Tính nội lực Bản mặt cầu theo phương pháp chính xác (phương pháp phần tử hữu hạn) bằng phần mềm Midas civil

LÝ DO CHỌN ĐỀTÀI Việc áp dụng tiêu chuẩn mới 22TCN 272-05,có tham khảo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 , AASHTO LRFD2002 trong tính toán thiết kếkết cầu nói chung và bản mặt cầu nói riêng, còn gặp nhiều bỡngỡ, khó khăn đối với sinh viên ngành Xây Dựng Cầu Đường. Trong tiêu chuẩn cho phép tính nội lực bản mặt cầu bằng nhiều phương pháp, nhưng lại chưa đưa ra được nhân xét chính xác vềcác biện pháp trên. Do đó là một kỹsưthiết kếcầu thì việc lựa chọn và đưa ra một phương pháp hiệu quảtối ưu mang ý nghĩa quan trọng không chỉmang lại hiệu quảvềmặt kinh tế, mà còn nâng cao sự ổn định của kết cấu thượng tầng. Hiện nay cùng với sựphát triển mạnh mẽcủa công nghệthông tin, đã góp phần lớn trong việc sửdụng phương pháp tính đểtính toán kết cấu công trình. Trong đó phương pháp phần tửhữu hạn (Finite Element Method – FEM) là một trong những phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất trong việc xây dựng các chương trình phân tích kết cấu, chẳng hạn như: SAP2000, RM2000, Midas civil …Và các chương trình này ngày càng được hoàn thiện và phát triển . Do đó trong đềtài này chúng em có đềcập đến nội dung tính nội lực Bản mặt cầu theo phương pháp chính xác (phương pháp phần tửhữu hạn) bằng phần mềm Midas civil, đểso sánh với các phương pháp tính nội lực khác trong 22TCN 272-05 . Qua đó áp dụng đểmô hình kết cấu trên phần mềm này mà tiêu biểu là “ Cầu Đồng Nai đang xây mới” . B. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Theo tiêu chuẩn thiết kếcầu 22TCN 272-05 có tất cả5 phương pháp đểtính toán nội lực bản mặt cầu : ¾ Phương pháp tính chính xác (phương pháp phần tửhữu hạn). ¾ Phương pháp tính gần đúng ( phương pháp dải tương đương ). ¾ Phương pháp tính kinh nghiệm. Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 3 ¾ Phương pháp tính truyền thống . Riêng hai phương pháp tính kinh nghiệm (9.7.2 22TCN 272-05)và tính truyền thống (9.7.3 22TCN 272-05)theo PGS.TS Nguyễn Viết Trung (Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội) thì nội dung chính là quy định chi tiết vềkích thước cấu tạo, sốlớp cốt thép, sốlượng cốt thép tối thiểu, cấp cốt thép … Sau khi các yêu cầu cấu tạo thỏa mãn có thểkhông cần tính toán .Do những nguyên nhân trên nên trong nội dụng đềtài bản than em không đưa vào đềtài của mình.

SVTH: Cáp Trọng Biên 1

CHƯƠNG MỞ ĐẦU:

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG

A LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Việc áp dụng tiêu chuẩn mới 22TCN 272-05, có tham khảo tiêu chuẩn AASHTO LRFD 1998 , AASHTO LRFD 2002 trong tính toán thiết kế kết cầu nói chung và bản mặt cầu nói riêng, còn gặp nhiều bỡ ngỡ, khó khăn đối với sinh

viên ngành Xây Dựng Cầu Đường

Trong tiêu chuẩn cho phép tính nội lực bản mặt cầu bằng nhiều phương pháp, nhưng lại chưa đưa ra được nhân xét chính xác về các biện pháp trên Do đó là một kỹ sư thiết kế cầu thì việc lựa chọn và đưa ra một phương pháp hiệu quả tối

ưu mang ý nghĩa quan trọng không chỉ mang lại hiệu quả về mặt kinh tế, mà còn nâng cao sự ổn định của kết cấu thượng tầng

Hiện nay cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, đã góp phần lớn trong việc sử dụng phương pháp tính để tính toán kết cấu công trình Trong đó phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method – FEM) là một trong những phương pháp được áp dụng rộng rãi nhất trong việc xây dựng các chương trình phân tích kết cấu, chẳng hạn như : SAP2000, RM2000, Midas civil

