Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
Thiết kế môn học
Cầu thép
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-1-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
PHầN i
Các số liệu thiết kế
I. Nội dung thiết kế:
Thiết kế kết cấu cầu dầm thép liên hợp bản BTCT nhịp giản đơn cho đ-
ờng ôtô.
II. Số liệu thiết kế:
1. Hoạt tải tiêu chuẩn: HL93 + Tải trọng ngời đi bộ 3.10
-3
MPa.
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-2-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
2. Chiều dài nhịp: 17m.
3. Chiều dài nhịp tính toán: 16,4m.
4. Khổ cầu: 10,5+2x2,0.
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(Tổ hợp).
8. Bêtông bản mặt cầu: f
c

10002000 2000 2000 20001000
2. C ờng độ của bê tông dùng cho kết cấu.
Sử dụng bê tông cấp 28 MPa.
3. C ờng độ cốt thép dùng cho kết cấu :
Sử dụng thép hợp kim thấp.
Cấp của cốt thép: G60.
4. Tỉ trọng của bê tông:
Tỉ trọng của bê tông:
c
= 2,5 (T/m
3
) = 25(kN/m
3
).
5. Cấu tạo lan can, lề ng ời đi:
+ Sử dụng lan can có kích thớc nh hình vẽ.
Cấp của lan can: cấp 1 (chiều cao tối thiểu 810 mm, lực va xô thiết kế 60
kN).
+ Lề ngời đi đồng mức với phần xe chạy, đợc phân cách với phần xe chạy
bằng dải phân cách cứng (dải phân cách cứng nh hình vẽ).
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-5-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép

300
250
400
150

7. Chiều dày lớp phòng nớc

= 4 mm
8. Tỷ trọng vật liệu làm lớp phòng nớc = 0,72 kN/m
3
9. Chiều cao vút = 100 mm
Chú ý rằng trong đó E
c
đợc tính theo công thức:

1,5 1,5
0,043 ' 0,043*2500 28 28441,827MPa
b c c
E y f= = =
ii. Xác định chiều dày của bản bê tông:
+ Chọn chiều dày của bản bê tông mặt cầu (kể cả phần hẫng) là: 150 (mm).
+ Chiều cao vút là: 100 (mm).
iii. Tính toán thiết kế bản mặt cầu:
1.Tính toán bản mặt cầu phần giữa 2 dầm I:
Sơ đồ tính toán thực tế là sơ đồ dầm 2 đầu ngàm, chiều dài tính toán là
khoảng cách giữa 2 dầm I liên tiếp (thiên về an toàn). Để đơn giản trong tính toán
ta tính toán nội lực trên sơ đồ dầm giản đơn sau đó suy ra nội lực trên sơ đồ thực
tế theo các công thức kinh nghiệm:
M
0
= 0,5M
max
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-6-

==

2000
177,5

+ Tải trọng bản thân của kết cấu là: DC
1
=
c
.1.h = 25.1.0,1775= 4,438 (kN/m).
(Tính cho 1m dài dọc cầu).
b) Tính toán tải trọng bản thân của lớp phủ mặt cầu và các tiện ích công cộng
(DW).
+ Gờ chắn xe:
- Diện tích mặt cắt của gờ chắn xe là: A
c
= 0,5.(0,125 + 0,25).0,25 = 0,046875
(m
2
).
- Trọng lợng của gờ chắn xe là: DC
2
=
c
.A
c
.1/0,25 = 25.0,046875.1/0,25
DC
2
= 4,688 (kN/m).

+ q
2
= 0,0029 + 1,575 = 1,578 (kN/m).
c) Tính toán mômen bản mặt cầu:
Ta nhận thấy rằng mômen ở giữa bản là lớn nhất nên ta chỉ cần tính toán
với mặt cắt giữa bản.
+ Tính toán mômen do tải trọng DC
1
gây ra:
DC = 4,438 (kN/m)
2
0,5
đuờng ảnh huởng momen

M
DC1
= 4,438x1x0,5 = 2,219 (kN.m).
+ Tính toán mômen do tải trọng DC
2
và DW gây ra:
0,25
0,125
0,25
DC 2 = 4,688 (kN/m)
0,5
2
2
0,5
DW = 1,578 (kN/m)



=
1,75.
- Chiều dài vệt tiếp xúc là:
L =
).(506,0)(50672500).
100
75
1.(75,1.10.28,2
3
mmm ==+

- Bề rộng vệt tiếp xúc là:
b = 510 + 2.h = 510 + 2.150 = 810 (mm) = 0,81 (m).
Tải trọng phân bố dới vệt bánh xe là:
)./(506,89
1.81,0
5,72
1.
mkN
b
P
q ===
Momen do tải trọng làn gây ra:
M
L
= 9,3.0,5.1 = 4,65 (kN.m).
Momen do bánh xe tải thiết kế gây ra:
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.

