Thiết Kế Cầu Thép Theo 22TCN272-05

MỤC LỤC I. Nhiệm vụ đồ án môn học thiết kế cầu thép 1. Các số liệu thiết kế 2 2. Nội dung thiết kế 2 II. Nội dung A.Tổng quan 3 1. Chọn tiết diện 3 2. Thiết kế bản mặt cầu 3 3. Tiêu chuẩn thiết kế 3 B. Thiết kế dầm chủ 1. Chọn tiết diện 4 2. Tính toán nội lực 5 3. Kiểm toán dầm chủ 21 4. Kiểm tra dầm theo các TTGH 36 5. Tính toán mối nối dầm chủ 39 6. Tính toán các liên kết trong tiết diện dầm chủ 49 THIẾT KẾ CẦU THÉP LIÊN HỢP BẢN BTCT I.NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN MÔN HỌC THIẾT KẾ CẦU THẾP 1.Các Số Liệu Thiết kế: 1.1 Tiêu chuẩn thiết kế: áp dụng tiêu chuẩn ngành 22TCN 272-05 1.2 Chiều dài nhịp: ltt=30m. 1.3 Khổ cầu: K=10.5+2x1m. 1.4 Tải trọng: hoạt tải HL93. 1.5. Đoàn người: 400 daN/m2. 2.Nội Dung Thiết Kế: Thiết kế cầu dầm thép liên hợp với bản bêtông cốt thép: 2.1 Lựa chọn tiết diện dầm chủ. 2.2 Kiểm tra tiết diện dầm chủ theo các trạng thái giới hạn. 2.3 Thiết kế liên kết giữa các bộ phận trong tiết diện dầm chủ. 2.4 Thiết kế mối nối dầm chủ. 2.5 Thiết kế hệ neo liên kết. II. NỘI DUNG: A.Tổng quan: 1.Chọn tiết diện chung: -.Bề rộng phần xe chạy 10.5+2x1=12.5m là khoảng cách giữa hai mép của lan can (tính luôn phần đường dành cho người đi bộ). -Bố trí nhịp giản đơn 30m. -.Chọn kiểu dầm thép là kiểu tiết diện chữ I. Thép chọn sử dụng là thép công trình-loại thép hợp kim thấp cường độ cao M270 cấp 345, có cường độ chảy min Fy = 345MPa, cường độ kéo min Fu = 450MPa. -.Bêtông sử dụng cho bản mặt cầu là bêtông có fc’ = 30MPa. -Thép đường hàn là thép cơ bản A36/M270 cấp 250. Sơ bộ chọn mặt cắt ngang như hình vẽ: Hình 1: Mặt cắt ngang cầu. 2. Thiết kế bản mặt cầu bằng BTCT: Bản mặt cầu bằng BTCT được thiết kế tương tự như khi thiết kế của bản mặt cầu bằng BTCT của cầu BT. Ở đây ta chỉ đưa ra kích thước cấu tạo của bản mặt cầu. 3.Tiêu chuẩn thiết kế: 22TCN 272-05 3.1.Chọn hệ số sức kháng: 3.1.1.Trạng thái giới hạn cường độ : (6.5.4.2) - Đối với uốn : - Đối với cắt : 3.1.2.Trạng thái giới hạn khác ngoài cường độ : - Đối với các trạng thái giới hạn sử dụng và trạng thái giới hạn đặc biệt thì 3.2.Hệ số điều chỉnh tải trọng: Tính chất Cường độ Sử dụng Mỏi Ghi chú Dẻo dai 0.95 1.00 1.00 1.3.3 Dư thừa 1.00 1.00 1.00 1.3.4 Quan trọng 1.00 1.3.5 0.95 1.00 1.00 3.3.Tổ hợp tải trọng tác dụng: 3.3.1.Trạng thái giới hạn cường độ I: 3.3.2.Trạng thái giới hạn sử dụng: 3.3.3.Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy: Với quan điểm thiết kế không có dải phân cách cứng giữa lề bộ hành và phần đuờng xe chạy nên xe có thể chạy vào phần lề bộ hành khi không có người. Ta nhận thấy tải trọng bánh xe lớn hơn rất nhiều so với tải trọng đoàn người, do vậy mà khi tính toán ta có thể không cần tính đến tải trọng của người đi bộ. B.Thiết kế dầm chủ: 1.Chọn tiết diện: Dầm I là dầm tổ hợp. Theo 22TCN272-05 khuyến cáo thì chiều cao của dầm thép được lấy tối thiểu như sau: =1m, chọn h=1,24m (1) Chiều cao của toàn bộ dầm thép liên hợp với bản bêtông cốt thép được lấy như sau: h0,04x30 = 1,2m, chọn h=1,5m (2) Chiều dày của bản mặt cầu lấy không nên nhỏ hơn 190cm (có cộng thêm 15cm lớp chống hao mòn) để đảm bảo cho dầm thép đủ khả năng chịu lực. Đồng thời chiều dày của bản Bêtông được xác định theo AASHTO: =208mm (3) Vậy ta chọn chiều dày của bản mặt cầu ts =210mm. -Bản biên: +Bề rộng không nhỏ hơn 1/5 chiều cao dầm và không nhỏ hơn 1/20 khoảng cách giữa các điểm được liên kết cố định trong phương ngang. +Chiều dày bản biên không lớn hơn 40mm đối với thép hợp kim thấp. +Quan hệ giữa chiều dày tf và chiều rộng bf của bản biên: , chọn bản biên trên kích thước 30x1.5cm (4) bản biên dưới kích thước 40x2.5cm -Sườn dầm: Chiều cao sườn dầm:D1=1240-15-25=1200mm Bề dày sườn dầm