Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu cách tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và đề xuất áp dụng vào Việt Nam

Chia sẻ: Lạc Táp | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:74

Thêm vào BST

Báo xấu

5
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu cách tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và đề xuất áp dụng vào Việt Nam" trình bày tổng quan về mối nối dầm thép bê tông liên hợp; nguyên lý tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp; phân tích so sánh mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và tiêu chuẩn 22TCN18-79. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ: Nghiên cứu cách tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và đề xuất áp dụng vào Việt Nam

1 MỤC LỤC DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................... 4 MỞ ĐẦU ............................................................................................ 7 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI DẦM THÉP .............................. 9 1.1 Các dạng mối nối trong cầu dầm thép. ................................................ 9 1.2 Cấu tạo và sự làm việc của mối nối dầm thép. .................................. 16 1.2.1 Cấu tạo và sự làm việc của mối nối theo tiêu chuẩn ngành 22TCN18- 79:...................................................................................................... 16 1.2.2 Cấu tạo mối nối theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO 2007 ...................... 21 1.2.2.1 Các mối nối bản bụng ......................................................................... 21 1.2.2.2 Các mối nối bản cánh .......................................................................... 22 1.2.2.3 Các bản đệm ........................................................................................ 22 1.2.2.4 Kiểu lỗ bu lông .................................................................................... 23 1.2.2.5 Quy cách và sự làm việc của mối nối bu lông cường độ cao ............. 24 1.2.2.6 Khoảng cách của bu lông .................................................................... 27 1.3 So sánh cấu tạo mối nối theo 2 tiêu chuẩn ........................................ 30 CHƯƠNG 2. NGUYÊN LÝ TÍNH TOÁN MỐI NỐI DẦM THÉP BÊ TÔNG LIÊN HỢP BẰNG BU LÔNG CƯỜNG ĐỘ CAO ... 31 2.1 Nguyên lý tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn 22TCN 18-79.......................................................................... 31 2.1.1 Phương pháp tính toán mối nối theo nội lực..................................... 31
2 2.1.2 Phương pháp tính toán mỗi nối theo tiết diện. .................................. 37 2.1.3 Kích thước bản nối ............................................................................ 37 2.1.4 Mối nối bu lông cường độ cao của dầm hàn. .................................... 38 2.2 Nguyên lý tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO 2007. ............................................................... 40 2.2.1 Tổng quát .......................................................................................... 40 2.2.2 Các liên kết ma sát (hoặc liên kết ngang kịch trượt) ........................ 40 2.2.3 Các liên kết ép tựa............................................................................. 42 2.2.4 Mối nối bulông .................................................................................. 42 2.2.4.1 Các cấu kiện chịu kéo ......................................................................... 43 2.2.4.2 Các cấu kiện chịu nén ......................................................................... 43 2.2.4.3 Các cấu kiện chịu uốn ......................................................................... 43 2.2.4.4 Các bản đệm ........................................................................................ 45 2.2.5 Sức kháng tính toán .......................................................................... 45 2.2.6 Sức kháng cắt .................................................................................... 47 2.2.7 Sức kháng trượt ................................................................................. 48 2.2.8 Sức kháng ép mặt ở các lỗ bulông .................................................... 51 2.2.9 Sức kháng kéo ................................................................................... 52 2.2.9.1 Tổng quát............................................................................................. 52 2.2.9.2 Sức kháng kéo danh định .................................................................... 53 2.2.10 . Sức kháng mỏi ................................................................................ 53 2.2.11 Tác dụng nhổ lên ............................................................................... 54
