Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép trong cầu dây văng một mặt phẳng dây tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI BÙI NGỌC TÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN DẦM HỘP BTCT TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY Ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng Mã số: 958.02.05 TĨM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Kết cấu nhịp dây văng đường bắt đầu sử dụng Việt Nam từ năm 1998 với cầu cầu Mỹ Thuận Từ đến nay, nhiều cầu dây văng thiết kế thi công xây dựng Các cầu dây văng Việt Nam phần lớn sử dụng kết cấu hai mặt phẳng dây dạng mặt cắt chữ I, chữ Pi có vát xiên để đảm bảo ổn định khí động lực học, tăng cường độ cứng theo phương ngang đảm bảo khả vượt nhịp lớn So sánh với dạng kết cấu cầu dây văng hai mặt phẳng dây, kết cấu cầu dây văng mặt phẳng dây giúp phân tách hai luồng xe chạy cầu mặt phẳng dây bố trí mặt cắt ngang, tạo góc nhìn thơng thống cho cầu, đem lại hiệu thẩm mĩ tốt so với cầu hai mặt phẳng dây Tuy nhiên, mặt phẳng dây bố trí vào dầm cầu nên dây chủ yếu chịu tải trọng thẳng đứng mà không hỗ trợ tăng cường khả ổn định chống xoắn cho kết cấu nhịp Do đó, thiết kế dầm chủ sử dụng mặt phẳng dây thường có dạng hình hộp để tăng cường khả chống xoắn ổn định khí động lực học Tính đến Việt Nam có cầu dây văng Bãi Cháy nhịp cầu vượt Ngã ba Huế sử dụng dạng mặt cắt hình hộp BTCT mặt phẳng dây Trong đó, cầu dây văng Bãi Cháy cầu dây văng mặt phẳng dây có chiều dài nhịp lớn giới (435m) thời điểm hoàn thành năm 2006 Trong thiết kế cầu dây văng mặt phẳng dây, sử dụng mặt cắt hình hộp nên đầu neo dây đặt vị trí mặt cầu, dẫn đến việc mặt cầu phải chịu lực kéo nhổ lớn theo phương mặt phẳng Lực tạo hiệu ứng nén dọc kết cấu nhịp (do dây xiên), uốn dọc toàn dầm (hiệu ứng tổng thể), uốn ngang mặt cầu gây hiệu ứng kéo cục mặt cầu (hiệu ứng cục bộ); tạo trạng thái ứng suất - biến dạng phức tạp, đặc biệt vị trí cục vực đầu neo dây văng Do đó, cầu dây văng mặt phẳng dây giới có xu hướng sử dụng vật liệu thép, thép liên hợp; ví dụ cầu Rama VIII, vượt qua sông Chao Phraya Bangkok, Thái Lan Tuy nhiên, mặt cầu thép có khả chịu lực tốt, tiết diện mảnh nên có độ cứng nhỏ biến dạng mặt cầu tác dụng tải trọng lớn, dẫn đến hư hỏng lớp phủ mặt cầu làm giảm độ bền khai thác cầu tác dụng tải trọng mỏi Sử dụng mặt cắt dầm hộp bê tông giúp giải vấn đề độ bền mỏi vấn đề biến dạng lớn khó kiểm sốt mặt cầu Tuy nhiên, chưa có tiêu chuẩn hướng dẫn phân tích mặt cầu chịu lực kéo cục (chịu lực bên ngồi mặt phẳng bê tơng); mặt cầu bên cạnh chịu lực cục phải đồng thời chịu hiệu ứng tổng thể phân tích Để xử lý vấn đề hư hỏng cục xảy mặt cầu bê tông chịu lực neo cục bộ, giải pháp sử dụng cầu Bãi Cháy (Việt Nam) sử dụng ống thép chịu kéo liên kết trực tiếp với đầu neo để truyền lực xuống vị trí liên kết sườn dầm đáy Giải pháp giúp thay việc phải để mặt cầu bê tông chịu lực cục việc truyền lực thông qua chịu kéo xuống đáy sườn dầm sườn dầm thành vách bê tông chịu nén thay cho mặt cầu phải chịu lực cục vng góc với mặt cầu Đây giải pháp lý thuyết khả thi mặt chịu lực, nhiên gây khó khăn lớn cho công tác thi công; hiệu thực tế chưa thể chứng minh rõ ràng chưa đề xuất mơ hình tính tốn phù hợp để phân tích làm việc cục mặt cầu bê tơng chịu lực vng góp mặt phẳng thân với vị trí góc nghiêng dây so với mặt cầu nhỏ hệ ống thép chịu lực gần vng góc với lực căng dây - khó phát huy hiệu chịu lực