Thiết kế sơ bộ phương án cầu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp giản đơn

Phần 1 Thiết kế sơ bộ Chương v THIếT Kế SƠ Bộ PHƯƠNG áN 1 Cầu dầm bê tông cốt thép ứng suất trước nhịp giản đơn Giới thiệu chung về phương án Thiết kế dầm cầu ô tô nhịp giản đơn, bằng bê tông cốt thép dự ứng lực kéo trước mặt cắt chữ T lắp ghép, có dầm ngang.Các số liệu đề bài như sau: +Khẩu độ cầu : 123m +Khổ cầu : 8 + 2 x 1,5 m +Khổ thông thuyền: không Tải trọng thiết kế : H30; XB80; người 300 Kg/cm2 +MNCN :4,1m +MNTN : 2,3m +MNTC : 3,2m. +Mác bê tông :400 +Cốt thép dự ứng lực: 24F5 Thiết kế theo quy trình xây dựng cầu cống của Bộ Giao Thông Vận Tải ban hành năm 1979 Với chiều dài toàn cầu là 123m ta sẽ thiết kế cầu dầm giản đơn với 5 nhịp, mỗi nhịp dài 24,6m. +Chiều dài tính toán: Ltt= 24m +Mặt cắt ngang gồm 6 dầm chữ T +Chiều cao dầm chủ lựa chọn theo công thức : h=(1/15ữ 1/25)L, ta chọn h= 140cm= 1,4m + Chiều dày sườn dầm là:dn = (16á 20)cm, ta chọn dn = 18cm= 0,18m +Khoảng cách giữa các tim dầm chủ là: bc= (B+ 2T+ 2C)/n= 1,96m, chọn bc= 1,9m Trong đó: B : chiều rộng xe chạy C : chiều rộng cột lan can T : chiều rộng bộ hành người đi bộ N : số dầm chủ= 6 +Chiều dày bản cánh: hc= (8á16)cm đ lấy hc=14cm. +Hình dạng của vút cánh dầm Vút gãy khúc + Khích thước vút cánh dầm: bv= 20cm, hv= 20cm Trong đó: bv là chiều rộng vút theo ngang cầu hv là chiều cao của vút theo phương cao độ cầu -Kết cấu có dầm ngang, mỗi nhịp 9 dầm ngang, các dầm ngang nối 6 dầm dọc lại với nhau, có thể coi như sơ đồ dầm ngang liên tục 5 nhịp , khoảng cách giữa các dầm ngang là 3m. Tính toán dầm ngang em sẽ trình bày cụ thể ở mục sau. -Các dầm chính được liên kết với nhau bằng hệ thống các dầm ngang, giữa các dầm chính có để 1 khe nối rộng 1cm. Do đó bản mặt cầu được tính toán theo sơ đồ mút thừa. Lớp phủ mặt cầu: Bê tông asfan dày 5cm Lớp bê tông bảo hộ dày 4cm Lớp phòng nước dày 1cm Lớp mui luyện dày 1,03cm Tổng chiều dày của lớp phủ mặt cầu là: 11,03cm. Vật liệu sử dụng Bê tông cho dầm chủ, bản mặt cầu, dầm ngang, mối nối chế tạo tại công trường mác 400, có các chỉ tiêu cơ lý sau đây: Cường độ chịu nén dọc trục lớn nhất: RNtt= 175 kG/cm2 Cường độ nén lớn nhất khi nén : RNlt = 215 kG/cm2 ứng suất nén chính : RTnc = 130 kG/cm2 ứng suất kéo chính : RTkc = 25 kG/cm2 Kéo : RTk = 16 kG/cm2 Cắt : Rc = 53kG/cm2 Cốt thép dự ứng lực có cường độ F5 vỏ trơn có cường độ chịu kéo tính toán là: +Giai đoạn thi công : RT1 = 11000 kG/ cm +Giai đoạn sử dụng : RT2 = 9800 kG/cm2 +Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn: RcT = 17000 kG/cm2 I. Xác định nội lực dầm chủ Sơ bộ lựa chọn kích thước hình học của dầm ta đã xó hội chủ nghĩaác định ở trên, cụ thể như sau: +Chiều cao dầm chủ : h = 140cm +Chiều dày sườn dầm : dn = 18cm. +Chiều dày bản : hc = 14cm. +Bề rộng cánh tính toán : bc = 190cm. Sơ bộ chọn mặt cắt ngang dầm theo số liệu lựa chọn ở trên: Hình 1. Kích