3 2.2.12 Kéo và cắt kết hợp ............................................................................ 54 2.2.13 Sức kháng phá hoại cắt khối ............................................................. 55 CHƯƠNG 3. PHÂN TÍCH SO SÁNH MỐI NỐI DẦM THÉP BÊ TÔNG LIÊN HỢP THEO TIÊU CHUẨN MỸ AASHTO 2007 VÀ TIÊU CHUẨN 22TCN18-79.................................................. 58 3.1 Phương pháp khảo sát sự khác nhau giữa hai quy trình .................... 58 3.1.1 Số liệu khảo sát ................................................................................. 58 3.1.2 Phương pháp khảo sát ....................................................................... 61 3.2 Tính toán chi tiết cho các trường hợp chiều dài nhịp thay đổi như trên. ................................................................................................... 63 3.2.1 Tính toán nội lực tại vị trí mối nối .................................................... 63 3.2.2 Tính toán bản nối .............................................................................. 66 3.2.3 Tính toán bu lông mối nối................................................................. 69 3.2.4 Nhận xét kết quả tính toán ................................................................ 71 KẾT LUẬN .......................................................................................... 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 74
4 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT BTCT: Bê tông cốt thép CĐC: Cường độ cao MCN: Mặt cắt ngang
5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1. Các kích thước lỗ lớn nhất ............................................................ 24 Bảng 1-2. Chiều dài đường ren của bu lông cường độ cao ............................ 25 Bảng 1-3. Khoảng cách đến mép tối thiểu ..................................................... 30 Bảng 2-1. Tổ hợp và hệ số tải trọng ............................................................... 42 Bảng 2-2. Lực kéo nhỏ nhất yêu cầu của bu lông .......................................... 48 Bảng 2-3. Các trị số của Kh ............................................................................ 49 Bảng 2-4. Các trị số của Ks ............................................................................ 49 Bảng 3-1. Các kích thước mặt cắt ngàng dầm thép ....................................... 59 Bảng 3-2. Các đặc trưng hình học của dầm thép ........................................... 60 Bảng 3-3. Mô men và tổ hợp mô men theo trạng thái giới hạn cường độ I tại mối nối........................................................................................... 64 Bảng 3-4. Lực cắt và tổ hợp lực cắt theo trạng thái giới hạn cường độ I tại mối nối........................................................................................... 65 Bảng 3-5. Tổng hợp ứng suất theo trạng thái giới hạn cường độ I tại mối nối ....................................................................................................... 65 Bảng 3-6. Kích thước các bản nối biên trên................................................... 66 Bảng 3-7. Kích thước các bản nối biên dưới ................................................. 67 Bảng 3-8. Kích thước các bản nối sườn dầm ................................................. 68 Bảng 3-9. Kết quả tính bu lông mối nối biên trên ......................................... 69 Bảng 3-10. Kết quả tính bu lông mối nối biên dưới ...................................... 70 Bảng 3-11. Kết quả tính toán bu lông mối nối sườn ...................................... 71
6 DANH MỤC HÌNH Hình 1-1. Cấu tạo mối nối dầm có bản bù ..................................................... 10 Hình 1-2. Cấu tạo mối nối dầm ...................................................................... 10 Hình 1-3. Mối nối không sử dụng bản nối trong của biên dầm ..................... 11 Hình 1-4. Mối nối đấu đầu trực tiếp............................................................... 11 Hình 1-5. Mặt đứng xà mũ ............................................................................. 13 Hình 1-6. Mặt bằng xà mũ ............................................................................. 14 Hình 1-7. Mối nối điển hình........................................................................... 15 Hình 1-8. Mối nối cánh dầm .......................................................................... 