Ứng xử của cầu dầm hộp liên tục lắp ghép phân đoạn dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm

Bài viết nghiên cứu ứng xử của cầu dầm hộp liên tục lắp ghép phân đoạn dưới tác dụng của tải trọng lệch tâm thông qua phương pháp mô phỏng số nhằm giúp việc tính toán mối nối và kết cấu hoàn thiện hơn.

Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 440-450 Transport and Communications Science Journal BEHAVIOR OF SEGMENTAL BOX-GIRDER BRIDGE UNDER ECCENTRIC LOADING Nguyen Dac Duc, Nguyen Ngoc Long, Tran Duc Nhiem, Do Anh Tu, Le Ba Anh University of Transport and Communications, No Cau Giay Street, Hanoi, Vietnam ARTICLE INFO TYPE: Research Article Received: 26/11/2019 Revised: 25/12/2019 Accepted: 30/12/2019 Published online: 16/1/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.5.8 * Corresponding author Email: nguyendacducbte@gmail.com; Tel: 0904133791 Abstract Joints in segmental box-girder bridges not only connect segments but also ensure the transmissibility of external forces (i.e., the longitudinal force, bending moment, torsion, and shear force) between adjacent segments At the “dry joint” of segments, where there is no reinforcement, the longitudinal prestressing tendons mostly take the bending moment while the shear key and the frictional force resist the shear force When an eccentric load is applied on the girder, it induces torsion causing a harmful addition of shear stress at the joint Therefore, the evaluation of the effect of torsion to the shear resistance of the shear key is essential to ensure its performance This study investigates the behavior of a segmental boxgirder bridge under eccentric loading using numerical simulations The research results can help engineers properly design dry joints for such segmental bridges Keywords: Eccentric load, torsion, shear resistance, segmental box-girder bridges, shear stress © 2019 University of Transport and Communications 440 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 440-450 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải ỨNG XỬ CỦA CẦU DẦM HỘP LIÊN TỤC LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG LỆCH TÂM Nguyễn Đắc Đức, Nguyễn Ngọc Long, Trần Đức Nhiệm, Đỗ Anh Tú, Lê Bá Anh Trường Đại học Giao thông vận tải, Số Cầu Giấy, Hà Nội, Việt Nam THƠNG TIN BÀI BÁO CHUN MỤC: Cơng trình khoa học Ngày nhận bài: 26/11/2019 Ngày nhận sửa: 25/12/2019 Ngày chấp nhận đăng: 30/12/2019 Ngày xuất Online: 16/1/2020 https://doi.org/10.25073/tcsj.70.5.8 * Tác giả liên hệ Email: nguyendacducbte@gmail.com; Tel: 0904133791 Tóm tắt Mối nối cầu dầm lắp ghép phân đoạn nhiệm vụ nối ghép đốt dầm thành kết cấu hồn chỉnh phải đảm bảo truyền lực đốt dầm lực dọc, mô men uốn, mô men xoắn, lực cắt Đặc trưng dầm lắp ghép phân đoạn sử dụng mối nối khô vị trí mối nối khơng có cốt thép thường, cốt thép dự ứng lực đóng vai trị chịu mô men uốn, lực cắt sinh ứng suất tiếp vị trí mối nối khố chống cắt ma sát tiếp xúc bề mặt bê tông đảm nhiệm Khi tải trọng đặt lệch tâm hay có tác động gây mơ men xoắn vị trí mối nối, mơ men xoắn sinh ứng suất tiếp phụ thêm Việc đánh giá ảnh hưởng mô men xoắn đến khả chịu lực mối nối nói chung khố chống cắt nói riêng cần thiết, nhằm đảm bảo việc thiết kế mối nối an toàn Bài báo nghiên cứu úng xử