Do đó, tác giả lựa chọn nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Phân tích ứng xử học phân đoạn dầm hộp BTCT cầu dây văng mặt phẳng dây” đề xuất mơ hình tính tốn lý thuyết, có kiểm chứng qua thực nghiệm, để phân tích ứng xử học phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng mặt phẳng dây Đồng thời, sở phân tích lý thuyết tìm đánh giá hiệu giải kết cấu Mục tiêu, đối tượng nghiên cứu phạm vi nghiên cứu luận án tóm tắt sau: Mục đ ch nghi n cứu luận án - Phân tích, lựa chọn mơ hình tốn học phân tích ứng xử cục mặt cầu chịu lực mặt phẳng - Nghiên cứu thí nghiệm để khẳng định khả áp dụng mơ hình tốn học đề xuất; xác định hiệu giải pháp thiết kế đề xuất - Ứng dụng mơ hình đề xuất để phân tích, đánh giá ứng xử học phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng mặt phẳng dây - So sánh, tổng kết giải pháp thiết kế chịu lực cục dầm chủ mặt hiệu chịu lực đề xuất giải pháp phù hợp Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu luận án: Về kết cấu: Phân đoạn kết cấu dầm hộp chịu lực kéo vị trí hộp cầu dây văng mặt phẳng dây Về vật liệu: Giới hạn nghiên cứu cho dầm hộp bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực Trong vật liệu bê tông, xét đến giai đoạn vật liệu bê tông làm việc miền đàn hồi Về tải trọng: Giới hạn nghiên cứu toán tải trọng đặt tĩnh Phƣơng pháp nghi n cứu - Các phương pháp nghiên cứu lý thuyết như: phân tích tổng hợp lý thuyết; - Các phương pháp thí nghiệm: xây dựng mơ hình thí nghiệm thí nghiệm tính xác mơ hình - Phương pháp phân tích mơ số Ý nghĩa khoa học, thực tiễn v nh ng đ ng g p ới luận án - Ý nghĩa khoa học luận án: Luận án sử dụng mơ hình vật liệu phi tuyến để tính tốn mơ kết cấu phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng mặt phẳng dây Đã xây dựng tiến hành thực nghiệm mơ hình mẫu lớn với phân tích số áp dụng để mô phân đoạn dầm hộp chịu lực neo dây tập trung - Ý nghĩa thực tiễn luận án: Kết nghiên cứu luận án áp dụng để tiến hành phân tích ứng xử học phân đoạn dầm hộp cầu dây văng mặt phẳng dây, phục vụ công tác thiết kế đánh giá cầu dây văng - Những đóng góp luận án:  Đã đề xuất việc sử dụng mơ hình phi tuyến nứt theo tổng biến dạng để phân tích kết cấu phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng mặt phẳng dây  Đã xây dựng mơ hình thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy mơ hình phân tích số (với lý thuyết vật liệu phương pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu)  Đã phân tích ứng xử học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng mặt phẳng dây chịu lực tập trung đầu neo, cho phép đánh giá vai trò, hiệu giải pháp xử lý kết cấu ố cục uận án Luận án bao gồm phần Mở đầu, 04 chương phần Kết luận – Kiến nghị Phần Mở đầu Chương 1: Tổng quan Chương 2: Nghiên cứu đề xuất mơ hình tốn học phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng phân đoạn kết cấu nhịp dầm hộp BTCT cầu dây văng mặt phẳng dây chịu lực căng dây Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm áp dụng mơ hình phân tích “nứt theo tổng biên dạng” cho toán mặt cầu chịu lực kéo/nén xiên mặt phẳng Chương 4: Ứng dụng mơ hình “nứt theo tổng biến dạng” phân tích ứng xử học mặt cắt hình hộp BTCT cầu dây văng mặt phẳng dây điển hình Kết luận - Kiến nghị Ngoài phần danh mục công bố Tác giả CHƢƠNG TỔNG QUAN Cầu dây văng biết đến từ kỷ 16 sử dụng rộng rãi từ kỉ 19 Những cầu thường thiết kế kết hợp hệ thống dây văng hệ thống dây treo chịu