PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU PHAO ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ VẬT LIỆU GFRP

Edited with the trial version of Foxit Advanced PDF Editor To remove this notice, visit: www.foxitsoftware.com/shopping Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN KHẢ NĂNG CHỊU TẢI CỦA CẦU PHAO ĐƯỢC CHẾ TẠO TỪ VẬT LIỆU GFRP Nguyễn Mạnh Thường*, Lê Văn Tú Học viện KTQS Tóm tắt Bài báo trình bày phương pháp tính tốn nội lực chuyển vị đứng phần sông cầu phao dạng băng chịu tải trọng xe ô tô cách sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn mơ hình kết cấu khơng gian Dựa kết đó, nhóm tác giả kiểm tra ứng suất lớn hệ khung dầm đốt phao làm vật liệu composite GFRP nhằm xây dựng sở khoa học xác định khả ứng dụng vật liệu composite GFRP để chế tạo cầu phao Từ khóa: Cầu phao; vật liệu composite GFRP; dầm đàn hồi Đặt vấn đề Hiện nay, nhiều tình như: sửa chữa cầu cũ, thiên tai, bão lụt , cần phải bắc cầu tạm qua sông để giải vấn đề giao thơng Cầu phao giải pháp có nhiều ưu điểm có chiều dài lớn nên vượt sơng rộng, thời gian lắp ghép nhanh, không cần mố trụ, gây ảnh hưởng tới dịng sơng, dễ dàng thu hồi lại chuyển sang vị trí khác Cơng tác nghiên cứu chế tạo cầu phao phục vụ mục đích đảm bảo giao thơng ngắn hạn, chịu tải trọng xe ô tô thông thường, số trường hợp đặc biệt phục vụ vượt sông xe tải quân cấp thiết Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh GFRP có nhiều ưu điểm, có khả chịu lực tốt, khối lượng nhẹ nên có khả cao để sử dụng chế tạo cầu phao Do khn khổ có hạn nên báo trình bày vấn đề nhỏ vấn đề cần nghiên cứu cầu phao tính tốn nội lực, chuyển vị đứng kiểm tra ứng suất lớn hệ khung dầm đốt phao làm vật liệu composite cốt sợi thủy tinh GFRP phần sông cầu phao chịu tải trọng xe ô tô, chưa xét đến tải trọng khác tải trọng dịng chảy Cơ sở tính toán cầu phao sử dụng vật liệu composite GFRP Vật liệu composite cốt sợi thủy tinh (Glass Fiber Reinforced Plastic - GFRP) với ưu điểm khối lượng thân nhẹ, cường độ chịu kéo cao, mô đun đàn hồi lớn khả chống ăn mòn cao, loại vật liệu thích hợp chế tạo phao Vật liệu GFRP chịu uốn dẻo cao, siêu cứng, liên kết siêu bền chống lại ôxi hóa ăn mịn chất hóa học mà vật liệu composite bền, tuổi thọ sản phẩm làm từ vật liệu composite cao * Email: nmthuongvn@gmail.com https://doi.org/10.56651/lqdtu.jst.v2.n01.321.sce 75 Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University Vì có thành phần từ nhựa nên vật liệu composite nhẹ vô thích hợp cho việc vận chuyển thi cơng lắp đặt Bản chất tạo từ liên kết nhựa với sợi thủy tinh nên mức nhiệt độ cao định dễ dàng tạo hình theo khn mẫu Các đặc trưng vật liệu GFRP thể bảng [7]: Bảng Các đặc trưng vật liệu GFRP Tên tiêu Giá trị tiêu chuẩn Giới hạn bền kéo, MPa, không nhỏ 800 Giới hạn bền nén, MPa, không nhỏ 300 Mô đun đàn hồi kéo, GPa, không nhỏ 45 Ứng xử kéo vật liệu biểu diễn quan hệ ứng suất - biến dạng đàn hồi tuyến tính đến bị phá hoại, trường hợp phá