Thiết kế và xây dựng cầu thép 2 - Hệ dầm mặt cầu

Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 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 17 1.3. Hệ dầmmặt cầu • Nhiệm vụ – Đỡ hệmặt cầu (bản mặt cầu và các lớp mặt đường trên cầu) – Truyền tải trọng từ hệmặt cầu tới kết cấu chịu lực chính – Truyền tải trọng đứng vào nút giàn h b Giμn chñ DÇm däc DÇm ngang  b b b H Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 2 18 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Khoảng cách giữa các dầm trong hệ dầmmặt cầu – Khoảng cách giữa các dầm dọc và giữa các dầm ngang phụ thuộc vào: • Kết cấu mặt cầu • Khoảng cách giữa các giàn chủ “B” • Chiều dài khoang giàn “d” • Đối với cầu ô tô, khoảng cách dầm dọc “b” có thể lấy từ 1.2m đến 3m. b DÇm däc DÇm ngang b b b 19 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Tiết diện dầm trong hệ dầmmặt cầu – Dầmmặt cầu thường có tiết diện chữ I – Với nhịp dầm nhỏ => có thể dùng dầm I cán nóng – Với nhịp dầm lớn => dùng dầm I tổ hợp từ các tấm thép – Chiều cao dầm “h” có thể lựa chọn tỷ lệ với chiều dài nhịp dầm “l” dựa trên công thức kinh nghiệm sau: • Với dầm I cán nóng: • Với dầm I tổ hợp: 12 1 8 1  l h 10 1 7 1  l h Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 3 20 Hệ dầmmặt cầu (cont.) – Tiết diện dầm phải bảo đảm về cường độ và độ võng – Dầm ngang thường có tiết diện lớn hơn dầm dọc – Khi các giàn chủ đặt rất xa nhau: (B > 15m) Chiều dài nhịp dầm ngang lớn Có thể thay thế dầm ngang bằng giàn ngang – Sườn dầm ngang tại vị trí dầm dọc đặt lên phải cấu tạo sườn tăng cường đứng – Dầm ngang tại vị trí gối của giàn chủ thường có cấu tạo lớn để xét tới khả năng kích nâng kết cấu nhịp khi thay thế gối cầu. 21 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Liên kết dầm dọc vào dầm ngang Các kiểu liên kết dầm dọc vào dầm ngang: – (1). Dầm dọc đặt chồng lên dầm ngang • Cấu tạo đơn giản • Dầm dọc hoàn toàn liên tục • Lắp ráp dễ dàng • Chiều cao kiến trúc lớn – (2). Liên kết đồng mức • Đỉnh của dầm dọc và dầm ngang bố trí cùng cao độ • Liên kết đồng mức phổ biến hơn do  có chiều cao kiến trúc nhỏ Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 4 22 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Liên kết đồng mức có cấu tạo chắc chắn nhờ các bản cá và vai kê • Bản mặt cầu kê trên cả dầm dọc và dầm ngang • Trường hợp chiều cao dầm dọc và dầm ngang bằng nhau thì biên dầm dọc được nối bằng các bản cá còn sườn dầm dọc liên kết với sườn dầm ngang qua các thép góc liên kết. – (3). Liên kết dầm dọc thấp hơn dầm ngang • Cách này thường không dùng cho cầu ô tô DÇm däc DÇm däc DÇm ngang DÇm ngang B¶n c¸ B¶n c¸ 23 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Liên kết dầm ngang vào giàn chủ Cấu tạo liên kết dầm ngang vào giàn chủ hoàn toàn tương tự liên kết dầm dọc vào dầm ngang. – Dùng các thép góc liên kết áp vào 2 bên sườn dầm ngang và áp vào bản nút giàn. – Thông thường, số đinh liên kết bố trí không đủ trong phạm vi sườn dầm ngang nên phải mở rộng liên kết bằng cách cấu tạo bản