Tài liệu Bài giảng cầu thép p1

Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1 MỞ ĐẦU Cầu kim loại (Metallic Bridge) là tên gọi chung của cầu có vật liệu là kim loại đen (như sắt, gang, thép) hoặc kim loại mầu (như hợp kim nhôm, vật liệu tổng hợp), nhưng sử dụng rộng rãi nhất vẫn là cầu thép (Steel Bridge). Môn học cầu thép chỉ đề cập đến cầu thép trên đường ô-tô. Cầu thép trên đường sắt có khác cầu trên đường ô-tô về cấu tạo phần mặt cầu và hệ mặt cầu; còn về tính toán, có khác về hoạt tải và các hệ số. Thiết kế cầu thép được qui định tính theo phương pháp các trạng thái giới hạn (giới hạn về cường độ, giới hạn về sử dụng, giới hạn về mỏi và phá hoại, giới hạn đặc biệt). Gần đây, để thuận tiện ứng dụng công nghệ tin học trong thiết kế, một số nước đã qui định thiết kế cầu thép theo phương pháp độ tin cậy, có sử dụng hệ số tin cậy trong tính toán, là hệ số tổng hợp thường được xác định qua thực nghiệm và thống kê nhiều năm. Bài giảng "Cầu thép" dựa theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu do Bộ GTVT ban hành mang ký hiệu 22 TCN 272-05, có tham khảo bổ sung về chi tiết cấu tạo theo Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 18-79. Do chi tiết kết cấu thép phải đạt độ chính xác cao, nên đơn vị đo lường tính theo milimét (mm), các đơn vị đo lường khác theo hệ đo lường quốc tế (SI). Lời khuyên: - Cách học và ghi chép; - Dẫn giải thực tế và có ví dụ về tính toán; - Sách tham khảo: Thiết kế cầu thép và bê tông cốt thép (ĐHXD), Thiết kế cầu thép (ĐHXD), Bài tập tính toán cầu thép (ĐHGT), Cầu thép (Bộ GTVT), Tiêu chuẩn thiết kế cầu 272-05 (Bộ GTVT). Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2 CHƯƠNG I - KHÁI NIỆM CHUNG 1.1. Những đặc điểm cơ bản và phạm vi ứng dụng. - Đặc điểm nổi bật của thép là đạt tính chịu lực cao ứng với mọi loại ứng suất (kéo, nén, uốn, cắt, xoắn . . .), do đó có thể dùng để xây dựng tất cả các loại cầu khác nhau như dầm, giàn, vòm, treo, hệ liên hợp. - Thép có trọng lượng riêng khá lớn nhưng độ bền cao nên trọng lượng bản thân kết cấu rất nhẹ, vì vậy có khả năng làm các cầu có chiều dài nhịp rất lớn mà các loại vật liệu khác không thực hiện được. - Thép có cường độ cao nhưng mô đuyn đàn hồi lớn (2,0 x 105 MPa, còn bê tông là 3,15 x 104 MPa), do đó độ cứng lớn, tính đàn hồi cao, tính dẻo dai cao, do đó chịu tải trọng xung kích và tải trọng mỏi tốt. - Thép dễ gia công (cắt, rèn đập, đúc cán, hàn) nên có thể chế tạo thành nhiều loại hình dạng thích hợp, tạo khả năng công nghiệp hóa, tự động hóa chế tạo trong công xưởng, vận chuyển đến chân công trình đạt lắp ráp nhanh bằng các liên kết đáng tin cậy như bu lông, chốt, đinh tán, hàn . . . tạo điều kiện rút ngắn thời gian thi công. - Thép dễ bị hư gỉ trong môi trường ẩm, mặn, axit và các hơi độc khác. Khi thép bị gỉ mòn, làm tiết diện chịu lực bị giảm yếu, làm các liên kết bị hư hỏng, dẫn đến giảm tuổi thọ công trình. - Hiện nay đã có nhiều biện pháp chống gỉ hữu hiệu như sơn tạo màng bền cao, mạ phủ kim loại, hoặc dùng thép chịu thời tiết (weathering steel), thép không gỉ (non-corrosion steel). Tuy nhiên, các công trình bằng thép phải thường xuyên được kiểm tra, bảo quản, cạo gỉ và sơn phủ định kỳ. - Cầu thép có nhịp lớn thường được ứng dụng trên đường sắt, đường ô-tô; kết cấu thép và cầu thép thường được ứng dụng cho kết cấu tạm lắp ráp nhanh trong thi công, trong công trình quân sự; còn ứng dụng thích hợp xây dựng cầu trong vùng đất yếu vì có