Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu ảnh hưởng sơ đồ bố trí trụ phụ đến nội lực cầu dây văng hai mặt phẳng dây

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên : VÕ THẾ PHƯƠNG Phái : Nam Ngày, tháng, năm sinh : 29/01/1984 Nơi sinh :Vĩnh Long Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm 1- TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên c

SƠ LƯỢC PHÁT TRIỂN CẦU DÂY VĂNG

Cầu dây văng xuất hiện từ thế kỷ 17, ban đầu được làm từ tre, nứa, gỗ và bắc qua các địa hình nguy hiểm Đến thế kỷ 18, với tiến bộ khoa học kỹ thuật, đặc biệt là sự xuất hiện của vật liệu thép cường độ cao, cầu dây văng mới được quan tâm và phát triển, nhờ vậy mà công nghệ thi công cầu cũng không ngừng tiến bộ.

Cùng với sự phát triển của máy tính hiện đại, đã tạo ra bước ngoặt trong việc phân tích tính toán chính xác mô hình không gian Ngày nay, nhiều công trình cầu dây văng vượt nhịp lớn được xây dựng và sử dụng.

Một số cầu dõy văng ủược thể hiện trờn hỡnh 1.1 ủến 1.14

Hỡnh 1.1 Cầu dõy văng theo ủề nghị của Poet (1970)

Hình 1.2 Cầu De la Cassagne do Gisclard thực hiện (1851)

Tổng chiều dài cầu 2371 m, không có trụ phụ

Chiều dài nhịp dây văng: 190.5m - 381m – 190.5m

Cầu rộng 30.25m trụ tháp cao 223m

Hình 1.4 Yangpu Bridge – Thượng Hải (1993)

Tổng chiều dài cầu 8354 m, có 1 trụ phụ ở mỗi nhịp biên

Chiều dài nhịp dây văng: 99m - 144m - 602m - 144m -99 m

Tổng chiều dài cầu 1480 m, nhịp dây văng: 50m-50m-170m-890m-270m-50m Một nhịp biên có 2 trụ phụ, nhịp biên còn lại có 1 trụ phụ

Hình 1.6 Cầu Vasco da Gama, Lisbon, Bồ đào Nha (1998)

Tổng chiều dài cầu 17185m, có 2 trụ phụ ở mỗi nhịp biên

Chiều dài nhịp dây văng: 67m-67m-69m - 420m - 69m-67m-67m

Hình 1.7 Mubarak-Peace Bridge – Ai Cập (2001)

Tổng chiều dài cầu 3.9km, có 2 trụ phụ ở mỗi nhịp biên

Chiều dài nhịp dây văng: 43m-50m-70m - 404m -70m-50m-43m Cầu rộng 19.8m trụ tháp cao 154m

Hình 1.8 Cầu Sutong – Thượng Hải (2008)

Tổng chiều dài cầu 3.9km, có 2 trụ phụ ở mỗi nhịp biên

Chiều dài nhịp dây văng: 43m-50m-70m - 404m -70m-50m-43m Cầu rộng 19.8m trụ tháp cao 154m

Tổng chiều dài cầu 1010 m, có 3 trụ phụ ở mỗi nhịp biên

Chiều dài nhịp dây văng: 3*27m - 159m - 530m - 159m - 3*27m

Cầu rộng 13m trụ tháp cao 152m

Chiều dài nhịp dây văng: 155m -350m -155m

Hình 1.12 Cầu Phú Mỹ – TP.HCM (2009)

Chiều dài nhịp dây văng: 162.5m -380m -162.5m

Chiều dài cầu 903m, có 1 trụ phụ ở nhịp biên

Chiều dài nhịp dây văng: 86m-129.5m-435m-129.5m-86m

Trụ tháp cao 90m (tính từ bản mặt cầu)

Chiều dài nhịp dây văng: 2*40m-150m-550m-150m-2*40m

Cầu rộng 26m trụ tháp cao 175.3m.

CÁC ðẶC ðIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VĂNG

SƠ ðỒ VÀ HÌNH THÁI CẦU DÂY VĂNG

Tựy thuộc vào ủiều kiện ủịa chất ủịa hỡnh tại khu vực vị trớ xõy cầu, trỡnh ủộ và khả năng về công nghệ thi công … , người thiết kế có thể lựa chọn số nhịp cần thiết, hợp lý

Hỡnh 2.1 Sơ ủồ cầu dõy văng 1 nhịp

Với sơ ủồ kết cấu (hỡnh 2.1), hệ dầm làm việc như một dầm liờn tục tựa lờn cỏc gối ủàn hồi trung gian là cỏc ủiểm neo dõy và cỏc gối cứng trờn mố Nhược ủiểm của sơ ủồ này là tồn tại lực ngang rất lớn tỏc dụng lờn mố neo, trụ neo, chớnh vỡ vậy mà cỏc mố neo thường có kích thước lớn, tốn kém Dầm cứng ngoài việc chịu uốn còn chịu lực dọc thay ủổi dấu gõy bất lợi cho việc ỏp dụng dầm cứng bằng BTCT

Do cỏc nhược ủiểm cơ bản như trờn, sơ ủồ cầu dõy văng 1 nhịp chỉ ỏp dụng trong ủiều kiện về ủịa hỡnh khú khăn như ủi qua cỏc thung lũng, cỏc khe suối sõu, hoặc vựng ủịa chất quỏ phức tạp khụng thể xõy dựng trụ thỏp ở giữa và bắt buộc phải xây dựng trụ tháp ở trên bờ

Sơ ủồ tổng quỏt của trường hợp này là cầu dõy văng cú hai nhịp chớnh ủược tựa lờn cỏc gối ủàn hồi (hỡnh 2.2 và hỡnh 2.3) Ưu ủiểm của sơ ủồ này là toàn bộ lực ngang do tĩnh tải và hoặc tải thông qua các dây văng truyền vào dầm chủ và tháp cầu

Cầu dây văng hai nhịp có thể có hai nhịp bằng nhau hoặc không bằng nhau tùy thuộc vào điều kiện địa hình, địa chất hoặc yếu tố mỹ quan.

