MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU TS NGUYỄN VIẾT TRUNG

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH HÓA VÀ PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU 1.1. Các khái niệm cơ bản Trong phần này giới thiệu các khái niệm cơ bản của kết cấu nói chung và kết cấu cầu nói riêng. Phương pháp mô hình hóa và phân tích kết cấu cũng được trình bày, đặc biệt là phương pháp mô hình hóa và phân tích phần tử hữu hạn. 1.1.1 Chức năng cơ bản của kết cấu Chức năng cơ bản của mọi kết cấu là chịu tải trọng. Các tải trọng này rất đa dạng về cách thức tác dụng và nói chung phụ thuộc vào mục đích mà kết cấu được xây dựng. Trong cầu dàn thép, các thanh thép dàn chịu tải trọng gió, tải trọng do bản mặt cầu truyền qua, bản mặt cầu chịu tác động của hoạt tải, tải trọng người đi bộ và lớp phủ mặt cầu. Dàn lại được đỡ bởi nền móng làm cho hệ thống kết cấu được ổn định. Các kết cấu khác mang những tải trọng khác. Kết cấu mặt đường chịu trực tiếp tải trọng xe cộ và truyền xuống nền đường một cách êm thuận, tường chắn lại làm nhiệm vụ chống trượt của nền. Cống làm nhiệm vụ thoát nước và giữ ổn định cho kết cấu bao quanh khỏi tác động của nước, Tuy các kết cấu có thể chịu các loại tải trọng phức tạp khác nhau, chúng đều phải chịu một loại tải trọng là trọng lượng bản thân của chúng. 1.1.2 Các dạng kết cấu cầu Việc quyết định hình dạng một kết cấu phụ thuộc vào kỹ sư thiết kế kết cấu và mục đích mà kết cấu được đòi hỏi. Công nghệ vật liệu và mỹ học là những vấn đề thường được quan tâm. Tiêu chí về kết cấu mới cũng như khả năng tiết kiệm giá thành và hạn chế tác động môi trường cũng cần được xem xét. Theo mục đích phân tích và xây dựng, các kết cấu được chia thành nhiều loại phần tử kết cấu, mặc dù mỗi phần tử kết cấu này trong một tình huống nào đó, có thể là một kết cấu đầy đủ. Ví dụ, một cái dầm có thể là một cầu cho người đi bộ vượt qua song (hình 1.1) hoặc là một phần của một kết cấu lớn (hình 1.2). Dầm là loại phần tử kết cấu phổ biến nhất và mang các tải trọng cùng với sự phát triển của các lực cắt và mô men uốn dọc theo chiều dài của nó. 1 Hình 1.1: Dầm đóng vai trò là một cây cầu đơn giản Khi chiều dài nhịp tăng, sử dụng các dầm đỡ bản mặt cầu có thể không kinh tế, kết cấu dàn được sử dụng. Các phần tử dàn mang tải trọng với sự phát triển của thành phần lực dọc trong nó. Cùng với một chiều dài nhịp, kết cấu dàn có vẻ lớn hơn nhưng do cấu tạo tự nhiên của nó, tải trọng bản thân lại nhẹ hơn so với kết cấu dầm. Hình 1.2: Kết cấu khung sử dụng nhiều phần tử dầm 2 Dầm Hình 1.3: Kết cấu cầu dàn Hình 1.4: Kết cấu khung dầm Việc sử dụng kết cấu cầu dàn chỉ thích hợp cho các nhịp có chiều dài trung bình đổ lại. Trong tình huống này cầu vòm thường được sử dụng. Hình 1.5: Cầu vòm 3 b)a) Dầm Cột Vòm Vòm a) Thanh treo Dầm b) Hình 1.5a là sơ đồ của dạng cầu vòm với dầm bản cầu được đỡ bởi các cột trụ trên vòm. Trong hình 1.5b dầm cầu có thể được treo bởi các thanh treo từ vòm. Các vòm chịu phần lớn các tải trọng của cầu với sự phát triển của các ứng suất nén trong vòm và do vậy được xây dựng chủ yếu với các vật liệu có cường độ chịu nén cao và cường độ kéo thấp. Đối với các cầu nhịp lớn, và thỉnh thoảng ở các cầu nhịp nhỏ, cáp được sử dụng để đỡ kết cấu dầm cầu. Nói chung, cáp được bố trí vượt qua yên tháp tại vị trí đỉnh tháp và được cố định ở mỗi đầu trong nền đất bằng các khối neo. Điển hình là cầu treo dây võng có cáp chính đỡ kết cấu dầm cầu thông qua cáp treo. Cáp chính được vắt qua tháp và được neo tại các mố neo. Hình 1.6: Cầu treo dây võng Với sự phát triển của công nghệ vật liệu và thi công cũng như các phương pháp phân tích thiết kế, nhiều loại cầu được xây dựng và phát triển. Dưới đây giới thiệu những loại kết cấu cầu phổ biến hiện nay.  