…Và các chương trình này ngày càng được hoàn thiện và phát triển

Do đó trong đề tài này chúng em có đề cập đến nội dung tính nội lực Bản mặt cầu theo phương pháp chính xác (phương pháp phần tử hữu hạn) bằng phần mềm Midas civil, để so sánh với các phương pháp tính nội lực khác trong 22TCN 272-

05 Qua đó áp dụng để mô hình kết cấu trên phần mềm này mà tiêu biểu là “

Cầu Đồng Nai đang xây mới”

B MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 có tất cả 5 phương pháp để tính toán nội lực bản mặt cầu :

¾ Phương pháp tính chính xác (phương pháp phần tử hữu hạn)

¾ Phương pháp tính gần đúng ( phương pháp dải tương đương )

¾ Phương pháp tính kinh nghiệm

Giao Thông Vận Tải Hà Nội ) thì nội dung chính là quy định chi tiết về kích

thước cấu tạo, số lớp cốt thép, số lượng cốt thép tối thiểu, cấp cốt thép … Sau khi các yêu cầu cấu tạo thỏa mãn có thể không cần tính toán Do những nguyên nhân trên nên trong nội dụng đề tài bản than em không đưa vào đề tài của mình

Còn hai phương pháp còn lại đều có những ưu điểm, khuyết điểm riêng

Từ những ưu, khuyết đó em có thể đưa ra một cái nhìn tổng quát về hai phương pháp này Từ đó có thể tùy trường hợp thực tế mà có thể áp dụng thích hợp cho từng phương pháp

C ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU

Mặt cầu là bộ phận chịu tải trọng và chủ yếu quyết định chất lượng giao thông, chất lượng khai thác của cầu Do đó trong thiết kế bản mặt cầu là bộ phận được tính toán đầu tiên

Hình 1.1 : Bản mặt cầu và các ảnh hưởng

Trong công tác thiết kế ngày nay, đặc biệt là những công trình mang tầm

cỡ quốc gia như : Cầu Đồng Nai mới, Cầu Rạch Miểu, Cầu Mỹ Thuận … với nhiều kết cấu, bộ phận phức tạp thì việc tính nội lực cho từng kết cấu đòi hỏi phải nhanh, hiệu quả cao Do đó không cho phép ta cùng một lúc có thể áp dụng nhiều

phương pháp tính cho cùng một kết cấu Vì nó đòi hỏi rất nhiều thời gian và công sức, mà yêu cầu công việc không cho phép điều đó Ta chỉ có thể lựa chọn một phương pháp để thiết kế nhưng phải đảm bảo tính chính xác cao

Dường như để đáp ứng được các yêu cầu trên thì việc tự động hóa trong thiết kế cầu được cho là phù hợp Trong thiết kế kết cấu xây dựng nói chung và Bản mặt cầu nói riêng thì Midas civil là phần mềm được đề cập đến Tuy nhiên việc áp dụng như thế nào để phù hợp với tiêu chuẩn cho phép thì dường như chưa được đề cập đến Đó chính là yêu cầu đặt ra trong đề tài này cần xem xét Bản mặt cầu hay còn gọi là kết cấu thượng tầng của cầu có những tác động ảnh hưởng đến sự ổn định :

™ Tác động bên trong

¾ Tải trọng Bản mặt cầu Bê Tông Cốt Thép

¾ Tải trọng Lan can

¾ Tải trọng Lớp phủ bê tông át phan

¾ Tải trọng giải phân cách (nếu có)

™ Tác động ngoài :

¾ Trọng lượng xe cộ qua lại

¾ Trọng lượng người đi (nếu có)

D NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU :

Từng bước xác định nội lực Bản mặt cầu theo hai phương pháp :

+ Dải tương đương quy định theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 (phương pháp gần đúng)

+ Phương pháp phần tử hữu hạn bằng phần mềm midas civil (phương pháp tính chính xác)

Xác định độ chệnh lệch của kết quả bằng tỷ lệ %,và đưa ra nhận xét cụ thể

về hai phương pháp Từ đó đưa ra kiến nghị cho đề tài

SVTH: Cáp Trọng Biên 5

E PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Sử dụng tiêu chuẩn 22TCN 272-05 (kèm theo phần giải thích tiêu chuẩn của Bộ Giao Thông Vận Tải) có tham khao thêm tiêu chuẩn AASHTO LRFD