Hình 2.2 CDV hai nhịp trên xa lộ (cầu Ludwigshafen ở ðức)

Hỡnh 2.3 CDV hai nhịp bắc qua ủịa hỡnh khú khăn (cầu Batman ở

Nhược ủiểm của cầu dõy văng hai nhịp là khả năng vượt nhịp khụng lớn, không mang lại hiệu quả kinh tế, kỹ thuật

Cầu dây văng 3 nhịp có ưu điểm vượt trội về mặt cơ học, khắc phục được nhược điểm của cầu dây văng một nhịp và hai nhịp Dây văng xa trụ tháp chủ yếu chịu kéo khi chịu hoạt tải, do đó tiết diện dầm được thanh mảnh và tiết kiệm hơn Đặc biệt, với khả năng vượt nhịp lớn, cầu dây văng 3 nhịp thích hợp để vượt qua các sông lớn Nhờ những ưu điểm vượt trội, cầu dây văng 3 nhịp được xây dựng chủ yếu trên thế giới.

Hỡnh 2.4 Cầu dõy văng ba nhịp ủiển hỡnh

2.1.4 Cầu dây văng nhiều nhịp:

Cầu dõy văng cú thể ủạt ủược cỏc nhịp rất lớn (100-1000m), nhưng thụng thường chỉ dựng ủến hệ 3 nhịp ủể vượt cỏc nhịp chớnh, phần cũn lại cú thể dựng cỏc nhịp dẫn Tuy nhiờn cũng cú thể dựng cầu nhiều nhịp dõy văng ủối với cỏc cầu bắc qua biển, nối từ ủảo này sang ủảo khỏc

2.1.5 Cầu dây văng có bố trí trụ phụ:

Để cải thiện điều kiện làm việc của dầm chủ nhịp biên, có thể bố trí trụ phụ ở nhịp biên Việc này giúp tăng độ dự trữ chịu kéo cho dây neo, đồng thời giảm ứng suất trong dầm chủ Tùy theo chiều dài nhịp biên và điều kiện địa chất, có thể bố trí một hoặc nhiều trụ phụ để đạt được hiệu quả mong muốn.

Khi nhịp biên trở thành hệ cầu dẫn, dầm chủ được kê bằng gối đàn hồi trên trụ phụ Sự xuất hiện của trụ phụ và gối đàn hồi trên nhịp biên sẽ làm giảm momen uốn dương ở nhịp giữa, giảm momen uốn âm trên trụ phụ và giảm momen uốn cực đại ở nhịp biên Nhờ đó, trụ phụ và gối đàn hồi giúp giảm momen uốn tại mọi vị trí dầm chủ cầu dây văng.

Cấu tạo gối ủàn hồi trờn trụ phụ cú thể ủược thực hiện bằng trụ neo, dầm mũ dạng ủũn gỏnh cú ủộ ủàn hồi theo thiết kế, bằng kết cấu gối kờ hờ hoặc bằng một dây văng neo trên tháp có chiều cao thấp

Hình 2.7 Mubarak-Peace Bridge – Ai Cập (2001)

Hình 2.8 Cầu Sutong – Thượng Hải (2008)

SƠ ðỒ VÀ SỰ PHÂN BỐ DÂY

Cầu dõy văng là một hệ liờn hợp giữa dầm cứng và cỏc dõy văng, mà sơ ủồ dõy là yếu tố trực tiếp ảnh hưởng ủến khả năng chịu lực và cỏc chỉ tiờu kinh tế kỹ thuật của cầu Thụng thường cú ba sơ ủồ phõn bố dõy: sơ ủồ dõy ủồng quy, sơ ủồ dõy song song, sơ ủồ dõy hỡnh rẽ quạt (hỡnh 2.9)

2.2.1 Sơ ủồ dõy ủồng quy:

Sơ ủồ ủồng quy là sơ ủồ cú cỏc dõy văng xuất phỏt từ ủỉnh trụ thỏp tỏa xuống và neo vào dầm chính với các góc nghiêng khác nhau của dây cáp

Trong sơ ủồ cỏc dõy ủược liờn kết cố ủịnh tại nỳt trờn của ủỉnh thỏp cầu nờn với mọi vị trí của tải trọng, nội lực của các dây thông qua nút và dây neo truyền vào mố trụ và dầm cứng, do ủú hệ cú ủộ cứng lớn Sơ ủồ này ủược dựng phổ biến và hiệu quả cao cho các cầu dây ít, khoang lớn

Hỡnh 2.9 Cầu dõy văng cú sơ ủồ dõy ủồng quy

2.2.2 Sơ ủồ dõy song song:

Sơ ủồ này cú cỏc dõy song song với nhau cả hai bờn của trụ thỏp, cỏc dõy bố trớ ủều nhau trờn trụ thỏp và trờn dầm chủ Ưu ủiểm của sơ ủồ dõy này là tại 1 ủiểm trờn trụ thỏp chỉ cú nhiều nhất là 2 neo của dõy văng do ủú việc cấu tạo neo cỏp tương ủối ủơn giản, ủồng thời sơ ủồ dõy này cú tớnh mỹ quan cao, do cỏc dõy song song nờn gúc nhỡn tại mọi vị trớ ủều khụng bị che khuất

Tuy nhiên, sơ đồ này cũng có nhược điểm: do gối đỡ là loại gối nghiêng nhỏ, nên làm giảm độ cứng của các nút neo gối và dầm Chỉ có một dầm trục được nối với dầm neo, còn các dầm khác được liên kết với dầm và tháp tại các điểm có chuyển vị đàn hồi, làm giảm độ cứng của hệ và làm tăng mômen uốn của dầm khi chịu tải trọng không đối xứng.

Hỡnh 2.10 Cầu dõy văng cú sơ ủồ dõy song song

2.2.3 Sơ ủồ dõy hỡnh rẽ quạt:

Sơ đồ dây văng bố trí trên trụ tháp có các nhánh văng bố trí hợp lý, chiều dài khoang dầm được lựa chọn tùy theo thiết kế Sơ đồ này phù hợp cho cầu dây văng nhịp lớn, khoang dầm nhỏ, nhiều nhánh phụ, đáp ứng công nghệ thi công hẫng hiện nay.

