Thuyết minh đồ án cầu: Hướng dẫn tính toán và thiết kế kỹ thuật bản mặt cầu

Mẫu thuyết minh đồ án cầu chi tiết phần thiết kế bản mặt cầu. Bao gồm các bước tính toán nội lực, hoạt tải, tĩnh tải theo tiêu chuẩn hiện hành.

• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cầu đường
• Đề tài: Mẫu thuyết minh đồ án cầu: Thiết kế bản mặt cầu chi tiết
• Loại tài liệu: Đồ án

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG I: THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU
• 1.1. CHIỀU DÀY BẢN MẶT CẦU
• 1.2. TĨNH TẢI
• 1.3. TÍNH TOÁN NỘI LỰC TẠI NGÀM
• 1.4. TÍNH TOÁN NỘI LỰC BẢN KIỂU DẦM
• 1.5. TÍNH NỘI LỰC THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG
• 1.6. TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA BẢN THEO TTGHCĐI
• 1.6.1. Bố trí cốt thép chịu mômen âm của bản mặt cầu (cho 1m bản) và kiểm tra theo TTGH cường độ 1
• 1.6.2. Bố trí cốt thép chịu mômen dương của bản mặt cầu (cho 1m bản) và kiểm tra theo TTGH cường độ 1
• 1.6.3. Bố trí cốt thép chịu momen âm của bản hẫng mặt cầu (cho 1m rộng bản) và kiểm tra theo TTGH cường độ 1
• 1.6.4. Kiểm tra bản theo điều kiện kháng cắt
• 1.6.5. Bố trí cốt thép co ngót và nhiệt độ
• 1.7. KIỂM TRA BẢN MẶT CẦU THEO TTGH SỬ DỤNG
• 1.7.1. Kiểm tra nứt đối với mômen dương
• 1.7.2. Kiểm tra nứt đối với mômen âm
• 1.8. BỐ TRÍ CỐT THÉP CẤU TẠO
• 2. CHƯƠNG II: THIẾT KẾ DẦM CHỦ BTCT DẦM BIÊN CHỮ T, L = 35 m BẰNG PHƯƠNG PHÁP CĂNG SAU
• 2.1. CÁC LOẠI VẬT LIỆU
• 2.1.1. Cốt thép dự ứng lực
• 2.1.2. Cốt thép thường
• 2.1.3. Vật liệu bê tông
• 2.2. BỐ TRÍ DẦM TRONG MẶT CẮT NGANG CẦU
• 2.2.1. Chọn mặt cắt ngang dầm chủ
• 2.2.2. Xác định bản cánh hữu hiệu
• 2.2.2.1. Đối với dầm giữa
• 2.2.2.2. Đối với dầm biên
• 2.3. LỰA CHỌN THÔNG SỐ
• 2.3.1. Hệ số sức kháng
• 2.3.2. Các hệ số cho tĩnh tải
• 2.4. TÍNH TOÁN NỘI LỰC DẦM CHỦ DO TĨNH TẢI
• 2.4.1. Các tĩnh tải tác dụng lên dầm đang thiết kế
• 2.4.2. Xác định nội lực do tĩnh tải dầm chủ

Tóm tắt

I. Tổng quan thuyết minh đồ án Vai trò bản mặt cầu

Trong một đồ án tốt nghiệp cầu đường, chương thiết kế bản mặt cầu là một trong những hạng mục quan trọng nhất, quyết định đến khả năng chịu lực, độ bền và sự êm thuận khi khai thác của toàn bộ công trình. Bản mặt cầu là bộ phận thuộc kết cấu phần trên cầu, có chức năng tiếp nhận trực tiếp tải trọng thiết kế cầu từ phương tiện giao thông và người đi bộ, sau đó truyền xuống hệ dầm chủ. Một mẫu thuyết minh đồ án cầu hoàn chỉnh phải trình bày chi tiết quy trình tính toán bản mặt cầu, từ việc lựa chọn kích thước sơ bộ, vật liệu cho đến phân tích nội lực và bố trí cốt thép. Việc lựa chọn chiều dày bản là bước khởi đầu. Theo tiêu chuẩn AASHTO, chiều dày tối thiểu là 175mm. Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn và độ cứng, đồ án thường chọn chiều dày 200mm. Vật liệu sử dụng phổ biến là bê tông cốt thép bản mặt cầu, với bê tông có cường độ chịu nén f'c = 40 MPa và cốt thép có giới hạn chảy fy = 420 MPa. Các thành phần phụ như lớp phủ mặt cầu, lan can tay vịn cầu, và hệ thống thoát nước mặt cầu cũng phải được tính toán và đưa vào như một phần của tĩnh tải tác dụng lên bản. Quá trình thiết kế này không chỉ là áp dụng công thức, mà còn là sự thấu hiểu về sự làm việc của kết cấu dưới các loại tải trọng phức tạp, đảm bảo công trình an toàn, kinh tế và bền vững.