tw: =1,095cm, (5) chọn tw=1,2cm(tw không được nhỏ hơn 12mm). Vì là đặc điểm dầm liên hợp do vậy mà bản mặt cầu sẽ cùng tham gia chịu nén cùng với biên trên của dầm thép do vậy mà kích thước của dầm thép cho phép giảm đến mức tối thiểu, tuy nhiên việc chọn kích thước của dầm thép phải đảm bảo điều kiện ổn định của dầm thép khi nén. Qua một số đặc điểm và lựa chọn trên của dầm liên hợp như trên ta có hình vẽ tiết diện dầm như sau: Hình 2: Sơ bộ chọn tiết diện dầm liên hợp 2. Tính toán nội lực : 2.1.Do hoạt tải: 2.1.1. Chọn số lượng làn xe: {A6.3.1.1.1} Theo AASHTO thì số làn xe là phần nguyên của tỉ số giữa bề rộng cầu và 3500mm (bề rộng của 1 làn xe). NL = phần nguyên = phần nguyên =3 (6) Chọn số làn thiết kế n=2. 2.1.2. Hệ số làn xe:{A3.6.2.1} Số là xe Hệ số là xe (m) 1 1,2 2 1,0 2.1.3. Hệ số xung kích IM (%): Bộ phận công trình IM (%). Mối nối bản mặt cầu 75 Mỏi 15 Tất cả các bộ phận khác 25 2.1.4. Xác Định Hệ Số phân Bố Mômen : Việc tính toán một cách chính xác sơ đồ tính không gian của cầu dầm thép liên hợp với bản bêtông là hết khó khăn và phức tạp, do đó để đơn giản người ta dùng cách tính gần đúng bằng cách đưa sơ đồ cầu thực tế về sơ đồ cầu phẳng và khi đó phải kể thêm hệ số phân bố ngang của hoạt tải. + Xác định hệ số phân phối ngang: Dầm trong: -Khi có một làn xe chất tải: (7) +Khi thiết kế sơ bộ chọn =1,0 Trong đó: S- khoảng cách giữa các dầm chủ S=2300mm. L: chiều dài nhịp dầm L=30000mm. Suy ra mgMSE=0,4203 -Khi có hai làn xe được chất tải: MMIM=0,075+=0,5956 àkhống chế (8) Dầm ngoài: -Khi có một làn xe chất tải dùng phương pháp đòn bẩy: Hình 3: Tính hệ số phân bố mômen của dầm ngoài. Cân bằng mômen đối với khớp giả ta tính được : gMSE=0,5643 Khi xếp một làn xe thì hệ số làn xe m = 1,2 suy ra mgMSE = 0,5643x1,2 = 0,6772 -Khi có hai làn xe chất tải: mgMME=e x mgMMI (9) với Suy ra mgMME=e x mgMMI=0,5021x0,5956=0,2991 Vậy hệ số phân bố mômen của dầm ngoài: mgM = mgMSE = 0,6772 Trong đó: de = -750mm là khoảng cách từ tim dầm chủ ngoài cùng đến mép của đá vỉa. Vậy mgMMI = 0,5956 mgMSE = 0,6772 Bảng tổng hợp hệ số phân phối ngang của Mômen: Hệ số phân phối ngang Dầm trong Dầm ngoài Một làn chất tải 0,4203 0,6772(khống chế) Hai hoặc nhiều làn chất tải 0,5956(khống chế) 0,2991 2.1.5.Xác Định Hệ Số Phân Bố Lực Cắt Của Dầm Trong Và Dầm Ngoài: 2.1.5.1. Dầm trong: -Khi có một làn xe được chất tải: sử dụng công thức được thiết lập theo kinh nghiệm. mgVSI = 0,36+= 0,6626 (10) -Khi có hai làn xe được chất tải: tương tự ta sử dụng công thức được thiết lập theo kinh nghiệm. mgVMI=0,2+= 0,7927à khống chế. (11) 2.1.5.2. Dầm ngoài: -Khi có một làn xe được chất tải dùng phương pháp đòn bẩy ta xác định được hệ số phân bố lực cắt của dầm ngoài: mgVSE=0,6772à khống chế. -Khi có hai làn xe chất tải: mgVME = e x mgVMI =0,433x0,7688=0,333 Với e = 0,6+= Bảng tổng hợp hệ số phân phối ngang của lực cắt: Hệ số phân phối ngang Dầm trong Dầm ngoài Một làn chất tải 0,6626 0,6772(khống chế) Hai hoặc nhiều làn chất tải 0,7927(khống chế) 0,35 Bảng tổng hợp hệ số phân phối ngang: Hệ số Dầm trong Dầm ngoài Mômen 0,5956 0,6772(bất lợi hơn) Lực cắt 0,7927(bất lợi hơn) 0,6772 2.1.6. Xác định mômen do hoạt tải tác dụng: Giá trị mômen trong các dầm khi có kể đến lực xung kích: MLL+IM=mg[(MTr hoặc MTa)(1+)+MLn] Trong đó: MTr mômen tại tiết diện dầm do xe tải thiết kế. MTa mômem tại tiết diện dầm do xe hai trục thiết kế. MLn mômen tại tiết diện dầm do tải trọng làn thiết kế. Các giá trị mômen này đựoc xác định dựa vào việc xếp tải trên đường ảnh hưởng (ĐAH) tại mỗi tiết diện. Cần xét tại các tiết diện sau:L/2, 3L/8, L/4, L/8 và ở gối. IM là lực xung kích (%) mg hệ số phân bố mômen 2.1.6.1.Xếp tải tại tiết diện giữa nhịp (L/2): Hình 4a: Đường ảnh hưởng tính MTr. Hình 4b: Đường ảnh hưởng tính MTa Hình 4c: Tải trọng làn tác dụng lên dầm. 2.1.6.2.Xếp tải tại tiết diện 3L/8: Hình 5a: Đường ảnh hưởng tính MTr Hình 5b: Đường ảnh hưởng tính MTa Hình 5c: Tải trọng làn tác dụng lên dầm. 2.1.6.3.Xếp tải tại tiết diện L/4: Hình 6a: Đường ảnh hưởng tính MTr Hình 6b: Đường ảnh hưởng tính MTa Hình 6c: Tải trọng làn tác dụng lên dầm. 2.1.6.4.Xếp tải tại tiết diện L/8: Hình 7a: Đường ảnh hưởng tính MTr Hình 7b: Đường ảnh hưởng tính MTa Hình 7c: Tải trọng làn tác dụng lên dầm. 2.1.6.5.Xếp tải tại tiết diện gối: Đường ảnh hưởng mômen tại gối có giá trị bằng 0 Bảng tổng hợp mômen do hoạt tải khi chưa có hệ số : Tại mặt cắt L/2 Giá trị ĐAH (m) Tải trọng trục (kN) Mômen (kNm) Diện tích ĐAH MLn (kNm) MLL+IM(kNm) Dầm trong Dầm ngoài Xe tải tung độ y1 5,35 35,00 2050,5 112,5 1046,3 2149,77 2749,04 tung độ y2 7,50 145,00 tung độ y3 5,35 145,00 Xe hai trục tung độ y1 7,20 110,00 1584 112,5 1046,3 1802,46 2354,15 tung độ y2 7,20 110,00 Tại mặt cắt 3L/8 Xe tải tung độ y1 4,34 35,00 1957,2 105,5 981,2 2041,54 2607,02 tung độ y2 7,03 145,00 tung độ y3 5,42 145,00 Xe hai trục tung độ y1 7,03 110,00 1497,1 105,5 981,2 1699 2217,54 tung độ y2 6,58 110,00 Tại mặt cắt L/4 Xe tải tung độ y1 5,63 145,00 1597,6 84,5 785,9 1657,5 2113,47 tung độ y2 4,55 145,00 tung độ y3 3,47 35,00 Xe hai trục tung độ y1 5,63 110,00 1205,6 84,5 785,9 1365,65 1781,65 tung độ y2 5,33 110,00 Tại mặt cắt L/8 Xe tải tung độ y1 3,28 145,00 950,3 49,2 457,6 980,04 1247,59 tung độ y2 2,74 145,00 tung độ y3 2,21 35,00 Xe hai trục tung độ y1 3,28 110,00 705,1 49,2 457,6 797,49 1040,03 tung độ y2 3,13 110,00 Tại mặt cắt gối Xe tải tung độ y1 0,00 35,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 tung độ y2 0,00 145,00 tung độ y3 0,00 145,00 Xe hai trục tung độ y1 0,00 110,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 tung độ y2 0,00 110,00 2.1.7. Lực cắt của dầm chủ do hoạt tải gây ra là: Giá trị lực cắt trong các dầm khi có kể đến lực xung kích: VLL+IM=mg[(VTr hoặc VTa)(1+)+VLn] Trong đó: VTr lực cắt tại tiết diện dầm do xe tải thiết kế. VTa mômem tại tiết diện dầm do xe hai trục thiết kế. VLn lực cắt tại tiết diện dầm do tải trọng làn thiết kế. Các giá trị lực cắt này đựợc xác định dựa vào việc xếp tải trên đường ảnh hưởng (ĐAH) tại mỗi tiết diện. Cần xét tại các tiết diện sau:L/2, 3L/8, L/4, L/8 và ở gối. IM là lực xung kích (%) mg hệ số phân bố lực cắt 2.1.7.1.Tại tiết diện giữa nhịp (L/2): Hình 8a: Đường ảnh hưởng+xếp xe tính VTr tại L/2. Hình 8b: Đường ảnh hưởng+ xếp xe tính VTa tại L/2. Hình 8c: Đường ảnh hưởng tímh VLn tại L/2. 2.1.7.2.Xếp tải tại tiết diện 3L/8: Hình 9a: Đường ảnh hưởng+xếp xe tính VTr tại 3L/8. Hình 9b: Đường ảnh hưởng+ xếp xe tính VTa tại 3L/8. Hình 9c: Đường ảnh hưởng tímhVLn tại 3L/8. 2.1.7.3.Xếp tải tại tiết diện L/4: Hình 10a: Đường ảnh hưởng+xếp xe tính tại VTr L/4. Hình 10b: Đường ảnh hưởng+ xếp xe tính VTa tại L/4. Hình 10c: Đường ảnh hưởng tímhVLn tại L/4 2.1.7.4.Xếp tải tại tiết diện L/8: Hình 11a: Đường ảnh hưởng+xếp xe tính VTr tại L/8. Hình 11b: Đường ảnh hưởng+ xếp xe tính VTa tại L/8. Hình 11c: Đường ảnh hưởng tímh VLn tại L/8 2.1.7.5.Xếp tải tại tiết diện gối: Hình 12a: Đường ảnh hưởng+xếp xe tính VTr tại gối. Hình 12b: Đường ảnh hưởng+ xếp xe tính VTa tại gối. Hình 12c: Đường ảnh hưởng tímh VLn tại gối Bảng tổng hợp lực cắt do hoạt tải khi chưa có hệ số : Tại mặt cắt L/2 Giá trị ĐAH Tải trọng trục (kN) Lực cắt(kN) Diện tích ĐAH VLn (kN) VLL+IM(kN) Dầm trong Dầm ngoài Xe tải tung độ y1 0,50 145,00 131,7 3,75 34,9 158,16 145,28 tung độ y2 0,357 145,00 tung độ y3 0,213 35,00 Xe hai trục tung độ y1 0,50 110,00 105,6 3,75 34,9 132,3 123,18 tung độ y2 