Thiết kế và xây dựng cầu thép 2 - Giàn chủ (tiếp theo)

Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG Website:  Bộmôn Cầu và Công trình ngầm Website:  THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG  CẦU THÉP 2 TS. NGUYỄN NGỌC TUYỂN Website môn học:  Link dự phòng:  https://sites.google.com/site/tuyennguyenngoc/courses‐in‐ vietnamese/ cau‐thep‐2 Hà Nội, 11‐2014 38 Giàn chủ (t.theo) • Để thay đổi tiết diện thanh phù hợp với nội lưc, các tấm thép của tiết diện sẽ có bề dày và bề rộng thay đổi. Tuy nhiên, phải đảm bảo các điều kiện sau:  – Đảm bảo phải nối các thanh tại nút,  – Đảm bảo hoạt động thuận tiện của máy hàn tự động trong lòng tiết diện – Đảm bảo tính dễ kiểm tra, duy tu và thi công.  Thông thường kích thước trong lòng tiết diện tối thiểu là 350mm‐400mm • Khi thiết kế cấu tạo tiết diện cần chú ý – Chiều cao tiết diện không lớn hơn 1/15 chiều dài thanh – Hai thanh biên của 2 khoang kề nhau không có độ lệch tâm hoặc độ lệch tâm không vượt quá 1.5% chiều cao tiết diện (Nếu không đảm bảo điều kiện này cần xét tới mô men do lệch tâm trong tính toán thanh giàn) – Các tấm thép không được mỏng hơn 10mm e 1,5%h h Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 2 39 Giàn chủ (t.theo) – Bề dày và bề rộng tấm thép phải đảm bảo quan hệ – Đối với các thanh chịu nén thì các tỉ số trên còn phải đảm bảo yêu cầu về ổn định cục bộ trong đó:  Fy và E là cường độ chảy và mô mô dun đàn hồi của thép b t t b 1 b t t1 2 2 3 3 4 C 4 1 2 1 2 3 4 3 4 30 35 ; 40 45 30 35 ; 18 20 b b t t b c t t         1 2 1 2 3 4 3 4 1.49 ; 1.40 1.49 ; 0.56 y y y y b bE E t F t F b cE E t F t F     40 Giàn chủ (t.theo) • Độmảnh giới hạn của các thanh giàn được quy định như sau: – Thanh chịu nén: – Thanh chịu kéo:  – Thanh chịu lực đổi dấu: • Bản giằng và tấm thép có khoét lỗ làm nhiệm vụ liên kết hai nhánh (hay  2 thành đứng) tạo thành tiết diện thanh giàn.  • Bản giằng có bề dày không nhỏ hơn b/45 và không nhỏ hơn 8‐10mm  bố trí cách nhau một khoảng c=(2‐3)b. Thông thường a không nhỏ hơn 0.75b và ở hai đầu thanh ađ =1.3a đối với thanh chịu kéo ; ađ =1.7a đối với thanh chịu nén. 120  200  140  Bản giằng Bản giằng Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 3 41 Giàn chủ (t.theo) • Tấm thép có khoét lỗ có bề dày tương tự bản giằng. Lỗ có thể hình tròn hoặc hình ôvan • Để giữ cho tiết diện hộp không bịméo do chịu lực hoặc trong quá trình vận chuyển, trong long tiết diện có cấu tạo các bản chắn ngang (dày từ 8‐10mm).  • Các bản chắn ngang bố trí ở 2 đầu và ở đoạn giữa thanh cách nhau khoảng 3m đối với thanh chịu nén. • Đối với thanh chịu kéo chỉ cần bố trí bản chắn ngang ở 2 đầu và 1 bản trung gian ở giữa chiều dài thanh. a a® b 42 Giàn chủ (t.theo) – Cấu tạo nút giàn: • Nút giàn là nơi truyền lực giữa các thanh nên rất quan trọng.  • Hiện nay các thanh quy tụ về nút thường được liên kết bằng bulông cường độ cao. Liên kết đinh tán chỉ gặp chủ yếu trong các cầu cũ. • Liên kết hàn ít được sử dụng do điều kiện thi công lắp ráp khó khăn và gây ứng suất hàn.  b b b b b B¶n ®Öm 910x240x4 Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 4 43 Giàn chủ (t.theo) Khi thiết kế các nút giàn cần chú ý: • Hướng tâm các thanh giàn để tránh gây mô men nút • Bảo đảm nối các thanh vào nút chắc chắn • Bảo đảm thuận tiện cho việc thi công lắp ráp • Bảo đảm tính dễ kiểm tra, duy tu, bảo quản 44 Giàn chủ (t.theo) • Tính toán giàn chủ – Tải trọng tác dụng trên giàn • Kết cấu nhịp giàn là hệ không gian phức tạp => để đơn giản sẽ tách thành các kết cấu phẳng để tính. • Giàn chủ được coi là hệ phẳng trong mặt phẳng đứng chịu tác dụng của tĩnh tải và hoạt tải thẳng đứng truyền qua hệ dầmmặt cầu đặt tại các nút. • Tải trọng bao gồm: Tĩnh tải (DC và DW) và Hoạt tải (LL và PL). • (1). Tĩnh tải: – Trọng lượng hệmặt cầu và hệ liên kết coi là phân đều cho các giàn chủ và phân bố đều trên chiều dài nhịp – Theo kinh nghiệm, trị số của tĩnh tải hệ liên kết có thể lấy bằng 8‐10%  tĩnh tải giàn chủ. – Tĩnh tải trọng lượng giàn chủ có thể xác định theo số liệu kết cấu nhịp tương tự có sẵn, hoặc Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 5 45 Giàn chủ (t.theo) – Tĩnh tải trọng lượng giàn chủ có thể xác định theo công thức lý thuyết của Stre‐let‐ski như sau: Trong đó:  q = hoạt tải tác dụng trên giàn (là tải trọng tương đương với đường ảnh hưởng tam giác có đỉnh ở ¼ nhịp có kể tới hệ số tải trọng, hệ số xung kích,  và hệ số phân phối ngang. Theo tiêu chuẩn mới 272‐05, hoạt tải là HL‐93  nên kỹ sư thiết kế phải tự xác định trị số tải trọng tương đương này).  gd, gcl, gmc, glk = trọng lượng bản thân giàn chủ, các lớp mặt cầu, hệmặt cầu, hệ liên kết cho 1 m dài của giàn chủ  l = chiều dài nhịp tính toán  Fy = sức kháng tính toán của vật liệu giàn  ϒ = dung trọng của thép  a, b = các hệ số, đối với giàn đơn giản có thể lấy a = b = 3.5.  cl mc lk d y aq b g g g g lF bl     46 Giàn chủ (t.theo)  Trị số gd xác định trên là trị số lý thuyết, do đó cần phải kể thêm hệ số cấu tạo bằng 1.5‐1.8. • (2). Hoạt tải – Hoạt tải HL93 và PL như quy định trong tiêu chuẩn thiết kế cầu – Hệ số phân bố ngang của cầu giàn xác định theo nguyên tắc đòn bảy. – Xác định nội lực • Mặc dù liên kết thanh giàn tại nút là liên kết cứng nhưng tải trọng chủ yếu đặt tại nút giàn nên có thể xác định nội lực trong giàn theo sơ đồ giàn có liên kết khớp tại nút. • Để tính trị số nội lực cần phải vẽ đường ảnh hưởng nội lực tương ứng rồi xếp tải lên đường ảnh hưởng tìm nội lực bất lợi nhất. Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 6 47 Giàn chủ (t.theo) – Thiết kế tiết diện thanh giàn Thông thường thiết kế tiết diện tiến hành theo các bước sau: • Sơ bộ xác định tiết diện thanh • Căn cứ vào các yêu cầu và quy định cấu tạo, giả thiết các tấm thép thành phần tiết diện • Kiểm toán khả năng chịu lực của tiết diện Diện tích sơ bộ của tiết diện thanh có thể xác định theo công thức: trong đó: – Pu = Nội lực – Fy = Cường độ vật liệu – ξ = Độ dự trữ xét tới các yếu tố ảnh hưởng tới sự làm việc hữu hiệu của tiết diện u y P F A   48 Giàn chủ (t.theo) – Kiểm toán tiết diện thanh giàn • Đối với thanh chịu kéo (điều 6.8.2.1): Trong đó:  ϕy = Hệ số sức