16 Hình 1-9. Mối dầm bằng bu lông cườn độ cao .............................................. 17 Hình 1-10. Bu lông cường độ cao với đầu và đai ốc ..................................... 25 Hình 2-1. Sơ đồ tính mối nối sườn trường hợp chiều cao lớn hơn chiều rộng nhiều .............................................................................................. 33 Hình 2-2. Sơ đồ tính mối nối sườn có chiều cao xấp xỉ bằng chiều rộng..... 36 Hình 3-1. Mặt cắt ngang cầu .......................................................................... 58 Hình 3-2. Mặt cắt ngang dầm thép ................................................................. 59 Hình 3-3. Sơ đồ tính mối nối dầm thép BTCT liên hợp ................................ 63 Hình 3-4. Sơ đồ tính mô men tại mối nối ...................................................... 63 Hình 3-5. Sơ đồ tính lực cắt tại vị trí mối nôi ................................................ 64
7 MỞ ĐẦU I. Lý do chọn đề tài: Trước đây ở Việt Nam khi tính toán thiết kế các mối nối dầm thép bê tông liên hợp áp dụng theo tiêu chuẩn ngành 22TCN18-79 Hiện nay việc tính toán thiết kế các mối nối dầm thép liên hợp được thực hiện theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 trên cơ sở tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 1998 Việc tính toán thiết kế mối nối dầm thép liên hợp theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05 có thay đổi nhiều so với tiêu chuẩn 22TCN 18-79 Hiện nay Mỹ đã có tiêu chuẩn thiết kế AASHTO LRFD 2007. Do đó cần nghiên cứu để áp dụng tính toán, thiết kế theo tiêu chuẩn này vào Việt Nam. II. Mục đích: Nghiên cứu cách tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và đề xuất áp dụng vào Việt Nam III. Mục tiêu: Tổng quan về mối nối dầm thép bê tông liên hợp. Nguyên lý tính toán mối nối dầm thép bê tông liên hợp. Phân tích so sánh mối nối dầm thép bê tông liên hợp theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và tiêu chuẩn 22TCN18-79. IV. Đối tượng, phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu: Mối nối dầm thép bê tông liên hợp Phạm vi nghiên cứu: Tính toán theo tiêu chuẩn Mỹ AASHTO LRFD 2007 và tiêu chuẩn 22TCN 18-79.
8 V. Phương pháp nghiên cứu: Phân tích các tài liệu và các số liệu tính toán cụ thể. VI. Cơ sở khoa học và thực tiễn của Đề tài: Lý thuyết tính toán mối nối dầm thép. Lý thuyết tính toán cầu dầm thép liên hợp với BTCT
9 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ MỐI NỐI DẦM THÉP 1.1 Các dạng mối nối trong cầu dầm thép. Trong thực tế thi công cầu dầm thép, có 2 nguyên nhân khiến phải nối dầm và xuất phát từ đó quyết định cấu tạo của mối nối. Do kích thước thép tấm và thép hình mà nhà máy sản xuất ra. Trong trường hợp này mối nối được thực hiện ngay tại nhà máy chế tạo dầm và có thể chỉ nối riêng từng bộ phận của tiết diện, chẳng hạn chỗ nối bản biên, nối thép góc biên, nối tấm sườn dầm, hoặc nối toàn bộ tiết diện. Do những hạn chế vì vận chuyển và lao lắp dẫn tới phải nối dầm và thực hiện tại công trường. Mối nối này gọi tên là mối nối lắp ráp, tiến hành với toàn bộ tiết diện. Mối nối lắp ráp phải thuận tiện cho công tác thi công. Trước đây trong công trình cầu, các mối nối sử dụng đinh tán còn hiện nay sử dụng mối nối bằng bu lông cường độ cao, do việc gia công và thi công mối bằng đinh tán khó khăn, phức tạp... Vị trí nối thường được chọn tại mặt cắt nội lực nhỏ (hoặc dư sức kháng), để chịu mô men và lực cắt. người ta có thể kết hợp việc bố trí mối nối để tạo độ vồng trước cho cầu dầm thép liên hợp với BTCT. Mối nối dầm thông thường được chia thành 2 phần: mối nối bản biên và mối nối sườn. Mối nối bản biên chủ yếu để chịu mô men, mối nối sườn chủ yếu chịu lực cắt. Trong trường hợp khi tiết diện tại vị trí nối bị giảm yếu do các lỗ đinh, người ta phải bù tiết diện bằng cách hàn các bản thép vào biên dầm và sườn dầm, cấu tạo mối nối có bản bù xem Hình 1-1
10 B¶n nèi B¶n bï B¶n nèi B¶n bï   DÇm chñ DÇm chñ ChiÒu dµi b¶n nèi b > 35 b mm a 2 a 1 a2 a 1 Hình 1-1. Cấu tạo mối nối dầm có bản bù Việc hàn thêm bản bù là khó khăn và phức tạp, mặt khác do mối nối thường bố trí tại những nơi nội lực nhỏ, mặt dù đã bị giảm yếu tiết diện nhưng phần còn lại vẫn thừa đủ để chịu lực (ứng suất phát sinh nhỏ hơn cường độ của thép tương đối nhiều), do vậy người ta không cân phải hàn bản bù tại vị trí mối nối, nhằm mục đích đơn giản trong quá trình thi công, Hình 1-2 thể hiện mối nối dầm I không sử dụng bản bù. ii ii - ii ii Hình 1-2. Cấu tạo mối nối dầm Trong một số trường hợp người ta có thể chỉ sử dụng một bản nối phía ngoài của biên dầm (Hình 1-3).