góc Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 5 24 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Tính toán hệ dầmmặt cầu – Dầm dọc:  • Thực tế là dầm liên tục kê trên các gối đàn hồi là những dầm ngang. • Khi tính dầm dọc để đơn giản và thiên về an toàn => xem dầm dọc là dầm giản đơn kê trên gối là 2 dầm ngang liền kề nhau và tính mô men  M105 ở giữa nhịp và lực cắt V100 ở gối • Tiết diện dầm dọc sẽ được thiết kế dựa trên cơ sở nội lực M105 và V100 • Hoạt tải phân phối cho dầm dọc lấy theo nguyên tắc đòn bảy M105V100 M105V100 Dầm dọc Dầm dọc 25 Hệ dầmmặt cầu (cont.) – Dầm ngang:  • Là thành phần của khung ngang trong mặt cắt ngang của kết cấu nhịp và chịu tải trọng của các dầm dọc kê trên nó. • Để đơn giản trong tính toán, dầm ngang cũng được coi là dầm giản đơn có nhịp là khoảng cách giữa tim các giàn chủ và kê tự do lên giàn chủ. • Riêng đối với dầm ngang tại vị trí gối cầu cần xét thêm điều kiện kê kích kết cấu nhịp. M105V100 Giàn chủ Dầm ngang Bản mã nút giàn Mặt cắt dầm ngang Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 6 26 Hệ dầmmặt cầu (cont.) – (1) Tính liên kết dầm dọc vào dầm ngang trường hợp có vai kê • Mômen tại gối lấy bằng 0.6 lần mô men tại giữa nhịp dầm dọc để xét tới tính ngàm: Mg =  0.6M105 V = V100 Lực cắt V sẽ được chia đều cho số đinh bố trí trên thép góc liên kết với sườn dầm ngang • Như vậy, phần lực cắt truyền lên vai kê là: v v VV n n  V y i F F zc y m ax D blhd 27 Hệ dầmmặt cầu (cont.) trong đó : n = số đinh bố trí trên thép góc liên kết nv = số đinh trên phạm vi chiều cao của vai kê Mômen gối Mg sẽ do bản cá và vai kê chịu • Lực ngang F tác dụng lên bản cá và vai kê được tính như sau: trong đó : hd = chiều cao dầm dọc • Như vậy, số đinh nv vừa chịu tác dụng của Vv g d M F h  V y i F F zc y m ax D blhd Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 7 28 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Như vậy, số đinh nv sẽ chịu tác dụng của lực đứng Vv; lực ngang F; và mô men lệch tâm Mv gây ra bởi Vv và F.  Mv = F∙z ‐ Vv∙c trong đó : z = khoảng cách từ trọng tâm của số đinh liên kết vai kê nv đến lực F c = khoảng cách từ trọng tâm của số đinh liên kết vai kê nv đến lực F • Bản cá và số đinh liên kết bản cá cần được thiết kế để chịu được lực F • Bản tam giác ở vai kê sẽ kiểm toán chịu Mv và Vv tại tiết diện giảm yếu do hàng đinh nv. V y i F F zc y m ax D blhd 29 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Đinh làm việc bất lợi nhất là một trong các đinh trong số nv chịu lực Tmax xác định theo biểu thức sau:  V y i F F zc y m ax D bl hd 22 max max v v i M yV FT n n y             Mv Mv = F∙z ‐ Vv∙c Vv F z c fv fh1 fh2 fv fh1 fh2 Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 8 30 Hệ dầmmặt cầu (cont.) – (2) Tính liên kết dầm dọc vào dầm ngang trường hợp chiều cao dầm dọc và dầm ngang bằng nhau • Liên kết có bản cá trên, bản cá dưới và thép góc liên kết • Mômen tại gối lấy bằng 0.6 lần mô men tại giữa nhịp dầm dọc để xét tới tính ngàm: Mg =  0.6M105 V = V100 • Coi mômen Mg do  các bản cá và nhóm