06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà06 cơ sở phân tích kết cấu cầu hầm GS TS nguyễn viết trung, PGS TS hoàng hà
Trang 1GS.TS Nguyễn viết Trung, PGS.TS Hồng Hà
CO’ SO’ PHAN TICH KET CAU CAU -
HAM
Bài Giảng Chuyên đề tại ĐH GTVT-cơ sở 2, tháng 9-2008
HÀ NỘI -2008
Trang 21 KHÁI NIỆM
Việc xây dựng các cơng trinh giao thơng cĩ chất lượng cao đồng thời cĩ chi phí hợp lý
phụ thuộc rất nhiều vào khâu khảo sát thiết kế chúng
Nhù chung việc thiết kế các cơng trình xây dựng giao thơng hiện đại yêu cầu giải quyết các vẫn đề chủ yếu sau đây:
+ Lựa chọn hình đáng cấu tạo, kích thước kết cấu, vật liệu phù hợp với cơng năng sử dụng cơng trỉnh
+ Đáp ứng các yêu cầu về khả năng chịu lực, tính ơn định, độ bền vững và tuơi thọ của cơng trỉnh
+ Hình đáng kiến trúc đẹp, phù hợp với cảnh quan của vị trí xây dựng + Sử dụng vật liệu hợp lý, giảm chi phí
+ Thuận lợi thi cơng, tiện quản lý, vận hành, khai thác
+ Dễ duy tu, bảo trỉ, sửa chữa khi cần thiết
Trên thực tế khai thác, ngồi tác động của các yếu tố lực, các cơng trình giao thơng
cịn chịu tác động của các yếu tố khác ví dụ như ăn mịn của mơi trường, suy giảm khả năng
chịu lực của vật liệu
Trong việc tính tốn thiết kế các cơng trình cầu, hằm các phương pháp phân tích thích
hợp để thiết kế và đánh giá kết cầu bao gồm việc mơ hình hố kết cẫu và xác định tác động
của lực (hiệu ứng lực) là nội dung quan trọng địi hỏi sự quan tâm đúng mức
Nội dung phân tích kết cấu các cơng trình xây dựng giao thơng hiện đại địi hỏi sự
kết hợp của nhiều ngành khoa học hiện đại như các lý thuyết cơ học, cơ học vật liệu, tốn học, tin học, cơng cụ tính tốn và cả đúc kết kinh nghiệm từ thực tế xây dựng các cơng
trình trên thực tế để cĩ được kết quả khoa học và đầy đủ mức độ tin cậy về khả năng đáp ứng các cơng năng sử dụng và tính bền vững của cơng trình
Nhin chung, cac kết câu cầu được phân tích trên giả thiết vật liệu làm việc ở giai đoạn
đàn hồi tuyến tính
Tuy nhiên, trong tài liệu này cũng đề cập tới một số nội dung phân tích ngồi giới hạn đàn hồi Mục tiêu là đưa ra những chỉ dẫn cho việc phân tích ngồi giới hạn đàn hồi đối với
các cầu kiện chịu nén và được coi như là một trường hợp của các trạng thái giới hạn đặc biệt
(cực hạn)
Cần thống nhất các định nghĩa sau đây
Trang 32 CÁC ĐỊNH NGHĨA CƠ BẢN
Thiết kế - Việc xác định kích thước và bố trí cầu tạo các cấu kiện và liên kết của cầu
nhằm thoả mãn các yêu cầu của các Tiêu chuẩn kỹ thuật
Đánh giá kết cầu: Xác định năng lực chịu tải hiện cĩ của kết cầu cơng trỉnh
Hiệu ứng lực - Biến dạng, ứng suất hoặc hợp lực, cĩ nghĩa là lực đọc trục, lực cắt, mơ
men uốn và mơ men xoắn gây ra do tải trọng tạo nên biến dạng hoặc thay đổi thé tích
Biến dạng - Sự thay đơi hình học của kết cấu do tác dụng của lực, bao gồm chuyển VỊ dọc trục, chuyên vị cắt hoặc xoay
Biến dạng cưỡng bức - Tác động của lún, từ biến và thay đổi nhiệt độ và/ hoặc độ âm
Mơ hinh - Sự lý tưởng hố theo vật lý hoặc tốn học của kết cầu hoặc một bộ phận của
nĩ để phân tích
Phương pháp phân tích - Phương pháp dùng tốn học đề xác định biến đạng, lực và ứng suất
Phương pháp phân tích được chấp nhận - Phương pháp phân tích khơng địi hỏi
việc xác minh lại và đã trở thành thơng dụng trong thực tế kỹ thuật kết cấu cơng trỉnh Sự phân tích tổng thể - Sự phân tích kết cầu như một tổng thể
Phân tích cục bộ - Sự nghiên cứu theo chiều cao mặt cắt về quan hệ ứng suất và biến dạng bên trong cấu kiện hoặc giữa các câu kiện bằng cách sử dụng các hiệu ứng lực đã tính tốn được từ những phân tích tơng thể hơn
Đàn hồi - Sự làm việc của vật liệu kết cấu trong đĩ tỉ lệ giữa ứng suất và biến dạng là
hằng số, và khi lực thơi tác dụng thỉ vật liệu quay trở lại trạng thái ban đầu như khi chưa chịu
tai
Tĩnh khơng đàn hồi - Mợi trạng thái làm việc của kết cầu mà ở đĩ tỉ lệ giữa ứng suất
và biến dạng khơng phải là một hằng số và một phần của biến đạng vẫn tồn tại sau khi đỡ tải
Ứng xử phi tuyến - Sự làm việc của kết câu khi mà độ võng khơng tỉ lệ thuận với tải trọng đo ứng suất ở trong phạm vi khơng đàn hồi, hoặc độ võng gây ra sự thay đối khá lớn về
hiệu ứng lực, hoặc do kết hợp cả hai tình huống trên
Ứng xử tuyến tính - Sự làm việc của kết cấu trong đĩ biến đạng tỉ lệ thuận với tải trọng
Độ cứng - Hiệu ứng lực phát sinh từ biến dạng đơn vị Ứng biến - Độ giãn dài trên một đơn vị chiều đài
Trang 4Hoạt tái làn xe - Sự tổ hợp giữa 2 trục của xe hai trục với tải trọng phân bố đều, hoặc
sự tổ hợp của xe tải thiết kế vơí tải trọng phân bố đều theo thiết kế Vét bánh xe - Diện tích tiếp xúc giữa bánh xe và mặt đường
Dam tương đương - Dầm giản đơn cong hoặc thang chịu được cả tác động của lực
xoắn và uốn
Dải tương đương - Một phần tử tuyến tính nhân tạo được tách ra từ mặt cầu để phân
tích, trong đĩ hiệu ứng của lực cực trị tính cho một đường của tải trọng bánh xe, theo phương
ngang hoặc dọc, sẽ xấp xỉ bằng các tải trọng này xuất hiện thật trên mặt cầu
Lý thuyết biến dạng lớn - Mợi phương pháp phân tích mà các ảnh hưởng của biến
dạng lên hiệu ứng lực luơn luơn được xét tới
Lý thuyết biến dạng nhỏ - Cơ sở cho phương pháp phân tích mà trong đĩ cĩ thể bỏ qua ảnh hưởng của biến dạng đến các hiệu ứng lực trong kết cấu
Nguyên tắc địn bẩy - Tơng mơ men tĩnh tại một điểm để tính phản lực ở điểm thứ hai Điểm uốn ngược - Điểm mà tại đĩ chiều của mơ men uốn thay đổi; đồng nghĩa với từ điểm uốn
Mémen thứ cấp - Các mơmen được sinh ra trong kết cấu siêu tĩnh do tác động của kéo sau
Gĩc chéo - Gĩc giữa đường tim của gối đỡ và đường thắng vuơng gĩc với tim đường
Đường chảy dẻo - Đường khớp nỗi dẻo
3 CAC PHUONG PHAP PHAN TICH KET CAU DUQC CHAP NHAN
Các phương pháp phân tích kết cấu được chấp thuận trong tính tốn thiết kế cầu chủ yếu dựa trên các nguyên lý cân bằng, tính tương hợp và sử đụng được mối liên hệ ứng suất - biến dạng cho loại vật liệu đang xét, chúng bao gồm các phương pháp sau:
Phương pháp biến dạng cổ điển: Phương pháp phân tích trong đĩ kết cấu được chia thành các thành phần mà độ cứng của chúng cĩ thể được tính một cách độc lập Điều kiện cân bằng và tính tương thích được dầm bảo bằng điều kiện cân bằng biến đạng tại các nút
giao
Phương pháp lực cổ điển: Phương pháp phân tích trong đĩ kết câu được chia thành
các thành phần tĩnh định độc lập sau khi chấp nhận điều kiện cân bằng về lực tại liên kết giữa
chúng
Phương pháp sai phân hữu hạn - Phương pháp phân tích trong đĩ phương trỉnh vi phân khống chế được thoả mãn chỉ ở các điểm riêng biệt của kết cấu
Phương pháp phần tử hữu hạn - Phương pháp phân tích trong đĩ kết cầu được tách ra thành các phần tử nối với nhau tại các nút, dạng của trường chuyến vị của các phần tử
được giả định, tính tương hợp một phần hoặc đầy đủ sẽ được duy trỉ giữa giao diện của các
Trang 5phần tử, và các chuyển vị nút được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý biến đổi năng lượng hoặc phương pháp cân bằng
Phương pháp dải hữu hạn - Phương pháp phân tích trong đĩ kết cầu được chia thành các đải nhỏ song song, dạng chuyển vị của đải được giả định và tính tương hợp từng phần được duy trỉ giữa các giao diện của các phần tử các tham số chuyển vị của mơ hình được xác định bằng cách sử dụng nguyên lý biến đổi năng lượng hoặc phương pháp cân bằng
