Thiết Kế Cầu Vòm Ống Thép Nhồi Bê Tông (Kèm File Autocad, Excel, Midas)

Trường ĐH Giao Thông Vận Tải Tp.HCM
KHOA CÔNG TRÌNH
BỘ MÔN CẦU ĐƯỜNG

THUYẾT MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ
NGÀNH XÂY DỰNG CẦU ĐƯỜNG
Hệ đào tạo: Chính quy
Đề tài :

THIẾT KẾ CẦU VÒM ỐNG THÉP
NHỒI BÊ TÔNG

GVHD : T.S BÙI ĐỨC TÂN
SVTH : PHAN ĐĂNG KHOA
Lớp
: CĐ03A

Tp.HCM, tháng 05/2008


TỔNG QUAN

*
*

*

1. ĐIỀU KIỆN TỰ NHIÊN KHU VỰC XÂY DỰNG CẦU
1.1. Đặc điểm về đòa hình- thủy văn

-Chế độ thủy văn ít thay đổi
+ MNCN : +7 m
+ MNTT : +4 m
+ MNTN : +2.5 m
1.2. Đặc điểm về đòa chất

•

Lớp 1 : Bùn sét hữu cơ màu xám xanh , đôi chỗ lẫn cát và hữu cơ :
Chiều dày lớp

: h1 = 12.8 m

Các chỉ tiêu cơ lý :
+Trọng lượng thể tích : γw = 1.48 T/m3.
+Độ sệt

: B = 1.24.

+Lực dính

: c = 0.082 (KG/cm2)

Góc ma sát trong

: ϕ = 6004’ .

Lớp 2 : Cát hạt mòn đến trung ,đôi chỗ lẩn sỏi sạn ,màu xám xanh xám trắng ,kết
cấu chặt vừa, trạng thái dẻo cứng :
Chiều dày lớp

: h2 = 4 m

Các chỉ tiêu cơ lý :
+Trọng lượng thể tích : γw = 1.85 T/m3.
+Tỷ trọng

: G = 2.69

+Lực dính

: c = 0.14 (KG/cm2)

+Góc ma sát trong

: ϕ = 10 049’.

Lớp 3 : Sét cát màu xám vàng ,màu xanh ,trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng
mặt lẩn nhiều đá dăm sạn :
Chiều dày lớp

: h3 = 10.2 m .

Các chỉ tiêu cơ lý :
+Tỷ trọng

: G = 2.73

+Trọng lượng thể tích : γw = 2.01 T/m3.
+Lực dính

: c = 0.313 (KG/cm2) ,


+Góc ma sát trong

: ϕ = 21028’ .

Lớp 4 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :
Chiều dày lớp

: h4 = 4.1 m .

Các chỉ tiêu cơ lý :
+Trọng lượng thễ tích : γw = 1.74 T/m3.
+Tỷ trọng

: G =2.73

+Lực dính

: c = 0.125 (KG/cm2)

+Góc ma sát trong

: ϕ = 70.10’.

Lớp 5 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :
Chiều dày lớp

: h4 = 19.9 m .

Các chỉ tiêu cơ lý :
+Trọng lượng thễ tích : γw = 1.983 T/m3.
+Tỷ trọng

: G =2.73

+Lực dính

: c = 0 (KG/cm2)

+Góc ma sát trong

: ϕ = 230.52’.

Lớp 6 : Sét màu nâu vàng ,đầu tầng đôi chỗ lẫn nhiều sỏi sạn ,trạng thái cứng :
Chiều dày lớp

: h6

Các chỉ tiêu cơ lý :
+Trọng lượng thễ tích : γw = 2.12 T/m3.
+Tỷ trọng

: G =2.73

+Lực dính

: c = 0.355 (KG/cm2)

+Góc ma sát trong

: ϕ = 260.39’.

2. QUY TRÌNH QUY PHẠM VÀ CÁC NGUYÊN TẮC THIẾT KẾ
2.1. Quy trình thiết kế và nguyên tắc chung
2.1.1. Quy trình thiết kế
-Quy trình thiết kế cầu cống : 22 TCN 272 – 05
-Quy trình Thiết kế và thi công kết cấu bêtông ống thép CECS 28-90
-Quy phạm thiết kế cầu dây văng trên đường ôtô JTJ 027-86 của Trung Quốc
2.1.2.Các nguyên tắc thiết kế
- Công trình được thiết kế vónh cửu , có kết cấu thanh thót phù hợp với quy mô
của tuyến đường.
- Đáp ứng được yêu cầu quy hoạch , phân tích tương lai của tuyến đường.
- Thời gian thi công ngắn.