11 Hình 1-3. Mối nối không sử dụng bản nối trong của biên dầm Trong một số công trình xây dựng có sử dụng mối nối đấu đầu trực tiếp kết hợp giữa hàn và bu lông cường độ cao, trường hợp này chưa thấy sử dụng trong các dầm cầu. Hình 1-4. Mối nối đấu đầu trực tiếp Đối với các dầm hộp thép kín hoặc hở, các mối nối được thực hiện tại các biên dầm và sườn dầm, tương tự như mối nối dầm I.
12 Trong thời gian vừa qua để giảm tải tại các nút giao có mật độ giao thông lớn, giải quyết tình trạng ùn tắc giao thông trước mắt, thành phố Hà Nội đã làm nhiều cầu vượt có kết cấu nhẹ qua các nút giao. Một trong những kết cấu đã được sử dụng là kết cấu dầm hộp thép. Do đó các mối nối dầm hộp đã được và sử dụng cho các cầu này. Một trong những cầu có kết cấu nhịp dạng hộp như trên mới được đưa vào sử dụng là cầu vượt nút giao đường Lê Văn Lương – đường Láng, tại quận Cầu giấy và Đống Đa – thành phố Hà Nội. Cầu có tổng chiều dài bao gồm cả cầu dẫn là 583,09m. Thiết kế theo tiêu chuẩn 22TCN 272-05. Cầu được thiết kế với hoạt tải hạn chế 3T. Kết cấu nhịp: Kết cấu cầu gồm 8 nhịp dầm hộp thép bê tông liên hợp có sơ đồ nhịp 35+45+34+3x45+35+30. Tổng chiều dài tính đến đuôi tường cánh mố là 315m; Khổ cầu B = 9,0m với 4 dầm cách nhau 2,45m; Kích thước sườn dầm 14x1350 (mm); Kích thước bản cánh trên biến thiên: 14x850; 24x850; 32x850 (mm). Kích thước bản cánh dưới biến thiên: 16x850; 26x850; 30x850 (mm). Bản mặt cầu BTCT đúc sẵn, mối nối đổ tại chỗ có chiều dày tối thiểu là 150mm được liên kết với dầm thông qua các neo chống cắt. Kết cấu phần dưới: Mố cầu bằng BTCT dạng tường U trên móng cọc khoan nhồi đường kính D2000 mm, sau mố đặt bản quá độ L = 6m. Trụ cầu dạng trụ 1 thân tròn D1500mm bằng thép đặt trên móng cọc khoan nhồi đường kính D2000mm.