1.1. Tầm quan trọng của kết cấu phần trên cầu

Kết cấu phần trên cầu là toàn bộ hệ thống chịu lực nằm phía trên các trụ và mố, bao gồm dầm chủ, dầm ngang, và quan trọng nhất là bản mặt cầu. Nó đóng vai trò là sàn công tác chính, trực tiếp chịu ảnh hưởng từ hoạt tải HL93 và các yếu tố môi trường. Một thiết kế kết cấu phần trên tối ưu không chỉ đảm bảo khả năng chịu lực mà còn ảnh hưởng đến tổng chi phí xây dựng, tiến độ thi công và chi phí bảo trì sau này. Do đó, việc phân tích nội lực cầu một cách chính xác trong giai đoạn này là yêu cầu bắt buộc.

1.2. Các thành phần trong một bản mặt cầu điển hình

Một bản mặt cầu hoàn chỉnh không chỉ là một tấm bê tông cốt thép. Nó bao gồm nhiều thành phần cấu tạo: bản bê tông chịu lực chính, lớp phủ mặt cầu (thường là bê tông asphalt để tạo êm thuận và chống thấm), hệ thống thoát nước mặt cầu để ngăn nước đọng gây hư hỏng kết cấu, và hệ thống an toàn như lan can tay vịn cầu và gờ chắn bánh. Mỗi thành phần này đều có trọng lượng bản thân và phải được tính toán như một phần của tĩnh tải (DC và DW) tác dụng lên kết cấu.

1.3. Lựa chọn sơ bộ vật liệu và kích thước thiết kế

Việc lựa chọn vật liệu là cơ sở cho mọi tính toán sau này. Thông thường, bê tông cho bản mặt cầu có cường độ chịu nén quy định ở tuổi 28 ngày (f'c) từ 30-40 MPa, và cốt thép thường có giới hạn chảy (fy) là 420 MPa. Chiều dày bản được chọn sơ bộ dựa trên yêu cầu của tiêu chuẩn 22TCN 272-05 và kinh nghiệm thiết kế, thường là 200mm đối với các cầu ô tô thông thường. Lớp bê tông bảo vệ cốt thép cũng được quy định rõ, ví dụ mép trên bản là 60mm (do chịu mài mòn) và mép dưới là 25mm.

II. Phân tích tải trọng thiết kế cầu theo 22TCN 272 05

Việc xác định chính xác tải trọng thiết kế cầu là tiền đề cho một bản thiết kế an toàn và kinh tế. Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05, các tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu được chia thành hai nhóm chính: tĩnh tải và hoạt tải. Tĩnh tải (DC) bao gồm trọng lượng bản thân của các bộ phận kết cấu, ví dụ như bản bê tông cốt thép và lan can tay vịn cầu. Tĩnh tải các bộ phận không phải kết cấu (DW) bao gồm trọng lượng của lớp phủ mặt cầu và các tiện ích khác. Hoạt tải (LL) là thành phần phức tạp và gây ra ảnh hưởng lớn nhất, trong đó hoạt tải HL93 là tải trọng tiêu chuẩn được áp dụng. HL93 bao gồm xe tải thiết kế hoặc xe hai trục thiết kế kết hợp với tải trọng làn. Ngoài ra, tải trọng người đi bộ (PL) với giá trị 3.1 kN/m² cũng được xét đến ở các khu vực lề bộ hành. Để đảm bảo an toàn, các tải trọng này được nhân với hệ số tải trọng (γ) tương ứng với từng trạng thái giới hạn. Ví dụ, ở Trạng thái giới hạn Cường độ I, γDC có thể là 1.25, γDW là 1.5, và γLL là 1.75. Một hệ số điều chỉnh tải trọng η = ηD × ηR × ηI cũng được áp dụng để xét đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng của công trình.

2.1. Xác định tĩnh tải DC và lớp phủ mặt cầu DW

Tĩnh tải được tính toán dựa trên kích thước hình học và trọng lượng riêng của vật liệu. Tĩnh tải DC1 là trọng lượng bản thân của bê tông cốt thép bản mặt cầu, tính cho một mét dài. Tĩnh tải DC2 là trọng lượng quy đổi của lan can tay vịn cầu, được xem như lực tập trung đặt tại mép bản hẫng để thiên về an toàn. Tải trọng DW từ lớp phủ mặt cầu được tính dựa trên chiều dày lớp phủ (thường là 75mm) và trọng lượng riêng của vật liệu phủ (ví dụ 22.5 kN/m³).