Do có khoang dầm nhỏ, các dây văng ở nhịp biên tại vị trí gần mố cầu làm việc kộm, do dõy cú ủộ cứng theo phương thẳng ủứng nhỏ (chiều dài lớn, gúc nghiờng nhỏ) lại neo vào vị trớ dầm cú ủộ cứng lớn (gần mố cầu), nờn momen uốn trong dầm cứng tại khu vực này thường lớn hơn nhiều so với các khu vực khác ðể khắc phục hiện tượng này ủồng thời tăng ủộ cứng của của cỏc gối ủàn hồi nhịp giữa thì có thể bố trí thêm các trụ neo phụ Các trụ neo có thể bố trí tại các nút dõy, hoặc bố trớ cỏch một vài khoang, miễn tạo ủược sự phõn bố hài hũa về momen uốn và vật liệu trong dầm cứng Trụ phụ còn có tác dụng làm giảm lực nén trong dõy neo khi hoạt tải ủứng trờn nhịp biờn Tuy nhiờn giỏ thành cụng trỡnh sẽ tăng lờn

Hỡnh 2.11 Cầu dõy văng cú sơ ủồ dõy rẽ quạt

SỐ MẶT PHẲNG DÂY

Số lượng mặt phẳng dây phụ thuộc vào bề rộng của mặt cắt ngang kết cấu cầu Cụ thể, đối với cầu có bề rộng nhỏ hơn 7m, thường được sử dụng một mặt phẳng dây; cầu có bề rộng từ 7m đến 20m sử dụng hai mặt phẳng dây Với những cầu có bề rộng lớn hơn, có thể lựa chọn ba hoặc bốn mặt phẳng dây để đảm bảo kết cấu vững chắc.

Số mặt phẳng dõy Sơ ủồ

Hỡnh 2.12 - Sơ ủồ bố trớ mặt phẳng dõy trong cầu treo dõy văng

HỆ LIÊN KẾT TRONG CẦU DÂY VĂNG

Thụng thường dầm cứng bố trớ liờn tục, gối cố ủịnh ủược bố trớ trờn một trong cỏc mố hoặc trụ cầu, cỏc gối di ủộng ủược bố trớ trờn cỏc mố, trụ cũn lại, khe co gión ủược bố trớ trờn mố cú gối di ủộng Cỏc dõy văng ủược neo vào dầm chủ Với cách bố trí như vậy lực dọc sẽ bằng không tại khoang giữa nhịp (nếu bỏ qua ảnh hưởng lực cắt của tháp cầu), và có trị số lớn nhất tại các khoang gần tháp Dây chịu kéo cân bằng với lực nén trong dầm chủ, hệ trở thành không có lực ngang và ủược gọi là hệ tự neo, lực nộn và dầm bờ tụng cốt thộp gõy ứng suất trước gọi là hệ tự ứng suất trước

Trong cỏc cầu dõy văng nhịp lớn, dõy dày, khoang nhỏ, moment uốn và ủộ vừng của dầm chủ phụ thuộc vào ủộ cứng của dầm và dõy ðể tăng ủộ cứng của dầm ta có thể bố trí thêm một số trụ neo phụ ở nhịp biên Tác dụng của trụ neo phụ như sau:

- Giảm moment uốn trong các khoang gần trụ neo

- Giảm moment uốn và ủộ vừng của cầu

- Giảm lực nén (dây bị chùng) trong dây

- Cú khả năng chịu ủược phản lực õm ở nhịp biờn

- Tăng thờm ủộ cứng của hệ

- Thi công cầu sẽ thuận lợi hơn

CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CẦU DÂY VĂNG

Trong cầu dây văng tồn tại hai loại tiết diện dầm chủ với nguyên lý làm việc và sự phân bố vật liệu hoàn toàn khác nhau:

Loại dầm đầu tiên là dầm chủ chịu cắt tiết diện bất kỳ, đặt tại các mặt phẳng dọc, chịu lực nội như biến dạng của dàn, gọi là dầm chủ đơn năng.

+ Loại thứ hai là cỏc dầm chủ cú tiết diện dạng khối, một bản ủặc, hoặc cú cấu tạo dạng hộp bằng bờ tụng cốt thộp hoặc bắng cỏc tấm thộp ủược gia cường bằng cỏc sườn dọc, ngang Cỏc dầm này ủược gọi là dầm chủ ủa năng

Với dầm chủ ủơn năng, cỏc bộ phận trong dầm làm việc ủộc lập nhau, dầm chủ chịu lực nộn và uốn trong mặt phẳng thẳng ủứng, khả năng chống xoắn theo phương ngang chủ yếu do dầm ngang và hệ dõy ủảm trỏch, dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp bản dọc và ngang Cỏc dầm chủ ủơn năng chỉ ủược dựng cho các cầu có nhiều mặt phẳng dây

Dầm chủ ủa năng cú khả năng chịu lực cục bộ cũng như tổng thể, khụng phõn biệt dầm chủ và hệ dầm mặt cầu Vật liệu cấu thành tiết diện hộp kớn ủược bố trí xa trọng tâm tạo khả năng chống uốn và chống xoắn cao, rất cần thiết cho cầu dây văng bố trí dây ở giữa

Dầm thép Dầm bê tông

Hình 2.13- Các loại dầm cứng trong cầu treo dây văng

Thỏp cầu là bộ phận rất quan trọng trong cầu dõy văng, quyết ủịnh cỏc chỉ tiờu kỹ thuật, kinh tế, mỹ quan và ủộ an toàn cụng trỡnh Thỏp cầu chịu toàn bộ tĩnh tải và hoạt tải tác dụng lên kết cấu nhịp, thông qua trụ tháp truyền tải trọng xuống ủất nền Tựy theo ủộ cứng chịu uốn của thỏp theo phuơng dọc cú thể phõn biệt thành hai loại tháp mềm và tháp cứng

Tháp cầu mềm là loại tháp được ủ cứng theo phương dọc, có ủộ cứng bộ và khả năng chịu uốn kém Khi tháp cầu liên kết khớp với trụ hoặc móng thì cũng được coi là tháp mềm, bất kể tiết diện của tháp như thế nào Chuyển vị ngang của ủỉnh tháp theo phương dọc cầu chủ yếu dựa vào ủộ cứng chịu kéo của dõy neo Tóm lại, theo phương dọc cầu, tháp mềm hoạt động tương tự như một thanh cầu đầu trờn liên kết khớp với dõy neo, đầu dưới ngàm hoặc liên kết khớp với trụ.