thước mặt cắt ngang dầm( Tại vị trí l/2) II.Tính toán tiết diện dầm quy đổi Ta có : Diện tích tiết diện quy đổi tương đương +Diện tích phần vút cánh: F1 =.20.20 = 200cm2 +Diện tích phần cánh dầm: F2 =14.190 = 2660cm2 +Diện tích phần vút bầu dầm: F3 =.10.10 = 50cm2 +Diện tích phần bầu dầm: F4=40.38= 1520cm2 - Chiều dày bản cánh quy đổi: = 16,1cm - Chiều cao bầu dầm quy đổi : =42,63cm Hình 2. Mặt cắt ngang tính đổi dầm chủ đ Diện tích tiết diện ngang của dầm dọc chủ ( bỏ qua diện tích cốt thép) F=190.16,1+18.81,27+42,63.38 = 6141,8cm2 III. Xác định hệ số phân bố ngang Ta có tỷ số == 0,475< 0,5 và a<0,005 vì kết cấu có lớn hơn 3 liên kết ngang trong 1 nhịp, do đó nó có độ cứng khá lớn. Như vậy có thẻ coi khi có tải tác dụng thì mặt cắt ngang kết cấu nhịp có chuyển vị thẳng, và xoay, mà biến dạng hầu như là không có. Vì vậy ở đây em sẽ tính hệ số phân bố ngang theo phương pháp nén lệch tâm lệch tâm.Mặt khác tính theo phương pháp này thì dầm biên làm việc bất lợi nhất. Vì vậy chỉ cần tính hệ số phân bố ngang cho dầm biên, sau đó sẽ áp dụng cho các dầm khác. Hệ số phân bố ngang dầm biên: y0 và y5 == trong đó: +n là số dầm chủ +a1 là khoảng cách giữa 2 dầm biên +ai là khoảng cách giữa các dầm đối xứng Đường ảnh hưởng của dầm biên: Ta chỉ chất tải sao cho gây bất lợi, những phần không gây bất lợi thì cho phép bỏ qua.Sơ đồ chất tải như hình vẽ dưới: Hình 3( Đường ảnh hưởng của dầm biên) Tính hệ số phân bố ngang : * Cho người đi bộ : * Cho hoạt tải H30: * Cho hoạt tải XB-80: IV.Xác định tĩnh tải lên dầm chính 1. Tĩnh tải giai đoạn I(g1) +Dầm dọc chủ: q1’=6141,8.2,5.10-4=1,53545T/m +Dầm ngang : Bố trí toàn cầu có 9.5= 45 dầm ngang, khoảng cách giữa các dầm ngang là 3m đTrọng lượng toàn bộ dầm ngang: gn=45.0,15 .0,8127.1,72 . 2,5 =23,588T Trong đó: Chiều dài dầm ngang là :1,9- 0,18=1,72m) Chiều cao dầm ngang là : 0,8127m Chiều dày sườn dầm ngang là : 0,15m Trọng lượng rải đều cho 1 dầm trên 1m chiều dài cầu là : Do đó: g1=q1’+q1’’= 1,53545+ 0,159 =1,694T/m 2. Tĩnh tải giai đoạn II(g2) Bao gồm : Lan can, lề người đi, gờ chắn bánh, lớp phủ mặt cầu. Trọng lượng gờ chắn bánh : pg= 0,2.0,29.2,4= 0,1329t/m Trọng lượng lan can, tay vịn : bố trí các cột lan can cách nhau 3m, mỗi bên có 9 cột Thể tích phần cột lan can và tay vịn là: V1= (1,2- 0,35). 0,2. 0,15. 9 + (0,2. 0,12+ 0,1. 0,12). 24,6= 1,1151m3 Thể tích phần đỡ lan can: V2= 0,20. 0,35. 24,6= 1,772T/m đTrọng lượng toàn bộ lan can, tay vịn trên 1m dài cầu là: Plc = (V1+V2). 