cầu dầm hộp liên tục lắp ghép phân đoạn tác dụng tải lệch tâm thông qua phương pháp mơ số nhằm giúp việc tính tốn mối nối kết cấu hồn thiện Từ khóa: Tải trọng lệch tâm, mô men xoắn, dầm liên tục, sức kháng cắt, dầm hộp lắp ghép phân đoạn, ứng suất cắt © 2019 Trường Đại học Giao thơng vận tải ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay, mặt cắt ngang kết cấu nhịp dạng hộp sử dụng rộng rãi cho cầu nhịp lớn bê tông cốt thép dự ứng lực có ưu điểm vượt trội như: có tính ổn định cao, khả chịu xoắn tốt Bên cạnh nghiên cứu cải tiến sử dụng dạng mặt cắt hình hộp cho 441 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 440-450 nhịp lớn việc sử dụng cơng nghệ thi cơng tiên tiến công nghệ thi công lắp ghép phân đoạn (các đốt dầm đúc nhà máy, xưởng vận chuyển đến công trường lắp ghép thành kết cấu nhịp nhờ mối nối cáp dự ứng lực) cho phép chun mơn hóa đẩy nhanh tiến độ thi công Một số dự án lớn đang triển khai Việt Nam dự án Tân Vũ – Lạch Huyện, thành phố Hải Phòng [1], dự án tuyến Metro Bến Thành – Suối Tiên [2], thành phố Hồ Chí Minh,… áp dụng cơng nghệ thi công lắp ghép phân đoạn kết cấu nhịp sử dụng mối nối khóa chống cắt keo epoxy cáp dự ứng lực, mặt cắt ngang dầm dạng chữ U hay mặt cắt hình hộp Một ưu điểm mặt cắt hộp khả chịu xoắn tốt Tuy nhiên “Nghiên cứu ảnh hưởng xoắn đến giá trị ứng suất - biến dạng mặt cắt ngang dầm hộp” năm 2015 Lê Bá Khánh, Phạm Thế Hùng [3] dầm hộp liền khối xoắn làm thay đổi giá trị, chiều ứng suất biến dạng Ứng suất tiếp vị trí chu vi mặt cắt dầm tăng khoảng 20% Với mặt cắt ngang dạng hộp dự án Tân Vũ – Lạch Huyện [1], khả chịu xoắn mặt cắt hộp tương đối tốt, nhiên đặc thù thi công theo công nghệ lắp ghép phân đoạn, dẫn đến có khả kết cấu bị phá hoại vị trí mối nối trước phá hoại mặt cắt khác Việc phá hoại mối nối xảy khóa chống cắt bị phá hoại tác dụng ứng suất cắt lực cắt đồng thời lực cắt mô men xoắn gây (tải trọng đặt lệch tâm) Tác giả Prof Dr.-Ing G Rombach [4] nghiên cứu công bố năm 2002 ảnh hưởng xoắn mặt cắt ngang dầm hộp lắp ghép phân đoạn xếp tải lệch tâm đáng kể Năm 2010, 2011, M.A Algorafi cộng [5, 6] tiến hành thí nghiệm dầm, chiều dài dầm 3m lắp ghép từ khối đúc sẵn, dầm bố trí cáp dự ứng lực ngồi chạy thẳng, dầm bố trí cáp dự ứng lực ngồi đặt gãy khúc thể Hình Chi tiết vật liệu, bố trí cáp điểm đặt lực thể Bảng Hình Cấu tạo bố trí cáp mẫu thí nghiệm Bảng Đặc tính vật liệu, bố trí cáp độ lệch tâm tải trọng thí nghiệm Số hiệu dầm Cường độ bê tông (MPa) Mô đun đàn hồi bê tông (MPa) Bố trí cáp C1 C2 C3 D1 D2 D3 49 47 49 47 47 43 34000 34000 34500 34000 34000 34500 Cáp thẳng Cáp thẳng Cáp thẳng Cáp xiên Cáp xiên Cáp xiên Độ lệch tâm tải trọng (mm) 100 200 100 200 442 Diện tích Diện tích (m2) 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 0,15 (m2) 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 Góc xiên cáp α (rad) Lực dự ứng lực (kN) 0 0,1351 0,1351 0,1351 82 77 87 93 74 93 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 440-450 Trong , vị trí mối nối diện tích tiếp xúc phần phẳng diện tích chân khóa chống cắt Mỗi dầm bố trí tao cáp dự ứng lực loại sợi đường kính 12,7mm (theo tiêu chuẩn ASTM A 416-85 Grade 270), diện tích tao 98,7mm2, lực căng tao cáp 30kN Với đặc tính vật liệu, tác giả tiến hành thí nghiệm uốn điểm tới dầm