lực (ví dụ cầu Brooklyn) Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn mặt phẳng dây Được sử dụng nhiều hệ thống cầu hai mặt phẳng dây, nhiên có nhược điểm thường tạo cảm giác khơng thống mặt mỹ quan nhiều trường hợp gây khó khăn cho việc bố trí, tổ chức giao thơng mặt cầu Cầu dây văng mặt phẳng dây có ưu điểm mặt mỹ thuật cầu thơng thống kích thước móng khơng lớn Tuy nhiên loại cầu này, vấn đề lớn xảy có mặt phẳng dây nên khơng giúp hỗ trợ chịu xoắn ổn định đánh lực học cho kết cấu dầm chủ Để khắc phục tăng cường khả chịu xoắn ổn định khí động lực học cầu dây văng mặt phẳng dây, thiết kế hợp lý cho dầm mặt cầu dạng mặt cắt hình hộp thép bê tông cốt thép Đối với cầu dầm thép, khối lượng dầm chủ nhỏ bề dày mỏng nên chiều dài nhịp lớn dầm cầu thường xuyên bị rung lắc gây hư hỏng phủ mặt Asphalt mặt cầu (ví dụ xảy cầu Rama VII với kết cấu nhịp dầm thép có nhịp 450m) Đối với cầu dầm bê tơng, việc sử dụng mặt cắt hình hộp dây neo vị trí hộp tạo mặt cầu bê tông cốt thép vừa chịu nén phương vừa chịu lực kéo (nén) phương mặt phẳng Tính đến (2019), Việt Nam tiến hành xây dựng hai cầu dây văng mặt phẳng dây cầu Bãi Cháy cầu Trần Thị Lý Trong thiết kế cầu dây văng, việc thiết kế đường truyền lực từ cáp văng vào đầm cầu quan trọng Hiện tại, chưa có nhiều nghiên cứu phân tích, tính tốn ứng xử học phần đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng mặt phẳng dây, đặc biệt ứng xử vùng cục đầu neo dây văng Kết nghiên cứu tài liệu cầu dây văng cho thấy vấn đề liên kết dây văng dầm chủ cầu dây văng mặt phẳng dây mặt cắt hình hộp bê tơng cốt thép vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Đặc biệt, Tiêu chuẩn thiết kế cầu Việt Nam chưa đề cập đế vấn đề phân tích nắp BTCT kết cấu nhịp cầu dầm hộp BTCT mặt phẳng dây chịu lực căng dây Trạng thái chịu lực vị trí chịu nén cục dạng khối vùng neo cáp dự ứng lực; mà biến dạng cục đầu neo phải tính tốn với biến dạng uốn phương tổng thể bản; đồng thời với việc phải chịu kéo - nén phương dọc ảnh hưởng góc nghiêng dây văng Trong luận án này, tác giả tập trung nghiên cứu đề xuất mơ hình tính tốn ứng xử nắp phân đoạn mặt cắt hình hộp BTCT chịu lực căng dây cầu dây văng mặt phẳng dây Mơ hình đề xuất cần phải phân tích đầy đủ hiệu ứng cục bản, hiệu ứng làm việc tổng thể dầm; cho kết phù hợp với thực nghiệm CHƢƠNG ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC PHÂN ĐOẠN MẶT CẮT HÌNH HỘP CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY ĂNG TCT CHỊU LỰC CĂNG DÂY 2.1 Mơ hình đƣợc sử dụng cầu Các cầu dây văng mặt phẳng dây thiết kế theo tiêu chuẩn thiết kế địa phương Đối với việc thiết kế cầu dây văng Việt Nam, bên cạnh áp dụng nội dung kiểm toán theo yêu cầu Tiêu chuẩn TCVN11823:2017, phải viện dẫn, bổ sung tiêu chuẩn liên quan đến ổn định khí động lực học để tính ứng xử động cầu tác dụng tải trọng gió Vấn đề mặt cầu bê tông chịu lực kéo dây văng, mặt kết cấu toán kết hợp 03 toán: chịu nén mặt phẳng, chịu uốn mặt phẳng vấn đề chịu nén cục Tiêu chuẩn Việt Nam tiêu chuẩn khác giới thiết kế cầu chưa đề cập đển việc phân tích kết cấu tác động 2.2 Đề xuất hình “nứt theo tổng biên dạng” để phân tích ứng xử mặt cầu dầm hộp BTCT chịu lực căng dây cầu dây văng mặt phẳng dây Kết cấu bê tông cốt thép chịu lực tác dụng xiên góc ngồi mặt phẳng sử dụng phổ biến thiết kế cầu nói riêng cơng trình nói chung Đối với cơng trình cầu, dạng kết cấu áp dụng mặt cầu cầu dây văng mặt phẳng dây chịu kéo xiên