Đồ Án Tốt Nghiệp Thiết Kế Cầu Vòm Ống Thép Nhồi Bê Tông (Kèm File Autocad, Midas)

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

SỐ LIỆU ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

HỌ VÀ TÊN

: TRẦN VĂN PHÚC

MSSV

: CĐ02134

CHUYÊN NGÀNH

: CẦU ĐƯỜNG

LỚP

: CĐ02B

1. Đề tài

: THIẾT KẾ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG

2. Qui mô thiết kế : Vónh cửu
Tổng chiều dài cầu

: 229 m

Khổ cầu

: 2x1.2 + 2x0.5 + 14.85 = 18.25m

Trong đó:
Phần vòm

: 2x1.2 m

Lan can

: 2x0.5 m

Phần xe chạy

: 14.85m

Tải trọng thiết kế

: HL93, Người 300KG/m2

Khổ thông thuyền
Chiều cao thông thuyền

:6m

Bề rộng thông thuyền

: 50 m

3. Giải pháp kết cấu nhòp :
Nhòp dẫn

: dầm I33m căng trước

Nhòp chính

: vòm ống thép nhồi bêtông có chiều dài 97.6m

Sơ đồ kết cấu nhòp

: 2x33 + 97.6 + 2x33 (m)

4. Điều kiện 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’ .
trang 1

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

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 :

trang 2

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

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’.

trang 3

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CÔNG TRÌNH
1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI BÊTÔNG
Hiện nay, việc xây dựng cầu qua các sông rộng và sâu, có nhu cầu lưu
thông đường thuỷ lớn và điều kiện đòa chất phức tạp đang đòi hỏi phải sử dụng các
loại nhòp khẩu độ lớn hàng trăm mét. Với khẩu độ nhòp lớn như vậy, một số cấu
kiện chòu lực nén chính như vòm chính của cầu vòm, thanh mạ cong trong cầu
giàn, hệ móng cọc của kết cấu trụ, thân trục cần có khả năng chòu lực cao và độ
cứng lớn. Trong trường hợp này kích thước mặt cắt ngang của các cấu kiện sẽ rất
lớn, dẫn đến tăng chi phí xây dựng cũng như tăng độ phức tạp trong quá trình vận
chuyển, thi công. Vì vậy kết cấu ống thép nhồi bêtông đã được nghiên cứu phát
triển để khắc phục các nhược điểm trên. Kết cấu ống thép nhồi bêtông đã đáp ứng
được yêu cấu về chòu lực cao, độ cứng lớn, và giảm được trọng lượng bản thân cấu
kiện.
Cầu vòm ống thép nhồi bêtông đã được xây dựng tại Liên Xô từ những
năm 1930 với 2 cầu khẩu độ 140m qua sông Ixet và 101m qua sông Neva [13].
Trong thời gian từ năm 1990 đến nay, cầu vòm ống thép nhồi bêtông đã được phát
triển mạnh mẽ ở Trung Quốc, với nhiều loại hình kết cấu nhòp vòm chạy trên,
chạy dưới, chạy giữa, kết cấu có hoặc không có thanh căng. Với các tiết diện tổ
hợp từ 3 ống thép trở lên, cầu vòm ống thép nhồi bêtông có thể vượt nhòp lên tới
360m. Hiện nay, các nước khác trên thế giới còn sử dụng kết cấu ống thép nhồi
bêtông trong lónh vực xây dựng. Nga, Pháp, Mỹ, Cannada, và nhiều nước khác
cũng đã quan tâm đến kết cấu này.
Tại Việt Nam cũng đã xây dựng xong 3 cầu vòm ống thép nhồi trên đường
Nguyễn Văn Linh – thành phố Hồ Chí Minh do tư vấn nước ngoài thiết kế. phía
Bắc cũng có một số cầu đang được thiế kế như cầu Hàn, cầu Đông Trù … do các
chuyên gia và kỹ sư của Tổng công ty Tư Vấn Thiết Kế Giao Thông Vận Tải chủ
trì.

trang 4

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

1.1. 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)