1998 , AASHTO LRFD 2002 để tính nội lực Bản mặt cầu theo phương pháp dải tương đương

Sử dụng Phần mềm Midas để tính nội lực bản mặt cầu theo phương pháp tính chính xác

Tìm được sự tương quan từ hai phương pháp dựa vào kết quả tìm được ( Nội lực Max, Min)

Từ đó đưa ra được tính thực tiễn của từng phương pháp

F ĐỘ TIN CÂY CỦA ĐỀ TÀI

Đề tài được dựa trên những quy đinh xây dựng trong tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272-05 của Bộ Giao Thông Vận tải thay thế cho bộ tiêu chuẩn cũ 22TCN 18-79 Đồng thời có tham khảo tham một số ý kiến của các Giáo Sư Tiến Sĩ đầu ngành về cách vận dụng tiêu chuẩn trong tính toán thiết kế như : GS TS Nguyễn Viết Trung (Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải Hà Nội), GS.TS Lê Đình Tâm (Bộ môn Cầu – Hầm trường Đại Học Xây Dựng Hà Nội), TS Lê Bá Khánh (Trưởng Bộ môn Cầu – Đường trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh)

Áp dụng nguyên tắc thiết kế trong phần mềm Midas phiên bản 7.01 của môn “Tin học Cầu – Đường” để mô hình kết cấu Bản mặt cầu và tính nội lực phần kết cấu thượng tầng theo tiêu chuẩn Việt Nam

Một số công trình cầu điển hình đã được thiết kế, tính toán với Midas /cilvil :

+ Cầu SooTong : là cầu dây văng lớn thứ 2 trên thế giới với nhịp chính dài

1088 m, bắc qua sông Dương Tử Trung quốc.Được midas Civil phân tích với

1253 nút cùng 1532 phần tử, trong đó có 272 phần tử cáp và 1260 phần tử thanh dầm tổng quát

Hình 1.2-Cầu Sootong – Trung Quốc

+ Cầu Thuận Phước – Việt Nam : là cầu 3 nhịp dây võng (125 + 405 +125

=655 m)

Hình 1.3-Cầu Thuận Phước – Việt Nam

+ Cầu samchun Bay Grand (Hàn Quốc):

Hình 1.4 - Cầu samchun Bay Grand (Hàn Quốc):

SVTH: Cáp Trọng Biên 7

G Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI :

Đề tài này được thực hiện không những đưa ra phương pháp tối ưu mang tính hiệu quả cao mà còn đề cao được tính tự động hóa trong công tác thiết kế bằng phần mềm Midas civil

Từ hai kết quả cặp nội lực tính toán, giúp cho các sinh viên làm đồ án và

kỹ sư thiết kế có được nhận xét và cách lựa chọn phù hợp cho từng phương án tính nội lực của đồ án môn học cũng như trong công tác thiết kế kết cấu bản mặt cầu

1.1.2 Hệ số tải trọng và các trạng thái giới hạn

1.2 SƠ LƯỢC HAI PHƯƠNG PHÁP TÍNH NỘI LỰC BẢN MẶT CẦU

1.2.1 PHƯƠNG PHÁP DẢI BẢN (PHƯƠNG PHÁP TÍNH GẦN

ĐÚNG)

1.2.2 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (PHƯƠNG PHÁP

TÍNH CHÍNH XÁC)

CHƯƠNG II : VÍ DỤ TÍNH TOÁN CỤ THÊ

2.1 Tính toán nội lực cầu dầm I

2.2 Tính toán nội lực cầu dầm hộp

CHƯƠNG III : KẾT LUẬN VÀ ĐƯA RA NHỮNG KIẾN NGHỊ

CHƯƠNG I :

SƠ LƯỢC VỀ TIÊU CHUẨN THIẾT

KẾ CẦU 22TCN 272-05 VÀ CÁC

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU

SVTH: Cáp Trọng Biên 9

I Sơ Lược tiêu chuẩn 22 TCN 272-05

1.1 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế 22TCN 272-05

Tiêu cẩn thiết kế cầu 22 TCN 272-05 thỏa mãn tất cả các trạng thái giới hạn, cả tổng thể và cục bộ, các biểu thức được thể hiện dưới dạng :

n i

Rn : Sức kháng danh định của vật liệu

γi : Hệ số tải trọng theo thống kê

Φ : hệ số sức kháng theo thống kế của sức kháng danh định

η : hệ số điều chỉnh tải trọng

1.2 Hệ số tải trọng và các trạng thái giới hạn :

1.2.1 Tải trọng thiết kế

Các tải trọng thường xuyên và tức thời sau đây được xem xét :

