Thiết kế kết cấu cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT nhịp giản đơn cho đường ôtô, hoạt tải tiêu chuẩn HL93+tải trọng người đi bộ 300kg trên m2, chiều dài nhịp 29, khổ cầu 10+2x1,5m

Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với lực cắt: a Đối với dầm trong: b Đối với dầm biên:  Một làn xe chất tải: Dùng nguyên tắc đòn bẩy.. Bảng tổng hợp lực cắt tính toán do toàn bộ tải

Thiết kế môn học cầu thép F1

I Nội dung thiết kế:

Thiết kế kết cấu cầu dầm thép liên hợp với bản BTCT nhịp giản đơn cho đờng ôtô

II Số liệu thiết kế:

1 Hoạt tải tiêu chuẩn: HL93 + Tải trọng ngời đi bộ 300kG/m2

III Tiêu chuẩn thiết kế:

Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế của Bộ GTVT: 22 TCN 272 – 01

Phần thuyết minh

I Các số liệu của bêtông và thép:

1 Số liệu của bêtông làm bản mặt cầu:

2 Cờng độ nén quy định của bêtông f'c = 30 Mpa

3 Mô đuyn đàn hồi của bêtông Ec = 29440,1 Mpa

1.Mô đuyn đàn hồi của thép Es = 200000 Mpa

2 Thép hợp kim thấp cờng độ cao M270M = Cấp 345W

3 Cờng độ chịu kéo nhỏ nhất, Fu = 485 Mpa

300 20

Sè lîng dÇm ngang theo ph¬ng däc cÇu = 6

DiÖn tÝch mÆt c¾t dÇm ngang Ad = 22731.5 mm2

Tĩnh tải rải đều trên 1 dầm chủ là = 0.070 kN/m

II Xác định chiều rộng có hiệu của bản:

1 Xác định chiều rộng hữu hiệu của bản cánh:

1.1 Dầm giữa

Chiều rộng hữu hiệu của bản có thể lấy là giá trị min của 3 giá trị sau:

* 12 lần độ dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất của

bề dày bản bụng dầm hoặc 1/2 bề rộng bản cánh trên của dầm = 2550 mm *Khoảng cách trung bình giữa các dầm kề nhau = 2300 mmVậy bề rộng hữu hiệu của bản cánh đối với dầm giữa là bi = 2300 mm1.2 Dầm biên:

Bề rộng hữu hiệu của bản cánh có thể đợc lấy bằng 1/2 bề rộng

hữu hiệu của dầm giữa cộng trị số min của các đại lợng sau:

* 6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với số lớn nhất giữa

1/2 bề dày bản bụng dầm hoặc 1/4 bề rộng bản cánh trên của dầm = 1275 mm

Vậy bề rộng hữu hiệu của bản cánh đối với dầm biên là bc = 2400 mm

2 Xác định hệ số quy đổi n:

25f c32 n7

 Đối với tải trọng tạm thời: n = 7

 Đối với tải trọng dài hạn: n = 3x7 = 21

Mômen tĩnh Snct đối với đáy dầm chủ = 21065000 mm3

Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo Yncd = 513.780 mmKhoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu nén Ynct = 786.220 mm

hîp cña

300

50 50

4.Kiểm toán độ mảnh của bản bụng:

Bản bủng dầm phải đợc cấu tạo sao cho:

* Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT dầm ngang DCdn = 0.742 kN/m

* Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT hệ liên kết dọc DClkd = 0.148 kN/m

* Liên kết dọc dùng thép góc đều cạnh L100x100x10 có:

Trọng lợng trên 1m dài là: 15.1 kG/m

* Tĩnh tải do trọng lợng neo liên kết DCneo = 0.1 kN/m

* Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT sờn tăng cờng DCstc = 0.043 kN/m Kích thớc sờn tăng cờng 150x18x1530

Vậy tổng tĩnh tải giai đoạn I là: DC1 = 16.697 kN/m

1.2 Tĩnh tải giai đoạn II (Tác dụng lên mặt cắt liên hợp):

*Tĩnh tải do lan can cầu:

Trọng lợng phần lan can bêtông = 2.906 kN/m Dầm ngoài DClc = 3.406 kN/m Dầm trong DClc = 0.568 kN/m

*Tĩnh tải do trọng lợng phần lớp phủ trên 1 dầm:

Trọng lợng phần lớp phủ = 3.216 kN/m Trọng lợng phần lớp phòng nớc = 0.008 kN/m

2.1 Các hoạt tải tác dụng gồm:

2.3 Tính hệ số phân bố hoạt tải theo làn:

2.3.1 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với mômen:

a) Đối với dầm trong:

 Một làn xe chất tải:

mgmomenSI=0,435

 Hai hoặc nhiều làn xe chất tải:

0,1 0,4 0,3

3

0,06

4300

g SI

1 0

3

2 0 6 0

S mm S

=0,075+  0 1

2 0 6

0

272 , 1 28400

2300 2900

Kg: Tham số độ cứng dọc, xác định theo công thức:

Kg=n(I+Aeg2)=2,89075E+11 (mm4) n=7

ED: Môđun đàn hồi của VL bản mặt cầu = 29440,1 MPa

e

d e

=1,216 > 1

mgmomenME=1,216*0,614 =0,747

2.3.2 Hệ số phân bố hoạt tải theo làn đối với lực cắt:

a) Đối với dầm trong:

b) Đối với dầm biên:

 Một làn xe chất tải: Dùng nguyên tắc đòn bẩy

Xếp tải nh hình vẽ Cự li theo phơng ngang cầu

của xe Truck và Tandem đều là 1800mm

Khi có một làn xe chất tải, hệ số làn xe là 1,2

Vậy hệ số phân bố ngang là:

mgcatSE=0,913

 Hai hay nhiều làn xe chất tải:

mgcatME=e mgcatMI=1,017.0,793=0,806

2.4 Hệ số phân bố ngang đối với ng ời đi bộ:

Sử dụng phơng pháp đòn bẩy tính cho cả mômen và lực cắt Coi tải trọng ngời là tảitrọng tập trung

 Đối với dầm ngoài: mgpe = 1

 Đối với dầm trong: mgpi = 0

2.5 Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang:

nhiều làn tính toán của ngời

 Đối với lực cắt:

nhiÒu lµn tÝnh to¸n cña ngêi

l 1



l x y

b) B¶ng gi¸ trÞ m«men vµ lùc c¾t do tÜnh t¶i giai ®o¹n I:

(m2) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

Q2(Mèi nèi) 16.252 3.497 71.040 71.040 56.832 56.832

c) B¶ng gi¸ trÞ m«men vµ lùc c¾t do tÜnh t¶i giai ®o¹n II g©y ra:

(m2) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

d) B¶ng tæng hîp néi lùc do tÜnh t¶i g©y ra:

(m2) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

Đơn vị của lực cắt là: kN.

3.1 Mômen do hoạt tải gây ra:

3.1.1 Do hoạt tải HL-93 gây ra:

 Tải trọng của bánh xe và khoảng cách của chúng xem hình vẽ

 Cách xếp xe lên đờng ảnh hởng (ĐAH): Xếp xe sao cho hợp lực của các trục bánh xe

và trục bánh xe gần nhất cách đều tung độ lớn nhất của ĐAH

 Gọi x là khoảng cách từ điểm có tung độ lớn nhất của ĐAH đến trục bánh xe thứ hai

 Trờng hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 4300mm:

Yi: Tung độ đờng ảnh hởng mômen

 Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

3.1.2 Do hoạt tải xe 2 trục gây ra (Tandem):

Khoảng cách giữa 2 bánh xe 2 trục là 1200mm  x = 0,6m

Hình vẽ: Sơ đồ xếp tải bất lợi

 Công thức tính mômen:

M TandemP y i i

Trong đó:

Pi: Trọng lợng các trục xe

Yi: Tung độ đờng ảnh hởng mômen

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:

3.1.3 Do tải trọng làn gây ra:

Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

3.1.4 Do tải trọng ngời gây ra:

Tải trọng ngời trên cầu ôtô bằng 300kG/m2. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiềudài dầm Tải trọng ngời không tính hệ số xung kích

L/2 1895.031 1496.000 937.626 226.845 1858.335

3.2 Lực cắt do hoạt tải gây ra:

3.2.1 Do hoạt tải HL93 gây ra:

Hình vẽ: Sơ đồ xếp tải bất lợi trong hai trờng hợp

 Trờng hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 4300mm:

Hình vẽ: Sơ đồ xếp tải bất lợi

Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và lực cắt của dầm chủ:

3.2.3 Do tải trọng làn gây ra:

Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm

3.2.4 Do tải trọng ngời gây ra:

Tải trọng ngời trên cầu ôtô bằng 300kG/m2. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dàidầm Tải trọng ngời không tính hệ số xung kích