0,46 110,00 Tại mặt cắt 3L/8 Xe tải tung độ y1 0,625 145,00 172,3 5,86 54,5 213,93 198,63 tung độ y2 0,482 145,00 tung độ y3 0,338 35,00 Xe hai trục tung độ y1 0,625 110,00 133,1 5,86 54,5 175,09 165,45 tung độ y2 0,585 110,00 Tại mặt cắt L/4 Xe tải tung độ y1 0,75 145,00 165,5 8,44 78,5 226,22 216,12 tung độ y2 0,607 145,00 tung độ y3 0,463 35,00 Xe hai trục tung độ y1 0,75 110,00 160,8 8,44 78,5 221,56 212,14 tung độ y2 0,712 110,00 Tại mặt cắt L/8 Xe tải tung độ y1 0,875 145,00 253,6 11,48 106,8 335,95 318,09 tung độ y2 0,732 145,00 tung độ y3 0,588 35,00 Xe hai trục tung độ y1 0,875 110,00 188,1 11,48 106,8 271,04 262,65 tung độ y2 0,835 110,00 Tại mặt cắt gối Xe tải tung độ y1 1,00 145,00 294,2 15,0 139,5 402,1 384,14 tung độ y2 0,857 145,00 tung độ y3 0,713 35,00 Xe hai trục tung độ y1 1,00 110,00 215,6 15,0 139,5 324,21 317,61 tung độ y2 0,96 110,00 2.2. Tính Toán Nội Lực Của Dầm Chủ Do Tĩnh Tải: Gọi D1 là tải trọng của dầm thép, bản mặt cầu, phần vút. D2 là trọng lượng của các lớp mặt cầu 75mmm. D3 là trọng lượng của lan can tay vịn, đá vỉa. w là giá trị của tải phân bố đều kN/m. Khi đó mômen và lực cắt do tải trọng rải đều đơn vị tại các vị trí khác nhau trong dầm có thể tính theo công thức: L :là chiều dài nhịp x là vị trí cần tính. 2.2.1. Dầm trong: D1:Bản mặt cầu =2,4x0,21x2,3x9,81=11,37kN/m. Phần vút =2,4x(0,05x0,45+2x0,075x0,015)x9,81=0,58 kN/m. Phần dầm thép = 7,85x (1,2x0,012+0,4x0,025+0,3x0,015)x9,81=2,23kN/m Suy ra D1=14,18kN/m D2: Các lớp mặt cầu =0,075x2,3x2,25x9,81=3,81kN/m. D3: Phần lan can tay vịn. Ở đây lấy D3=1,06kN/m, tính cho sáu dầm với hình vẽ bên dưới. Hình 13: Kích thước lan can tay vịn Mô men và lực cắt của dầm trong khi chưa có hệ số: Mômen: Loại Lực w (kN/m) x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 D1 14,18 1595,25 1495,55 1196,44 697,92 0 D2 3,81 428,63 401,84 321,47 187,52 0 D3 1,06 119,25 111,80 89,44 52,17 0 LL+IM 2149,77 2041,54 1657,5 980,04 0 Lực cắt: Loại Lực w (kN/m) x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 D1 14,18 0 53,18 106,35 159,53 212,7 D2 3,81 0 14,29 28,58 42,86 57,15 D3 1,06 0 3,98 7,95 11,93 15,9 LL+IM 158,16 213,93 226,22 335,95 402,1 2..2.2.Dầm ngoài: D1:Bản mặt cầu =2,4x0,21x2,05x9,81=10,14kN/m. Phần vút =2,4x(0,05x0,45+2x0,075x0,015)x9,81=0,58 kN/m. Phần dầm thép = 7,85x (1,2x0,012+0,4x0,025+0,3x0,015)x9,81=2,23kN/m Suy ra D1=12,95kN/m D2: Các lớp mặt cầu =0,075x1,65x2,25x9,81=2,73kN/m. D3 phần lan can tay vịn =1,06 kN/m Mô men và lực cắt dầm ngoài khi chưa có hệ số: Mômen: Loại Lực w (kN/m) x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 D1 12,95 1456,88 1365,82 1092,66 637,38 0 D2 2,73 307,13 287,93 230,34 134,37 0 D3 1,06 119,25 111,80 89,44 52,17 0 LL+IM 2749,04 2607,02 2113,47 1247,59 0 Lực cắt: Loại Lực w (kN/m) x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 D1 12,95 0 48,56 97,13 145,69 194,25 D2 2,73 0 10,24 20,48 30,71 40,95 D3 1,06 0 3,98 7,95 11,93 15,9 LL+IM 145,28 198,63 216,12 318,09 384,14 2.3. Tổ hợp nội lực: 2.3.1. TTGH cường độ: M=0,95x{1,25xD1+1,5xD2+1,25xD3+1,75x(LL+IM)} (12) V=0,95x{1,25xD1+1,5xD2+1,25xD3+1,75x(LL+IM)} (13) Dầm trong:  Vị trí x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 M 6220,76 5875,41 4740,67 2787,26 0 V 262,94 443,9 552,55 823,2 1021,39 Dầm ngoài:  Vị trí x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 M 6879,6 6499,14 5245,62 3084,44 0 V 241,53 407,21 513,27 759,76 946,54 2.3.2. TTGH sử dụng: M=1,00x{1,00xD1+1,00xD2+1,00xD3+1,00x(LL+IM)} (14) V=1,00x{1,00xD1+1,00xD2+1,00xD3+1,00x(LL+IM)} (15) Dầm trong:  Vị trí x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 M 4292,9 4050,73 3264,85 1917,65 0 V 158,16 285,38 369,1 550,27 687,85 Dầm ngoài:  