trọng lượng bản thân nhẹ hơn các loại cầu khác. 1.2. Vật liệu dùng cho cầu thép. - Loại thép và cấp thép được phân định theo các tính chất cơ bản của thép, thể hiện ở cường độ chảy (biến dạng tăng mà ứng suất không đổi), cường độ kéo (ứng suất lớn nhất khi thí nghiệm kéo), độ dẻo (tỷ số độ dãn dài khi đứt gãy và độ dãn dài khi bắt đầu chảy), độ cứng (độ bền bề mặt khi mài so với độ mài tiêu chuẩn) và độ dai (khi bị va đập bằng số lần qui định mà không bị đứt gãy). - Các vật liệu thô điển hình để luyện thép là quặng sắt, than cốc, đá vôi (chất gây cháy và hội tụ các chất bẩn nổi trên mặt), các kim loại thành phần (Al, Si, C, Cr, Cu, Mn) và một số kim loại hiếm khác (Mo, Nb, Ni, Ti, V, ..) ; quá trình luyện thép phải được kiểm tra chất lượng nấu để có được sản phẩm đồng nhất. - Thép dùng làm cầu, do chịu tác động của hoạt tải, có đặc điểm phân biệt so với thép xây dựng ở hai tính chất: độ dãn dài đạt trên 22%, độ dai đạt trên 2,0x106 lần. - Thép công trình được phân thành 4 loại khác nhau, tùy theo tính chất, thành phần hóa học và cách gia công nhiệt. Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 3 - Các tính chất cơ học tối thiểu của thép công trình, tương ứng với chiều dày, hình dạng và cường độ, được thể hiện trong bảng sau: Ký hiệu thép (ASTM) Cấp tương đương Chiều dày của các bản thép, mm Chế tạo thép hình A 709M Cấp 250 Tới 100 A 709M Cấp 345 Tới 100 Thép hợp kim thấp, tôi và ram A 709M A 709M Cấp 345W Cấp485W Tới 100 Tới 100 Áp dụng Áp dụng Áp dụng Cường độ chịu kéo nhỏ nhất Fu , MPa Cường độ chảy hoặc giới hạn chảy nhỏ nhất Fy , MPa 400 450 485 620 760 690 250 345 345 485 690 620 Thép kết cấu Thép hợp kim thấp, cường độ cao Không áp dụng - Ký hiệu (M) là loại thép làm cầu - Ký hiệu W là thép chịu được thời tiết 1.3. Các hệ thống chính của cầu thép. 1) Cầu dầm đặc: - Dầm chủ: có dạng dầm giản đơn, liên tục, mút thừa; - Chiều cao dầm không đổi hoặc thay đổi; - Mặt cắt ngang cầu gồm 2 dầm chủ, 4, 5 dầm chủ hoặc hơn; - Có hệ liên kết ngang giữ ổn định các phiến và hệ liên kết dọc dưới; - Mặt cầu thường là bản BTCT đặt tự do lên cánh trên dầm chủ hoặc liên hợp chịu lực với dầm chủ. 2) Cầu dầm giàn: - Dầm giàn có loại mạ thẳng, mạ cong; đường xe chạy trên hoặc dưới; - Khi chịu tải, dầm chịu momen uốn, trạng thái momen được chuyển thành kéo nén dọc trục, nên trọng lượng dầm giàn thường nhẹ hơn so với dầm đặc có cùng chiều dài và hoạt tải. 3) Cầu treo: - Có dạng cầu treo dây võng, cầu treo dây xiên - Thường dùng cho cầu vượt nhịp lớn L>100m. Thép hợp kim tôi và ram, cường độ chảy dẻo cao A 709M Các cấp 690/690W Tới 65 Trên 65 đến 100 Không Không áp dụng áp dụng Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 4 1.4. C¸c bé phËn chÝnh cña cÇu thÐp. - MÆt cÇu : B»ng b¶n BTCT, gç v¸n l¸t mÆt, hoÆc b»ng thÐp tÊm cã sên t¨ng cêng ; lµ bé phËn trùc tiÕp víi c¸c lo¹i ho¹t t¶i lu th«ng trªn cÇu vµ truyÒn t¶i träng vµo dÇm thÐp. - HÖ mÆt cÇu : lµ tæ hîp kÕt cÊu ®µ däc, ®µ ngang ; mÆt cÇu truyÒn trùc tiÕp t¶i träng vµ ph©n bè vµo c¸c ®µ däc ; tõ ®ã, ®îc truyÒn sang ®µ ngang vµ dÇm chñ. - DÇm chñ, giµn chñ : DÇm chñ thêng lµ dÇm thÐp b¶n ®Æc, gåm b¶n ®øng, b¶n c¸nh trªn, b¶n c¸nh díi, sên t¨ng cêng ®øng, däc dÇm. Giµn chñ thêng lµ c¸c thanh thÐp ghÐp nèi t¹o thµnh giµn hoa, gåm thanh m¹ trªn-díi, thanh xiªn, thanh treo-thanh ®øng, b¶n nót liªn kÕt. - HÖ liªn kÕt : gåm hÖ liªn kÕt trªn-díi, hÖ liªn kÕt ngang. - HÖ cæng cÇu : Thêng bè trÝ ngang dÇm cÇu