Đang tải... (xem toàn văn)
Duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi
So sánh duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồitheo tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 và tiêu chuẩn mới 22TCN 272-01PGS.TS. Nguyễn Viết TrungKS. Trần Việt HùngBộ môn: Công trình Giao thông Thành phố - Đại học Giao Thông Vận TảiTóm tắt: Báo cáo này góp phần đánh giá rõ hơn về sức chịu tải của cọc cũng nh tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo hai Tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN 18-79) và (22TCN 272-01).Summary: This report take part in comparing more clearly for pile capacity as well as checking pile cross section follow the both Vietnam specification 22TCN 18-79 and 22TCN 272-01. 1. Đặt vấn đềHiện nay có rất nhiều phơng pháp tính toán cọc khoan nhồi đang đợc áp dụng ở nớc ta, việc tính toán sức chịu tải của một cọc khoan nhồi đơn theo điều kiện vật liệu thờng áp dụng các công thức thiết kế cấu kiện chịu nén lệch tâm có mặt cắt tròn. Các phơng pháp này đợc tính theo tiêu chuẩn Việt Nam (22TCN 18-79 và 22TCN 272-01) và các tiêu chuẩn nớc ngoài (AASHTO 96 , AUSTROADS-1992 và SNHIP). áp dụng các phơng pháp này cũng đã thể hiện đợc tơng đối đầy đủ các yêu cầu cần thiết và từ đó có thể lựa chọn các công thức của các Tiêu chuẩn trên để tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi. Để làm ví dụ, ở đây sẽ tính tính cụ thể sức chịu tải của cọc khoan nhồi tại trụ P5 Cầu Đá Bạc - Hải Phòng. 2. Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn mới 22TCN 272-012.1. Cơ sở tính toánCọc khoan nhồi là cấu kiện bê tông cốt thép chịu kết hợp đồng thời của mômen uốn và lực dọc trục. Từ đặc điểm này, vẽ một biểu đồ thể hiện sự kết hợp của P và M. Thông thờng khi vẽ biểu đồ cho các cột sẽ đợc tính toán bằng cách giả định một loạt các phân bố biến dạng, mỗi sự phân bố tơng ứng với một điểm cụ thể trên biểu đồ tơng tác, và bằng cách tính các giá trị tơng ứng P và M. Một khi các điểm đã đợc tính toán đầy đủ, thì các kết quả sẽ đợc tổng hợp lại trong biểu đồ tơng tác.Vị trí trục trung hoà và độ biến dạng trong mỗi lớp cốt thép đợc tính từ biểu đồ phân bố biến dạng. Từ đó sẽ xác định đợc chiều cao khối ứng suất nén: a= 1c. Trong đó: 1 đợc quy định trong điều 5.7.2.2 theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 và c là khoảng cách từ thớ ngoài cùng chịu nén đến trục trung hoà, (mm).xxyyccu=0.003s1fs1fs2fs3ab) Các biến dạnga) Mặt cắt c) Các ứng suất d) Vùng chịu nén0.85f 'cHình 1. Sơ đồ xác định ứng suất, biến dạngVùng chịu nén thu đợc là một phần tròn của đờng tròn, chiều cao a. Để tính lực nén và mômen của nó xung quanh cột cần phải tính diện tích và trọng tâm phần