Vị trí x=0,5 x=0,375 x=0,25 x=0,125 x=0 M 4632,3 4372,57 3525,91 2071,51 0 V 145,28 261,41 341,68 506,42 635,24 2.3.3. TTGH mỏi: xét riêng trong phần sau 2.4. Các đặc trưng của tiết diện dầm thép: 2.4.1.Xét dầm liên hợp với bản bêtông cốt thép có các giai đoạn làm việc như sau: +Trọng lượng của dầm và bản bêtông khi chưa đông cứng là do dầm thép chịu. +Tải trọng tĩnh chất thêm là do dầm liên hợp dài hạn chịu. +Hoạt tải và lực xung kích là do tiết diện liên hợp ngắn hạn chịu. 2.4.2.Xác định chiều rộng có hiệu của bản mặt cầu: *Đối với dầm trong chiều rộng có hiệu bản cánh là trị số nhỏ nhất của: - Một phần tư chiều dài nhịp trung bình - 12 lần chiều dày trung bình của bản cộng với trị số lớn hơn của chiều dày vách hoặc một nửa chiều rộng biên trên của dầm. - Khoảng cách trung bình của hai dầm kề nhau. Do đó bề rộng có hiệu của bản cánh dầm trong là giá trị nhỏ nhất của các số liệu sau: S=2,3m Vậy chiều rộng có hiệu của bản cánh dầm trong bi =2,3m. *Đối với dầm ngoài chiều rộng có hiệu bản cánh bằng một nửa chiều rộng có hiệu của dầm trong kề bên cộng nhỏ nhất của S: -Một phần tám chiều dài nhịp có hiệu -6 lần chiều dày trung bình của bản cộng với trị số lớn hơn của một nửa chiều dày vách hoặc một phần tư chiều rộng biên trên của dầm. -Chiều rộng của phần hẫng.. Do đó bề rộng có hiệu của bản cánh dầm ngoài là giá trị nhỏ nhất của các số liệu sau: Vậy chiều rộng có hiệu của bản cánh dầm ngoài be =2,05m. 2.4.3. Xác định đặc trưng hình học của tiết diện dầm thép qua các giai đoạn: Ta có bảng sau: Đặc trưng A(cm2) Ay(cm3) yb(cm) yt(cm) I(cm4) Sb(cm3) St(cm3) Dầm thép(NC) 289,00 13118,75 45,39 -78,61 746325,67 16442,51 -9494,03 Ngắn hạn(ST) 897,44 97584,45 108,74 -41,26 2483310,05 22837,13 -60186,87 Dài hạn (LT) 491,81 41273,98 83,92 -66,08 1795564,18 21396,14 -27172,58 2.4.3.1Tiết diện dầm thép: Hình 14a:Đặc trưng hình học dầm thép. 2.4.3.2.Tiết diện liên hợp ngắn hạn n=8: Hình 14b:Đặc trưng hình học dầm liên hợp ngắn hạn n=8 2.4.3.3.Tiết diện dầm thép liên hợp bản BT dài hạn 3n=24: Hình 14c: Đặc trưng hình học dầm liên hợp dài hạn 3n=24 3. Kiểm toán dầm chủ: 3..1. Kiểm tra tính cân xứng của tiết diện:{A6.10.1.1} 0,1≤≤ 0,9 (16) Iyc,Iy lần lượt là mômen quán tính của bản cánh chịu nén và dầm thép với trục thẳng đứng trong mặt phẳng sườn dầm. Giới hạn này đảm bảo rằng việc tính toán ổn định do xoắn ngang là có hiệu quả. cm4 0,1 ≤= àthoả mãn. 3.2. Kiểm Tra Mỏi Của Vách Dầm Khi Chịu Uốn: Độ mãnh của vách đứng được xác định theo công thức sau: (17) Trong đó: độ mãnh của vách đứng. =12mm là chiều dày của sườn dầm. Dc là chiều cao của vách chịu nén trong giai đoạn đàn hồi . 3.2.1 Tính toán Dc: Xác định các ứng suất. Ứng suất nén cực đại ở tại đỉnh của dầm thép do tải trọng không có hệ số (dầm ngoài): Tải Trọng MD1 (kNm) MD2 (kNm) MD3 (kNm) MLL+IM (kNm) Stthép (cm3) Stliênhợp (cm3) US biên trên dầm thép (MPa) D1 1456,88 -9494,03 -153,45 D2 307,13 -27172,58 -11,3 D3 119,25 -27172,58 -4,39 LL+IM 2749,04 -60186,87 -45,68 Tổng -214,82 Ứng suất kéo cực đại tại đáy của dầm thép do tải trọng không có hệ số: Tải Trọng MD1 (kNm) MD2 (kNm) MD3 (kNm) MLL+IM (kNm) Sbthép (cm3) Sbliênhợp (cm3) US biên dưới dầm thép (MPa) D1 1456,88 16442,51 88,6 D2 307,13 21396,14 14,35 D3 119,25 21396,14 5,57 LL+IM 2749,04 22837,13 120,38 Tổng 228,9 Vậy: Dc=mm (18) 3.2.2 Tính toán ứng suất nén do tải trọng mỏi: Về nguyên tắc sườn tăng cường sẽ ngăn cản hay chống lại sự mất ổn định của vách dầm, nhưng để bất lợi ta xét trường hợp không có sườn tăng cường đứng hay phần sườn nằm giữa hai sườn tăng cường đứng. Khi đó ứng suất nén đàn hồi lớn nhất ở biên chịu nén khi uốn Fcf sẽ đại diện cho ứng suất uốn lớn nhất trong vách. ≤ 5,76 (19) Trong đó: Rh = 1,0 