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.

Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 1 CHƯƠNG MỞ ĐẦU: NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 2 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 ph ần 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 lự c 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. 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 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 Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 4 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 đ ó đưa ra kiến nghị cho đề tài. Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc 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 đư a 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 – Hầ m 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 thi ết 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 Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 6 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): Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc 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 k ết cấu bản mặt cầu. H. KẾT CẤU ĐỀ TÀI . Gồm những chương chính sau : CHƯƠNG I : SƠ LƯỢC VỀ TIÊU CHUẨN 22TCN272-05 VÀ HAI PHƯƠNG PHÁP TÍNH NỘI LỰC BẢN MẶT CẦU. 1.1 SƠ LƯỢC VỀ TIÊU CHUẨN 22TCN 272-05. 1.1.1 Nguyên tắc thiết kế . 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 Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 8 CHƯƠNG I : SƠ LƯỢC VỀ TIÊU CHUẨN THIẾT KẾ CẦU 22TCN 272-05 VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẢN MẶT CẦU Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc 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 : nii ΦRQγη ≤× ∑ Trong đó : Q i : Hiệu ứng tải trọng . R n : Sức kháng danh định của vật liệu. γ i : 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 . EV = Áp lực thẳng đứng do tải trọng đất đắp . • Tải trọng tức thời : BR = Lực hãm xe. CE = Lực li tâm. CR = Từ biến . CT = Lực xô va của xe cộ . CV = Lực xô va của tàu bè. Báo Cáo Nghiên Cứu Khoa Học GVHD: TS.Lê Bá Khánh KS. Lê Văn Phúc SVTH: Cáp Trọng Biên 10 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 : . I . Sơ Lược tiêu chuẩn 22 TCN 27 2-05 1.1 Nguyên tắc cơ bản của tiêu chuẩn thiết kế 22 TCN 27 2-05 Tiêu cẩn thiết kế cầu 22 TCN 27 2-05 thỏa mãn tất cả các. TIÊU CHUẨN 22 TCN2 72- 05 VÀ HAI PHƯƠNG PHÁP TÍNH NỘI LỰC BẢN MẶT CẦU. 1.1 SƠ LƯỢC VỀ TIÊU CHUẨN 22 TCN 27 2-05. 1.1.1 Nguyên tắc thiết kế . 1.1 .2 Hệ số tải