13 Các đoạn dầm hộp được liên kết với nhau bằng mối nối bu lông cường độ cao. Trong dầm có từ 2 đến 4 mối nối ở giữa dầm tùy theo chiều dài nhịp, dạng mối nối xem Hình 1-7, Hình 1-8. Tại vị trí các trụ, các xà mũ được thiết kế và thi công các đầu chờ để liên kết các đầu dầm hộp vào các xà mũ bằng liên kết bu lông cường độ cao, tạo thành kết cấu liên tục hoặc khung dầm liên tục, xem Hình 1-5, Hình 1-6. Hình 1-5. Mặt đứng xà mũ
14 Hình 1-6. Mặt bằng xà mũ
15 Hình 1-7. Mối nối điển hình
16 Hình 1-8. Mối nối cánh dầm 1.2 Cấu tạo và sự làm việc của mối nối dầm thép. 1.2.1 Cấu tạo và sự làm việc của mối nối theo tiêu chuẩn ngành 22TCN18-79: + Cấu tạo mối nối dầm hàn Dầm hàn là dầm được cấu tạo từ ba bản thép, hai bản làm bản biên và một bản làm sườn, do đó cấu tạo mối nối gồm có mối nối bản biên và mối nối sườn dầm (xem Hình 1-1, Hình 1-2)
17 Để tính toán thiết kế mối nối thông thường người ta thường dự kiến trước cấu tạo mối nối, sau đó tiến hành tính toán kiểm tra nội lực trong bu lông splice Sõ¬n dÇm Bu l«ng cõ¬ng ®é cao TÊm nèi sõ¬n TÊm nèi trong TÊm b¶n C¸nh dÇm TÊm nèi ngoµi Hình 1-9. Mối dầm bằng bu lông cườn độ cao Khoảng cách tối thiểu theo chiều ngang và dọc giữa các bu lông cường độ cao là 3,5d và không nhỏ hơn kích thước cần thiết để đặt khóa vặn đai ốc khi xiết bu lông, trong đó d – đường kính lỗ bu lông. Đường kính ngoài của khóa vặn có lỗ bằng khoảng 2,5d. Khoảng các từ giữa lỗ bu lông đến mép bản không nhỏ hơn 2d theo chiều dọc dầm và 1,5d theo chiều ngang dầm. + Cấu tạo mối nối dầm hàn có bản bù Để bù lại diện tích bị giảm yếu bởi các lỗ đinh trong phạm vi bố trí các bản nối, cần phải sử dụng các kiểu bản bù: bản bù dày, bản bù rộng, bản bù riêng. Bản bù riêng được chế tạo từ những bản thép mỏng (nhưng không mỏng hơn 6mm) hàn táp vào đầu các bản biên phải nối (xem Hình 1-1) Nếu bề rộng các bản bù ở biên dầm vượt quá 35 lần bề dày của nó thì có thể làm thành hai bản có bề rộng nhỏ hơn. Ở hai đầu của mối nối các bản bù được cắt vát để cho lực truyền điều hòa và giảm ứng suất tập trung. Khi đó
18 khoảng cách giữa các mạch hàn của hai bản bù kề nhau không được nhỏ quá 60mm. Khoảng cách từ tim lỗ bu lông đến mép bản bù không được nhỏ hơn hai lần đường kính lỗ. Đối với những bản ốp bù hao phải cắt vát theo bề rộng với độ xiên không quá 1:1. Các mạch hàn xiên nên lấy tỷ số các cạnh góc vuông của mạch hàn là 1:2. Nhược điểm của trường hợp này là giữa bản nối và bản bủ có khe hở, dẫn đến dễ đọng nước gây han gỉ kết cấu. Sự giảm yếu của sườn dầm do các lỗ đinh tương đối ít ảnh hưởng đến mô men quán tính chung của dầm, cho nên có thể không cần làm bản bù sườn dầm mà chỉ cần tăng kích thước bản bù của biên dầm lên một ít. Có thể chọn bề rộng bản bù nhỏ hơn bề rộng bản biên trong khoảng 24mm đến 4 lần bề dày bản bù để bố trí các mối hàn