hệ số triết giảm cường độ khi xét đến tiết diện lai. Fyc là cường độ chảy ở biên chịu nén, chọn thép cấp 345 như vậy giới hạn chảy của thép là Fyc=345Mpa. E=200GPa là môđun đàn hồi của thép. Ta có: =<5,76 =5,76 =138,68 àthoả mãn. Khi đó Fcf ≤ RhFyc lấy Rh=1,0 à Fcf ≤ Fyc. (20) Fcf ứng suất nén đàn hồi lớn nhất ở biên chịu nén khi uốn do tải trọng tĩnh không nhân hệ số và hai lần tải trọng mỏi. -Mômen do 2 lần tải trọng mỏi: Xe tải nặng qua cầu gấp gần 2 lần tải trọng mỏi do vậy ta phải nhân đôi Mômen do tải trọng mỏi gây ra tại giữa nhịp khi kể đến lực xung kích 15%. 145kN 35kN 5,35 7,5 3,0 145kN 9,0m 4,3m Hình 15: Mỏi tại giữa nhịp dầm MLL+IM = 2x0,75x mgMSx(LL+IM)/m Với: mgMS = 0,6772 hệ số phân bố mômen của dầm ngoài. m = 1,2 khi ta xét một làn xe. Suy ra: MLL+IM=2x0,75x0,6772x1,15x[145(7,5+3,0)+35x5,35]/1,2=1447,3 kNm. -Ứng suất nén khi uốn lớn nhất trong vách của dầm thép tại giữa nhịp do tĩnh tải không hệ số (lấy ở dầm trong) và hai lần tải trọng mỏi: Tải Trọng MD1 MD2 MD3 MLL+IM Stthép Stliênhợp US(MPa) D1 1456,88 -9494,03 -153,45 D2 307,13 -27172,58 -11,3 D3 119,25 -27172,58 -4,39 LL+IM 1447,3 -60186,87 -24,05 Tổng -193,19 Từ đó ta thấy Fcf = 193,19MPa<345MPa như vậy đạt yêu cầu, nghĩa là dầm thép đã đảm bảo ổn định mỏi cho vách của dầm do uốn. 3.2.3. Tính Toán Ứng Suất Ở Trạng Thái Giới Hạn Về Cường Độ: 3.2.3.1. Ứng suất nén cực đại ở tại đỉnh của dầm thép do tải trọng có hệ số (dầm ngoài): Tải Trọng MD1 (kN.m) MD2 (kN.m) MD3 (kN.m) MLL+IM (kN.m) Stthép (cm3) Stliênhợp (cm3) US biên trên dầm thép (MPa) D1 1821,11 -9494,03 -191,82 D2 460,7 -27172,58 -16,95 D3 149,06 -27172,58 -5,49 LL+IM 4810,82 -60186,87 -79,93 Tổng 0,95 -279,48 3.2.2.2. Ứng suất kéo cực đại tại đáy của dầm thép do tải trọng có hệ số (dầm ngoài): Tải Trọng MD1 (kN.m) MD2 (kN.m) MD3 (kN.m) MLL+IM (kN.m) Sbthép (cm3) Sbliênhợp (cm3) US (MPa) D1 1821,11 16442,51 110,76 D2 460,7 21396,14 21,53 D3 149,06 21396,14 6,97 LL+IM 4810,82 22837,13 210,66 Tổng 0.95 332,42 Ở biên dưới gần đạt đến cường độ chảy. 3.3.Thiết kế uốn: 3.3.1. Kiểm tra độ chắc của tiết diện: Đối với cầu thép thì các cấu kiện thép có giới hạn kéo rất lớn, nhưng nếu như cưòng độ chịu kéo tính toán vượt quá giới hạn kéo thì kết cấu vẫn chưa thể phá hoại do thép là vật liệu có giới hạn chịu lực rất lớn, hay nói cách khác thì thép là vật liệu hầu như không phá hoại khi chịu kéo, mà kết cấu thép thường phá hoại do mất ổn định khi chịu nén. Do vậy mà đối với các công trình được cấu thành từ vật liệu thép ta phải kiểm tra ổn định cho từng cấu kiện chịu nén. Đối với dầm thép liên hợp với bản bêtông thì ta phải kiểm tra ổn định (độ mãnh) của sườn dầm, bản biên chịu nén của dầm thép, hệ liên kết dọc của bản biên chịu nén. 3.3.1.1.Kiểm tra độ mãnh của vách dầm trong giai đoạn chưa liên hợp với bản mặt cầu: Vách dầm là có bộ phận có phần trên chịu nén do đó ta cần kiểm tra độ mãnh cho vách. Đối với vách dầm không có sườn tăng cường thì: ≤ 6,77. (21) Dc là chiều cao vách chịu nén ở trạng thái đàn hồi (Dc = 585,33mm) là trạng thái mà bản bêtông chưa đông cứng, dầm thép là bộ phận chịu toàn bộ tải trọng tĩnh. fc là ứng suất trong bản cánh chịu nén do tải trọng có hệ số (MPa). Trường hợp này là trường hợp dầm thép chịu toàn bộ tĩnh tải của bản mặt cầu chưa đông cứng và trọng lượng bản thân dầm thép. M1/2nhịp = 0,95x1,25x1595,25= 1894,36kNm. SNC = Stthép= 9494,03cm3. à Suy ra: Thoả mãn với điều kiện về độ mảnh khi dầm chưa liên hợp và vách dầm không có sườn tăng cường. 