Phương pháp bản gập - Phương pháp phân tích trong đĩ kết cấu được chia thành các bản thành phần và cả hai yêu cầu về điều kiện cân bằng và tính tương hợp được thoả mãn tại các giao diện giữa các phần tử
Phương pháp mạng dâm tương đương - Phương pháp phân tích mà trong đĩ tồn bộ
hoặc một phần của kết cấu phần trên được tách thành các phần tử trực hướng đại điện cho
các đặc trưng của kết cấu
Chuỗi hoặc Phương pháp điều hồ - Phương pháp phân tích trong đĩ mơ hình tải trọng được phân chia thành các phần nhỏ thích hợp, những phần như vậy tương ứng với một
số hạng của chuỗi vơ hạn hội tụ, nhờ đĩ các biến dạng của kết câu được mơ tả
Phương pháp đường chảy dẻo - Phương pháp phân tích trong đĩ một số đồ thị đường
chảy dẻo cĩ thể cĩ được xem xét để xác định khả năng chịu tải trọng
Người thiết kế cĩ thể sử dụng các chương trình máy tính để hỗ trợ phân tích kết cấu và giải trình cũng như sử dụng các kết quả tính tốn
4 MƠ HINH TOAN HOC PHAN TICH KET CẤU 4.1 TONG QUAT
Các mơ hình tốn học phải bao gồm tdi treng, so’ dé két cau, dac trung hinh học và
tính năng vớt liệu ca kết cấu, và khi thấy thích hợp, c những đặc trưng ứng xứ của
mĩng Trong việc lựa chọn mơ hình, phải dựa vào các trạng thái giới hạn đang xét, định
lượng, hiệu ứng lực đang xét và độ chính xác yêu cầu
Khơng xét đến độ cứng của các lan can, dải tường phân cách liên tục và các giải phân cách khơng liên tục trong khi phân tích kết cấu
Phải đưa cách thê hiện thích hợp về đất và/ hoặc đá vào trong mơ hỉnh tốn học của kết
cầu nền mĩng
Khi thiết kế về động đất, phải xét đến sự chuyển động tơng thê và sự hố lỏng của
đất
4.2 UNG XU CUA VAT LIEU KET CAU
4.2.1 Các giai đoạn làm việc của vật liệu kết cầu
Trang 6M6 hinh đơn giản để nghiên cứu các giai oO,
đoạn làm việc của vật liệu đàn - dẻo thê hiện trên
hình 2-1 Tương ứng với giới hạn trị số tải trọng
nhất định, quan hệ ứng suất - biến dạng tuân theo
qui luật tuyến tính
o =Eé, (2-1)
Ứng suất lớn nhất trong giai đoạn này gọi là
Xr r z pe > =
giới hạn đàn hơi og Néu tg suat vuot qua gid1
hạn đàn hồi sự ứng xử của vật liệu khơng cịn theo Hình 1: Các giai đoạn làm việc của
qui luật tuyến tính nữa vật liệu
Biến dạng ở giai đoạn này sẽ bao gồm 2 thành phần: biến dạng đàn hồi z„ và biến dạng dẻo #ạ Sau giai đoạn đàn hồi quan hệ ứng suất biến dạng cĩ tính đa trị phức tạp Một trong các mơ hỉnh được lý tưởng hố là sau giai đoạn đàn hồi biến dạng trở nên rất lớn gọi là vật liệu đàn - dẻo lý tưởng
Khi phân tích kết cầu cơng trỉnh cau ham can xét vật liệu của kết câu ở giai đoạn đàn hồi hoặc giai đoạn sau đàn hồi
Đối với các tác động ở trạng thái giới hạn đặc biệt cĩ thể xét trong phạm vi cá đàn
hồi và khơng đàn hồi
4.2.2 Tính chất vật liệu kết cầu trong phạm vi đàn hài
Trong giới hạn đàn hồi ứng suất và biến dạng tuân theo qui luật tuyến tính (định luật Hook) Tuy vậy cần chú ý đến tính chất và các đặc tính của vật liệu đàn hồi cĩ thay đơi các giá trị do phát triển cường độ của bê tơng phụ thuộc vào tuơi và các tác động của
mơi trường cần được đưa vào mơ hình thích hợp
Các đặc trưng độ cứng của bê tơng và các bộ phận liên hợp phải dựa trên các mặt cắt đã xuất hiện vết nứt và/ hoặc chưa xuất hiện vết nứt tuỳ theo trạng thái làm việc của kết cấu dự kiến
4.2.3 Tính chất vật liệu kết cầu ngồi phạm vi đàn hài
Khi làm việc ngồi giới hạn đàn hồi, mặt cắt của cấu kiện cĩ khả năng hình thành
các biến dạng dẻo
Đối với các kết cấu chịu uốn trong giai đoạn đàn hồi ứng suất do mơ men tính theo cơng thức:
đ==Ty (2)
Trên mặt cắt ngang biểu đồ ứng suất theo qui luật tuyến tính đối với khoảng cách đến trục trung hồ (hình 2-2a)
Trang 7
man My/ \My Can Oqn San
a) b) Cc) d)
Hinh 2: Quá tr ïnh hỉnh thành khớp dẻo
Mơ men tương ứng gây ra ứng suất cĩ trị số đạt tới giới hạn đàn hồi ở các thớ biên
của mặt cắt gọi là mơ men giới hạn đàn hồi (Mạn) Khi mơ men vượt quá (M ah) img suất tiếp tục tăng lên Đến thời điểm tồn bộ mặt cắt đều đạt đến giới hạn đàn hồi, các
thớ đều bị chảy dẻo, mặt cắt vẫn phẳng nhưng biến dạng khơng xác định ( hinh 2c)
Tương ứng với biểu đồ này là mơ men giới hạn chảy dẻo (M„) Lúc này các thớ nén bị
co lại trong khi các thớ kéo dẫn ra, sự truyền lực cắt lúc này tập trung ở một điểm Mặt
cắt làm việc như một khớp do đĩ gọi là hỉnh thành khớp đẻo (hình 2d)
Trên hỉnh 3 mơ tả sự hỉnh thành khớp dẻo trên một dầm chịu uốn chịu tải trọng tập trung a 4
Hinh 3: Hinh thanh khép dẻo trên dầm chịu uốn
Khi sử dụng phép phân tích khơng đàn hồi thi phai dy kién co cầu phá huỷ và các
vị trí sẽ xuất hiện khớp dẻo
Trong phân tích kết cẫu phải cho rang su pha huy do cat, do mat 6n định khi uốn doc và do hư hỏng các liên kết trong các bộ phận kết cấu chỉ xảy ra sau khi hỉnh thành
cơ cau sau giai doan dan hồi khi uốn Cần xét đến sự chịu tải quá mức dự kiến của cấu
kiện mà trong đĩ khớp déo sẽ hỉnh thành
Cân phải xét đên các thay đơi về hình học của kết câu do các biên dạng lớn
Mơ hình phân tích kết cấu ngồi giới hạn đàn hồi phải dựa trên hoặc là kết quả thử
nghiệm vật lý hoặc dựa trên mối quan hệ tải trọng - biến dạng thu được bằng thí nghiệm
4.3, ANH HUONG CUA YÊU TƠ HÌNH HỌC KHI XÂY DỰNG MƠ HÌNH
Trang 84.3.1 Lý thuyết biến dạng nhỏ
Nếu biến dang của kết cấu khơng tạo ra sự thay đối đáng kể của nội lực do sự tăng độ lệch tâm của các lực kéo hoặc nén thỉ cĩ thê bỏ qua nội lực phụ thêm này
4.3.2 Lý thuyết biến dạng lớn
Nếu biến dạng của kết cầu gây ra thay đổi đáng kê về hiệu ứng lực thỉ phải xét các tác động của biến dang trong các phương trình về điều kiện cân bằng
Ảnh hưởng của biến dạng và tính chất khơng thắng của các cấu kiện phải được xét
khi phân tích về ỗn định và các phân tích về biến dạng lớn
Đối với các câu kiện mảnh chịu nén, trong phân tích phải xem xét những tính chat vật liệu phụ thuộc vào thời gian và ứng suất gây ra những thay đối đáng kể về hình học kết cấu
Các hiệu ứng tương tác của các lực nén và kéo dọc trục trong các cau kiện liền kề
nhau phải được xem xét khi phân tích về khung và giàn
Phải dùng tải trọng tính tốn và khơng áp dụng nguyên lý cộng tác dụng của hiệu ứng lực trong phạm vi khơng tuyến tính Thứ tự đặt tải trọng trong phân tích khơng
tuyến tính phải theo đúng thứ tự đặt tải trên cầu thực tế 4.4 CÁC ĐIÊU KIỆN BIÊN CỦA MƠ HÌNH
Các điều kiện biên phải thể hiện được các đặc tính của gối tựa và tính liên tục Phải mơ hình hố các điều kiện của mĩng sao cho thể hiện được các tính chất của
đất nằm dưới mĩng cầu, tác dụng tương hỗ của cọc với đất và các tính chất đàn hồi của CỌC
4.5 CÂU KIỆN TƯƠNG ĐƯƠNG
Cĩ thê mơ hình hố các cấu kiện khơng cĩ dạng hình lăng trụ bằng cách chia nhỏ
các thành phần thành một số các phần tử khung cĩ đặc trưng về độ cứng đại diện cho kết
cấu thực tế tại vị trí của cầu kiện
Cĩ thể mơ hình hố các cấu kiện hoặc các nhĩm cấu kiện của các cầu cĩ cĩ mặt cắt
thay đổi hoặc mặt cắt khơng đổi như một cấu kiện đơn tương đương, miễn là thể hiện tất
cả các đặc trưng về độ cứng của các cau kiện hoặc các nhĩm cấu kiện
4.6 XÂY DỰNG CÁC MƠ HÌNH PHÂN TÍCH KÉT CÂU CÂU - HẦM
Kết cầu cơng trỉnh giao thơng, đặc biệt là các kết cấu cơng trình cầu cĩ cấu tạo phức tạp và đa dạng (hình 4) Mức độ chính xác của kết quả phân tích kết cẫu sẽ phụ