- Thuận tiện cho công tác duy tu bảo dưỡng
- Giá thành xây dựng thấp.
2.2. Các thông số kó thuật cơ bản
2.2.1. Quy mô xây dựng
-Cầu được thiết kế vónh cửu với tuổi thọ > 100 năm
2.2.2.Tải trọng thiết kế
-Sử dụng cấp tải trọng thiết kế cầu theo quy trình 22 TCN 272 – 05
+Hoạt tải thiết kế HL 93
-

Xe 3 trục thiết ke á: P1=35KN, P2=145KN, P3=145KN

-

Xe 2 trục thiết kế : P1=110KN, P2=110KN

+Tải trọng người : 3 KN/m2
-Hệ số tải trọng :
+Tónh tải giai đoạn 1 : 1.25
+Tónh tải giai đoạn 2 : 1.5
+Hoạt tải
: 1.75
-Hệ số động(hệ số xung kích) : IM=1+25/100=1.25
2.2.3.Khổ cầu thiết kế
-Mặt cắt ngang thiết kế cho 4 làn xe chạy vận tốc thiết kế là 80 Km/h
+Mặt căt ngang khổ : K=
+Phần xe chạy: Bxe=4x3.5m
+Phần lan can:Blc=2x0.5m
2.2.4.Khổ thông thuyền
-Sông thông thuyền là sông cấp II :
+Tónh cao: 9m
+Tónh ngang: 60m
2.2.5.Trắc dọc cầu
-Độ dốc dọc cầu là 1.6 %
-Cầu nằm trên đường cong tròn bán kính R=4500m
3. CÁC PHƯƠNG ÁN CẦU SO SÁNH VÀ LỰA CHỌN
Nguyên tắc lựa chọn phương án cầu:
- Đáp ứng yêu cầu thông thuyền
- Giảm tối thiểu các trụ giữa sông
- Sơ đồ nhòp cầu chính xét đến việc ứng dụng công nghệ mới nhưng có ưu
tiên

việc tận dụng thiết bò công nghệ thi công quen thuộc đã sử dụng

trong nước.


- Đảm bảo tính khả thi trong quá trình thi công.
-Đạt hiệu quả kinh tế cao, giá thành rẻ


PHẦN I

THIẾT KẾ CƠ SỞ

CHƯƠNG 1 PHƯƠNG ÁN SƠ BỘ
CẦU LIÊN TỤC ĐÚC HẪNG CÂN BẰNG

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG ÁN
1.1. Tiêu chuẩn thiết kế


-Quy trình thiết kế cầu cống 22 TCN 272 – 05 Bộ giao thông vận tải
-Tải trọng thiết kế: HL 93, tải trọng người 3KN/m2
1.2.Sơ đồ kết cấu
1.2.1.Kết cấu phần trên
-Sơ đồ bố trí chung toàn cầu:
-Nhòp chính là dầm liên tục 3 nhòp BT ƯST thi công theo phương pháp đúc hẫng
cân bằng với khẩu độ nhòp chính là 59+90+59
-Kết cấu nhòp chính có tiết diện hình hộp có chiều cao thay đổi, đáy dầm có
dạng đường cong bậc 2.
-Hộp dầm có dạng thành xiên và bố trí một vách ngăn giữa hộp. Kích thước hộp

dầm như sau:
+) Chiều cao dầm trên đỉnh trụ H = 4.5 m.
+) Chiều cao dầm tại giữa nhòp h = 2 m.
+) Chiều dày bản nắp : tb = 25 cm
+) Chiều dày bản đáy : Mặt cắt gối là 80 cm , tại mặt cắt giữa nhòp là 25
cm
+) Chiều dày phần cánh hẫng : hc = 25 cm
+) Chiều dày bản mặt cầu tại ngàm : tn = 110 cm
+) Chiều dày sườn bên của hộp : 50 cm
+) Chiều dày sườn giữa của hộp : 40 cm
-Tiêu chuẩn vật liệu
1- Bê tông cấp A có:
'
+) f c = 40 (MPa).

