Thiết kế cầu Thông Lưu xã Tân Bình - Huyện Bình Minh – Tỉnh Vĩnh Long

PHẦN 1: THIẾT KẾ CÁC PHƯƠNG ÁN SƠ BỘ CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ CÔNG TRÌNH 1.Hiện trạng cầu cũ: Cầu Thơng Lưu hiện hữu nằm trên tuyến QL54, thuộc xã Tân Bình - huyện Bình Minh – tỉnh Vĩnh Long, cĩ kết cấu như sau: * Cầu thuộc loại dàn thép Eiffel, chiều dài cầu 45m, khổ cầu rộng 3m, khơng cĩ lề bộ hành. * Mặt cầu bằng ván thép phủ bê tơng nhựa, khả năng chịu lực thấp. * Kết cấu mố – trụ cầu bằng BTCT * Hiện trạng cầu rất yếu, chỉ cĩ thể đáp ứng nhu cầu lưu thơng cho xe gắn máy và xe thơ sơ. Nền đường hai đầu cầu rộng 4,5m, mặt đường rộng 3,5m kết cấu đá dăm láng nhựa. Đường hiện hữu đã bị hư hỏng nặng, mặt đường cĩ nhiều chỗ bong trĩc tạo thành hố lớn gây cản trở giao thơng xe cơ giới. 2.Điều kiện tự nhiên khu vực công trình: 2.1.Địa chất: Địa chất cơng trình khoan 4 lỗ, trong đĩ: dưới nước 2 lỗ LK2, LK3; trên cạn 2 lỗ LK1, LK4. Địa tầng tại khu vực phân bố như sau: - Lớp 1 :Bùn sét hữu cơ lẫn bột, àm xám đen, trạng thái rất mền, dày 24.4m. Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất này như sau: + Lực dính: C= 0.0083 Kg/cm² + Độ sệt B: 1.50 + Hệ số rỗng tự nhiên ε : 2.32 + Trị số SPT: + Gĩc nội ma sát: f= 3050’ + Dung trọng: g= 14.65 KN/m³ - Lớp 2 : Sét lẫn bộ màu xám, nâu vàng, xám trắng,trạng thái rắn vừa đến rất rắn: dày khoảng 1.9m. + Lực dính: C= 0.3 Kg/cm² + Độ sệt B: 0.11 + Hệ số rỗng tự nhiên ε : 0.7 + Gĩc nội ma sát: f= 13026’ + Dung trọng: g= 19 KN/m³ - Lớp 3 : Sét pha cát màu nâu vàng, xám trắng, xám xanh, trạng thái rắn vừa đến rất rắn, chiều dày 5.7m. Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất này như sau: + Lực dính: C= 0.278 Kg/cm² + Độ sệt B: 0.25 + Hệ số rỗng tự nhiên ε : 0.707 + Gĩc nội ma sát: f= 11045’ + Dung trọng: g= 19.41 KN/m³ - Lớp 4 : Các hạt vừa đến mịn lẫn bột màu nâu vàng, nâu đỏ, xám trắng, kết cấu chặt vừa đến chặt, chiều sâu khảo sát hơn 60m. Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất này như sau: + Lực dính: C= 0.035Kg/cm² + Độ sệt B: 0.25 + Hệ số rỗng tự nhiên ε : 0.596 + Gĩc nội ma sát: f= 31002’ + Dung trọng: g= 19.94 KN/m³ 2.2. Thủy văn: Các số liệu về mực nước tại khu vực xây dựng cầu căn cứ theo mực nước trạm quan trắc và khảo sát tại vị trí cầu. + Cao trình mực nước thơng thuyền: H5%= +1.930m ( Số liệu tại trạm Cần Thơ) + Cao trình mực nước lớn nhất (khảo sát): Hmax = +1.971m + Cao trình mực nước thấp nhất (khảo sát): Hmin = -0.475m 3.Quy mô công trình: Cầu BTCT vĩnh cửu 4.Tải trọng thiết kế: - Hoạt tải thiết kế HL93 5. Khổ cầu: - Phần xe chạy: 2x4,5 = 9 m - Lan can:2x0,5 = 1 m Tổng cộng: = 10 m 6. Tĩnh khơng thơng thuyền: - Chiều cao thơng thuyền: H = 3,5m - Chiều rộng thơng thuyền: B = 20,0m 7.Tiêu chuẩn thiết kế: - Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 8.Nội dung thiết kế: 8.1. Kết cấu nhịp: Cầu gồm 3 nhịp dầm BTCT dự ứng lực đúc sẵn tại nhà máy (Nhà sản xuất cần phải kiểm tra, kiểm sốt chặt chẽ về chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và khai thác của cơng trình). Sơ đồ nhịp dầm như sau: 3x30(m). Dầm “I”30m được thiết kế với tải trọng HL93. Chiều dài tồn cầu L= 80,42m (tính đến đuơi tường cánh). Bán kính đường cong đứng lồi trên cầu, R= 4000m. (theo 5.8-4054-05) Độ dốc dọc trên cầu 3%.