THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
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/m
2
.
2. Chiều dài nhịp: 35m.
3. Chiều dài nhịp tính toán: 34,4m.
4. Khổ cầu: 8+2x1.5.
5. Loại liên kết sử dụng: Bulông cờng độ cao.
6. Dầm chủ: Mặt cắt ghép tổ hợp hàn.
7. Loại thép: Thép hợp kim thấp.
8. Bêtông bản mặt cầu: f
c
= 35Mpa.
III.Tiêu chuẩn thiết kế:
Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế của Bộ GTVT: 22 TCN 272 01.
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
1
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Phần thuyết minh
I. Các số liệu của bêtông và thép:
1. Số liệu của bêtông làm bản mặt cầu:
1.Bêtông làm bản mặt cầu cấp : A
2. Cờng độ nén quy định của bêtông f'
c
= 35 Mpa
3. Mô đuyn đàn hồi của bêtông E
c

s
= 200000 Mpa
2. Thép hợp kim thấp cờng độ cao M270M = Cấp 345W
3. Cờng độ chịu kéo nhỏ nhất, F
u
= 485 Mpa
4. Cờng độ chảy nhỏ nhất, F
y
= 345 Mpa
5. Tỷ trọng của thép y
s
= 7.85 kN/m
3
3. Lựa chọn hình dáng và kích thớc mặt cắt dầm chủ:
Số lợng dầm chủ n = 6
Khoảng cách giữa các dầm chủ S = 2000 mm
Chiều dài phần hẫng d
e
= 1000 mm
Chiều cao dầm chủ H = 1600 mm
Chiều rộng bản cánh trên B
ft
= 400 mm
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
2
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Chiều dày bản cánh trên t
ft
= 30 mm
Chiều rộng bản cánh dới B

= 700 mm
Chiều dài một dầm ngang = 1940 mm
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
3

H
Bfb
tfb

tw

Bft

tft

Dw
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Bề rộng bản cánh dầm ngang b
d
= 210 mm
Chiều dày bản cánh dầm ngang = 28.2 mm
Chiều dày sờn dầm ngang t
wd
= 17.5 mm
Chiều cao sờn dầm ngang D
wd
= 643.6 mm
Diện tích mặt cắt dầm ngang A
d
= 23107 mm

Đối với tải trọng tạm thời: n = 7.
Đối với tải trọng dài hạn: n = 3x7 = 21.
3. Tính đặc trng hình học của mặt cắt:
3.1. Đối với mặt cắt nguyên:
a) Các công thức tính toán:
Diện tích mặt cắt nguyên:

. . . .
nc ft ft fb fb w w cp cp
A B t B t D t B t= + + +
Mômen tĩnh của mặt cắt đối với mép dới cùng của mặt cắt:

. .( ) . ( ) . .( )
2 2 2
ft fb
w
nc ft ft cp fb fb cp w w fb
t t
D
S B t D t B t t D t t= + + + + +
Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo và chịu nén xa nhất:

;
nc
ncd nct ncd
nc
S
Y Y D Y
A
= =

Mômen tĩnh S
nct
đối với đáy dầm chủ = 44053000 mm
3
Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo Y
ncd
= 703.722 mm
Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu nén Y
nct
= 896.278 mm
Mômen quán tính I
nc
= 2.E+10 mm
4
3.2. Mặt cắt liên hợp dài hạn: (n = 21)
c) Công thức tính toán:
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
5
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Diện tích mặt cắt liên hợp:

. . . . .
lt ft ft fb fb w w cp cp s s
A B t B t D t B t B t= + + + +
Mômen tĩnh của mặt cắt đối với mép dới cùng của mặt cắt:

. .( ) . ( ) . .( ) . .
2 2 2 2
ft fb
w s

12 2 12 2
ft ft ft fb fb fb
lt ft ft ltt fb fb ltb
w w w s s s
w w ltb fb s s vs ltb
B t t B t t
I B t Y B t Y
D t D B t t
D t Y t B t D t Y

= + + + +
ữ ữ


+ + + + + +
ữ

d) Bảng kết quả tính đặc trng hình học của mặt cắt liên hợp dài hạn:
ĐTHH Dầm trong Dầm ngoài Đơn vị
Bs = Bi/n 95.238 95.238 mm
A
lt
81647.61905 81647.619 mm
2
S
ltt
76338714.29 76338714.3 mm
3
Y
ltd