+) γ c = 25 (kN/m3).
+) Ec = 0.043 γ c1.5 f c' = 35000 (MPa).
2- Cốt thép DƯL của hãng VSL theo tiêu chuẩn ASTM - grade 270 có các chỉ
tiêu sau:
+) Diện tích một tao Astr = 1680 mm2
+) Cường độ cực hạn: fpu= 1860 MPa
+) Độ chùng sau 1000h ở 200C là 2.5%


3- Neo: Sử dụng loại neo VSL
4- Cốt thép thường: Sử dụng loại cốt thép có gờ với các chỉ tiêu:
+) fs = 300 (MPa).
+) Es = 200000 (MPa).
+) fy = 400 (MPa).
-Nhòp dẫn: cầu không làm nhòp dẫn, đốt biên của dầm hộp sẽ được đặt trực tiếp

lên mố cầu tiếp tiếp giáp với đường dẫn vào cầu
1.2.2. Kết cấu phần dưới
1- Cấu tạo trụ cầu :
- Trụ chính dùng loại trụ đặc 2 đầu tròn đặt trên móng cọc đài thấp , cọc khoan
nhồi D=1.2m đổ bê tông tại chỗ mác M300
2 - Cấu tạo mố cầu:
- Mố cầu dùng loại mố chữ U BTCT đặt trên móng cọc khoan nhồi D=1m, đổ tại
chỗ mác bê tông chế tạo M300.
2. TÍNH TOÁN SƠ BỘ KẾT CẤU NHỊP
2.1. Xác đònh các kích thước cơ bản của cầu
- Chiều dài kết cấu nhòp: đối với kết cấu nhòp liên tục chiều dài nhòp biên L nb=
(0,6 ÷ 0,7) chiều dài nhòp giữa Lng.
+) Trong phương án này chọn L = 90m.
+) Lấy : Lnb = 59 m
2.1.1.Phân chia các đốt dầm
-

Để đơn giản trong quá trình thi công và phù hợp với các trang thiết bò hiện
có của đơn vò thi công ta phân chia các đốt dầm như sau :
+) Đốt trên đỉnh trụ : do = 14m (khi thi công sẽ tiến hành lắp đồng thời 2
xe đúc trên trụ)
+) Đốt hợp long nhòp giữa : dhl = 2m, đốt hợp long nhòp biên : dhl = 2m
+) Chiều dài đoạn đúc trên đà giáo : dđg = 13 m

-

Sơ đồ phân chia đốt dầm

HLK10

K9 K8

K7

K6 K5 K4 K3 K2 K1

K0

K1 K2 K3 K4 K5 K6

2.1.2. Xác đònh phương trình cao độ đáy dầm
Cao độ đáy dầm thay đổi theo phương trình Parabol: y =x2 + bx + c

K7

K8 K9

K10HL


y=

(H − h) × x 2
+h
l2h

Trong đó:
-

y : Là chiều cao dầm tại mặt cắt cách mặt cắt giữa nhòp một khoảng x.

-

H : Là chiều cao dầm tại mặt cắt trên gối.

-

h : Là chiều cao dầm tại mặt cắt giữa nhòp.

-

lh : Là chiều dài đoạn cánh hẫng có chiều cao thay đổi.
Y=0.00205x2 + 2.8
Y=0.00205x2 + 2.8
2.1.3. Xác đònh phương trình thay đổi chiều dày đáy dầm

Thay đổi theo phương trình Parabol: y = x2 + bx + c
y=

(H − h) × x 2
+h
l2h

Trong đó:
y
: Là chiều dày bản đáy tại mặt cắt cách mặt cắt giữa nhòp một
khoảng x.
Hd
: Là chiều dày bản đáy tại mặt cắt trên gối.
hd

: Là chiều dày bản đáy tại mặt cắt giữa nhòp.
ld
: Là chiều dài thay đổi bản đáy trên nhòp.
Y=0.00022x2 + 0.4
2.1.4.Xác đònh cao độ mặt dầm chủ
Mặt dầm chủ được thiết kế với độ dốc 3 %, với bán kính cong R=4500m
2.1.5. Tính tóan đặt trưng hình học mặt cắt của tiết diện
Để tính toán đặc trưng hình học ta có thể sử dụng công thức tổng quát như sau để
tính:
+ Diện tích mặt cắt :
F = 1/2 x ∑ ( xi-xi+1) x (yi+yi+1).
+ Tọa độ trọng tâm mặt cắt :
yc = 1/6 x Fx ∑ (xi-xi+1) x (yi2+yi.yi+1+yi+12).
+ Mômen tónh của mặt cắt đối với trục x :
Sx = 1/6 x ∑ (xi-xi+1) x (yi3+yi2.yi+1+yi.yi+12+yi+13).
+ Mômen quán tính đối với trục trung hòa :
Jth = Jx - yc2 x F.
Số liệu tính toán đặc trưng hình học của mặt cắt thay đổi được tính trong Midas
- Kích thước mặt cắt ngang:


-

Trên cơ sơ các phương trình đường cong đáy dầm và đường cong thay đổi
chiều dày bản đáy lập được ở trên xác đònh được các kích thước cơ bản
của từng mặt cắt dầm

2.2. Xác đònh các kích thước cơ bản của trụ cầu và mố cầu
2.2.1. Các kích thước cơ bản của trụ cầu

2.2.2. Các kích thước cơ bản của mố cầu


CHƯƠNG 2 PHƯƠNG ÁN SƠ BỘ
CẦU VÒM ỐNGTHÉP NHỒI BÊTÔNG

1. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PHƯƠNG ÁN
1.1. Tiêu chuẩn thiết kế
- Hiện nay chưa có quy trình thiết kế riêng cho cầu vòm thép nhồi bêtông, vì vậy
trong phạm vi đồ án này, sử dụng các tiêu chuẩn khác như ASSHTO LRFD, tiêu
chuẩn châu u Eurocode 4 1994 (EC4), và tiêu chuẩn CECS 28 -90 (Trung
Quốc).
− Cầu thiết kế theo dạng vónh cửu
− Thiết kế theo 22TCN272 – 05
− Tần suất lũ thiết kế 1 %
1.2. Sơ đồ kết cấu
1.2.1. Kết cấu phần trên


-Sơ đồ bố trí chung toàn cầu : 2@29+90+2@29
Nhòp dẫn

: dầm I 29 m căng trước

Nhòp chính

: vòm ống thép nhồi bêtông có chiều dài 90 m

-Tiêu chuẩn vật liệu
+Bê tông có

f c' = 50 (MPa).
γ c = 25 (kN/m3).

Ec = 0.043 γ c1.5 f c' = 35750 (MPa).
+Cốt thép DƯL của hãng VSL theo tiêu chuẩn ASTM - grade 270 có các chỉ
tiêu sau:
+Cốt thép thường: Sử dụng loại cốt thép có gờ với các chỉ tiêu:
Es = 200000 (MPa).
fy = 400 (MPa).
1.2.2. Kết cấu phần dưới
− Trụ chính sủ dụng trụ cột bê tông cốt thép đặt trên móng cọc khoan nhồi
đường kính 1.2m
− Mố : Dùng mố chữ U bê tông cốt thép đặt trên móng cọc khoan nhồi đường
kính 1m
2. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KẾT CẤU NHỊP CHÍNH
2.1. Tổng quan về cầu ống thép nhồi bêtông
Nhiều công trình cầu trên thế giới đã được thiết kế với kết cấu ống thép
nhồi bê tông cho những cấu kiện chòu nén. Vào năm 1931, một trong những kết
cấu đầu tiên sử dụng công nghệ ống nhồi bê tông đã được xây dựng ở ngoại ô
Paris, cầu vòm nhòp 9m với hai vòm được kết cấu gồm 6 ống cho mỗi vòm. Tổ
hợp của 40 ống thép f140x50mm đã cấu tạo nên cánh trên hình parabol của kết
cấu nhòp cầu dài 101m vượt sông Nêva ở thành phố Xanh Pêterbua vào năm
1936. Trong năm 1940, cầu đường sắt bác qua sông Ixet gần thành phố
Kamenskơ - Uranski với nhòp chính dài 140m dạng vòm cao 22m, giá thành giảm
20% nhờ sử dụng kết cấu vòm ống nhồi bê tông, cánh vòm được thiết kế bằng
ống thép CT3 f820x13mm. Vào những năm của thập niên 60, ống nhồi bê tông
bắt đầu được nghiên cứu, ứng dụng một cách rộng rãi trong xây dựng công trình
ở Trung Quốc. Tù năm 1990 đến 1992, ba tiêu chuẩn kỹ thuật (CECS28-90,
DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92) được ban hành ở Trung Quốc đã tạo nhiều điều