• Tải trọng thường xuyên:

DD = Lực ma sát âm

DC = Tĩnh tải của các bộ phận kết cấu và liên kết

DW = Tải trọng tĩnh của các lớp mặt cầu và thiết bị

EH = Áp lực ngang của đất

EL = Các hiệu ứng bị hãm tích lũy do thi công

ES = Tải trọng của đất chất thêm

EQ = Lực động đất

FR = Lực ma sát

IM = Lực xung kích của xe cộ

LL = Hoạt tải xe

LS = Áp lực đất do hoạt tải sau mố

PL = Tải trọng người đi

SE = Lún

SH = Co ngót

TG = Gadient nhiệt

TU = Nhiệt độ phân bố đều

WA = Tải trọng nước và áp lực dòng chảy

WL = Gió trên xe

WS = Tải trọng gió trên kết cấu

1.2.1 Các trạng thái giới hạn và hệ số tải trọng

A Các trạng thái giới hạn :

1.2.1.1 Trang thái giới hạn cường độ I :

Là tổ hợp tải trọng cơ bản để tính với tải trọng khai thác khi trên cầu có xe

và không có gió

1.2.1.2 Trạng thái giới hạn cường độ II :

Là tổ hợp tải trọng để tính cầu chịu lực gió có vận tốc lớn hơn 25m/s Trên cầu không có xe

1.2.1.3 Trang thái giới hạn cường độ III :

Là tổ hợp để tính với trường hợp xe chạy bình thường khi trên cầu có gió với vận tốc dưới 25 m/s

1.2.1.4 Trạng thái giới hạn mỏi và đứt gãy do mỏi :

Trạng thái này nhằm hạn chế sự phát triển của vết nứt và tránh hiện tượng đứt gãy do tải trọng khai thác Xe tải thiết kế để tính mỏi là xe tải đơn, có khoảng cách giữa các trục xe cố định

1.2.1.5 Trạng thái giới hạn đặc biệt :

Bao gồm các trạng thái đặc biệt xảy ra có chu kỳ lớn hơn tuổi thọ thiết kế của công trình (động đất, va tàu) Trạng thái này nhằm đảm bảo cầu vẫn tồn tại sau biến cố, mạc dù có thể bị hư hỏng

1.2.1.6 Trạng thái giới hạn sử dụng :

0,90 0,90

N/A 1,00 0,90 0,90 0,90 0,90

• èng hép thÐp mÒm

1.3 Tải trọng trong tiêu chuẩn 22TCN 272-05 :

1.3.1 Tải trọng thẳng đứng :

Tải trọng thẳng đứng là tải trọng gây ra do trọng lượng của vật thể

nằm trên cầu Các loại này vừa là tĩnh tải vừa là hoạt tải và tác dụng từ trên

xuống theo hướng vào trọng tâm của quả đất

1.3.1.1 Tải trọng thường xuyên :

Tải trọng thường xuyên hay còn gọi là tĩnh tải là tải trọng nằm bất

động trên cầu trong một thời gian dài,có lẽ trong suốt thời gian phục vụ (Kết

cấu nhịp, mặt cầu, lan can, gờ chắn bánh …)

Bảng 1.3 Tỷ trọng của một số cấu kiện

MÆn 1025

1.3.1.2 Tải trọng tức thời (Hoạt tải) :

1.3.1.2.1 Hoạt tải xe ô tô : LL

Hoạt tải thiết kế HL-93 gồm tổ hợp của :

- Xe tải thiết kế kết hợp với tải trọng làn

- Xe hai trục kết hợp với tải trọng làn

• Xe tải thiết kế :