thuộc tính mơ tả gần sát với cầu tạo và sự làm việc thực tế của mơ hình Tuy nhiên do
Trang 9mơ hình theo hướng đơn giản hố mà vẫn đảm bảo độ chính xác cần thiết Tuỳ theo quan điểm khác nhau cĩ thê xây dựng nhiều loại mơ hỉnh khác nhau để phân tích cùng
một bộ phận két cau
c) Cau treo b) Cầu dầm thép liên tục
Hình 4: Một số dạng kết cấu nhịp cầu hiện đại
Tuy nhiên các phương pháp phân tích và đánh giá kết cấu đều dựa trên các nguyên tắc co ban sau day (hinh 5):
+ Tính tương thích về chuyên vị và biến dạng của các bộ phận kết cấu Điều này đảm bảo khi xảy ra chuyển vị và biến dạng các bộ phận kết cầu vẫn khơng tách rời nhau
+ Dựa trên giả thiết được chấp nhận về qui luật ứng xử của vật liệu: đàn hồi tuyến tính, đàn hồi phi tuyến, đàn dẻo
+ Điều kiện cân bằng về lực liên kết giữa các bộ phận ,r =F } —— —~ ^
và bê tơng tại liên kêt dâm t ) bản BTCT cân băng
Trang 10
a) b)
Hình 5: Cơ sở của các phương pháp phân tích kết cấu
Cĩ thể phân tích kết cẫu theo các mơ hình sau đây:
+ M6 hinh tinh hoc + M6 hinh dong luc hoc
+ M6 hinh vat ly (thi nghiém m6 hinh)
a- Phân tích kết cấu theo mơ hỉnh tính học:
Dựa trên nguyên tắc mơ hình hố các tải trọng và các tác động là các tác động tĩnh
(khơng biến đơi theo thời gian)
Các tải trọng và các tác dụng mang tính động lực được thay thế bằng các tác động “giả tĩnh”
Ưu điểm chính của mơ hình này là khá đơn giản, tường minh và thuận tiện cho các tính
tốn thiết kế
Nhược điểm là khơng phản ánh sát thực tế bản chất tác động của tải trọng: + Khơng xét tương tác qua lại giữa kết cấu — tải trọng
+ Khơng kiểm sốt được khả năng xảy ra cộng hưởng dao động + Khơng kiểm sốt hồn tồn ảnh hưởng do mỏi
b- Phân tích kết cấu theo mơ hình động lực học:
Nhằm mục tiêu khắc phục các nhược điểm của mơ hình tĩnh học
Nhược điểm là tính tốn rất phức tạp địi hỏi khối lượng tính tốn lớn địi hỏi cơng cụ
tính tốn mạnh
c- Phân tích kết cấu theo mơ hình vát lý:
Cả mơ hình tĩnh học lẫn mơ hình vật lý đều dựa trên cơ sở tốn học Để phân tích phải mơ hình hố kết cầu theo hướng đơn giản hơn tai trong va các tác động cùng với các giả thiết gần đúng nên khĩ đảm bảo hồn tồn chính xác Vĩỉ lý do trên nên đối với các cơng trình
quan trọng, tính chất chịu lực phức tạp và tác động của tải trọng khĩ mơ hỉnh hố thỉ cần
phải phân tích theo m6 hinh vat ly
Nhược điểm của phương pháp này là cần cĩ các thiết bị thí nghiệm chính xác và các
phịng thí nghiệm tiêu chuẩn
d- Thứ nghiệm cầu:
Trang 11Việc thử nghiệm mơ hỉnh vẫn cịn tồn tại sự thiếu chính xác đo tính khơng tương thích
hoan tồn giữa mơ hình và cấu tạo thực tế vỉ vậy trong những kết cẫu mới cần phải tiễn hành những thử nghiệm trên các cầu thực tế
Các nội đung thử nghiệm cầu thường phản ánh trạng tháI làm việc thực tế của cơng trỉnh
với độ chính xác cao nhưng địi hỏi trang thiết bị lớn, chi phí tốn kém 5 CƠ SỞ PHÂN TÍCH TĨNH HỌC
5.1 ANH HUONG CUA CAU TAO VA KiCH THƯỚC HÌNH HỌC ĐẾN VIỆC LỰA CHỌN MƠ HÌNH
5.1.1 Tỷ lệ kích thước của mơ hình dằm đơn
Nêu chiêu dài nhịp của kết cầu phan trên với các mặt cắt kín cứng chịu xoắn vượt quá 2.5 lần chiêu rộng của nĩ, thỉ kêt câu phân trên đĩ cĩ thê được lý tưởng hố như dâm giản đơn Các định nghĩa vê kích thước theo hỉnh 6:
Bê rộng: Bê rộng phân lõi của bản mặt câu liên khơi hoặc khoảng cách trung bình giữa các mặt ngồi của các bản bụng biên
O Chiéu dai doi với các câu tựa giản đơn, hình chữ nhật: khoảng cách giữa các mơi nơi của
bản mặt câu, hoặc
Chiêu đài đơi với các câu liên tục và/ hoặc cầu chéo: chiêu dài của cạnh dài nhât của hình
chữ nhật mà cĩ thê vẽ được trong mặt băng của bê rộng của nhịp bé nhật (hinh 2-6) Ỉ ~ L >25W ^ | I" "| ] W W i Ỷ Vv
Hinh 6: Kich thuéc cia m6 hinh dam don
O Cần lu ý rằng với kích thớc nêu trên đây cấu tạo mặt cắt phải là các mặt cắt kín cứng
và chịu xoắn Các mặt cắt thoả mãn điều kiện này phải coi là khơng bị biến dạng cục bộ
khi chịu các tác động xoắn như trên hình 2-7a Khi chiều rộng quá lớn hay kết câu khơng đủ độ cứng ngang, điều kiện mặt cắt cứng chống xoắn khơng cịn đảm bảo (hình 7b, lức này cau tao cua kết cấu khơng thoả mãn mơ hỉnh dầm đơn, cần phải xem xét mơ hỉnh như một mạng dầm trong khơng gian, trong đĩ nội dung quan trọng nhất là phải giải quyết vấn đề phân phối tải trọng cho các bộ phận của kết cấu
Trang 12
! i poòòødl CC a- Mặt cắt ngang kết câu thoả mãn điều kiện phân tích theo mơ hình dầm đơn Tora rr ar rar ¬————”——”” LẺ dư ưjOororoiore' b- Mặt cắt ngang kết câu khơng thoả mãn điều kiện phân tích theo mơ hình dầm đơn
Hinh 7: Cấu tạo mặt cắt ngang kết cấu nhịp cầu điển hỉnh
5.1.2 Các kết cầu cong trong mặt bằng 5.1.2 Các kết cầu cong trong mặt bằng
Do nhiều nguyên nhân khác nhau các kết cấu cầu cong trên mặt bằng và cong khơng gian ngày càng đợc sử dụng rộng tãi đặc biệt là trong các cầu thành phố hay các nút giao thơng khác mức Hiện cầu cong chiếm khoảng 30% các cầu xây dựng ở nớc Mỹ và 20% ở Châu Âu Do cĩ cẫu tạo đặc biệt, kết câu nhịp cĩ thể cong trên mặt bằng, cong khơng gian hay rẽ nhánh như trên hinh 2-8
Hinh 8: Kết cấu nhịp cầu cong
Đặc điểm chịu lực của kết câu nhịp cầu cong rất phức tạp, đặc biệt đáng chú ý là hiệu ứng xoắn đưới tác dụng của tải trọng thắng đứng Trị số nội lực trong cầu cong phụ thuộc rất
Trang 13lớn vào “độ cong” cĩ thể biểu thị bằng 2 tham số chính: tỷ lệ giữa chiều dài nhịp và bán kính cong (L/R) hay gĩc ở tâm đối diện nhịp cong o
5.1.2.1 Điều kiện khơng cẩn xét tới bán kính cong
Các đoạn của kết cấu nhịp cong trong mặt bằng cĩ các mặt cắt kín cứng chịu xoắn
mà gĩc ở tâm được đối điện bởi một nhịp cong hoặc một phần của nĩ, nhỏ hơn 12.0 °, cĩ
thể được phân tích như các đoạn thắng (hình 2-9)
Hinh 9: Quan hệ giữa chiều dài nhịp L, bán kính R và gĩc ở tâm ọ của kết cấu nhịp cong
Ảnh hưởng của độ cong cĩ thể bỏ qua trong các mặt cắt hở với bán kính cong sao cho
gĩc ở tâm được đối diện bởi một nhịp nhỏ hơn giá trị cho trong Bảng 1
Bảng 1 - Gĩc giới hạn ở tâm đề cho phép bỏ qua độ cong khi xác định mơ men uốn ban đầu Số dầm Gĩc cho 1 nhịp Gĩc cho 2 nhịp và hơn 2 nhịp 2 2 3° 3 hoặc 4 3° 4° 5 hoac hon 4° 5°
5.1.2.2 Mơ hỉnh kết cầu nhịp dầm cứng chịu xoắn kiểu thanh cong đơn
Cĩ thê phân tích kết câu nhịp cong trong mặt bằng, theo mơ hỉnh dầm cong đơn chịu xoắn uốn về các hiệu ứng lực tổng thể như đối với dầm cĩ trục cong
Vị trí đường trục của loại đầm này phải lấy theo đường đi qua trọng tâm của mặt cắt, và phải tính độ lệch tâm của tải trọng bản thân theo phương pháp thể tích
Ví dụ đơn giản về mơ hình kết cẫu nhịp sử dụng mơ hình thanh cong phẳng hay thanh cong khơng gian là dạng kết câu dầm cau cong cĩ mặt cắt ngang hỉnh hộp thể hiện trên hỉnh 10
Trang 14Hình 10: Dầm hộp cong sử dụng mơ hình thanh cong
5.1.2.3 Mơ hình kết cấu nhịp kiểu mạng dầm cong
Kết cấu cong trong mặt phẳng nằm ngang gồm nhiều dầm cấu tạo dạng mạng dầm
cong cĩ thể được phân tích theo các mơ hỉnh, trong đĩ các đoạn của đầm dọc được giả
thiết là thắng giữa các giao điểm Độ lệch tâm thực tế của phân đoạn giữa các giao điểm
sẽ khơng được vượt quá 2,5% chiều dài của phân đoạn (hỉnh 11)
Hỉnh 11: Độ lệch tâm của các dầm cong
5.1.3 Các kết cầu chéo gĩc trong mặt bằng 5.1.3.1 Tính chất ca kết cấu nhịp chéo