Hình 1.1. 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.

trang 5

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

1.2. Đặc điểm làm việc của kết cấu ống thép tròn nhồi bêtông chòu nén

Hình 1.2. Trạng thái ứng suất của cấu kiện ống thép tròn 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 [13] :

- 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
1.3. Ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông
Kết cấu ống thép nhồi bê tông có một số điểm lợi thế vượt trội so với kết
cấu thép hoặc bê tông cốt thép và kết cấu bê tông cốt cứng. Sự làm việc đồng thời
và ứng suất phân bố theo các hướng trong mặt cắt đạt tới mức tối ưu. Vỏ thép bên

trang 6

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

ngoài chòu kéo và chòu uốn tốt, đồng thời độ cứng của kết cấu ống thép nhồi bê
tông cũng tăng do mô đun đàn hồi của vỏ thép lớn hơn bê tông nhiều, cường độ
chòu nén của bê tông cũng tăng đáng kể do có hiệu ứng bó chống nở hông của ống
thép, bê tông bên trong làm giảm khả năng mất ổn đònh cục bộ vỏ thép. Hiệu ứng
bó bê tông của tiết diện hình tròn lớn hơn rất nhiều so với vỏ thép dạng hộp chữ
nhật chính vì vậy hình dạng tròn thông thường hay được áp dụng nhiều hơn.
Ống thép nhồi bê tông được tính toán và thiết kế như là một kết cấu liên hợp gồm
ống thép và lõi bê tông cùng làm việc. Khi chòu cùng ứng suất như nhau thì vật
liệu bê tông nhồi trong ống thép có những ưu điểm chính như sau [13] :

- Có cường độ chòu lực cao với kích thước nhỏ và kinh tế.
- Đơn giản trong liên kết với các kết cấu khác.
- Khả năng chòu biến dạng dẻo và đảm bảo đặc tính dẻo của kết cấu.
- Giảm mất ổn đònh cục bộ thường xẩy ra ở các kết cấu thép.
- Thuận lợi trong thi công chế tạo và lắp đặt.
- Kết cấu thép có thể đựợc nghiên cứu tăng vào các vò trí cần thiết.
- Bê tông trong ống chòu nén cao hơn do có ống thép bên ngoài.
- Thường thiết kế chống cháy cho bê tông không cần đề cập tới do nằm
trong thép.

- Không cần ván khuôn, đà giáo trong thi công.

- Thông thường kết cấu thép nhồi bê tông có độ giảm chấn cao hơn so với
kêt cấu thép do đó tốt hơn trong các công trình ở vùng động đất.
Với những ưu điểm của kết cấu ống thép nhồi bêtông, việc áp dụng kết cấu này
cho cầu vòm khẩu độ lớn sẽ đáp ứng được các vấn đề sau [5] :

- Phù hợp với đặc điểm chò nén của kết cấu vòm
- Phù hợp với yêu cầu về dộ cứng cao của kết cấu.
- Việc sử dụng chính vỏ thép làm ván khuôn kết cấu trong thi công kết cấu
nhòp kết hợp với biện pháp lắp ráp dần từng đốt vỏ thép làm cho biện pháp
thi công trở thành một trong những yếu tố quyết đònh khả năng vượt nhòp của
kết cấu vòm.

- Kiểu dáng của loại cầu này rất thanh mảnh, nhẹ nhàng so với các loại cầu
vòm (thép, bê tông cốt thép, …) có khả năng vượt nhòp tương đương khác. Nó

trang 7

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

góp phần làm đa dạng hoá các loại hình kết cấu cầu khẩu độ nhòp lớn và
nâng cao hiệu quả kiến trúc công trình.

- Kết cấu cầu vòm có thanh kéo không truyền lực đẩy ngang vào mố nên việc
thiết kế mố trụ không phức tạp. Toàn bộ lực đẩy ngang sinh ra trong sườn
vòm được cân bằng nhờ thanh cáp kéo đặt tự do trên mặt phẳng dầm dọc và

dầm ngang.