2.2. Phân tích hoạt tải HL93 và tải trọng người đi bộ

Đây là phần quan trọng nhất trong việc xác định tải trọng thiết kế cầu. Hoạt tải HL93 được mô hình hóa bằng cách xếp các bánh xe của xe tải thiết kế lên các vị trí bất lợi nhất trên đường ảnh hưởng để tìm ra nội lực lớn nhất. Ngoài xe tải, tải trọng làn phân bố đều cũng được xem xét. Đối với bản hẫng có phần đường người đi, tải trọng người đi bộ (PL) được chất thêm vào để xét trường hợp bất lợi nhất. Việc phân tích này đòi hỏi sự cẩn trọng để không bỏ sót bất kỳ tổ hợp nguy hiểm nào.

2.3. Áp dụng hệ số tải trọng và hệ số điều chỉnh η

Các giá trị nội lực tính toán từ tải trọng thô phải được nhân với các hệ số tải trọng tương ứng. Tiêu chuẩn 22TCN 272-05 quy định rõ các hệ số này cho từng loại tải trọng (γDC, γDW, γLL) và từng trạng thái giới hạn (Cường độ, Sử dụng). Hệ số điều chỉnh tải trọng η xét đến các yếu tố về độ tin cậy của kết cấu. Đối với các cây cầu thông thường và quan trọng, η thường được lấy bằng 1.0, tương ứng với ηD=1.0, ηR=1.0, và ηI=1.0. Việc áp dụng đúng các hệ số này đảm bảo kết cấu có đủ độ an toàn theo yêu cầu.

III. Phương pháp tính toán nội lực bản mặt cầu chính xác

Sau khi xác định tải trọng, bước tiếp theo là phân tích nội lực cầu để tìm ra các giá trị mômen uốn và lực cắt lớn nhất tại các mặt cắt nguy hiểm. Đối với bản mặt cầu, sơ đồ tính toán thường được đơn giản hóa thành hai cấu kiện chính: bản hẫng và bản kiểu dầm. Bản hẫng là phần vươn ra từ dầm biên để đỡ lan can và một phần lề bộ hành, được tính như một dầm công xôn ngàm vào dầm chủ. Bản kiểu dầm là phần bản nằm giữa hai dầm chủ, được xem như một dầm liên tục hoặc dầm giản đơn gối lên các dầm chủ. Phương pháp phân tích phổ biến là sử dụng đường ảnh hưởng. Bằng cách vẽ đường ảnh hưởng mômen và lực cắt cho các mặt cắt (tại ngàm, giữa nhịp), sau đó xếp hoạt tải HL93 lên các vị trí gây ra hiệu ứng lớn nhất, ta có thể xác định được nội lực thiết kế. Ví dụ, để tìm mômen âm lớn nhất tại gối, các bánh xe sẽ được đặt ngay sát gối. Để tìm mômen dương lớn nhất, bánh xe sẽ được đặt tại giữa nhịp. Việc so sánh kết quả từ các trường hợp xếp tải khác nhau (1 bánh xe, 2 bánh xe của hai xe, 2 bánh xe của một xe) là bắt buộc để tìm ra giá trị tính toán cuối cùng.

3.1. Phân tích nội lực cho phần bản hẫng của mặt cầu

Bản hẫng được mô hình hóa như một kết cấu công xôn. Nội lực nguy hiểm nhất thường xảy ra tại mặt cắt ngàm (vị trí liên kết với dầm biên). Các trường hợp tải trọng cần xét bao gồm: (1) Tĩnh tải bản thân và bánh xe tải thiết kế đặt sát mép lan can, và (2) Tĩnh tải bản thân và tải trọng người đi bộ. So sánh mômen và lực cắt từ hai trường hợp này sẽ cho ra giá trị nội lực dùng để tính toán bản mặt cầu cho phần hẫng.

3.2. Tính toán mômen và lực cắt cho bản kiểu dầm

Phần bản nằm giữa các dầm chủ được phân tích như một dải bản rộng 1m, kê lên các gối tựa cứng là dầm chủ. Chiều rộng dải bản tương đương (E) theo phương dọc cầu được xác định theo công thức trong tiêu chuẩn 22TCN 272-05, ví dụ E = 660 + 0.55S. Sau khi xác định được tải trọng bánh xe quy đổi trên dải bản, ta tiến hành xếp tải lên đường ảnh hưởng mômen và lực cắt để tìm ra các giá trị lớn nhất tại giữa nhịp và tại gối.