Ngày nay,các kiểu kết cấu nhịp cầu dang chéo gĩc, dạng hình nêm trên mặt băng và dạng cong đợc xây dựng ngày một nhiều trên các đờng ơ-tơ liên tỉnh cũng nh trong thành phố Theo nguyên tắc thiết kế cầu phụ thuộc hờng tuyến đờng để thuận tiện cho giao thơng tồn tuyến việc giảm gĩc chéo hoặc độ cong của cầu ít khi đợc chấp nhận Tuy nhiên do sự phát triển mạnh mẽ của các phơng pháp tính tốn cung nh cơng nghệ mà giờ đây nĩi chung cĩ thể thiết kế một kết cấu ở bất kỳ gĩc chéo nào Ngồi ra, trong việc thiết kế chỉ tiết kết cầu nhịp, gĩc chéo cĩ anh hong dang kể đến sự làm việc của kết cầu nhịp và gây ra nhng trạng thái ứng suất bất lợi Trên hỉnh (9.1) đã tĩm tắt các đặc tính của kết cầu nhịp chéo gĩc trên mặt bằng nh sau:
1 Cĩ sự đơi hướng của momen uốn cực đại dọc chiều rộng từ cạnh song song với
nhịp ở tại gờ đến cạnh trực giao ở giữa mồ 2 Cĩ momen uốn cong ở gần gĩc tù
Trang 15
Manen linh A
Hinh 12: Đặc điểm chịu lực của kết cấu nhịp cầu chéo
Mức độ ảnh hướng phụ thuộc vào gĩc chéo, tỉ số chiều rộng nhịp,và đặt biệt là
cách thức thi cơng kết cấu nhịp và những trụ đở
Gĩc chéo quá lớn nên kết câu nhịp được gác hãng khỏi mồ tại gĩc nhọn
¢ Bién dang xoắn của kết câu nhịp cĩ thể xoắn mà khơng sinh phản lực lớn nếu độ cứng chống xoắn của tắm và dầm thấp Dưới tác động của tải trọng tập trung cục bộ, sự phân bố tải trọng cũng xảy ra do uốn ngang của tấm Tuy nhiên , đối với kết cấu dạng dầm việc gia tăng lực cắt và phản lực ở tại các gĩc nhọn vốn cĩ ý nghĩa nên được xem xét Ở những gĩc tù lực nâng khơng cĩ Nên chú ý rằng, nếu đầm cĩ mặt cắt là hình hộp cĩ độ cứng chống xoắn cao thỉ chúng sẽ chịu lực xoắn lớn
- Ảnh hưởng của gĩc chéo nĩi chung t đợc xét đến đối với những kết cấu nhịp
dầm hay bản giản đơn, giá trị gĩc chéo nhỏ hơn 20” Tuy nhiên , những ảnh hưởng này
cĩ ý nghỉa đối với gĩc chéo nhỏ hơn của các kết cấu nhịp liên tục, đặc biệt ở những khu vực cĩ gối đở trung gian
Cơ sở phân tích kết cầu theo mơ hình tĩnh học cĩ thể tĩm tắt ở các nguyên tắc cơ bản sau đây:
1 Đối với kết cầu cĩ độ cứng ngang đủ lớn (mặt cắt cứng hỉnh hộp cĩ tỷ lệ chiều
rộng nhỏ hơn so với chiều dài nhịp) cĩ thể áp dụng mơ hình tính tốn dầm đơn
Mơ hỉnh dầm đơn cĩ thê áp dụng cho cả các kết câu chéo gĩc hay cong trên mặt
bằng VỚI VIỆC XÉT đầy đủ các hiệu ứng uốn, xoắn, dọc trục
[1 Yếu tổ cầu tạo cĩ ảnh hớng rất lớn tới trạng thái nội lực trong kết cấu
Khi điều kiện tính tốn dầm đơn khơng thoả mãn phải phân tích kết cầu theo mơ hỉnh khơng gian
Chú ý: Khi áp dụng mỗi mơ hỉnh (dầm đơn hay mạng dầm) cần phân tích đầy đủ cả hai
tác động cục bộ và tơng thể của tải trọng đối với kết cấu
Hiệu ứng thiết kế phải là tơng của các hiệu ứng cục bộ và hiệu ứng khơng gian như trên hỉnh 13
“It a I I Hiệu ứng cục bộ
Trang 16Hinh 13: Hiệu ứng cục bộ và hiệu ứng khơng giancủa tải trọng
tác động lên bộ phận kết cấu
5.2 PHÂN TÍCH TĨNH HỌC THEO CÁC MƠ HÌNH GAN DUNG
5-2-1 Đường lối tơng quát phân tích tĩnh học kết cấu theo các mơ hỉnh gần đúng
Kết cấu xây dựng nĩi chung bao gồm các kết câu cầu hầm cĩ cấu tạo khơng gian gồm nhiều bộ phận, liên kết chặt chẽ và cùng phối hợp chịu lực Việc tính tốn chính xác các hiệu ứng phát sinh trong các bộ phận của kết cấu là rất phức tạp Trong các tính tốn thiết kế cơng trỉnh cĩ thể sử dụng các phương pháp phân tích gần đúng dựa trên các giả thiết cơ bản sau đây:
+ Kêt cầu được rời rạc hố thành các bộ phận độc lập như bản mặt câu, dâm dọc,
dầm ngang
+ Khi phân tích các bộ phận kết câu cĩ thể tưởng tượng chúng làm việc như các
kết câu độc lập, đồng thời phải xét tới ảnh hưởng do cấu tạo liên kết của bộ phận kết cấu
đang xét với các bộ phận khác
+ Tác dụng của tải trọng lên các bộ phận kết cấu theo các phương bất kỳ được qui về tác động theo các mặt phẳng thắng đứng, mặt phẳng nằm ngang theo phương ngang cầu và mặt phẳng nằm ngang theo phương đọc cầu Bộ phận kết cấu chịu tác dụng đồng thời của tải trọng theo nhiều mặt phẳng được xem xét độc lập trong từng mặt phẳng sau đĩ áp dụng nguyên lý cộng tác dụng
+ Tác động của tải trọng cĩ thể truyền tới nhiều bộ phận kết cấu việc phân tích ảnh hưởng của tải trọng tới bộ phận kết cấu đang xét dựa trên các nguyên lý:
-_ Xác định phạm vi ảnh hưởng của tải trọng và các tác động đơi với các bộ
phận kêt câu
- Phân tích qui luật phân bố tải trọng cho các bộ phận kết cấu ( lý thuyết phân bố tải trọng)
+ Các phương pháp phân tích gần đúng phải được áp dụng với sự đảm bảo hai mục tiêu chính là đơn giản tính tốn và an tồn Độ tin cậy của các phương pháp phân tích gần đúng phải được kiểm tra bằng việc đối chiếu các kết quả nghiên cứu thí nghiệm
trên mơ hình và các kết câu thực tế
5.2.1 Phân tích tĩnh học kết cấu mặt cầu theo mơ hỉnh gần đúng
5.2.1.1 Mơ hỉnh hố kết cấu
Trang 17Bản mặt cầu thường được đồ tại chỗ hay lắp ghép tạo thành kết câu bản khơng gian Đề phân tích gần đúng sẽ sử dụng phương pháp đải bản tương đương trong đĩ mặt cầu được tưởng tượng chia thành những dai nhỏ vuơng gĩc với các câu kiện đỡ (hình
14)
Khi áp dụng phương pháp dải bản tương đương thỉ phải lẫy mơ men đương cực trị của giải bản bất kỳ giữa các dầm để đặt tải cho tất cả các vùng cĩ mơ men men dương
Tương tự phải lẫy mơ men âm cực trị trên bất cứ dầm nào để đặt tải cho tất cả các vùng
cĩ mơ men âm
5.2.1.2 Pham vi ap dung
Phương pháp giải bản tương đương áp dụng cho các loại mặt cầu thơng thường, trừ những đạng mặt cầu cĩ thê thiết kế theo kinh nghiệm
Trang 18Hinh 14: Mơ hỉnh và chiều rộng của các dải bản tương đương
5.2.1.3 Bề rộng cửa các dới tương đương bên trong (E)
Cĩ thê lẫy bề rộng dải tương đương của mặt cầu theo bảng 2
Khi chiêu dài nhịp tính tốn của bản song song với hướng xe chạy, chiêu rộng của các đải bản tương đương đỡ tải trọng trục xe lẫy lớn hơn 3600mm cho tất cả các loại mặt câu mà ở đĩ xét việc chât tải trọng lên nhiêu làn Các dải tương đương cho mặt cầu mà cĩ nhịp đài nhịp chính theo hướng ngang thỉ khơng được giới hạn bề rộng
Những ký hiệu sau đây áp dụng cho Bảng 2:
S = khoảng cách của các câu kiện đỡ (mm) Cĩ thê là khoảng cách giữa các dâm chủ ( khi bản chịu lực theo phương ngang) hay các khoảng cách giữa các dầm ngang ( khi bản chịu lực chủ yếu theo phương dọc cầu)
P = tải trọng trục xe(N)
Sp = khoảng cách của các thanh trong hệ mạng dầằm(mm)
+M = mơ men dương
-M = mơmenâm
X = _ khoang cach ti tải trọng đến điểm gối tựa (mm) E = _ chiều rộng của đải bản tương đương
Chiều rộng của đải bản tương đương được xác định trên cơ sở phạm vi ảnh hướng
của tải trọng theo phương vuơng gĩc với phương chịu lực chính (hỉnh 14)
Bảng 2- Chiều rộng các dải bản tương đương
Loại kết cấu nhịp cầu Hướng của dải chính liên quan
Trang 19Khái niệm về kết câu nhịp trong bảng 2 được minh hoạ trên hình 15
BAN MAT C4U BTCT BAN MAT C4U THEP
IYI Bán mặt cầu bê tơng đúc tại chỗ Ván CL) Ly Neo chịu Lớp phở
Ban mặt cầu bê tơng đúc tại chế cĩ Lấp đây một Lap day † ván khuơn bang BTCT để lại vính viễn Cốt thép dự ứng lực Thanh Thanh chính
Bán mặt cầu bê tơng đúc tại chế cĩ cốt thép DUL căng su Khơng léáp — liên hợp An lấn _ lê Dâm thép NĨ SỐ
Hinh 15: Mặt cắt ngang các dạng kết cấu nhịp cầu thơng dụng
5.2.1.4 Bể rộng di tương đương tại các mép cứa két cầu
5.2.1.4a Khái niệm
Khi thiết kế, phải xem như cĩ dầm biên quy ước là một đải băng cĩ chiều rộng