1.3.1.2.2 Hệ số làn xe

Nếu trên cầu đồng thời có một số làn xe thì phải nhân với hệ số làn

xe để xác suất xảy ra hiệu ứng cựa đại

Bảng 1.5 Lực xung kích IM Cấu Kiện IM

Mối nội bản mặt cầu

II Các phương pháp tính nội lực bản mặt cầu

2.1 Phương pháp tính dải tương đương ( phương pháp tính gần đúng )

2.1.1 Phương làm việc của Bản mặt cầu (theo 4.6.2.1.5 )

Nếu khoảng cách của các cấu kiện đỡ theo hướng phụ lớn hơn 1.5 lần theo

hướng chính, thì phương làm việc của bản mặt cầu theo phương ngang của cầu (

vuông góc với hướng xe chạy ) ngược lại thì mặt cầu được mô hình hóa như một

hệ các dải giao nhau

2.1.2 Khái quát :

Mô hình tính toán coi mặt cầu như các dải bản vuông góc với các cấu kiện

đỡ

Khi tính toán hiệu ứng lực trong bản, phân tích một dải rộng 1m theo

phương ngang cầu Các cấu kiện kê được giả thiết là cứng tuyệt đối

2.1.3 Sơ đồ tính :

Ta có hai sơ đồ tính, phần hẫng ở dầm biên được tính theo sơ đồ công son,

các bản mặt cầu phía trong tính theo sơ đồ dầm lien tục kê trên các gối cứng tại

các vị trí dầm chủ Cũng có thể sử dụng sơ đồ bản ngàm tại hai sườn dầm chủ với

đường lối phân tích gần đúng như sơ đồ bản giản đơn kê 2 cạnh được tính như

dầm giản đơn sau đó xét hệ số điều chỉnh cho ngàm

SVTH: Cáp Trọng Biên 15

Hình 2.1 – Các sơ đồ tính toán của Bản mặt cầu

2.1.3.1 Tính toán nội lực bản hẫng

+ Tĩnh tải tác dụng cho dải bản rộng 1m theo phương ngang cầu

Hình 2.2 – Mô hình tải trọng tác dụng lên cánh hẫng

• Tĩnh tải do trọng lượng bản than bản mặt cầu :

DC1 = 1m x ts x γbt = (KN/m)

• Tĩnh tải do trọng lượng lan can :

DC2 = 1m x Alan can x γbt = (KN) (lực tập trung)

• Tĩnh tải do gờ chắn bánh xe :

DC3 = 1m x Agờ chắn x γbt = (KN) (lực tập trung)

• Tĩnh tải do lớp phủ :

DW = 1m X hphủ x γl.phủ = (KN/m)

+ Hoạt tải tác dụng cho dải bản rộng 1m theo phương ngang cầu

Hoạt tải tác dụng gồm tất cả các tải trọng được quy định như trong điều

3.6.1, trong đó tải trọng bánh xe được mô hình hóa như tải trong tập trung hoặc tải trọng vệt mà chiều dài dọc theo nhịp sẽ là chiều dài của diện tích tiếp xúc của lốp xe với mặt đường

• Diện tích phân bố của bánh xe lên bề mặt bản

- Chiều rộng (làm việc theo phương ngang cầu) b +ts = 510 + ts

- Chiều dài (làm việc theo phương dọc cầu) :

P – tải trọng xe 72.5 KN cho tải trọng xe thiết kế, 55 KN cho xe hai trục

ts – Chiều dày bản mặt cầu

Để thuận lợi cho mô hình tính toán theo sơ đồ phẳng, tác dụng của tải trọng bánh xe có thể quy đổi về 1 băng tải chiều dài (b + ts) theo phương ngang cầu có cường độ phân bố cho 1m chiều rộng bản :

×

×+

LLγm2

LDW

γ

LDC

γL

DCγ

2

LDC

γ

η

Qγη

M

2 5 n

2 4 p2

3 3

p1 3

2 p1

2 1 1

p1

i i

2.1.3.2 Tính toán nội lực bản kiểu dầm

+ Tính toán mô men dương :

Đối với bản cầu dầm có thể phân tích như dải bản liên tục kê trên các dầm chủ

Trị số mô men tại mặt cắt giữa nhịp của bản hai đầu ngàm xác định theo công thức :

M+ 0.5L= k 0

0.5L

M

×Với M+

0.5L - Mô men do ngoại tải gây ra tại mặt cắt giữa nhịp bản giản đơn

Với Ptr = 72,5( )KN

2

145 =

9 Tác dụng của bánh xe hai trục :

Tùy thuộc vào trị số chiều rộng của dải bản tương đương E :