2. GIỚI THIỆU KHÁI QUÁT VỀ CÔNG TRÌNH
Kết cấu thượng bộ gồm 2 sườn vòm với tiết diện hình tròn và thanh giằng
tại chân vòm. Cáp thanh giằng gồm 8 bó, mỗi bó gồm 22 tao Þ 15.24mm, hai đầu
được neo chặt trên chân vòm. Cáp thanh treo gồm 55 Þ 7 mm hợp thành. Dầm
ngang là loại dầm đúc sẵn bằng BTCT DƯL căng sau. Dầm dọc là loại dầm BTCT
thường đúc sẵn có tiết diện hình hộp rỗng, dầm bản mặt cầu sử dụng loại dầm bản
T được đúc sẵn bằng BTCT. Chân vòm cấu tạo bởi các bản thép hàn liên kết nhau
đồng thời cho đổ bêtông vào các khoang trống bên trong.. Hệ dầm ngang gồm
những dầm ngang giữa và 2 dầm ngang ngoài cùng. Dầm ngang giữa sử dụng loại
dầm có phần bụng đặc hình chữ nhật, hai bên hông có phần colson rộng 300mm để
đỡ dầm dọc biên và dầm T bản mặt cầu. Dầm ngang ngoài (dầm ngang tại chân
vòm) có tiết diện hình chữ nhật. Phần trên sườn vòm có những thanh giằng ngang
chòu tải trọng gió khoảng cách 10.4m. Các khoang cáp treo cách nhau 5.2m, riêng
2 khoang ngoài cùng cách 7.2m.
2.1. Hệ thống quy trình và các tải trọng áp dụng
Quy trình – quy phạm 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, em đã tham khảo các tiêu chuẩn khác như ASSHTO
LRFD, tiêu chuẩn châu u Eurocode 4 1994 (EC4), và tiêu chuẩn CECS 28 -90
(Trung Quốc).
Về cơ bản, các bộ phận của kết cấu vẫn tính toán theo quy trình thiết kế cầu 22
TCN 272 – 05 đã ban hành.
Tải trọng

- Hoạt tải thiết kế : HL93
- Hệ số xung kích : µ = 1.25
trang 8

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

2.2. Cấu tạo chi tiết
2.2.1 Sơ đồ kết cấu
Sơ đồ bố trí nhòp
Cầu vòm trong đồ án được thiết kế theo phương án cầu vòm xe chạy dưới.
Thanh giằng chân vòm có các phương án bố trí thanh giằng : cáp dự ứng lực giằng
chân vòm hoặc thép hộp, do cáp dự ứng lực có lợi thế trong thi công, điều chỉnh
nội lực, kết hợp với công nghệ chống gỉ hiện nay nên phương án cáp dự ứng lực
giằng chân vòm được chọn lựa.
Sơ đồ kết cấu nhòp :

2x33 + 97.6 + 2x33 m.

Phương trình đường tim 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
2.2.2 Các cấu tạo chủ yếu
Mặt cắt ngang vành vòm
Có nhiều chủng loại mặt cắt vành vòm như hình chữ nhật, hình vuông, hình tròn …
mỗi vành vòm có thể tổ hợp từ 2, 3, hay nhiều hơn các ống thép nhồi bêtông. Do
khẩu độ cầu trong đồ án không quá lớn (97.6 m), để đơn giản trong quá trình thi
công và chế tạo, mặt cắt ngang vành vòm được lựa chọn có hình dạng số 8, gồm
hai ống thép có đường kính D = 1m liên kết với nhau qua bản thép.
Chiều cao vành vòm H = 2.4m, vậy mặt cắt có tỷ lệ H/L = 2.4/ 97.6 = 3 / 122

trang 9

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Chiều dày ống thép
Thép kết cấu dùng cho vành vòm phù hợp với tiêu chuẩn ASSHTO M270M Grade
345W hoặc ASTM A709M Grade 345W có giới hạn chảy tối thiểu fy = 345 MPa.
Theo một số tài liệu Trung Quốc thì có thể lấy chiều dày vành vòm t = 8 ∼ 16 mm.
chọn chiều dày vành vòm t = 12 mm.
Sơ đồ cáp treo
Dầm dọc bản mặt cầu và hệ thống dầm ngang liên kết với vòm chủ yếu qua hệ
thống cáp treo, bởi vậy cáp treo phải được bố trí nhằm đáp ứng đầy đủ các yêu cầu

