một số đặc điểm cấu tạo và sơ đồ tính toán cầu vòm ống thép nhồi bê tông (some structural features and calculating model of the concrete filled tubular arch bridge)

615 MT S C IM CU TO VÀ S  TÍNH TOÁN CU VÒM NG THÉP NHI BÊ TÔNG SOME STRUCTURAL FEATURES AND CALCULATING MODEL OF THE CONCRETE FILLED TUBULAR ARCH BRIDGE Phùng Mnh Tin và Nguyn Duy Dng* Phòng Cu-Cng, Phân Vin KHCN GTVT Phía Nam, Tp. H Chí Minh, Vit nam *Ban QLDA chuyên ngành giao thông tnh Phú Yên, Phú Yên, Vit nam BN TÓM TT Kt cu cu vòm ng thép nhi bê tông không nhng giúp vt nhp ln mà còn là mt trong nhng kt cu mang tính thm m cao. Tuy nhiên vic áp dng loi cu này ti Vit Nam vn cha đc ph bin do cha có qui trình, qui phm, tiêu chun k thut, tài liu hng dn tính toán thit k liên quan đn loi kt cu này. Chính vì vy, ni dung bài báo nhm mc đích gii thiu mt s đc đim cu to ca kt cu cu vòm ng thép nhi bê tông. Mt khác, đ hiu đc phn nào bn cht ca kt cu, ni dung bài báo tp trung phân tích kt qu tính toán mt s mô hình khác nhau đc xây dng da trên phn mm SAP2000. ABSTRACT The concrete filled tubular arch bridge does not only help cross large span but also belongs to one of the highest architectural construction. In Vietnam, there is no technical guides, standards and introduction guide related to this kind of bridge. Therefore, the aims of this article is to introduce some structural features of the concrete filled tubular arch bridge. In the other hand, the main part of this article concentrates to analyze some results obtained from the various calculating model in SAP2000 to make the essence of the structure clearly. 1. MT S CU VÒM NG THÉP NHI BÊ TÔNG Cu vòm có th đc thit k bng đá, thép, bê tông ct thép, thép liên hp bê tông. Mt s u đim chính ca kt cu ng thép nhi bê tông có th k đn nh bê tông nhi trong ng thép không nhng không b co ngót mà trái li còn n th tích do đó to điu kin cho bê tông và v thép cùng nhau làm vic di tác dng ca ti trng khai thác; vic nhi bê tông đã tng kh nng chng r phía trong ca ng thép, gim đ mnh ca vòm, tng đ n đnh cc b ca vách ng thép, tng kh nng chng bin dng; ng tròn có đ cng chng xon cao hn các tit din h khác; khi dùng ng tròn nhi bê tông có th tit k im khong 40% lng thép so vi kt cu BTCT thông thng; mt ngoài ng thép d bo v chng r hn các loi tit din có hình dng phc tp [1] [3]… Chính vì vy, kt cu ng thép nhi bê tông tr nên khá ph bin trên th gii. c bit đi vi cu dng vòm. Trung Quc nghiên cu ng thép nhi bê tông t nhng nm 1970. Nm 1990 ~ 1992, Trung Quc đã ban hành tiêu chun k thut CECS28-90, DLGJ99-01 và DLGJ-S11-92 liên quan đn vic ng dng công ngh ng thép nhi bê tông trong xây dng công trình [6]. Mt s cu vòm ng thép nhi bê tông đã xây dng ti Trung Quc đc lit kê trong bng 1 và th hin trên hình 1 ~4. Bng 1 Stt cu 1 Cu Yiwu Yuanhuang, Zhejiang, nm 1990, mt ng đn ? 