- E < 1,2 m chỉ có 1 bánh xe của xe hai trục đặt trong phạm vi chiều rộng của dải bản tương đương nên hoạt tải do bánh xe gây ra có trị số:

- E ≥ 1,2 m chỉ có 2 bánh xe của xe hai trục đặt trong phạm vi chiều rộng của dải bản tương đương nên hoạt tải do bánh xe gây ra có trị số:

So sánh chọn giá trị lớn của áp lực bánh xe trong các trường hợp trên để đưa vào tính toán thiết kế

9 Tác dụng của tải trọng làn :

- Khi dải cơ bản là ngang (phương chịu lực theo phương ngang cầu) có chiều dài nhịp tính toán không vượt quá 4600 mm - các dải bản ngang phải được thiết kế theo các bánh xe của trục nặng xe tải 145 KN

- Khi dải cơ bản là ngang có chiều dài nhịp tính toán vượt quá 4600 mm - các dải bản ngang phải được thiết kế theo các bánh xe của trục nặng xe tải 145 KN và tải trọng làn

Công thức tính toán mô men dương tại mặt cắt giữa nhịp bản kiểu dầm :

× +

× +

×

× +

M P n

M D p2

M D 1 p1 0

Ω LL γ

m Ω IM LL γ

m

Ω DW γ

Ω DC γ η M

SVTH: Cáp Trọng Biên 21

Mô men tại mặt cắt giữa nhịp khi xét tới hiệu ứng ngàm tại hai đầu bản :

M+ L/2= 0,5 M+

0

+ Tính toán mô men âm :

Trình tự tính toán hoàn toàn tương tự như tính toán mô men dương nhưng thay trị số chiều rộng dải tương đương E tính theo công thức :

E- = 1220 + 0,25.S (mm) Sau khi tính được mô men tại mặt cắt giữa nhịp của mô hình dầm bản giản đơn trên hai gối khớp M+

0, mô men âm tại gối được suy ra nhờ xét tới

Trong thiết kế bản mặt cầu trên thế giới thì phương pháp trên đượ sử dụng nhiều hơn so với phương pháp phần tử hưu hạn vì sẽ tiết kiệm được thời gian do không phải triển khai phần tử hữu hạn

™ Điều kiện áp dụng :

• Các mô men được tính theo phương pháp dải tương đương áp dụng cho bản bê tông tựa trên các dầm song song

• Đã có hệ số làn và hệ số xung kích trong giá trị bảng

• Cự ly tim dầm đến vị trí mặt cắt thiết kế mô men âm trong mặt cầu xem điều 4.6.2.1.6 Có thể dung phép nội suy các giá trị trong bảng cho các cự ly khác với bảng trên

• Các mô men áp dụng cho mặt cầu được tựa trên ít nhất 3 dầm và có bề rộng giữa tim hai dầm ngoài cùng không nhỏ hơn 4200 mm

• Các mô men đại diện cho biên trên ở các vùng trong của bản và với cự

ly dầm khác nhau trong mặt cắt ngang cầu Với mỗi tổ hợp cự ly dầm

và số lượng dầm đã xét 2 trường hợp chiều rộng cánh hẫng sau đây: a) Tổng chiều rộng cánh hẫng tối thiểu là 530 mm tính từ tim dầm ngoài cùng

b) Tổng chiều rộng cánh hẫng tối đa là 0,625 x cự ly dầm và 1800 mm, lấy giá trị nhỏ hơn

Đã lấy chiều rộng hệ lan can là 530 mm để xác định chiều rộng cánh.Với các chiều rộng khác của hệ lan can, khác biệt về mô men trong các vùng bên trong của bản được coi là nằm trong giới hạn chấp nhận được đối với thiết kế thực hành

- Các mô men không áp dụng cho cánh hẫng mặt cầu và các vùng lân cận của mặt cầu nên cần được thiết kế theo quy định riêng

Và em sẽ dùng phương pháp này để tính mô men do hoạt tải xe gây ra :

trong kết cấu công trình nói riêng Midas civil là chương trình phân tích và

thiết kế kết cấu dựa trên nền tảng là phương pháp phần tử hữu hạn

2.2.1 Nội dung cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn

Để tính toán một kết cấu với cấu tạo bất kỳ, chia kết cấu thành một số hữu hạn các phần tử riêng lẻ và nối với nhau bởi một số hữu hạn các điểm nút riêng lẻ