trong thi công và khai thác. Bước cáp treo được lựa chọn căn cứ vào kích thước
dầm vành vòm để bố trí đầu neo, khả năng cẩu lắp dầm ngang và bản mặt cầu.
Bước cáp treo không nên lựa chọn quá dài do sẽ làm tăng nội lực trong cáp, nhưng
cũng không thể quá ngắn vì sẽ làm tăng số lượng cáp treo. Bước cáp treo được lựa
chọn là 5.2m.
Kết cấu giằng ngang
Vòm ống thép nhồi bêtông có khả năng chòu nén cao, do đó tính toán ổn đònh trong
và ngoài mặt phẳng vòm rất cần thiết. Mặt cắt ngang vành vòm có hình số 8, độ
cứng trong mặt phẳng vòm lớn hơn nhiều so với độ cứng ngoài mặt phẳng vòm. Để
tăng cường độ cứng này có thể dùng các thanh giằng ngang nhằm làm giảm chiều
dài tự do của vành vòm. Cấu tạo của giằng ngang là ống thép tròn nhồi bêtông.
2.2.3 Mặt cắt ngang các cấu kiện

2400

Diện tích mặt cắt A = 2.273 m2
Mômen quán tính Ix = 1.0867 m4
Iy = 0.1553 m4

900

600

600

Ø1000

900

Vành vòm

1000

trang 10

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Hình 1.3. Mặt cắt vành vòm

2100

Diện tích mặt cắt A = 1.136m2
Mômen quán tính Ix = 0.5425m4
Iy = 0.0424m4

700

400

700

7 00

700

Thanh giằng chống gió ï

700

Hình 1.4. Mặt cắt ngang thanh giằng chống gió
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

Diện tích mặt cắt A = 1.1455m2
Mômen quán tính Ix = 0.1438m4
Iy = 0.092m4

Hình 1.5. Mặt cắt dầm ngang giữa nhòp
trang 11

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Diện tích mặt cắt A = 1.844m2
Mômen quán tính Ix = 0.2632m4
Iy = 0.1553 m4

Hình 1.6. Mặt cắt dầm ngang đầu vòm
Dầm dọc

Diện tích mặt cắt A = 0.805m2
Mômen quán tính Ix = 0.099m4
Iy=0.1022m4

Hình 1.7. Mặt cắt dầm dọc

Dầm T bản mặt cầu
Diện tích mặt cắt A = 0.1515m2
Mômen quán tính Ix = 1.50x10-3m4
Iy = 2.16x10-3m4

Hình 1.8. Mặt cắt ngang dầm T bản mặt cầu giữa nhòp

trang 12

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu
Diện tích mặt cắt A = 0.201m2
Mômen quán tính Ix = 1.76x10-3m4
Iy = 2.83x10-3 m4

Hình 1.9. Mặt cắt ngang dầm T bản mặt cầu đầu nhòp
Diện tích mặt cắt A = 0.1261m2
Mômen quán tính Ix = 1.71x10-3m4
Iy = 1.56x10-3m4

Hình 1.10. Mặt cắt ngang dầm bản mặt cầu biên
BÊTÔNG ASPHALT 50mm
BẢN MẶT CẦU BTCT 100mm
LAN CAN

DẦM DỌC T 330mm
DẦM NGANG

DẦM DỌC

Hình 1.11. Mặt cắt ngang cầu
2.2.4 Các đặc trưng về vật liệu
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.
trang 13

SVTH: Trần Văn Phúc

Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

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

- Bêtông nhồi vành vòm

f’c = 50 MPa

- Bêtông dầm ngagn 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)

