Bé m«n cÇu hÇm thiÕt kÕ kü thuËt
BÁO CÁO THIẾT KẾ KỸ THUẬT
DỰ ÁN KHẢ THI XÂY DỰNG CẦU
SVTH:TH¸I QUANG VINH 17054-46
58
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
chơng 1. Tính toán bản mặt cầu
1.1. Kích thớc hình học của mặt cắt dầm chủ
Kích thớc mặt cắt ngang cầu
Mặt cắt ngang cầu
Hình 2.1.1. Sơ đồ bố trí dây cầu extradosed
Cấu tạo các lớp kết cấu áo đờng
- Lớp bê tông Atphalt : 5 cm.
- Lớp bê tông bảo vệ : 3 cm
- Lớp chống thấm : 1 cm.
- Lớp bê tông mui luyện : 3 cm
Chiều dày trung bình lớp phủ là 12cm, trọng lợng riêng trung bình lớp phủ
.
lp
22 5
=
kN/m
3
1.2. Nguyên tắc tính toán bản mặt cầu
- Sử dụng phơng pháp phân tích gần đúng để thiết kế bản mặt cầu BTCT liền
khối đúc tại chỗ . (Điều 4.6.2.1.6).
- Tiết diện tính toán bản mặt cầu : Khi tính toán thiết kế thì ta tính cho mặt
cắt bản có bề rộng b = 100 cm.
- Mô hình tính toán bản : Do độ cứng theo phơng dọc của 3 sờn đứng của bản
Trong đó :
+ M
i
: Mômen tại tiết diện i.
+ Q
i
: Lực cắt tại tiết diện i.
+ q : Tĩnh tải phân bố ngang cầu trên dải rộng 1m.
+ S
i :
Diện tích ĐAH nội lực.
+ y
i
: tung độ ĐAH tại vị trí đặt lực tập trung.
1.3.1.2. Công thức tính nội lực do hoạt tải
- Bản mặt cầu đợc phân tích theo phơng pháp dải gần đúng đợc quy định
trong điều 4.6.2.1. Với dải phân tích là ngang và có chiều dài nhịp tính toán L =
5220 mm > 4600 mm. Do đó bản đợc thiết kế với tải trọng xe tải và tải trọng làn
thiết kế ( Điều 3.6.1.3.3)
+ Tải trọng 1 bánh xe là P = 72.5 kN.
+ Tải trọng làn : q
làn
= 9,3 kN phân bố đều trên chiều rộng b=3m. Do
đó theo phơng ngang cầu thì tải trọng làn tơng ứng với tải trọng rải đều q
lan
= 3,1
kN/m . Hiệu ứng của tải trọng làn không xét đến lực xung kích.
- Khi thiết kế thì theo phơng ngang cầu hoạt tải đợc xếp sao cho tạo đợc hiệu
ứng bất lợi nhất. Vị trí tâm bánh xe đợc quy định theo điều 3.6.1.3.1 nh sau :
+ Khi tính toán bản mút thừa: a =300mm tính từ mép đá vỉa hay lan
= ì +
ữTrong đó :
+ S
i
: Nội lực cần tính toán tại mặt cắt i.
+ m : Hệ số làn.
+ P : Tải trọng 1 bánh xe.
+ b : Chiều rộng vệt bánh xe tơng đơng.
+ Y
i
: Tung độ ĐAH tại vị trí đặt bánh xe.
+ q
i
: Tải trọng làn thiết kế.
+
i
: Diện tích ĐAH nội lực
1.4. Tính toán nội lực bản mặt cầu
Số liệu ban đầu:
- Chiều dài nhịp tính toán bản mặt cầu : L
b
= 5.22 m
- Chiều dài phần cánh hẫng : L
h
= 1.53m
- Chiều dày bản tại giữa nhịp : h
- Tải trọng bánh xe : P
banh
= 72.5 kN
- Tải trọng làn : q
lan
= 3,1 kN/m
- Tải trọng ngời: PL = 3 kN/m
Mặt cắt tính toán hiệu ứng lực :
+) Tính M
+
: Tính toán cho mặt cắt giữa nhịp bản.
