PDF tinh toan cau treo day vong

PDF Tinh toan cau treo day vong doc Thư viện tài liệu CauduongBKDN www cauduongbkdn com Hội nghị SV NCKH 2006 Khoa Xây dựng Cầu Đường trường ĐHBKĐN 1 TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VÕNG SUSPENSION BRIDGE DESIGN SVTH Hoàng Trọng Lâm 01X3C CBHD ThS Nguyễn Văn Mỹ TÓM TẮT Tính toán và áp dụng kết cấu cầu treo dây võng hiện đang là vấn đề còn mới mẻ ở Việt Nam Đề tài đã tổng quan lý thuyết tính toán cầu treo theo sơ đồ biến dạng và đưa tính toán áp dụng thiết kế công trình thực tế cầu Mỹ Thanh, Só.

Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG SUSPENSION BRIDGE DESIGN SVTH: Hoàng Trọng Lâm - 01X3C CBHD: ThS Nguyễn Văn Mỹ TĨM TẮT Tính toán áp dụng kết cấu cầu treo dây võng vấn đề mẻ Việt Nam Đề tài tổng quan lý thuyết tính tốn cầu treo theo sơ đồ biến dạng đưa tính tốn áp dụng thiết kế cơng trình thực tế cầu Mỹ Thanh, Sóc Trăng ABSTRACT Calculating and appling of Suspension Bridge Structure remain new applications in Vietnam This article presents theory of suspension structure in large strain and applies to practical comstruction: My Thanh Bridge, Soc Trang province ĐẶT VẤN ĐỀ: Cầu treo dây võng loại kết cấu đẹp, có tính thẩm mỹ cao, có khả vượt chiều dài nhịp lớn việc tính tốn phức tạp Việc tính tốn cầu treo dây võng theo lý thuyết biến dạng lớn hướng giải đắn, yêu cầu người thiết kế phải nắm vững chi tiết cấu tạo từ đưa sơ đồ tính xác, để kết tốn sát với thực tế làm việc cơng trình Ở nước ta nay, cầu treo dây võng Liên Chiểu - Thuận Phước cơng trình cầu treo đại xây dựng, đơn vị nước nước ngồi chủ trì thiết kế thi cơng Hình 1: Cầu treo dây võng Akashi Kaiyo có nhịp lớn giới CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN HỆ TREO THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG Đặc điểm lý thuyết biến dạng lớn là: tác dụng tải trọng, sơ đồ kết cấu biến dạng lớn Do vị trí điểm nút thay đổi khác với vị trí ban đầu Sự thay đổi làm cho quan hệ tải trọng tác dụng biến dạng khơng cịn tuyến tính Nên ta khơng cịn áp dụng quy luật tổ hợp lực theo nguyên tắc cộng tác dụng Việc tính tốn theo sơ đồ biến dạng thường xuất phát từ hai trang thái gọi là: trang thái ban đầu trạng thái tính tốn dựa sở giả thuyết sau: 2.1 Các giả thuyết áp dụng tính cầu treo theo sơ đồ biến dạng: 1> Vật liệu đàn hồi tuân theo dịnh luật Hooke 2> Tải trọng tác dung dây dầm cứng có phương thẳng đứng 3> Dây có độ võng thoải bỏ qua chuyển vị dọc dây dầm Hội nghị SV NCKH 2006 Khoa Xây dựng Cầu Đường - trường ĐHBKĐN Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com 4> Tiết diện dầm cứng thay đổi khơng đổi phạm vi mổi đốt (khoảng cách giửa liên kết thẳng đứng) 5> Biến dạng đàn hồi dọc trục tháp cầu nhỏ so với biến dạng dây ảnh hưởng không đáng kể đến thay đổi chiều dài nhịp dây chủ , nên tính toán bỏ qua 6> Lực kéo dây treo tỉnh tải gây đủ lớn để chịu hoạt tải khơng có dây chịu nén 2.2 Lý thuyết tính tốn cầu treo dầm cứng: Xét hệ treo dây dầm cứng nhiều nhịp có sơ đồ tính sau: (a) (b) p lop q lpq s lqs n+1 ls n+1 (c) (d) Hình 2: Sơ đồ tính tốn ban đầu Trạng thái ban đầu: giả sử hệ chịu tác dụng nguyên nhân sau: Dây chịu tải trọng thẳng đứng theo sơ đồ (a) có lực căng Ho Dầm chịu tải trọng thẳng đứng theo sơ đồ (b) dầm xuất mômen uốn biểu