2,5/ 24,6=0,2883 T/m Trọng lượng lớp phủ mặt cầu : +Lớp bê tông asfan dày 5 cm là : 0,05.2,3 = 0,115 T/m2 +Lớp bê tông bảo hộ dày 4 cm là : 0,04.2,4 = 0,096 T/m2 +Lớp phòng nước dày 1 cm là : 0,01.1,5 = 0,015 T/m2 +Lớp mui luyện dày 1,03 cm là : 0,0103.2,2= 0,02266 T/m đ Tổng : Pt= 0,24866 T/m2. Tính g2 : g2 = Plc.ylc + Pg. Yg+ Png. wng+ Pt. wt + plc.ylc = 0,2883. (0,587-0,233) = 0,099 T/m + + + Hình 4 Đường ảnh hưởng xác định tĩnh tải tác dụng lên dầm chính Trọng lượng tĩnh tải giai đoạn II: g2=0,099+ 0,047+ 0,0764+ 0,32= 0,5424 t/m 3. Tính hê số xung kích 1+m= 1,3 nếu l Ê 5m 1+m= 1 nếu l ³ 45m Vậy với l = 24m thi nội suy ta có: 1+m= 1,175 4. Xác định mô men tại giữa nhịp Nhận xét: +Tại tiết diện giữa nhịp thì dầm chủ chịu tác dụng tải trọng tĩnh là lớn nhất, do đó trong phần thiết kế sơ bộ này thì em sẽ tính toán nội lực cho dầm chủ tại tiết diện Ltt/ 2= 24/2= 12m , việc tính toán chỉ thực hiện cho mô men để sơ bộ ra được cốt thép. Hình 5. Đường ảnh hưởng mô men tại giữa nhịp - Diện tích w= 6. 24/ 2= 72 Tiết diện dầm của ta sẽ làm việc theo các giai đoạn: + Khi tiết diện làm việc trong giai đoạn I nội lực là: SIC = StCI = g1. ồw SI = St’ =1,1.g1.ồ w +Khi tiết diện làm việc trong giai đoạn II và khi dầm có xếp tải trọng ô tô H30 và người đi bộ nội lực là: SIIC = StCII + S0C +SnC = g2. ồw + b0.h0.KH30td.w + hn.0,3.w.b0 SII = St” + S0 +Sn = 1,5.St CII + 1,4.(1+m).S0C + 1,4.SnC +Khi tiết diện làm việc trong giai đoạn II và khi dầm có xếp tải trọng đặc biệt XB80: SIIC = StCII + SXBC = g2.ồ w + hXB.KXBtđ.w SII = St” + SXB = 1,5.St CII + 1,1.SXBC Trong đó: +g1 : là tĩnh tải tiêu chuẩn trong giai đoạn I, gồm tất cả các thành phần kết cấu nhịp, trừ mặt đường xe chạy đường người đi, lan can, giải phân cách . +g2 : là tĩnh tải tiêu chuẩn thêm vào trong giai đoạn II, thường là trọng lượng của mặt đường xe chạy và người đi +1,1; 1,5 : là hệ số vượt tải của tĩnh tải trong giai đoạn I và giai đoạn II +StCI và StCII : là nội lực do tĩnh tải tiêu chuẩn gây ra khi tác dụng làm việc trong đoạn I và đoạn II +St’ và St’’ : là nội lực do tải trọng tính toán gây ra khi tiết diện làm việc trong đoạn I và đoạn II +KH30tđ : là tải trọng tương đương của ô tô H30 +KXBtđ : là tải trọng tương đương của xe bánh 80 +l : chiều dài phần đặt lực của đường ảnh hưởng +n0, nn : là hệ số phân bố ngang của ô tô và đoàn người +b0 : là hệ số làn xe, tra bảng b0= 0,9 +0,3 : là cường độ tải trọng của đoàn người trên đường bộ hành +( 1+m) : là hệ số xung kích +1,4 : hệ số vượt tải của xe H30 +Sc và S :Là nội lực do tải trọng tiêu chuẩn và tải trọng tính toán gây ra . +hXB : Là hệ số phân bố ngang của tải trọng XB80 +SCXB và SXB : Là nội lực do các trị số chuẩn và tính toán của xe XB80 Các giá trị tải trọng tương đương Ktđ được tra theo quy trình hoặc có thể tra từ bảng 1, trang 459 của sách ( N.I.POLIVANOW) , sau đó nội suy cho ta kết quả ở bảng dưới đây: Tiết diện Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Ktđ ô tô H30 Ktđ XB80 h 1+h w g1 g2 H30 XB80 Người M0,5 1,694 0,5424 2,13 6,0 0,4905 0,3165 0,7845 1,175 72 Bảng 1: Các tải trọng và hệ số Ta đi tính giá trị nội lực do tải trọng gây ra. Tiết diện Giai đoạn I Giai đoạn II SCIt SCIIt SC0 SCn SCXB SCIIt+ SC0+ SCn SCIIt+ SCXB Smax M0,5 121,968 39,0528 67,70 15,25 176,728 122,0 215,781 115,781 Bảng 2. Nội lực trong dầm