800mm, ? 18mm, mt cu chy trên, vt nhp 80m 2 Cu San-an Yongjiang tnh Guangxi, 1999, mt cu chy gia, vt nhp 270m 3 Cu Yajisha vt Zhujiang, Guangzhou, 2000, 6 ng(k lc th gii). Oáng gia Þ=750, dày 20mm; hai ng bên Þ =750, Ngun: Tuyn Tp Hi Ngh Khoa Hc & Công Ngh Ln th 9, Trng i Hc Bách Khoa Tp. HCM www.cauduongonline.com.vn 616 dày18mm, mt cu chy gia, vt nhp 360m. 4 Cu Wuhan th 3 vt sông Hanjiang, 2000, 2 ng cho mt vòm, mt cu chy di, vt nhp 280m 5 Cu bc qua sông Beipanjiang gn thành ph Luipanshui, 2001, mt cu chy trên, vt nhp 236m 2. MT S CU TO TRONG CU VÒM NG THÉP NHI BÊ TÔNG Nhng kt cu chính trong cu vòm ng thép nhi bê tông bao gm: vòm, h ging ngang, h thanh treo, h dm ngang, h dm dc và h thanh kéo. Trong đó, các dm dc, dm ngang, bn mt cu làm vi c the o s đ kt cu nhp gin đn; riêng vòm chu nén, ct và un trong mt phng vòm di tác dng ca toàn b tnh ti và hot ti. Cu to ca các b phn chính nh sau [2]: - Vòm: tùy theo khu đ nhp và ti trng, vòm đc cu to t mt hay nhiu ng thép tròn đc nhi bê tông và liên kt vi nhau bng các bn thép (hình 5). ng thép đc ch to t thép tm t heo phng pháp cun tròn hàn dc hoc cun dng lò xo. Hiu qu làm vic chung gia thép và bê tông đc gii quyt ch yu nh hiu ng ép hông rt cao  b mt tip xúc gia v ng thép và lõi bê tông [5]. Hình 1: Cu Yongning Yongjiang Hình 2 : Cu San an Yongjiang tnh Guangxi Hình 3 : C  u Yaisha , tnh Guan g Zhou Hình 4 : Cu qua sông Beipanjiang, Guizhou Hình 5 : Các dng mt ct ngang vòm Ngun: Tuyn Tp Hi Ngh Khoa Hc & Công Ngh Ln th 9, Trng i Hc Bách Khoa Tp. HCM www.cauduongonline.com.vn 617 - H ging ngang: i vi cu đc thit k t 2 vòm tr lên, gia các vòm b trí h ging ngang đ chu lc gió phng ngang cu và đm bo n đnh cho vòm. H ging ngang cu to bng ng thép nhi bê tông liên thông vi sn vòm hoc thép hình liên kt hàn vi sn vòm. - H thanh treo: gm các thanh treo đc cu to bng nhng bó cáp cng đ cao. u trên thanh treo đc neo c đnh vào sn vòm, đu di neo vào dm ngang (hình 6). - H dm ngang: gm các dm ngang bng BTCT d ng lc vi chiu dài nhp ph thuc b rng mt cu. Dm ngang đc treo ti hai đu nh h thanh treo. Riêng 2 dm ngang ngoài cùng (ti đu vòm) đc liên kt ngàm vi sn vòm đ thc hin chc nng liên kt ngang di gia 2 s n vòm. - H dm dc: gm các dm dc bng BTCT đc đúc sn vi chiu dài ph thuc vào khong cách gia các dm ngang. Dm dc đc kê 2 đu lên dm ngang. Trên mt dm dc và dm ngang là lp BTCT mt cu đ ti ch to đng khi mt cu và hiu chnh cao đ mt cu. Dm dc thc hin chc nng phân b ti trng, đnh v cho dm ngang trong quá trình chu ti (hình 8). Hai dm dc biên đc cu to nh dm liên tc vi hai đu đc