Cầu bê tông: cầu bản, cầu dầm T, cầu dầm hộp  Cầu bê tông phân đoạn: cầu đúc hẫng, cầu đúc đẩy, cầu dầm thi công theo phương pháp đà giáo di động, cầu vòm khung cứng và cầu dàn vòm, cầu dây văng thi công phân đoạn,  Cầu dầm liên hợp: cầu dầm I liên hợp bê tông cốt thép, cầu dầm hộp liên hợp bê tông cốt thép.  Cầu dầm bản trực hướng  Cầu cong: cầu cong dầm I thép, cầu cong dầm hộp thép, cầu cong bê tông cốt thép  Cầu dàn  Cầu vòm 4 Cáp treo Cáp chính Dầm Tháp Mố neo  Cầu treo dây võng  Cầu treo dây văng  Cầu gỗ 1.1.3 Các bộ phận chịu lực của kết cấu cầu Việc tìm hiểu và xác định các bộ phận chịu lực của kết cấu giúp cho quá trình mô hình hóa và phân tích kết cấu được thuận lợi và chính xác. Trong kết cấu, tùy theo mục đích phân tích mà một số cấu kiện có thể là kết cấu chịu lực hoặc chỉ đóng vai trò như tải trọng hoặc hệ truyền tải trọng cho bộ phận chịu lực của kết cấu. Kết cấu cầu thường chia thành hai hệ thống con là: hệ thống kết cấu phần trên và hệ thống kết cấu phần dưới. Việc phân chia này giúp cho công tác mô hình hóa và phân tích được dễ dàng hơn. Phân tích kết cấu tổng thể cũng có thể chia thành các phân tích riêng cho kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới hoặc kết hợp chúng lại với nhau. 1.1.3.1 Hệ thống kết cấu phần trên 1.1.3.1.1 Hệ thống kết cấu dầm hay nhịp vượt Kết cấu dầm hoặc kết cấu nhịp vượt là bộ phận tiếp nhận trực tiếp tải trọng người đi bộ và các phương tiện giao thông qua cầu. 1.1.3.1.2 Hệ thống gối Tải trọng tác dụng lên kết cấu được truyền xuống nền móng của cầu thông qua các gối. Trong thực tế, các gối có thể phức tạp, chúng được lý tưởng hóa thành một dạng 5 Hình 1.7: Lý tưởng hóa một gối chốt Gối Chốt Dầm Bu lông Móng a) b) có thể thuận lợi cho việc phân tích. Một gối có thể cho phép quay nhưng chống sự dịch chuyển có thể được minh họa như hình 1.7a. Nhưng để biểu diễn cho các mục đích phân tích thì được lý tưởng thành dạng như trong hình 1.7b, dạng gối này được gọi là gối khớp. Một dầm có thể có hai gối khớp (chốt) ở hai đầu nhưng không nhất thiết là như vậy vì có nhược điểm là chuyển vị ngang bị hạn chế, do đó sự dãn dài và co ngắn do thay đổi nhiệt độ phát sinh ra các ứng suất phụ. Gối cho phép chuyển vị ngang như trong hình 1.8a có thể được lý tưởng hóa thành gối con lăn hay gối di động như trong hình 1.8b. 6 Dầm Cao su Thép Móng a) b) Hình 1.8: Lý tưởng hóa gối con lăn Dầm Cột a) Liên kết b) Hình 1.9: Lý tưởng hóa gối cứng Trong một số trường hợp, dầm có thể bị cố định các chuyển vị tịnh tiến và xoay tại đầu của nó. Hình 1.9 mô tả sự lý tưởng hóa liên kết ngàm cứng giữa một dầm thép và cột thép. Dầm giản đơn là dầm có một gối cố định và một gối di động (hình 1.10a), trong khi đó dầm liên tục có một gối cố định và nhiều gối di động (hình 1.10b). Việc xác định mô hình gối (hay mô hình liên kết) một cách thích hợp giúp cho việc phân tích kết cấu được chính xác. Nếu gối ngăn cản chuyển vị nào thì dưới tác dụng của tải trọng sẽ có phản lực phát sinh theo chuyển vị đó. 1.1.3.1.3 Hệ thống kết cấu treo, chống Kết cấu nhịp ngoài việc được đỡ nhờ kết cấu phần dưới thông qua các gối, còn có thể được đỡ bằng một hệ thống treo. Hệ thống này thường được cấu tạo từ các kết cấu thép thanh hoặc dây cáp. Điển hình loại này là cầu treo dây võng và cầu treo dây văng. Ngược lại với hệ thống treo là hệ thống chống, vật liệu sử dụng cho loại này có thể là thép hoặc bê tông. Kết cấu dạng vòm có đường chạy trên là dạng điển hình cho