Sự biến dạng tổng thể của kết cấu được thể hiện thông qua sự biến dạng của lưới nút hay tập hợp các chuyển vị của từng nút riêng biệt Tính liên tục của các cấu kiện và sự liên kết với các cấu kiện với nhau được thể hiện qua sự liên kết giữa các phân tử thông qua các nút

Trạng thái làm việc của kết cấu được thể hiện thông qua sự làm việc của các nút Các nút này được liên hệ với nhau thông qua các phần tử nối giữa chúng, vì vậy từ điều kiện nối tiếp nối tiếp giữa các phần tử và độ cứng của từng phần tử có thể xác định được quan hệ giữa các nút Đó là quan hệ chuyển vị nút và nội lực tác dụng từ phần tử lên nút Từ điều kiện cân bằng nội lực tại các nút, ta thiết lập được hệ phương trình biểu diễn mối quan hệ giữa các chuyển vị nút với các lực tác dụng tại nút Trong hệ phương trình biểu diễn quan hệ sẽ có những thành phần đã biết như lực nút hay chuyển vị nút, từ đó ta có thể tìm ra những thành phần còn lại chưa biết

2.2.1.1 Mô hình hóa rời rạc kết cấu

Ý tưởng của phương pháp phần tử hữu hạn trong tính toán kết cấu là coi vật thể liên tục như là tổ hợp của nhiều phần tử liên kết với nhau bằng một số hữu hạn các điểm, gọi là các nút Các phần tử được hình thành này gọi là các phần tử hữu hạn

2.2.1.4 Các bước tính toán kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn

+ Chia lưới phần tử hữu hạn

+ Chọn hàm chuyển vị

+ Tính toán ma trận độ cứng phần tử trong hệ tọa độ địa phương

+ Thiết lập ma trận độ cứng của toàn bộ kết cấu

+ Thiết lập ma trận véc tơ trong nút

+ Thiết lập ma trận cân bằng

+ Sử lý các điều kiện biên

+ Giải hệ phương trình

+ Tính toán nội lực, chuyển vị trong phần tử

2.2.2 Mô hình hóa và phân tích kết cấu phần tử hữu hạn với Midas civil

Việc mô hình hóa kết cấu gồm có :

¾ Mô hình hóa hình học

¾ Mô hình hóa điều kiện biên

¾ Mô hình hóa tải trọng

SVTH: Cáp Trọng Biên 25

2.2.2.1 Giao diện phần mềm midas phiên bản 7.01

Hình 2.6 – Giao diện của midas civil

-Từ menu chính lưa chọn Model/Structure Wizard/Beam hoặc lựa chọn

Geometry/ Structure Wizard/Beam từ tree menu

- Nhập các thông số cần thiết vào hộp thoại :

ƒ Edit&Input:

¾ Distance : nhập vào khoảng cách giữa các điểm

¾ Repeat : nhập vào số lần lặp lại và khoảng cách giữa các điểm

¾ Auto Bound Condition : tự động đặt các gối tại các điểm

¾ Show element.No : Hiện số hiệu của phân tử

¾ Metarial,Section : Khai báo vật liệu và mặt cắt cho phần tử (nếu chưa

khai báo thì bấm vào nút để khai báo các thông số vật liệu và mặt

¾ Intersect Frame Elements : chia phần tử tại điểm giao

¾ Show No : hiện số hiệu của điểm

SVTH: Cáp Trọng Biên 27

¾ Origin Point : xác định điểm gốc, khi điểm nào được lựa chọn thì nó

chuyển sang màu đỏ

Hình 2.7a,b – Khai báo mô hình kết cấu dầm

Hình 2.8 – Khai báo vật liệu phần tử

SVTH: Cáp Trọng Biên 29

Section : bấm nút để khai báo mặt cắt :

Hình 2.9 – Khai báo mặt cắt của dầm

Khai báo điều kiện biên:

Từ menu chính lựa chọn Model/Boundaries/Supports

Khai báo các chuyển vị bị khống chế tại hai điểm nút (gối cố định và gối di động, ngàm)