thị ma trận Mo: Mo = { Mo1 Mo2 Mop Moi Mon } Trong đó: Moi : mômen uốn tiết diện thứ i dầm cứng Để thiết lập điều kiện cân ta thực mặt cắt đứng khảo sát phần hệ nằm khoảng mặt cắt đến gối tựa kề bên Lúc phương trình cịn có thêm mômen gối tựa tham gia coi mơmen ngoại lực tác dụng Viết điều kiện cân mômen điểm mắt thứ i Và thực tương tự cho mắt khác ta có điều kiện cân : Hay : Trong : Mdo + M g - Mo - Ho.Y = Mdo - (E - K).Mo - Ho.Y = (1) (2) Mdo : Ma trận mômen uốn dầm gián đoạn (dầm đơn giản) có nhịp l0p, lpq, lqr l s (n+1) tất tải trọng gây Mg : Ma trận mômen uốn riêng mômen gối tựa gây dầm gián đoạn lop, lpq, lqr l s (n+1) E : ma trận đơn vị cấp n K = K1 K Với : K1 : matrận biến đổi mômen tiết diện gối tựa trung gian dầm cứng ma trận mômen uốn riêng mômen gối tựa gây dầm gián đoạn có nhịp lo p, lpq, lqr l s (n+1) K2 :Là ma trận biến đổi có cấu trúc để cho sau thực phép nhân với ma trận M0 ta tách khỏi Mo phần tử mômen uốn tương ứng tiết diện gối tựa dầm cứng Y: Ma trận biểu thị tung độ thẳng đứng mắt thuộc dây cáp so với đường nối hai điểm tựa dây tương ứng với nhịp Trạng thái tính tốn: giả sử hệ chịu thêm tác dụng số nguyên nhân sau: Dây chịu tải trọng thẳng đứng theo sơ đồ (c) Dầm chịu tải trọng thẳng đứng theo sơ đồ (b) Bỏ qua ảnh hưởng nguyên nhân khác Hội nghị SV NCKH 2006 Khoa Xây dựng Cầu Đường - trường ĐHBKĐN Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com Dưới tác dụng nguyên nhân nói trên, dây xuất lực căng H, cịn dầm xuất mơmen uốn M Các điểm mắt chuyển vị biểu thị ma trận cột V Lần lượt thực mặt cắt giống nói trạng thái ban đầu sau thiết lập, biến đổi điều kiện ta phương trình cân tính lực căng dây sau: H3 + [ μ + ω.S.V ].H2 + λ H - γ = (3) [Md - (E - K).M - H.Y] (4) V= H Từ hai phương trình được: Phương trình xác định lực căng trạng thái tính tốn: H + ( μ − d ) H + ( c + λ ) H − γ − H ωS * M = (5) Phương trình xác định mơmen uốn dầm : (6) M = (B* + H.A* )-1.(H.N* + B0.Md ) Ec Fc (7) Với: *ω= n li ∑ i =1 cos θ i (Ec :mô đun đàn hồi cáp; Fc :diện tích tiết diện cáp) * μ= ω n D cos3 θ i − H o ∑ oi (8) H i =1 * Md :mômen uốn tất tải trọng tác dung lên dầm lên dây chủ gây mắt dây gối trung gian tương ứng với sơ đồ tính dầm gián đoạn (9) * S = S1 , S , Si S n Si = Sin θ i +1 − Sinθ i (10) * θ : góc nghiêng đường nối vị trí dây treo thuộc cáp chủ so với phương ngang (11) * c = ω S.Md * d = ω.S Y Quan niệm dầm cứng dầm liên tục chịu tác dụng tải trọng tác dụng Bỏ qua đại lượng vô bé bậc cao (từ bậc hai trở đi) ta áp dụng phương trình ba mơmen học kết cấu cho trường hợp Phương trình ba mơmen viết dạng ma trận có dạng: A(M - M0) + W - 6EJ0BV = (12) Các ma trận A , B, W: có cấu trúc: A= 2(λ1 + λ ) λ2 λ2 2(λ + λ ) λ3 Hội nghị SV NCKH 2006 λi ( λ i + λ i +1 ) λ i +1 λn ( λ n + λ n +1 ) Khoa Xây dựng Cầu Đường - trường ĐHBKĐN (13) Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com ( −1 1 + ) l1 l l2 −1 1 ( + ) l2 l l3 −1 l3 −1 1 ( + ) li l i l i +1 B= −1 l i +1 −1 1 + l n l n l n +1 * W = {W1 ,W2 , Wi Wn} Wi = (14) 6Ω i a i J o 6Ω i +1bi +1 J + l1 J l i +1 J i +1 (15) (16) Trong công thức : J λ i = l i o chiều dài quy ước đốt thứ i Ji J0 , Ji : mômen qn tính quy ước mơmen qn tính tiết diện đốt thứ i Ω i : diện tích biểu đồ mơmen uốn dầm đơn giản có nhịp li tải trọng