+ Thỏp cứng cú tiết diện ngang lớn, ủộ cứng theo phương dọc cầu ủủ lớn ủể hạn chế chuyển vị ngang của ủỉnh thỏp và chịu lực ngang của cỏc dõy văng Do ủú tháp phải liên kết cứng với trụ hoặc hệ móng Tháp cứng chịu tải như một thanh có một ủầu ngàm, một ủầu tự do chịu nộn uốn ðể ủảm bảo ủộ cứng ngang, hạn chế ủến mức tối thiểu chuyển vị ngang của ủỉnh thỏp và tiết kiệm vật liệu, thỏp cú thể cấu tạo dang chữ A hoặc Y ngược, H …

Hình 2.14 Trụ tháp thường sử dụng trong cầu hai mặt phẳng dây

Hình 2.15 Trụ tháp thường sử dụng trong cầu một mặt phẳng dây

Cầu dõy văng là loại cầu cú thể vượt ủược những nhịp rất dài, do ủú dõy văng thường cú chiều dài lớn, ủược căng và neo vào hai ủiểm cố ủịnh, dưới tỏc dụng của tải trọng bản thõn, dõy thường bị vừng, khi chịu hoạt tải, ủộ vừng giảm, dây duỗi thẳng gây thêm biến dạng phụ ðể hạn chế ảnh hưởng trên dây thường ủược chế tạo từ cỏc sợi thộp cường ủộ cao (cỏc sợi thộp ủơn ủặt song song hay là các bó dây cáp)

Dây văng là thành phần thiết yếu của hệ kết cấu, có chức năng chịu tải trọng tĩnh và động từ dầm chính, phân bổ lực xuống trụ tháp và tạo nên lực dọc trong dầm chính.

Hình 2.16 Các loại cáp thường dùng trong cầu dây văng a) thép thanh; b) thép sợi; c) tao cáp; d) cáp kín; e) bó cáp; g) cáp có sợi song song

Hình 2.17 Cáp neo vào trụ tháp

Hình 2.18 Cáp neo vào dầm chủ

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG

PHƯƠNG PHÁP LỰC

Phương pháp lực thay thế tác dụng của toàn bộ hoặc một phần các liên kết thừa, vốn khiến kết cấu trở nên siêu tĩnh, bằng các phản lực của chúng Kết cấu sau khi cắt toàn bộ hoặc một phần các liên kết thừa được gọi là kết cấu cơ bản Do đó, kết cấu cơ bản là kết cấu tĩnh định hoặc có bậc siêu tĩnh thấp hơn kết cấu ban đầu Quá trình hoạt động của kết cấu cơ bản chịu tác dụng của các phản lực liên kết và tải ngoài cũng tương tự như quá trình hoạt động của kết cấu ban đầu Giá trị của các phản lực liên kết được xác định dựa trên các điều kiện liên tục (tương thích) về chuyển vị tại các liên kết bị cắt Nói chung, phương trình chính tắc của phương pháp lực mô tả điều kiện liên tục về chuyển vị tại các liên kết bị cắt có dạng: δ11 δ1n X1 ∆ 1 p

Trong ủú : δ ij là chuyển vị tại liờn kết cắt thứ i do lực ủơn vị tại liờn kết j gõy ra trên kết cấu cơ bản, δ ij = δ ji

∆ ip là chuyển vị tại liờn kết bị cắt thứ i do tỏc ủộng bờn ngoài sinh ra trên kết cấu cơ bản và

X i , ủược gọi là ẩn cơ bản i, là phản lực tại liờn kết bị cắt thứ i

Cỏc thành phần ủỏp ứng như nội lực, chuyển vị, v.v…, trờn kết cấu siờu tĩnh ủược xỏc ủịnh theo quan hệ sau:

S là thành phần ủỏp ứng trờn kết cấu siờu tĩnh cần tớnh,

S i là thành phần ủỏp ứng do X i = 1 gõy ra trờn kết cấu cơ bản và

S op là thành phần ủỏp ứng do tỏc ủộng bờn ngoài gõy ra trờn kết cấu cơ bản.

PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN VỊ

Ý tưởng chính của phương pháp này là dùng các ẩn chuyển vị trong kết cấu ủể mụ tả trạng thỏi chuyển vị của nú và, qua ủú, xỏc ủịnh cỏc giỏ trị ủỏp ứng khỏc của kết cấu Cỏc ẩn chuyển vị ủược phõn biệt thành ẩn chuyển vị gúc và ẩn chuyển vị thẳng

Cơ sở ủể tỡm ra cỏc ẩn chuyển vị gúc là nguyờn tắc tương thớch về biến dạng tại các nút cứng của kết cấu: tại một nút cứng, các phần tử có góc quay như nhau Ẩn chuyển vị thẳng ủược xỏc ủịnh trờn sơ ủồ khớp, là sơ ủồ mà ở ủú, cỏc liờn kết cứng ủược thay bằng cỏc khớp Ẩn chuyển vị thẳng tương ứng với liờn kết cần ủặt thờm ủể sơ ủồ khớp khụng biến dạng hỡnh học

Kết cấu cơ bản của phương phỏp chuyển vị là kết cấu cú ủược sau khi ủặt thêm các liên kết chống quay vào vị trí của các ẩn chuyển vị quay và liên kết chống chuyển vị thẳng vào nơi có chuyển vị thẳng Như vậy, kết cấu cơ bản của phương phỏp chuyển vị cú bậc siờu tĩnh cao hơn kết cấu ban ủầu và ủược tạo thành từ cỏc bộ phận ủộc lập, cú trạng thỏi ứng suất, biến dạng tương ủối ủơn giản và dễ xỏc ủịnh, vớ dụ như cỏc ủoạn thanh thẳng