3.3. Sử dụng đường ảnh hưởng để xếp hoạt tải HL93

Đường ảnh hưởng là công cụ không thể thiếu trong phân tích nội lực cầu di động. Bằng cách vẽ đường ảnh hưởng cho mômen tại giữa nhịp và gối, người thiết kế có thể dễ dàng xác định vị trí đặt các trục xe của hoạt tải HL93 để tạo ra giá trị nội lực lớn nhất. Các phần mềm chuyên dụng như phần mềm Midas Civil hoặc SAP2000 có thể tự động thực hiện quá trình này, nhưng việc hiểu nguyên lý xếp tải thủ công vẫn rất quan trọng đối với kỹ sư.

IV. Bí quyết bố trí cốt thép bản mặt cầu theo TTGHCĐI

Sau khi có nội lực thiết kế (Mu, Vu), bước quyết định là bố trí cốt thép bản mặt cầu để đảm bảo khả năng chịu lực. Quá trình này tuân thủ nghiêm ngặt theo Trạng thái giới hạn cường độ I (TTGHCĐI). Nguyên tắc cơ bản là sức kháng uốn tính toán của mặt cắt (Mr) phải lớn hơn hoặc bằng mômen yêu cầu (Mu). Sức kháng uốn được tính theo công thức Mr = ΦMn, trong đó Φ là hệ số sức kháng (thường là 0.9 cho uốn) và Mn là sức kháng uốn danh định. Quá trình tính toán thường bắt đầu bằng việc giả thiết trước đường kính và khoảng cách cốt thép (ví dụ chọn 6 thanh Φ16 cho 1m bản), sau đó kiểm tra lại. Cần tính toán chiều cao khối ứng suất chữ nhật tương đương (a), sau đó tính Mn và Mr. Nếu Mr ≥ Mu, cách bố trí đã chọn là hợp lý. Ngoài ra, việc bố trí cốt thép còn phải tuân thủ các yêu cầu về hàm lượng cốt thép tối thiểu để kiểm soát nứt và hàm lượng tối đa để đảm bảo phá hoại dẻo. Khoảng cách tối đa giữa các thanh thép cũng bị giới hạn (không quá 1.5 lần chiều dày bản hoặc 450mm) để đảm bảo cốt thép làm việc hiệu quả. Quy trình tương tự được áp dụng cho cả cốt thép chịu mômen âm (lớp trên, tại gối) và cốt thép chịu mômen dương (lớp dưới, tại giữa nhịp).

4.1. Nguyên tắc tính toán và kiểm tra sức kháng uốn Mr

Sức kháng uốn tính toán Mr là khả năng chịu mômen lớn nhất của mặt cắt bê tông cốt thép bản mặt cầu, có xét đến các hệ số an toàn. Công thức tính Mn = As.fy.(ds - a/2) là công thức cơ bản cho mặt cắt chữ nhật chịu uốn. Trong đó, As là diện tích cốt thép, fy là giới hạn chảy, ds là chiều cao làm việc hiệu quả, và 'a' là chiều cao khối ứng suất nén. Việc xác định chính xác các thông số này là chìa khóa để tính toán bản mặt cầu một cách tin cậy.

4.2. Bố trí cốt thép chịu mômen âm tại gối và bản hẫng

Mômen âm xuất hiện ở lớp trên của bản tại các vị trí gối tựa (dầm chủ) và trên suốt chiều dài bản hẫng. Cốt thép chịu mômen âm do đó được đặt ở lớp trên. Để thuận tiện thi công, cốt thép âm cho phần hẫng thường được bố trí giống cốt thép chịu mômen âm ở gối và sau đó được kiểm tra lại với nội lực riêng của bản hẫng. Việc này tạo thành một lưới thép trên liên tục, tăng cường sự làm việc đồng bộ của kết cấu.

4.3. Yêu cầu về hàm lượng cốt thép tối thiểu và tối đa

Việc bố trí cốt thép bản mặt cầu không chỉ là đủ chịu lực. Tiêu chuẩn yêu cầu phải kiểm tra hàm lượng cốt thép. Hàm lượng tối thiểu (ρmin) đảm bảo mặt cắt không bị phá hoại giòn ngay khi bê tông bắt đầu nứt. Hàm lượng tối đa được giới hạn bởi điều kiện c/de ≤ 0.42, nhằm đảm bảo cốt thép chảy dẻo trước khi bê tông ở thớ nén ngoài cùng bị phá vỡ, giúp kết cấu có những dấu hiệu cảnh báo trước khi sụp đổ.