2.2.5 Hệ thống chống gỉ
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gío mùa, môi trường khắc nghiệt, nóng và
ẩm, bởi vậy hệ thống chống gỉ cho kết cấu cần phải quan tâm hàng đầu.
Chống gỉ cho thép kết cấu
Kết cấu chòu lực chính của cầu là kết cấu thep, cáp cường độ cao. Biện pháp chống
gỉ cho thép kết cấu được đề xuất như sau [13] :
Các bề mặt của thép vành vòm sau khi xử lý được bảo vệ bằng hệ thống sơn 3 lớp
có tổng chiều dày 200 µm

- Lớp sơn trong dùng loại sơn Epoxy tổng hợp giàu kẽm (Epoxy Organic Zinc
Rich – EZP) dày 100 µm

- Lớp sơn giữa dùng loại sơn Acrylic Waterborne dày 50 µm
- Lớp sơn trang trí dùng loại sơn Acrylic Waterborne dày 50 µm
Yêu cầu về sơn lớp ngoài cùng có tuổi thọ tối thiểu 25 đến 30 năm và sau đó phải
sơn lại với chu kỳ 8 năm một lần
trang 14

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Chống gỉ cho cáp treo và cáp giằng
Hệ thống chống gỉ cho các bó cáp treo được thực hiện tại công xưởng khi chế tạo
cáp và neo bao gồm mạ kẽm các sợi thép cường độ cao φ7 mm sau đó các sợi cáp
này được quấn chặt và tạo thành bó cáp được bọc trong hai lớp nhựa HDPE bảo
vệ, ngoài ra từ mặt cầu lên cao 2.5m được bảo vệ các tác động cơ học khác có thể
làm hỏng bó cáp treo [13].
Hệ thống bảo vệ chống gỉ cáp giằng chân vòm : các tao cáp gồm 7 sợi đường kính
danh đònh 15.2 nn được duỗi ra và phun bọc một lớp keo Epoxy sau đó đựơc bọc
một lớp nhựa HDPE chế tạo theo phương pháp ép đùn. Các tao cáp này sẽ tạo
thành các bó cáp và tất cả được đặt trong ống HDPE bảo vệ. Về nguyên tắc có cấu
tạo như cáp dự ứng lực ngoài [13].

trang 15

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

CHƯƠNG 2

TÍNH TOÁN LAN CAN
1. SƠ ĐỒ TÍNH TOÁN

Hình 2.1. Sơ đồ tính toán lan can
Các thông số thiết kế của lan can như sau :

- Chiều cao tường bêtông

HW

= 800 mm

- Chiều cao thanh lan can

HR

= 1035 mm

- Thanh lan can bằng thép M270 cấp 250 (88.8mm x 4mm) có :
fu = 400 Mpa
fy = 250 Mpa

- Cột lan can làm bằng thép hình được gắn vào tường BT bởi bu lông. Khoảng
cách giữa các cột : 2m .

- Gờ chắn bánh bằng BTCT
Bêtông cấp C30 :

fc = 30 MPa

Cốt thép RB300:

fy = 300 Mpa

trang 16

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

2. ĐIỀU KIỆN KIỂM TOÁN
Lan can phải được thiết kế để :
R ≥ Ft
Y ≥ Hc
R ≥ ∑ Ri
Y≥

∑( RY )

i i

R

Trong đó :
Ri – sức kháng của thanh lan can (N);
Yi – khoảng cách từ mặt cầu tới thanh lan can thứ i (mm);
Hc – chiều cao từ mặt cầu đến điểm đặt của lực tác dụng ngang Ft (mm);
Y – chiều cao từ mặt cầu đến tổng hợp các sức kháng ngang của các thanh

lan can (mm)

3. XÁC ĐỊNH CÁC SỐ LIỆU TÍNH TOÁN
3.1. Xác đònh lực va ngang của xe Ft
Cầu được thiết kế cho đường có tốc độ cao với hỗn hợp xe tải và xe nặng, tương
ứng với mức thiết kế lan can thuộc mức L3. Theo bảng 13.7.3.3 - 1 - 22TCN – 275
– 05, ta có :
Ft = 240 KN
H c (min) = 810 mm