Cỏc ẩn cơ bản của phương phỏp chuyển vị ủược xỏc ủịnh từ ủiều kiện cõn bằng tại cỏc liờn kết ủặt thờm tức là tại ủiểm ủặt của cỏc ẩn này Một cỏch khỏi quỏt, phương chỡnh chớnh tắc mụ tả ủiều kiện cõn bằng ủể xỏc ủịnh cỏc ẩn cơ bản của phương pháp chuyển vị là:

Trong ủú: r ij là phản lực tại liờn kết ủặt thờm tương ứng với ẩn cơ bản i do ẩn cơ bản R j

= 1 gây ra trên kết cấu cơ bản

R ij là phản lực tại liờn kết ủặt thờm tương ứng với ẩn cơ bản i do tỏc ủộng bên ngoài sinh ra

Cỏc thành phần ủỏp ứng như nội lực, chuyển vị…, trờn kết cấu siờu tĩnh ủược xỏc ủịnh theo quan hệ sau:

S là thành phần ủỏp ứng trờn kết cấu siờu tĩnh cần tớnh

S i là thành phần ủỏp ứng do R i = 1 gõy ra trờn kết cấu cơ bản và

S op là thành phần ủỏp ứng do tỏc ủộng bờn ngoài gõy ra trờn kết cấu cơ bản.

PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN

Phương pháp phần tử hữu hạn là một trong những phương pháp tổng quát nhất ủể xõy dựng mụ hỡnh số của mụ hỡnh toỏn học Phương phỏp này chia khụng gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ), các phần tử liờn kết với nhau tại cỏc ủiểm nỳt Thụng thường, ẩn cơ bản của phương phỏp phần tử hữu hạn là cỏc chuyển vị của cỏc nỳt Cỏc ẩn này ủược xỏc ủịnh dựa trờn ủiều kiện cõn bằng của toàn kết cấu theo phương trỡnh cú dạng:

[ ] Κ là ma trận ủộ cứng của kết cấu, ủược xõy dựng từ ma trận ủộ cứng của các phần tử;

[ ] q là ma trận chuyển vị nút cần tìm và

[ ] P là ma trận ngoại lực nút

Sau khi xỏc ủịnh ủược ma trận chuyển vị nỳt, chuyển vị tại một ủiểm bất kỳ trong phần tử ủược xỏc ủịnh dựa trờn cỏc hàm dạng mụ tả quan hệ chuyển vị của một ủiểm bất kỳ với cỏc chuyển vị nỳt

Trong bài luận văn kỳ này, học viờn dựng phần mền Midas/Civil ủể phục vụ cho việc phân tích và tính toán.

NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN

Việc tính toán cầu treo dây văng bao gồm tính toán nội lực và biến dạng của các bộ phận kết cấu trong quá trình xây dựng cũng như khai thác

Dầm chủ là dầm liên tục trên các gối đàn hồi là dầm võng, trụ tháp được xem là dầm chịu lực nén, uốn, dầm võng được xem là phần tử thanh chỉ chịu kéo Trên thực tế, dầm võng có độ võng do đặt nghiêng và có trọng lượng bản thân, độ võng này thay đổi theo trạng thái nội lực của dầm Để xét ảnh hưởng của độ võng dầm võng, độ cứng của chúng được tính như tổng của hai thành phần: độ cứng đàn hồi và độ cứng hình học.

- Sự làm việc của kết cấu trong giai ủoạn thi cụng: Ứng với mỗi bước thi cụng sẽ cú một sơ ủồ chịu lực riờng, cỏc thụng số về nội lực, biến dạng sẽ ủược tớch lũy và thay ủổi trong quỏ trỡnh thi cụng

- Sự làm việc của kết cấu trong quỏ trỡnh khai thỏc: Sơ ủồ tớnh toỏn là sơ ủồ hoàn thiện, chịu tỏc ủộng của cỏc loại tải trọng: tỡnh tải, hoạt tải, tĩnh tải bổ sung…

Việc điều chỉnh nội lực trong quá trình thi công là vấn đề quan trọng để đảm bảo cấu trúc hoạt động hiệu quả Sự điều chỉnh này có thể thực hiện theo hai cách: điều chỉnh dây văng hoặc điều chỉnh hình học của dầm chủ Điều chỉnh hình học dầm chủ chỉ thay đổi hình dạng, trong khi điều chỉnh nội lực dây văng có thể thay đổi cả hình dạng và nội lực của cấu trúc Đối với các công trình hiện đại, phương pháp điều chỉnh nội lực dây văng được sử dụng phổ biến hơn do tính hiệu quả cao.

Với sự hỗ trợ của chương trỡnh tinh toỏn Midas/Civil, việc ủiều chỉnh nội lực ủược dựa theo 2 phương phỏp: mụ hỡnh húa thuận và mụ hỡnh húa nghịch

- Mô hình hóa thuận: Với mô hình này sẽ giúp ta mô hình hóa và phân tích kết cấu trong giai ủoạn thi cụng theo ủỳng trỡnh tự thi cụng thực tế, cú xột ủến cỏc ảnh hưởng của các yếu tố thời gian Theo phương pháp mô hình hóa thuận, nội lực và biến dạng của cỏc bộ phận kết cấu ủược chương trỡnh tớnh toỏn và tớch lũy dần theo quỏ trỡnh thi cụng Lực căng ban ủầu trong cỏp ủược xỏc ủịnh như là tổng của 2 thành phần: lực ủiều chỉnh ủược xỏc ủịnh ở trạng thỏi hoàn thành cầu và lực ủiều chỉnh ở từng giai ủoạn thi cụng Tuy nhiờn, quỏ trỡnh phõn tớch này rất phức tạp, trong một số trường hợp quá trình phân tích có thể sẽ cho các kết quả khác nhau, có khi khụng thực hiện ủược

Mô hình hóa ngược thực hiện phân tích và mô hình hóa cấu trúc ở các giai đoạn thi công ngược chiều với thứ tự thi công thực tế Nội lực trong từng giai đoạn thi công được xác định từ giai đoạn hoàn thành cầu mà không cần phải tính toán thử dần như theo mô hình hóa thuận Tuy nhiên, mô hình này không cho phép xem xét được ảnh hưởng của thời gian đến các tính chất của kết cấu.