phá hoại kết thí nghiệm thu thể Bảng Bảng Kết tải trọng thẳng đứng phá hoại mẫu thí nghiệm Số hiệu dầm thí nghiệm Độ lệch tâm tải trọng (mm) Tải trọng thẳng đứng lớn thí nghiệm (kN) (*) C1 C2 C3 D1 D2 D3 100 200 100 200 190 150 159 * 172 160 không ghi nhận giá trị lực thẳng đứng phá hoại mẫu Kết nghiên cứu thực nghiệm cho thấy, tải trọng đặt lệch tâm khả chịu tải trọng thẳng đứng dầm giảm so với trường hợp tải trọng đặt tâm So sánh dầm thí nghiệm mang số hiệu C1 C2 khả chịu tải trọng thẳng đứng dầm C2 giảm 21,05% Từ phân tích ta thấy ảnh hưởng xoắn đến khả chịu tải không dầm hộp toàn khối mà dầm lắp ghép phân đoạn thực nghiệm Do cần có nghiên cứu cụ thể nhằm đánh giá ảnh hưởng xoắn khả chịu tải trọng cầu dầm bê tông cốt thép lắp ghép phân đoạn TÍNH TỐN MƠ PHỎNG SỐ 2.1 Thơng số kết cấu Tiến hành tính tốn mơ số kết cấu cầu gồm nhịp liên tục, mặt cắt ngang hộp sườn, thi công theo công nghệ lắp ghép phân đoạn nhịp (Span By Span – SBS) Sơ đồ kết cấu nhịp 52980+3@60000+52980, thể Hình 2, nhịp lắp ghép từ đốt dầm đúc sẵn, nối với cáp dự ứng lực cáp dự ứng lực Mối nối đầm sử dụng khóa chống cắt khơng xét đến ảnh hưởng keo epoxy Trên nhịp sử dụng mối nối loại A (Type A) cho mặt cắt gần đỉnh trụ, mối nối loại B (Type B) cho mặt cắt nhịp, mặt cắt ngang khác chiều dày sườn dầm bố trí khóa chống cắt sườn dầm thể Hình Hình Hình Sơ đồ kết cấu bố trí mối nối 443 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 440-450 Hình Mặt cắt ngang vị trí mối nối loại A (Type A) Hình Mặt cắt ngang vị trí mối nối loại B (Type B) 2.2 Mơ hình vật liệu Vật liệu bê tơng sử dụng mơ hình phân tích lấy theo mơ hình vật liệu tuyến tính Các thơng số đầu vào vật liệu lấy theo tiêu chuẩn TCVN11823-5:2017 [7], AASHTO 2012 [8], khai báo sau: Bảng Các thông số vật liệu bê tông TT Thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Cường độ bê tông Mô đun đàn hồi f’c E 50 35749 MPa MPa Trọng lượng riêng γ 2400 Kg/m3 Hệ số poisson µ 0,2 Giới hạn chịu kéo fy 1,77 MPa Giới hạn chịu cắt fc 4,95MPa 444 Tiêu chuẩn áp dụng TCVN118235:2017 AASHTO2012 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 440-450 Ảnh hưởng co ngót, từ biến phụ thuộc việc phát triển cường độ bê tông vào thời gian xét đến mơ hình vật liệu lấy theo tiêu chuẩn CEB-FIP [9] Cốt thép cường độ cao lấy theo tiêu chuẩn ASTM A416 [10], cấp 270, độ tự chùng thấp Bảng Các tiêu lý thép cường độ cao TT Thông số Cường độ chịu kéo Cường độ chảy Mô đun đàn hồi Hệ số poisson Hệ số giãn nở nhiệt Ký hiệu fpu fpy Eps µ ∆ Giá trị 1860 1674 197000 0,3 10,08×10-6 Đơn vị MPa MPa MPa 1/ºC Kết cấu nhịp bố trí cáp dự ứng lực cáp dự ứng lực Cáp dự ứng lực loại bó cáp 12 tao xoắn sợi 12S15,2, lực kéo bó 2834kN Cáp dự ứng lực ngồi loại bó cáp tao xoắn sợi 19S15,2, lực kéo bó 2885kN Bó cáp ngồi chuyển hướng thông qua ụ neo chứa vỏ bọc bảo vệ Hình Bố trí cáp dự ứng lực cho nhịp Tải trọng dùng phân tích trường hợp tải HL93 (gồm tải trọng xe tải thiết kế), hệ số tĩnh tải, hoạt tải lấy theo TCVN11823-5:2017 Hình Hoạt tải tính tốn HL 93 2.3 Kết tính tốn mơ Từ liệu đầu vào nêu trên, sử dụng phần mềm MIDAS/Civil tiến hành phân tích kết cấu chịu tĩnh tải hoạt tải Với hoạt tải tiến hành khảo sát với hai cấp tải trọng HL93 theo TCVN118235:2017 tăng dần cấp tải HL93 đến kết cấu bị phá hoại Để đánh