3.2. Xác đònh tổng sức kháng cực hạn của hệ lan can
(Sức kháng của hệ lan can là tổ hợp sức kháng của gờ bêtông và cột, thanh
lan can)
3.3. Sức kháng của gờ bêtông
Kí hiệu :
Rw – tổng sức kháng của lan can (N);
Lc – chiều dài xuất hiện cơ cấu chảy (mm);
Lt – chiều dài phân bố của lực va theo hướng dọc Ft (mm);
trang 17

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Mw – sức kháng uốn của tường theo phương đứng (N-mm/mm);
Mc – sức kháng uốn của tường theo phương ngang (N-mm/mm);
Mb – sức kháng uốn phụ của dầm, thêm vào Mw, nếu có tại đỉnh tường (Nmm/mm);
Hw – chiều cao tường bêtông;
Cốt thép gờ bêtông được bố trí như sau :

Trong đó :
Lớp bêtông bảo vệ tối thiểu là
22 mm ;
Đường kính thanh cốt thép dọc
là 12 mm ;
Đường kính thanh cốt thép đai
là 12 mm ;
Bước thanh cốt đai là 200 mm ;

Hình 2.2. Bố trí cốt thép gờ bêtông
Tính Mw
Tính sức kháng cho từng phần bêtông
Phần bêtông có tiết diện bxh = 370x250 mm
Cốt thép vùng kéo có :
As= A’s=339 mm2

3 thanh φ12 =>

b = 370 mm ; h = 250 mm ;
d’s = 22 + 6 + 12 = 40 mm ;
ds =250 – 40 = 210 mm ;
Chiều cao vùng nén :
a=

As × f y
0.85 × f 'c × b

=

336 × 300
= 10.68 mm
0.85 × 30 × 370

trang 18

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp
⇒c=

GVHD: Th.S Mai Lựu
a 10.68
=
= 12.78
β1 0.836

Trong đó :

β 1 : hệ số qui đổi hình khối US
β1 = 0.85 −

0.05 '
0.05
( f c − 28) = 0.85 −
(30 − 28)
7
7

= 0.836

Kiểm tra điều kiện phá hoại :
c 12.78
=
= 0.061 < 0.45
ds
210

⇒ nằm trong vùng phá hoại dẻo.
Khả năng chòu lực của tiết diện :
a
10.68
M n = 0.9 × As × f y × (d s − ) = 0.9 × 339 × 300 × (210 −
)
2
2
= 18566755 Nmm = 18567 KNmm

Vậy HMw = Mn = 18567 KNmm
Tính toán tương tự cho 2 phần bêtông còn lạiTa có bảng tổng hợp MWH như sau :
Chiều cao Diện tích
Phân đoạn
Chiều cao
phân đoạn cốt thép
bêtông
có hiệu (ds)
(b)
As
(mm)
(mm2)
(mm)
1
370
336
210
2
260
226
335
3
150
226
460

a=

As f y

0.85 f ' c b

(mm)
10.68
10.23
15.64

 a
M w i H i = φ As f y  d − 
 2

(KNmm)
18566.59
20129.70
27592.02

M w H = ∑φM

(KNmm)
66288.31

Khả năng chòu lực của cốt thép đứng (Mc) :
Xét hình chữ nhật có bề dày trung bình là :
250 + 500
= 375mm
2

Xét 1 đơn vò chiều dài (1m) theo phương dọc cầu của gờ chắn

trang 19

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Hình 2.3. Sơ đồ tính toán Mc
Diện tích cốt thép dọc trong phạm vi 1 đơn vò chiều dài :
As = A’s= 5x113 = 565 m2
Các thông số khác :
b =1000 mm ; h = 375 mm; ds =345mm ; d’s=30mm
Chiều cao chòu nén :
As × f y

565 × 300
= 6.65 mm
0.85 × f c '× b 0,85 × 30 ×1000
a
6.65
⇒ c=
=
= 7.426mm
β1 0.836
a=

