Bài giảng Thiết kế và xây dựng mố trụ cầu - Chương IV: Tính toán mố trụ cầu (Phần 3)

Nội dung text: Bài giảng Thiết kế và xây dựng mố trụ cầu - Chương IV: Tính toán mố trụ cầu (Phần 3)

1. 9/3/2013 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Bộ môn Cầu và Công trình ngầm Website: Website: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG MỐ TRỤ CẦU TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học: Hà Nội, 8‐2013 4.2. Tính trụ cầu • Các tảitrọng tác dụng lên trụ cầu – Tảitrọng từ kếtcấuphầntrên: • Trọng lượng các bộ phậnkếtcấuphầntrên: DC, DW • Hoạttảivàlực xung kích: LL, IM • Hoạttảingười đi: PL • Lựchãmxe: BR • Lựcma sát gốicầu: FR • Thay đổi nhiệt độ: TU, TG • Gió: WS, WL • Lựclytâm: CE 217 1
2. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) – Trọng lượng bảnthântrụ: DC – Áp lựcnướcchảy: WA – Gió trên trụ: WS – Động đất: EQ – LựcvatàuCV và lựcvaxeCT. 218 Tính trụ cầu (t.theo) • 4.2.1. Các tảitrọng truyềntừ kếtcấunhịp – Lưuý khi tính hoạttảitácdụng lên trụ cầnxét3 tổ hợp: Xe 3 trục(Truck) + Tảitrọng làn (3.6.1.3.1) 93 ‐ Xe 2 trục (Tandem) + HL Tảitrọng làn ế tk ế ithi ả ≥ tt 90% hiệu ứng của(2 xe ạ 3 trục+ Tảitrọng làn) Ho 219 2
3. 9/3/2013 Sơđồxếphoạt Tính trụ cầu (t.theo) tải khi tính trụ Xe 3 trục(Design Truck) Tảitrọng làn (Design Lane Load) P1 P2 P3 WL Rl Rr Rl Rr Xe 2 trục(Design Tandem) P4 P5 Tảitrọng làn (Design Lane Load) WL Rl Rr Rl Rr 2 xe 3 trục(2 Design Trucks) P P P P1 P2 P3 1 2 3 Tảitrọng làn (Design Lane Load) ≥ 15m WL Rl Rr 220 Tính trụ cầu (t.theo) – Xếpxelêncácđường ảnh hưởng phảnlựcgối để tìm vị trí xe gây áp lựclớnnhấtlêntrụ. • => tìm đượcáplựclớnnhấtlêntrụ do một làn xe gây ra. – Cầnphảixét2 trường hợptínhphảnlựcgốido hoạttải: • 1: Tính phảnlựctạitừng gối riêng biệt để phụcvụ cho việc tính toán mũ trụ (khi đócầnphảitínhhệ số phân bố ngang củahoạttải). • 2: Tính tổng phảnlựcgối để phụcvụ cho việctínhthântrụ (trường hợpnàykhôngtínhhệ số phân bố ngang củahoạt tải). 221 3
4. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) 222 Tính trụ cầu (t.theo) – Các tảitrọng: DC, DW, TU, SH, CR xem phầntínhmố. – Lựchãm: BR (xem 3.6.4) – Tảitrọng do động đấtEQ (xem 3.10) 223 4
5. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • 4.2.2. Tảitrọng va xe (CT) – Theo điều 3.6.5.1: không cần tính lực va xe nếu công trình được bảo vệ bởi: • Nền đắp, hoặc • Kết cấu rào chắn độc lập cao 1370mm chịu được va đập, chôn trong đất và đặt trong phạm vi cách bộ phận cần được bảo vệ 3000mm, hoặc • Rào chắn cao 1070mm đặt cách bộ phận cần bảo vệ hơn 3000mm 224 Tính trụ cầu (t.theo) – Theo điều 3.6.5.2: • Tất cả mố trụ (không thỏa mãn điều kiện bảo vệ trong điều 3.6.5.1) đặt trong phạm vi cách mép lòng đường bộ 9m hay trong phạm vi 15m đến tim đường sắt đều phải thiết kế cho một lực tĩnh tương đương là 1800KN tác dụng ở bất kỳ hướng nào trong mặt phẳng nằm ngang và cách mặt đất là 1.2m 1800KN 1.2m 225 5
6. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • 4.2.3. Tảitrọng va tàu (CV) – Nếu không có biện pháp bảo vệ, mố trụ cầu trên sông phải được thiết kế chịu lực va tàu như 3.14 – Tải trọng va tàu có 2 loại, xét riêng rẽ: • Tàu tự hành (Ship) • Sà lan (Barge) – Tải trọng va tàu phụ thuộc: • Trọng tải của tàu/sà lan (DWT‐Deadweight Tonnage) • Vận tốc va tàu (V) 226 Tính trụ cầu (t.theo) Vs = vậntốcnướcchảy bình quân năm(m/s) DWT = trọng tảicủa tàu = tổng trọng lượng hàng hoá, người, thiếtbị, nước, v.v , nhưng không có trọng lượng bảnthâncủa tàu. 227 6
7. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • Tính lựcvatàuvàotrụ theo điều 3.14.5 Lực va tàu tương đương Ps phụ thuộc vào nhiều yếu tố và được xác định trên cơ sở thực nghiệm kết hợp xác suất thống kế (C 3.14.5) 228 Tính trụ cầu (t.theo) • Tính lựcvacủasàlanvàotrụ theo điều 3.14.8 » PB = lựcvatĩnh tương đương củasàlan(N) » aB = chiềudàihư hỏng củamũi sà lan (mm) aKE 3100 1 1.3 10 7 1 B » KE = năng lượng va tàu (joule) 229 7
8. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) » M = Vessel displacement tonnage/Vessel Mass = Trọng lượng củakhốinướcmàtàuchiếmchỗ = DWT+Trọng lượng không tảicủatàu 230 Tính trụ cầu (t.theo) – Tác dụng củalựcvatàulêntrụ (điều 3.14.11.1) Khi thiếtkế kếtcấuphầndướicầnphảixét2 trường hợplực tác dụng riêng biệtnhư sau: (1) • (1) Lựctĩnh tương đương 100% lựcva Đường tim thiếtkế (PS hoặcPB) theo phương song luồng vậntải song với đường (2) tim luồng vậntải • (2) Lưctĩnh tương đương 50% lựcvathiếtkế (PS hoặcPB) theo phương vuông góc với đường tim luồng vậntải 231 8
9. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) Tấtcả bộ phậncủakếtcấuphầndướilộ ra để có thể tiếpxúc vớibấtkỳ phầnnàocủavỏ tàu hay mũitàuđềuphải được thiếtkếđểchịu đượctảitrọng va. Ngoài ra phảixétđến2 trường hợptảitrọng sau: • (1) Để tính ổn định tổng thể, lựcvathiếtkếđược coi là mộtlựctập trung tác dụng lên kếtcấuphần dưới ở mứcnướccao trung bình hàng nămcủa đường thủy. 232 Tính trụ cầu (t.theo) • (2) Để tính lựcvacụcbộ, lựcvathiếtkếđượctácdụng như mộttảitrọng tuyếnthẳng đứng phân bốđềudọctheo chiềucaocủamũitàuhoặcmũisàlan. Hình 3.14.11.1.2. Tảitrọng va tàu dạng tuyếnlêntrụ Hình 3.14.11.1‐3. Lựcvacủasàlan lên trụ 233 9
10. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • Tảitrọng nước(WA) ‐4 2 – Tác dụng theo chiều dọc của trụ: p = 5.14 x 10 Cd V trong đó: • p = áp lực dòng chảy (MPa) • Cd = hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.1‐1 • V = vận tốc nước thiết kế (tính theo lũ thiết kế cho xói ở TTGH cường độ và sử dụng và tính theo lũ kiểm tra xói khi tính theo TTGH đặc biệt). 234 Tính trụ cầu (t.theo) – Tác dụng theo chiều ngang(vuônggócvớitrụccủa trụ). Áp lực phân bốđềutrênkếtcấuphầndướido dòng chảylệch vớichiềudọccủatrụ mộtgócθđượclấybằng: ‐4 2 p = 5.14 x 10 CL V trong đó: • p = áp lực dòng chảy theo chiều ngang (Mpa); • CL = hệ số cản của trụ lấy theo bảng 3.7.3.2‐1 235 10
11. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • 4.2.4. Xác định nộilựctrongtrụ – Mộtsố mặtcắtnguyhiểmcầntínhnộilực để kiểmtra: 1 1 3 2 1 2 2 3 2 1 3 3 44 4 4 5 5 5 5 Trụ thân hẹpTrụ thân cột 236 Tính trụ cầu (t.theo) – Xác định mô men trong mũ trụ bằng đường ảnh hưởng: 112 2 3 3 4 4 5 5 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 R th+ R R t+ R h R t + R h R t + R h R t + R h R t+ R h R th+ R R th+ R R th+ R R t + R h 1 2 1 2 y 1 y2 đ§AH.a.h M1-1 đ.a.h§AH M2-2 y y 1 y 5 y2 4 y3 Nếu tiết diện thân trụ có dạng đầu tròn (bán kính r), hoặc đầu nhọn (có chiều dài đoạn đầu nhọn bằng f) thì chiều dài tính toán của mũ trụ mút thừa lấy như sau: =(chiều dài thực tế + r/3, hoặc f/3) 237 11
12. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) etr eph – Xác định nộilực trong thân trụ tr ph R i R i Lựcdọc: N = ΣRi ; Tj Lựccắt: V = Tj ; 1 Mô men uốn: M = ΣR e + Σ T h i i j j 2 trong đó: 3 4 Ri, Tj = các lựcthẳng đứng và nằm ngang tác dụng phía trên tiếtdiện đang xét; ei , hj = cánh tay đòn của các lựcRi và Tj tính đến tâm củatiếtdiệnxét 238 Tính trụ cầu (t.theo) • 4.2.5. Kiểmtoántrụ – Mũ trụ tuỳ theo điềukiệnlàmviệccủamũ trụ có thể cầnkiểm toán các nội dung: • Bê tông chịulựccụcbộ • Uốn, cắt, xoắn – Thân trụ cầnkiểmtoáncácnội dung: • Nén uốn • Cắt, xoắn – Bệ trụ cầnkiểmtoáncácnội dung: • Uốn • Cắt, chọcthủng (punching shear) 239 12
13. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • 4.2.6. KiểmtoáncấukiệnBTCT chịunénuốn đồng thời – Điều 5.7.4.4. quy định sức kháng nén danh định Pn củacấu kiệnBTCT chịunénphụ thuộcvàoloạicốt đai đượcsử dụng: Trong đó: • Vớicấukiệncócốt đai xoắn (5.7.4.4‐2): Pn = sức kháng nén danh P 0.85 0.85 fA' A fA định; ncgstyst f‘c = cường độ 28 ngày của bê tông (MPa); • Vớicấukiệncócốt đai thường (5.7.4.4‐3): Ag = diệntíchmặtcắt ngang củacấukiện P 0.80 0.85 fA' A fA BTCT (mm); ncgstyst Ast = diệntíchcốtthép (mm2); fy = cường độ chảydẻo củacốt thép (Mpa). 240 Tính trụ cầu (t.theo) • So sánh sự làm việcgiữacốt đai xoắnvàcốt đai thường Đai thường Đai xoắn ‐ Cộtcó“cốt đai thường” bị phá hoại đột ngột khi biếndạng còn nhỏ. ‐ Côt có “cốt đai xoắn” có biếndạng lớn trướckhibị phá hủy. 241 13
14. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) Cộtcócốt đai thường 242 Tính trụ cầu (t.theo) – Sức kháng nén tính toán củatiếtdiệnBTCT chịu nén thuầntúy Trong đó: Pr = sức kháng nén tính toán; PPrn  0.75 P n Pn = sức kháng nén danh định; φ = 0.75 = hệ số sức kháng khi cấukiệnchịunéndọctrục (xem 5.5.4.2.1). – Sức kháng uốntínhtoáncủatiếtdiệnBTCT chịuuốnthuầntúy M rn M Trong đó: Mr = sức kháng uốntínhtoán; Mn = sức kháng uốndanhđịnh; a φ = 0.9 = hệ số sức kháng khi MAfdnsy 2 cấukiệnchịuuốn (5.5.4.2.1). 243 14
15. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) – Xét cộtchịunénbởilựcPn có độ lệch tâm e: kéo nén Sơđồ tảitrọng Biểu đồ biếndạng Biểu đồ ứng suất 244 Tính trụ cầu (t.theo) – Biểu đồ biếndạng và ứng suấttrongtiếtdiệncộtBTCT có nhiềulớpcốtthép 245 15
16. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • Phương trình cân bằng giữangoại lựcvànộilực(phương dọctrục): ''' Pncssss 0.85 fab Af Af (*) • Mô men do ngoạilựcgâyraphải cân bằng vớimômen do nộilực gây ra: '''' ha h h Pen 0.85 f c ab A ss f d A ss f d ( ) 22 2 2 Vớimỗi độ lệch tâm e cho trước, từ phương trình (*) và ( ) luôn tìm đượccặpPn và Mn = Pnedo 2 phương trình chỉ có 2 ẩnsố là Pn và c. 246 Tính trụ cầu (t.theo) – Biểu đồ tương tác củacấukiệnBTCT chịunénuốn đồng thời ' Để thuậntiện, cầnxây P0 0.85 fAcg A styst fA dựng mộtbiểu đồ tương tác cường độ để xác định giá trị lực phá hoạivàmômen phá hoạicủacộttương ứng với độ lệch tâm e biến thiên từ 0 tới ∞. Mỗigiátrị củae, luôn xác định đượcmộtcặp Pn và Mn duy nhấtlà giớihạncường độ danh định củacột. 247 16
17. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) 248 Tính trụ cầu (t.theo) Biểu đồ tương tác củacấukiện BTCT chịunén uốn đồng thời 249 17
18. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) – Biểu đồ tương tác củacấukiệnBTCT chịunénuốn đồng thời theo 2 phương: 250 Tính trụ cầu (t.theo) – Để đơngiảnvàthuậntiệnhơn trong tính toán, điều 5.7.4.5 đưara2 công thứcgần đúng sau: • (1). Trường hợplựcdọctrụctínhtoánPu ≥ 0.1φf’cAg thì: 1111 (5.7.4.5 1) PPPPrxy rx ry o Trong đó: Pu = Lựcdọctrụctínhtoán; Ag = Tổng diệntíchmặtcắtngangcột; φ = 0.75 = Hệ số sức kháng cho cấukiệnchịunéndọctrục (xem 5.5.4.2.1); Prxy = Sức kháng nén dọctrụctínhtoánkhiuốntheo2 phương (N); Prx = Sức kháng nén dọctrụctínhtoánxácđịnh khi chỉ có độ lệch ey (N); Pry = Sức kháng nén dọctrụctínhtoánxácđịnh khi chỉ có độ lệch ex (N); Po = Cường độ chịu nén danh định khi lựcnénđúng tâm: ' PfAAfAocgstyst 0.85 251 18
19. 9/3/2013 Tính trụ cầu (t.theo) • (2). Trường hợplựcdọctrụctínhtoánPu < 0.1φf’cAg thì: M M ux uy 1 (5.7.4.5 3) MMrx ry Trong đó: Mux = Mô men tính toán tác dụng theo trụcx (N.mm); Muy = Mô men tính toán tác dụng theo trụcy (N.mm); Mrx = Sức kháng uốntínhtoánđơntrụccủamặtcắttheophương củ trụcx (N.mm); Mry = Sức kháng uốntínhtoánđơntrụccủamặtcắttheophương củ trụcy (N.mm); ex = Muy/Pu = Độ lệch tâm củalựcdọctrụctínhtoántheohướng trụcx; ey = Muy/Pu = Độ lệch tâm củalựcdọctrụctínhtoántheohướng trụcy; PP&0.750.85  P fAA' fA • Chú ý: rx ry n c g st y st α = 0.8 vớicộtcócốt đai thường; α = 0.85 vớicộtcócốt đai xoắn. 252 Tính trụ cầu (t.theo) • Hai công thức ở trên dùng để kiểmtoáncột, trụ BTCT có độ mảnh nhỏ (short column) tứclàkhicộtcótỷ sốđộmảnh (Klu/r) < 22. Khi đó, hiệu ứng độ mảnh trong cộttrụ có thể đượcbỏ qua. K = hệ sốđộdài hữuhiệu quy định ở điều 4.6.2.5; lu = chiềudàitự do củacấukiện(hay khoảng cách giữa2 điểmgiằng củacấukiện) tính bằng mm; r = bánkínhquántínhcủatiếtdiện. • Vớicáccột, trụ BTCT có độ mảnh lớncầnphảixétthêmmô men thứ phát do hiệu ứng P‐Delta gây ra. 253 19
20. 9/3/2013 254 Tính trụ cầu (t.theo) Phân biệt“Braced” và “Unbraced” Khung có giằng Khung không có tăng cứng giằng tăng cứng 255 20