dọc. Chiều dày bản bù có thể tính theo công thức gần đúng dựa trên điều kiện cân bằng mô men quán tính của tiết diện đã trừ giảm yếu của bản bù với phần bị giảm yếu của tiết diện dầm tại mối nối: 0,6I s  nd  b (h   b ) 2 'b  b 'b  nd h 2 (1-1) Trong đó: Is – mô men quán tính tiết diện nguyên của sườn dầm; H và b - chiều cao dầm và chiều dày bản biên khi chưa có bản bù; b'b , 'b - bề rộng, chiều dày của bản bù biên dầm; N, d – số lượng và đường kính lỗ bu lông làm giảm yếu tiết diện biên dầm. Các mối hàn ở cuối các bản bù (đến hàng lỗ bu lông đầu tiên) phải đảm bảo liên kết được toàn bộ diện tích bản bù:
19 ' 2h h1a1  h 2 a a cos   R u Fb (1-2) 0,75R 0 Trong đó: Ru – cường độ tính toán chịu nén khi uốn của thép làm bản bù; Fb' - diện tích đã trừ giảm yếu của tiết diện bản bù;  - góc tạo bởi cạnh vát của bản bù và trục của dầm (thường lấy 45 0 ); Hh1 và hh2 – chiều cao tính toán của các mối hàn góc trên đoạn có chiều dài a1 và a2. Thường chọn cạnh đứng của mối hàn sao cho không lớn hơn bề dày bản bù và không nhỏ hơn 6mm, cạnh nằm của nó gấp 2 lần cạnh đứng, khi đó hh lấy theo Phụ lục 5. Chiều dài mối hàn không nhỏ hơn 6 lần cạnh mối hàn và 60mm, đồng thời không được lớn hơn 50 lần cạnh mối hàn. Mối hàn bản bù cũng cần thỏa mãn điều kiện chịu mỏi: t cFb' R u Fb  d ' 2h h1a1  h 2 a a cos   hoặc  (1-3) 0,75  h R 0 0,75R 0  h nếu tiết diện dầm được chọn theo điều kiện chống mỏi, Trong đó: t c - ứng suất do tải trọng tiêu chuẩn gây ra tại trọng tâm bản bù;  d ,  h - các hệ số giảm cường độ do mỏi của dầm và của mối hàn, tính theo công thức
20 1 (  1 a  b  a  b 1-4) tc M min với   t c phụ thuộc vào nội lực tiêu chuẩn của dầm tại tiết diện M max mối nối. Các mối nối sườn dầm và biên dầm thường dùng hai bản nối, khi đó bản nối nằm phía trong của bản biên được làm dưới hình thức từng cặp hai bản thép hẹp nằm hai bên sườn dầm. Các quy định về bố trí bu lông, kích thước bản nối và nội dung tính toán cũng tương tự như đối với dầm tán đinh. + Cấu tạo và sự làm việc của bu lông cường độ cao: Trong kết cấu cầu thép người ta dùng các loại bu lông tinh chế (gia công tiện) có kích thước chính xác, bu lông cường độ cao được làm từ thép hợp kim dùng cho máy công cụ được nhiệt luyện với cường độ tức thời không nhỏ hơn 140 kg/mm2 để làm bu lông và ốc. Bu lông cường độ cao được xiết chặt đến mức sao cho trong quá trình sử dụng sẽ chỉ truyền lực nhờ sự ma sát giữa các bề mặt tiếp xúc. Từ đặc điểm đó người ta còn gọi bu lông cường độ cao là bu lông ma sát. Trong những mối liên kết bình thường người ta dùng bu lông đường kính 16; 20; 22; 27 và 30mm. Đường kính lỗ bu lông tinh chế phải thích ứng với đường kính bu lông. Để cho việc lắp ráp được thuận tiện, cho phép bu lông thô và bu lông cường độ cao có đường kính nhỏ hơn lỗ đến 2,5mm. Ưu điểm chính của bu lông thô