MỘT SỐ ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO VÀ SƠ ĐỒ TÍNH TỐN CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG SOME STRUCTURAL FEATURES AND CALCULATING MODEL OF THE CONCRETE FILLED TUBULAR ARCH BRIDGE Phùng Mạnh Tiến Nguyễn Duy Dương* Phòng Cầu-Cảng, Phân Viện KHCN GTVT Phía Nam, Tp Hồ Chí Minh, Việt nam *Ban QLDA chuyên ngành giao thông tỉnh Phú Yên, Phú Yên, Việt nam BẢN TÓM TẮT Kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng khơng giúp vượt nhịp lớn mà kết cấu mang tính thẩm mỹ cao Tuy nhiên việc áp dụng loại cầu Việt Nam chưa phổ biến chưa có qui trình, qui phạm, tiêu chuẩn kỹ thuật, tài liệu hướng dẫn tính tốn thiết kế liên quan đến loại kết cấu Chính vậy, nội dung báo nhằm mục đích giới thiệu số đặc điểm cấu tạo kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng Mặt khác, để hiểu phần chất kết cấu, nội dung báo tập trung phân tích kết tính tốn số mơ hình khác xây dựng dựa phần mềm SAP2000 ABSTRACT The concrete filled tubular arch bridge does not only help cross large span but also belongs to one of the highest architectural construction In Vietnam, there is no technical guides, standards and introduction guide related to this kind of bridge Therefore, the aims of this article is to introduce some structural features of the concrete filled tubular arch bridge In the other hand, the main part of this article concentrates to analyze some results obtained from the various calculating model in SAP2000 to make the essence of the structure clearly phổ biến giới Đặc biệt cầu dạng vòm Trung Quốc nghiên cứu ống thép nhồi bê tông từ năm 1970 Năm 1990 ~ 1992, Trung Quốc ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật CECS28-90, DLGJ99-01 DLGJ-S11-92 liên quan đến việc ứng dụng công nghệ ống thép nhồi bê tông xây dựng cơng trình [6] Một số cầu vòm ống thép nhồi bê tông xây dựng Trung Quốc liệt kê bảng thể hình ~4 MỘT SỐ CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG Cầu vòm thiết kế đá, thép, bê tông cốt thép, thép liên hợp bê tơng Một số ưu điểm kết cấu ống thép nhồi bê tơng kể đến bê tông nhồi ống thép không bị co ngót mà trái lại nở thể tích tạo điều kiện cho bê tơng vỏ thép làm việc tác dụng tải trọng khai thác; việc nhồi bê tông tăng khả chống rỉ phía ống thép, giảm độ mảnh vòm, tăng độ ổn định cục vách ống thép, tăng khả chống biến dạng; ống tròn có độ cứng chống xoắn cao tiết diện hở khác; dùng ống tròn nhồi bê tơng tiết kiệm khoảng 40% lượng thép so với kết cấu BTCT thơng thường; mặt ngồi ống thép dễ bảo vệ chống rỉ loại tiết diện có hình dạng phức tạp [1] [3]… Chính vậy, kết cấu ống thép nhồi bê tông trở nên Stt 615 Bảng cầu Cầu Yiwu Yuanhuang, Zhejiang, năm 1990, ống đơn ? 800mm, ? 