=

Kiểm tra dk phá hoại :

c 7.426
=
= 0.034 < 0.45 => nằm trong vùng phá hoại dẻo
ds
220

Khả năng chòu lực của tiết diện :
a
6.65
M c =0.9 × A s × f y × (d s - )=0.9 × 565 × 300 × (345)
2
2
= 48679295 Nmm/m = 48679.3 KNmm/m = 48.679 KNm/m

Tính chiều dài đường chảy Lc
Trường hợp va xe vào giữa tường bêtông
2

L
 L  8H ( M b + M w H )
Lc = t +  t ÷ +
2
Mc
2
1070
10702 8 × 800 × 66288
+
+
2
4

48.679
= 3535 mm
=

trang 20

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Sức kháng của tường


M c Lc 2 
2
Rw = 
8
M
+
8
M
H
+
÷
÷
b
w

Hw 
 2 Lc − Lt 
2
48.679 × 35352 

 
=
÷
÷×  8 × 66288 +
800
 2 x3535 − 1070  

= 430 KN

Trường hợp va xe tại đầu tường hoặc mối nối
2

L
 L  H (M b + M w H )
Lc = t +  t ÷ +
2
Mc
2
1070
10702 800 x66288
+
+
2
4
48.679

= 1708mm
=

Sức kháng của tường
 2 
M c Lc 2 
Rw = 
M
+
M
H
+
÷ b
÷
w
Hw 
 2 Lc − L 
2
48.679 ×17082 

 
=
x
66288
+
÷
÷ 
800
 2 ×1708 − 1070  


= 208 KN

3.3.1 Tính sức kháng của cột lan can

- Đường kính ngoài cua tay vòn :

D = 88.9 mm

- Đường kính trong của tay vòn:

d = 82.5 mm

Hình 2.4. ng thép thanh lan can
Ta có moment chống uốn của thép
  d 4 
  82.5  4 
W = 0.1D 3 1 −  ÷  = 0.1× 88.93 × 1 − 
÷
  D  
  88.9  
= 18150 mm3

Sức kháng của thanh lan can

trang 21

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

M n = φ f yW = 1× 250 ×18150
= 4537500 Nmm
= 4537.5 KNmm

3.3.2 Tính sức kháng của cột lan can.
Cột lan can làm bằng thép, tiết diện chữ I, kích thước như hình vẽ dưới.

Hình 2.5. Kích thước cột lan can tại đỉnh tường
Mômen kháng uốn:
 (130) × (10)3

10 × (200)3
+ 2×
+ (130) × (10) × (100) 2 ÷
12
12

 = 326883(mm3 )
WC =
100

Sức kháng uốn của cột lan can:
M n = φWC f y = 1× ( 326883) × ( 250 ) = 91.53 × 106 ( Nmm )

Mômen này sẽ được qui đổi thành một lực tập trung đặt tại đỉnh thanh lan can với
giá trò:
PP =

M n 91.53 × 106
=
= 389.5 × 103 ( N )
Hp
225

3.3.3 Trường hợp va chạm tại giữa nhòp thanh lan can.
Sức kháng của hệ thanh và cột lan can:
RR =

16M p + ( N − 1)( N + 1)Pp L
2 NL − L t

trang 22

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Trong đó :
Mp : sức kháng đường chảy của thanh lan can

(N.mm)

Mp = 4.54x106 Nmm
Pb : sức kháng của cột đứng đơn lẻ có chiều cao H (từ bmc đến đỉnh lan can)

(N)
L : chiều dài một nhòp lan can

L = 2000 mm

Lt : chiều dài phân bố lực va xe Ft

Lt = 1070 mm

n : số nhòp tham gia làm việc

n =1

Vậy
RR =
=

16 M P + (n − 1)(n + 1) PP L
=
2nL − Lt

16 × 4.54 ×106 + (1 − 1) × (1 + 1) × (389.5 × 103 ) × (2000)
=
(2) × (1) × (2000) − (1070)

= 24782 ( N )

Sức kháng của cả lan can:
R = RW + RR = ( 430 + 24.79 ) × 103 = 454.8 × 103 ( N )