này. Các số hạng này có thể đợc thể hiện dới hàm góc . Ta chia làm 2 trờng hợp:Trờng hợp 1: a h/2, < 90o =2/ha2/hcos11 Trờng hợp 2: a > h/2, > 90o , = 180o - =2/ha2/hcos1ahh/2h/2-abê tông chịu nénaha-h/2Trọng tâm của vùngynbê tông chịu nénTrọng tâm của vùngynTrường hợp 1 Trường hợp 2Hình 2. Vùng bê tông nénDiện tích của phần này là:=4cossinhA2, trong đó tính theo radian (1radian = 180o/)Mômen của diện tích này gần tâm cột là: Ayn = 12sinh33Các lực trong bê tông và các lớp cốt thép đợc tính bằng cách nhân ứng suất với diện tích mà các ứng suất này tác động lên: Lực trong bê tông: Cc = 0.85 f 'c A Lực trong các lớp cốt thép chia thành các trờng hợp:- Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i di > a thì: Fsi = fsiAsi- Khoảng cách từ mép chịu nén đến lớp cốt thép thứ i di< a thì: Fsi = (fsi 0.85 f 'c) AsiN é n t h u ầ n t u ýc uc uyc uH ư h ỏ n g c â n b ằ n gc u > yc uABCDEM ô m e n , M nLực dọc trục, PnHinh 3. Các phân bố biến dạng tơng ứng với các điểm trên biều đồ tơng tácĐiểm A: Thể hiện lực nén dọc thuần tuý.Điểm B: Tơng ứng với sự nén vỡ tại một mặt và lực kéo bằng 0 tại một điểm khác.Điểm C: Tơng ứng với sự phân bố biến dạng nén tối đa 0.003 trên một mặt của mặt cắt.Điểm D: Tơng ứng với sự phân bố biến dạngLực dọc trục Pn đợc tính bằng cách tổng hợp các lực riêng lẻ trong bê tông và cốt thép: Pn = Cc + Fsi. Mômen Mn đợc tính toán bằng cách tính tổng các mômen của các lực này ở gần trọng tâm 2 hình học của mặt cắt ngang: Mn ==+n1iifsifd2hF2a2hTrong đó: hf= chiều dày cánh chịu nén,(mm)Các giá trị Pn và Mn này thể hiện trên biểu đồ tơng tác.Sức kháng dọc trục đồng tâm danh định của mặt cắt:Po = 0,85 f 'c (Ag - Ast) + Ast fy (5.7.4.5-2 theo 22TCN272-01)Sức kháng dọc trục tính toán: Pr = PoTải trọng dọc trục và sức kháng mômen phải thoả mãn: Pu Pn, Mu Mnở đây :Pn = Sức kháng dọc trục tính toán, (N)Pu = Lực dọc trục tính toán (N) Mn= Sức kháng uốn tính toán, (N.mm)Mu= Mômen tính toán lớn nhất (N.mm)Ast= Tổng diện tích cốt thép trong mặt cắt ngang, (mm2)Ag= Diện tích nguyên mặt cắt, (mm2)f 'c = Cờng độ quy định của bê tông ở tuổi 28 ngày, (MPa)fy= Giới hạn chảy của cốt thép, (MPa) = Hệ số sức kháng quy định ở Điều 5.5.4.2 theo 22TCN272-01 ta có = 0.75Khả năng chịu kéo dọc trục: =ì=n1istyn)Af(P2.2. áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đờng kính 2m tại trụ P5 cầu Đá Bạc Tên cầu: Đá Bạc - Hải PhòngCấu kiện: Trụ P5a. Kích thớc Đờng kính cọc Bp= 2.00 m Chiều dài cọc h = 9.18 mb. Đặc trng vật liệuBê tông Cờng độ chịu nén của bê tông = 300 kg/cm2f'c= 3000 T/m2 Hệ số Poisson = 0.2Cốt thép Cờng độ giới hạn chảy= 4200 kg/cm2fy= 42000T/m2 Môdul đàn hồi của thép= 2030000 kg/cm2Es= 20300000T/m2c. Đặc trng mặt cătĐặc