V. Cách kiểm toán nứt bản mặt cầu theo TTGH sử dụng

Bên cạnh việc đảm bảo cường độ, một thiết kế tốt cần phải đảm bảo các điều kiện về khai thác bình thường, hay còn gọi là Trạng thái giới hạn sử dụng (TTGHSD). Đối với bản mặt cầu bê tông cốt thép, kiểm toán quan trọng nhất ở trạng thái này là kiểm toán nứt bản mặt cầu. Mục đích là để kiểm soát bề rộng vết nứt, ngăn ngừa sự ăn mòn cốt thép và đảm bảo tính bền lâu của công trình. Theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05, việc kiểm soát nứt được thực hiện gián tiếp thông qua việc giới hạn ứng suất kéo trong cốt thép dưới tải trọng sử dụng (tất cả hệ số tải trọng bằng 1.0). Ứng suất tính toán trong cốt thép (fs) không được vượt quá một giá trị cho phép (fsa). Giá trị fsa được xác định bằng công thức fsa = Z / (dc * A)^(1/3), trong đó Z là thông số bề rộng vết nứt, dc là chiều dày lớp bê tông bảo vệ, và A là diện tích bê tông bao quanh một thanh thép. Để tính được fs, cần xác định vị trí trục trung hòa và mômen quán tính của mặt cắt đã quy đổi (chuyển đổi diện tích cốt thép thành diện tích bê tông tương đương). Quá trình kiểm toán nứt phải được thực hiện cho cả vùng chịu mômen dương và mômen âm.

5.1. Nguyên lý kiểm toán nứt theo tiêu chuẩn 22TCN 272 05

Thay vì tính toán trực tiếp bề rộng vết nứt, tiêu chuẩn đưa ra một phương pháp gián tiếp, dễ áp dụng hơn. Bằng cách giới hạn ứng suất trong cốt thép ở TTGHSD, bề rộng vết nứt được mặc nhiên xem là nằm trong giới hạn cho phép. Thông số Z phụ thuộc vào điều kiện môi trường, với Z=23000 N/mm cho các cấu kiện trong môi trường khắc nghiệt. Việc kiểm toán này đảm bảo tuổi thọ và tính thẩm mỹ cho kết cấu.

5.2. Tính toán ứng suất trong cốt thép fs ở TTGHSD

Để tính fs, ta sử dụng công thức ứng suất uốn kinh điển: fs = n * (M*y / I), trong đó M là mômen ở TTGHSD, I là mômen quán tính của mặt cắt quy đổi, y là khoảng cách từ trục trung hòa đến trọng tâm cốt thép, và n là tỉ số mô đun đàn hồi (Es/Ec). Bước khó nhất là xác định chính xác vị trí trục trung hòa và giá trị I. Đây là một bài toán cơ học kết cấu cơ bản nhưng đòi hỏi sự cẩn thận tuyệt đối.

5.3. Kiểm tra điều kiện kháng cắt cho bản bê tông cốt thép

Ngoài uốn và nứt, khả năng kháng cắt của bản cũng cần được kiểm tra. Điều kiện kiểm tra là lực cắt yêu cầu Vu phải nhỏ hơn hoặc bằng sức kháng cắt tính toán φVn. Đối với bản đặc, sức kháng cắt chủ yếu do bê tông chịu (Vc) vì thường không bố trí cốt đai. Sức kháng cắt danh định Vn được xác định theo công thức trong điều 5.8.3 của tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Thông thường, với chiều dày bản 200mm, khả năng kháng cắt của bê tông là đủ lớn và điều kiện này luôn được thỏa mãn.

VI. Hoàn thiện bản vẽ chi tiết mặt cầu và kết cấu phụ

Bước cuối cùng trong mẫu thuyết minh đồ án cầu phần bản mặt cầu là tổng hợp tất cả các kết quả tính toán và thể hiện chúng qua một bộ bản vẽ chi tiết mặt cầu. Bản vẽ này là ngôn ngữ của kỹ sư, truyền tải toàn bộ ý đồ thiết kế đến đơn vị thi công. Một bản vẽ hoàn chỉnh phải thể hiện rõ mặt cắt ngang điển hình của cầu, chi tiết kích thước các bộ phận, và quan trọng nhất là chi tiết bố trí cốt thép bản mặt cầu. Cần có các mặt bằng bố trí thép lớp trên, lớp dưới, các mặt cắt chi tiết chỉ rõ đường kính, khoảng cách và chiều dài cắt thép. Ngoài cốt thép chịu lực chính, cốt thép cấu tạo theo phương dọc cầu và cốt thép chống co ngót, nhiệt độ cũng phải được thể hiện. Các chi tiết về hệ thống thoát nước mặt cầu, cấu tạo khe co giãn, và liên kết giữa lan can tay vịn cầu với bản mặt cầu cũng cần được vẽ chi tiết. Sự rõ ràng, đầy đủ và chính xác của bản vẽ kỹ thuật quyết định trực tiếp đến chất lượng của công trình khi thi công ngoài thực tế. Đây là sản phẩm cuối cùng, kết tinh toàn bộ quá trình tính toán bản mặt cầu phức tạp trước đó.