giá ảnh hưởng xoắn tới ứng suất khóa chống cắt với cấp tải trọng tiến hành đặt tải tâm đặt tải lệch tâm Kết phân tích tập trung vào ứng suất kéo đỉnh trụ, ứng suất kéo đáy hộp nhịp, ứng suất cắt mối nối khóa chống cắt, độ võng dầm để làm rõ tác động xoắn 445 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 440-450 2.3.1 Trường hợp phân tích với tĩnh tải Ứng suất kéo đốt đỉnh trụ 0,81MPa Ứng suất kéo đốt nhịp 0,77 MPa Ứng suất cắt đốt nhịp 1,51 MPa Ứng suất cắt sát trụ 1,58 Mpa Hình 7.Kết phân tích với tĩnh tải Từ kết cho ta thấy, ứng suất cắt lớn xuất mặt cắt sát trụ lực cắt lớn giá trị ứng suất tập trung vị trí sườn hộp Đối với mặt cắt nhịp giá trị ứng suất cắt lớn lại tập trung vị trí nắp hộp 2.3.1 Trường hợp phân tích với tải trọng HL93 Bề rộng mặt cầu thiết kế làn, nhiên để khảo sát so sánh ảnh hưởng tải trọng đặt lệch tâm hai trường hợp xếp chịu tải theo hai trường hợp tâm lệch tâm Ứng suất kéo đỉnh trụ 1,41 MPa Ứng suất kéo đốt 1,27 MPa 446 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 440-450 Ứng suất cắt đốt sát trụ 2,67 MPa Ứng suất cắt đốt 2,25 MPa Hình Kết phân tích với HL93 đặt tâm Ứng suất cắt đốt 2,22 MPa Ứng suất cắt đốt sát trụ 3,51 MPa Vị trí ứng suất cắt lớn Hình Kết phân tích với HL93 đặt lệch tâm Bảng Tổng hợp kết phân tích với tĩnh tải hoạt tải HL93 Trường hợp tải Độ võng lớn (mm) Độ vồng lớn (mm) Ứng suất kéo nắp đốt đỉnh trụ (MPa) Ứng suất kéo đáy đốt (MPa) Ứng suất cắt mối nối Tĩnh tải 24,00 2,95 0,81 0,77 (MPa) 1,58 HL93 tâm HL93 lệch tâm 31,14 32,99 7,45 9,57 1,41 1,59 1,27 1,27 2,67 3,51 447 Ứng suất cắt mối nối đốt (MPa) Ứng suất neo cáp đốt đỉnh trụ (MPa) 1,51 14,60 2,25 2,39 14,85 14,84 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 440-450 Từ kết phân tích ta thấy, hai trường hợp tải trọng đặt tâm lệch tâm ứng suất cắt lớn xuất vị trí mối nối mặt tiếp xúc đốt thứ đốt thứ (tương đương vị trí ) đạt giá trị lớn 3,51MPa Khi tải trọng đặt lệch tâm, ứng suất kéo nắp đốt đỉnh trụ tăng lên đáng kể, đạt 1,59MPa, ứng suất kéo đáy đốt nhịp không thay đổi 2.3.2 Trường hợp phân tích với tải trọng tới kết cấu phá hoại Gradient ứng suất mặt cắt ngang Mối nối mở rộng vị trí chịu mơ men dương Hình 10 Mơ tả mở rộng mối nối gradien ứng suất Hình 11 Sơ đồ gia tải giá trị độ võng ,ứng suất Hình 12 Biểu đồ ứng suất kéo mặt cắt đỉnh trụ mặt cắt nhịp theo lần cấp tải HL93 448 Tạp chí Khoa học Giao thông vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 440-450 Ứng suất kéo đốt dầm khơng có khác biệt đặt tải lệch tâm hay tâm Giới hạn ứng suất kéo 1,77MPa với kết cấu bê tông dự ứng lực [4] Từ kết ta thấy nắp đỉnh trụ xuất vết nứt vượt giới hạn ứng suất kéo bê tông tải trọng đặt lên cầu 2,2 lần hoạt tải HL93 Hình 13 Ứng suất cắt khóa theo cấp tải HL 93 Ứng suất cắt lớn khóa chất tải có chênh lệch rõ rệt hai trường hợp chất tải tâm lệch tâm Ứng suất cắt trường hợp đặt tải lệch tâm lớn đặt tải tâm Kết cấu chịu cấp tải tương đương 1,92 lần hoạt tải HL93 đặt theo sơ đồ lệch tâm 3,05 lần hoạt tải HL93 đặt theo sơ đồ tâm Khi ứng suất cắt khóa chống cắt vượt giới hạn chịu cắt 4,95 MPa Hình 14 Độ võng hoạt tải gây cầu Biểu đồ độ võng kết cấu nhịp thể Hình 14 cho thấy độ võng lớn nhịp khơng cịn tuyến tính giá trị cấp tải mà khóa bắt đầu hư hỏng nứt Với trường hợp đặt