Giáo trình Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương 4: Tính toán cầu dầm thép, cầu dầm thép bê tông liên hợp (Phần 1) - Nguyễn Ngọc Tuyển

Nội dung text: Giáo trình Thiết kế và xây dựng cầu thép - Chương 4: Tính toán cầu dầm thép, cầu dầm thép bê tông liên hợp (Phần 1) - Nguyễn Ngọc Tuyển

1. 5/4/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU THÉP NGUYỄN NGỌC TUYỂN Bộ môn Cầu và Công trình ngầm website: 4‐2012 CHƯƠNG IV Tính toán cầudầm thép, cầu dầmthépbêtôngliênhợp 2 2 1
2. 5/4/2012 4.1. Những vấn đề chung về tính toán thiếtkế • Theo quy trình 272‐05, cầuthépsẽ thiếtkế theo TTGH – Trạng thái giớihạncường độ (Strength Limit State) – Trạng thái giớihạnmỏi và phá hoại giòn (Fatigue and Fracture Limit State) – Trạng thái giớihạnsử dụng (Servire Limit State) – Trạng thái giớihạn đặcbiệt (Extreme Event Limit State) • Mộtsố lưuý – VớiTTGH cường độ đượcchia ra như sau: • Cường độ I: tổ hợptảitrọng cơ bảnvớixetiêuchuẩn và không có gió thổi • Cường độ II: Tổ hợp các tảitrọng nhưng không có hoạttải, cộng vớigió trên 25m/s • Cường độ III: Tổ hợptảitrọng cộng với gió trên 25m/s 3 Những vấn đề chung (t.theo) – Khi xét TTGH đặcbiệtcóxétđến động đất, lực va tàu thuyền, lựcvaxecộ và mộtsốảnh hưởng củalựcnước. – Khi xét TTGH sử dụng, tảitrọng lấytrị số tiêu chuẩnvàgióở tốc độ v=25m/s. – Khi xét TTGH mỏivớicầuô tô chỉ xét tác động của1 xe tảivới cự ly các trục bánh xe quy định như dưới đây: 35KN 145KN 145KN 4300mm 9000mm Sơđồtảitrọng khi tính toán mỏi 4 2
3. 5/4/2012 Những vấn đề chung (t.theo) – Hệ số tảitrọng được khái quát như sau: Vớitĩnh tải • Tĩnh tảido trọng lượng kếtcấuvàbảnmặtcầu 1.25 0.9 • Tĩnh tảido các lớpmặtcầu1.50 0.65 Đốivớihoạttảiô tô và người • Khi xét trạng thái giớihạncường độ I 1.75 • Khi xét trạng thái giớihạncường độ II. 0 • Khi xét trạng thái giớihạncường độ III. 1.35 • Khi xét trạng thái giớihạn đặcbiệt. 0.50 • Khi xét trạng thái giớihạnsử dụng. 1.30 • Khi xét trạng thái giớihạnmỏi. 0.75 Hệ số xung kích củaô tô • Khi xét trạng thái giớihạnmỏi1.15 • Khi xét các trạng thái giớihạnkhác 1.25 5 Những vấn đề chung (t.theo) – Khi thiếtkế luôn phải đảmbảo điềukiên: “Hiệu ứng do tải trọng phảinhỏ hơnhoặcbằng sức kháng củakếtcấu”  iiQR . n R r trong đó: • η = hệ sốđiềuchỉnh tảitrọng • γi = hệ số tảitrọng • Qi = nộilực(hiệu ứng) do tảitrọng gây ra • φ = hệ số sức kháng • Rn = sức kháng danh định • Rr = sức kháng tính toán 6 3
4. 5/4/2012 4.2. Phân phốitảitrọng kếtcấunhịpdầmthép • Tổng quan – Tảitrọng đặttrênmặtcầusẽ truyềnlênkhôngchỉ dầmthép ngay dướivị trí tảitrọng mà còn truyềnchocácdầmkhác. – Sự phân bố tảitrọng lên các dầmphụ thuộc vào nhiềuyếutố: • Khoảng cách từđiểm đặttảitrọng tớidầm, • vị trí tảitrọng trên chiềudàinhịpdầm, • độ cứng củadầm, • độ cứng củahệ liên kếtngang, • độ cứng củabảnmặtcầu, • khoảng cách giữa các dầm, • tính chấtvậtliệucủadầmvàcủamặtcầu. 