ngàm vào vòm, gi lên các dm ngang. - H thanh kéo (thanh chng): cu to gm các bó cáp ni lin 2 chân vòm đ trit tiêu lc đy ngang ca vòm. H thanh kéo nm t do trên mt dm ngang và dm dc biên. Sau khi cng cáp x lý ni lc, h thanh kéo đc đy kín bng hp bê tông nhm bo v khi nh hng ca môi trng. - Chân vòm: là ni b trí đu neo ca h thanh kéo, gi cu. 3. PHÂN TÍCH KT QU TÍNH TOÁN 3.1. Các trng hp tính toán Kt qu tính toán đc thc hin trên mô hình cu vòm dài 99m, rng 10,50m b trí 3 làn xe vi ti trng H30. Hot ti tác dng trên mt cu đc phân b xung dm ngang thông qua h mt cu gm dm dc v à bn mt cu. Thông qua h dây treo, dm ngang tip tc truyn ti trng lên sn vòm, t đó truyn xung kt cu h tng nh gi cu. Vi mc đích làm rõ nh hng ca s làm vic chung gia ng thép vi lõi bê tông đn s phân b ni lc trong kt cu cu vòm ng thép nhi b ê tông, kt cu đc mô hình và phân tích tính toán nh phn mm SAP2000 vi ba trng hp nghiên cu nh sau: X Trng hp 1 (TR 1): Kt cu làm vic đc lp, ch phn ng thép tham gia chu lc. Trong trng hp này, đ cng và kh nng chu lc ca kt cu ng thép nhi đc tính toán theo công thc di đây: ̇  cng: bng đ cng riêng bit ca v thép, công thc (1) và (2), Ÿ  cng chng kéo, nén dc trc: EA=EaAa (1) Ÿ  cng chng un : EI=Ea Ia (2) ̇ Kh nng chu lc ca ng thép nhi tính theo (3) và (4): Ÿ Chu nén đúng tâm: N o =f a .A a. (3) Ÿ Chu nén lch tâm: N u = 1 ϕ e ϕ N o (4) X Trng hp 2 (TR 2): Kt cu làm vic đc lp, phn lõi bê tông làm vic, v ng thép không tham gia chu lc. Trong trng hp này, đ cng và kh nng chu lc ca kt Hình 6 : Cu to thanh treo Ngun: Tuyn Tp Hi Ngh Khoa Hc & Công Ngh Ln th 9, Trng i Hc Bách Khoa Tp. HCM www.cauduongonline.com.vn 618 cu ng thép nhi đc tính tốn theo nhng cơng thc di đây: ̇  cng: ch tính bng đ cng ca bê tơng, cơng thc (5) và (6) Ÿ  cng chng nén dc trc: EA=Ec Ac (5) Ÿ  cng chng un: EI=Ec Ic (6) ̇ Kh nng chu lc tính theo (7) và (8): Ÿ Chu nén đúng tâm: N o =f c .A c (7) Ÿ Chu nén lch tâm: N u = 1 ϕ e ϕ N o (8) X Trng hp 3 (TR3): Kt cu làm vic liên hp, ng thép và lõi bê tơng đng thi tham gia chu lc. Trong trng hp này, đ cng và kh nng chu lc ca kt cu ng thép nhi đc tính tốn theo nhng cơng thc c bn di đây: ̇  cng: bng tng các đ cng riêng bit ca v thép và lõi bê tơng, cơng thc (9) và (10) theo tiêu chun ca M AISC- LRDF (1986), Ÿ  cng chng kéo, nén dc trc: EA=Ea Aa + Ec Ac . (9) Ÿ  cng chng un : EI=Ea Ia + Ec Ic (10) ̇ Kh nng chu lc tính theo tiêu chun Trung Quc (CECS 28-90): Ÿ Chu nén đúng tâm: N o =f c .A c. (1+ θ + θ );với θ = cc aa A.f A.f (11) Ÿ Chu nén lch tâm: N u = 1 ϕ e ϕ N o (12) Trong đó : No: kh nng chu lc ca ng thép nhi bê tơng chu nén đúng tâm. Aa, Ac : din tích mt ct ngang ng thép và lõi bê tơng. Ia, Ic : mơmen qn tính ca tit