vµ g¾n vµo thanh ®øng hoÆc thanh xiªn ®Çu dÇm giµn. - C«ng tr×nh phô cña cÇu thÐp : nh xe treo, xe kiÓm tra, thang kiÓm tra, gi¸ ®ì d©y th«ng tin-d©y c¸p ®iÖn-®êng èng cÊp níc . . . - Gèi cÇu : gåm gèi cè ®Þnh, gèi di ®éng. HÖ liªn kÕt däc trªn DÇm chñ DÇm chñ Sên t¨ng cêng ®øng Gèi cÇu HÖ liªn kÕt ngang Giµn chñ HÖ cæng cÇu Thanh xiªn §µ ngang CÇu dÇm giµn HÖ liªn kÕt däc trªn Thanh treo Thanh ®øng §µ ngang HÖ mÆt cÇu vµ hÖ liªn kÕt däc díi §µ däc ch¬ng ii - hÖ mÆt cÇu cña cÇu thÐp 2.1. Kh¸i niÖm vµ ph©n lo¹i. 1) HÖ mÆt cÇu lµ phÇn trùc tiÕp ®ì ho¹t t¶i vµ truyÒn t¶i träng sang dÇm chñ. 2) HÖ mÆt cÇu bao gåm : - mÆt cÇu : ®êng s¾t hoÆc «-t«, ®êng bé hµnh vµ xe th« s¬. - hÖ dÇm mÆt cÇu : gåm ®µ däc, ®µ ngang (trêng hîp hai giµn chñ c¸ch xa nhau), nÕu dÇm chñ gÇn nhau nh cÇu dÇm b¶n ®Æc th× kh«ng cã ®µ däc ®µ ngang vµ khi ®ã ho¹t t¶i tõ mÆt cÇu truyÒn trùc tiÕp lªn dÇm chñ. Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 5 2.2. MÆt cÇu «-t« 1) Yªu cÇu : - mÆt cÇu ®¹t ®é b»ng ph¼ng i = 1.5 - 2% - kÕt cÊu nhÑ ®Ó gi¶m tÜnh t¶i - Ýt hao mßn, tuæi thä cao - tho¸t níc mÆt tèt. 2) MÆt cÇu dïng b¶n BTCT. - dïng phï hîp cho ®êng «-t« - cã thÓ ®æ t¹i chç hay l¾p ghÐp - líp mÆt cÇu gåm : líp ®Öm t¹o dèc b»ng BTCT m¸c thÊp M-200, dÇy tõ 3 ®Õn 7cm, víi ®é dèc ngang i = 1.5% ®Õn 2% ; líp chèng thÊm (cßn gäi lµ líp c¸ch níc) b»ng v¶i nhùa tÈm polime, dµy kho¶ng 0.5 ®Õn 1cm ; líp b¶o vÖ BTXM ; trªn cïng lµ líp bª t«ng nhùa dÇy kho¶ng 3 ®Õn 5cm. HiÖn nay thêng dïng líp bª t«ng m¸c M-300 ®æ dµy 5 ®Õn 7cm cã líi thÐp  6 ®an « 15x15cm ®Ó thay thÕ líp phßng níc vµ líp b¶o vÖ BTXM. líp mÆt BT nhùa líp b¶o vÖ BTXM líp chèng thÊm líp ®Öm BTXM - kho¶ng c¸ch gi÷a c¸c dÇm chñ nªn  3.0m, cã hÖ liªn kÕt ngang - däc gi÷ æn ®Þnh cho c¸c phiÕn dÇm chñ, nªn kh«ng cã hÖ dÇm mÆt cÇu. - b¶n BTCT mÆt cÇu thêng chän kh«ng nhá h¬n 10cm, thêng dïng 12 ®Õn 15cm, m¸c BT M-300 hoÆc 350. Trêng hîp dïng mÆt cÇu xe ch¹y trùc tiÕp trªn b¶n BTCT (kh«ng cã líp ®Öm, líp chèng thÊm, líp b¶o vÖ), b¶n BTCT cã chiÒu dÇy lín h¬n 14cm, m¸c M-350 hoÆc 400. 3) MÆt cÇu dïng b¶n thÐp. - cã ®Æc ®iÓm : träng lîng nhÑ chØ b»ng 1/4 b¶n BT ; mÆt trªn cïng thêng lµ t«n cã dËp g©n hoÆc ph¶i hµn thÐp trßn  4mm ®Æt ®Òu ngang mÆt cÇu t¹o thµnh ®êng g©n ®Ó t¨ng ma s¸t. - ®Ó gi¶i quyÕt tho¸t níc nhanh trªn mÆt cÇu, cã thÓ tr¶i mét líp bª t«ng nhùa sái nhá dµy 2 ®Õn 3cm trªn mÆt cÇu thÐp. - vÒ cÊu t¹o : chÕ t¹o thµnh tõng tÊm s½n trong Nhµ m¸y kÕt cÊu thÐp, sau ®ã ®a ra l¾p ®Æt t¹i cÇu. C¸c tÊm mÆt cÇu ®îc hµn s½n sên t¨ng cêng ë mÆt díi, t¹o thµnh b¶n ®a híng (orthotrop) (chiÒu dÇy thÐp b¶n  = 6 - 8mm) 6 δ =8  bª t«ng nhùa 3cm 2.3. HÖ dÇm mÆt cÇu. - HÖ mÆt cÇu bao gåm ®µ däc, ®µ ngang ; thêng gÆp ë cÇu dÇm cã hai giµn chñ víi ®êng xe ch¹y díi. - HÖ mÆt cÇu cã chøc n¨ng : chÞu ®ì tÜnh t¶i cña mÆt cÇu ; truyÒn tÜnh t¶i mÆt cÇu vµ ho¹t t¶i lªn ®µ däc, tõ ®µ däc chuyÓn vµo ®µ ngang vµ tõ ®µ ngang chuyÓn vµo giµn chñ. - CÊu t¹o hÖ mÆt cÇu vµ c¸c mèi nèi liªn kÕt ®µ däc vµo ®µ ngang, liªn kÕt ®µ ngang vµo giµn chñ nh sau : B¶n BTCT mÆt cÇu Giµn chñ Liªn kÕt ®µ däc vµo ®µ ngang B¶n c¸ trªn §µ däc §µ däc Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 6 §µ däc §µ ngang §µ ngang B¶n c¸ díi MÆt b»ng liªn kÕt B¶n c¸ Giµn chñ §µ däc §µ däc §µ ngang B¶n c¸ §µ ngang §µ ngang §µ däc 2.4. Tính toán đà dọc và liên kết. 1) Nguyên lý tính toán: - Đà dọc được tính theo hệ phẳng, coi như dầm giản đơn, với chiều dài nhịp được tính từ tim đến tim đà ngang; - Nếu hệ mặt cầu có trên 2 đà dọc, phải xét thêm hệ số phân phối ngang (g) do hoạt tải di chuyển ngang trên mặt cầu để tìm nội lực lớn nhất trong đà dọc khi hoạt tải đặt ở vị trí nguy hiểm nhất trên đó; như vậy, khi tính momen và lực cắt phát sinh trong đà dọc, phải tìm hệ số (g) lớn nhất cho đà dọc biên hoặc đà dọc bên trong. - Các yếu tố tác động vào đà dọc bao gồm: tải trọng bản thân và các bộ phận phụ gắn vào (DC), tải trọng phần bản mặt cầu và lớp mặt cầu trên bản (DW), hoạt tải tác động vào đà dọc (LL). 2) Tính tải trọng thường xuyên rải đều trên đà dọc: - Để tính tải trọng thường xuyên Lớp mặt cầu rải đều trên đà dọc, dựa vào tỷ trọng của vật liệu thông dụng như sau: (3.5.1) Hợp kim nhôm . . . . . . 2800 kg/m3 Bản mặt cầu Lớp phủ bê tông nhựa. 2250 Xỉ than . . . . . . 960 Đà dọc hình I Bê tông nghèo . . . . . . 1775 Bê tông phổ thông . . . 2400 - b Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 7 Thép . . . . . . 7850 Đá xây . . . . . . 2725 - Hệ số điều chỉnh tải trọng (1.3.2): ηi = ηD ηR ηl , trong đó: ηD - hệ số liên quan đến tính dẻo của kết cấu, đối với trạng thái giới hạn cường độ và các trạng thái giới hạn khác ηD = 1 (điều 1.3.3); ηR - hệ số liên quan đến tính dư của kết cấu, đối với trạng thái giới hạn cường độ và các trạng thái giới hạn khác ηR = 1 (điều 1.3.4); ηl - hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác, đối với trạng thái giới hạn cường độ và các trạng thái giới hạn khác ηl = 1 (điều 1.3.5); Đối với đà dọc cầu thông thường, trong mọi trường hợp ηi = 1; - Hệ số tải trọng γP dùng cho tải trọng thường xuyên được qui định như sau: LOẠI TẢI TRỌNG DC: Cấu kiện thép và các thiết bị phụ DW: Bản mặt cầu và lớp phủ mặt Hệ số tải trọng lớn nhất nhỏ nhất 1,25 0,90 1,50 0,65 - Tải trọng thường xuyên rải đều trên đà dọc được tính như sau: D = Σ ηi γP Di Thí dụ: Bản mặt cầu BTCT dày 14cm (0,14m), bề rộng tính toán (b) là 1,8m, mặt trên bản là lớp phủ bê tông nhựa dày 4cm (0,04m), bản mặt cầu tựa trên đà dọc thép hình I cánh bằng ký hiệu W610 (khối lượng riêng 140kg/m) Tải trọng rải đều của lớp phủ mặt cầu: DW1 = 1 ,8 x 0,04 x 2,25 x 10 = 1,62 kN/m Tải trọng rải đều của bản BTCT: DW2 = 1,8 x 0,14 x 2,40 x 10 = 6,05 kN/m Tải trọng rải đều của một đà dọc I-W610: DC = 0,14 x 10 = 1,40 kN/m Hệ số điều chính tải trọng ηi = 1 → Tải trọng rải đều trên đà dọc: D = 1,25 x 1,40 + 1,50 (1,62 + 6,05) = 13,26 kN/m 3) Tính hoạt tải xe ô-tô: - Hoạt tải HL-93 gồm tổ hợp của xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế: Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 8 600mm 300mm khi tính phần hẫng mặt cầu 35kN 145kN 4300mm 145kN 1800mm 900mm 4300mm Bề rộng làn thiết kế 3500mm 9,3kN/m 9,3N/mm hoặc 9,3kN/ m 110kN 1200mm 110kN - Tải trọng làn rải đều 9,3N/mm phân bố đều trên chiều dọc càu; theo chiều ngang cầu, tải trọng làn phân bố đều trên bề rộng 3000mm; ứng lực của tải trọng làn không xét lực xung kích. - Đặt hoạt tải ô-tô trên cầu phải xét nội lực khống chế do tải trọng xe 3 trục cùng tác động với tải trọng làn hoặc do tải trọng xe 2 trục cùng tác động với tải trọng làn; bề rộng một làn ô-tô trên cầu là 3000mm. - Đối với cầu trên đường cấp thấp (cấp 5 trở xuống), có thể dùng xe hai trục hoặc 3 trục thiết kế nhân với hệ số 0,50 hoặc 0,65. - Khi tính momen âm trong khoảng hai điểm uốn đổi dấu, hoặc khi tính phản lực gối giữa, thì lấy 90% nội lực phát sinh do hai xe tải xếp liên tiếp với khoảng cách