¾ Đối với gối cố định : các độ tự do bị khống chế là: DX, DY, DZ và RX,

RZ

¾ Đối với gối di động : các độ tự do bị khống chế là : DY, DZ và RX, RZ

¾ Đối với ngàm : các độ tự do bị khống chế là : DX, DY, DZ và RX, RY,

RZ

Bấm nút Apply và close

Hình 2.10 – Khai báo điều kiện biên của kết cấu

Khai báo tải trọng :

Khai báo trường hợp tải trọng

Từ menu chính chọn Load/Static Load Cases

SVTH: Cáp Trọng Biên 31

2.11 – Khai báo trường hợp tải trong

¾ Name : tên trường hợp tải trọng

¾ Type : trường hợp tải trọng (kích vào đó và kéo xuống để chọn trường hợp tải trọng )

¾ Description : Mô tả trường hợp tải trọng

¾ Sau đó bấm add, muốn sửa chọn Modify, muốn xóa chọn Delete

¾ Tải trọng do lực khối (tải trọng bản thân cấu kiện) : Midas/civil tự động

tính toán trọng lượng bản thân của kết cấu căn cứ vào trọng lượng riêng của vật liệu và kích thước hình học của các phần tử

Từ menu chính chọn Load/seft Weight

Hình 2.12 – Khai báo trọng lượng bản thân

¾ Load case name : tên trường hợp tải trọng bản thân

¾ Load group name : Nhóm tải trọng là bản thân

¾ Self weight factor : hệ số tải trọng bản thân theo phương X,Y,Z

Sau đó bấm nút Add

Khai báo tải trọng tĩnh :

Lựa chọn phần tử cần khai báo tải trọng tĩnh

Từ menu chính chọn Load/Element beam loads

SVTH: Cáp Trọng Biên 33

Hình 2.13 – Khai báo tĩnh tải phân bố đều tác dụng lên dầm

¾ Load case name : tên trường hợp tải trọng tĩnh tải

¾ Load group name : Nhóm tải trọng là tĩnh tải

¾ Load type : Loại tải trọng (kéo xuống và lựa chọn loại tải trọng cần khai

báo)

¾ Direction : hướng của tải trọng

¾ Value : Giá trị tải trọng

¾ Relative hoặc Absolute ; Khoảng cách tương đối hoặc tuyệt đối so với

điểm đầu của phần tử

¾ Sau đó nhấn Apply và OK

Phân tích kết cấu

Lựa chọn perform Analysis từ Menu chính hoặc bấm phím F5

Xuất kết quả :

¾ Phản lực gối : Chọn Result/Reactions/Reactions Forces/ Moments

¾ Nội lực : Chọn Result/Forces/Beam Diagram để xuất biểu đồ nội lực

¾ Ứng xuất : Chọn Result/Stresses/ Beam stresses Diagram để xuất biểu đồ

SVTH: Cáp Trọng Biên 35

CHƯƠNG II:

CÁC VÍ DỤ TÍNH TOÁN CỤ THỂ

Chiều rộng Lan can trái / phải B1 = 0,5 m

Chiều rộng dải phân cách B2 = 1,1 m

Chiều rộng phần xe chạy W = 3,5 x 4 = 14 m

Tổng bề rộng cầu là : B = 2xB1 + W + B2 = 15,1 m

Hình 3.1 – Kich thước Dầm I33 Bê tông châu thới 620

SVTH: Cáp Trọng Biên 37

Xác Kích thước mặt cắt ngang cầu :

• Xác định khoảng cách giữa hai dầm chính

B B 2

S 1) (N

• Xác định chiều dày bản mặt cầu :

Đối với bản đúc tại chỗ, liên tục :

67 , 186 30

3000 2600 30

Hình 3.2 – Kích thước mặt cắt ngang cầu

2.1.2 Tính nội lực bản mặt cầu theo phương pháp dải tương đương (pp gần đúng )

2 1.2.1 Phương làm việc của Bản mặt cầu

Theo điều 4.6.2.1.5 của tiêu chuẩn :

Ta có tỷ lệ = = =

6 , 2

44 , 6

S

S n

2,47 >1,5 ⇒Bản làm việc theo phương ngang ( phương

vuông góc với hướng xe chạy )

Xác định nội lực bản mặt cầu kê trên cấu kiện đỡ (ở đây là các dầm chính) có

chiều rộng 1 m như trong hình 3.3