trng Giá trị Đơn vịDiện tíchA 3.14 m2Mômen quán tính I 7.85E-01 m4Bán kính quán tính r 0.50 md. Nội lực đầu cọcPmax (T) M (T-m) P (T) Mmax (T-m) Tổ hợp tải trọng637.89 233.65 637.89 233.65Tải trọng sử dụng829.26 290.73 829.26 290.73 Tải trọng nhân hệ sốHệ số sức kháng Dùng cho trờng hợp nén dọc trục (5.5.4.2.1 theo 22TCN 272-01)= 0.75e. Tính toán Pn and Mn cho sự phá hỏng cân bằng332d29 Chiều dày lớp bê tông bảo vệ 0.15mKết quả tính toán nh sau:z c (m)1a (m) A(m2) Cc (T)0.00 1.85 0.8423 1.56 2.627 6698.19-1.00 1.09 0.8423 0.92 1.415 3609.20-1.50 0.91 0.8423 0.77 1.107 2822.63-2.00 0.78 0.8423 0.65 0.895 2281.13-2.50 0.68 0.8423 0.57 0.742 1891.38-3.00 0.60 0.8423 0.51 0.628 1600.46-3.50 0.54 0.8423 0.46 0.540 1376.77-4.000.49 0.8423 0.41 0.471 1200.52-4.50 0.45 0.8423 0.38 0.415 1058.78-5.00 0.42 0.8423 0.35 0.370 942.82Pn (T) yn (m) Mn(T-m)PnMn7794.25 0.14 1536.64 5845.69 1152.483731.51 0.47 2549.33 2798.64 1911.992610.92 0.55 2493.17 1958.19 1869.881853.77 0.62 2326.25 1390.33 1744.691298.80 0.66 2144.78 974.10 1608.59878.04 0.70 1970.59 658.53 1477.94547.30 0.73 1812.59 410.48 1359.44272.42 0.75 1669.16 204.31 1251.8747.46 0.77 1539.71 35.60 1154.78-149.62 0.79 1422.42 -112.22 1066.81f. Khả năng chịu kéo dọc trục: =ì=n1istyn)Af(P= -998.7 Tg. Bảng tổng hợp kết quảPn(T) Mn(T-m)Pn(T)Mn(T-m)8949.13 0.00 6264.39 0.007794.25 1536.64 5845.69 1152.483731.51 2549.33 2798.64 1911.992610.92 2493.17 1958.19 1869.881853.77 2326.25 1390.33 1744.691298.80 2144.78 974.10 1608.59878.04 1970.59 658.53 1477.94547.30 1812.59 410.48 1359.44272.42 1669.16 204.31 1251.8747.46 1539.71 35.60 1154.78-149.62 1422.42 -112.22 1066.81-998.71 0.00 -699.09 0.00h. Biểu đồ tơng tác P-MBiểu đồ tơng tác P và M thể hiện mối quan hệ nội lực tác dụng lên mặt cắt cọc khoan nhồi. Vị trí nội lực tác dụng lên cọc theo các tổ hợp nằm trong vùng biểu đồ thì mặt cắt đã chọn là hợp lý.4 -200002000400060008000100000 500 1000 1500 2000 2500 3000Trong đó: I : Biểu đồ của Pn, Mn ; II : Biểu đồ của Pn, Mn.A: (Pmax, M) ứng với tải trọng sử dụng và (Pmax, M) ứng với tải trọng nhân hệ số.B: (P, Mmax) ứng với tải trọng sử dụng và (P, Mmax) ứng với tải trọng nhân hệ số.Với biểu đồ tơng tác P và M trên ta thấy rằng cọc đảm bảo chịu lực theo vật liệu.3. Tính toán sức chịu tải của cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-793.1. Cơ sở tính toánTính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi theo 22TCN 18-79 cũng chính là đi kiểm toán mặt cắt tròn chịu nén uốn đồng thời. Quy trình 22TCN 18-79 chỉ xét cấu kiện bê tông cốt thép có mặt cắt vành khăn, đặt cốt thép dọc với n > 6 thanh cách đều theo chiều dài đờng tròn và 5.0rrr212, Về cờng độ cần tính nh sau:- Nếu