trục bánh trước xe này, cách bánh sau xe kia là 15000mm, tổ hợp với 90% nội lực phát sinh do tải trọng làn thiết kế; khoảng cách giữa các trục 145kN khi tính nội lực trên qui định là 4300mm. - Hệ số làn xe: Số làn xe được xác định bởi phân số nguyên của w/3500, ở đây w là bề rộng của lòng đường, tức là khổ cầu thiết kế. Hệ số làn (m) được tính như sau: Số làn chất tải Hệ số làn (m) 1 1,20 2 1,00 3 0,85 >3 0,65 - Hệ số tải trọng γ dùng cho hoạt tải khi tổ hợp tính theo trạng thái giới hạn về cường độ I là 1,75 (điều 3.4.1) - Tính hệ số phân phối ngang (g) của hoạt tải tác động trên đà dọc: Dùng phương pháp đòn bẩy để tính hệ số phân phối ngang của hoạt tải đặt ở vị trí nguy hiểm nhất theo chiều ngang mặt cầu truyền vào một trong số các đà dọc. Bài giảng CẦU THÉP ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Thí dụ: Tính hệ số phân phối ngang của hoạt tải HL93 hoặc xe 2 trục lên các đà dọc hệ mặt cầu với khổ cầu 7m. Để tìm hệ số phân phối ngang phát sinh lớn nhất vào một trong số đà dọc, phải xếp xe dàn hàng ngang trên mặt cầu theo hai khả năng: Cách 1: Hai hàng ô-tô đi lệch sang cận trái của mặt cầu, đường tim của hàng bánh xe ngoài cùng cách mép lề đường 0,6m; như vậy đường tim của hoạt tải ô-tô cách mép lề đường là 1,5m. Cách 2: Hai hàng xe ô-tô đặt giữa lòng cầu, như vậy đường tim của mỗi hàng xe ô-tô cách đường tim cầu 1,5m. Trị số tung độ của đường ảnh hưởng tương ứng với điểm đặt của đường trọng tâm hàng xe ô-tô chính là hệ số phân phối ngang (g) vào đà dọc đó. 9 Khổ cầu 7,0m 0,6 1,8 1 1,2 2 1,8 1 1 1,8 1,2 1,8 2 ĐAH 1 1 ĐAH 2 4) Hoạt tải người đi (PL): - Đối với tất cả đường người đi rộng hơn 600mm, tải trọng người đi trên cầu là 3 x 10-3 MPa, và phải tính đồng thời với hoạt tải ô-tô thiết kế. - Đối với cầu chỉ dành riêng người đi bộ và xe thô sơ, tải trọng người đi là 4 x -3 10 MPa. - Không xét xung kích cho hoạt tải người đi. 5) Hệ số xung kích: (3.6.2) - Từ lực xung kích (IM) gây ra do hoạt tải xe ô-tô (không tính với lực ly tâm và lực hãm), qui định hệ số xung kích là (1+ IM/100), trong đó IM có trị số sau: Cấu kiện Trị số IM Mối nối bản mặt cầu, tính cho các 75 trạng thái giới hạn Các cấu kiện khác * khi tính giới hạn mỏi và giòn 15 * khi tính trạng thái giới hạn khác 25 - Lực xung kích không được tính cho hoạt tải người đi và tải trọng làn rải đều thiết kế. - Có thể chiết giảm lực xung kích khi tính các cấu kiện khác (trừ mối nối) chịu tải trọng lắc ngang của xe. 6) Tính nội lực phát sinh tại mặt cắt đà dọc: - Vẽ đường ảnh hưởng nội lực momen tại mặt cắt giữa đà dọc và đường ảnh hưởng lực cắt tại vị trí đầu đà dọc tính toán. - Công thức tổng quát tính nội lực momen đà dọc như sau: M1/2=Mmax=D.AĐAH+1,75[mg(MtahoặcMtr).(1+IM/100)+mgMln+gnMng] kNm Bài giảng CẦU THÉP 10 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- trong đó: D - tổng tải trọng thường xuyên với các hệ số Chiều dài tính đà dọc L đd tải trọng (kN/m); 2 AĐAH- diện tích đường ảnh hưởng momen (m ); a = Lđd/ 2 1,75 - hệ số hoạt tải khi tính tổ hợp theo TTGH cường độ I; m - hệ số làn xe; a ĐAH M g, gn - hệ số phân phối ngang của hoạt tải lên đà dọc thiết kế; 1 Mta , Mtr , Mln , Mng : trị số momen do xe tải ĐAH Q hoặc xe hai trục, do tải trọng làn, tải trọng người (kNm). Tính momen bằng cách lấy trị số hoạt tải nhân với tung độ đường ảnh hưởng (nếu là tải trọng trục) hoặc với diện tích đường ảnh hưởng (nếu là tải trọng rải đều). Nội lực cắt: Vmax = V0 =D.AĐAH+1,75[mg(Vta hoặc Vtr)(1+IM/100)+mgVln+gnVng] kN trong đó, AĐAH - diện tích đường ảnh hưởng lực cắt (m); các hệ số khác, tương tự công thức tính nội lực momen. 