+) Tính M
-
: Tính toán cho mặt cắt tại ngàm (tại vị trí sờn đứng).
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
61
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
Vì hiệu ứng lực gây ra trong bản mặt cầu chủ yếu là do tải trọng cục bộ của
bánh xe gây ra do đó phần cánh hẫng vì không có tải trọng xe xếp lên nên ta không
tính toán mặt cắt này. Khi tính toán bản mặt cầu thì lấy mômen dơng lớn nhất trên
bất cứ nhịp nào dùng cho tất cả các vùng có mô men dơng, tơng tự phải lấy mômen
âm lớn nhất (trị số tuyệt đối) trên bất cứ gối kê nào dùng cho tất cả các vùng có
mômen âm.
Tính toán giá trị mômen tại ngàm
- Do dầm liên tục 2 nhịp nên đờng ảnh hỏng nội lực có dạng đuờng cong. Để
có kết quả chính xác ta sẽ vẽ đợc đờng ảnh hởng nội lực các mặt cắt cần tính toán
sau đó sẽ xếp tải trực tiếp lên đờng ảnh hởng rồi chạy chơng trình để có kết quả cần
tìm.
- Sử dụng chơng trình Midas/Civil 6.3.0 để thiết kế.
TC
=
.
.
184 634
3 531
=
-52.289 KNm ( cha tính hệ số xung
kích ).
+ Do TLBT của kết cấu: M
TC
= -22.235 KNm
+ Do tải trọng làn: M
TC
= -12.062 KNm
+ Do tải trọng lớp phủ: M
TC
= -13.397 KNm
+ Do tải trọng ngời: M
TC
= -1.664 KNm
+ Do tải trọng lan can: M
TC
= 2.127 KNm
- Mômen tổng cộng tại mặt cắt gối:
+Mômen TC:
M
TC
= -52.289x1.25 - 22.235 - 12.062 - 13.397 - 1.664 + 2.127 = -112.592 KNm
- Ta có kết quả tính nh sau:
+ Do xe tải: M
TC
=
88 931
35 221
2 525
.
.
.
=
KNm (Cha tính hệ số xung kích)
+ Do tải trọng làn: M
TC
= 5.807 KNm
+ Do tải trọng Ngời: M
TC
= 0.725 KNm
+ Do TLBT của kết cấu: M
TC
=3.801 KNm
+ Do tải trọng lớp phủ: M
TC
= 3.551 KNm
+ Do tải trọng lan can: M
TC
= -1.698 KNm
- Mômen tổng cộng tại mặt cắt giữa:
+ Mômen TC :
M
+ Do tải trọng làn: Q
TC
= 8.771 KN
+ Do tải trọng Ngời: Q
TC
= 0.758 KN
+ Do TLBT của kết cấu: Q
TC
= 22.041 KN
+ Do tải trọng lớp phủ: Q
TC
= 9.595 KN
+ Do tải trong lan can: Q
TC
= -0.967 KN
- Lực cắt tổng cộng tại mặt bên trái gối:
+Lực cắt TC:
Q
TC
= 38.544x1.25 + 8.771 + 0.758 + 22.041 + 9.595 0.967 = 88.378 KN
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
67
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
+ Lực cắt tính toán: (hệ số làn m=1)
Q
TT
= 1.75x1x(38.544x1.25+8.771) + 1.75x0.758 + 1.25x22.041 + 1.5x9.595 -
0.9x0.967 = 142.064 KN
- Bảng tổng hợp tải trọng tính toán bản mặt cầu
0.5
= 0.043x24000
1.5
x50
0.5
= 35750 MPa
- Cờng độ chịu nén của bê tông lúc bắt đầu đặt tải tạo ứng suất trớc
f
ci
= 0.85xf
c
= 0.85 x 50 = 42.5 Mpa
- Cờng độ chịu kéo khi uốn : f
r
= 0.63x
'
c
f
= 4.45 Mpa
1.5.1.2. Thép thờng chế tạo dầm
- Loại thép có gờ
- Giới hạn chảy của thép : f
y
= 420 Mpa
- Mô đun đàn hồi của thép : E
S
= 200000 Mpa
do đó ta chỉ cần tính toán và
bố trí cốt thép cho thớ trên mặt cắt chịu M
gối
sau đó bố trí cốt thép DƯL và cốt thép
thờng tại thớ dới chịu M
giữa
giống nh cốt thép chịu M
gối
- Về nguyên tắc bố trí cốt thép DƯL thì ta sẽ bố trí các bó cốt thép DƯL ở
thớ trên tại mặt gối , còn tại mặt cắt giữa nhịp chịu mômen dơng thì các bó cốt thép
DƯL lại đợc kéo xuống chịu mômen dơng. Cách bố trí nh hình vẽ.
