Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương VI: Tính nội lực cầu dầm bê tông cốt thép nhịp giản đơn

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế và xây dựng cầu 1 - Chương VI: Tính nội lực cầu dầm bê tông cốt thép nhịp giản đơn

1. 11/16/2012 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ môn Cầu và Công trình ngầm Website: Website: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG CẦU 1 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: ‐GTVT.TK/ Hà Nội, 10‐2012 CHƯƠNG VI Tính nộilựccầudầmBTCT nhịpgiản đơn 277 1
2. 11/16/2012 Nội dung chương 6 • 6.1. Khái niệm chung • 6.2. Tính nộilựcbảnmặtcầu • 6.3. Tính cốtthépbảnmặtcầuvàkiểmtra • 6.4. Tính hệ số phân phốitảitrọng • 6.5. Tính nộilựcdầmchủ • 6.6. Tính toán thiếtkế tiếtdiệndầmBTCT thường 278 6.1. Khái niệm chung • CầuBTCT nhịpgiản đơnlàhệ không gian phứctạp • Nộilựcdo nhiều nguyên nhân – Tĩnh tải, hoạttải – Co ngót, từ biếncủabêtông – Sự thay đổi nhiệt độ • Các giả thiếtnhư trong môn học: – SứcbềnvậtliệuvàCơ họckếtcấu. • Phân loại các nhóm phương pháp tính – Các phương pháp chính xác cao (sử dụng PTHH) • Phương pháp này phứctạp, mất nhiềuthời gian mô hình hóa (ít dùng) – Các phương pháp tính gần đúng (quy về bài toán đơngiảnhơn) • Phương pháp này cho kếtquả tính chấpnhận đượcnhưng lại đơngiảnnên đượcsử dụng phổ biến 279 2
3. 11/16/2012 Khái niệm chung (t.theo) • 6.1.1. Tổng quan về phương pháp tính cầu – Nhóm phương pháp tính thứ nhất • Giả thiết: xem kếtcấunhịpcầulàtậphợpcácphầntử hữuhạn–PTHH –(cóthể là các phầntử thanh, phầntử tấm ) đươc liên kếtvới nhau tại các nút hoặc đường biên phầntử. • Phương pháp tính: dựavàođiềukiện cân bằng, liên tụctại liên kếtgiữa các phầntử sau đóthiếtlậpcácphương trình chính tắc để tìm các ẩn số là các chuyểnvị hoặcnộilựctronghệ. • Hiệnnay có nhiềuphầnmềmthương mạinhư SAP2000, MIDAS đã ứng dụng phương pháp PTHH để tính toán nộilực các kếtcấucầucho kếtquả có độ chính xác cao. Tuy nhiên, mức độ chínhxáccònphụ thuộc vào cách mô hình hóa kếtcấu, các đặctrưng hình họccủacác phầntử so vớithựctế 280 Khái niệm chung (t.theo) Node • Rigid Link Link Element BARRIERTổng quanFrame về Elementphương pháp tính cầu (t.theo) (for girders and railing barriers) Frame Element (for pier caps) Frame Element Shell Element Frame Element (for H-piles) (for deck) (for diaphragms) DECK GIRDER DIAPHRAGM Link Element (represent bearings) BEARING H-pile PIER CAP Fixed Fixed Fixed 281 3
4. 11/16/2012 Khái niệm chung (t.theo) • Tổng quan về phương pháp tính cầu (t.theo) – Nhóm phương pháp tính thứ hai • Xem kếtcấunhịplàmộthệ thanh có cùng cao độ đặt trên các gốicầu • Bảnmặtcầumộtcáchgần đúng đượccoinhư là mộtphầncủatiết diệndầmdọcvàdầmngang – Phương pháp này phù hợpvớikếtcấucầudầm, giàn, khung, gần đúng đối vớimộtsố loạicầubảnrỗng, và không chính xác đốivớicầubản đặc (dạng tấm). • Tính toán nộilựccủahệ thanh mô tả kếtcấunhịptheo2 cách sau: – Phương pháp 2.a, phântíchhệ thanh không gian; hoặc – Phương pháp 2.b, việcphântíchkếtcấunhịp không gian có thểđược đơn giảnhóathànhviệc phân tích kếtcấucủamộtdầm đơnlẻ bằng cách đưa vào sử dụng khái niệmvề “Hệ số phân bố ngang”. Phương pháp này đơn giảnvàhiệuquả cao đốivớicầudầm đơngiảnnênđượcsử dụng phổ biến. Nội dung phương pháp 2.b sẽđược đề cập ở các phầntiếptheo. 