hoại đột ngột giòn Cường độ chịu kéo độ cứng vật liệu cốt sợi composite phụ thuộc vào nhiều tham số Vì sợi thành phần chịu tải chính, nên kiểu cốt sợi, chiều xếp cốt sợi, lượng cốt sợi phương pháp điều kiện chế tạo cốt sợi ảnh hưởng tới đặc tính chịu kéo vật liệu Ứng xử nén: Mô đun đàn hồi nén thường nhỏ so với mô đun đàn hồi kéo Mô đun đàn hồi nén xấp xỉ 80% mô đun đàn hồi kéo vật liệu GFRP Từ vật liệu composite GFRP chế tạo thành phao nổi, phao ghép lại với tạo thành cầu phao dạng băng Bài báo xem xét tính tốn kết cấu cầu phao phần sơng Mơ hình tính tốn phần sơng loại cầu đưa sơ đồ dầm liên tục đàn hồi [1] Cơ sở lý thuyết tính tốn nội lực, chuyển vị trình bày gắn gọn sau: Khi đặt tải trọng tập trung P lên dầm có độ cứng EJ đặt đàn hồi đồng đẳng hướng (Hình 1), dầm bị uốn cong lún vào Phản lực có cưịng độ q phân bố theo chiều dài dầm cân với tải trọng P Cường độ phản lực q tỉ lệ thuận với biến dạng y (độ lún dầm vào nền) thiết diện đó: q = K.y Hình Sơ đồ lực tác dụng lên dầm đặt đàn hồi 76 Chun san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS Theo kiến thức sức bền vật liệu học kết cấu, giải toán dầm đàn hồi xây dựng đường ảnh hưởng chuyển vị, mô men dầm Từ đặt tải trọng xác định chuyển vị, mơ men dầm Bài tốn tính tốn cầu phao toán phức tạp Ngày nay, phần mềm tính tốn giúp giải tốn tính tốn kết cấu phức tạp Trong khn khổ báo, nhóm tác giả trình bày nội dung tính tốn phần sơng cầu phao phương pháp phần tử hữu hạn để giải tốn tính cầu phao dạng băng sở mơ hình đàn hồi Vincle Nhóm tác giả sử dụng mơ hình khơng gian, phần mềm SAP2000 để mơ tính tốn tham số chuyển vị đứng cầu phao, nội lực chi tiết dầm dọc dầm ngang Xét toán cầu phao dạng băng cấu tạo từ phao composite GFRP có kích thước dài x rộng x cao 6,0 m x m x 1,5 m, hình hộp chữ nhật Hai phao liên kết với tạo thành đốt phao đôi có chiều rộng cầu m, đủ xe chạy Liên kết hai phao dạng liên kết cứng Dầm dọc, dầm ngang dạng chữ I, có kích thước bảng đây: Hình Mặt cắt ngang cầu phao Bảng Kích thước, số lượng đặc trưng hình học dầm dọc, dầm ngang STT Tên dầm Kích thước (mm) Số lượng phao Khoảng cách dầm (mm) Đặc trưng hình học Diện tích -F (m2) Mơ men kháng uốn trục 2W2 (m3) Mô men kháng uốn trục 3W3 (m3) Dầm dọc I100x55x4 400 0,000808 4,1x10-6 2,5x10-5 Dầm dọc L50x50x4 400 0,000384 2,6x10-6 2,6x10-6 Dầm ngang I100x55x4 1000 0,000808 4,1x10-6 2,5x10-5 Dầm ngang I100x55x3,6 1000 0,000808 4,1x10-6 2,5x10-5 77 Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University Do ưu điểm cầu phao bắc qua sơng rộng, nên nhóm tác giả chọn ví dụ tính tốn cầu phao dạng băng với chiều dài phần sông 90m cấu tạo từ 15 đốt phao đôi trên, đốt phao liên kết cứng với để tạo thành cầu phao dạng băng Đây chiều dài nhịp mà loại cầu tạm khác Bailey không đạt tới, đủ lớn để kết tính tốn sát với lý thuyết tính dầm đàn hồi Xét thực tế, để đảm bảo giao thông thông thường, cầu cần phải đảm bảo cho xe tải khoảng 20 chạy qua Với xe tải quân sự, xe tải Kraz 255 