Vò trí điểm đặt lực R:
HR = Hw + HP = 800 + 225 = 1025 (mm)
Vò trí của hợp lực:
RW .H w + RR .H R ( 430 ) × ( 800 ) + ( 24.79 ) × ( 1025 )
=
=
454.8
R
= 812.24(mm)

Y=

Kiểm tra:
R = 454.8(kN ) > Ft = 240 (kN) ⇒ thoả
Y = 812.2( mm) > He = 810 mm ⇒ thoả

Vậy lan can đủ khả năng chòu lực.
3.3.4 Trường hợp va chạm tại cột lan can.
Sức kháng của hệ thanh và cột lan can : (Ở đây số nhòp tham gia vào đường chảy
là chẵn và bằng n = 2 )
trang 23

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp
RR =
=

GVHD: Th.S Mai Lựu

16 M P + n 2 PP .L
=
2nL − Lt

(

)

16 × 4.54 × 106 + (22 ) × (389.5 ×103 ) × (2000)
(2) × (2) × (2000) − (1070)

=

= 460121( N )
R 'W =

(

)

(

)

430 ×103 × ( 800 ) − 389.5 × 103 × ( 1025 )
RW HW − PP H R
=
HW
800

= −69 × 103 ( N )

Sức kháng của cả lan can:
R = Pp + R 'W + R = ( 389.5 − 138.85 + 460.12 ) × 103 =
= 780.62 ×103 ( N )

Vò trí điểm đặt lực R:
HR = Hw + HP = 800 + 225 = 1025(mm)
Vò trí của hợp lực:
PP H R + R 'W H − RH R 389.5 ×1025 + ( −69 ) × ( 800 ) + ( 460.12 ) × ( 1025 )
=
=
R'
780.62
= 1045(mm)

Y'=

Kiểm tra :
R ' = 780.62(kN ) > Ft = 240 (kN) ⇒ thoả
Y ' = 1045(mm) > He = 810 mm ⇒ thoả

Vậy lan can đủ khả năng chòu lực.
3.4. Tính toán chống trượt cho lan can
Ta có trọng lượng bản thân lan can γc = 0.245x10-4 N/mm3
Diện tích mặt cắt ngang của phần bêtông
F = 800 × 250 +

(430 + 170)

× 250
2

= 312500mm2

Trọng lượng khối bêtông phân bố theo chiều dài dầm
q = F × γc = 312500 x 0.245x10-4 = 7.66 N/mm

trang 24

SVTH: Trần Văn Phúc


Đồ án tốt nghiệp

GVHD: Th.S Mai Lựu

Tiết diện cột thép. Xét cho 1 cột
V = (2.B.δ + s.(b'-2δ))x(HR -Hw)
= ( 2x130x10+10x(200-2x10))x(1035-800)
= 1034000mm3
Trọng lượng một cột thép
γs = 0.785x10-4 N/mm3
P = γs x V = 0.785x10-4 x 1034000 = 81.2N
Mỗi cột liên kết với tường bêtông bằng 4 bulông có l = 250mm,d = 18mm
Pbl = 20 N
Tónh tải 1 cột thép
Pcot = P + Pb1 = 81.2 + 20 = 101.2 N
Số nhòp lan can
n=

L
97600
=
= 48
2000 2000

Số cột lan can ncot = 49
Tónh tải tác dụng phân bố trên chiều dài dầm
ncot xPcot 49 x101.2
=
L
97600
= 0.05 N / mm

qcot =

Tónh tải của thép ống
qong

3.14 x( D 2 − d 2 )
3.14 x (88.82 − 80.82 )
=
xγ s =
x0.785 x10−4
4
4
= 0.084 N / mm

Tổng tónh tải tác dụng

q = qcot + qong + qbt = 0.05 + 0.084 + 7.66
= 7.794 N /mm
Khi xe va vào lan can, Lực va xe truyền xuống chân lan can
T = VCT =

Rw
368000
=
Lc + 2 H 2950 + 2 × 800

= 80.88N/mm

trang 25

SVTH: Trần Văn Phúc