loại hệ thống này. 7 Hình 1.10: Dầm giản đơn (a) và dầm liên tục (b) a) b) a) b) Hình 1.11: Dầm công son (a) và dầm ngàm 1.1.3.2 Hệ thống kết cấu phần dưới Hệ thống kết cấu phần dưới đóng vai trò chống đỡ và tiếp nhận tải trọng từ hệ thống kết cấu phần trên xuống nền đất. 1.1.3.2.1 Mố Mố cầu xác định điểm đầu của kết cấu nhịp, là vị trí nối giữa đường và cầu. Tải trọng từ kết cấu nhịp và áp lực đất của đường dẫn tác dụng vào mố truyền xuống nền đất. Ngoài việc tham gia chịu lực của cầu, mố còn làm nhiệm vụ giữ ổn định bờ đất, đường đầu cầu và lòng sông. 1.1.3.2.2 Trụ 8 Cũng tương tự như mố, nhưng kết cấu trụ nhận tải trọng từ kết cấu nhịp truyền xuống và phân bố xuống nền đất. Trụ được đặt ở giữa hai mố đầu cầu. Dưới mố và trụ thường là hệ móng cọc hoặc móng nông, một số cầu với tải trọng và chiều dài nhịp lớn thường sử dụng móng giếng chìm. 1.1.4 Các loại tải trọng tác dụng trong kết cấu cầu Tải trọng tác dụng trong kết cấu cầu rất đa dạng. Tĩnh tải là tải trọng tác dụng lâu dài, như tải trọng bản thân, vật đặt cố định, lớp sơn phủ,… Hoạt tải là các tải trọng dịch chuyển, như tải trọng tạm thời, người, xe cộ, tuyết,… Tải trọng gió là loại hoạt tải nhưng đòi hỏi sự xem xét đặc biệt vì chúng chịu ảnh hưởng của vị trí, kích thước và hình dạng của kết cấu. Các hoạt tải khác có thể là áp lực đất hoặc áp lực thủy tĩnh và 9 Yên thápTháp cầu Cáp chủ Yên loe Bệ đỡ yên loe Thanh treo Dầm cứng/dàn Cấu kiện chịu kéo Dầm neo Khối neo Yên neo Hình 1.13: Các thành phần của cầu treo dây võng hiệu ứng tải trọng động được tạo ra do máy móc, gió xoáy, tác động sóng nước, động đất…Tải trọng nhiệt độ là tải trọng do sự nóng lên hay lạnh đi của môi trường tác dụng ở một bộ phận hay toàn bộ hệ thống kết cấu. Dưới đây trình bày một số loại tải trọng hay được dùng trong phân tích thiết kế cầu. 1.1.4.1 Tải trọng tác dụng dài hạn Các tải trọng có liên quan đến trọng lượng sau đây được gọi là tải trọng dài hạn:  Kết cấu  Đà giáo đóng vai trò là một phần của kết cấu  Các thiết bị vỏ bọc  Biển báo  Lan can và gờ chắn bánh  Lớp phủ mặt cầu  Các thành phần khác được xem là tải trọng dài hạn do người thiết kế qui định  Áp lực đất, tải trọng chất thêm do đất Tải trọng dài hạn được phân bố cho các cấu kiện cầu, đặc biệt là kết cấu phần trên. 1.1.4.2 Tải trọng tác dụng ngắn hạn Các tải trọng trong quá trình thi công như đà giáo, ván khuôn, thiết bị và phương tiện thi công được tháo dỡ sau khi cầu được xây dựng được gọi là tải trọng tác dụng ngắn hạn. 1.1.4.3 Hoạt tải xe Là tải trọng do các phương tiện xe cộ giao thông trên cầu. Do sự đa dạng về chủng loại nên trong phân tích thiết kế, người ta chỉ sử dụng một hoặc một số loại tải trọng đại diện gọi là tải trọng xe tiêu chuẩn. Thực tế, không có loại xe được thiết kế đúng theo xe tiêu chuẩn giao thông trên cầu, nhưng xe tiêu chuẩn được thiết kế dựa trên sự tác động tương đương của các phương tiện giao thông hoạt động thực tế trên cầu. Trong tính toán, các hệ số được đưa thêm vào nhằm điều chỉnh một cách thích hợp theo yêu cầu thiết kế. 10 [...]... thể mô hình cả trong mặt phẳng và ngoài mặt phẳng và phần tử ba chiều (khối) phục vụ cho việc mô hình hóa các kết cấu ba chiều dạng khối Hình 1.12 minh họa kết cấu dàn được mô hình hóa thành các phần tử dàn với các liên kết chốt tuyệt đối phục vụ cho việc phân tích kết cấu 13 1.1.6 Các giả thiết thường được sử dụng trong mô hình hóa và phân tích kết cấu Như đã trình bày ở trên, việc mô hình hóa và phân. .. nội dung mô hình hóa của một kết cấu chịu lực như sau: mô hình hóa hình học, mô hình hóa vật liệu và mặt cắt, mô hình hóa liên kết và mô hình hóa