7) Kiểm toán mặt cắt đà dọc: - Chọn mặt cắt đà dọc: Cấu tạo đà dọc thường có dạng hình chữ I; có thể chọn theo qui cách sẵn có của sản phẩm thép chế tạo thành thương phẩm. Từ mặt cắt đã chọn, tính (hoặc tra bảng) các đặc trưng hình học của đà dọc để xét thỏa mãn điều kiện sau: Momen uốn: Mr ≤ φf Mn = Z.φf Fy (2.4.7.1) trong đó: Mr - momen tính toán (kNm, chuyển thành Nmm bằng số nhân 106) φf - hệ số cường độ, theo 6.5.4.2, khi tính đà dọc chịu uốn thuần túy, chọn φf = 1,00; Mn - momen danh định của đà dọc đã lựa chọn; Z - momen chống uốn của đà dọc đã chọn (mm3) Fy - cường độ giới hạn chảy nhỏ nhất của thép (MPa); thí dụ thép làm đà dọc là A709M, theo mục (1.2) cho Fy = 345MPa Nội lực cắt Vr ≤ φv Vn (2.4.7.2) trong đó: Vr - lực cắt tính toán (kN) φv - hệ số cường độ, theo 6.5.4.2 cho φv = 1; Vn - nội lực cắt danh định của đà dọc đã chọn (kN). Tính Vn theo công thức sau: Vn = CVp (6.10.3.2.3-1) trong đó: C - tỷ số của ứng suất gây mất ổn định trên trị số cường độ chảy dẻo khi chịu cắt ở bản cánh; Bài giảng CẦU THÉP 11 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------Ek D  1,10 t F y nếu , thì C = 1 nếu khác bất đẳng thức trên, chọn C = 1,25 Vp - khả năng chịu cắt dẻo được qui định theo Điều 6.10.7.3.3a (N). Vp = 0,58 Fyw Dtw trong đó: D - chiều cao bản bụng (mm) Fyw - cường độ chảy nhỏ nhất qui định của bản bụng (MPa) tw - chiều dày bản bụng (mm) Ek - moduyn đàn hồi của thép bản, E = 200.000 MPa - Sau khi kiểm toán đà dọc thỏa mãn bất đẳng thức (2.4.7.1) và (2.4.7.2), chứng tỏ qui cách thép hình I đã chọn đạt yêu cầu về cường độ. Không phải xét trạng thái giới hạn mỏi cho đà dọc. 8) Tính liên kết đà dọc vào đà ngang: Liªn kÕt ®µ däc vµo ®µ ngang thêng tÝnh to¸n víi néi lùc c¾t vµ momen t¹i gèi cña ®µ däc. Nguyªn lý chÞu lùc cña liªn kÕt lµ hai ®Çu ®µ däc ®ù¬c ngµm vµo ®µ ngang, trÞ sè néi lùc nh sau : c¾t V = V0 momen Mg = - 0,6 Mmax Pc §µ däc hd V Mg Vk §µ ngang dk Pc hk VÒ cÊu t¹o mèi nèi, cã c¸c trêng hîp sau : a) Trêng hîp cã b¶n c¸ trªn vµ vai kª : Gi¶ thiÕt r»ng b¶n c¸ chÞu toµn bé momen ©m Mg vµ b¶n (hoÆc thÐp gãc) ®Çu ®µ däc chÞu toµn bé néi lùc c¾t. - Néi lùc trong b¶n c¸ ®îc x¸c ®Þnh nh sau : Pc = Mg hd (hd - chiÒu cao ®µ däc ) DiÖn tÝch mÆt c¾t b¶n c¸ cÇn thiÕt ®Ó chÞu lùc Pc lµ Pc ≤ φu Pnu = φu Fy Ag trong ®ã, φu - hÖ sè søc kh¸ng ®èi víi kÐo ®øt cña mÆt c¾t cã hiÖu, φu=0,80; Ag - diÖn tÝch mÆt c¾t cã hiÖu cña b¶n c¸ Còng tõ diÖn tÝch nguyªn cña b¶n c¸, tÝnh sè ®inh cÇn thiÕt liªn kÕt b¶n c¸ vµo c¸nh trªn ®µ däc theo diÖn tÝch lµm viÖc (hoÆc theo kh¶ n¨ng chÞu lùc) cña b¶n c¸. Th«ng thêng, chän cÊu t¹o liªn kÕt c¸nh díi ®µ däc víi vai kª nh bè trÝ liªn kÕt ë c¸nh trªn. - B¶n ®Çu ®µ däc ®îc liªn kÕt vµo ®µ ngang qua b¶n thÐp ®Æt ®øng vµ hµn s½n vµo ®Çu ®µ däc hoÆc qua c¸nh cña thÐp gãc ®øng. ChiÒu dµy b¶n ®Çu ®µ däc thêng chän 12mm. Toµn bé lùc c¾t A ë ®Çu ®µ däc ®Òu truyÒn qua c¸c hµng ®inh bu l«ng (®inh t¸n, hoÆc ®êng hµn) ®Ó ®îc cè ®Þnh vµo ®µ ngang. Sè lîng bu l«ng (®inh t¸n) cÇn thiÕt ®Ó liªn kÕt b¶n ®Çu ®µ däc vµo ®µ ngang ®îc x¸c ®Þnh theo néi lùc c¾t tÝnh to¸n V. Bài giảng CẦU THÉP 12 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Vai kª trong trêng hîp nµy ®îc tÝnh víi gi¶ thiÕt lµ lùc c¾t t¹i gèi V ph©n phèi ®Òu cho tÊt c¶ c¸c ®inh (n) bè trÝ trªn thÐp gãc liªn kÕt ®Çu ®µ däc vµ vai kª vµo dÇm ngang, nh vËy lùc c¾t A truyÒn lªn vai kª sÏ lµ : Vk = V nv n (nv - sè ®inh bè trÝ trªn b¶n ®Çu cña vai kª) §iÓm ®Æt cña lùc c¾t Vk ë vÞ trÝ gi÷a ®o¹n dµi cña vai kª t¹o nªn momen d¬ng ®èi víi hµng ®inh liªn kÕt ®Çu vai kª vµo ®µ ngang. VËy vai kª sÏ lµm viÖc chÞu uèn víi momen Mv lµ : Mv = Vk .dk - Pc . hk trong ®ã, dk - kho¶ng c¸ch tõ hµng ®inh liªn kÕt ®øng ®Õn ®iÓm ®Æt lùc c¾t Av ; hk - kho¶ng c¸ch tõ träng t©m hµng ®inh liªn kÕt ®øng cña vai kª ®Õn ®iÓm ®Æt lùc c¾t Vk . KiÓm tra trÞ sè tæ hîp lùc Rmax ph¸t sinh trong ph¹m vi cña vai kª theo c«ng thøc sau : 2 Rmax =  Vk   M v d max       n  d i  v   2 ≤ φ Tn trong ®ã, Tn - søc chÞu danh ®Þnh cña bu l«ng. b¶n c¸ trªn §µ däc b¶n c¸ díi §µ ngang b) Trêng hîp cã b¶n c¸ trªn vµ díi : TÝnh t¬ng tù nh gi¶ thiÕt cña trêng hîp (a), trong ®ã, néi lùc momen ®îc chuyÓn thµnh ngÉu lùc kÐo nÐn däc vµo b¶n c¸ trªn vµ díi, néi lùc c¾t V truyÒn vµo b¶n hoÆc thÐp gãc liªn kÕt ®Çu ®µ däc víi ®µ ngang. c) Trêng hîp kh«ng cã b¶n c¸ : Toµn bé lùc c¾t t¹i gèi V vµ momen t¹i ®Çu ®µ däc ngµm vµo b¶n bông ®µ ngang M g ®îc truyÒn qua liªn kÕt b»ng bu l«ng hoÆc ®êng hµn kÕt hîp víi bu l«ng C§C b¾t t¹i hiÖn trêng. Nh vËy liªn kÕt chÞu ®ång thêi lùc c¾t vµ momen gèi, c«ng thøc tÝnh néi lùc ph¸t sinh lín nhÊt cho bu l«ng (®inh) ngoµi biªn Rmax t¬ng tù trêng hîp tÝnh ë môc (a) vÒ vai kª. 9) Trêng hîp ®µ däc lµ kÕt cÊu liªn tôc. §èi víi nhÞp cÇu thÐp cã b¶n mÆt cÇu còng lµ b¶n thÐp cã sên t¨ng cøng, thêng dïng ®µ däc lµ nh÷ng d¶i thÐp ch÷ I nèi dµi suèt chiÒu dµi nhÞp dÇm vµ ®Æt trùc tiÕp lªn c¸nh trªn cña ®µ ngang. Néi lùc momen vµ lùc c¾t t¹i gèi ®îc x¸c ®Þnh nh dÇm liªn tôc, trong ®ã, hÖ sè xung kÝch lÊy theo chiÒu dµi cña nhÞp dÇm. 2.5. TÝnh to¸n ®µ ngang vµ liªn kÕt. 1) Nguyªn lý tÝnh to¸n : - cho phÐp tÝnh ®µ ngang ®¬n theo hÖ ph¼ng, coi nh dÇm gi¶n ®¬n, chiÒu dµi tÝnh to¸n ®µ ngang lµ kho¶ng c¸ch tõ tim ®Õn tim giµn chñ (hoÆc dÇm chñ), tøc bÒ réng (B). - ®µ ngang trong hÖ mÆt cÇu kh«ng chÞu trùc tiÕp t¸c ®éng cña ho¹t t¶i di chuyÓn trªn mÆt cÇu, mµ do ®µ däc truyÒn vµo ®µ ngang díi d¹ng t¶i träng tËp trung. - khi tÝnh liªn kÕt ®µ ngang vµo giµn (dÇm) chñ, tÝnh khung cøng ngang cña giµn, kiÓm to¸n ®µ ngang ®Çu dÇm chÞu kÝch, gi¶ thiÕt r»ng ®µ ngang lµ mét bé phËn cña khung cøng ngang. §èi víi kÕt cÊu nhÞp giµn cã ®êng xe ch¹y díi, víi hai Bài giảng CẦU THÉP 13 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- lµn xe hoÆc h¬n, cho phÐp kh«ng tÝnh néi lùc momen ph¸t sinh ë ®Çu ®µ ngang liªn kÕt vµo giµn chñ, nh vËy liªn kÕt trong trêng hîp nµy chØ chÞu néi lùc c¾t ph¸t sinh ë ®Çu ®µ ngang. G-4,5 EI® G-8 EI® EIng B = 5m MÆt c¾t ngang dÇm giµn hë B = 9,80m B MÆt c¾t ngang dÇm giµn kÝn (cã hÖ liªn kÕt trªn) S¬ ®å tÝnh khung giµn vµ ®µ ngang 2) Tính tải trọng thường xuyên rải đều trên đà dọc: - Giả thiết rằng trọng lượng lớp mặt và bản mặt cầu, trọng lượng đà dọc trong phạm vi khoảng cách giữa hai đà ngang liên tiếp, trọng lượng tổng cộng (kN) được tính rải đều trên đà ngang bằng cách chia cho chiều dài tính toán đà ngang (kN/m). - Tải trọng thường xuyên rải đều của đà ngang là trọng lượng đơn vị dài của đà ngang (T/m x 10 = kN/m). - Tải trọng thường xuyên rải đều tính toán trên đà ngang: D = Σ ni γP Di trong đó, các hệ số tải trọng và ý nghĩa của ký hiệu tương tự tính tải trọng đà dọc (2.4.2). §µ däc ////////////////////// l 2l §µ ngang / //// //?