(5.7, TCVN 4054-05). - Dùng dầm BTCT DƯL cắt ngang hình chữ “I”, đúc sẵn tại nhà máy (Với loại dầm định hình này, nhà sản xuất cần phải kiểm tra, kiểm sốt chặt chẽ về chất lượng sản phẩm nhằm đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và khai thác của cơng trình.). Bố trí mỗi nhịp 5 dầm “I” dài 30m. Cắt ngang mỗi nhịp gồm 5 dầm, đặt cách khoảng 2m - Các dầm dọc liên kết với nhau bằng dầm ngang BTCT đổ tại chỗ. - Bản mặt cầu đổ tại chỗ bằng BTCT M 300 dày 20cm. - Mặt cầu được tạo dốc ngang 2 mái 2% bằng cách thay đổi chiều cao đá kê gối. - Dốc dọc cầu tại vị trí nhịp giữa được bù bằng lớp BTN nĩng hạt mịn. - Phịng nước bản mặt cầu bằng vật liệu chống thấm cĩ nguồn gốc từ si-li-cát biến tính sinh hố. - Lớp phủ mặt cầu bằng BTN nĩng C15, dày 7cm. - Gờ lan can bằng BTCT M 300 đổ tại chỗ. - Lan can tay vịn bằng thép mạ kẽm. - Bố trí khe co giãn cao su tại vị trí tiếp giáp giữa tường mố với nhịp và giữa 2 nhịp với nhau. - Trên cầu bố trí ống thốt nước Ø150mm, cách khoảng 8m/ống. - Bố trí đèn chiếu sáng cao áp 250W ánh sáng vàng, độ rọi 20 lux, trụ cao 9m đặt trên cầu tại các đầu nhịp. - Gối cầu: Dùng gối cao su lõi thép KT(506x203x50)mm. 8.2.Kết cấu mố: - Mố cầu bằng BTCT M 300, dạng mố tường. Mố cầu vuơng gĩc với tim tuyến. - Mĩng mố gồm 3 cọc BTCT , cọc mố M1 dài 40m/cọc , cọc mố M2 dài 43m, tiết diện D=120cm, bố trí như sau: - Theo phương dọc cầu có 1 cọc, đường kính D= 120cm. - Theo phương ngang cầu có 3 cọc, đường kính D=120cm. - Sau mố đặt bản quá độ bằng BTCT M 300 dài 3,0m trên chiều rộng 8,0m ngang cầu. - Lan can thép mạ kẽm đặt trên tường cánh cĩ hình dạng tương tự trên cầu. 8.3. Kết cấu trụ: - Trụ cầu bằng BTCT M 300, dạng trụ đặc. Trụ cầu vuơng gĩc với dịng chảy. - Mĩng trụ gồm 3cọc khoan nhồ BTCT đổ tại chỗ, chiều dài 49mm/cọc, đường kính cọc D= 120cm bố trí như sau: - Theo phương ngang cầu bố trí 3 cọc, đường kính cọc D=120cm. -Theo phương dọc cầu bố trí 2 cọc, đường kính cọc D= 120cm. CHƯƠNG II: PHƯƠNG ÁN CẦU BTCTDUL, DẦM I CĂNG TRƯỚC . I.Tính toán dầm chính: 1. Mặt cắt ngang cầu: - Gồm có 5 dầm chính, đặt cách nhau 2m tính từ tim dầm này dến tim dầm kia. - Chiều rộng phần xe chạy: 2x4.5=9m - Chiều rộng lan can ô tô : 2x0.5=1m - Chiều rộng toàn cầu: 10m. - Độ dốc dọc cầu:3%. - Độ dốc ngang cầu: 2% - Chiều dày trung bình lớp phủ 7cm. - Chiều dày lớp phòng nước: 1cm. - Chiều dày bản mặt cầu: 20cm. - Chiều cao dầm chính: H=140cm. - Chiều cao dầm ngang: h= 1250cm -Chiều rộng phần cánh hẫng: 100cm. 2.Cấu tạo bản mặt cầu: a.Mô hình tính toán bản mặt cầu: Bản mặt cầu kê lên cả dầm chính và dầm ngang. Khi khoảng cách giữa các dầm lớn hơn 1.5 lần khoảng cách giữa các dầm chủ , thì hướng chịu lực chính của bản theo phương ngang cầu . Theo điều 4.6.2.1.6 (22TCN 272 – 05) cho phép sử dụng phương pháp phân tích gần đúng ,phương pháp giải bản để thiết kế mặt cầu . Để sử dụng phương pháp này ta chấp nhận các giả thiết sau : Xem bản mặt cầu như các dải bản liên tục tựa trên các gối cứng là các dầm đỡ có độ cứng vô cùng . Dải bản được xem là 1 tấm có chiều rộng SW kê vuông góc với dầm đỡ. b. Đặc trưng vật liệu : + Bê tông cường độ chịu nén của bê tông đủ 28 ngày f’c= 