+ Mômen do lực xung kích của xe gây ra:
M
IM
= 75%M
xe
= 0,75.28,91 = 21,68 (kN.m).
Vậy ta có các giá trị momen (-) và momen (+) trên sơ đồ thực tế đợc ghi trong
bảng sau:
M
DC1
M
DC2
DW M
IM
M
HL93
M
PL
Giá trị mômen M
max
2,219 0,22 0,789 21,68 39,34 2,625
Giá trị mômen (+) (giữa
dầm)
1,110 0,110 0,395 10,840 19,670 1,313
Giá trị mômen (-) (tại
ngàm)
1,775 0,176 0,631 17,344 31,472 2,100
d) Tổ hợp tải trọng:
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.


: Hệ sô điều chỉnh tải trọng.
Ghi chú:
max

: Hệ số tải trọng lớn nhất.

min

: Hệ số tải trọng nhỏ nhất.
+ Khi tính toán với trạng thái giới hạn cờng độ I:
1
=
D

đối với thiết kế thông thờng.
R

= 1 thiết kế bản mặt cầu với mức d thông thờng.
I

= 1,05 cầu đợc thiết kế là quan trọng.
Vậy:
05,1
==
IRD

+ Khi tính toán với trạng thái giới hạn sử dụng:
1
=

KN.m
M
HL93
KN.m
M
PL
KN.m
Tổng
KN.m

1,25
1,25
1,5
1,75
1,75 1,75

1,05
1,05
1,05
1,05
1,05 1,05
+
max
M
1,457 0,144 O,622 19,919 36,144 2,413 60,699

max
M
2,330 0,231 0,994 31,870 57,830 3,859 97,114
Hệ số M

M
1,775 0,176 0,631 17,344 31,472 2,100 53,498
-11-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
2. Tính toán bản mặt cầu phần hẫng.
Chọn sơ đồ tính toán là sơ đồ công son nh hình vẽ.
Kết cấu chịu tác dụng của trọng lợng bản thân, tải trọng lan can, tải trọng bộ
hành, lớp phủ mặt cầu.
a. Tính toán tải trọng bản thân của bộ phận kết cấu và các thiết bị phụ phi kết cấu
(DC):
+ Diện tích của mặt cắt là: A
c
= [200.15 + 2.15.15 + 10.10]/2 = 1775 (cm
2
).
+ Chiều cao của mặt cắt quy đổi là:
).(178)(75,17
100
1775
mmcmh
==

1000
178
+ Tải trọng bản thân của kết cấu là: DC
1
=
c
.1.h = 25.1.0,178 = 4,450 (kN/m).

c
= 0,72(kN/m).
- Trọng lợng của lớp phòng nớc là:
q
1
= 0,72.1.0,004 = 0,0029 (kN/m).
+ Lớp bê tông asphals:
- Chọn bề dày lớp bê tông asphals là: 7 (cm).
- Trọng lợng thể tích của bê tông asphals là:
a
= 22,5 (kN/m).
- Trọng lợng của lớp asphals là:
q
2
= 22,5.1.0,07 = 1,575 (kN/m).
Tổng trọng lợng lớp phủ mặt cầu là:
DW = q
1
+ q
2
= 0,0029 + 1,575 = 1,578 (kN/m).
c. Tải trọng bộ hành:
Kết cấu chịu tác dụng của tải trọng bộ hành PL = 3.10
-3
(MPa) = 3 (kN/m)
phân bố đều trên toàn bộ phần lề đi bộ.
d. Tính toán mômen bản mặt cầu:
Do đặc điểm chịu lực nên kết cấu chỉ xuất hiện mômen âm lớn nhất ở ngàm.
+ Mômen do tải trọng DC
1