18mm, mặt cầu chạy trên, vượt nhịp 80m Cầu San-an Yongjiang tỉnh Guangxi, 1999, mặt cầu chạy giữa, vượt nhịp 270m Cầu Yajisha vượt Zhujiang, Guangzhou, 2000, ống(kỷ lục giới) Oáng Þ=750, dày 20mm; hai ống bên Þ =750, dày18mm, mặt cầu chạy giữa, vượt nhịp 360m Cầu Wuhan thứ vượt sông Hanjiang, 2000, ống cho vòm, mặt cầu chạy dưới, vượt nhịp 280m Cầu bắc qua sông Beipanjiang gần thành phố Luipanshui, 2001, mặt cầu chạy trên, vượt nhịp 236m Hình : Cầu qua sông Beipanjiang, Guizhou MỘT SỐ CẤU TẠO TRONG CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG Những kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng bao gồm: vòm, hệ giằng ngang, hệ treo, hệ dầm ngang, hệ dầm dọc hệ kéo Trong đó, dầm dọc, dầm ngang, mặt cầu làm việc theo sơ đồ kết cấu nhịp giản đơn; riêng vòm chịu nén, cắt uốn mặt phẳng vòm tác dụng tồn tĩnh tải hoạt tải Cấu tạo phận sau [2]: - Vòm: tùy theo độ nhịp tải trọng, vòm cấu tạo từ hay nhiều ống thép tròn nhồi bê tơng liên kết với thép (hình 5) Ống thép chế tạo từ thép theo phương pháp tròn hàn dọc dạng lò xo Hiệu làm việc chung thép bê tông giải chủ yếu nhờ hiệu ứng ép hông cao bề mặt tiếp xúc vỏ ống thép lõi bê tơng [5] Hình 1: Cầu Yongning Yongjiang Hình : Cầu San an Yongjiang tỉnh Guangxi Hình : Các dạng mặt cắt ngang vòm Hình : Cầu Yaisha, tỉnh GuangZhou 616 - Chân vòm: nơi bố trí đầu neo hệ kéo, gối cầu PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TÍNH TỐN 3.1 Các trường hợp tính tốn Kết tính tốn thực mơ hình cầu vòm dài 99m, rộng 10,50m bố trí xe với tải trọng H30 Hoạt tải tác dụng mặt cầu phân bố xuống dầm ngang thông qua hệ mặt cầu gồm dầm dọc mặt cầu Thông qua hệ dây treo, dầm ngang tiếp tục truyền tải trọng lên sườn vòm, từ truyền xuống kết cấu hạ tầng nhờ gối cầu Với mục đích làm rõ ảnh hưởng làm việc chung ống thép với lõi bê tông đến phân bố nội lực kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng, kết cấu mơ hình phân tích tính tốn nhờ phần mềm SAP2000 với ba trường hợp nghiên cứu sau: Hình : Cấu tạo treo - Hệ giằng ngang: Đối với cầu thiết kế từ vòm trở lên, vòm bố trí hệ giằng ngang để chịu lực gió phương ngang cầu đảm bảo ổn định cho vòm Hệ giằng ngang cấu tạo ống thép nhồi bê tơng liên thơng với sườn vòm thép hình liên kết hàn với sườn vòm - Hệ treo: gồm treo cấu tạo bó cáp cường độ cao Đầu treo neo cố định vào sườn vòm, đầu neo vào dầm ngang (hình 6) - Hệ dầm ngang: gồm dầm ngang BTCT dự ứng lực với chiều dài nhịp phụ thuộc bề rộng mặt cầu Dầm ngang treo hai đầu nhờ hệ treo Riêng dầm ngang ngồi (tại đầu vòm) liên kết ngàm với sườn vòm để thực chức liên kết ngang sườn vòm - Hệ dầm dọc: gồm dầm dọc BTCT đúc sẵn với chiều dài phụ thuộc vào khoảng cách dầm ngang Dầm dọc kê đầu lên dầm ngang Trên mặt dầm dọc dầm ngang lớp BTCT mặt cầu đổ chỗ tạo đồng khối mặt cầu hiệu chỉnh cao độ mặt cầu Dầm dọc thực chức phân bố tải trọng, định vị cho dầm ngang trình chịu tải (hình 8) Hai dầm dọc biên cấu tạo dầm liên tục với hai đầu ngàm vào vòm, gối lên dầm ngang - Hệ kéo (thanh chống): cấu tạo gồm bó cáp nối liền chân vòm để triệt tiêu lực đẩy ngang vòm Hệ kéo nằm tự mặt dầm ngang dầm dọc biên Sau căng cáp xử lý nội lực, hệ kéo đậy kín hộp bê tơng nhằm bảo vệ khỏi ảnh hưởng môi trường Trường hợp (TR 1): Kết cấu làm việc độc lập, phần ống thép tham gia chịu lực Trong trường hợp này, độ cứng khả chịu lực kết cấu ống thép nhồi tính tốn theo cơng thức đây: Độ cứng: độ cứng riêng biệt