3.3.1.2. Độ mãnh của vách dầm khi dầm thép đã liên hợp với bản mặt cầu: Tiết diện đặc chắc là tiết diện mà khi đạt được mômen dẻo Mp thì cả bản biên, vách dầm đều đạt được mômen dẻo Mp. Độ mãnh yêu cầu của vách dầm cho tiết diện đặc chắc là: ≤ 3,76 (22) Trong đó: Dcp là chiều cao phần vách dầm chịu nén đối với trục trung hòa dẻo. tw là chiều dày của vách dầm. Giả sử rằng trục trung hoà dẻo của dầm là đi qua bản mặt cầu: Chọn bêtông bản mặt cầu có fc’=30MPa, thép dầm là loại thép công trình có Fyc=345MPa. Xác định được trục trung hoà dẻo của dầm bằng cách cân bằng các lực dẻo: Lực dẻo trong bản mặt cầu: Ps=0,85x30x2300x210=12316,5kN. Lực dẻo trong bản biên trên: Prt=300x15x345=1552,5 kN. Lực dẻo trong bản biên dưới: Prb=400x25x345=3450kN. Lực dẻo trong vách dầm: Pw=1200x12x345=4968kN. Từ đó ta nhận thấy rằng Ps>Prt+Prb+Pw. Vậy trục trung hoà dẻo đi qua bản mặt cầu, nghĩa là chiều cao vùng nén của vách dầm bằng 0 à Dcp=0. Vậy ≤ 3,76 Khi đó thực chất chỉ có một phần chiều dày của bản là cân bằng với các lực dẻo của dầm thép. Gọi Y là khoảng cách từ trục trung hoà dẻo đến biên trên của bản, khi đó phần bản chịu kéo ta không xét để an toàn. Ps = Pw +Prt +Prb Suy ra Y= tsx( Pw + Prt +Prb )/Ps = 21x(4968+1552,5+3450)/12316,5=17cm. Xác định mômen dẻo Mp đối với tiết diện dầm: Ta có Mp=dsPs+dwPw+drtPrt+drbPrb (23) dS=210/2-(210-170)=65mm. drt=210+50+15/2-170=97,5mm. drb=210-170+50+15+1200+25/2=1317,5mm. dw=210-170+50+15+1200/2=705mm. MP=(65x12316,5+705x4968+97,5x1552,5+1317,5x3450).10-3=8999,76kNm. 3.3.1.3. Kiểm tra độ mãnh của bản biên chịu nén: Đối với tiết diện chắc thì không cần phải kiểm tra độ mãnh, độ ổn định của biên chịu nén hay nói cách khác là thường thì biên chịu nén luôn thoả. Để đánh giá độ mất ổn định của biên chịu nén ta xem biên chịu nén như là một cột riêng rẽ. Tiết diện dầm thép I liên hợp với bản bêtông cốt thép có biên trên của dầm nằm ở vùng chịu kéo, khi đó biên sẽ ổn định trên suốt chiều dài do đó mà ta không cần thiết phải yêu cầu độ mãnh. 3.3.1.4. Liên kết dọc chịu nén: Kiểm tra độ mãnh của liên kết dọc chịu nén theo công thức. ≤ (24) Trong đó: Lb=chiều dài không được giằng(mm). ry=bán kính quán tính của mặt cắt thép đối với trục thẳng đứng. (25) M1= mômen nhỏ hơn do tác dụng của tải trọng tính toán ở mỗi đầu của chiều dài không được giằng, là mômen do tải trọng khi chưa liên hợp tại giữa nhịp (M1=1821,11kNm) Mp=mômen dẻo (Mp=8999,76kNm) Fyc= cường độ chảy nhỏ nhất đối quy định của biên chịu nén(Fyc=345MPa) Vậy yêu cầu về liên kết dọc chịu nén sẽ được thoả mãn với chiều dài không giằng lớn nhất Lb=4793mm. *Kiểm tra mất ổn định xoắn ngang: Từ công thức tính tham số độ mảnh để tiết diện đạt đến giới hạn chảy ta tính được chiều dài giới hạn để tiết diện đạt đến giới hạn chảy. (26) Trong đó: rt là bán kính quán tính nhỏ nhất của biên chịu nén cộng với 1/3 của vách chịu nén đối với trục thẳng đứng trong mặt phẳng vách. (27) So sánh có Lb<Lp. Vậy tiết diện đảm bảo ổn định xoắn ngang và Mn=Mp. 3.3.2 Kiểm tra sức kháng uốn: 3.3.2.1. Kiểm tra sức kháng uốn tiết diện dầm khi chưa liên hợp: (Kiểm tra đối với dầm ngoài) Sức kháng uốn danh định của dầm: Mn = Rb.Rh.My Rh = 1,0 đối với tiết diện đồng nhất.(hệ số lai) Rb hệ số truyền tải trọng.(6.10.4.3.2) ≤ (28) = 4,64 đối với bản chịu nén nhỏ hơn bản chịu kéo. ; (thoả mãn). Do đó Rb =1,0. My = St.Fy = 9494,03.10-6x345.103 = 3275,44kNm. (chảy đối với biên chịu nén) My = Sb.Fy= 16442,51.10-6x345.103 = 5672,67kNm. (chảy đối với biên chịu kéo) Như vậy khi chảy sẽ chảy đối với biên chịu nén trước. Mr =ff.Mn = 1x3275,44= 3275,44 kNm. (29) M1/2nhịp = 0,95x1,25x1595,25 = 1894,36kNm Suy ra ff.Mn > M1/2nhịp . 