.
22
mkN
lDW
M
DW
===
+ Mômen do tải trọng bộ hành PL gây ra:
) (375,0
2
5,0.3
2
.
22
mkN
lPL
M
PL
===
e. Tổ hợp tải trọng:
bảng tổng hợp tổ hợp tải trọng cờng độ I
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
Hệ số
M
DC1
KN.m
M
DC2
KN.m

df
M
A
.
)(
max
+
=
Chọn chiều dày lớp bê tông bảo vệ là:
d = 35 (mm); d
s
= 178 35 = 143 (mm).
)(17,1061
143.400
10.699,06
2
6
mmA
s
==
.
Số lợng thanh cốt thép chọn là:n =
2
.
.4

s
str
s
A

M
DC2
KN.m
M
DW
KN.m
M
PL
KN.m
Tổng
KN.m

1
1
1 1

1,0
1,0
1,0 1,0
max
M
2,225 1,584 0,197 0,375 4,381
-14-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
Sử dụng cốt thép thờng theo ASTM có đờng kính danh định 18. Xác định
diện tích cốt thép chịu kéo theo công thức:
sy
s
df

A
=
A
str
: Diện tích mặt cắt ngang một thanh cốt thép.
67,6
18.
797,1697.4
2
==

n
Chọn: n = 10 (thanh).
Sơ đồ bố trí cốt thép nh hình vẽ:
100 4 x 200 = 800 100
1000
50

9 x 100 = 900 50
15
18
44 90 44
178
mặt cắt tại ngàm
3.2. Đối với sơ đồ 2 (sơ đồ công son):
Sử dụng cốt thép thờng theo ASTM có đờng kính danh định 18. Xác định
diện tích cốt thép chịu kéo theo công thức:
sy
s
df

A
=
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-15-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
A
str
: Diện tích mặt cắt ngang một thanh cốt thép.
41,0
18.
685,104.4
2
==

n
Chọn: n = 10 (thanh).
Bố trí thêm 5 thanh cốt thép 16 ở thớ d ới.
Sơ đồ bố trí cốt thép nh hình vẽ:
100 4 x 200 = 800 100
1000
50

9 x 100 = 900 50
15
18
44 90 44
178
mặt cắt tại ngàm

=

=

=
c
f

d
e
: Chiều cao làm việc tơng ứng từ thớ chịu nén xa nhất tới
trọng tâm lực kéo trong cốt thép chịu kéo.
Lợng cốt thép tối thiểu phải thoả mãn:
ey
c
d
c
f
f
<=== %21,0
400
28
.03,003,0
'
min


+ Mặt cắt tại ngàm (của cả 2 sơ đồ):
).(87,23
1000.85,0.28.85,0

e
d
c
Đạt.
ey
c
d
c
f
f
<=== %21,0
400
28
.03,003,0
'
min

= 0,178 = 17,8%

Đạt.
+ Mặt cắt giữa bản (của sơ đồ 1):
).(87,23
1000.85,0.30.85,0
400.5.47,254
85,0
.
1
'
mm
bf


Đạt.
2) Tính duyệt mômen uốn:
2.1. Với sơ đồ 1:
a. Kiểm toán với mômen d ơng:

) (119,63
).(10.119,63)
2
958,19
134.(400.5.47,254)
2
.(.
6
mkNM
mmN
a
dfAM
n
SySn
=
===
).(958,1987,23.836,0.
1
mmca ===

M
r
= M
n

+==
M
r
= M
n
= 0,9.108,924 = 98,031 (KN.m).
Ta thấy: M
tt
= 97,114 < 98,031 Đạt.
2.2. Với sơ đồ 2 (sơ đồ công xon):
) (924,108
) (10.924,108)
2
958,19
44.(400.5.47,254
)
2
958,19
134.(400.10.47,254)
2
.(.)
2
.(.
6
'''
mkNM
mmN
a
dfA
a

y
c
sa
f
Ad
Z
f
f
sa
: ứng suất kéo trong cốt thép ở giai đoạn sử dụng.
d
c
: Khoảng cách từ thớ chịu kéo ngoài cùng của bê tông đến tim của thanh
hay sợi cốt thép gần nhất nhng không đợc vợt quá 50mm.
A: Diện tích của phần bê tông có cùng trọng tâm với cốt thép chủ chịu kéo
chia cho số thanh cốt thép (mm
2
).
Z: Thông số khống chế nứt. Giả sử điều kiện môi trờng khắc nghiệt: Z = 23000
(N/mm).
f
y
: Giới hạn chảy tối thiểu của thanh cốt thép.
3.1. Với sơ đồ 1:
a. Kiểm toán nứt với mômen d ơng (mặt cắt giữa bản):
d
c
= 44 (mm).
A =
).(17600