vỏ thép, công thức (1) (2), Độ cứng chống kéo, nén dọc trục: EA=EaAa (1) Độ cứng chống uốn : EI=Ea Ia (2) Khả chịu lực ống thép nhồi tính theo (3) (4): Chịu nén tâm: No=fa.Aa (3) Chịu nén lệch tâm: Nu= ϕ1 ϕ e No (4) Trường hợp (TR 2): Kết cấu làm việc độc lập, phần lõi bê tông làm việc, vỏ ống thép không tham gia chịu lực Trong trường hợp này, độ cứng khả chịu lực kết 617 No: khả chịu lực ống thép nhồi bê tông chịu nén tâm Aa, Ac : diện tích mặt cắt ngang ống thép lõi bê tông Ia, Ic : mơmen qn tính tiết diện ống thép tiết diện lõi bê tông Ea, Ec : môđun đàn hồi thép bê tơng θ : tiêu gò chặt tiết diện ống thép nhồi bê tơng fc: cường độ chịu nén tính tốn bêtơng fa: cường độ chịu nén, chịu kéo tính tốn ống thép ϕ1 : hệ số giảm khả chòu lực xét đến ảnh hưởng độ mảnh ϕ e : hệ số chiết giảm xét đến ảnh hưởng độ lệch tâm tải trọng cấu ống thép nhồi tính tốn theo cơng thức đây: Độ cứng: tính độ cứng bê tơng, cơng thức (5) (6) Độ cứng chống nén dọc trục: EA=Ec Ac (5) Độ cứng chống uốn: EI=Ec Ic (6) Khả chịu lực tính theo (7) (8): Chịu nén tâm: No=fc.Ac (7) Chịu nén lệch tâm: 3.2 Kết tính tốn Nu= ϕ1 ϕ e No (8) Mơ hình lập nhờ chương trình SAP2000 trình bày hình Trong khn khổ phạm vi báo, việc phân tích tính tốn dừng bước phân tích tác dụng tải trọng tĩnh, khơng xem xét đến phân tích động lực học Kết phân tích tính tốn nội lực xuất vòm trình bày bảng 2, dầm ngang biên trình bày bảng 3, dầm ngang (bảng 4), dầm dọc biên (bảng 5), dầm dọc (bảng 6), treo (bảng 7) phản lực chân vòm (bảng 8) Đơn vị mômen uốn M kNm, lực cắt Q lực dọc trục N kN Trường hợp (TR3): Kết cấu làm việc liên hợp, ống thép lõi bê tông đồng thời tham gia chịu lực Trong trường hợp này, độ cứng khả chịu lực kết cấu ống thép nhồi tính tốn theo công thức đây: Độ cứng: tổng độ cứng riêng biệt vỏ thép lõi bê tông, công thức (9) (10) theo tiêu chuẩn Mỹ AISCLRDF (1986), Độ cứng chống kéo, nén dọc trục: EA=Ea Aa + Ec Ac (9) Độ cứng chống uốn : EI=Ea Ia + Ec Ic (10) M Q N Bảng 2: Nội lực vòm TR TR TR 2212.35 1852.79 1876.95 855.25 678.54 663.12 15456.90 17442.70 17025.49 M Q Bảng 3: Nội lực dầm ngang biên TR TR TR 850.37 850.37 850.37 1139.23 1139.23 1139.23 M Q Bảng 4: Nội lực dầm ngang TR TR TR 873.79 874.15 874.19 1159.99 1160.47 1160.51 Khả chịu lực tính theo tiêu chuẩn Trung Quốc (CECS 28-90): Chịu nén tâm: f A No=fc.Ac.(1+ θ + θ );với θ = a a (11) f c A c Chịu nén lệch tâm: Nu= ϕ1 ϕ e No (12) Trong : 618 MM+ Q N Bảng 5: Nội lực dầm dọc biên TR TR TR 3819.71 2080.73 1929.91 3108.63 1486.20 1265.55 624.35 302.62 261.74 9615.13 9100.37 8774.60 M Q N Bảng 6: Nội lực dầm dọc TR TR TR 574.14 574.14 574.14 338.79 338.79 338.79 1153.46 1091.70 1052.63 N Bảng 7: Nội lực treo TR TR TR 1496.64 1204.33 1169.43 Rx Rz Bảng 8: Phản lực chân vòm TR TR TR 5.58 12.78 14.78 14075.15 13305.43 12824.11 Dầm dọc giữa: Giá trị môment lực cắt không thay đổi Giá trị lực dọc trục đạt lớn trường hợp nhỏ trường hợp Thanh treo: Lực dọc trục lớn xảy trường hợp nhỏ trường hợp Giá trị lực dọc trục thay đổi khoảng từ -21.8% đến 27.9% Phản lực chân vòm: theo phương thẳng đứng đạt giá trị lớn trường hợp 1, nhỏ trường hợp Giá trị thay đổi khoảng từ -8.88% đến 9.75% Theo phương dọc cầu, phản lực lớn trường hợp nhỏ trường hợp Giá trị thay đổi khoảng -62.26% đến 164.87% KẾT LUẬN Điều kiện làm việc tiết diện vòm thay đổi kéo theo việc phân bố lại nội lực phần tử kết cấu Nội lực vòm, dầm dọc biên thay đổi nhiều Nội lực xuất hệ dầm ngang không thay đổi không chịu ảnh hưởng điều kiện làm việc vòm Trong kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng, ống thép lõi bê tông đồng thời tham gia chịu lực moment lực cắt vòm, nội lực dầm biên dây treo giảm có võ ống thép làm việc Riêng lực dọc trục xuất vòm tăng Khi ống thép lõi bê tơng đồng thời tham gia chịu lực lực cắt lực dọc trục vòm, nội lực dầm biên dây treo giảm có lõi bê tơng làm việc Riêng mơ ment xuất vòm tăng Khi so sánh kết tính tốn cho trường hợp nghiên cứu, nội lực phát sinh kết cấu thay đổi sau: Phần tử vòm: Moment lực cắt xuất vòm đạt giá trị lớn trường hợp 1, lực cắt đạt giá trị lớn trường hợp Mô ment nhỏ trường hợp 2, lực dọc nhỏ trường hợp lực cắt nhỏ trường hợp Giá trị mô ment thay đổi khoảng ±20,0% Giá trị lực cắt thay đổi khoảng ±29% Giá trị lực dọc trục thay đổi khoảng ±12,0% Dầm ngang biên: Nội lực có giá trị không thay đổi ba trường hợp Dầm ngang giữa: Giá trị nội lực lớn trường hợp nhỏ trường hợp Dầm dọc biên: Giá trị nội lực lớn trường hợp 1, nhỏ trường hợp Giá trị mô ment âm thay đổi khoảng từ -47.5% đến 97.9% Giá trị mô ment dương thay đổi khoảng từ -59.2% đến 145.6% Giá trị lực cắt thay đổi khoảng từ -58.0% đến 138.4% Giá trị lực dọc trục thay đổi khoảng -8.71% đến 9.50% TÀI LIỆU THAM KHẢO A I Kikin, R s Sanzharovski, V A Trull Kết cấu ống thép nhồi bêtông NXB Xây dựng Hà Nội 1999 (bản dịch tiếng việt) Tập vẽ Super-structure of arch bridge, Xom Cui bridge (nguyên tiếng Anh) Phùng Mạnh Tiến – Vũ Trí Thắng Bài báo “Cầu vòm ống thép nhồi bê tơng” Tạp chí Giao Thơng Vận Tải 6/2004 Hội tiêu chuẩn Trung Quốc CECS 28-90: Qui trình thiết kế thi cơng kết cấu ống thép nhồi bê tông NXB Kế hoạch Trung Quốc, 11/1990 (nguyên tiếng Trung) 619 Trần Đại Minh Bài báo “Một số nhận xét tính Kinh tế – Kỹ thuật – Mỹ thuật loại nhịp vòm chạy Thép – Bêtơng” Tạp chí giao thơng vận tải Ding Dajun, prof., Nanjing Institute of Technology, Nanjing, China “Development of concrete filled tubular Arch bridges, China” Structural Engineering International 4/2001 620 ... trên, vượt nhịp 236m Hình : Cầu qua sông Beipanjiang, Guizhou MỘT SỐ CẤU TẠO TRONG CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI BÊ TƠNG Những kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tơng bao gồm: vòm, hệ giằng ngang, hệ treo,... Đối với cầu thiết kế từ vòm trở lên, vòm bố trí hệ giằng ngang để chịu lực gió phương ngang cầu đảm bảo ổn định cho vòm Hệ giằng ngang cấu tạo ống thép nhồi bê tông liên thơng với sườn vòm thép. .. ống thép lõi bê tông Ia, Ic : mơmen qn tính tiết diện ống thép tiết diện lõi bê tông Ea, Ec : môđun đàn hồi thép bê tơng θ : tiêu gò chặt tiết diện ống thép nhồi bê tơng fc: cường độ chịu nén tính