Hình 2.1.8. Bố trí cáp DƯL ngang bản mặt cầu
1.5.1.5. Bố trí cốt thép
- Bố trí cốt thép thờng và cốt thép DƯL cho 1m dài cầu
- Cốt thép thờng sử dụng loại đờng kính 16 mm, bố trí cho 1 mét dài cầu nh
hình vẽ.
- Cốt thép DƯL sử dụng loại bó chỉ 1 tao 15.2mm diện tích danh định của
mỗi bó là A
w
= 140 mm
2
- Diện tích cốt thép DƯL tính sơ bộ theo công thức:
2 2
u
ps
3
pu
M 189 377
A 0 000217m 217mm
z f 0 49 1860 10
ta bỏ qua cốt thép thờng chịu nén, chỉ tính đến cốt thép thờng chịu kéo và cốt thép
DƯL.
- Các công thức tính duyệt
+ Công thức xác định chiều cao vùng chịu nén
+ Công thức tính mômen kháng uốn danh định của mặt cắt
+ Công thức tính sức kháng uốn tính toán của mặt cắt
M
r
= .M
n
Trong đó :
A
ps
: Diện tích cốt thép DUL
d
p
: Khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu nén đến trọng tâm cốt thép DUL
f
c
: Cờng độ của bê tông ở tuổi 28 ngày, f
c
= 50 Mpa
: Hệ số sức kháng, lấy bằng 1.0 đối với cấu kiện chịu uốn
b : Bề rộng tính toán của mặt cắt.
1
: Hệ số chuyển đổi hình khối ứng suất,
1
= 0.7285 theo điều A5.7.2.2.
A f A f A f
c
f
0,85.f .b kA
d
. '.+
=
+
' ' '
( ) ( )
n ps ps p S y S S y S
a a a
M A f d - A f d A f d
2 2 2
= + +
ữ
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
Với
- Hàm lợng thép DƯL và thép thờng phải đợc giới hạn theo điều A5.7.3.3.1
sao cho :
e
c
0 42
d
.
1.5.1.6. Mặt cắt tại gối
1.5.1.6.1. Sức kháng uốn danh định
- Diện tích cốt thép DƯL: A
ì ì + ì ì
= =
ì ì ì + ì ì ì
. .
.
. . . .
.
- ứng suất trung bình trong bó thép DƯL:
ps
0 031
f 1860 1 0 28
0 49
= ì ì =
ữ
.
.
.
1826 MPa
a = cx
1
= 0.7285x0.031 = 0.0225
- Sức kháng uốn danh định của mặt cắt
M
n
=
ps ps p S y S
a a
e
c
0 42
d
,
Với d
e
là khoảng cách hữu hiệu tơng ứng từ thớ chịu nén ngoài cùng đến
trọng tâm của lực kéo cốt thép chịu kéo
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
71
py
pu
f
k 2 1.04 -
f
=
ữ
ữ
ps pu
p
c
f f 1 - k
d
=
ữ
m
2
- Diện tích cốt thép thờng chịu kéo: A
s
=12.32x10
-4
m
2
d
p
= 0.19 m ; d
s
= 0.19 m ;
k = 0.28 ;
1
= 0,7285
- Chiều cao vùng nén
4 4
4
2 8 10 1860 12 32 10 420
c 0 03m
1860
0 85 50 0 7825 1 0 28 2 8 10
0 19
ì ì + ì ì
= =
ì ì ì + ì ì ì
+
ữ
=
4 4
0 021 0 021
2 8 10 1780000 0 19 12 32 10 420000 0 19
2 2
= ì ì ì + ì ì ì =
ữ ữ
. .
