )
Sn = 56,43.cos200.cos300 = 45,92 (T)
Theo phương thẳng đứng với tuyến bến
Sv = S.sin = 56,43.sin200 = 19,3 (T) ( 3 - 8 )
3.2.2. Tải trọng tựa tàu
Theo “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” tải trọng phân bố q do tàu dang neo đậu ở bến tựa lên công trình dưới tác động của gió, dòng chảy và sóng được xác định theo công thức
0 0
109,11 153, 29
56, 43
.sin .cos .sin .cos 3.sin 30 .cos 20
tot Q N Q S n n � � 35
( 3 - 11 )
Trong đó: q - Lực tựa tàu
Qtot - Lực ngang do tác dụng tổng hợp của gió, dòng chảy và sóng: Qtot = 48 (T) ld - Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa tàu và công trình: ld = min(l,L)
L - Chiều dài bến: L = 90 (m)
l - Chiều dài đoạn thẳng thành tàu được xác định theo công thức
l = a.Lt ( 3 - 12 )
a - Hệ số xác định theo Bảng 3, phụ lục 3 “ Tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 222 – 95 ” ta có a = 0,4
Lt - Chiều dài tàu tính toán: Lt = 80 (m)
l = a.Lt = 0,4.80 = 32 (m) ld = min(l,L) = min( 32;79,8 ) = 32 (m) Như vậy ta có 48 1,1. 1,1. 1,65 32 tot d Q q l (T) 3.2.3. Tải trọng va tàu
Tải trọng va tàu tác dụng lên công trình phụ thuộc vào trọng tải tàu tính toán, vận tốc lớn nhất khi cập tàu. Bên cạnh đó còn phụ thuộc vào loại đệm va
3.2.3.1. Năng lượng va tàu
Động năng va của tàu được xác định theo công thức
( 3 - 9 )
Trong đó:
E – Năng lượng cập tàu ( T.m )
W - Tải trọng di chuyển của tàu, W = 3696 (T)
V - Vận tốc cập tàu, với tàu có trọng tải 3.000DWT thì V = 0,15 (m/s) g – Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2 )
C - Hệ số cập bến được xác địng theo công thức
C = Cm.Ce.Cc.Cs
Cm - Hệ số kể đến khối lượng tăng thêm, xác định theo công thức
T - Mớn nước của tàu, T = 5,5m B - Chiều rộng tàu, B = 10m
Cb - Hệ số hình dạng bến, xác định theo công thức
L - Chiều dài tàu, L = 80m
w0 - Khối lượng riêng của nước, w0 = 1,025 (T/m3 )
Ce - Hệ số xét đến độ lệch tâm, xác định theo công thức
K – Bán kính quay tàu, thường lấy K = 0,25.Lt = 0,25.80 = 20(m)
A - Khoảng cách song song với bến, tính từ trọng tâm của tàu tới điểm tiếp xúc với bến A = ( 1/4 ÷ 1/5 )Lt , chọn A =1/4Lt = 1/4.80 = 20 (m) Cc - Hệ số hình dạng bến, Cc = 1 Cs - Hệ số xét đén hình thức đệm tàu, Cs = 1 Vậy ta có C = Cm.Ce.Cc.Cs = 1,053.0,5.1.1 = 0,53
Năng lượng cập bến của tàu là
(T.m)
3.2.3.2. Xác định lực va của tàu
Đệm tàu sử dụng là loại đệm hình thang LMD 400H-2000L có các thông số kĩ thuật của đệm như sau:
+ Thành phần cao su : CL3 + Năng lượng biến dạng : 6,6T + Phản lực khi nén : 39,2T + Trị số biến dạng tới hạn : 52,5%
+ Thành phần lực va vuông góc với mép bến
Fq = ( T )
+ Thành phần lực va song song với mép bến
Fn = .Fq = 0,5.23,496 = 11,748 ( T )
- Hệ số ma sát phụ thuộc vào vật liệu lớp mặt của thiết bị đệm. Với lớp mặt là cao su ta có = 0,5
3.2.3.3. Bố trí đệm va
Theo new selection of fender: Khoảng cáh giữa hai đệm va được xác định theo công thức:
( 3 - 10 )
Trong đó:
2l - Khoảng cách giữa hai đệm va B - Chiều rộng tàu tính toán, B = 10m L - Chiều dài tàu tính toán, L = 80m
h - Chiều dày đệm va khi động năng tác dộng của tàu được hấp thụ