6.1. Bố trí cốt thép cấu tạo co ngót và nhiệt độ

Ngoài cốt thép chịu lực chính theo phương ngang cầu, cần bố trí cốt thép phụ theo phương dọc. Cốt thép này có tác dụng phân bố tải trọng bánh xe, đồng thời chống lại các ứng suất do co ngót và thay đổi nhiệt độ. Diện tích cốt thép này được tính theo yêu cầu của tiêu chuẩn 22TCN 272-05, thường không nhỏ hơn As ≥ 0.75*Ag/fy. Chúng thường được đặt ở cả lớp trên và lớp dưới, tạo thành một hệ lưới thép hoàn chỉnh.

6.2. Thiết kế chi tiết hệ thống thoát nước mặt cầu

Một hệ thống thoát nước mặt cầu hiệu quả là yếu tố sống còn đối với tuổi thọ của cầu. Nước đọng trên mặt cầu có thể thấm qua lớp phủ, gây ăn mòn cốt thép và phá hủy bê tông. Thiết kế cần thể hiện rõ độ dốc ngang mặt cầu (thường là 2%), vị trí và cấu tạo của các phễu thu nước, và hệ thống ống dẫn nước xuống dưới đáy dầm hoặc vào trụ. Các chi tiết này phải được thể hiện rõ trên bản vẽ chi tiết mặt cầu.

6.3. Trình bày bản vẽ CAD chi tiết cấu tạo hoàn chỉnh

Sản phẩm cuối cùng là bộ bản vẽ kỹ thuật thi công, thường được thực hiện bằng phần mềm CAD. Một bản vẽ chi tiết mặt cầu tiêu chuẩn trong đồ án tốt nghiệp cầu đường bao gồm: mặt bằng bố trí chung, mặt cắt ngang điển hình thể hiện đủ các lớp cấu tạo, mặt bằng bố trí cốt thép lớp trên và lớp dưới, và các chi tiết cấu tạo điển hình (chi tiết lan can, gờ chắn, phễu thu nước). Mỗi chi tiết phải được ghi chú rõ ràng về vật liệu, kích thước và yêu cầu kỹ thuật.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I : THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU Sơ đồ tính bản mặt cầu 1. CHIỀU DÀY BẢN MẶT CẦU: Chiều dày tối thiểu của bản BTCT theo AASHTO là 175mm. Chọn chiều dày bản là 200mm.TĨNH TẢI: Tính cho 1m dài bản mặt cầu. + Tĩnh tải do trọng lượng BMC : (DC1) DC1= 0.9 kN/m + Lớp phủ mặt cầu (DW) :chọn lớp phủ dày 75 mm DW=2250x10-9x9.66 kN/m + Lan can tay vịn (DC2) : DC2= 4.532 kN Thực chất lực tập trung quy đổi của lan can không đặt ở mép bản mặt cầu nhưng để đơn giản tính toán và thiên về an toàn ta coi đặt ở mép và coi tải trọng lan can do phần hẫng chịu hết.6, các dãi bản phải được coi như các dầm liên tục hoặc dầm giản đơn.

Chiều dài nhịp được lấy bằng khoảng cách tâm đến tâm giữa các dầm chủ, các dầm chủ được coi là tuyệt đối cứng. Cần xác định mômen dương lớn nhất và mômen âm lớn nhất, lực cắt lớn nhất và áp dụng tính toán cho toàn bản. Để xác định nội lực trong bản ta vẽ đường ảnh hưởng tại các vị trí giữa nhịp và gối và xếp tải để xác định nội lực max. Sơ đồ tính tải tác dụng lên bản hẫng Các hệ số cho tĩnh tải Loại tải trọng TTGH cường độ 1 TTGH sử dụng DC 1.

Do xe tải thiết kế: Xét 1 bánh xe nặng của xe tải thiết kế có trọng lượng P đặt cách mép lan can 0.3m, khoảng cách từ tim bánh xe tới ngàm là x = 0.25 m, chiều rộng tiếp xúc bánh là 510mm. Chiều rộng dải tương đương : E =1140+0. Do người đi bộ: Tải trọng người đi là 3.1 kN/m2, chiều rộng người đi bộ là 1.5m nhưng phần người đi bộ nằm trong phần bản hẫng là 0. TÍNH TOÁN NỘI LỰC TẠI NGÀM: Tĩnh tải DC1 DC2 DW 4.66 (KN/m) Hoạt tải Hệ số tải trọng PL LL γ LL γ PL γ DC γ DW 3.5 Với : γLL – hệ số tải trọng của hoạt tải xe.

γPL – hệ số tải trọng của hoạt tải người. γDC – hệ số tải trọng tĩnh tải bản thân kết cấu. γDW – hệ số tải trọng tĩnh tải do lớp phủ mặt cầu. Xét hệ số điều chỉnh tải trọng trường hợp sử dụng các giá trị cực đại của γi: D×R×I≥ 1 D = hệ số liên quan tính dẻo.