7 Phân phốitảitrọng (t.theo) • Hệ số phân phốingang – Để xác định tảitrọng tác dụng lên dầmcóthể sử dụng các phương pháp khác nhau mang tính chấtgần đúng hay chính xác, đơngiảnhay phứctạpsẽ phụ thuộcvấn đề mô hình hóa kếtcấu. – Trong thựctế thiếtkế thường chỉ sử dụng các phương pháp gần đúng vì tính toán sẽđơngiảnhóavàvẫn đủ độ chính xác cầnthiết, bảo đảman toàn. => Ví dụ nhóm phương pháp sử dụng khái niệm“Hệ số phân phốingang” – Khi sử dụng khái niệm“Hệ số phân phốingang”, việctínhtoán thiếtkế kếtcấu không gian phứctạpcủacầu đượcthugọnlại thành bài toán thiếtkế mộtdầm đơnlẻ. 8 4
5. 5/4/2012 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Khái niệm“Hệ số phân phốingang”: • Khi đặttảitrọng có độ lớnbằng 1 đơnvị lên mặtcầu, mộtphầntải trọng lớnnhất ghi nhận đượckhitảitrọng đơnvị di động trên mặtcầu truyềnlêndầm đượcgọilàhệ số phân phốitảitrọng. • Do trong mặtcắtngangcầucóthể không chỉ mộttảitrọng mà có nhiều tảitrọng truyềntừ bánh xe củahoạttải, nên tổng các phầncủatải trọng lớnnhấttruyềnchomộtdầmnàođóchia cho tổng tảitrọng của hoạttảitương ứng gọilàhệ số phân phốingang. – Hệ số phân phốingangtrongkếtcấunhịpcóthể xác định theo các phương pháp sau đây: • Phương pháp đòn bẩy • Phương pháp nén lệch tâm • Phương pháp dầm liên tụctrêngốitựa đàn hồi • Phương pháp quy phạm 22TCN272‐05 9 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Phương pháp đòn bẩy: dùng trong trường hợp liên kếtngang giữacácdầmchủ là yếu 1800 1200 1800 1  y3 y1 y2 10 5
6. 5/4/2012 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Phương pháp nén lệch tâm: dùng trong trường hợp liên kết ngang giữacácdầmchủ rấtchặtchẽ, khi đómặtcắtngangcầu không biếndạng mà chỉ bị xoay và chuyểnvị thẳng đứng dưới tác dụng củatảitrọng. 1800 1200 1800  y y4 y2 3 y1 11 Phân phốitảitrọng (t.theo) • Phương pháp quy phạm 22TCN272‐05 – Hệ số phân phốimômen cho các dầm ở phía trong (tra bảng 4.6.2.2.2a‐1) • Khi chấttải1 làn xe (đãkể tớihệ số làn xe) 0.4 0.3 0.1 SI SS K g mgM 0.06 3 4300 LLt  s • Khi chấttảitừ 2 làn xe trở lên (đãkể tớihệ số làn xe) 0.6 0.2 0.1 MI SS Kg mgM 0.075 3 2900 LLt  s 12 6
7. 5/4/2012 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Hệ số phân phốimômen cho các dầm ở biên (tra bảng 4.6.2.2.2c‐1) • Khi chấttải1 làn xe – Sử dụng phương pháp đòn bẩychodầmbiên. – Kếtquả tính được ở bướctrênphải nhân vớihệ số làn xe tương ứng cho trường hợp1 làn xe là m = 1.2 • Khi chấttảitừ 2 làn xe trở lên (đãkể tớihệ số làn xe) MEMI de mgM 0.77 mgM 2800 0.6 0.2 0.1 ME de SS K g mgM 0.77 0.075 3 2800 2900 LLt s 13 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Hệ số phân phốilựccắtchocácdầm ở phía trong (tra bảng 4.6.2.2.3a‐1) • Khi chấttải1 làn xe (đãkể tớihệ số làn xe) S mg SI 0.36 V 7600 • Khi chấttảitừ 2 làn xe trở lên (đãkể tớihệ số làn xe) 2 MI SS mgV 0.2 3600 10700 14 7