được quy định dưới đây cộng thêm bộ phận tăng chiều dày cục bộ gắn liền với nĩ hay bộ phận nhơ ra cĩ tác dụng tăng cứng cho bản mặt cầu Phải giả thiết các dầm biên đỡ
một hàng bánh xe, nếu thích hợp, đỡ thêm một phần nào đĩ của tải trọng làn thiết kế
5.2.1.4b Các mép dọc hướng xe chạy
Khi mặt cầu chủ yếu cĩ nhịp dọc theo hướng xe chạy, bề rộng hữu hiệu của dải, cĩ
hoặc khơng cĩ đầm biên, cĩ thể được lấy giá trị bằng tơng của: Khoảng cách giữa mép của bản với bề mặt trong của lan can giao thơng, cộng với 300 mm và cộng với 1/2 bề rộng của đải như trong lẫy theo bảng 2, nhưng chiều rộng hữu hiệu khơng được vượt quá
Trang 20Hinh 16: Bề rộng của dải bản tương đương tại mép kết cấu theo hướng xe chạy
5.2.1.4c Các mép ngang hướng xe chạy (bđn mặt cầu đầu nhịp)
Bè rộng hữu hiệu của dái bản đầu nhịp, cĩ hoặc khơng cĩ dầm ngang đầu nhịp (F¿) cĩ thé được lẫy bằng tơng của: Khoảng cách từ đầu nhịp đến tim gối, thường là bản bụng dầm cộng với 1/2 bề rộng của dải trong , nhưng khơng vượt quá bề rộng tơng cộng của dải trong E (hình 17) + -E/2 A y Ep
Hinh 17: Chiều rộng hữu hiệu của bản đầu nhịp
5.2.1.5 Phan bé tai trọng bánh xe trên bứn mặt cầu gối đỡ theo hai phương
Nếu khoảng cách của các cẫu kiện đỡ theo hướng phụ vượt quá 1.5 lần khoảng cách
theo hướng chính, tất cả tải trọng bánh xe phải coi như được đặt lên dải chính
Nếu khoảng cách của các cầu kiện đỡ theo hướng phụ nhỏ hơn 1.5 lần khoảng cách
Trang 21Hình 18: Mơ hinh dai bản giao nhau
Bè rộng của các dải tương đương theo cả hai hướng cĩ thể được lẫy như trong Bảng 2
Mợi tải trọng bánh xe sẽ được phân bố giữa hai dải giao nhau Sự phân bố phải được xác định bằng tỉ số giữa độ cứng của dải và tổng của các độ cứng của các dai giao nhau Nếu
khơng cĩ sự tính tốn chính xác hơn thỉ độ cứng của đải cĩ thể được ước lượng như sau:
EI
Ki G)
trong đĩ:
1, = mơ men quán tính của dải tương đương (mm?) S = khoảng cách giữa các câu kiện đỡ (mm) 9.2.1.6 Tính tốn các hiệu ứng lực
Các dải phải được coi như các dầm liên tục hoặc dầm đơn giản Chiều đài nhịp phải
được lây băng khoảng cách tâm đên tâm giữa các câu kiện đỡ Nhăm xác định hiệu ứng lực trong các dải, các câu kiện đỡ phải được giả thiệt là cứng tuyệt đơi
Các tải trọng bánh xe cĩ thể được mơ hình hố như tải trọng tập trung hoặc như tải trọng vệt mà chiêu dài đọc theo nhịp sẽ là chiêu dài của diện tích tiêp xúc của lop xe cong
với chiêu cao của bản mặt câu Các dải cân được phân tích băng lý thuyêt dâm cơ điên
Mặt cắt thiết kế cho các mơ men âm và lực cắt cĩ thể được lay nhu sau:
Cho dầm hộp bê tơng và đúc liền khối : ở mặt câu kiện đỡ,
¬_ Cho đầm thép : ở 1/4 bề rộng bản cánhdầm kê từ đường tim của gối,
_ Cho đầm bê tơng đúc sẵn dạng T hoặc I : ở 1/3 bề rộng của bản cánh dầm, nhưng khơng qua 380 mm tính từ đường tim của øƠi,
Trong đĩ, mỗi bán bụng dầm của dầm hộp thép hoặc bê tơng cĩ thể được coi như là
một câu kiện đỡ riêng biệt
Theo điều 4-6-2-1-8 của 22TCN-272-05:
Mơmen tính theo đơn vị N.mm/m của mặt cầu kiểu lưới thanh thép do hoạt tải trong
Trang 22Khi mặt cầu là một phần khơng tách rời của mặt cắt nhiều ngăn hoặc mặt cắt hình
hộp hộp, thì độ cứng uốn hoặc xoắn của các thành phần đỡ của mặt cắt, tức là các bản
bung dam và bản đáy dầm cĩ thể gây ra các nội lực đáng kể trong bản mặt cầu Phải đưa các thành phần đĩ vào trong tính tốn bản mặt cầu
5.2.2 Phân tích kết cấu nhịp cầu dầm - bản
5.2.2.1 Khái niệm
Theo phương pháp phân tích gần đúng đối với kết cấu nhịp cầu bản và cầu đầm
được tiến hành theo mơ hình dầm đơn sau khi đã được mơ hình hố bằng:
+ Đối với kết cấu nhịp cầu dầm tính tốn như mơ hỉnh dầm đơn độc lập sau khi xắc
định hệ số phân bố tải trọng mà dầm phải chịu Các phương pháp xác định hệ số phân bố tải trọng trỉnh bày ở chương 3 của tài liệu này
+ Đối với kết cấu nhịp cầu bản mơ hình hố bằng cách tách thành các đải bản cĩ
chiều rộng tương đương (hỉnh 19)
5.2.2.2 Phương pháp hệ số phân bố dùng cho mơ men và lực cắt
Khi tính tốn các hệ số phân bố tái trọng cần chú ý tới các yếu tố sau đây: + Dang mat cat dam
+ Kích thước kết câu
+ Vật liệu kết cấu
+ Vị trí đầm ( đầm trong hay đầm ngồi)
+ Đại lượng nghiên cứu
+ Hình học trên mặt bằng ( cầu thắng hay chéo)
5.2.2.3 Bề rồng dái tương đương đối với các loại cầu bđn
Đối với các loại cầu bản bê tơng đúc tại chỗ và cơng đúc tại chỗ cĩ bề dày lớp đất đắp trên cống khơng quá 600mm, các loại cầu bản cĩ lỗ rỗng đúc tại chỗ cĩ thể được coi là cầu bản
Bè rộng tương đương theo làn của các dải dọc cho cả lực cắt và mơ men cho một làn, tức là hai hàng của bánh xe tải cĩ thể được xác định như sau:
E= 250+ 0,42.,/L, W, (6)
Bê rộng tương đương theo làn của các đải dọc cho cả lực cắt lẫn mơ men với số làn
chịu tải lớn hơn một cĩ thê được xác định như sau:
E=2100+0,12.L,W, <-— (7)
Ny trong đĩ:
E = bềrộng dải bản tương đương (mm)
Li; = chiều đài nhịp đã được điều chỉnh, lẫy bằng giá trị nhỏ hơn của nhịp thực tế hoặc
18000 (mm)
Trang 23W¡ =_ bềrộng mép-tớimép đã được điều chỉnh của cầu, được lấy bằng giá trị nhỏ hơn của bề
rộng thực tế hoặc 18000 mm nếu chịu tải trọng trên nhiều làn, hoặc 9000 mm nếu chịu tải trên một làn (mm) W_ = bềrộng mép tới mép của cầu (mm) Ni = số làn xe thiết kế Đối với cầu chéo, các hiệu ứng lực dọc cĩ thê được giảm đi bằng hệ số r: r = 1,05 - 0,25tg8 < 1,00 (8) trong đĩ: [I = gĩc chéo (độ) 4 )
Hỉnh 19: Mơ hỉnh dầm đơn và dải ban
5.3 PHAN TICH TINH HOC THEO CAC MO HINH CHINH XAC
5.3.1 Đường lối chung phân tích kết cầu theo các mơ hỉnh chính xác
Nhược điểm của các phương pháp phân tích gần đúng là khơng xem xét một cách
đầy đủ mối liên kết phối hợp chịu lực giữa các bộ phận kết cấu Đường lối chung của
các phương pháp tính tốn kết cẫu chính xác là dựa trên cơ sở xem xét kết cầu theo mơ hình kết cầu khơng gian thống nhất trong đĩ tất cả các bộ phận kết cầu được mơ tả gần
sát với câu tạo thực tế
Cĩ thể sử đụng các phương pháp chính xác liệt kê ở mục 2.4 trên đây để phân tích các cơng trỉnh cầu, hầm trong thực tế Trong phân tích như vậy, phải xem xét các tỷ lệ
hình học của các cấu kiện, vị trí và số nút, và các đặc trưng khác về hình dáng và kích
thước hình học cĩ thể ảnh hưởng đến độ chính xác của các kết quá tính tốn
Trang 24Các kết câu phụ kiện như lan can hoặc giải phân cách giữa cĩ kết câu liên tục làm việc liên hợp với các cấu kiện đỡ, cĩ thể được coi cĩ tác dụng về mặt kết cầu trong cac trang thai gidi hạn sử dụng và trạng thái giới hạn mỏi
5.3.2 Các mơ hỉnh khơng gian phântích mặt cầu 5.3.2.1 Mơ hình bđn đẳng hướng
Trong mơ hình bản đẳng hướng, kết cấu nhịp cầu đặc cĩ chiều cao khơng đổi hoặc gần như khơng đổi, và độ cứng của chúng gần tương đương trong mỗi hướng trong mặt phẳng phải được coi là bản đắng hướng
9.3.2.2 Mơ hình bản trực hướng
Trong mơ hình bản trực hướng, độ cứng chống uốn của các phần tử cĩ thể được phân bố đều dọc theo mặt cắt ngang của kết cấu nhịp cầu Khi độ cứng chống xoắn của kết cầu
nhịp cầu khơng chỉ được tạo ra bởi tam ban đặc với độ dày khơng đơi, thỉ độ cứng chống
xoắn phải được xác định bằng thí nghiệm vật lý hay bằng phép phân tích khơng gian hoặc các phương pháp gần đúng nĩi chung đã được xác minh và chấp nhận
5.3.3 Các mơ hình phân tích cầu dầm bản