tải trọng 1.3.2.1 Mô hình hóa hình học Các cân nhắc cẩn thận phải được đưa ra để mô tả thích hợp các đặc tính hình học của cầu Những vấn đề hình học này có liên quan trực tiếp đến các đặc tính ứng xử của các thành phần kết cấu cũng như đối với kết cấu tổng... của việc mô hình hóa kết cấu cầu theo phương pháp phần tử hữu hạn đồng thời các chỉ dẫn chính trong việc thực hiện quá trình mô hình hóa kết cấu cầu 19 Như đã đề cập ở trên, việc mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu theo phương pháp phần tử hữu hạn cần phải dựa trên một công cụ phân tích phần tử hữu hạn thích hợp Các phần mềm thương mại phân tích kết cấu và đặc biệt chuyên dụng trong phân tích cầu được... cách đầy đủ về quá trình mô hình hóa kết cấu, sơ đồ sau đây có thể được xem xét Vẽ lại mô hình Một cách đơn giản, việc mô hình hóa kết cấu được thực hiện trọn vẹn với sự kết hợp của các mô hình bộ phận thành phần Theo các thông số và đối tượng được xem xét, có thể chia việc mô hình hóa như sau: 22 Hình 1.14: Quá trình mô hình hóa kết cấu Tùy theo mức độ phân tích mà việc mô hình hóa sẽ được thực hiện... chịu tải trọng, và sau đó là khả năng phục vụ, là xác định khả năng chịu tải của kết cấu mà không xuất hiện biến dạng hoặc nguy hiểm cục bộ 1.1.5 Mô hình hóa và phân tích kết cấu Mô hình hóa và phân tích kết cấu là quá trình vận dụng các kiến thức cơ sở về cơ học, các phương pháp phân tích kết cấu và các thuật giải để mô tả, làm trực quan hóa và nhất là định lượng các ứng xử vật lý của kết cấu như nội... gối đỡ Kết cấu phần dưới: trụ, mố, nền móng Trong phân tích tổng thể có thể mô hình tất cả kết cấu phần trên và phần dưới làm việc đồng thời hoặc một cách độc lập tương đối giữa kết cấu phần trên và kết cấu phần dưới Những cấu kiện thường được phân tích cục bộ là: dầm ngang, vị trí đầu dầm, trên trụ, yên tháp, yên neo, vùng liên kết cáp, bản hẫng mặt cầu, … 1.3 Mô hình hóa phần tử hữu hạn kết cấu cầu Trong... hình phân tích kể đến sự thay đổi của kết cấu phụ thuộc thời gian và không gian, có thể chia thành hai nhóm phân tích: phân tích tuyến tính và phân tích phi tuyến Phân tích tuyến tính là phân tích dựa trên giả thuyết quan hệ ứng suất và biến dạng là tuyến tính và vật liệu, tải trọng không phụ thuộc thời gian Phương pháp phần tử hữu hạn đặc biệt hữu dụng cho loại phân tích này Trong phân tích kết cấu cầu, ... Nội dung của phân tích kết cấu cầu Phần này trình bày những nội dung chính trong phân tích tính toán kết cấu cầu 1.2.1 Các loại phân tích Như đã đề cập ở trên, phụ thuộc vào từng giai đoạn thiết kế, mức độ thực hiện việc phân tích kết cấu sẽ được xem xét khác nhau Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, việc phân tích kết cấu chỉ dừng ở mức xem xét một số cấu kiện chính của cầu như hệ thống dầm mặt cầu, trụ mố... cầu được 30 năm Phân tích phi tuyến hình học quan tâm đến các hiệu ứng do sự thay đổi không gian của kết cấu khi chịu tải Thực chất, lý thuyết biến dạng lớn được sử dụng trong phân tích kết cấu Các kết cấu cầu dàn thép nhịp lớn hoặc cầu dây (như cầu treo dây văng, cầu treo dây võng) thường được phân tích phi tuyến hình học Nói chung, kết cấu được cấu tạo bởi nhiều cấu kiện có kích thước và vật liệu khác... những ưu điểm và hạn chế nhất định, thích hợp cho từng mục đích phân tích kết cấu Tuy nhiên, cấu trúc chương trình và một quá trình phân tích phần tử hữu hạn nói chung là giống nhau và có nội dung như sau: 1.3.1 Quá trình thực hiện một phân tích phần tử hữu hạn Một quá trình mô hình hóa và phân tích kết cấu nói chung gồm có 3 giai đoạn: giai đoạn tiền xử lý, giai đoạn phân tích tính toán và giai đoạn