ữ

Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo và chịu nén xa của dầm chủ:

;
st
std stt std
st
S
Y Y D Y
A
= =
Mômen quán tính của mặt cắt liên hợp ngắn hạn:

2 2
3 3
2
3 3
2
. .
. . .
12 2 12 2
. .
. .( ) . .
12 2 12 2
ft ft ft fb fb fb
st ft ft stt fb fb stb
w w w s s s
w w stb fb s s vs stb
B t t B t t

618.227 618.227 mm
Is
t
5.45E+10 5.45E+10 mm
4
Ss
td
50678428.57 50678428.6 mm
3
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
7
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Ss
tc
74028285.71 74028285.7 mm
3
III. Tính toán tải trọng:
1. Tĩnh tải tác dụng lên 1 dầm chủ:
1.1. Tĩnh tải giai đoạn 1 (Tác dụng lên mặt cắt không liên hợp):
*Trọng lợng bản thân dầm chủ DC
dc
= 0.491 kN/m
*Tĩnh tải do trọng lợng bản mặt cầu DC
bmc
= 10.000 kN/m
*Tĩnh tải do trọng lợng vút DC
v
= 0.266 kN/m
*Tĩnh tải rải đều lên dầm chủ do TLBT dầm ngang DC
dn

Dầm ngoài DC
lc
= 3.406 kN/m
Dầm trong DC
lc
= 0.568 kN/m
*Tĩnh tải do trọng lợng phần lớp phủ trên 1 dầm
Trọng lợng phần lớp phủ 2.888 kN/m
Trọng lợng phần lớp phòng nớc 0.007 kN/m
DW = 2.894 kN/m
* Tĩnh tải do trọng lợng rải phân cách trên cầu
Bề rộng dải phân cách B
pc
= 0 m
Chiều cao dải phân cách H
pc
= 0 m
DC
pc
= 0 kN/m
Vậy tổng tĩnh tải giai đoạn II là: DC
2
= 6.300 kN/m
1.3. Tổng hợp các loại tĩnh tải tác dụng lên dầm:
Loại Dầm trong Dầm ngoài Đơn vị
tải trọng
DC1 11.216 11.216 kN/m
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
9
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm



= + =
ữ ữ

0,1
0,4 0,3
3
0,4 0 ,3
0,1
0,06
4300
2000 2000
0,06 1,99 0,396
4300 34400
g
SI
momen
s
K
S S
mg
mm L Lt
Hai hoặc nhiều làn xe chất tải:

( )


= + =
ữ ữ

D
e
: Chiều dài phần hẫng, d
e
= 1000mm.
L: Nhịp dầm, L = 34400mm.
K
g
: Tham số độ cứng dọc, xác định theo công thức:

( )
= + = +
= =
2 4
5.4776 11 ( )
6
g g
B
D
K n I Ae E mm
E
n
E
E
B
: Môđun đàn hồi của VL dầm = 200000 MPa
E
D
: Môđun đàn hồi của VL bản mặt cầu = 31798.929 MPa
I: Mômen quán tính dầm, I = 2.E+10 mm


* 2000 * 100 * 1900
2 2
1900 100
0,5
2 2000 2 2000
A
A
P P
R
P P
R P
Khi có một làn xe chất tải, hệ số làn xe là 1,2. Vậy hệ số phân bố ngang là:

= =1,2 * 0,5 0,6
SE
momen
mg
Hai hoặc nhiều làn xe chất tải:

.
0,77 1
2800
ME MI
momen momen
e
mg e mg
d
e
mm



= + = + =
ữ ữ

2 2
2000 2000
0,2 0,2 0,721
3600 10700 3600 10700
MI
cat
S S
mg
mm mm
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.
Phản lực tại A đợc thiết lập bằng phơng trình cân bằng mômen đối với điểm B:

= +

= + =
ữ ữ

* 2000 * 000 * 1900
2 2
1900 100
0,5
2 2100 2 2100
A

Sử dụng phơng pháp đòn bẩy tính cho cả mômen và lực cắt. Coi tải trọng ngời là tải trọng
tập trung.
Đối với dầm ngoài: mg
pe
= 1.
Đối với dầm trong: mg
pi
= 0.
2.5. Bảng tổng hợp hệ số phân bố ngang:
Đối với mômen:
Mômen Một làn Hai hay HSPBN HSPBN
nhiều làn tính toán của ngời
Dầm trong 0.396 0.560 0.560 0
Dầm ngoài 0.600 0.631 0.631 1
Đối với lực cắt:
Lực cắt Một làn Hai hay HSPBN HSPBN
nhiều làn tính toán của ngời
Dầm trong 0.623 0.721 0.721 0
Dầm ngoài 0.600 0.673 0.673 1
IV. Nội lực dầm chủ:
1. Bảng các hệ số tải trọng:
a) Bảng hệ số tải trọng:
Loại TTGH cờng độ I TTGHSD TTGH mỏi
tải trọng Max Min
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
13
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
DC 1.25 0.9 1 0
DW 1.5 0.65 1 0
LL+IM 1.75 1.35 1 0.75

Các trị số để tính dt đah Diện tích đah
Nội lực l(m) x(m) l-x
( )

=
x l x
y
l
1

=
l x
y
l
2 1
1
=
y y

1

2



M
o
34.4 0 34.4 0 0 0
M
1

b) Bảng giá trị mômen và lực cắt do tĩnh tải giai đoạn I:
Nội lực DC1 Diện tích TTGH cờng độ I TTGH sử dụng
(m2) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài
M
o
11.216 0 0 0 0 0
M
1
11.216 110.940 1555.313 1555.313 1244.251 1244.251
M
2
(Mối
nối) 11.216 128.700 1804.298 1804.298 1443.439 1443.439
M
3
11.216 131.484 1843.334 1843.334 1474.668 1474.668
M
4
11.216 147.920 2073.751 2073.751 1659.001 1659.001
Q
o
=H
o
11.216 17.200 241.134 241.134 192.907 192.907
Q
1
11.216 8.600 120.567 120.567 96.454 96.454
Q
2
(mối nối) 11.216 6.125 85.874 85.874 68.699 68.699

o
17.200 86.874 147.902 59.543 108.366
Q
1
8.600 43.437 73.951 29.772 54.183
Q
2
(mối nối) 6.125 30.938 52.672 21.205 38.592
Q
3
5.811 29.351 49.970 20.117 36.612
Q
4
0 0 0 0 0
d) Bảng tổng hợp nội lực do tĩnh tải gây ra:
Nội lực Diện tích TTGH cờng độ I TTGH sử dụng
(m2) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài
M
o
0 0 0 0 0
M
1
110.940 2115.648 2509.282 1628.304 1943.212
M
2
(Mối nối) 128.700 2454.334 2910.985 1888.973 2254.294
M
3
131.484 2507.434 2973.964 1929.842 2303.066
M

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:
35*(x+4,3) + 145*x = 145*(4,3-x)

x = 1,455m.
Trờng hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 9000mm (dùng để tính mỏi):
35*(x+4,3) + 145*x = 145*(9-x)

x = 3,552m.
Công thức tính mômen:

.
truck i i
M P y=

Trong đó:
P
i
: Trọng lợng các trục xe.
Y
i
: Tung độ đờng ảnh hởng mômen.
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
17
35 KN
4,3m
4,3m
145 KN 145 KN
x=1,455m
Hợp lực

P
1
(kN) P
2
(kN) P
3
(kN) M(kN.m)
Gối 35 145 145 0.000
L/4 35 145 145 1683.781
11m (mối nối) 35 145 145 2019.362
L/3 35 145 145 2071.975
L/2 35 145 145 2382.531
Trờng hợp 2 bánh xe cuối cách nhau 9000mm (dùng để tính mỏi):
Mặt cắt Tung độ ĐAH
y
1
(m) y
2
(m) y
3
(m) y
max
(m)
Gối 0 0 0 0.000
L/4 0.561 3.786 6.263 6.450
11m 2.141 5.066 7.243 7.483
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
18
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
L/3 2.410 5.276 7.395 7.644