////// //// / / / / / / / / //// ////////////// §µ däc l ph¹m vi chÞu §µ ngang t¶i cña ®µ ngang 2l 3) Tính hoạt tải truyền vào đà ngang theo lực tập trung từ đà dọc: - Tính lực tập trung từ đà dọc truyền vào đà ngang bằng cách tính lực cắt phát sinh do hoạt tải xe đặt ở vị trí nguy hiểm trên hai khoang bên trái và phải của đà ngang, bằng cách vẽ đường ảnh hưởng lực cắt bên trái và phải của đà ngang; ngoài ra, mỗi đà ngang chịu một phần tải trọng làn từ mặt cầu truyền xuống theo hệ số phân phối ngang (gi) và hệ số làn (m). Để có nội lực momen lớn nhất cho đà ngang, nên xếp xe vào trong lòng cầu. - Lực cắt phát sinh do hoạt tải xe truyền vào đà ngang trở thành lực tập trung, điểm đặt lực này chính là điểm tựa của đà dọc vào đà ngang, theo công thức sau: Vi = 1,75 mgi [Vhi (1+IM/100) + Vlni ] (kN) trong đó, Vhi - lực cắt thứ (i) từ đà dọc hai bên truyền vào đà ngang do hoạt tải xe (tính theo đường ảnh hưởng lực cắt); ln V i - lực cắt thứ (i) từ đà dọc hai bên truyền vào đà ngang do tải trọng làn. 4) Tính nội lực phát sinh tại mặt cắt đà ngang: Bài giảng CẦU THÉP 14 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Đà dọc ĐAH lực cắt của đà dọc tại đà ngang D lđ d V1 V '2 V2 lđd V '1 lđn ĐAH momen đà ngang 1 ĐAH lực cắt đà ngang xi yi Công thức tổng quát tính nội lực phát sinh tại mặt cắt đà ngang như sau: momen giữa nhịp Mmax = D. ΩM + Σ Vi xi (kN.m) lực cắt tại gối Vmax = D. ΩV + Σ Vi yi (kN) trong đó, D - tổng tải trọng thường xuyên rải đều trên đà ngang bao gồm các hệ số tính, kN/m; ΩM, ΩV - diện tích đường ảnh hưởng momen và lực cắt; xi, yi - tung độ đường ảnh hưởng momen và lực cắt tương ứng vị trí đà dọc thứ (i) trên đà ngang. 5) Kiểm toán mặt cắt đà ngang: - Kiểm toán mặt cắt đà ngang đã lựa chọn ban đầu theo trạng thái giới hạn về cường độ: Mmax ≤ φf Mn = Zφf Fy Vmax ≤ φv Vn với Vn = CVp và Vp = 0,58Fyw Dtw ý nghĩa các ký hiệu trong công thức trên cũng tương tự mục 2.4.(7). 6) Tính mối nối liên kết đà ngang vào giàn chủ: Đối với cầu thép đường ô-tô, mối liên kết đà ngang vào giàn chủ được giả thiết là ngàm cứng, do đó tại mối liên kết liên kết này chỉ tính với lực cắt V max phát sinh ở đầu đà ngang. Số bu lông liên kết cần thiết được xác định theo công thức: Vmax n=  R v n trong đó, Vmax - lực cắt tính toán tác dụng vào liên kết φv - hệ số mối liên kết chịu cắt, ở đây φv = 1,00 (Điều 6.5.4.2) Rn - sức chịu danh định của một bu lông liên kết. Đối với các liên kết ma sát, Rn = Kh . Ks . Ns . Pt trong đó: Ns - số lượng mặt ma sát tính cho mỗi bu lông Pt - lực kéo yêu cầu nhỏ nhất của thân bu lông (bảng 1) Kh - hệ số kích thước lỗ (bảng 2) Ks - hệ số điều kiện bề mặt (bảng 3). Bài giảng CẦU THÉP 15 ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Bảng 1 - Lực kéo yêu cầu nhỏ nhất của thân bu lông Đường kính bu lông (mm) 20 22 24 Lực kéo yêu cầu Pt (kN) Loại M164 Loại M253 (A325M) (A490M) 142 179 176 221 205 257 Bảng 2 - Hệ số kích thước lỗ Kh Cho các lỗ tiêu chuẩn Cho các lỗ vượt quá cỡ và có khía rãnh 1,0 0,85 Bảng 3 - Hệ số điều kiện bề mặt Ks Cho các điều kiện bề mặt loại A 0,33 Cho các điều kiện bề mặt loại B 0.50 Cho các điều kiện bề mặt loại C 0,33 Ghi chú bảng 3: - Bề mặt loại A là bề mặt được làm sạch lớp cáu bẩn không sơn, hoặc được làm sạch bằng thối sau đó phủ bọc sơ qua loại A; - Bề mặt loại B là các bề mặt được làm sạch bằng thổi không sơn, hoặc được làm sạch bằng thổi sau đó có lớp phủ loại B; - Bề mặt loại C là các bề mặt được mạ kẽm nóng và làm nhám bằng bản chải sắt sau khi mạ.