. . . .
=
185.39 KNm
M
r
= xM
n
= 1x185.39= 185.39 KNm so sánh với M
u
= 114.468 KNm => Đạt
Kết luận : Mặt cắt bản mặt cầu đảm bảo khả năng chịu mômen uốn dơng
1.5.1.7.2. Kiểm tra giới hạn cốt thép tối đa
- Lợng cốt thép tối đa:
e
c
= =
thoả mãn
Duyệt mặt cắt gối chịu cắt theo THGH CĐ1
- Công thức kiểm toán
nu
.V V
Trong đó:
+ V
u
: Lực cắt tính toán V
u
= 142.064 KN
+ : Hệ số sức kháng cắt đợc xác định theo bảng 5.5.2.2-1,
= 0.9 (với kết cấu BTCT thông thờng)
+ V
n
: Sức kháng cắt danh định đợc xác định theo quy định của điều
A5.8.3.2.
n1 c s p
n
'
n2 c v v p
V V V V
V min
V 0.25f b d V
= + +
=
= ì
sức kháng cắt của thép ứng suất trớc
d
v
: chiều cao chịu cắt có hiệu đợc xác định trong điều A5.8.2.7
Lấy d
v
= 0.72x h = 0.72 x 550 = 396 mm
b
v
: bề rộng bụng có hiệu, lấy bằng bệ rộng lớn nhất trong chiều cao dv.
b
v
=1000 mm
s : Cự ly cốt thép đai.
: Hệ số chỉ khả năng bêtông bị nứt chéo truyền lực kéo đợc quy định
trong điều A5.8.3.4. lấy = 2
: Góc nghiêng của ứng suất nén chéo đợc xác định trong điều
A5.8.3.4. Lấy = 45
o
: Góc nghiêng của cốt thép đai đối với trục dọc (độ). Nếu cốt đai thẳng
đứng, = 90
0
.
A
v
: Diện tích cốt thép chịu cắt trong cự ly S (mm2).
V
P
cầu) chỉ qui định cho bản mặt cầu không có thép dự ứng lực, tuy nhiên ta có thể quy
đổi thép DƯL ra thép thờng để tính thép phân bố.
ps py
s
y
A f
280 0 9 1860
A
f 420
.
ì ì
= = =
1008 mm
2
.
- Trong bản mặt cầu lợng cốt thép phụ sẽ đợc lấy nhỏ hơn 67% lợng cốt thép
chính.
- Phần trăm lợng cốt thép phụ so với lợng cốt thép chính là:
3840 3840
S 4706
=
= 55.97%.
Với S là chiều dài có hiệu của bản S = 4706mm.
- Vậy diện tích cốt thép phân bố A
pb
= 0.67x1008 = 675.36 mm
2
/m (lấy 67%)
- Chọn đợc D14@150.
Tính toán cốt thép chống co ngót và nhiệt độ
Do đó ta chọn có D12@ 200.