23000
3/1
==
sa
f
< 0,6f
y
= 240

Đạt.
3.2. Với sơ đồ 2 (bản hẫng).
d
c
= 44 (mm).
A =
).(8800
10
88000
2
mm=
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-18-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
( )
3006,218
8800.44
23000
3/1




ữ=
Theo công thức kinh nghiệm của 22TCN-272-05:
).(567,0
30
1
mLh
d
==
Vậy chọn chiều cao dầm là: h
d
= 0,80 (m) = 80 (cm).
2. Lựa chọn bề dày s ờn dầm:
Theo công thức kinh nghiệm (với dầm bằng thép hợp kim thấp) ta có:
).(9)(9,080
10
1
10
1
mmcmh
d
===

Chọn bề dày sờn dầm là:
).(14 mm
=

3. Lựa chọn kích th ớc bản cánh (trên và d ới).

Chọn chiều dày bản cánh trên: t
ft
= 20 (mm) và chiều dày bản cánh dới:
t
fb
=25(mm).
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-20-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
Vậy ta có kích thớc mặt cắt nh hình vẽ:
350
800
20
20
250
25
t
fb
B
ft
t
ft

H
B
fb
h
s

ft
= 20 mm
Chiều rộng bản cánh dới B
fb
= 350 mm
Chiều dày bản cánh dới t
fb
= 25 mm
Chiều dày sờn dầm t
w
= 14 mm
Chiều cao sờn dầm D
w
= 755 mm
Bề rộng lan can = 500 mm
Bề rộng dải phân cách = 250 mm
Tổng bề rộng của cầu = 16000 mm
Diện tích dầm thép A = 25320 mm
2
-21-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
2000 2000 2000 2000 2000 2000 2000
500 2000 3x3500
250
2000
250
1000 1000
500
Mặt cắt ngang kết cấu nhịp

=16400.
4
1
4100 mm
* 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 = 1925 mm
*Khoảng cách trung bình giữa các dầm kề nhau = 2000 mm
Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-22-
Trờng đại học giao thông vận tải bộ môn công trình gttp
Khoa công trình thiết kế môn học cầu thép
Vậy bề rộng hữu hiệu của bản cánh đối với dầm giữa là b
i
= 1925 mm
1.2. 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:
* 1/8 chiều dài nhịp hữu hiệu =
=16400.
8
1
2050 mm
* 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 =

350
25
800

200
20
100100
120
250
1925
755
755
Mặt cắt liên hợp của dầm trong và dầm biên
3.1. Đối với mặt cắt nguyên:
Vì mặt cắt dầm trong và dầm biên là nh nhau,do vậy ta tính chung cho cả
mặt cắt dầm biên và mặt cắt dầm trong.
a) Các công thức tính toán:
Diện tích mặt cắt nguyên:Sinh viên: Lơng Hà Giang.
Lớp : CT_GTCC K42.
-24-
4
. . .
250.20 350.25 755.14 24320( )
nc ft ft fb fb w w
A B t B t D t
mm
= + +

12 2 12 2
755.14 755
755.1.(341,85 25)
12 2
ft ft ft fb fb fb
nc ft ft nct fb fb ncd
w w w
w w ncd fb
B t t B t t
I B t Y B t Y
D t D
D t Y t
=
2 9 4
2,495.10 ( )mm
b) Thay số tính toán ta đợc kết quả sau:
Diện tích mặt cắt nguyên A
nc
= 24320 mm
2
Mômen tĩnh S
nct
đối với đáy dầm chủ = 8,314.10
6
mm
3
Khoảng cách từ trục trung hoà đến thớ chịu kéo
Y
ncd
= 341,85 mm

mm
= + + +
= + + + =
6
8,314.10
341,850( )
24320
nc
ncd
nc
S
Y mm
A
= = =
800 341,85 458,15( )
nct ncd
Y D Y mm= = =