mặt phẳng; vị trí neo dây trụ tháp trường hợp trụ tháp BTCT hình hộp rỗng đầu neo đặt vách trụ Với kết cấu dạng này, bê tơng cốt thép ngồi chịu lực phương (có thể nén kéo), phải chịu lực uốn, cắt mặt phẳng lực tác động cục vị trí đặt lực Đây trạng thái chịu lực phức tạp số tác giả nghiên cứu khía cạnh thí nghiệm mơ số Theo khía cạnh mơ số, tác giả trước để phân tích ứng xử ngồi miền đàn hồi bê tơng cốt thép chịu uốn ngồi mặt phẳng thường xử dụng mơ hình “phân lớp”, theo chia thành nhiều lớp lớp coi có trạng thái ứng suất biến dạng theo phương Trong hướng tiếp cận này, thân cốt thép phương mơ lớp vật liệu với lớp vật liệu bê tông giúp xử lý tốt ứng xử phương Tuy nhiên, hướng tiếp cận không xét ảnh hưởng ứng suất – biến dạng theo phương vng góc với bản, ví dụ hiệu ứng cắt, trượt ngồi mặt phẳng Đồng thời, không xét tham gia làm việc cốt thép chịu lực cục thường đặt theo phương lực tác dụng lên Để giải nội dung này, Hrynuk Vecchio vào lý thuyết trường đề xuất mơ hình “phân lớp” có xét đến hiệu ứng cắt trượt theo phương vng góc với Đây cách tiếp cận phù hợp với lực tác động vng góc với Khi phương ứng suất biến dạng trùng với phương mặt cầu phương vng góc với phương mặt cầu Tuy nhiên vấn đề quan trọng mô hình thành phát triển vết nứt vùng cục kết cấu chưa xử lý Để mơ phát triển hình thành vết nứt kết cấu bê tơng cốt thép nói chung, có hai hướng tiếp cận hướng sử dụng mơ hình nứt rời rạc (khơng liên tục - discrete model) hướng sử dụng mô hình phân tán (smeared crack model) Hướng sử dụng mơ hình khơng liên tục coi mơi trường kết cấu sau xuất vết nứt tác thành thành phần độc lập; mô tả véc-tơ chuyển vị hệ hàm dạng không liên tục bổ sung thêm vào hàm dạng liên tục thông thường dùng để mô chuyển vị phần tử thuộc kết cấu Đây hướng nghiên cứu sử dụng phần tử hữu hạn mở rộng (X-FEM, ED-FEM) để mô tả biến dạng nứt kết cấu, thường sử dụng để mô tả vết nứt lớn, đủ để làm tính liên tục trạng thái chịu lực kết cấu Các nghiên cứu thuộc hướng kể đến nghiên cứu Ibrahimbegovic cộng (xem [2] [3] ) cho kết cấu bê tông, kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép chịu tác động học, tác động nhiệt, tải trọng động, Hướng nghiên cứu áp dụng cho vật liệu BTCT dạng khối khó khăn việc cần phải xây dựng phương trình tương tác bê tơng, cốt thép dính bám bê tông với thép theo phương xảy vết nứt Hướng tiếp cận thứ hai gọi mơ hình nứt phân tán (smeared crack model) Theo đó, vật liệu sau nứt coi khối chịu lực liên tục phần biến dạng lớn nứt mơ phương trình liên tục Khi đó, vết nứt phần tử tích hợp tổng biến dạng – chuyển vị phần tử khơng nằm vị trí tiếp giáp phần tử Mơ hình nứt phân tán nhiều tác giả nghiên cứu, phát triển Mô hình nứt phân tán Selby cộng áp dụng để phát triển lý thuyết trường nén cải tiến Vecchio Collins để áp dụng cho phần tử bê tông cốt thép dạng khối đưa vào phần mềm phần tử hữu hạn tên gọi mơ hình phân tích “nứt dựa tổng biến dạng” (total strain crack model) Mơ hình “nứt dựa tổng biến dạng” nguyên tắc giúp phân tích hình thành phát triển vết nứt khu vực có trạng thái ứng suất – biến dạng dạng khối, áp dụng để phân tích tốn nứt liên quan đến dầm cao vùng bê tông cốt thép chịu lực cục dạng khối (ví dụ đầu dầm chịu lực cục dầm BT dự ứng lực) Việc sử dụng mơ hình “nứt dựa tổng biến dạng” để phân tích phát hoại chịu lực thẳng đứng (tại vị trí liên cột bản) Ngekpe Barisua tiến hành cho kết tốt Tuy nhiên chưa sử dụng để phân tích làm việc kết cấu