8. 5/4/2012 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Hệ số phân phốilựccắtchocácdầm ở biên (tra bảng 4.6.2.2.3b‐1) • Khi chấttải1 làn xe – Sử dụng phương pháp đòn bẩychodầmbiên. – Kếtquả tính được ở bướctrênphải nhân vớihệ số làn xe tương ứng cho trường hợp1 làn xe là m = 1.2 • Khi chấttảitừ 2 làn xe trở lên (đãkể tớihệ số làn xe) MEMI de mgVV 0.6 mg 3000 2 ME de SS mgV 0.6 0.2 3000 3600 10700 15 Phân phốitảitrọng (t.theo) – Trong đó: • S = khoảng cách giữa các dầmchủ (mm) • L = chiềudàinhịptínhtoán(mm) • ts = bề dày bảnmặtcầu (mm) • Kg = tham sốđộcứng 2 Kg nI Aeg • n = Eth / Eb = tỷ số mô đun đàn hồicủavậtliệudầm(thép) và vậtliệu bảnmặtcầu (bê tông) • A = diệntíchtiếtdiệndầm(mm2) • eg = khoảng cách giữatrọng tâm dầmvàtrọng tâm bản • d = chiều cao dầm 16 8
9. 5/4/2012 4.3. Tính toán thiếtkế kếtcấunhịpcầuthép – Căncứ vào trị số củahệ số phân phốingangđể xác định được dầmchủ nào trong kếtcấunhịpchịutảitrọng lớnnhất, theo đósẽ tính toán nộilựctrongdầm đó, nghĩalàdựng đượcbiểu đồ bao nộilực (momen uốnvàlựccắt), để thiếtkế tiếtdiện dầm. – Ý tưởng củaphương pháp thiếtkế là dựatrênnhưng quy định về cấutạo để giả thiếtkíchthướctiếtdiệndầmvànhững chi tiếtkếtcấukhácrồixácđịnh sức kháng. Điềukiệnlàsức kháng phảilớnhơnhiệu ứng (nộilực, ứng suất, biếndạng) do tải trọng. 17 Tính toán thiếtkế kếtcấunhịpcầu thép (t.theo) • 4.3.1. Xác định nộilựcdầm liên hợp – Dầm thép không liên hợp: – Dầm thép liên hợpvớibảnBTCT: 18 9
10. 5/4/2012 Tính toán thiếtkế kếtcấunhịpcầu thép (t.theo) – Vớicầudầm thép liên hợpvớibảnmặtcầusẽ tính toán tiết diện liên hợp. – Trường hợpdầmthépđơnthuầnhoặctrongcácgiaiđoạnlàm việcchỉ có mộtmìnhdầm thép thì các số hạng củabiểuthức tính toán chứaphầnbảnBTCT sẽ không đưavào. – Nguyên nhân củanộilựctrongdầm thép liên hợplà: tĩnh và hoạttải, co ngót và ảnh hưởng của nhiệt độ thay đổi. – Nộilựcdo tảitrọng: Xác định M, Q tạicáctiếtdiệndầm. Trong dầmgiản đơncũng như liên tụclàmsaovẽđượcbiểu đồ bao M, Q để thiếtkế tiếtdiệntương ứng (thay đổi theo chiềudài nhịp). Thông thường xem xét tiếtdiện đặctrưng: giữanhịp, L/4, gối và trung gian có thể khoảng (0.1÷0.2)L giữacáctiết diện. Nộilựccókểđếncáchệ số lấy theo quy phạm. 19 Tính toán thiếtkế kếtcấunhịpcầu thép (t.theo) • 4.3.2. Đặctrưng hình họccủatiếtdiệndầm liên hợp – Xác định bề rộng củabảnthamgiavàolàmviệc(còngọilàbề rộng hữuhiệucủabản). S S • Khi L ≥ 4B lấyb = 0.5B c b • Khi L Với các dầm ở giữabề rộng hữuhiệucủabảnbe = 2b • => Với các dầm ở biên bề rộng hữuhiệucủabảnbe = b + c 20 10
11. 5/4/2012 Tính toán thiếtkế kếtcấunhịpcầu thép (t.theo) – Đặctrưng hình họccủatiếtdiện. • Trục1‐1 là trụctrọng tâm củadầmthép • Trục2‐2 là trụctrọng tâm củatiếtdiện liên hợpthép‐BTCT Biếttỷ số các mô đun đàn hồin = Eth / Eb => Tìm y = ??? Nếutrục2‐2 là trụctrọng b tâm củatiếtdiện liên hợp A ; I thì tổng mô men tĩnh = 0 b b a Ab ay Ath y 0 n y Ath ; Ith A b a y n A A b th n 21 Tính toán thiếtkế kếtcấunhịpcầu thép (t.theo) =>Tìm mô men quán tính củatiếtdiện liên hợp I2 = ??? 11 2 I IAyI2 Aay 2 th thnn b b b Ab ; Ib a y Ath ; Ith • Chú ý: khi tính vớitảitrọng lâu dài (tĩnh tải2), sẽ kểđếnhiệntượng từ biếnvàcácbiểuthứcvềđặctrưng hình họctiếtdiện liên hợpsẽ thay n bằng 3n. 22 11