30 Mpa + Cường độ của thép : fy = 420 Mpa c . Sơ đồ tính bản mặt cầu: Phần hẫng được tính theo sơ đồ dầm công son . Phần bản ở phía trong dầm biên tính theo sơ đồ liên tục. d . xác định nội lực bản mặt cầu do tĩnh tải ( Tính cho 1 m dài bản mặt cầu): - Khoảng cách giữa 2 dầm chủ là L2 = 2000mm. - Bản mặt cầu dày ts = 200mm , tĩnh tải dải đều do trọng lượng bản thân bản mặt cầu : DC2 = 0.25 10-4 ts 1000 = 0.2510-4 200 1000 = 5N.mm -Lớp phủ mặt cầu gồm : + Lớp bê tông nhựa : t1 = 70mm + Lớp vải nhụa phòng nước : t2 = 10mm - Tổng chiều dày lớp phủ là: hDW = t1 +t2 + = 70 + 10 = 80mm - Tĩnh tải tác dụng lên bản mặt cầu do trọng lượng bản thân lớp phủ : DW = hDW b = 701000 0.22510-4 = 1.575N/mm 3.Cấu tạo dầm ngang: - Dầm ngang được thiết kế theo tiết diện chữ I, tính theo dầm liên tục nhiều nhịp có gối tựa là các dầm chủ - Chiều cao dầm ngang : Chọn hdp = 1250 mm kể cả bản mặt cầu. Kết cấu nhịp có 6 dầm ngang, khoảng cách giữa các dầm ngang là L1 = 6000 mm, các dầm ngang được tính như dầm liện tục với các gối là các dầm chủ. Khoảng cách giữa các dầm chủ: L2 =2000mm Kích thước dầm ngang như sau : h = 1260mm Bề rộng của dầm ngang: b = 200mm a. Đặc trưng vật liệu : Cường độ của thép : fy = 420(MPa) Bê tông có cường độ chịu nén f’c = 30(MPa) b. Sơ đồ tính dầm ngang c. Xác định nội lực do tĩnh tải tác dụng vào dầm ngang: - Trọng lượng bản thân bản mặt cầu (DC) tính cho một đơn vị chiều dài (6mm). +Ta có: DC2 = hfl1 = 200 0.25 10-4 6000 = 30 (N/mm). - Trọng lượng lớp phủ DW = . - Trọng lượng bản thân dầm ngang - Xác định hệ số phân bố tải trọng : Ta có: 4.Cấu tạo lan can: a.Đặc trưng vật liệu: - Cường độ bê tông: f’c = 30 (MPa) - Cường độ chảy cốt thép : fy = 420(MPa) - Cường độ chịu kéo của cột và thanh kim loại: fu = 415 Mpa - Lan can ô tô cấp L2 b. Điều kiện kiểm toán : Lan can thiết kế phải thỏa mãn điều kiện R >Ft Y>He Trong đó : R : là tổng sức kháng cực hạn của hệ lan can Ft : là lực va ngang của xe vào lan can Y : là chiều cao của R về phía trên mặt cầu He :là chiều cao lực va ngang của xe vào lan can phía trên mặt cầu c. Xác định va ngang của xe Ft : - Cầu được thiết kế cho đường cao tốc với hỗn hợp xe tải và các xe nặng .Tương ứng với mức thiết kế lan can thuộc mức L2. - Theo điều 13.7.3.3 - 22 TCN – 272 – 05 + Ft = 120KN + Lt =1220mm + He = 510mm d.Xác định tĩnh tải của hệ lan can: -Tải trọng lan can cho phần hẫng ta qui về tải tập trung , để thiên về an toàn ta đặt tải trọng bản thân lan can ở mép. + Trọng lượng của bản thân trụ : P’ = Vtkc = 0.785 10-4 (V1+V2+V3) Trong đó : V1 là thể tích sườn của trụ : V1= (200 + 140)- (2= 467481.4mm3 V2 là thể tích cánh của trụ: V2= 2blh = 215033510 =100500mm3 V3 là thể tích tấm thép đế của trụ: V3 =blh = 13022010 =300000mm3 P’ = Vtkc = 0.785 10-4 (467481.4 +100500 + 300000) = 139.14N + Trọng lượng của bản thân lan can tác dụng lên trụ tải tập trung có 1 thanh tay vịn N/mm P’’ = N Trọng lượng của một trụ là : Ptlc = P’’+ P’ = 100.75 + 139.14 = 239.89 N + Trọng lượng của 15 trụ là: Ptlc = 15+ Ptlc = 15 239.89 = 3597 N + Trọng lượng của trụ phân bố trên toàn chiều dài nhịp . DCtlc = N/mm + Trọng lượng của lan can trên 1m là. DC3 = 1000 DCtlc = 1000 = 133N + Lực tập trung tại ( gờ chắn bánh). P1 = h