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
74
Bé m«n cÇu hÇm thiÕt kÕ kü thuËt
SVTH:TH¸I QUANG VINH 17054-46
75
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
chơng 2. Tính toán THIếT Kế DầM CHủ
Tổng quát về thiết kế
Đặc điểm công nghệ thi công
- Trong thiết kế cầu Extradosed, việc xác định công nghệ thi công và biện
pháp thi công dây văng là hết sức quan trọng. Nó quyết định hoàn toàn việc hình
thành nội lực trong dầm chủ. Dây văng trong cầu Extradosed vợt sông có thể đợc thi
công theo 2 cách: cách thứ nhất là thi công xong mỗi đốt dầm tiến hành căng dây
văng với 1 trị số lực căng theo kinh nghiệm (dây văng lúc này có tham gia chịu một
phần tĩnh tải) đến khi hoàn thành cầu thì căng chỉnh lại để đáp ứng với điều kiện sử
dụng, hoặc cách thứ hai là thi công xong mỗi đốt dầm cha căng dây giống nh thi
công cầu liên tục đến khi hợp long xong nhịp cuối cùng thì tiến hành căng dây văng
lúc này dây sẽ cùng với dầm chịu tĩnh tải phần 2 và hoạt tải khai thác. Hai cách thi
công trên đều có những u điểm riêng biệt. Với cách thi công thứ nhất do có sự hỗ trợ
của dây văng trong quá trình thi công nên dầm có chiều cao nhỏ hơn tuy nhiên lúc
này phải cấu tạo bó cáp văng lớn, còn cách thi công thứ hai do quá trình thi công
không có sự hỗ trợ của dây, dầm làm việc nh dầm liên tục nên chiều cao dầm phải
lớn hơn so với cách thi công thứ nhất, nhng bù lại bó cáp văng cấu tạo nhỏ hơn do
Kích thớc mặt cắt ngang dầm
Mặt cắt ngang cầu
Hình 2.2.4 Kích thớc hình học mặt cắt ngang dầm chủ
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
80
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
- Mặt cắt ngang dầm chủ là dầm hộp 2 ngăn, 2 thành bên xiên 1:3
- Chiều cao dầm chủ tại trụ : h
t
= 3.5m
- Chiều dày bản đáy dầm chủ tại trụ : d
t
= 0.6m
- Chiều cao dầm chủ từ điểm neo cáp đầu tiên đến giữa nhịp: h
g
= 2.2m
- Chiều dày bản đáy dầm chủ từ điểm neo cáp đầu tiên đến giữa nhịp:
d
g
= 0.3m
- Chiều cao dầm chủ từ trụ đến điểm neo cáp đầu tiên thay đổi tuyến tính
Sơ đồ phân chia đốt dầm trong giai đoạn thi công hẫng
Dầm chủ đợc chia thành các đốt đúc trong quá trình thi công nh sau:
Hình 2.2.5 Sơ đồ phân chia đốt dầm
Tính toán đặc trng hình học của các mặt cắt
Với cách chia đốt nh trên ta tính đợc đặc trng hình học các mặt cắt bằng ch-
ơng trình Midas civil nh sau:
STT
Mặt
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
81
Bộ môn cầu hầm thiết kế kỹ thuật
17 S'17 57.50 2.20 0.30 0.999 1.201 10.344 7.111
18 S'18 59.50 2.20 0.30 0.999 1.201 10.344 7.111
19 S19 73.50 2.20 0.30 0.999 1.201 10.344 7.111
trong đó:
So : Là mặt cắt sát mép trụ
H : Chiều cao tiết diện
d : Chiều dày bản đáy tiết diện
A : Diện tích tiết diện
Yt : Khoảng cách từ trục trung hoà đến mép trên tiết diện
Yd : Khoảng cách từ trục trung hoà đến mép dới tiết diện
Iyy : Mô men quán tính của tiết diện đối với trục yy đi qua trọng tâm
2.2. Tải trọng và tổ hợp tải trọng khi tính toán nội lực dầm chủ
Tải trọng
2.2.1.1. Hoạt tải thiết kế
- Hoạt tải thiết kế theo quy trình TCN272-05 gồm: HL93 và tải trọng ngời