din ng thép và tit din lõi bê tơng. Ea, Ec : mơđun đàn hi ca thép và bê tơng. θ : chỉ tiêu gò chặt của tiết din ng thép nhi bê tơng. fc: cng đ chu nén tính tốn ca bêtơng. fa: cng đ chu nén, chu kéo tính tốn ca ng thép. 1 ϕ : hệ số giảm khả năng chòu lực khi xét đến nh hng ca đ mnh. e ϕ : hệ số chiết giảm khi xét đến ảnh hưởng đ lch tâm ti trng. 3.2. Kt qu tính tốn Mơ hình đc lp nh chng trình SAP2000 đc trình bày trong hình 9. Trong khn kh phm vi bài báo, vic phân tích tính tốn ch dng  bc phân tích di tác dng ca ti trng tnh, khơng xem xét đn phân tích đng lc hc. Kt qu phân tích tính tốn ni lc xut hin trong vòm đc trình bày trong bng 2, trong dm ngang biên trình bày trong bng 3, trong dm ngang gia (bng 4), dm dc biên (bng 5), dm dc gia ( bng 6), thanh treo (bng 7) và phn lc ti chân vòm (bng 8). n v ca mơmen un M là kNm, lc ct Q và lc dc trc N là kN. Bng 2: Ni lc trong vòm TR 1 TR 2 TR 3 M 2212.35 1852.79 1876.95 Q 855.25 678.54 663.12 N 15456.90 17442.70 17025.49 Bng 3: Ni lc trong dm ngang biên TR 1 TR 2 TR 3 M 850.37 850.37 850.37 Q 1139.23 1139.23 1139.23 Bng 4: Ni lc trong dm ngang gia TR 1 TR 2 TR 3 M 873.79 874.15 874.19 Q 1159.99 1160.47 1160.51 Ngun: Tuyn Tp Hi Ngh Khoa Hc & Cơng Ngh Ln th 9, Trng i Hc Bách Khoa Tp. HCM www.cauduongonline.com.vn 619 Bng 5: Ni lc trong dm dc biên TR 1 TR 2 TR 3 M- 3819.71 2080.73 1929.91 M+ 3108.63 1486.20 1265.55 Q 624.35 302.62 261.74 N 9615.13 9100.37 8774.60 Bng 6: Ni lc trong dm dc gia TR 1 TR 2 TR 3 M 574.14 574.14 574.14 Q 338.79 338.79 338.79 N 1153.46 1091.70 1052.63 Bng 7: Ni lc trong thanh treo TR 1 TR 2 TR 3 N 1496.64 1204.33 1169.43 Bng 8: Phn lc ti chân vòm TR 1 TR 2 TR 3 Rx 5.58 12.78 14.78 Rz 14075.15 13305.43 12824.11 Khi so sánh kt qu tính toán cho các trng hp nghiên cu, ni lc phát sinh trong kt cu thay đi nh sau: X Phn t vòm: Moment và lc ct xut hin trong vòm đt giá tr ln nht trong trng hp 1, lc ct đt giá tr ln nht trong trng hp 2. Mô ment nh nht trong trng hp 2, lc dc nh nht trong trng hp 1. lc ct nh nht đi vi trng hp 3. Giá tr mô ment thay đi khong ±20,0%. Giá tr lc ct thay đi khong ±29%. Giá tr lc dc trc t hay đi khong ±12,0%. X Dm ngang biên: Ni lc có giá tr không thay đi trong c ba trng hp. X Dm ngang gia: Giá tr ni lc ln nht đi vi trng hp 3 và nh nht trong trng hp 1. X Dm dc biên: Giá tr ni lc ln nht trong trng hp 1, nh nht trong trng hp 3. Giá tr mô ment âm thay đi trong khong t -47.5% đn 97.9%. Giá tr mô ment dng thay đi trong khong t -59.2% đn 145.6%. Giá tr lc ct thay đi trong khong t -58.0% đn 138.4%. Giá tr lc dc trc thay đi trong khong -8.71% đn 9.50%. X Dm dc gia: Giá tr môment và lc ct không thay đi. Giá tr lc dc trc đt ln nht trong trng