Các kết cấu cầu dầm bản cĩ thể được phân tích theo các mơ hỉnh mạng dầm khơng gian với các lưới chia thành các phân tử
Tỉ lệ kích thước của các phần tử hữu hạn và thanh trong hệ mạng dầm khơng được vượt quá 5,0 lần Cần phải tránh sự thay đơi đột ngột về kích thước và/hoặc dạng của các
phần tử hữu hạn
Các tải trọng nút phải tương đương tĩnh học với tải trọng thực tế tác dụng
5.3.4 Các mơ hình áp dụng cho cầu mặt cắt hỉnh hộp và mặt cắt hình hộp nhiều ngăn
Phép phân tích chính xác về cầu nhiều ngăn cĩ thể được thực hiện bằng bất cứ phương pháp phân tích nào như chỉ ra trong mục 2.4, ngoại trừ phương pháp đường chảy dẻo, nĩ xét
đến hai chiều trên mặt bằng và mơ hỉnh hố các điều kiện biên Các mơ hỉnh nhằm xác định
độ vênh xoắn và tác động khung ngang phải là mơ hình ba chiều
Đối với các mặt cắt hộp đơn, kết cấu nhịp cĩ thể được phân tích như dầm cĩ sườn cho cả các hiệu ứng xoắn và uốn Hộp thép khơng được coi là hộp cứng xoắn trừ phi cĩ hệ giằng trong để duy tri mat cắt hộp đủ cứng
5.3.5 Mơ hình áp dụng khi phân tích các kết cấu cầu dàn
Phép phân tích khung khơng gian hoặc khung phẳng chính xác áp dụng cho các dạng cầu dàn cân bao gơm việc xét đên các vân đê sau:
1 Tác động liên hợp với mặt cầu hoặc hệ mặt cầu; 1 Tính liên tục giữa các cấu kiện;
Trang 251 Các hiệu ứng lực do tải trọng bản thân của các cầu kiện, sự thay đơi hình hoc do bién dang,
và dịch chuyển dọc trục của các nút, và
H Biến đạng do uốn trong và ngồi mặt phăng của các cấu kiện bao gồm cả độ vênh ban đầu, tính liên tục giữa các cầu kiện và ảnh hưởng của lực đọc trục cĩ mặt trong các câu kiện này
Biến đạng do uốn ngồi mặt phẳng của mạ thượng của các cầu dàn biên hở (khơng cĩ hệ giằng giĩ trên) phải được khảo sát Nếu giàn được ơn định bên nhờ các khung ngang mà các đầm ngang là một phần của chúng, thỉ biến đạng của các dầm ngang do tải trọng xe phải được xét đên
Hinh 20: Mơ hỉnh xét ảnh hướng do tính liên hợp với bản mặt cầu
Tác động liên hợp với mặt cầu hoặc hệ mặt cầu sẽ làm xuất hiện lực đọc trong các dầm đọc của hệ mặt cầu cĩ tác dụng làm giảm lực kéo trong các thanh biên dàn chủ Tác động nguy
hiểm của hiệu ứng này là gây uốn ngang cho các đầm ngang, đặc biệt là đầm ngang đầu dàn, vỉ vậy trong nhiều trường hợp cần phải gián đoạn hố các dầm dọc để giảm hiệu ứng nêu trên
(hình 20) he
Trang 26
Hỉnh 21: Mơ hỉnh mắt ấn định các thanh biên dàn
Trong các dàn hở, các thanh biên trên chịu nén rất lớn sẽ gây mắt ơn định Các vị trí cong vênh trên kêt cau do va cham hay do sai sĩt chê tạo cũng các mơ men uơn dọc nguy hiêm
5.3.6 Các mơ hỉnh áp dụng khi phân tích kết cấu cầu vịm
Hiệu ứng giãn dài của cáp treo phải được xét đến khi phân tích thanh giang vom Khi khơng khống chế được bằng cấu tạo hợp lý thỉ phải xét đến sự co ngắn của sườn vịm,
Phải sử dụng phép phân tích biến đạng lớn cho các vịm của các nhịp lớn
Khi sự phân bố ứng suất giữa mạ thượng và mạ hạ của vịm giàn bi phụ thuộc vào cách
lap dung, thi cach lắp đựng phải được chỉ rõ trong các tài liệu chỉ dẫn cơng nghệ
5.3.7 Các mơ hình phân tích kết cấu cầu dây văng
Cĩ thể xác định sự phân bố nội lực cho các bộ phận của cầu dây xiên bằng phân tích
theo mơ hỉnh phẳng hoặc phân tích theo mơ hỉnh khơng gian tuỳ thuộc vảo cẫu tạo và kích thước hình học của trụ tháp, số mặt phẳng dây và độ cứng chống xoắn của kết cầu mặt cầu
Phải khảo sát các cầu dây xiên về nội lực khơng tuyến tính cĩ thể do các yếu tố sau
gay ra:
O Thay đơi độ võng cáp xiên trọng mọi trạng thái giới hạn,
n_ Biến đạng của kết cầu dầm cầu và các trụ tháp trong mọi trạng thái giới hạn, và
1 Tính khơng tuyến tính của vật liệu trong các trạng thái giới hạn đặc biệt
Do độ võng của các dây văng phụ thuộc:
Trang 27Cĩ thể khảo sát độ võng của dây cáp bằng cách sử dụng cấu kiện tương đương
được mơ hỉnh hố như một thanh với mơ đun đàn hồi được thay đối theo phương trinh
(9) cho độ cứng tức thời và theo phương trĩỉnh (10) theo cách tính lặp, ứng với sự thay đơi tải trọng tác động trong cáp xiên 2 5 T Emop = E/ 1+ EAW (cosa}` (9) 12H | -1 H, +H,) EAW? * | Ewop= E " it ») Bài (cosœ) (10) 24H?H7 | trong đĩ:
E = mơ đun đàn hồi của vật liệu dây cáp xiên (MPa)
W = tổng trọng lượng của dây cáp xiên (N)
A = _ diện tích mặt cắt của dây cáp xiên (mm?)
O = gĩc giữa đây cáp xiên và phương năm ngang (độ)
H,Hị,Hạ, = thành phần nằm ngang của lực cáp xiên (N) Cơ sở lý luận của vẫn đề này È A
cĩ được từ kết quả nghiên cứu của
Giáo su Ernt: o =800MPa
Biểu đồ bên thể hiện mơ đun 6 =70MPa
đàn hồi chống biến dạng dọc trục
a aA gk , k n 0 =(WMPa
của dây tuy theo ứng suât trong dây
và độ dài hình chiếu lên phơng 0 =500 MPa
ngang của dây Kết qua nghiên
cứu cho thấy khi ứng suất trong 0 =4WMPa
dây nhỏ hơn 300 MPa thi mơ đun ø =3IMPa
đàn hơi cĩ hiệu của dây giam rat
nhanh theo chiều dài đây, với các o=20MPa
dây văng cĩ chiều dài nhỏ hơn y g + a 200 400 600 800 1000 L(m) ! ! | ! | >
150m thï sự thay đơi mơđun đàn hơi Ộ J
cĩ hiệu là khơng đáng kể (hình 2- Hinh 23: Quan hệ giữa mơđun đàn hồi và ứng suât
trong dâ
23) g.a
Cầu dây xiên phải được tính tốn đến tình huống mắt một dây xiên bất kỳ
Việc ảnh hưởng do biến dạng của tháp trong các cầu đây văng được mơ tả trên hình 24 Do việc kéo căng trước các dây văng để điều chỉnh nội lực và trắc dọc của cầu trong giai
đoạn thi cơng sẽ truyền vào trong thân tháp lực nén dọc trục rất lớn Trong điều kiện cân
Trang 28bằng hợp lực nén từ các dây văng sẽ tác động gầm như đúng tim dọc của tháp, khi cĩ biến dạng điểm tác dụng trở nên lệch tâm gây ra mơmen uốn dọc rất lớn trong tháp Phân tích tương tự cũng cho thấy ngồi các mơmen do tải trọng thắng đứng, dầm chủ trong các cầu dây văng cũng chịu thêm giá trị mơmen rất lớn đo uốn dọc từ các lực nén lớn tạo ra do thành phần theo phương ngang của lực trong các dây văng Ting Kau Hong Leonard P Zakim Bridge -
Hinh 24: Bién dang của dầm va tháp trong kết cấu nhịp cầu dây văng
5.3.8 Các mơ hỉnh phân tích kết cấu cầu tr eo dây võng
Các hiệu ứng lực trong cầu treo dây võng phải được phân tích bằng lý thuyết biến đạng
lớn đối với tải trọng thắng đứng Các hiệu ứng của tải trọng giĩ phải được phân tích cĩ xét sự
tăng độ cứng do kéo căng của các dây cáp Độ cứng chống xoăn của đầm cầu cĩ thể bỏ qua khi đặt lực tác dụng lên các dây cáp võng, các thanh treo và các thành phần của giàn tăng
Ƒ
cứng
Các nghiên cứu đầy đủ hơn về cơ sở phân tích kết cấu cầu treo dây võng theo sơ đồ biến dạng giới thiệu trong chương 6 của tài liệu này
5.4 ĐỘ ƠN ĐỊNH
Khi tính tốn độ ơn định phải sử dụng thuyết lý biến dạng lớn
5.6 PHAN TICH VỀ GRA-ĐI-EN NHIỆT ĐỘ
Trang 29Khi việc xác định các hiệu ứng lực do gra-đi-en nhiệt thắng đứng được đề ra, thì phép
phân tích cần xét đên độ giãn dài dọc trục, biên dạng uơn và các ứng suât bên trong
6 CƠ SƠ PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC
6.1.NHỮNG YÊU CAU CO BAN VE PHAN TICH DONG LUC HOC KET CAU 6.1.1 Tong quat
Dé phân tích sự làm việc động học của cầu, độ cứng, khối lượng và các đặc tính chống
rung của các thành phân kêt cầu phải được mơ hỉnh hố
Số bậc tự do ít nhất được tính đến trong phép phân tích phải dựa trên một vài tần số tự
nhiên đã tìm được và độ tin cậy của các dạng dao động đã giả thiệt Mơ hình phải tương thích