kiện thuận lợi hơn cho việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông trong xây
dựng công trình.
Ở Trung Quốc, cầu dạng vòm ứng dụng công nghệ CFT được bắt đầu
thiết kế vào năm 1990. Với cầu có nhòp không lớn hơn 80m, kết cấu vòm được
thiết kế với một ống đơn. Cầu Yiwu Yuanhuang ở tỉnh Zhejiang được thiết kế
dạng vòm với một ống đơn đường kính 800, dày 18mm theo công nghệ CFT đã
vượt được nhòp 80m.
Khi cần vượt nhòp lớn hơn và yêu cầu tải trọng lớn hơn, cầu vòm được
thiết kế với hai ống thép liên kết với nhau. Nhòp 100m của cầu Yilan
Mudanjiang thuộc tỉnh Heilongjiang có kết cấu dạng vòm, tiết diện ngang hình
tam giác, cấu tạo từ ba ống (đường kính 600, dày 12mm) được liên kết chặt chẽ
với nhau theo suốt chiều dài. Cầu vượt Sông Huangbai và sông Xia lao thuộc
tỉnh Hubei, thiết kế với bốn ống vượt nhòp 160m, mỗi vòm gồm hai ống f1000,
dày 12mm.
Cầu San-an Yongjiang thuộc tỉnh Guangxi, hợp long vào năm 1999, nhòp
chính 270m dạng vòm với mặt cầu chạy giữa. Vào thời điểm này, cầu San-an
Yongjiang đạt kỷ lục của cầu dạng vòm. Cầu Yongning Yongjiang ở tỉnh
Guangxi có kết cấu vòm tương tự cầu Wanxian. Nhòp chính 312m dạng vòm có
mặt cầu chạy giữa.
Cầu Yajisha ở Guangzhou, nhòp chình 360m được khánh thành vào tháng
6 năm 2000, chiếc cầu đầu tiên ở Trung Quốc được thiết kế với 6 ống, đạt kỷ lục
thế giới.
Cầu Yajisha nằm trên đường cao tốc vành đai Tây Nam tỉnh Guangzhou
bắc qua sông Zhujiang. Phần cầu chính với sơ đồ phân nhòp 76+360+76m, dạng
cầu vòm mở rộng. Nhòp giữa dạng vòm bản mặt cầu chạy giữa, hai nhòp biên
dạng nửa vòm với bản mặt cầu chạy trên. Nhòp giữa có kết cấu dạng vòm treo
không chốt, chiều dài nhòp tính toán 344m, đường tên của vòm: f:76,45m. Mặt
cắt ngang vòm được thiết kế với 6 ống thép. ống giữa đường kính f = 750, dày
20mm, hai ống hai bên đường kính 750, dày 18mm, chiều dày tấm bản nối theo

phương ngang là 12mm; các bộ phận của sườn vòm bao gồm các ống thẳng đứng
có kích thước f450x12mm và các ống nghiêng có kích thước f351x10mm. Tiết
diện ngang của vòm có chiều rộng không thay đổi 4,35m. Chiều cao thay đổi từ
4m tại đỉnh vòm đến 8,039m tại chân vòm. Đoạn ống tại chân vòm, phần liên


kết với kết cấu trụ có chiều dày 36mm. Theo phương ngang cầu, hai vòm cách
nhau 35,95m được liên kết bằng sáu hệ liên kết ngang dạng chéo và hai hệ liên
kết ngang dạng chữ K. Hai nhòp biên có kết cấu dạng nửa vòm với chiều dài
nhòp tính toán 71m, đường tên 27,3m, mặt cắt hình hộp cao 4,5m x rộng 3,45m.
Hệ nhánh của nửa vòm được liên kết bằng một hệ liên kết ngang dạng chéo và
một hệ liên kết ngang dạng chữ K. Hai nửa vòm biên được đặt trên gối chậu di
động tại trụ biên.
Hai nửa vòm cầu Yajisha được chế tạo riêng biệt trên không vòm dọc
theo hai bên bờ. Thớt trên của đã xoay là phần đế vòm đặt trên trụ. Thớt dưới
của đã xoay làm việc như kết cấu truyền tải trọng xuống móng cọc. Hai nửa
vòm nhòp chính được nâng lên đến cao độ thiết kế bằng cách xoay tất cả theo
phương đứng một góc 24,7014độ; rồi xoay theo phương ngang đến vò trí thiết kế.
Nửa vòm của nhòp phía bờ Bắc được xoay theo phương ngang một góc 117,10độ
và 92,2dộ cho nửa vòm phía bờ Nam.
Ống thép được nhồi bê tông C60 có phụ gia trương nở. Phụ gia chậm ninh
kết được trộn vào bê tông đế tăng khả năng làm việc của bê tông. Tỉ lệ nước xi
măng là 0,35 với độ sụt 18-20cm. Cường độ chòu nén sau 3 ngày tuổi đạt 58,5
MPa.
2.2. Các loại kết cấu ống thép nhồi bêtông
Cột thép bêtông liên hợp được đònh nghóa như là kết cấu chòu nén hoặc
có thể thép được bọc trong bêtông hoặc bêtông nhồi trong ống thép. Tùy thuộc
các chủng loại và hình dạng có thể chia ra làm 3 loại cột liên hợp thường dùng
trong xây dựng như sau [13] :