đốt thứ i dầm gây , bi : khoảng cách từ trọng tâm Ω i đến mắt trái (i-1) mắt phải i (17) A * A* = EJ o * B* = B T1 (E - K) (18) * Bo = B T1 * N* = − (19) W − B.T1 Y EJ T1 :ma trận có tác dụng làm cho phần tử ma trận V tương ứng với gối tựa trở nên không sau thực phép nhán Để xác định lực căng cáp chủ mômen uốn dầm ta giải phương trình (1) (2) Sau xác định mômen lực căng cáp chủ ta tiến hành xác định phản lực liên kết thứ i phản lực gối tựa trung gian: (20) * R = Rd – B.M (21) Rd = { R1d R2d Rid Rnd } R = { R1 R2 Ri Rn } (22) Ri : phản lực liên kết thẳng đứng thứ i gối tựa thứ i dầm cứng Rid : phản lực liên kết thẳng đứng thứ i gối tựa thứ i dầm cứng tải trọng gây dầm gián đoạn có nhịp li li+1 2.3 Tổng quan cầu thiết kế: - Cầu treo dây võng có nhịp 120m + 400m +120m - Dầm cứng cấu tạo dầm hộp thép, bề rộng cầu 14m - Trụ tháp dạng khung hai cột BTCT hình hộp Chiều cao tháp tính từ đáy bệ đến đỉnh tháp 78,9m , tính từ mặt cầu đến đỉnh cáp (đỉnh yên ngựa) 45m Hội nghị SV NCKH 2006 Khoa Xây dựng Cầu Đường - trường ĐHBKĐN Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com - Mố neo thuộc loại mố trọng lực, móng cọc giếng chìm - Khoảng cách giửa hai cáp chủ theo phương ngang cầu 15,6m Cáp chủ có đường kính bó cáp danh định 360mm , gồm 37 bó cáp song song, mổi bó có 91 tao thép cường độ cao đường kính 5,2mm Trên đỉnh tháp cáp bắt qua yên ngựa có bán kính 3.5m, trụ neo cáp bắt qua yên leo neo vào trụ neo thép dự ứng lực.Độ võng cáp nhịp giửa 40m (mũi tên) - Khoảng cách giửa cac cáp treo 10m Số lượng cáp treo nhịp giửa 39 cáp treo, nhịp biên 11 cáp treo Cáp treo gồm 85 sợi đường kính 5mm Sơ đồ tính theo phương pháp lực : f=40m M12 M51 12 d=10 63 64 120m 400m 120m Hình 3: Sơ đồ tính tốn 2.3.1 Giai đoạn thi công lắp dầm, thi công lớp mặt cầu kết cấu phụ trợ: Trạng thái ban đầu: Dây chịu tác dụng trọng lượng thân : gdây = 0,56 (t/m) Dầm chịu tác dụng trọng lượng thân dầm với: DCdầm = 7,31 (t/m) Trong trùnh thi công lắp dầm ta tạo khớp vị trí dây treo nên mơmen vị trí khơng Mo = Trong dây xuất lực căng ban đầu Ho = Mdo / f = 84300/40 = 2107.5 (T) Trạng thái tính tốn: trường hợp dầm cứng làm việc dầm siêu tĩnh tham gia chịu lực với hệ dây Tải trọng tác dụng tĩnh tải phần II với cường độ DW = 2,54 (t/m) Thiết lập thơng số phần lý thuyết tính gới thiệu ta xác định được: Lực căng cáp chủ: H = 2738.98 (T) Mômen lớn dầm cứng : Mmax = 2250.9 (T.m) ; Mmin = - 671.66 (T.m) 2.3.2 Giai đoạn khai thác sử dụng: Trong giai đoạn cơng trình đưa vào sử dụng , ngồi ngun nhân cơng trình cịn chịu tác dung hoạt tải Để tìm mơmen lực căng lớn ta tính tốn với trường hợp xếp tải sau: Bảng : Nội lực tính toán: Trường hợp xếp tải Hoạt tải tác dụng toàn chiều dài cầu Hoạt tải đứng nhịp biên Hoạt tải tác dụng hai nhịp biên Hoạt tải đứng nhịp cầu Hoạt tải tác dụng chiều dài nhịp Hoạt tải tác dụng phần tư chiều dài nhịp hoạt tải tác dụng phần tám chiều dài nhịp Mômen lớn dầm cứng (t.m) M max 205092.0 12951.0 12810.0 20848.0 15808.0 7633.2 6531.7 Mmin -6182.5 -17713.0 -20046.0 -9089.5 -8528.0 -14060.0 -14376.0 Lực căng cáp chủ (T) 3135.69 2754.65 2759.48 3120.01 2952.80 2823.89 2776.13 Kết biểu đồ bao mômen: Hội nghị SV NCKH 2006 Khoa Xây dựng Cầu Đường - trường ĐHBKĐN 9089.5 3526.3 3141.7 2975.2 1488.2 648.67 3071.3 