3.3.1 B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ m«men tÝnh to¸n sau khi nh©n hÖ sè:

MÆt c¾t x(m) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

3.3.2 B¶ng tæng hîp kÕt qu¶ lùc c¾t tÝnh to¸n sau khi nh©n hÖ sè:

MÆt c¾t x(m) DÇm trong DÇm ngoµi DÇm trong DÇm ngoµi

 Đối với TTGH cờng độ I và TTGH sử dụng:

MLL+IM = mgmomen [ 1,25*max(Mtruck, Mtandem)+ MLane ]+ mgpeople *MPeople

QLL+IM = mgcắt [ 1,25*max(Qtruck, Qtandem)+ QLane ]+ mgpeople *QPeople

 Đối với TTGH mỏi và đứt gãy:

MLL+IM = mgmomen [ 1,15*max(Mtruck, Mtandem)]

QLL+IM = mgcat [1,15*max(Qtruck, Qtandem)]

4.2 Bảng tổ hợp mômen tính toán do toàn bộ tải trọng gây ra:

Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

4.3 Bảng tổng hợp lực cắt tính toán do toàn bộ tải trọng gây ra:

Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài

 Chú ý: Tải trọng mỏi không xét hệ số làn xe

V Thiết kế và kiểm duyệt dầm chủ:

 Sau khi tính toán nội lực dầm chủ cho dầm trong và dầm biên so sánh ta thấydầm biên bất lợi hơn nên ta tính toán thiết kế cho dầm biên

 Bảng nội lực sử dụng để tính toán:

Bảng giá trị mômen:

 Các dầm có mặt cắt chữ I chịu uốn phải đợc thiết kế theo:

 Sức kháng uốn theo TTGH cờng độ

 Sức kháng cắt theo TTGH cờng độ

 Tính khả thi của kết cấu

 TTGH sử dụng đối với độ võng và độ vồng thiết kế

 TTGH mỏi và đứt gãy đối với các chi tiết và yêu cầu về mỏi đối với bảnbụng dầm

- Dcp: Chiều cao của bản bụng chịu nén tại lúc mômen dẻo.

- Fyc: Cờng độ chảy dẻo nhỏ nhất đợc qui định của bản cánh chịu nén,

Fyc = 345Mpa

 Xác định Dcp:

Để xác định Dcp phải xác định trục trung hoà dẻo (TTHD) của mặt cắt liên hợp

TTHD của mặt cắt đợc xác định trên cơ sở cân bằng lực dẻo của các thành phần củamặt cắt

Lực dẻo trong thành phần thép của tiết diện ngang là tích số của diện tích bản biên,vách ngăn và cốt thép với cờng độ chảy thích hợp

Lực dẻo trong phần bêtông chịu nén của tiết diện xác định trên cơ sở tơng đơng giữakhối ứng suất hình chữ nhật và khối ứng suất phân bố đền 0,85f’c

Bỏ qua vùng bêtông chịu kéo

2.1 Xác định giá trị mômen dẻo:

 Mọi mặt cắt dự kiến đạt tới mômen dẻo MP đều phải đợc giằng theo phơngngang

 Vì theo tính toán ở trên TTHD đi qua vách đứng nên lực dẻo trong vách đứngphải chia ra lực dẻo chịu kéo và lực dẻo chịu nén để có đợc cân bằng:

C T  Y D cp221,107mm

Trong đó: Y : Khoảng cách từ TTHD đến đỉnh vách đứng

 Cánh tay đòn của mỗi lực dẻo đối với TTHD là:

Trong đó:

D: Chiều cao của bản bụng, D = 1730mm

2.2 Xác định sức kháng uốn danh định của mặt cắt liên hợp đặc chắc:

 Nếu D pD' M nM p (Điều 6.10.4.2.2a-1)

+ D: Chiều cao của mặt cắt thép, d = 1300mm

+ th: Chiều dày của nách bêtông ở phía trên của bản cánh trên, th = 30mm.+ ts: Bề dày của bản bêtông, ts = 200mm

 D' 142.8 mm D p251,107mm5 ' 714D  mm

Nh vậy phải tính Mn theo TH2

- My: Khả năng chịu mômen chảy ban đầu của mặt cắt liên hợp ngắn hạn chịumômen dơng

M yM D1M D2M AD

Trong đó:

+ MD1: Mômen do tải trọng thờng xuyên và có hệ số lên tiết diện thép khibêtông vẫn còn làm việc theo mômen kháng uốn của tiết diện không liênhợp SNC.