đinh “n1”chịu; lực cắt V do thép góc và các nhóm đinh “n2”  và “n3” ở sườn chịu. DÇm däc n3 2n 1n DÇm ngang Mg AV 31 Hệ dầmmặt cầu (cont.) • Lực tác dụng lên bản cá: • Căn cứ vào F để xác định tiết diện bản cá và số đinh liên kết (n1) cần thiết. • Căn cứ vào lực cắt V để xác định số đinh liên kết thép góc với sườn dầm ngang và dọc (n2 và n3). DÇm däc n3 2n 1n DÇm ngang Mg AV g d M F h  2 _(2)r Vn R  1 _(1)r Fn R  Với Rr là sức kháng cho phép của 1 đinh 3 _(3)r Vn R  Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 9 32 Hệ dầmmặt cầu (cont.) – (3) Tính liên kết dầm ngang và giàn chủ • Do tiết diện dầm ngang tại vị trí nối vào giàn chủ có thể có chuyển vị xoay nên trị sốmô men gối dầm ngang có thể lấy gần đúng và giả thiết Mg = 0, do vậy tính liên kết dầm ngang vào giàn chủ chỉ cần tính với lực cắt đầu dầm ngang V. V = V100 • Số đinh cần thiết cho liên kết được xác định theo biểu thức sau: • Trong đó: hệ sốm2 = 0.85 cho các đinh trên cánh thép góc áp vào bản nút giàn và m2 = 0.9 cho các đinh trên cánh thép góc áp vào sườn dầm ngang. • Cần chú ý rằng đinh, bu lông áp vào bản nút chỉ có 1 mặt ma sát. 2 r Vn m R   33 1.4. Giàn chủ • Cấu tạo giàn chủ – Các cầu cũ và cầu nhịp ngắn thường có các thanh được cấu tạo đơn giản với tiết diện một thành đứng do các thép bản và thép góc ghép lại bằng đinh tán – Ngày nay cầu giàn dùng cho các nhịp lớn và áp dụng công nghệ hàn. • Tiết diện các thanh được cấu tạo có 2 thành đứng, các bản thép được hàn ghép tạo nên tiết diện có diện tích và độ cứng lớn đáp ứng được yêu cầu chịu lực. – Liệt kê một số tiết diện hàn của giàn chủ như sau:  Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 10 34 Giàn chủ (t.theo) • Tiết diện chữ H (hình 1) : chế tạo đơn giản, dễ hàn ghép như có độ cứng tương đối hạn chế => chỉ phù hợp cho các thanh chỉ chịu kéo hoặc thanh có chiều dài không lớn. • Đối với các thành cần độ cứng lớn thì tiết diện hình hộp sẽ thích hợp hơn. 35 Giàn chủ (t.theo) • Tiết diện (2) dùng cho thanh biên dưới • Tiết diện (3) dùng cho thanh biên trên • Tiết diện (6) dùng cho các thanh xiên • Tiết diện (4) dùng cho mọi thanh giàn đều được • Tiết diện (5) có độ cứng rất tốt nhưng cần có biện pháp chống gỉ trong lòng của tiết diện => thường dùng bản chắn ngang hàn kín ở phía 2 đầu thanh.  • Tiết diện (7) giống tính chất của tiết diện (6) nhưng không dùng tấm thép khoét lỗmà dùng các bản giằng để ghép 2 nhánh của thanh Giảng viên: TS. Nguyễn Ngọc Tuyển 11/3/2014 Bộ môn Cầu và CTN ‐ ĐHXD 11 36 Giàn chủ (t.theo) aa a c® Cấu tạo thanh giàn (tiết diện số 7)(7) a a® b Cấu tạo thanh giàn (tiết diện số 6)(6) 37 Giàn chủ (t.theo) • Tiết diện (8) dùng cho thanh biên chịu kéo của các nhịp tương đối không dài Chú ý: • Một số ít cầu giàn đặc biệt dùng tiết diện dạng ống tròn cho tất cả các thanh (ví dụ cầu nối đường ra bán đảo Sơn Trà ở Đà Nẵng). Loại giàn này không có ưu điểm gì nổi bật ngoài tính độc đáo về cấu tạo chống gỉ. Tuy nhiên, cấu tạo mối nối các thanh tại nút giàn lại rất phức tạp và khó thay đổi tiết diện cho phù hợp với nội lực.