2419.7 2603.5 2519.9 3026.9 6567.3 2151.1 4078.6 3319.7 3111.7 2263.3 219.03 264.03 2178.3 1747.9 1863.2 1832.3 1840.6 1838.4 653.44 198.99 52.23 54.53 53.92 54.08 54.04 1839 1839 53.94 54.04 54.07 1832.3 1838.4 1840.7 52.54 59.67 54.45 1820.6 1851.2 1875.5 42.9 44.3 64.89 1523.7 2670.7 6567.2 6601.4 6182.5 756.32 1734.8 800.9 42.8 806.91 756.15 756.2 790.45 1092.6 1053.9 733.45 643.64 735.93 684.47 840.04 755.86 5082.4 857.62 304.77 766.37 770.94 688.59 -53.937 2278.8 2486.8 2883.1 1327.7 3582.8 774.38 4156.2 776.69 3114.4 829.64 738.53 1827.6 3130.3 3924.4 9687.8 6531.7 20848 19277 15808 15808 11436 8372.2 12951 9695.6 19277 6814 4599.5 3108.5 1272.3 375.3 147.84 3757.9 3317.6 2318.8 1123.4 53.678 3526.3 3141.5 2975.2 2128.9 3181.1 1390.8 1488.2 6167.5 9089.5 10939 14216 16039 24046 Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com Hình 4: Biểu đồ bao mômen dầm cứng Bảng : Nội lực dây treo: Dây 10 N Dây (T) 70.51 11 61.74 12 61.51 13 61.38 14 61.45 15 61.54 16 61.61 17 61.71 18 61.84 19 62.19 20 N (T) Dây N (T) Dây N (T) Dây N (T) Dây N (T) 65.42 65.41 62.87 62.75 62.65 62.58 62.51 62.47 62.44 62.42 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 62.44 62.44 62.49 62.53 62.60 62.70 62.77 62.93 63.05 71.23 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 103.8351 63.135 62.971 62.857 62.724 62.64 62.554 62.492 62.457 62.414 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 62.416 62.41 62.43 62.462 62.511 62.577 62.659 62.761 62.881 65.6563 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 65.5669 62.207 61.857 61.7123 61.6106 61.5361 61.4466 61.3819 61.513 61.741 70.5128 4.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ: Việc tính tốn cầu treo dây võng theo lý thuyết biến dạng toán phức tạp tác giả mạnh dạn tính tốn với cơng trình cụ thể Thành công đề tài giúp cho người thiết kế nắm sở, chất việc giải toán theo lý thuyết biến dạng Kết tốn dùng để so sánh với kết giải toán phần mềm chuyên dụng Việc sử dụng phần mềm để tính tốn kết cấu cầu treo dây võng xem hướng giải tốt nhất, với việc sử dụng phần mềm người thiết kế mơ hình tốn gần với thực tế cho kết tính tốn tin cậy 5.TÀI LIỆU THAM KHẢO: Lều Thọ Trình, Cách tính tốn hệ treo theo sơ đồ biến dạng, Nhà xuất khoa học kỹ thuật , 1985 Nguyễn Như Khải – Lê Đình Tâm, Thiết kế cầu kim loại, Nhà xuất đại học trung học chuyên nghiệp - 1985 Bùi Khương , Lý thuyết tính tốn hệ treo cầu treo, Nhà xuất giao thơng vận tải, 2003 Lê Đình Tâm, Cầu thép, Nhà xuất giao thông vận tải, 2003 Nguyễn Viết Trung, Thiết kế cầu treo dây võng, Nhà xuất xây dựng, 2004 Hội nghị SV NCKH 2006 Khoa Xây dựng Cầu Đường - trường ĐHBKĐN ... võng cáp nhịp giửa 40m (mũi tên) - Khoảng cách giửa cac cáp treo 10m Số lượng cáp treo nhịp giửa 39 cáp treo, nhịp biên 11 cáp treo Cáp treo gồm 85 sợi đường kính 5mm Sơ đồ tính theo phương pháp... chủ , nên tính toán bỏ qua 6> Lực kéo dây treo tỉnh tải gây đủ lớn để chịu hoạt tải khơng có dây chịu nén 2.2 Lý thuyết tính tốn cầu treo dầm cứng: Xét hệ treo dây dầm cứng nhiều nhịp có sơ đồ tính... 6167.5 9089.5 10939 14216 16039 24046 Thư viện tài liệu CauduongBKDN - www.cauduongbkdn.com Hình 4: Biểu đồ bao mômen dầm cứng Bảng : Nội lực dây treo: Dây 10 N Dây (T) 70.51 11 61.74 12 61.51 13 61.38