0.003MPa
- Hoạt tải HL93 gồm 2 tổ hợp:
+ Tổ hợp 1: Tải trọng xe tải kết hợp với tải trọng làn
+ Tổ hợp 2: Tải trọng xe hai trục kết hợp với tải trọng làn
Tải trọng làn phân bố đều theo phơng dọc cầu 9.3KN/m
- Tải trọng làn tính toán: 2 làn
- Lực xung kích : IM = 25%
2.2.1.2. Tĩnh tải giai đoạn 1
- Từ đặc trng hình học mặt cắt dầm ta tính đợc trọng lợng bản thân các đốt
dầm theo bảng sau:
Khối đúc
Diện
K8 10.67 4 42.69
1067.32
K9 10.67 4 42.69
1067.32
K10 10.67 4 42.69
1067.32
K11 10.67 4 42.69
1067.32
K12 10.67 4 42.69
1067.32
K13 10.67 4 42.69
1067.32
K14 10.67 4 42.69
1067.32
K15 10.67 2 21.35
533.66
KN 10.67 2 21.35
533.66
KT 10.67 14 149.42
3735.62
2.2.1.3. Tĩnh tải giai đoạn 2
- Tĩnh tải giai đoạn 2 bao gồm các bộ phận sau:
+ Trọng lợng lan can q
lc
= 5.5 KN/m
+ Trọng lợng lớp phủ mặt cầu q
lp
= 22.5x0.12x11 = 29.7 KN/m
Đa tải trọng lan can 2 bên cầu về tâm mặt cầu ta đợc tải trọng phân bố
2x5.5=11 KN/m
+1.75V
LL+IM
+1.75 V
LP
)
Trong đó :
M
DC1
: Mômen trong giai đoạn thi công (Tĩnh tải giai đoạn 1)
M
DW
: Mômen do tĩnh tải giai đoạn 2
M
LL
: Mômen do hoạt tải tác dụng lên 1 dầm chủ (đã tính hệ số phân bố
ngang)
M
U
: Mô men tính toán theo trạng thái giới hạn cờng độ I của dầm
giữa
V
U
: Lực cắt tính toán theo trạng thái giới hạn cờng độ I của dầm
giữa
P
: Hệ số tĩnh tải.
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
83
Lớn nhất Nhỏ nhất
Tải trọng thờng xuyên
Cấu kiện và thiết bị phụ DC 1.25 0.90
Lớp phủ mặt cầu và các tiện ích DW 1.50 0.65
Hoạt tải: Hệ số làn m=1,HS xung kích(1+IM)=1.25
1.75
2.3. Tính nội lực dầm chủ giai đoạn thi công
Trong quá trình thi công có các loại tải trọng sau:
+ Tải trọng bản thân các đốt đúc (tĩnh tải giai đoạn1)
+ Tải trọng 2 xe đúc P = 700 KN
+ Tải trọng thi công rải đều q = 100 KN/m
+ Lực căng trong cáp văng.
Theo kinh nghiệm ta chọn lực căng trong cáp văng các dây từ 1 đến 4 là
0.25f
pu
, lực căng trong các dây 5 và 6 là 0.3f
pu
, lực căng trong các dây 7 và 8 là
0.29f
pu
. Từ đó ta có lực căng trong các cáp văng nh sau:
Bó số Số tao
Diện
tích(mm2)
Lực căng(KN)
Lực căng cho
phép(KN)
1 22 3080 1432.20 3437.28
2 22 3080 1432.20 3437.28
3 22 3080 1432.20 3437.28
công khối đúc K12.
- Giai đoạn 13(CS13): Căng kéo cáp DƯL khối K12. Căng cáp văng số 8. Thi
công khối đúc K13.
- Giai đoạn 14(CS14): Căng kéo cáp DƯL khối K13. Thi công khối đúc K14.
- Giai đoạn 15(CS15): Căng kéo cáp DƯL khối K14. Thi công khối đúc K15.
Song song với các giai đoạn đúc hẫng cân bằng là giai đoạn thi công khối đúc
trên đà giáo FSM.
- Giai đoạn 16(CS16): Căng kéo cáp DƯL khối K15. Hợp long nhịp biên 1 và
4.
- Giai đoạn 17(CS17): Căng kéo cáp chịu mô men dơng đốt hợp long và đốt
đúc trên đà giáo FSM. Lần lợt tháo đà giáo thi công khối đúc FSM, và tháo xe đúc
hợp long nhịp biên.
- Giai đoạn 18(CS18): Hợp long nhịp 2
- Giai đoạn 19(CS19): Căng kéo cáp chịu mô men dơng nhịp 2. Tháo xe đúc
hợp long nhịp 2
- Giai đoạn 20(CS20): Hợp long nhịp 3
SVTH:THáI QUANG VINH 17054-46
85
Copyright: Tài liệu đại học ©