3.3.2.2. Kiểm tra sức kháng uốn tiết diện dầm khi đã liên hợp: (Kiểm tra đối với dầm ngoài) Kiểm tra tính dẻo dai của tiết diện chịu mômen: Đây là điều kiện để khi bị phá hoại thì thép và bêtông bị phá hoại đồng thời, điều kiện này bắt buộc phải kiểm tra đối với tiết diện liên hợp chắc. Điều kiện: Dsh ≤ (30) Trong đó: Dsh là khoảng cách từ trục trung hoà dẻo của dầm đến đỉnh bản Dsh=170mm. d: chiều cao của tiết diện dầm thép d=1240mm. tS là bề dày của bản mặt cầu tS=210mm. th là chiều cao của phần vút th=50mm. Suy ra: Yêu cầu về độ dẻo dai của tiết diện chắc liên hợp đã dược thoả mãn. Sức kháng uốn của tiết diện chắc:(6.10.4.2.2a) Từ điều kiện : Dp < D’ Ta có : Mn: sức kháng uốn danh định:Mn = Mp =8999,76kNm Mr: sức kháng uốn tính toán: Mr=Mn =8999,76kNm; với =1 (6.5.4.2) Kiểm tra: Mr=8999,76kNm > Mu =6879,6kNm=> thoả mãn. Mu là mômen lớn nhất tại giữa nhịp dầm ngoài. Như vậy tất cả các yêu cầu về uốn đều thoả mãn. 3.4.Thiết kế lực cắt: Sức kháng cắt tính toán của dầm hoặc tổ hợp hàn Vr được tính theo: (31) Trong đó : = 1: hệ số sức kháng cắt (6.5.4.2) Vn : sức kháng cắt danh định 3.4.1. Kiểm tra điều kiện bố trí sườn tăng cường: Giống như sức kháng uốn của dầm thì sức kháng cắt của dầm cũng phụ thuộc vào độ mãnh của bản thép. Trong tính toán cường độ chịu cắt của sườn dầm thì ta cần xét đến 3 kiểu phá hoại: Phá hoại do mất ổn định cắt không đàn hồi, mất ổn định cắt đàn hồi và mất ổn định cắt quá đàn hồi. Giả sử ta không cần phải bố trí sườn tăng cường cho vách của dầm: Khi đó phải thoả mãn điều kiện sau: 0,95..Vi ≤ Vr=f.Vn (32) Vn là sức kháng cắt danh định của dầm Xem xét độ mãnh bố trí sườn tăng cường của dầm: Ta có: D/tw=1200/12=100 2,46=2,46=59,22<D/tw=100 Vậy ta cần phải bố trí sườn tăng cường cho vách của dầm thép. Ta cũng cần phải tiếp tục xem xét rằng vách dầm mất ổn định chống cắt nằm trong giai đoạn đàn hồi hay quá đàn hồi. 3,07=3,07=73,9 < D/tw=100 Vậy vách dầm mất ổn định chống cắt đàn hồi. Đối với tiết diện chữ I thì các sườn tăng cường dọc có thể gia cường sức kháng uốn vì ngăn chặn mất ổn định cục bộ, trong khi các suờn tăng cường âæïng thường cung cấp gia cường sức kháng cắt do tác dụng của ứng suất kéo, có 3 loại sườn tăng cường được sử dụng: + Sườn tăng cường trung gian. +Sườn tăng cường tại gối. +Sườn tăng cường dọc. Kiểm tra xem ta cần phải sử dụng sườn tăng cường dọc hay không. 6,77=6,77=163,0 > D/tw=100 (33) Vậy ta không cần phải bố trí sườn tăng cường dọc cho vách của dầm, mà ta chỉ cần phải bố trí sườn tăng cường đứng trung gian và sườn tăng cường đứng tại gối. Theo khuyến cáo khi vách của sườn dầm mà không có sườn tăng cường dọc thì vách của sườn được coi là tăng cường khi khoảng cách của các sườn tăng cường đứng d0 không vượt quá 3D, và đoạn đầu dầm sẽ có lực cắt lớn do vậy mà khoảng cách của các sườn tăng cường tại vị trí đầu dầm sẽ nhỏ, theo AASHTO thì khoaíng đầu dầm giữa các sườn tăng cường đứng d0 ≤ 1,5D0. Chọn khoaíng đầu dầm d0=1,5m; khoaíng trong có d0=2,7m. 1500 2700 2700 Hình 16: Bố trí sườn tăng cường theo phương dọc dầm. 3.4.2. Thiết kế sườn tăng cường : 3.4.2.1. Sườn tăng cường đứng trung gian đầu tiên: Đối với các sườn tăng cường trung gian thì ta có thể nhận thấy rằng với dầm đơn giản thì lực cắt sẽ giảm dần theo chiều dài của nhịp dầm và đến 1/2 nhịp dầm thì hoàn toàn triệt tiêu (khi không kể đến hoạt tải). Để đơn giản cho việc tính toán cũng như an toàn thì đối với các sườn tăng cường trung gian ta chỉ tính toán đối với sườn tăng cường trung gian gần gối nhất. Thép sử dụng làm các sườn tăng cường ta chọn loại thép cùng cấp với thép dầm chủ, cấp 345. Để tính toán sườn tăng cường đứng trung gian ta tính nội lực tại tiết diện dầm cách gối 1,5m. Ở đây ta chỉ xếp xe tải vì ta nhận thấy nhịp dài nên xe tải sẽ bất lợi hơn xe Tadem. Và ta xét với dầm trong sẽ có hệ số phân phối ngang lớn hơn (mgV=0,7927). Hình 17: Đường ảnh hưởng lực cắt cách gối 1,5m Suy ra VLL+IM = 0,7927x{VTR (1+IM) + VLn } VTR = 145(0,95+0,807) + 35x0,633 = 276,9._.