+ MD2: Mômen do phần còn lại của tải trọng thờng xuyên có hệ số domômen kháng uốn của tiết diện liên hợp dài hạn chịu SLT

+ MAD: Mômen bổ sung do yêu cầu đạt tới giới hạn chảy một trong cácbiên thép Mômen này do hoạt tải có hệ số và mômen kháng uốn của tiếtdiện liên hợp ngắn hạn chịu SST

Với Fy = 345MPa: Cờng độ chảy nhỏ nhất của thép

Cuối cùng thay số vào ta đợc bảng tính sau đối với mặt cắt L/2 và L/3:

Đối với mặt cắt L/2: Đối với mặt cắt L/3:

3.1 Mỏi do vách chịu uốn:

Các bản bụng không có gờ tăng cờng dọc phải thoả mãn yêu cầu sau:

Trong đó:

- fcf: ứng suất nén đàn hồi lớn nhất trong cánh khi chịu uốn do tác dụng của tảitrọng dài hạn cha nhân hệ số và của tải trọng mỏi theo quy định ở Điều 6.10.6.2

đợc lấy bằng ứng suất lớn nhất ở bản bụng (MPa)

- Fyw: Cờng độ chảy nhỏ nhất qui định của bản bụng, Fyw = 345MPa

- Dc: Chiều cao của bản bụng chịu nén trong phạm vi đàn hồi, tính nh sau:

fatigue fatigue

ntt

M f

S

So sánh thấy:

 f 133.958MPa < fcf 345MPa Đạt

3.2 Mỏi do vách chịu cắt

Phải bố trí các bản bụng của mặt cắt đồng nhất có gờ tăng cờng ngang và có hoặckhông có gờ tăng cờng đứng để thoả mãn:

v cf 0,58CF yw (Điều 6.10.6.4-1) Trong đó:

- vcf: ứng suất cắt đàn hồi lớn nhất trong bản bụng do tác dụng của tải tácdụng của tải trọng dài hạn tiêu chuẩn và của tải trọng mỏi nh đợc quy

k

d D

Trong đó:

- d0: Khoảng cách giữa các gờ tăng cờng, d0 = 1700mm

- D: Chiều cao bản bụng, D = 1250mm

Ta có: 1250

78.12516

w

D t

Vn: Sức kháng cắt danh định của dầm Đợc xác định nh sau:

4.1 Sức kháng cắt danh định của các panen bản bụng ở phía trong của các mặt cắt

đặc chắc (tr ờng hợp mặt cắt thuần nhất và bản bụng đ ợc tăng c ờng ):

Nếu: M u0,5f M p thì  

2 0

0,87 11

n p

C

d D

0,87 11

C

d D

-f: Hệ số sức kháng đối với uốn, f 1.

- My: Mômen chảy, My = 18115.649kN.m

- D: Chiều cao bản bụng, D = 1730mm

- d0: Khoảng cách giữa các sờn tăng cờng, d0 = 1700mm

- C: Tỉ số của ứng suất oằn cắt với cờng độ chảy cắt, C = 0,977

5.1 Thiết kế s ờn tăng c ờng gối:

 Các phản lực gối và các tải trọng tập trung khác, hoặc ở trạng thái cuối cùng hoặctrong khi thi công phải do sờn tăng cờng ở gối chịu

 Sờn tăng cờng gối phải đợc đặt lên các bản bụng của dầm thép tại vị trí gối

 Sờn tăng cờng gối phải bao gồm một hoặc nhiều thép bản hoặc thép góc đợc liênkết bằng hàn hoặc bắt bulông vào cả 2 bên của bản bụng

 Sờn tăng cờng phải đợc kéo dài ra toàn bộ chiều cao của bản bụng và càng khítcàng tốt với các mép ngoài của bản cánh

 Chiều rộng phần chìa ra của gờ tăng cờng bt phải thoả mãn:

Trong đó:

tp: Chiều dày của phần chìa ra, tp = 18mm

Fys: Cờng độ chảy nhỏ nhất qui định của gờ tăng cờng, Fys = 345MPa

Chọn số cặp tăng cờng n = 1 cặp

 Kiểm tra tỉ số độ mảnh giới hạn:

Đối với các bộ phận liên kết:

Kl 140

Trong đó:

K: Hệ số chiều dài hiệu dụng (điều 4.6.2.5) = 0.75

Chọn chiều dài có hiệu của vách đứng là x = 200 mm

Diện tích chịu nén có hiệu của cột A = 8600 mm2

MMQT đối với trục trung tâm của vách I = 47393866.6 mm4

s

- As: Diện tích mặt cắt ngang của mặt cắt thép, As = 41000 mm2

- Ac: Tổng diện tích mặt cắt ngang của bêtông, Ac = 460000mm2

- Ar: Tổng diện tích mặt cắt ngang của cốt thép dọc, Ar = 2022,400mm2

- Fyr: Cờng độ chảy nhỏ nhất qui định của cốt thép dọc, Fyr = 345MPa

5.2 Thiết kế s ờn tăng c ờng trung gian:

Chọn sờn tăng cờng trung gian nh sờn tăng cờng ở gối và kiểm toán lại

5.2.1 Chiều rộng bt của phần thò ra của gờ tăng cờng phải thoả mãn:

Mômen quán tính của bất kì sờn tăng cờng ngang nào đều phải thoả mãn:

I t d t J0 w3 (Điều 6.10.8.1.3-1) Với:

- tw: Chiều dày bản bụng, tw = 16mm

- d0: Khoảng cách giữa các gờ tăng cờng, d0 = 1250mm

- Dp: Chiều cao bản bụng đối với các bản bụng không có gờ tăng cờng dọc hoặcchiều cao lớn nhất của panen phụ đối với các bản bụng có gờ tăng cờng dọc

Trong đó:

- As: Tổng diện tích cả đôi gờ tăng cờng, As = 5400mm2

- B: Đối với các gờ tăng cờng đơn bằng thép tấm B = 2,4

- Các giá trị khác đã giải thích ở trên

Ta có: VP = -4545.95mm2

 A s5400mm2 -4545.95mm2 Đạt

VI Thiết kế neo liên kết:

 Sử dụng neo liên kết là neo đinh chống cắt

 Neo đinh đợc bố trí trên suốt chiều dài nhịp cho cầu liên hợp hệ giản đơn

 Tỉ lệ chiều cao và đờng kính của neo đinh chịu cắt không đợc nhỏ hơn 4

1 Trạng thái giới hạn mỏi:

V Q

 (Điều 6.10.7.4.1b-1) Trong đó:

- p: Bớc của neo đinh chống cắt theo dọc cầu

- n: Số lợng các neo chống cắt trong 1 mặt cắt ngang

- I: Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn, I = 3.21.1010 mm4

- Q: Mômen thứ nhất của diện tích qui đổi đối với trục trung hoà của mặt cắt liên hợp ngắn hạn, Q = 5.107 mm3

- Vsr: Phạm vi lực cắt dới LL+IM xác định theo TTGH mỏi

- Zr: Sức kháng mỏi chịu cắt của một neo chống cắt riêng lẻ:

Zr = d 2 19 d.0 2

  238  29 5 logN

Trong đó:

+ d: Đờng kính của neo đinh, d = 22mm

+ N: số chu kì qui định, tính theo công thức:

Để xác định số lợng neo chống cắt cần thực hiện những qui định sau:

 Khoảng cách tim của các neo chống cắt không đợc vợt quá 600mm và không đợcnhỏ hơn 6 lần đờng kính đinh 6d = 132mm

 Khoảng cách ngang từ tim đến tim neo không đợc nhỏ hơn 4 lần đờng kính neo4d = 88mm

 Khoảng cách tĩnh giữa mép bản cánh trên và mép của neo chống cắt gần nhấtkhông đợc nhỏ hơn 25mm

 Ta chọn số neo chống cắt trong 1 mặt cắt ngang n = 3

Biên độ lực cắt Vsr đợc tính để tìm sự khác biệt của lực cắt dơng và lực cắt âm tại điểm

do xe tải mỏi gây ra, nhân với hệ số xung kích mỏi (1.15), hệ số phân bố ngang lớn nhấtcho 1 làn xe không có hệ số làn xe và nhân hệ số tải trọng cho TTGH mỏi:

Vậy chọn bớc của neo theo phơng dọc cầu là p = 200mm

Khoảng cách các neo theo phơng ngang cầu là pn = 110mm

 Số neo cần thiết tính theo TTGH mỏi là:

3*29000435

200