282 Khái niệm chung (t.theo) • 6.1.2. Nội dung tính nộilực(phương pháp 2.b) – Theo phương ngang cầu: • Tính nộilựcbảnmặtcầu • Tính nộilựcdầmngang(nếucó) – Theo phương dọccầu: • Tính nộilựcdầmchủ • Tính nộilựcdầmdọcphụ (nếucó) – Nội dung: • Vẽđường ảnh hưởng • Tính nộilựcdo tĩnh tảivàtínhnộilựcdo hoạttải • Xây dựng biểu đồ bao nộilựcchocáctrạng thái giớihạn • 6.1.3. Các trạng thái giớihạn(TTGH) – Thiếtkế tính toán công trình cầu nói chung và cầuBTCT nói riêng theo trạng thái giớihạn quy định trong tiêu chuẩnthiếtkế cầu 22TCN272‐05. 283 4
5. 11/16/2012 Các trạng thái giớihạn • Các trạng thái giớihTTGHạn (t.theo) CƯỜNG ĐỘ I Là tổ hợptảitrọng cơ bản để tính vớitảitrọng khai thác khi trên cầu có xe và không có gió TTGH CƯỜNG ĐỘ II Là tổ hợptảitrọng để tính cầuchịu gió V>25m/s, trên cầu khong có xe TTGH CƯỜNG ĐỘ III Là tổ hợp để tính vớitrường hợpxechạybìnhthường khi cầuchịu gió V<25m/s TTGH SỬ DỤNG Giớihạn đốivới ứng suất, biến dạng và vết nứt dưới điều kiện sử dụng bình thường TTGH MỎI VÀ ĐỨT GÃY DO MỎI Nhằmhạnchế sự phát triểnvếtnứt, gãy do tảitrọng khai thác gây biến đổi ứng suất(mỏi) TTGH ĐẶC BIỆT Nhằm đảmbảocầuvẫntồntại sau biếncố (động đất, va tàu ) mặcdùcầucóthể bị hỏng 284 6.2. Tính nộilựcbảnmặtcầu • Sơđồcấutạobảnmặtcầu 2 (a) (b) 2 1 1 (c) (d) 2 2 1 1 (a) kếtcấu đúc tạichỗ dầmT ; (b) kếtcấubánlắpghépdầmI ; (c) kếtcấudầmhộpmộtngăn đúc tạichỗ ; (d) kếtcấudầmhộp nhiềungăn; (1) bảnmútthừa; (2) bảnngàm(hoặckê) bốncạnh. 285 5
6. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • 6.2.1. Phương pháp dảibản – Nộilựccủabảncóthểđượctínhtheophương pháp gần đúng của AASHTO: Sw S S S S S 286 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Khi nào có thể áp dụng phương pháp dảibản? – Bảnlàmviệctheo1 phương (bảnkiểudầm) là loạibản: • Bảnchỉ kê (hoặcngàm) vào 2 sườndầm. • Bảnkêhoặcngàmlên4 cạnh nhưng tỷ số lcạnh‐dài/lcạnh‐ngắn > 1.5 và khi đóbảnlàmviệctheophương cạnh ngắn – Trong cầuBTCT có dầm ngang (khoảng cách dầm ngang là l1) ta có các trường hợpsau: • Nếul1/s > 1.5 thì bảnlàbảnkê2 cạnh có nhịptínhtoánvuônggócvới phương xe chạy=> “dảibảnngang”, trường hợpnàycóthể áp dụng phương pháp dảibản để tính nộilực • Nếus/l1 > 1.5 thì bảnlàbảnkê2 cạnh có nhịptínhtoánsong song với phương xe chạy. • Nếu(l1/s < 1.5 và s/l1 < 1.5) thì bảnlàbảnkê4 cạnh (làm việctheohai phương). 287 6
7. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Phương pháp dảibản – Khi bảnlàmviệctheo1 phương (ngang cầu), có thể tính 1 dải bảntheophương ngang gần đúng như 1 dầm liên tụckêtrên gốicứng là các dầm đỡ L S S S S S L X P L S S S S S L 288 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Phương pháp dảibản (t.theo) – Khi chịuhoạttải, chiềurộng làm việccủadảibảntương ứng vớimột dãy bánh xe củabảnmặtcầulàSw: • Vớiphầnbảnnằmgiữa2 gối – Khi tính mô men dương Sw+ = 660 + 0.55S (mm) – Khi tính mô men âm Sw‐ = 1220 + 0.25S (mm) • Vớiphầnbảnhẫng Swo = 1140 + 0.833X – VớiX là khoảng cách từđiểm đặttảitrọng đếngốibiên – Tảitrọng: • Tĩnh tải – Trọng lượng phầnbản phía trong – Trọng lượng phầnbảnhẫng – Trọng lượng lan can, bộ hành – Trọng lượng lớpphủ mặtcầu 289 7
8. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Phương pháp dảibản (t.theo) • Hoạttải – Khi dảibản chính nằm ngang có nhịp ≤ 4600mm dảibảnngangchỉ tính vớilực bánh xe củaxetải3 trục=> lực= 145kN / 2 – Khi dảibản chính nằm ngang có nhịp> 4600mm dảibản ngang tính cả lực bánh xe 145kN / 2 và tảitrọng làn – Không xét lựclytâm, lựchãmkhitínhbảnmặtcầu – Vớiphầnbảnhẫng, nếuL ≤ 1800mm, hàng bánh xe ngoài có thể thay bằng 1 tảitrọng phân bốđềucócường độ 14,6N/mm đặtcáchmặtcộtlancan 300mm – Phạmvi áp dụng phương pháp dảibản: • Phương pháp dảibảnápdụng cho bản đúc tạichỗ – Đốivớibảncóphương làm việc chính vuông góc vớihướng xe chạy: áp dụng cho mọitrường hợp không phụ thuộcvàochiềudàinhịp – Đốivớibảncóphương làm việc chính song song vớihướng xe chạythìchỉ áp dụng khi chiềudàinhịpbản ≤ 4600mm – Đốivớibảncóphương làm việc chính song song vớihướng xe chạynhưng chiềudàinhịp> 4600mm phải đượctínhtoánnhư cầubản. • Đốivớimặtcầulắp ghép thì tùy theo cấutạo, kích thướcvàđặc điểmlàm việc để lựachọncácphương pháp khác thích hợphơn 290 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Phương pháp dảibản (t.theo) – Phương pháp và trình tự tính nộilựctheophương pháp dải bảnngang • Vẽđường ảnh hưởng phảnlựcgốidầm liên tục • Vẽđường ảnh hưởng nộilực: M, V • Tính nộilựcdo tĩnh tải • Tính nộilựcdo hoạttải • Tổ hợpnộilựctheocácTTGH 291 8
9. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • 6.2.2. Ví dụ tính nộilựcbảnmặtcầutheop.p. dảibản – Ví dụ SGK[1] trang 222, mặtcắtngangcầunhư hình vẽ có năm nhịp liên tụcvớichiềudàinhịpS = 2440mm Bw S/2 S S S S S S/2 S = 2440mm A B C D 292 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Ví dụ (t.theo) – Số liệuchotrước: • Trọng lượng bảnthânphầnbảnmặtcầuhẫng: Wo = 5.42x10‐3 N/mm2 • Trọng lượng bảnthânphầnbản phía trong: Ws = 4.83x10‐3 N/mm2 • Trọng lượng bản thân lan can: Pb = 4.65N/mm ‐3 • Trọng lượng lớpphủ mặtcầu: WDW = 1.66x10 N/mm2 • HoạttảiHL93 – Vẽ các đường ảnh hưởng bằng cách: • Sử dụng các phương pháp trong cơ họckếtcấu • Sử dụng phầnmềm (SAP2000, MIDAS ) => Xem link Video hướng dẫn: • Sử dụng bảng tra trong phụ lụcA (trang 431) sách “CầuBTCT trên đường ô tô” –Tácgiả Lê Đình Tâm. 293 9
10. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Sử dụng phụ lụcA (tr. 431) 294 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Sử dụng phụ lụcA 295 10
11. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) 296 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • Vẽ các đường ảnh hưởng (đ.a.h) 297 11
12. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) • 6.2.2.1. Nộilựcdo tĩnh tải – Sơđồtĩnh tải 380 L”=610 ‐3 WDW = 1.66x10 N/mm2 W = 5.42x10‐3 N/mm2 ‐3 o Ws = 4.83x10 N/mm2 L' = 863 Pb L=990 S=2440 S=2440 S/2 298 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) – Nộilựcdo trọng lượng bảnmặtcầuWs= 4.83x10‐3 N/mm2 • R200 = Ws × (diệntíchđ.a.h. không có đoạnhẫng = 0.3928 ×S) = (4.83 ×10‐3) × (0.3928 × 2440) = 4.63 N/mm 2 • M200 = Ws × (diệntíchđ.a.h. không có đoạnhẫng = 0 ×S) = (4.83 ×10‐3) ×(0) × (2440)2 = 0 N.mm / mm Ws AB C D EFG H 400 200 300 500 600 700 100 L=990 S=2240mm S S S S L d.a.h. R200 300 400 200 500 600 700 100 299 12
13. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) – Nộilựcdo trọng lượng bảnmặtcầuWs= 4.83x10‐3 N/mm2 2 • M204 = Ws × (diệntíchđ.a.h. không có đoạnhẫng = 0.0772 ×S ) = (4.83 ×10‐3) × {0.0772 × (2440)2}= 2220 N.mm / mm 2 • M300 = Ws × (diệntíchđ.a.h. không có đoạnhẫng = ‐0.1071 ×S ) = (4.83 ×10‐3) ×{(‐0.1071) × (2440)2}= ‐3080 N.mm / mm Ws AB C D EFG H 400 200 600 300 500 700 100 L=990 S=2240mm S S S S L d.a.h. M300 200 300 400 500 600 700 100 300 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) – Nộilựcdo trọng lượng bảnmútthừaWo= 5.42x10‐3 N/mm2 • R200 = Wo × ( diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng = (1+0.635L/S)×L ) = (5.42 ×10‐3) ×{(1+0.635 × 990/2440) × 990 }= 6.75 N/mm 2 • M200 = Wo × (diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng = ‐0.5×L ) = (5.42 × 10‐3) ×(‐0.5) × (990)2 = ‐2656 N.mm / mm 2 • M204 = Wo × (diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng = ‐0.2460×L ) = (5.42 × 10‐3) ×{(‐0.2460) × (990)2 } = ‐1307 N.mm / mm 2 • M300 = Wo × (diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng = 0.1350×L ) = (5.42 × 10‐3) × {0.1350 × (990)2 } = 717 N.mm / mm Wo Wo AB C D EFG H 400 600 200 500 700 300 100 L=990 S=2240mm S S S S L 301 13
14. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) – Nộilựcdo trọng lượng lan can Pb = 4.65N/mm @ L’ = 863mm • R200 = Pb × (tung độ đ.a.h. dướilực= 1+1.270L’/S) = (4.65) × {1+1.270 × 863/2440} = 6.74 N/mm • M200 = Pb × (tung độ đ.a.h. dướilực= ‐1× L’ ) = (4.65) ×{(‐1) × (863)} = ‐4013 N.mm / mm • M204 = Pb × (tung độ đ.a.h. dướilực= ‐0.4920×L’ ) = (4.65) ×{(‐0.4920) × (863)} = ‐1974 N.mm / mm • M300 = Pb × (tung độ đ.a.h. dướilực= 0.2700×L’) L' = 863 = (4.65) × (0.2700 × 863) = 1083 N.mm / mm Pb Pb AB C D EFGH 200 400 300 500 600 700 100 L=990 S=2240mm S S S S L 302 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) ‐3 – Nộilựcdo trọng lượng lớpphủ WDW= 1.66x10 N/mm2 • R200 = WDW ×{(diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng dướitảitrọng lớpphủ) + + (diệntíchđ.a.h. trừ phầnhẫng)} = WDW ×{ (1+0.635L”/S)×L” + (0.3928×S) } = (1.66 ×10‐3) × [(1+0.635 × 610/2440) × 610 + (0.3928 × 2440)] = = 2.76 N/mm L" = 610 380 Wdw AB C D EFG H 200 400 300 500 600 700 100 L=990 S=2240mm S S S S L 303 14
15. 11/16/2012 Tính nộilựcbảnmặtcầu (t.theo) – Nộilựcdo trọng lượng lớpphủ (t.theo) • M200 = WDW ×{(diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng dướitảitrọng lớpphủ) + 0 } 2 = WDW ×{ [‐0.5×(L”) ] + 0 } = (1.66 ×10‐3) ×(‐0.5) × (610)2 = ‐309 N.mm / mm • M204 = WDW ×{ (diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng dướitảitrọng lớpphủ) + + (diệntíchđ.a.h. đoạntrừ phầnhẫng) } 2 2 = WDW ×{ [‐0.246×(L”) ] + (0.0772×S ) } = (1.66 ×10‐3)×[‐0.246×(610)2+(0.0772)×(2440)2] = 611N.mm/mm • M300 = WDW ×{ (diệntíchđ.a.h. đoạnhẫng dướitảitrọng lớpphủ) + + (diệntíchđ.a.h. đoạntrừ phầnhẫng) } 2 2 = WDW ×{ [0.135×(L”) ] + [(‐0.1071)×S ] } = (1.66 ×10‐3)×[0.135×(610)2+(‐0.1071)×(2440)2] = 975N.mm/mm 304 15