hp 1 và nh nht trong trng hp 3. X Thanh treo: Lc dc trc ln nht xy ra trong trng hp 1 và nh nht trong trng hp 3. Giá tr lc dc trc thay đi trong khong t -21.8% đn 27.9%. X Phn lc ti chân vòm: theo phng thng đng đt giá tr ln nht trong trng hp 1, nh nht trong trng hp 3. Giá tr thay đi trong khong t -8.88% đn 9.75%. Theo phng dc cu, phn lc ln nht trong trng hp 3 và nh nht trong trng hp 1. Giá tr thay đi trong khong -62.26% đn 164.87%. 5. KT LUN iu kin làm vic ca tit din vò m thay đi kéo theo vic phân b li ni lc gia các phn t trong kt cu. Ni lc trong vòm, dm dc biên thay đi nhiu nht. Ni lc xut hin trong h dm ngang hu nh không thay đi và không chu nh hng do điu kin làm vic ca vòm. Trong kt cu cu vòm ng thép nhi bê tông, khi ng thép và lõi bê tông đng thi cùng tham gia chu lc thì moment và lc ct trong vò m, ni lc trong dm biên và trong dây treo gim hn khi ch có võ ng thép làm vic. Riêng lc dc trc xut hin trong vòm tng. Khi ng thép và lõi bê tông đng thi cùng tham gia chu lc thì lc ct và lc dc trc trong vòm, ni lc trong dm biên và trong dây treo gim hn khi ch có lõi bê tông làm vic. Riêng mô ment xut hin trong vòm tng. TÀI LIU THAM KHO 1. A. I. Kikin, R. s. Sanzharovski, V. A. Trull. Kt cu ng thép nhi bêtông . NXB Xây dng Hà Ni 1999 (bn dch ting vit) 2. Tp bn v Super-structure of arch bridge, Xom Cui bridge (nguyên bn ting Anh). 3. Phùng Mnh Tin – V Trí Thng. Bài báo “Cu vòm bng ng thép nhi bê tông”. Tp chí Giao Thông Vn Ti 6/2004. 4. Hi tiêu chun Trung Quc CECS 28-90: Qui trình thit k và thi công kt cu ng thép nhi bê tông. NXB K hoch Trung Quc, 11/1990 (nguyên bn ting Trung) Ngun: Tuyn Tp Hi Ngh Khoa Hc & Công Ngh Ln th 9, Trng i Hc Bách Khoa Tp. HCM www.cauduongonline.com.vn 620 5. Trn i Minh. Bài báo “Mt s nhn xét v tính Kinh t – K thut – M thut ca loi nhp vòm chy di Thép – Bêtông”. Tp chí giao thông vn ti. 6. Ding Dajun, prof., Nanjing Institute of Technology, Nanjing, China. “Development of concrete filled tubular Arch bridges, China”. Structural Engineering International 4/2001. Ngun: Tuyn Tp Hi Ngh Khoa Hc & Công Ngh Ln th 9, Trng i Hc Bách Khoa Tp. HCM www.cauduongonline.com.vn . C IM CU TO VÀ S  TÍNH TOÁN CU VÒM NG THÉP NHI BÊ TÔNG SOME STRUCTURAL FEATURES AND CALCULATING MODEL OF THE CONCRETE FILLED TUBULAR ARCH BRIDGE Phùng Mnh Tin và Nguyn Duy Dng*. structural features of the concrete filled tubular arch bridge. In the other hand, the main part of this article concentrates to analyze some results obtained from the various calculating model. SAP2000 to make the essence of the structure clearly. 1. MT S CU VÒM NG THÉP NHI BÊ TÔNG Cu vòm có th đc thit k bng đá, thép, bê tông ct thép, thép liên hp bê tông. Mt s