R = Hệ số liên quan đến tính dư. I = Hệ số liên quan đến tầm quan trọng trong khai thác. Mônmen tại ngàm : + Trường hợp chỉ có bánh của xe tải và tải trọng bản thân. 4 ] 2 2 2 + Trường hợp chỉ có người đi bộ và tải trọng bản thân.05m – chiều dài bản hẫng L2 =0.80m – khoảng cách từ tim lan can đến ngàm L3 = 0.55m – chiều dài phần có lớp phủ mặt cầu L4 = 0.605m – chiều dài phần ảnh hưởng của bánh xe lên cánh hẫng L5 = 0.55m – chiều dài phần người đi bộ trong bản hẫng Thay các giá trị vào trên ta được :  1.11 KNm Lực cắt tại ngàm : + Trường hợp chỉ có bánh của xe tải và tải trọng bản thân.72kN + Trường hợp chỉ có người đi bộ và tải trọng bản thân.45 kN Vậy trường hợp bánh xe tải thiết kế gây ra nội lực bất lợi nhất.TÍNH TOÁN NỘI LỰC BẢN KIỂU DẦM: 5.

Nguyên lý tính toán : Nội lực được xét trên 1 m chiều rộng của bản. Bản mặt cầu có thể phân tích như mô hình dải bản liên tục kê lên các gối tựa cứng là các dầm chủ. Đối với bản mặt cầu của các dầm có thể phân tích theo mô hình dải bản ngàm hai đầu và tính theo phương pháp gần đúng với đường lối tính mô men dương ở mặt giữa nhịp của mô hình bản giản đơn kê lên gối 2 khớp. + Trị số mômen tại mặt cắt giữa nhịp của bản hai đầu ngàm được xác định : M 0.5 L + Mô men âm tại đầu nhịp : M g  k g .5 L : Mômen do tải trọng gây ra tại giữa nhịp giản đơn k: hệ số hiệu chỉnh xét đến tính chất ngàm ở hai đầu.

Xác định hoạt tải tác dụng. Dải bản chịu lực theo phương ngang cầu, chiều rộng dải bản tương đương theo phương dọc cầu được xác định theo : E  = 660 + 0.25×2300 = 1795mm Tác dụng của bánh xe có thể quy về một băng tải có bề rộng là (b + h). Độ lớn của tải trọng băng do bánh xe gây ra là : P/2 145 / 2 LL     53.795 Tiến hành xếp tải lên đường ảnh hưởng.Trường hợp chỉ có 1 bánh xe đặt tại vị trí giữa nhịp: b. Trường hợp hai bánh xe của hai xe tải đặt cách nhau 1,2m : c.

Trường hợp hai bánh xe của một xe tải đặt cách nhau 1,8m : 5. Xác định mômen dương giữa nhịp: 5. Do tĩnh tải và hoạt tải 1 bánh xe gây ra :  M 0.DC1   DW DWDW  m.DC1   DW DWDW  m. Do tĩnh tải và hoạt tải 2bánh xe của hai xe gây ra :  M 0.DC1   DW DWDW  m.DC1   DW DWDW  m.

Do tĩnh tải và hoạt tải 2 bánh xe của một xe gây ra :  M 0.DC1   DW DWDW  m.DC1   DW DWDW  m.m Suy ra : trường hợp 1 bánh xe của xe tải thiết kế đặt giữa dầm gây mômen lớn nhất. Vậy : mômen dương tại giữa nhịp: M 0,5 L  k0.87(kNm) mômen âm tại gối: M g  k g. Xác định lực cắt tại ngàm Lực cắt tại ngàm được xác định theo phương pháp chất tải thông thường. Ta xét trường hợp hai bánh của xe hai tải ba trục cách nhau 1.2m xếp tải như bên dưới.DC1   DW DWDW  m.