với độ chính xác của phương pháp giải Các mơ hình động học phải bao hàm các khía cạnh liên quan đên ket cau va sy kích rung Các khía cạnh liên quan của kêt cầu cĩ thê bao gơm:
_ Sự phân bố khối lượng, ¬_ Sự phân bố độ cứng, và 1 Các đặc tính giảm rung Các khía cạnh cĩ liên quan của sự kích rung cĩ thé bao gồm: 1 Tần số của hàm số lực, 1 Thời gian đặt tải, và 1 Hướng đặt tải
6.1.2 Xây dựng các mơ hỉnh dao động dựa trên giả thiết về phân bố khối lượng
Trong việc xây dựng mơ hình dao động của kết cẫu, khối lượng bản thân kết cấu cĩ thể qui đơi vê mơ hỉnh dâm khơng khơi lượng, cĩ một khơi lượng tập trung ( hình 2-25a), cĩ nhiêu khơi lượng tập trung (hỉnh 2-25b) hoặc mơ hỉnh khơi lượng phân bơ đêu ( cĩ vơ sơ khơi lượng tập trung hình 2-25c)
Việc mơ hình hố khối lượng phải được thực hiện cĩ xét đến mức độ của độ phân giải
trong mo hinh, và sự chuyên động dự kiên của các khơi lượng
Trang 30Cầu phải được mơ hỉnh hố để nhất quán với bậc tự do được chọn nhằm thê hiện các
dạng tự nhiên và các tần số tự nhiên của dao động Độ cứng của các phần tử của mơ hỉnh phải được quy định cho phù hợp với cầu đang được mơ hình hố
6.1.4 Các cơ cầu giảm chan
Các thiết bị giảm chắn cĩ tác động rất lớn đến trạng thái dao động của hệ kết cấu vĩ vậy
phải được đưa vào xem xét trong các phân tích động lực học kết cau
Bộ chống rung nhớt tương đương cĩ thể được sử dụng đề thể hiện tính tiêu năng 6.1.5 Các tần số tự nhiên (tần số dao động riêng)
Tần số dao động riêng của kết câu được coi là một trong những tham số cơ bản dé phan
tích động lực học của hệ kết cấu
Phải xét đến tất cả các dạng và các tần số chống rung liên quan
6.2 UNG XU DONG HOC DAN HƠI (DAO ĐỘNG ĐÀN HƠI ) 6.2.1 Dao động kết cấu do tác dụng của tải trọng di động (hoạt tải xe)
Khi cần sự phân tích về tác động động học tương hỗ giữa kết cầu và hoạt tải đi động
trên nĩ, cần chỉ rõ và chấp thuận độ nhám bề mặt, vận tốc và các đặc tính động học của xe cộ
đưa vào trong phép phân tích
Hệ số xung kích phải được lấy bằng tỷ số giữa hiệu ứng lực động học cực trị và hiệu
ứng lực tĩnh tương ứng
Trong mọi trường hợp, tải trọng động cho phép sử dụng khơng được nhỏ hơn 50% tải trọng động cho phép được nêu trong chương], ngồi ra khơng cho phép giảm đối với các khe
nỗi mặt cầu
6.2.2 Dao động do tác động giĩ 6.2.2.1 Các ván tốc giĩ
Đối với các kết cầu quan trọng nhạy cảm với các tác động của giĩ, vị trí và độ lớn của
các giá trị về áp lực cực trị và sức hút phải được xác định bằng các thí nghiệm trong ống thí
nghiệm thối giĩ
6.2.2.2 Các hiệu ứng động học
Các kết cầu nhạy cảm với giĩ phải được phân tích về các hiệu ứng động học như sự lắc
do giĩ xốy hoặc giĩ giật, và tác động tương hỗ giĩ-kết câu khơng ổn định như sự rung, vẫy
Các kết cầu mảnh hoặc dễ uốn xoắn phải được phân tích về oăn ngang, nén quá mức và lệch
6.2.2.3 Nghiên cứu thiết kế kết cấu chịu các tác dựng động lực
Biến dạng động dưới tác động của giĩ cĩ thê dẫn đến các ứng suất qúa mức, sự mỏi kết cấu, và sự phiền phức hoặc bất tiện cho người dùng Mặt cầu, dây xiên và cáp treo phải được
Trang 31bảo vệ tránh bị giĩ xốy quá mức và các dao động do mưa giĩ Khi áp dụng thực tế, việc sử dụng các bộ chống rung phải được xét để kiểm sốt được những tác động động học quá mức
Khi các bộ chống rung hoặc sự thay đổi hình dạng khơng hiện thực, thỉ hệ kết câu phải được thay đơi để đạt được sự kiểm sốt đĩ
6.3 UNG XU ĐỘNG HỌC KHƠNG ĐÀN HƠI
Trong khi chịu tác động của động đất hoặc va chạm tau thuyén, nang lugng co thé
được làm tiêu tán bằng một hoặc nhiều cơ chế dưới đây:
1 Biến dang dan hồi và khơng đàn hồi của vật thể cĩ thể va chạm với kết cấu,
¬_ Biến dạng khơng đàn hồi của kết câu và các vật gắn liền với nĩ,
_ Chuyến vị khơng hồi phục của các khối lượng của kết cấu và các vật gắn với nĩ, và ¬_ Biến dạng khơng đàn hồi của các bộ phận tiêu năng cơ học chuyên dụng
6.4 PHAN TICH VE TAI TRONG DONG DAT
Phải thực hiện các yêu cầu phân tích tối thiểu về các hiệu ứng động đất đối với các cầu nằm trong vùng động đất
Khơng cần phân tích động đất đối với các cầu một nhịp đù nĩ nằm trong vùng động đất
Đối với các kết câu nhiều nhịp phải thực hiện các yêu cầu phân tích tối thiểu theo
quy định trong bảng 3, trong đĩ :
* = _ khơng cần đến phân tích động đất
UL = phương pháp đàn hồi tải trọng phân bố đều SM =_ phương pháp đàn hồi dạng đơn
MM = phương pháp đàn hồi dạng phức
TH = phương pháp lịch sử thời gian
Bảng 3- Các yêu cầu tối thiểu đối với tác động của động đất Cầu nhiều nhịp
Vùng Cầu một Các câu khác Các câu chủ yêu Các cầu đặc biệt động nhịp Bình Khơng Bình Khơng Bình Khơng đất thường thường bình thường thường binh thường thường bình Khơng cần * * * * * * xét đến SM/UL SM SM/UL MM MM MM dong dat | smut MM MM MM MM TH
7 PHAN TICH KET CAU THEO MO HINH VAT LY
‹ - Xây dựng các mơ hình thu nhỏ mơ phỏng kết cấu thực thí nghiệm để nghiên cứu các
ứng xử của kết cấu
Trang 32‹ _ Xây dựng các mơ hình lớn hơn để tiến hành các thí nghiệm Cac m6 hinh nay cĩ kích thước gần lớn bằng các kết cầu thực tế nhằm phát hiện đầy đủ các hiệu ứng trong các kết cầu
‹ _ Tiến hành thử nghiệm trên các cơng trình cầu thực tế
¢ Gan cơ đỉnh các thiết bị quan trắc trên các cơng trình cầu thực tế theo dõi thường xuyên trong nhiều năm dưới tác dụng của tải trọng khai thác
7.1 THÍ NGHIỆM TREN MO HINH CO TY LE THU NHO KET CÂU
Dé thiét lap va kiểm tra sự làm việc của kết cấu, cĩ thể tiến hành thí nghiệm các mơ hinh tỷ lệ thu nhỏ kết cấu và các bộ phận của nĩ Các tính chất về kích thước và vật liệu của
kết cấu, cũng như các điều kiện biên và tải trọng, phải được mơ hỉnh hố cảng chính xác
càng tốt Đối với phân tích lực học phải sử dụng hợp lý tỷ lệ quán tính nội bộ, các hàm tải trọng/ kích thích và hàm giảm chấn Đối với các thí nghiệm về trạng thái giới hạn cường độ phải mơ phỏng trong bản thân tính tốn sự đo đạc bằng dụng cụ khơng được ảnh hưởng đáng kể đến lời giải và kết quả của mơ hình
Trên hình 26 giới thiệu mơ hình thu nhỏ của cầu dây văng dùng để nghiên cứu tác động của giĩ đối với cơng trình trong ống thí nghiệm khí động học
Trang 33
Hình 26: Mơ hỉnh thu nhỏ của cầu dây văng dùng để nghiên cứu tác động giĩ trong ống
thí nghiệm khí động học
Đối với những cơng trình cầu quan trọng bên cạnh việc thí nghiệm trên các mơ hình thu nhỏ tồn bộ cần phải tiễn hành thí nghiệm trên cả các bộ phận chi tiết của cơng trình Trên hình 27 mơ tả mơ hỉnh thí nghiệm hiệu ứng uốn xoắn đối với một phân đoạn dầm chính của cầu dây văng đưới tác động giĩ Trên hình 2-28 là mơ hình đoạn cáp dây văng dùng để thí nghiệm chịu tác động đồng thời của giĩ và mưa
Trang 34Hỉnh 27: Mơ hỉnh thí nghiệm hiệu ứng uốn xoắn do tác động giĩ
Hinh 28: Mơ hinh thí nghiệm cáp dây văng chịu tác động của giĩ và mưa
Để thử nghiệm các mơ hình cĩ kích thước xấp xỉ hoặc bằng kích thước thực tế địi
hỏi các phịng thí nghiệm cĩ đủ trang thiết bị hiện đại và đồng bộ với các hệ thống kích
và giá tạo lực rất lớn Các thí nghiệm với mơ hỉnh kết câu cĩ kích thước và vật liệu gần
giống thực tế sẽ cho được các thơng tin đầy đủ hơn về ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng và các tác động Điều này đặc biệt cĩ ý nghĩa khi nghiên cứu các kết cầu
mới, vật liệu mới, nghiên cứu các tác dụng động lực, mỏi, động đất, va xơ, va chạm