với tổng tải trọng 20 phổ biến, nhóm tác giả xem xét tải trọng xe qua cầu có tải trọng 20 Do cầu phao cầu tạm để giải vấn đề thông xe ngắn hạn, để đảm bảo an toàn, xe qua cầu phải đảm bảo cự ly giãn cách tốc độ phù hợp, giả thiết xe di chuyển tâm cầu, đủ chậm để không gây tác dụng động lớn Theo [1] dựa theo đường ảnh hưởng thu giải toán dầm đàn hồi trường hợp bất lợi xe đặt cầu phao Vì vậy, ví dụ tính tốn, nhóm tác giả lựa chọn tải trọng xe 20 Để đảm bảo an toàn, hệ số tải trọng lấy theo tiêu chuẩn thiết kế cầu hành TCVN 11823-3:2017 Thiết kế cầu đường - Phần “Tải trọng Hệ số tải trọng” γ1 = 1,25 tải trọng thân γ2 = 1,75 hoạt tải xe Hình Sơ đồ phân bố tải trọng trục xe Kraz-255 Phần sông cầu phao đặt trực tiếp mặt nước mơ hình dầm đàn hồi Vincle hệ số lý tưởng Khi mô hình hóa kết cấu, mơ hình thay gối lị xo đặt nút Hình Sơ đồ tính phần sơng Độ cứng lị xo phụ thuộc vào diện tích phần tử vùng ảnh hưởng Cụ thể, ta quy hệ số độ cứng lị xo tích số diện tích vùng ảnh hưởng với hệ số nén Khi tính đoạn sơng, lý thuyết tính tốn, người ta coi chiều dài cầu vơ hạn, thực tế tính tốn phương pháp phần tử hữu hạn với chiều 78 Chuyên san Kỹ thuật Công trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS dài cầu hữu hạn hệ số độ cứng lị xo theo cách quy đổi gồm hai hệ số, hệ số K1 đầu cầu hệ số K cho đoạn phía trong, hệ số độ cứng lò xo xác định là: K    a  b (kN/m); K1  0,5    a  b (kN/m), đó: γ - trọng lượng riêng nước, (kN/m3); a - khoảng cách dầm dọc kết cấu, (m); b - khoảng cách dầm ngang kết cấu, (m) Dưới số hình ảnh minh họa việc mơ hình hóa tính tốn cầu phao phần mềm SAP2000, dầm dọc dầm ngang mơ hình phần tử Frame, lớp mặt cầu vỏ phao mơ hình dạng phần tử Area shell Khai báo tải trọng xe SAP2000 sử dụng kiểu Uniform to Frame, kiểu tải trọng phân bố mặt cầu quy dầm dọc dầm ngang mà liên kết với tấm, giá trị tải trọng q = P/S, P - tải trọng xe lên trục bánh xe, S - diện tích tiếp xúc bánh xe với mặt cầu Hình Mơ hình cầu phao phần mềm SAP2000 Hình Khai báo tải trọng xe 79 Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University Kết tính tốn - Kết tính tốn chuyển vị: Chuyển vị lớn cầu f = 0,337 m Trong 4 mớn nước cho phép theo [1]: T    H   0, 75  0,6 m 5 Rõ ràng, f = 0,337 m < 0,6 m = [T] Như vậy, cầu đủ khả chịu tải trọng xe 20 Bảng Chuyển vị nút lớn Joint Output Case U1 U2 U3 R1 R2 R3 Text Text m m m Radians Radians Radians 1866 TTBT+XT 0,034233 0,041742 -0,33711 0,00324 0,00789 0,00025 Hình Biểu đồ mô men uốn phần tử mặt cắt ngang cầu phao - Kết tính tốn ứng suất khung dầm: Bảng Giá trị nội lực lớn dầm dọc, dầm ngang Frame Station Text m 3677 3675 80 Output P V2 V3 T M2 M3 Text KN KN KN KN-m KN-m KN-m 0,5 TTBT +XT 12,41 -7,71 0,008322 -6,4E-05 0,000828 9,240 0,4 TTBT +XT 7,007 12,773 -0,027 -0,00034 0,006 -6,687 Case Chuyên san Kỹ thuật Cơng trình đặc biệt - Số 02/Tạp chí Khoa học & Kỹ thuật - Số 200 (6-2019) - Học viện KTQS DD Mô men lớn dầm dọc M Max  9, 24(kN.m) Từ tính ứng suất