Xét trường hợp hai bánh của một xe tải ba trục cách nhau 1.DC1   DW DWDW  m. TÍNH NỘI LỰC THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN SỬ DỤNG: Khi tính bản theo trạng thái giới hạn sử dụng ( TTGHSD) thì lấy:  LL   PL   DC   DW  1 η = ηD .Tính mômen và lực cắt tại ngàm của bản hẫng. Mômen tại ngàm: L2 L2 L2 M  = η.03 kNm Lực cắt tại ngàm: V = η.Tính mômen giữa nhịp và lực cắt tại ngàm của bản kiểu dầm. DC1   DW DW DW  m. DC1   DW DW DW  m.09 kNm Mômen dương tại giữa nhịp : M 0,5L  k0.m) Mômen âm tại đầu nhịp : M g  k g .m) Lực cắt tại ngàm :  Vg    DC .DC1   DW DWDW  m.15kN Nội lực thiết kế bản mặt cầu Mômen Dương Âm Hẫng Cường độ 1 26.03 Vật liệu thiết kế cho bản mặt cầu Bê tông f'c = 40 MPa Ec = 31975.4 MPa Thép fy = 420 MPa Es = 200000 MPa 7. TÍNH TOÁN VÀ KIỂM TRA BẢN THEO TTGHCĐI : Xác định lớp bê tông bảo vệ : Theo bảng 5.3–1 của 22TCN272–05: Mép trên bản: a= 60 mm vì bản chịu mài mòn do vấu lốp xe Mép dưới bản: a= 25 mm Chiều cao có hiệu quả của bản mặt cầu Sức kháng uốn của bản: Mr= ΦMn Trong đó: +: Hệ số sức kháng quy định theo TCN 5.9 đối với trạng thái giới ` hạn cường độ I (cho BTCT thường).

+ Mr: Sức kháng uốn tính toán. + Mn: Sức kháng uốn danh định. Đối với cấu kiện chịu uốn khi sự phân bố ứng suất gần đúng theo hình chữ nhật a a a a h Mn= Apsfps(dp– )+ Asfy(ds– )– A 's f 'y (d 's – )+ 0. 2 2 2 2 2 Vì không có cốt thép ứng suất trước, b= bw và coi A 's = 0 nên ta có: a Mn= As.

2 Trong đó: + As : Diện tích cốt thép chịu kéo không ứng suất trước (mm2). + fy : Giới hạn chảy quy định của cốt thép (MPa). + ds : Khoảng cách tải trọng từ thớ nén ngoài cùng đến trọng tâm cốt thép chịu kéo không ứng suất trước (mm). + A 's : Diện tích cốt thép chịu nén (mm2).

+ f 'y : Giới hạn chảy quy định của cốt thép chịu nén (MPa). + d 'p : Khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu nén đến trọng tâm cốt thép chịu nén + f 'c : Cường độ chịu nén quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày (MPa). + b : Bề rộng của mặt chịu nén của cấu kiện (mm). + bw : Chiều dày của bản bụng hoặc mặt cắt tròn (mm).

+ β1 : Hệ số chuyển đổi biểu đồ ứng suất quy định trong TCN 5. với BT có cường độ > 28MPa hệ số 1 giảm đi theo tỉ lệ 0,05 cho từng 7 Mpa đến khi vượt quá 28 Mp +hl : Chiều dày cánh chịu nén của cấu kiện dầm I hoặc T (mm).β1: Chiều dày của khối ứng suất dương (mm) theo TCN 5. Aps f ps  As f y  Ac' f y' As f y a = c.85 f c'b Trạng thái giới hạn cường độ 1, cốt thép phải bố trí sao cho mặt cắt đủ khả năng chịu lực 7. Bố trí cốt thép chịu mômen âm của bản mặt cầu (cho 1m bản) và kiểm tra theo TTGH cường độ 1: Không xét đến cốt thép chịu nén Mômen tính toán cho momen âm của bản mặt cầu Mu= 45.78 kNm Cách thực hiện : chọn trước số thanh thép rồi kiểm tra cường độ.

Chọn 6 thanh thép 16. diện tích mỗi thanh là 201.1 mm2 Diện tích cốt thép As  6×201.6mm2 ds = dâm= hbmc – 60 –/2 = 200–60–16/2=132 mm  l = 0.65 Chiều dày của khối ứng suất dương (mm) theo TCN 5.12 kNm 2  2  Mr= ΦMn =0.78 kNm Khoảng cách giữa các thanh thép trên 1m dài : a =1000/5= 200 mm Vậy thoả mãn về mặt cường độ. Kiểm tra lượng thép tối đa ( TCN 5.1) c Phải thoả mãn điều kiện  0.42 de de = ds = 132 mm (do coi Asp=0, TCN 5.1–2) c khoảng cách từ thớ chịu nén ngoài cùng đến trục trung hoà, a 14.42 thoả mãn de 132 Vậy mặt cắt thoả mãn về hàm lượng thép tối đa. Kiểm tra lượng thép tối thiểu ( TCN 5.1) f' Phải thoả mãn điều kiện min  0,03.

c fy Trong đó: min tỷ lệ giữa thép chịu kéo và diện tích nguyên.0029 fy 420 f 'c vậy min  0,03. fy Vậy mặt cắt thoả mãn về hàm lượng thép tối thiểu. Cự ly tối đa của các thanh cốt thép, theo 22TCN272–05 5.2 trong bản cự ly cốt thép không được vượt quá 1.5 chiều dày cấu kiện hoặc 450 mm.