h = H – Hx( năng lượng đệm ) = 3 – 3x52,5% = 1,425 (m)
H - Chiều cao ban đầu của đệm va, H = 3 (m) Vậy ta có:
21,826 (m)
Vậy khoảng cách tối đa giữa hai đệm va là: 22 (m)
3.3. Thiết kế sơ bộ các phương án kết cấu3.3.1. Phương án I 3.3.1. Phương án I
3.3.1.1. Tính toán sức chịu tải cọc
Điều kiện kiểm tra sức chịu tải của cọc
( 3 - 28 )
Sức chịu tải của cọc có thể được tính theo đất nền và theo khả năng vật liệu làm cọc. Tuy nhiên trên thực tế sức chịu tải của cọc theo đất nền thường nhỏ hơn theo vật liệu làm cọc. Vì vậy ta sẽ tính sức chịu tải của cọc theo đất nền. Tính cho các cọc có chiều dài 29m
a) Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền
Sức chịu tải của cọc theo đất nền được xác định theo công thức
= m.( mr.R.F + U.mf.fi. hi ) ( 3 - 29)
Trong đó:
- Sức chịu tải của cọc theo đất nền
m - Hệ số điều kiện làm việc của cọc trong đất
R - Cường độ tính toán của đất dưới mũi cọc, tra bảng 1/20TCN21-86 ta có R = 375 ( T/m2 )
F - Diện tích mặt cắt ngang của cọc: F = a2 = (0,4)2 = 0,16 (m2) U – Chu vi của cọc: U = 4.a = 4.0,4 = 1,6 (m)
fi - Cường độ tính toán của ma sát thành lớp đất thứ i với bề mặt xung quanh cọc, tra bảng 2/20TCN21-86
hi - Chiều dày lớp đất thứ i tiếp xúc với cọc
mr , mf - Hệ số điều kiện làm việc của đất dưới chân cọc và trên thành cọc có xét đến ảnh hưởng của phương pháp hạ cọc: mr = mf = 1
Lớp đất Isl Mảnh hi (m) zi (m) fi (T/m2) fi.hi (T/m) 2 1.38 1 2.00 1.00 0.20 0.40 2 2.00 3.00 0.50 1.00 3 2.00 5.00 0.60 1.20 4 0.50 6.25 0.60 0.30 3 0.69 5 2.00 7.50 1.09 2.18 6 2.00 9.50 1.10 2.20 7 1.00 11.00 1.11 1.11 4 0.67 8 2.00 12.50 1.14 2.28 9 2.00 14.50 1.18 2.36 10 2.00 16.50 1.27 2.54 11 2.00 18.50 1.37 2.74 12 1.50 20.25 1.44 2.16 5 0.30 13 2.00 22.00 5.80 11.60 14 2.00 24.00 6.00 12.00 6 0.30 15 2.00 26.00 6.20 12.40 16 2.00 28.00 6.40 12.80 Tổng 29.00 69.27 39
Thay số vào công thức ( 3 – 13 ) ta được
= m.( mr.R.F + U.mf.fi. hi ) = 1.( 1.375.0,16 + 1,6.69,27.1 ) = 170,832 (T)
Sức chịu tải thực tế của cọc là
(T)
ktc - Hệ số an toàn ktc = 1,4
b) Tải trọng thẳng đứng tác dụng lên đầu cọc
Sơ bộ xác định tải trọng thẳng đứng tác dụng lên một cọc có kích thước ô bản chịu tải theo phương ngang là 3,3m, theo phương dọc là 2,25m.
+ Trọng lượng lớp bê tông M350, dày 30cm
G1 = bt.b.h.l = 2,5.3,3.2,25.0,3 = 5,5688 (T) + Trọng lượng dầm ngang G2= bt.b.h.l = 2,5.0,7.0,6.3,3 = 3,465 (T) + Trọng lượng dầm dọc G3= bt.b.h.l = 2,5.0,7.0,6.2,25 = 3,045 (T) + Trọng lượng cọc dài 29m G4= b.h.l.bt = 0,4.0,4.29.2,5 = 11,6 (T)
+Tải trọng khai thác trên mặt bến
P5 = q.b.l = 3.3,3.2,25 = 22,275 (T/m)
Ta có tổng tải trọng tác dụng lên cọc
PH = G1 + G2 + G3 +G4 + P5 = 45,9538 (T)
Tải trọng tính toán tác dụng lên cọc được xác định theo công thức
Ntt = kn.nc.n.md.P ( 3 - 30 )
Trong đó:
kn - Hệ số đảm bảo xét đến tầm quan trọng của công trình: kn = 1,15 ( đối với công trình cấp III )
nc - Hệ số tổ hợp tải trọng: nc = 1 ( đối với tổ hợp tải trọng cơ bản ) n - Hệ số vượt tải: n = 1,25 ( đối với công trình bến cảng biển )
md - Hệ số phụ điều kiện làm việc xét đến đặc điểm làm thực tế của cấu kiện và một số giả thiết của sơ đồ tính toán: md = 1