- Loại 1 : thép kết cấu (cốt cứng ) được bọc bằng bêtông (hình a, b,c)
- Loại 2 : bêtông nhồi trong hộp, ống thép (hình f, g, i)
- Loại 3 : hỗn hợp 2 loại trên (hình d, h)


Các dạng kết cấu ống thép nhồi bêtông
Loại 1 : đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật về phòng cháy, đơn giản khi cần
tăng cường độ bằng cách thêm cốt thép ở lớp bêtông ngoài. Tuy nhiên việc kiểm
tra và xử lý kết cấu thép bên trong không thể thực hiện. Chủng loại kết cấu này
phù hợp cho các công trình chòu động đất lớn với các tải trọng ngang lặp.
Loại 2 : ống thép nhồi bêtông được sử dụng nhiều trong các trụ cầu mà ở đó
phải chòu tải trọng va xe, các vành cầu vòm, cột nhà cao tầng .. không nhất thiết
có cốt thép bên trong.
Loại 3 : có tính năng chống cháy cao và có được các ưu điểm của hai chủng loại
kết cấu trên.
2.3. Đặc điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông chòu nén
Trong các bộ phận của kết cấu ống thép nhồi bêtông khi chòu lực dọc trục có các
thành phần ứng suất như sau :

Trạng thái ứng suất của cấu kiện ống thép tròn nhồi bêtông chòu nén

- Trong bêtông :ứng suất nén dọc trục σcBc và áp lực ngang σr .


- Trong ống thép :ứng suất dọc trục σzs và ứng suất tiếp σθs
Nguyên nhân gây xuất hiện áp lực ngang σr lên bêtông và ứng suất tiếp σθs trong
ống thép là do hệ số nở ngang của hai loại vật liệu này khác nhau, trong đó hệ
số nở ngang của bêtông luôn lớn hơn của thép ở mọi giai đoạn làm việc. p lực
ngang σ r lên bêtông không cho phép bêtông tự do phát triển biến dạng theo
phương ngang và tạo ra trạng thái ứng suất ba chiều trong bêtông. trạng thái

chòu lực 3 chiều, khả năng chòu lực dọc trục của bêtông tăng lên đáng kể. Đây
chính là đặc điểm chòu lực quan trọng nhất của kết cấu ống thép nhồi bêtông
2.4. Ưu điểm của ống thép nhồi bêtông
Cầu vòm bằng ống thép nhồi bêtông
Kết cấu ống thép nhồi bê tông (CFT- Concrete filled tubula steel) là một kết cấu
hỗn hợp gồm ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Khi chòu cùng ứng suất như
nhau thì kết cấu bê tông nhồi trong ống thép có những ưu điểm chính như sau:
* Khi so sánh với kết cấu bê tông có tiếp xúc với môi trường bên ngoài bê tông
trong ống thép có đặc điểm:
- Độ bền của lõi bê tông tăng khoảng 2 lần.
- Bê tông không bò co ngót mà bò trương nở vì không có sự trao đổi độ ẩm giữa
bê tông và môi trường bên ngoài,
- Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt.
- Tính phi tuyến của công;
* Khi so sánh với kết cấu biến dang từ biến sẽ mất đi sau 2-7 ngày tuổi.
- Khối lượng của các cấu kiện ống nhồi bê tông nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông
cốt thép,
- Không cần copfa trong thi thép dạng ống:
- Tăng khả năng chống biến dạng của ống thép,
- Độ bền ăn mòn và chống gỉ của mặt trong ống thép cao hơn,
- Giảm độ mảnh của cấu kiện;
* Khi so sánh với kết cấu sử dụng thép hình có mặt cắt hở:


- Mặt ngoài của kết cấu ống thép nhồi bê tông nhỏ hơn do đó chi phí sơn phủ và
bảo dưỡng thấp hơn,
- Độ bền chống gỉ cao hơn,
- Khả năng ổn đònh đều hơn,
- Giảm được ảnh hưởng của tải trọng gió,
- Tăng độ cứng chống xoắn

3. LỰA CHỌN CÁC KÍCH THƯỚC CƠ BẢN CỦA NHỊP CHÍNH
3.1. Đường cong trục vòm
Việc lựa chọn đường tim vòm có ý nghóa rất lớn trong khai thác, thông thường
cầu vòm thép nhồi bêtông hoặc các công trình cầu vòm khác thường chọn đường
cong tim vòm là đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4 và đường cong dạng dây
xích. Các đường cong này có đường cong áp lực khá trùng với đường cong tim
vòm. Cầu vòm trong đồ án sử dụng đường cong parabol bậc 2 có phương trình
như sau :
y=4

f
( L − x) x
L2

Trong đó :
f : đường tên vòm
L : chiều dài nhòp, tỉ lệ f/L = 1/5
3.2. Đường tên vòm
Tham số quan trọng nhất là tỷ số giữa đường tên vòm f với nhòp vòm là l.
Tỷ số này càng nhỏ tức là vòm càng thoải thì lực đẩy ngang càng lớn và ngược
lại thường dùng tỷ lệ
f 1 1
= ÷
l 4 6

Chọn

f 1
= ⇒
l 5

f = 18 m

3.3.Lựa chọn tiết diện vòm và tính đặc trưng hình học của vòm
Mặt cắt ngang các cấu kiện:
Ta lần lượt tính các đặc trưng hình học của các cấu kiện, từ đó lấy các số liệu
đặc trưng hình học để tính tóan.
Vành vòm


t=12mm

t=12mm

Mặt cắt ngang vòm chính
Diện tích ống thép φ1000 ×12mm :
As = 2 ×

π 2
1 − 0.9882 ) = 0.0374 mm2
(
4

Diện tích tiết diện bản thép 600x12mm:
As1=0.6x2x0.012=0.0144 mm2
E

s
Quy đổi thép sang bêtông bằng hệ số n = E

c

Es=210000 Mpa,
E c = 0.043 × γ c × f c' = 0.043 × 25001.5 × 50 = 38006.989 Mpa
n=

Es
210000
=
= 5.525
E c 38006.989

Diện tích thép sau khi quy đổi sang bêtông:
Asc = ( A s + A s1 ) × n =(0.0374+0.0144)x5.525=0.286mm2

Diện tích phần bêtông:
π
4

2
Ac= × 2 × 0.988 +0.265=1.797mm2

Diện tích mặt cắt vành vòm:
A=Ac+Asc=1.797+0.286=2.083 mm2


Mômen quán tính của tiết diện đối với trục x:
Mômen quán tính của ống thép đã quy đổi sang bêtông:
4
4

I1= n × 2 × 0.05 × D × (1 − η )
Trong đó:
η=

d 0.988
=
= 0.988
D
1

I1={5.525x2x0.05x14x(1-0.9884)+0.2066x0.72}=0.1272m4
Mômen quán tính của hai lõi bêtông:
I2= 2 ×

π× D 4
3.14 × 0.9884
+ b2 × F = 2 ×
+ 1.532 × 0.7 2 = 0.844 m4
64
64

Mômen quán tính lõi bêtông giữa hai bản thép:
0.576 × 0.53
= 6 ×10−3 m4
I3=
12

Mômen quán tính của hai bản thép đã quy đổi sang bêtông:
I4=

0.012 × 0.63
× 5.525 =1.193x10-3m4
12

Suy ra:
Ix=I1+I2+I3+I4=0.1272+0.844+6x10-3+1.193x10-3=0.978 m4
Mômen quán tính của tiết diện đối với trục y:
Mômen quán tính của ống thép đã quy đổi sang bêtông:
I1=5.525x2x0.05x14x(1-0.9884 )=0.026 m4
Mômen quán tính của hai lõi bêtông:
I2= 2 ×

π× D 4
3.14 × 0.9884
= 2×
= 0.0934 m4
64
64

Mômen quán tính của hai bản thép đã quy đổi sang bêtông:
 0.6 × 0.0123

+ 7.2 ×10 −3 × 0.2942 ÷ = 6.873x10-3m4
I3= 2 × 5.525 × 
12



Mômen quán tính lõi bêtông giữa hai bản thép:
I4=

Suy ra:

0.5 × 0.5763
=7.962x10-3m4
12

Iy=I1+I2+I3+I4=0.026+0.0934+6.873x10-3+7.962x10-3=0.134 m4
Quá trình tính toán tương tự như trên ta tính được đặc trưng hình học của các mặt
cắt còn lại
Thanh giằng ngang vòm chính


t=12mm

Mặt cắt ngang thanh giằng chắn gió
Diện tích mặt cắt:
A=1.136m2
Mômen quán tính đối với trục x : Ix=0.5425m4
Mômen quán tính đối với trục y: Iy=0.0424m4
Thanh treo 55Φ7

- Môđun đàn hồi

E = 2.1 x 1011 Pa

- Diện tích mặt cắt

A = 0.2117 x10-2 m2

- Độ cứng

EA = 2.1 x 1011 x 0.2117 x 10-2 = 4.4457 x108

KN
Thanh giằng 22 - 7Φ5

- Môđun đàn hồi

E = 2.1 x 1011 Pa

- Diện tích mặt cắt

A = 2.419 x10-2 m2

- Độ cứng

EA = 2.1 x 1011 x 2.419 x 10-2 = 5.08 x109 KN

Dầm ngang dự ứng lực


Mặt cắt dầm ngang giữa nhòp
Diện tích mặt cắt:
A= 1.169 m 2
Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.1445 m4
Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.10266 m4
Dầm dọc biên

Mặt cắt dầm dọc biên
Diện tích mặt cắt:

A= 0.8525 m2
Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.1137 m4
Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.12 m4
Dầm bản mặt cầu biên


Mặt cắt dầm biên bản mặt cầu
Diện tích mặt cắt:
A= 0.169 m2
Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.00156 m4
Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.00373m4
Dầm T bản mặt cầu

Mặt cắt dầm T bản mặt cầu giữa nhòp
Diện tích mặt cắt:
A= 0.1515 m 2
Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.00148 m4
Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.00431m4

Mặt cắt dầm T bản mặt cầu đầu nhòp


Diện tích mặt cắt:
A= 0.2075 m2
Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.00268 m4
Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.00729m4
Dầm ngang tại chân vòm:

Mặt cắt dầm ngang tại chân vòm
Diện tích mặt cắt:

A= 1.844 m 2
Mômen quán tính đối với trục x:Ix= 0.263 m4
Mômen quán tính đối với trục y:Iy= 0.305m4
Thép kết cấu
Thép kết cấu phù hợp với tiêu chuẩn ASTM A709M Grade 345W, hoặc tương
đương có các đặc trưng như sau :

- Môđun đàn hồi

E = 200000 MPa

- Hệ số giãn nở nhiệt

11.7x10-6 mm / mm / oC

- Giới hạn bền

fu = 485 MPa.

- Giới hạn chảy

fy = 345 MPa.

Bêtông
Cường độ chòu nén trụ tròn 28 ngày tuổi đối với :

- Bêtông nhồi vành vòm

f’c = 50 MPa

- Bêtông dầm ngang dầm dọc

f’c = 40 MPa

- Bêtông bản mặt cầu

f’c = 30 MPa

Cáp treo và cáp giằng chân vòm


Cáp treo phù hợp tiêu chuẩn ASTM A421 / ASTM A421M, có các đặc trưng sau:

- Môđun đàn hồi

E = 200 000 MPa ± 5%

- Giới hạn bền

fs = 1655 MPa.

- Giới hạn chảy

fy = 0.9fs (cáp có độ tự chùng thấp)

Cáp giằng chân vòm phù hợp tiêu chuẩn ASTM A822 / ASTM A822M, có các
đặc trưng sau:

- Môđun đàn hồi

E = 197 000 MPa ± 5%

- Giới hạn bền

fs = 1860 MPa.

- Giới hạn chảy

fy = 0.9fs (cáp có độ tự chùng thấp)

4. LỰA CHỌN SƠ BỘ KẾT CẤU MÓNG MỐ TRỤ:
4.1. Kích thước hình học của trụ T2:

Mặt chính trụ T2


Mặt bên trụ T2
4.2. Kích thước hình học của mố MA
Mố được lựa chọn thiết kế là mố chữ U
MẶT BÊN

1/2MẶT CẮT TRƯỚC MỐ

1/2MẶT CẮT SAU MỐ

CHƯƠNG 3 SO SÁNH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TUYẾN

1. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ SO SÁNH CÁC PHƯƠNG ÁN KẾT CẤU