Việc ủiều chỉnh nội lực ủược tớnh toỏn theo phương phỏp hệ số tải trọng ẩn (Unknown load fator), nội dung của việc ủiều chỉnh như sau:

1 Xỏc ủịnh trạng thỏi ủiều chỉnh (sơ ủồ kết cấu, ủiều kiện biờn, tải trọng tại giai ủoạn thi cụng)

2 Xỏc ủịnh mục tiờu ủiều chỉnh (cỏc ủại lượng mục tiờu và ủiều kiện)

3 Xỏc ủịnh cỏc ẩn ủiều chỉnh, cỏc dữ liệu ủó biết ảnh hưởng ủến cỏc ủại lượng mục tiờu (trong trường hợp cỏc ẩn ủiều chỉnh là tải trọng, sẽ cú tổ hợp tải trọng ủiều chỉnh bao gồm cỏc ẩn tải trọng và cỏc tải trọng ủó biết với những hệ số tương ứng),

4 Xỏc ủịnh cỏc yếu tố trong hàm ủiều chỉnh và lập hàm ủiều chỉnh

5 Thiết lập cỏc phương trỡnh ủiều chỉnh

6 Giải hệ các phương trình tìm ra các ẩn Trong nhiều trường hợp, nghiệm tỡm ra khụng phải là duy nhất, khi ủú nờn xỏc ủịnh thờm những ủiều kiện cụ thể ủể cú thể lấy ra ủược nghiệm hợp lý nhất.

TRÌNH TỰ MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ CẦU DÂY VĂNG BẰNG PHẦN MỀM MIDAS-CIVIL

Hình 3.1 Trình tự mô hình hóa thiết kế cầu dây văng bằng phần mềm Midas Civil

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ðỒ BỐ TRÍ TRỤ PHỤ ðẾN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU DÂY VĂNG

CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU

L b , L c , L – chiều dài nhịp biên, nhịp chính, và chiều dài cầu (m) a1, a2 – khoảng cách trụ phụ (m)

Hỡnh 4.1 Sơ ủồ cầu dõy văng 3 nhịp 2 mặt phẳng dõy cú bố trớ trụ phụ ở nhịp biờn

Việc phõn tớch ủược tiến hành trờn 3 sơ ủồ cầu, ứng với mỗi sơ ủồ cầu tiến hành di chuyển vị trí của trụ neo phụ ở nhịp biên với giá trị (0≤ a1≤ L b /3, 0≤ a2≤ L b /3)

Do vị trớ trụ neo phụ cần phõn tớch cho 1 sơ ủồ cầu tương ủối nhiều nờn rất khó thể hiện các giá trị nội lực hoặc biến dạng ứng với từng vị trí trụ neo chung trong 1 biểu ủồ, vỡ vậy cỏc giỏ trị ủược so sỏnh ủỏnh giỏ chủ yếu là cỏc giỏ trị lớn nhất (moment lớn nhất dầm biờn khu vực ủầu dầm và gần trụ thỏp, dầm giữa, trụ thỏp, lực căng dõy lớn nhất, chuyển vị lớn nhất…) Cỏc giỏ trị ủược so sỏnh thụng qua tỉ lệ thay ủổi của mỗi trường hợp vị trớ cú trụ phụ so với khi khụng cú trụ phụ, và ủược minh họa bằng cỏc biểu ủồ Cỏc trường hợp phõn tớch so sỏnh

Nhịp Tải trọng Moment Chuyển vị

Moment xoắn dầm chủ Mx x x 7 x x 8

Moment uốn dầm chủ My x x x 9 x x x 10 x x x 11 x x x 12 x x x 13 x x x 14 x x x 15 x x x 16

Momen uốn trụ tháp My x 17 x 18

Momen uốn trụ tháp Mz x 19 x 20

Momen xoắn trụ tháp Mx x 21 x 22

4.1.2 Thông số hình học của cầu:

Với nội dung luận văn, chỉ tiến hành phân tích cầu dây văng 2 mặt phẳng dõy, sơ ủồ dõy rẽ quạt, trụ thỏp hỡnh chữ H Cỏc thụng số kớch thước cầu ủược chọn dựa trờn cơ sở tham khảo cỏc cụng trỡnh ủó hoàn thiện trờn thế giới và trong nước (cầu Sutong – Trung Quốc, cầu Tatara – Nhật, cầu Queen Elizabeth 2 - Anh, cầu Vasco da Gama Ờ Bồ đào Nha, cầu Phú Mỹ - Tp HCM, cầu Cần Thơ Ờ Cần Thơ, cầu Mỹ Thuận – Tiền Giang…), có thể chọn các thông số cầu như sau:

(GS TS Lê đình Tâm, KS Phạm Duy Hòa, Cầu dây văng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội – 2001)

(KS ðinh Quốc Kim, Thiết kế và Xõy dựng Cầu dõy văng ủường bộ, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội – 2008)

Diện tích và chiều cao dầm chủ:

Chiều dài nhịp giữa và chiều cao dầm chủ

Chiều dài dầm chính và chiều cao trụ tháp

(KS ðinh Quốc Kim, Thiết kế và Xõy dựng Cầu dõy văng ủường bộ, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội – 2008)

A : diện tích tiết diện dầm chủ (m 2 )

S max : lực dọc tính toán lớn nhất trong dầm chủ do tĩnh tải và hoạt tải (kN)

R : cường ủộ tớnh toỏn của vật liệu dầm chủ (kN/m 2 ) k : hệ số xét tới ảnh hưởng của mômen uốn và ảnh hưởng uốn dọc h : Chiều cao dầm chủ (m)

H : Chiều cao trụ tháp (gốc nghiêng dây văng chọn khoảng 30 0 ) (m)

S i : nội lực do tĩnh tải và hoạt tải trong dõy văng xỏc ủịnh với cỏc hệ số tương ứng với quy phạm hiện hành (kN) f : cường ủộ tớnh toỏn của vật liệu làm dõy (kN/m 2 )

Từ cỏch chọn cỏc thụng số hỡnh học của cầu như trờn, ta cú thể chọn ủược thụng số của cầu cần phân tích như sau:

Thông số kỹ thuật cơ bản TH1 TH2 TH3 TH4

Chiều cao trụ tháp (trụ chữ H) 100m 125m 150m 175m

Sơ ủồ dõy Rẽ quạt Rẽ quạt Rẽ quạt Rẽ quạt

Sau ủõy là cấu tạo và bố trớ chung cầu cho cỏc trường hợp phõn tớch:

Hình 4.2 Bố trí chung cầu trường hợp 1 ĐOẠN 1ĐOẠN 2ĐOẠN 3

Hình 4.3 Cấu tạo dầm, trụ tháp cầu trường hợp 1

Hình 4.4 Bố trí chung cầu trường hợp 2

4.1.3 Thông số vật liệu, mô hình hóa và tải trọng phân tích:

Dây văng: cáp DƯL, bó gồm nhiều tao cáp 15.2mm

Dưới sự hỗ trợ của phần mềm Midas, ta có thể lập mô hình bài toán như sau: Dõy văng: ủược mụ hỡnh húa là thanh cú khả năng chịu kộo nộn

Tất cả cỏc phần tử cũn lại ủược mụ hỡnh húa bằng dạng dầm

Hỡnh 4.10 Quy ủịnh hệ tọa ủộ cho phần tử dầm

Hình 4.11 Mô hình hóa cầu dây văng bằng phầm mềm Midas/Civil

Tĩnh tải (tải bản thõn và lực dõy văng ủiều chỉnh)

Tĩnh tải (tải bản thõn và lực dõy văng ủiều chỉnh) + hoạt tải

Theo quy trỡnh thiết kế cầu hiện nay ở Việt Nam thỡ hoạt tải ủược tớnh toỏn như sau:

- Tải trọng làn: bao gồm tải trọng rải ủều 9.3 KN/m xếp theo phương dọc cầu, theo phương ngang cầu tải trọng này phân bố theo chiều rộng 3m

- Hoạt tải ô tô: xe tải thiết kế nặng 325KN (trục trước nặng 35KN, hai trục sau nặng 145KN) hoặc xe hai trục nặng 220 KN (mỗi trục nặng 110KN)

Bề rộng mặt cầu ủược chọn ủể tớnh toỏn là 18m, do ủú số làn xe ủược khai bỏo là 4 làn xe, cụ thể như sau:

TẢI TRỌNG LÀN 1, B=3.0m 0.5m TẢI TRỌNG LÀN 2, B=3.0m 0.25m 0.25m

Hỡnh 4.12 1/2 sơ ủồ bố trớ tải trọng làn

Sơ đồ bố trí tải trọng xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế chỉ tập trung phân tích các sơ đồ cầu trong giai đoạn hoàn thiện, bỏ qua các tải trọng thi công và ảnh hưởng của các yếu tố thời gian.

CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

4.2.1.1 Lực nén dọc dầm Fx ở nhịp biên: (trường hợp xét 1 và 3)

Bảng 4.1 Lực nén dọc dầm F x nhịp biên

Trụ neo 1 Trụ neo 2 Lực nén dọc Fx(kN) - Nhịp biên a1

Vị trí(m) từ ủầu nhịp biên

Biểu ủồ 4.1 Lực nộn dọc dầm F x nhịp biờn

(Trờn biểu ủồ, ủiểm màu ủỏ ủầu tiờn là trường hợp khụng cú trụ phụ Cỏc ủiểm màu ủỏ cũn lại là trường hợp chỉ cú 1 trụ phụ)

1 tru phu ko tru phu ko tru phu

4.2.1.2 Lực nén dọc dầm Fx ở nhịp giữa: (trường hợp xét 2 và 4)

Bảng 4.2 Lực nén dọc dầm F x nhịp giữa

Trụ neo 1 Trụ neo 2 Lực nén dọc Fx(kN) - Nhịp giữa a1

Biểu ủồ 4.2 Lực nộn dọc dầm F x nhịp giữa

(Trờn biểu ủồ, ủiểm màu ủỏ ủầu tiờn là trường hợp khụng cú trụ phụ Cỏc ủiểm màu ủỏ cũn lại là trường hợp chỉ cú 1 trụ phụ) ko tru phu

1 tru phu ko tru phu

4.2.1.3 Lực kéo dọc dầm Fx ở nhịp giữa: (trường hợp xét 5 và 6)

Bảng 4.3 Lực kéo dọc dầm F x nhịp giữa

Trụ neo 1 Trụ neo 2 Lực kéo dọc Fx (kN) - Nhịp giữa a1

Biểu ủồ 4.3 Lực kộo dọc dầm F x nhịp giữa

Nhận xét lực dọc Fx:

Khi di chuyển vị trí của trụ phụ (0≤ a1≤ L b /3, 0≤ a2≤ L b /3) ta thấy:

Trường hợp xét do tĩnh tải: khi bố trí 1 hoặc 2 trụ phụ, giá trị lực dọc (lực nộn) dầm chủ hầu như khụng cú sự thay ủổi ủỏng kể, giỏ trị này dao ủộng từ 100% ∼ 101% so với trường hợp không có trụ neo phụ ( a1= 0, a2= 0)

Trường hợp xét do tĩnh tải+hoạt tải: khi bố trí 1 hoặc 2 trụ phụ, giá trị lực dọc (lực nộn) dầm chủ hầu như khụng cú sự thay ủổi ủỏng kể, giỏ trị này dao ủộng từ 100% ∼ 101% so với trường hợp khụng cú trụ neo phụ ( a 1 =0, a 2 = 0)

Dầm chủ ở nhịp giữa: trong cả 2 trường hợp xét (tĩnh tải và tĩnh tải+hoạt tải), giỏ trị lực nộn dọc và kộo dọc của dầm chủ hầu như thay ủổi khụng ủỏng kể Cụ thể: lực nộn dọc dao ủộng từ 100% ∼ 101% và lực kộo dọc dao ủộng từ 99% ∼ 100% so với trường hợp không có trụ neo phụ

Sau ủõy là biểu ủồ lực dọc dầm chủ:

Hình 4.14 Lực dọc dầm chủ khi không có trụ phụ - tĩnh tải

Hình 4.15 Lực dọc dầm chủ khi có 1 trụ phụ - tĩnh tải

Hình 4.16 Lực dọc dầm chủ khi có 2 trụ phụ - tĩnh tải

Hình 4.17 Lực dọc dầm chủ khi không có trụ phụ - tĩnh tải + hoạt tải

Hình 4.18 Lực dọc dầm chủ khi có 1 trụ phụ - tĩnh tải + hoạt tải

Hình 4.19 Lực dọc dầm chủ khi có 2 trụ phụ - tĩnh tải + hoạt tải

4.2.1.4 Moment xoắn dầm chủ Mx do tĩnh tải + hoạt tải: (trường hợp xét 7 và 8)

Bảng 4.4 Moment xoắn dầm chủ do tĩnh tải + hoạt tải

Trụ neo 1 Trụ neo 2 Moment xoắn Mx (kN.m) a1

Biểu ủồ 4.4 Moment xoắn dầm chủ do tĩnh tải + hoạt tải

Nhận xét moment xoắn dầm chủ Mx:

Khi di chuyển vị trí của trụ phụ (0≤ a1≤ L b /3, 0≤ a2≤ L b /3) ta thấy:

Tương tự như khi xét sự thay đổi về lực dọc dầm, trong cả hai trường hợp (tĩnh tải và tĩnh tải cộng hoạt tải) thì giá trị mô men xoắn dầm chủ cũng không có sự thay đổi đáng kể, giá trị này dao động từ 93% ∼ 100% so với khi không có trụ neo phụ, và giá trị này lớn nhất tại vị trí trụ tháp.

Hình 4.20 Moment xoắn dầm chủ do tĩnh tải + hoạt tải – không có trụ phụ

Hình 4.21 Moment xoắn dầm chủ do tĩnh tải + hoạt tải – có 1 trụ phụ

Hình 4.22 Moment xoắn dầm chủ do tĩnh tải + hoạt tải – có 2 trụ phụ

4.2.1.5 Moment uốn dầm chủ My ở nhịp biên do tĩnh tải: (trường hợp 9 và 10)

Bảng 4.5 Moment uốn dầm chủ ở nhịp biên do tĩnh tải ( L b /2)

Biểu ủồ 4.6 Moment uốn dầm chủ ở nhịp biờn do tĩnh tải (>Lb/2)

4.2.1.6 Moment uốn dầm chủ My ở nhịp giữa do tĩnh tải: (11 và 12)

Bảng 4.7 Moment uốn dầm chủ ở nhịp giữa do tĩnh tải

Trụ neo 1 Trụ neo 2 Moment uốn dầm chủ My (kN.m) - Nhịp giữa

Biểu ủồ 4.7 Moment uốn dầm chủ ở nhịp giữa do tĩnh tải

4.2.1.7 Moment uốn dầm chủ My ở nhịp biên do tĩnh tải + hoạt tải: (13 và 14)

Bảng 4.8 Moment uốn dầm chủ ở nhịp biên do tĩnh tải +hoạt tải (0,a 2 =0), trụ càng tiến về L b /3 thì moment âm dầm chủ có xu hướng giảm dần, và tại vị trí a 1 = L b /3 có giá trị moment âm nhỏ nhất (67.3%) so với trường hợp không có trụ neo phụ Khi bố trí trụ phụ thứ 2, giá trị moment âm càng giảm Các giá trị này nằm ở gần trụ tháp Cụ thể: + 1 trụ phụ giảm còn 95.4%, 2 trụ giảm còn 62.7% (-32.7%) + 1 trụ phụ giảm còn 93.2%, 2 trụ giảm còn 66.4% (-26.8%) + 1 trụ phụ giảm còn 92.9%, 2 trụ giảm còn 65.8% (-27.1%) + 1 trụ phụ giảm còn 91.6%, 2 trụ giảm còn 63.8% (-27.8%) + 1 trụ phụ giảm còn 71.2%, 2 trụ giảm còn 63.3% (-7.9%) + 1 trụ phụ giảm còn 67.3%, 2 trụ giảm còn 74.2% (+6.9%)

→ giỏ trị 2 trụ phụ giảm ủược hơn so với trường hợp 1 trụ phụ sẽ giảm dần Giỏ trị moment õm giảm ủược nhiều nhất khi bố trớ 2 trụ phụ là 63.3% (a 1 =L b /4, a 2 =L b /5)

Trường hợp xét do tĩnh tải+hoạt tải:

• Giá trị moment dương (căng thớ dưới dầm chủ):

Xét vị trí dầm chủ 0,a 2 =0), trụ càng tiến về L b /3 thì moment dương dầm chủ có xu hướng giảm dần, tại vị trí a 1 = L b /3 có giá trị moment dương nhỏ nhất (40.4%) so với trường hợp không có trụ neo phụ (a 1 =0,a 2 =0) Khi bố trí thêm trụ phụ thứ 2, giá trị moment dương có xu hướng giảm xuống ủỏng kể, giảm nhiều nhất là 27.1% (a 1 = L b /4, a 2 = L b /4) so với trường hợp không có trụ neo phụ Cụ thể:

Trong quá trình phục hồi từ cơn bão số 4, một số trụ điện đã phục hồi trở lại Trụ phụ giảm còn 74,4%, 2 trụ còn lại giảm 38,4% (-36%) Trụ phụ giảm còn 72,9%, 2 trụ còn lại giảm 37,7% (-35,2%) Trụ phụ giảm còn 71,0%, 2 trụ còn lại giảm 35,9% (-35,1%) Trụ phụ giảm còn 67,2%, 2 trụ còn lại giảm 33,3% (-33,9%) Trụ phụ giảm còn 45,8%, 2 trụ còn lại giảm 27,1% (-18,7%) Trụ phụ giảm còn 40,4%, 2 trụ còn lại giảm 35,9% (-4,5%).

→ giỏ trị 2 trụ phụ giảm ủược hơn so với trường hợp 1 trụ phụ sẽ giảm dần

Tiêu đề	Nghiên cứu ảnh hưởng sơ đồ bố trí trụ phụ đến nội lực cầu dây văng hai mặt phẳng dây
Tác giả	Võ Thế Phương
Người hướng dẫn	TS. Phùng Mạnh Tiến
Trường học	Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Kỹ thuật Xây dựng
Thể loại	Luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2011
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	183
Dung lượng	7,32 MB