: Tung độ đờng ảnh hởng mômen.
Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và mômen của dầm chủ:
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
19
P2 =110
y
2
y
i
y
1
ĐAH Mặt Cắt i
P1 =110
Hợp lực
1,2m
x=0,6m
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Mặt cắt y
max
(m) y
1
(m) y
2
(m) P
1
(kN) P
2
(kN) M(kN.m)
Gối 0.000 0 0 110 110 0
L/4 6.450 6.000 6.300 110 110 1353

L/2 17.2 147.92 9.3 1375.656
d) Do tải trọng ngời gây ra:
Tải trọng ngời trên cầu ôtô bằng 300kG/m
2.
. Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài
dầm.
Tải trọng ngời không tính hệ số xung kích.
Công thức tính mômen:

P i i
M P

=
Trong đó: P
i
: Tải trọng ngời.
i

: Diện tích đờng ảnh hởng mômen.
yi
DAH Mặt cắt i
W = 3*1.5 = 4.5 KN/m
Mặt cắt x(m) Diện tích Pi (kN/m) M (kN.m)
Gối 0 0.000 4.5 0
L/4 8.6 110.940 4.5 249.615
11m 11 128.700 4.5 289.575
L/3 11.467 131.484 4.5 295.840
L/2 17.2 147.920 4.5 332.820
e) Bảng tổng hợp kết quả mômen:
Mặt cắt HL-93 Tandem Lane Load People load HL-93 (Mỏi)

3
(m) P
1
(kN) P
2
(kN) P
3
(kN) Q (kN)
Gối 0.750 0.875 1.000 35 145 145 298.125
L/4 0.500 0.625 0.750 35 145 145 216.875
11m 0.430 0.555 0.680 35 145 145 194.201
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
22
P
2
=145
y
3
y
1
ĐAH Mặt Cắt i
y
2
P
1
=35
x=1,455m
4,3m
4,3m
Hợp lực

Q P y=

Trong đó:
P
i
: Trọng lợng các trục xe.
Y
i
: Tung độ đờng ảnh hởng lực cắt.
Ta có bảng tung độ các vị trí đặt tải và lực cắt của dầm chủ:
Mặt cắt x(m) y
1
(m) y
2
(m) P
1
(kN) P
2
(kN) Q(kN)
Gối 0 1.000 0.965 110 110 216.163
L/4 8.6 0.750 0.715 110 110 161.163
11m 11 0.680 0.645 110 110 145.814
L/3 11.467 0.667 0.632 110 110 142.829
L/2 17.2 0.500 0.465 110 110 106.163
c) Do tải trọng làn gây ra:
Là tải trọng rải đều trên toàn bộ chiều dài dầm, có độ lớn P = 9,3N/mm.
Tải trọng làn không tính hệ số xung kích.
Công thức tính lực cắt:

Lane i i

=
Trong đó:
P
i
: Tải trọng ngời.
i

: Diện tích đờng ảnh hởng lực cắt.
Mặt cắt x(m) Diện tích Pi (kN) Q (kN)
Gối 0 17.200 4.5 38.700
L/4 8.6 9.675 4.5 21.769
11m 11 7.959 4.5 17.907
L/3 11.467 7.644 4.5 17.200
L/2 17.2 4.300 4.5 9.675
e) Bảng tổng hợp kết quả tính lực cắt không hệ số:
Mặt cắt HL-93 Tandem Lane Load People load HL-93 (Mỏi)
Nguyễn Minh Hiển Cầu Đờng Anh A - K42
24
THiết kế môn học cầu thép bộ môn cầu hầm
Gối 298.125 216.163 159.960 38.700 273.532
L/4 216.875 161.163 89.978 21.769 192.282
11m 194.200581 145.814 74.016 17.907 169.608
L/3 189.792 142.829 71.093 17.200 165.199
L/2 135.625 106.163 39.990 9.675 111.032
Đơn vị kN kN kN kN kN
3.3. Bảng tổng hợp kết quả tính toán nội lực do hoạt tải gây ra (có xét đến hệ số tải
trọng và hệ số điều chỉnh tải trọng tơng ứng):
3.3.1. Bảng tổng hợp kết quả mômen tính toán sau khi nhân hệ số:
Mômen do hoạt tải TTGHCĐI TTGHSD
Mặt cắt x(m) Dầm trong Dầm ngoài Dầm trong Dầm ngoài