v.v Trên các hình từ 29 đến 33 giới thiệu phịng thí nghiệm mơ hình hiện đại trên thế
giới và bước đầu xây dựng và hoạt động ở Việt Nam
Hình 29: Cấu tạo chung phịng thí nghiệm mơ hỉnh
Trang 35For testing single-span or multi-span bridge structures simulating waves prop-
agating fromm a seismic event, MTS devel oped a two degree of freedom multiple table testing system
Hinh 31: M6 hinh thr nghiém kết cấu cầu chịu tác dung động đất
4 Channel System
Hinh 32: Mơ hinh thí nghiệm Hinh 33: Các kích tạo lực
7.2 THU NGHIEM CAU
Trang 36Đề xác định hiệu ứng lực và khả năng chịu tải của các cầu hiện hữu người ta cĩ thể thử bằng các dụng cụ đo và các kết quả đạt được dưới các điều kiện khác nhau của tải trọng của
giao thơng và của tải trọng mơi trường hoặc tải trọng thí nghiệm bằng các xe chuyên dùng
Trên hình 34 thê hiện hình ảnh xếp hoạt tải thử để thử nghiệm cầu dây văng Sơn La Trên các
hình 35 giới thiệu các cơng nghệ hiện đại để đo ứng suất trong dây văng áp dụng cho cơng tác thử
nghiệm các cơng trỉnh câu hiện đại
7.3 QUAN TRẮC CÂU
Ngồi việc thử nghiệm cầu dươi tác dụng của các tải trọng thử dự kiến như loại xe, số lượng trục bánh, trọng lượng các trục, trọng lượng tồn bộ xe, s6 lugng va khoang cach cac
xe, toc d6 di chuyén qua cầu người ta cịn tiễn hành thử nghiệm cầu đưới tác dụng của tải trọng và các tác động ngẫu nhiên Đề làm được điều này cần phải gắn trước các thiết bị quan
trắc tại các mặt cắt đặc trưng của kết cầu nhịp, mồ trụ hay tháp của cầu treo và cầu đây văng Các số liệu về ứng suất, chuyển vị, biến dạng từ các điểm quan trắc sẽ được truyền về bộ xử
Trang 37lý trung tâm nhờ đĩ mà cĩ được trạng thái ứng xử của kết câu đưới tác đụng của tải trọng và các tác động Phương pháp thử nghiệm cầu dưới tác dụng của tải trọng mơi trường mang tính
ngẫu nhiên đặc biệt cĩ ý nghĩa khi nghiên cứu các tác động của giĩ và động đất
Trên hình 36 giới thiệu sơ đồ bố trí thiết bị quan trắc trên cầu dây văng Bãi Cháy
Hình 36: Sơ đồ bố tr í thiết bị quan tr ắc trên cầu dây văng Bai Chay 8 CO SO PHAN TICH KET CAU HAM GIAO THONG
8-1 GIOI THIEU CHUNG
Lý thuyết phân tích tính tốn kết cau ngam cé lich str phat trién lâu đài Đến nay cĩ rất
nhiều phương pháp tính các loại kết câu ngầm, khá nhiều phương pháp tính đã được áp dụng trong thực tế thiết kế Việc phố biến máy tính điện tử trong thực tế tính tốn đã tạo điều kiện cho việc áp dụng một số phương pháp trước đây dùng đo những khĩ khăn trong tính tốn và cũng loại trừ khỏi thực tế khơng tt các phương pháp đơn giản, gần đúng mà việc áp dụng nĩ trước đây chỉ do khơng cĩ hoặc khơng thể áp đụng các phương pháp hồn thiện
Những điều kiện địa chất cơng trình phức tạp và rất đa dạng của những khu vực xây dựng cơng trình hầm, những sự khác nhau về cơng nghệ thi cơng và kết cấu đã gây khĩ khăn cho việc tìm ra một đường lối duy nhất đề thiết kế và tính tốn kết cầu ngầm
Các mơn cơ học vật rắn biến dạng, cơ học kết cấu là cơ sở của tất cả các phương pháp
tính tốn đã được áp dụng Theo đặc điểm của sự tác dụng tương hỗ giữa kết cầu và khối địa
Trang 38bị động (lực kháng đàn hồi) và tải trọng đặc biệt Áp lực đất đá coi như đã biết cịn lực kháng
đàn hồi được xác định bằng tính tốn tuỳ thuộc vào sơ đồ tác dụng của tải trọng và quan hệ
giữa các đặc trưng biến dạng của kết cầu và địa tầng
- - Nhĩm 3: Tải trọng tác dụng lên vỏ hầm do áp lực đất đá khơng giả thiết trước mà
được xác định do kêt quả giải bài tốn tiêp xúc về tac dung trong ho cua vo ham va dia tang Các phương pháp thuộc nhĩm 1 và phần lớn các phương pháp thuộc nhĩm 2 là dựa trên cơng cụ của mơn Cơ học kết cầu Nhĩm 3 là các phương pháp dựa trên các lời giải cỗ
điển hoặc các lời giải số của mơn Cơ học vật rắn biến dạng
8.2 TĨNH TỐN CONG TRINH HAM DANG VOM TUA TREN DAT DA (VOM NGAM ĐÀN HƠI )
Cĩ nhiều dạng vịm tựa trên đất đá:
- _ Vịm tựa trên đất đá cĩ vỏ bao kín tồn bộ tiết diện:
+ Vịm cĩ chiều dày thay đơi: thường áp dụng cho hầm nhịp nhỏ hơn 5m (hình 2-37)
+ Vịm cĩ chiều dày khơng đổi: thường áp đụng cho hầm cĩ nhịp lớn hơn 7m (hình 2-38)
Vịm thoải, dạng parabol chịu lực tốt hơn vịm trịn do Hinh 37: Dạng vịm cĩ chiều dày khơng đổi Hinh 38: Dạng vịm cĩ chiều day thay doi - _ Vịm tựa trên đất đá chỉ cĩ vỏ ở phần đỉnh vịm:
+ Vịm cĩ chiều dày thay đổi (hình 17) + Vịm cĩ chiều dày khơng đổi (hình 18)
8.2.1 Xây dựng mơ hình phân tích kết cấu vỏ hầm giao thơng
Mơ hừnh tính tốn kết câu vỏ hầm thường được xây dựng theo lý thuyết mơ hình bài
tốn phăng với việc xét kết câu vỏ hầm cĩ chiều dài đơn vị theo phương dọc hằm (hỉnh41)
Trang 39
Hinh 39: Dạng vịm cĩ chiều dày khơng đối Hỉnh 40: Dạng vịm cĩ chiều dày thay đối
Sơ đồ tính tốn được lựa chọn theo sơ đồ vịm khơng khớp chịu tải trọng thắng đứng gồm cĩ áp lực đất và trọng lượng bản thân kết cấu Trong trường hợp kết cấu nằm trong đất yếu thỉ cĩ thê cả áp lực hơng
Hình 41: Sơ đồ tính tốn kết cấu vĩ hầm
Với: _ 1 - chiều rộng tính tốn của vịm (nhịp vịm), m f - chiều cao tính tốn của vịm (đường tên vịm), m © - gĩc nghiêng của chân vịm, rađ (độ)
Sơ đồ tính tốn được lựa chọn theo sơ đồ vịm khơng khớp chịu tải trọng thắng đứng gồm cĩ áp lực đất và trọng lượng bản thân kết câu Trong trường hợp kết cẫu năm trong đất yếu thỉ cĩ thể cả áp lực hơng
Vịm cịn chịu tác dụng của áp lực bị động do lún dưới tác dụng của tải trọng Áp lực
này tác dụng theo phương pháp tuyến với bề mặt vịm (coi là bỏ qua tác dụng của áp lực này theo phương tiếp tuyến) Áp lực này gọi là phản lực đàn hồi
As rs ` 2° ` f `7 A X +
Đơi với vịm thoải (thường TẾ 0,25) thỉ cĩ thê xem như vịm biên dạng tự do (khơng cĩ phản lực đàn hơn) Biên dạng của chân vịm tuỳ thuộc vào điêu kiện kê gơi của chân vịm Khi ngàm đặt trên đât đá cứng thi tại chân vịm khơng cĩ chuyên vị ngang và chuyển vị gĩc xoay
8.2.2 Tính tốn nội lực trong kết cấu 8.2.2.1 Đối với kết cầu hầm dạng vịm thoải
Trang 40Xét một kết cấu hầm cĩ dạng vịm thoải cĩ ngàm đàn hồi, cĩ xét đến những biến
dạng của chân vịm dưới đạng gĩc xoay và chuyên vị tại chân vịm u(u„, uy) Bỏ qua ma sắt giữa kết câu vịm và đá xung quanh Thường trong tính tốn, người ta bỏ qua thành phần chuyên vị thắng đứng đo tải trọng tác dụng (thắng đứng) đối xứng ảnh hưởng khơng đáng kê đến sự phân bố nội lực trong vịm Việc tính tốn được thực hiện theo phương pháp lực như sau:
Các ân số Xì, Xa được xác định bằng việc giải phương trỉnh chính tắc cĩ đạng sau:
[ ¡iXị + õj¿X¿+ Aip + =0
[ Ư2iXi +õ››Xz+ A2p + fP+ u„ =0 q 1)
Voi: X,, X> - 4n luc co ban tac dụng tại đỉnh vịm
Ơij - chuyền vị đơn vị theo phương X; khi X¡;=1
Aip , Azp - chuyển vị theo phương X; và X¿ tại đỉnh vịm do ngoại lực tác dụng B - chuyển vị gĩc tại vị trí chân vịm
u„ - chuyển vị thắng theo phương ngang tại vị trí chân vịm
Khi vịm tựa trên đất đá thì coi Ð là gĩc trượt của chân vịm trên đất đá
Khi vịm tựa trên tường thỉ tính tốn chuyên vị tại đỉnh tường rồi suy ra chuyên vị tại chân vịm
õy và Aip là chuyển vị đơn vị tại vị trí đỉnh vịm và chuyến vị do ngoại lực gây ra
trong hệ cơ bản, được tính theo cơng thức sau: "- MM, NĐ,\„ (12 yo | EJ EF A -(%" MM, NN, S (13) iP Jo EJ EF Với: E - mơđun đàn hơi của vật liệu vỏ hầm
J - mơmen quán tính của vịm
F - diện tích tiết diện vịm