k 0.5: kaaaca21nposinrF)RR(2rrFR1Ne +++- Nếu k 0.5: N(e0 + ra) ra (RnpF + kaRacFa)Trong đó: mặt cắt đợc tính về cờng độ momen uốn theo điều kiện:kaaaca21npsinrF)RR(2rrFR1M +++Trong đó:FRF)RR(FRNnpaacaaak+++=F = Diện tích toán bộ mặt cắt cấu kiệnFa = Diện tích mặt cắt toàn bộ cốt thép dọcr1, r2 = Bán kính trong và ngoài của mặt cắt vành khănra = Bán kính đờng tròn chạy qua tâm mặt cắt các thanh cốt thép dọcRa, Rac = Cờng độ tính toán chịu kéo và nén của cốt thép dọcRap = Cờng độ tính toán chịu nén dọc trục của bê tông lấy theo bảng 5.1 QT 79eo = Độ lệch tâm lực dọc đối với trọng tâm mặt cắt hình vành khănNếu eo ra thì lấy ka = 1 - aor3e; Nếu eo ra thì lấy ka = 325IIIAB Hình 4. Mặt cắt vành khănrar1r23.2. áp dụng vào tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi đờng kính 2m tại trụ P5 cầu Đá BạcNội lực kiểm tra: Mô men M 233.65 (T.m) Lực dọc N 637.89 (T) Độ lệch tâm lực dọc e0: 36.63 (cm) Chiều dài tự do cọc l0: 150 (cm)Nh vậy, e0 = 36.63 > l0/800= 0.19 (cm) Tính toán theo cấu kiện chịu nén lệch tâm Đờng kính cọc 200 (cm)Diện tích tiết diện cọc F: 31416 (cm2)Bán kính bố trí cốt thép ra: 85 (cm)Bê tông bệ mác 300 Cờng độ chịu nén khi uốn Rnu: = 115 (Kg/cm2) Cờng độ chịu nén dọc trục Rlt: 105 (Kg/cm2)Cờng độ cốt thép Ra = R'a = 4200 (Kg/cm2)Bố trí cốt thép chủ Số thanh: = 36 Đờng kính D 29 Diện tích Fa= 237.79 (cm2) Góc giới hạn phạm vi chịu nén k: k=0.309 < 0.5 Điều kiện kiểm tra: VT VP VP = 1312.7 (T.m) VT= N e0= 233.65 (T.m)Vậy với tiết diện cọc đã chọn, cọc đủ khả năng chịu lực theo điều kiện vật liệu.4. Kết luậnTheo hai cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi, đơn cử ở trụ P5 cầu Đá Bạc thấy rằng cách tính duyệt mặt cắt tròn cọc khoan nhồi theo Tiêu chuẩn 22TCN 272-01 đáp ứng đầy đủ hơn về khả năng chịu lực của vật liệu. Thông qua biểu đồ tơng tác P và M sẽ đánh giá đợc chính xác hơn khả năng chịu lực của mặt cắt ngang đã chọn.5. Tài liệu tham khảo [1]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 18-79, 22TCN 272-01.[2]. PGS.TS Nguyễn viết Trung, Ths.Lê thanh Liêm, Cọc khoan nhồi trong công trình giao thông, NXB Xây dựng, 2003.[3]. PGS.TS Nguyễn Viết Trung, Thiết kế kết cấu bê tông cốt thép hiện đại theo Tiêu chuẩn ACI, NXB Giao thông vận tải, 2000.[4]. Kết quả tính toán nội lực cọc khoan nhồi tại trụ P5 cầu Đá Bạc - Hải Phòng của Công ty T Vấn XD Thăng Long. 6 . các Tiêu chuẩn trên để tính duyệt mặt cắt cọc khoan nhồi. Để làm ví dụ, ở đây sẽ tính tính cụ thể sức chịu tải của cọc khoan nhồi tại trụ P5 Cầu Đá Bạc. hệ nội lực tác dụng lên mặt cắt cọc khoan nhồi. Vị trí nội lực tác dụng lên cọc theo các tổ hợp nằm trong vùng biểu đồ thì mặt cắt đã chọn là hợp lý.4 -200002000400060008000100000