do tải trọng tiêu chuẩn gây ra Tiết diện Giai đoạn I Giai đoạn II S’t S”t So Sn SXB S”t +So+ Sn S”t + SXB Smax M0,5 134,165 58,579 111,37 21,35 208,98 191,295 267,6 267,6 Bảng 3 Nội lực trong dầm do tải trọng tính toán gây ra V. Thiết kế dầm chủ 1. Nội lực dùng để thiết kế: Từ bảng 5.12 ở trên cho ta giá trị nội lực tính toán là: Mtt0,5= 215,781+267,6=483,381t.m= 48338100 kg.cm 1.1. Vật liệu: Vật liệu dùng cho dầm chủ là bê tông mác 400 chế tạo công trường có các chỉ tiêu cơ lí sau đây: Ru = 205 Kg/cm2 Rtt = 190kG/cm2 Rlt = 150 kG/cm Rn = 125 kG/cm2 RTkc = 25 kG/cm2 RTk = 16 kG/cm2 Rc = 53kG/cm2 RTnc = 140kG/cm2 RNlt = 175kG/cm2 Cốt thép dự ứng lực có cường độ F5 vỏ trơn có cường độ chịu kéo tính toán là: Giai đoạn thi công: RT1 = 11000 kG/ cm2 Giai đoạn sử dụng : RT2 = 9800 kG/cm2 Cường độ chịu kéo tiêu chuẩn: RcT =17000 kG/cm2 1.2. Lựa chọn tiết diện dầm và bố trí cốt thép ứng suất trước +Chiều cao làm việc của dầm: +Dầm giản đơn lấy a=0,09. +M: mô men lớn nhất do tĩnh tải và hoạt tải tính toán sinh ra : M = 43338000 kG.cm. bc = 190cm. Ru = 205 kG/cm2: cường độ chịu nén khi uốn của bê tông mác 400# Tính diện tích cốt thép dự ứng lực. Công thức tính: Với : hÂ0- chiều cao làm việc của dầm, hÂ0=120,162 cm. Rd2=9800 kG/cm2. Thay số vào ta có : Với bó cốt thép là 24F5 nên ta có số bó cốt thép ứng suất trước cần thiết là : bó Ta chọn 10 bó và sơ bộ bố trí cốt thép ứng suất trước cho dầm chính, việc bố trí cốt thép cường độ cao trong mặt cắt ngang dầm theo các quy định chung và Có theo những kinh nghiệm riêng để được cách bố trí hợp lý, dưới đây em bố trí sơ bộ như sau: Hình 6: Sơ đồ bố trí cốt thép ứng suất trước (tại mặt cắt L/2) Mỗi bó có 24F5 -Kiểm tra và điều chỉnh kích thước dầm chính +at là khoảng cách từ trọng tâm cốt thép dự ứng lực đến đáy dưới dầm. +h0 = 140 –20 =120 cm. Nhận xét: +ho = 120< hÂo= 120,162 vì vậy chiều cao dầm và số bó cốt thép ta chọn ở trên là đạt yêu cầu. Hình 7. Bố trí cốt thép tại mặt cắt ngang dầm chủ tại mặt cắt L/2 1.3. Tính duyệt cường độ của dầm trong giai đoạn sử dụng theo mô men của mặt cắt thẳng góc + Nếu trục trung hoà không đi qua cánh dầm thì phải thoả điều kiện: Ru.hctđ bc Ê Rd2. FÂd Xét VT= 205. 16,1. 190= 627095 kg VP= 9800. 10. 4,71= 461580 kg VT> VP đ vậy trục trung hoà đi qua cánh dầm. Do đó điều kiện về cường độ là: MÊ m2. Ru. bc. x. (ho- x/2) (*) Trong đó : x : chiều cao khu vực chịu nén m2 : hệ số điều kiện việc Ru : cường chịu uốn của bê tông Rd2 :cường tính toán của cốt thép dụ ứng lực trong giai đoạn sử dụng Chiều cao khu vực chịu nén x xác định theo phương trình sau: Ru. bc. x= Rd2. FÂd đ x= (9800. 47,1/205. 190)= 11.85cm < 0,3h0 = 36cm Vậy m2= 1 thay các giá trị vào ( * ) ta có: VP= 1. 205. 190. 11,85. (120- 5,925) = 52652171kg.cm= 526,52171 T.m VP=Mgh= 526,52171 T.m> VT= M= 483,381 T.m đ Đạt 1.4 Bố trí cốt thép dụ ứng lực theo mặt phẳng thẳng đứng ` VI. Tính toán mố cầu