Như vậy ta có
Ntt = kn.nc.n.md.P = 1,15.1.1,25.1.45,9538 = 66,0586 (T)
Nhận thấy:
Ntt = 66,0586 (T) < P = (T)
Kết luận: Với cọc có chiều dài 29m đảm bảo khả năng làm việc theo điều kiện đất nền
3.3.1.2 Tính toán chiều sâu ngàm của cọc
Theo giáo trình “ Công trình bến cảng ” chiều sâu chịu uốn của cọc xác định theo công thức
Lui = L0 + a ( 3 - 31 )
Trong đó:
- Loi: Chiều dài tự do của cọc
- : Hệ sô biến dạng xác định theo công thức sau:
Chọn bêtông cho cọc BTCT 0.4*0.4m mác 400 có E = 3,25.106 (T/m3) Cọc tiết diện vuông có I = = 2,133.10-3 (m4)
B:bề rộng quy ước của cọc;d=0,4m<0,8mbc=d.1,5+0,5=0,4.1,5+0,5=1,1(m) Chọn hệ số tỷ lệ K=1500T/ m4 ( tra bảng 3.5/T120)
lấy 2,7 m
Lio :chiều dài đoạn cọc (m)khoảng cách từ đầu tim đầu cọc đến mặt đất Bảng 3.15. chiều dài chịu uốn giả định của cọc
Cầu Cọc Lio (m) 2/αbd (m) Liu (m)
Cầu chính A 7 2.7 9.70
B 7.8 2.7 10.50 C 7.1 2.7 9.80 Cầu dẫn D 6.6 2.7 9.30 E 5.3 2.7 8.00 F 4 2.7 6.70 G 2.7 2.7 5.40 H 1.4 2.7 4.10
Xác định lực ngang do chuyển vị đơn vị tại đầu trên của cọc gây ra
+) Cọc đơn
Vì là cọc vuông đối xứng nên khả năng chụi tải theo hai phương là như nhau = =
Trong đó: j = : Độ cứng cho 1m dài cọc
Với bêtông mác 400 có E = 3,25.106 (T/m3) Cọc tiết diện vuông có J = = 0,00213 (m4) EJ = 6933 (Tm)
Cọc A: Cọc C: +) Cọc đôi
Phản lực ngang nằm trong mặt phẳng chứa hai cọc và mặt phẳng vuông góc: +Theo phương x :
Trong đó :
- K1, K2 là các hệ số lún đàn hổi được xác định theo công thức :
- E mô đun đàn hổi của vật liệu làm cọc - F là diện tích tiết diện ngang của cọc
- 1, 2: Là góc nghiêng so với phương thẳng đứng của các cọc trong một trụ cọc chụm đôi (1 = 2 = arctan(1/6) = 100 )
+Theo phương y : Với ;
Cụm cọc B
Hàng Cọc Cọc Hix Hiy Xi Yi Hix.Yi Hiy.Xi
1 A 91.156 91.156 0 0 0 0 B 2986.65 143.518 1.75 0 0 251.1565 C 88.394 88.394 4 0 0 353.576 0 2 A 91.156 91.156 0 3.3 300.8148 0 B 2986.65 143.518 1.75 3.3 9855.945 251.1565 C 88.394 88.394 4 3.3 291.7002 353.576 0 3 A 91.156 91.156 0 6.6 601.6296 0 B 2986.65 143.518 1.75 6.6 19711.89 251.1565 C 88.394 88.394 4 6.6 583.4004 353.576 0 4 A 91.156 91.156 0 9.9 902.4444 0 B 2986.65 143.518 1.75 9.9 29567.835 251.1565 C 88.394 88.394 4 9.9 875.1006 353.576 0 5 A 91.156 91.156 0 13.2 1203.2592 0 B 2986.65 143.518 1.75 13.2 39423.78 251.1565 C 88.394 88.394 4 13.2 1166.8008 353.576 0 6 A 91.156 91.156 0 16.5 1504.074 0 B 2986.65 143.518 1.75 16.5 49279.725 251.1565 C 88.394 88.394 4 16.5 1458.501 353.576 0 7 A 91.156 91.156 0 19.8 1804.8888 0 B 2986.65 143.518 1.75 19.8 59135.67 251.1565 C 88.394 88.394 4 19.8 1750.2012 353.576 0 8 A 91.156 91.156 0 23.1 2105.7036 0 B 2986.65 143.518 1.75 23.1 68991.615 251.1565 C 88.394 88.394 4 23.1 2041.9014 353.576 0 9 A 91.156 91.156 0 26.4 2406.5184 0 B 2986.65 143.518 1.75 26.4 78847.56 251.1565 C 88.394 88.394 4 26.4 2333.6016 353.576 0 10 A 91.156 91.156 0 29.7 2707.3332 0 B 2986.65 143.518 1.75 29.7 88703.505 251.1565 43
C 88.394 88.394 4 29.7 2625.3018 353.576 0 11 A 91.156 91.156 0 33 3008.148 0