tải lệch tâm độ võng hoạt tải gây cấp tải phá hoại 40,02mm, với trường hợp đặt tâm có giá trị 42,06mm 449 Transport and Communications Science Journal, Vol 70, Issue (12/2019), 440-450 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết phân tích mơ kết cấu nhịp với tải trọng HL93 hai trường hợp đặt tâm lệch tâm độ võng độ vồng kết cấu trường hợp đặt lệch tâm lớn trường hợp đặt tâm 5,9% 28,46% Do ảnh hưởng hiệu ứng xoắn dẫn đến ứng suất cắt lớn xuất vị trí mối nối trường hợp tải trọng đặt lệch tâm lớn 31,46% so với trường hợp tải trọng đặt tâm Ứng suất kéo nắp đốt đỉnh trụ trường hợp đặt hoạt tải lệch tâm 1,59MPa lớn trường hợp hoạt tải đặt tâm 12,76% Trong ứng suất kéo đáy đốt nhịp khơng thay đổi Phân tích mơ giai đoạn dầm bị phá hoại cho thấy, tải trọng lệch tâm khóa chống cắt chịu thêm ảnh hưởng xoắn nên tải trọng tới hạn đặt lệch tâm đạt 1,92HL93 tải trọng đặt tâm 3,05HL93 Từ kết phân tích ta thấy cần xét đến ảnh hưởng tải trọng lệch tâm hay xoắn tính tốn khả chịu cắt khóa chống cắt Kết phân tích mơ thực mặt cắt ngang cụ thể, chưa xét đến yếu tố tác động khác tải trọng cầu đường cong Do tác giả kiến nghị tiếp tục nghiên cứu xét đến ảnh hưởng lực ly tâm, thí nghiệm với kết cấu thực TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hồ sơ thiết kế kỹ thuật tuyến Tân Vũ- Lạch Huyện, Liên danh OC, Padeco, Nippon Koei, JBSI, Jan 2013 [2] Hồ sơ thiết kế kỹ thuật tuyến Metro Bến Thành - Suối Tiên, Liên danh Sumitomo – Cienco6, 112013 [3] B.K Lê, T.H Phạm, Nghiên cứu ảnh hưởng xoắn đến giá trị ứng suất - biến dạng mặt cắt ngang dầm hộp, Tạp chí GTVT, 12 (2015) [4] Prof Dr.-Ing G Rombach Technical University Hamburg, Germany Precast segmental box girder bridges with external prestressing INSA Rennes, Feb 2002 [5] M.A Algorafi, A.A.A Ali, I Othman, M.S Jaafar, and R.A Almansob, Evaluation of Structural Behavior of Externally Prestressed Segmented Bridge with Shear Key under Torsion, Journal of Engineering, (2011) 28-35 DOI: 10.32738/jeppm.201107.0004 [6] M.A Algorafi, A.A.A Ali, A Othman, M.S Jaafar, M.P Anwar, M P, Experimental study of externally prestressed segmental beam under torsion, Journal of Engineering Structures, 32 (2010) 3528-3538 https://doi.org/10.1016/j.engstruct.2010.07.021 [7] TCVN11823-5:2017 Tiêu chuẩn thiết kế cầu đường bộ, Phần 5: Kết cấu bê tông [8] AASHTO (2012) Guide Specifications for the Design and Construction of Segmental Concrete Bridges Second Edition pp 3-118 [9] CEB-FIP Model Code Comite EURO – International du Beton, Design Code, 1990 [10] ASTM A416 Standard Specification for Low-Relaxation, Seven-Wire Steel Strand for Prestressed Concrete 450 ... học Giao thơng vận tải, Tập 70, Số (12/2019), 440-450 Tạp chí Khoa học Giao thơng vận tải ỨNG XỬ CỦA CẦU DẦM HỘP LIÊN TỤC LẮP GHÉP PHÂN ĐOẠN DƯỚI TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG LỆCH TÂM Nguyễn Đắc Đức,... úng xử cầu dầm hộp liên tục lắp ghép phân đoạn tác dụng tải lệch tâm thông qua phương pháp mơ số nhằm giúp việc tính tốn mối nối kết cấu hồn thiện Từ khóa: Tải trọng lệch tâm, mô men xoắn, dầm liên. .. chịu tải không dầm hộp toàn khối mà dầm lắp ghép phân đoạn thực nghiệm Do cần có nghiên cứu cụ thể nhằm đánh giá ảnh hưởng xoắn khả chịu tải trọng cầu dầm bê tông cốt thép lắp ghép phân đoạn