lớn dầm dọc: DD  max  12, 41 0, 000828 9, 24 P M2 M3       385,187 (MPa) 6 F W2 W3 0, 000808 4,110 2,5 105 DN Mô men lớn dầm ngang M Max  6, 687 (kN.m) Từ tính ứng suất lớn dầm ngang: DN  max  7, 007 0, 006 P M2 M3 6, 687       257,326 (MPa) 6 F W2 W3 0, 000808 4,110 2,5 105 Các giá trị ứng suất nhỏ giá trị giới hạn bền cho phép vật liệu composite cốt sợi thủy tinh GFRP bảng Như vậy, kết kiểm tra ứng suất lớn hệ khung dầm đốt phao cho thấy vật liệu GFRP đảm bảo khả chịu lực Kết luận Qua nghiên cứu xác định nội lực chuyển vị đứng phần sông cầu phao dạng băng chịu tải trọng xe ô tô, kiểm tra ứng suất lớn hệ khung dầm đốt phao làm vật liệu composite GFRP trên, thấy khả sử dụng vật liệu GFRP chế tạo phao để lắp ghép thành cầu phao dạng băng có tải trọng 20 tấn, phục vụ cho mục đích đảm bảo giao thơng tình khẩn cấp đảm bảo vượt sông cho xe tải quân hồn tồn khả thi Do khn khổ báo có hạn, nên ngồi vấn đề nêu trên, nhóm tác giả chưa sâu vào tính tốn giải nhiều vấn đề phức tạp khác nghiên cứu cầu phao từ vật liệu GFRP tốn tối ưu hóa kết cấu, vấn đề liên kết đốt phao, liên kết chi tiết dầm dọc, dầm ngang, lớp vỏ với nhau, hình dạng phao, tác dụng tải trọng khác tải trọng dịng chảy Nhóm tác giả hi vọng trao đổi với đồng nghiệp vấn đề Tài liệu tham khảo Đinh Sơn Hùng (1998) Các phương tiện vượt sông Học viện KTQS Đỗ Văn Hệ tác giả (2014) Phần mềm SAP2000 ứng dụng vào tính tốn kết cấu cơng trình Nxb Xây dựng, Hà Nội Nguyễn Trang Minh (2006) Nghiên cứu ảnh hưởng thông số hình học liên kết đặc biệt đến khả chịu lực cầu Luận án tiến sĩ, Học viện KTQS Nguyễn Hoa Thịnh, Nguyễn Đình Đức (2002) Vật liệu Composite - Cơ học công nghệ Nxb Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 81 Section on Special Construction Engineering - N.02/Journal of Science and Technique - N.200 (6-2019) - Le Quy Don Technical University Trần Ích Thịnh (1994) Vật liệu composite học tính tốn kết cấu Nxb Giáo dục Nguyễn Minh Tuấn (1997) Nghiên cứu tính tốn kết cấu vỏ composite lớp Luận án tiến sĩ, Học viện KTQS TCVN 11109:2015 Cốt composite polyme Bộ Khoa học Công nghệ Зайцев С.В., Тимофеев М.Ю (2015) Спецоборудование амфибийных транспортных средств специального назначения Наплавные мосты и паромы.МАДИ, Москва METHOD OF CALCULATING BEARING CAPACITY OF FLOATING BRIDGE MADE OF GFRP COMPOSITES MATERIAL Abstract: The article presents methods of calculating internal force and vertical displacement in the middle section of floating bridge under vehicle load by using the finite element method and 3D structure model Based on that result, the authors examined the maximum stresses in beam frame system which is made of GFRP composite material in order to build a scientific basis for determining the applicability of GFRP composite materials to produce floating bridge Keywords: Floating bridge; GFRP composite materials; beams on elastic foundation Ngày nhận bài: 20/3/2019; Ngày nhận sửa lần cuối: 21/5/2019; Ngày duyệt đăng: 01/7/2019  82