kháng, lấy bằng 0.95  ϕu = Hệ số sức kháng, lấy bằng 0.8  Fy = Cường độ chảy của thép  Fu = Cường độ cực hạn của thép  Ag = Diện tích tiết diện nguyên của thanh  An = Diện tích tiết diện giảm yếu của thanh  U = Hệ số triết giảm xác định như sau: » U = 1 đối với các thành phần trong đó các tác dụng lực được truyền tới tất cả các cấu kiện » Thông thường có thể lấy U = 0.85 min y y gu r u u n F A P P F AU      Pu = Hiệu ứng lực dọc trục do  tải trọng tính toán gây ra Pr = Sức kháng kéo tính toán Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 7 49 Giàn chủ (t.theo) • Đối với thanh chịu kéo và uốn đồng thời (điều 6.8.2.3): Nếu thì kiểm tra: Nếu thì kiểm tra: Trong đó:  Pu = Hiệu ứng lực dọc trục do tải trọng tính toán gây ra  Pr = Sức kháng kéo tính toán Mux ; Muy = Mô men uốn do tải trọng tương ứng trục x và y Mrx ; Mry = Sức kháng uốn của tiết diện tương ứng trục x và y 0.2u r P P  1.0 2 uyu ux r rx ry MP M P M M         0.2u r P P  8 1.0 9 uyu ux r rx ry MP M P M M        50 Giàn chủ (t.theo) Sức kháng uốn tính toán Mr được xác định như sau: Mr = ΦfMn = 1.0Mn Trong đó, Mn là sức kháng uốn danh định. • Đối với tiết diện chữ H khi uốn trong mặt phẳng đứng thì Mn = Mp ,  trong đó Mp = sức kháng uốn của tiết diện bị chảy dẻo toàn bộ.   • Tiết diện chữ H uốn trong mặt phẳng nằm ngang thì theo quy định như đối với dầm I như đã nghiên cứu ở Học phần Cầu thép 1. 1 1 2 2 Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 8 51 Giàn chủ (t.theo) • Đối với tiết diện hình hộp Trong đó:  Fy = Cường độ chảy dẻo của tiết diện  S = Mô men chống uốn  A = Diện tích bao quanh bởi đường tim các tấm thép tạo thành tiết diện  l = Chiều dài thanh không được liên kết trong phương vuông góc với phương chịu uốn  Iy = Mô men quán tính đối với trục vuông góc với phương uốn  b = Khoảng cách tĩnh giữa các tấm thép tạo thành tiết diện  δ = Bề dày tương ứng các tấm thép đó 1 2 0.064 1 yn y y b F Sl M F S AE I                 x x 52 Giàn chủ (t.theo) • Đối với thanh chịu nén (điều 6.9.2.1): Trong đó:  ϕc = Hệ số sức kháng nén, lấy bằng 0.9  Pn = Trị số sức kháng nén danh định, xác định như sau: • Nếu λ ≤ 2.25  thì Pn = 0.66λFyA • Nếu λ > 2.25  thì với  A = Diện tích tiết diện nguyên của thanh  Fy ; E = Cường độ chảy và mô đun đàn hồi của tiết diện  K = Hệ số chiều dài (lấy bằng 0.75)  L = chiều dài thanh không được giằng  r = Bán kính quán tính u r c nP P P  Pu = Hiệu ứng lực dọc trục do tải trọng tính toán gây ra Pr = Sức kháng nén tính toán 0.88 y n F A P  2 yFKl r E        Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/14/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 9 53 Giàn chủ (t.theo) • Đối với thanh chịu nén và uốn đồng thời (điều 6.9.2.2): Nếu thì kiểm tra: Nếu thì kiểm tra: Trong đó:  Pu = Hiệu ứng lực dọc trục do tải trọng tính toán gây ra  Pr = Sức kháng nén tính toán Mux ; Muy = Mô men uốn do tải trọng tương ứng trục x và y Mrx ; Mry = Sức kháng uốn của tiết diện tương ứng trục x và y 0.2u r P P  1.0 2 uyu ux r rx ry MP M P M M         0.2u r P P  8 1.0 9 uyu ux r rx ry MP M P M M       