chịu tải trọng nén kéo xiên góc Trên khía cạnh thí nghiệm, chưa có nhiều nghiên cứu giới tiến hành thí nghiệm phá hoại kết cấu BTCT chịu lực xiên góc Một số nghiên cứu thí nghiệm trước với kết cấu thường để cập đến ứng xử chịu nén thẳng đứng, chưa có kết bê tơng cốt thép chịu nén xiên góc Trong báo cáo này, tác giả trình bày khả ứng dụng mơ hình nứt dựa tổng biến dạng để áp dụng cho phân tích bê tơng cốt thép chịu nén theo phương xiên Trong mơ hình nứt theo tổng biến dạng, phương ứng suất xem trùng với phương biến dạng Hình Trạng thái ứng suất – biến dạng phân tố bê tơng cốt thép Do mơ hình áp dụng cho vật liệu bê tông cốt thép nên thông số đầu vào bê tông cần thiết, thông số bao gồm: mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén lượng phá hoại Các tiêu chuẩn thiết kế liên quan đến vật liệu bê tơng có cơng thức quan hệ tương ứng để xác định thông số thông qua cấp bê tông Riêng lượng phá hoại (Gf), CEB-FIP 1990 có công thức bảng tra để xác định giá trị từ đường kính hạt cốt liệu (xem cơng thức bảng 1) G f  G fo  f cm     f cm o  (1) Trong đó: fcm cường độ chịu nén trung bình bê tơng; fcm0 giá trị cường độ chịu nén tham chiếu, lấy 10 MPa Giá trị lượng phá hoại tham chiếu Gf0 lấy theo bảng 1: Bảng Giá trị Gfo tương đương với Dmax Dmax (mm) Gf0 (J/m2) 25 16 30 32 58 Dựa thông số đầu vào bê tông kể trên, xây dựng đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng vật liệu bê tơng chịu kéo nén q trình tăng tải, rỡ tải theo phương ứng suất hình Hình Đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông chịu kéo, nén Có nhiều mơ hình tốn học đề xuất để mô tả đường cong ứng suất – biến dạng bê tông vùng chịu nén chịu kéo Cơng thức giới thiệu phương trình Thorenfeldt cơng thức giới thiệu mơ hình của Vecchio Collins cho vùng chịu kéo Phương trình đường cong Thorenfeldt cho bê tơng chịu nén: 3.1 Mơ hình thí nghiệm Xây dựng mơ hình bê tơng chịu nén với 03 góc nghiêng α khác 25 độ, 45 độ 70 độ Hình Mẫu thí nghiệm Mỗi góc nghiêng tiến hành chế tạo 03 mẫu thí nghiệm Bản bê tơng dày 10cm, rộng 5m dài 6m, cường độ chịu nén uốn f’c = 40MPa, kích thước cốt liệu lớn Dmax = 20mm Bản bố trí lưới cốt thép đường kính D = 10mm, bước cốt thép 150x150 mm Vị trí đặt lực nén đặt thép kê ngang, hàn vào lưới cốt thép để tránh lực đặt trực tiếp lên bê tông Trong trình thí nghiệm tiến hành ghi nhận cấp lực tác động (P), đo đạc biến dạng cốt thép, biến dạng bê tông mặt điểm đặt lực chuyển vị thẳng đứng đáy Bản nén đến phá hoại 3.2 Kết mơ hình hóa Các mẫu thí nghiệm mơ số sử dụng mơ hình nứt theo tổng biến dạng; mơ hình sử dụng thơng số đầu vào vật liệu sau: Bảng Thông số đầu vào vật liệu STT Tên tiêu Ký hiệu Giá trị Đơn vị Cốt thép CB400V Giới hạn chảy fy 400 MPa Mô đun đàn hồi Es 20000 MPa Bê tông C40 Cường độ chịu nén f'c 40 MPa Mô đun đàn hồi Ec 31975 MPa Hệ số Poisson v 0.2 11 Từ thông số đầu vào này, đường cong quan hệ ứng suất – biến dạng bê tông cốt thép xây dựng theo công thức giới thiệu mục Bản BTCT mơ hình theo phương pháp phần tử hữu hạn, có xét mơ hình đầy đủ cốt thép bê tơng (xem hình 4) Hình Mơ hình bê tơng chịu nén Tiến hành phân tích chuyển vị thẳng đứng ứng suất cốt thép theo cấp tải trọng cho Bảng Bảng Các cấp tải thí nghiệm/mơ hình hóa Giá trị (kN) Cấp tải Pi/Pgh  =25 độ  =45 độ  =70 độ CT 0,1Pgh 12 6.5 CT 0,2Pgh 24 16 13 CT 0,3 Pgh 36 24 19.5 CT 0,4 Pgh 48 32 26 CT 0,5 Pgh 60 40 32.5 CT 0,6 Pgh 72 48 39 CT 0,7 Pgh 84 56 45.5 CT 0,8 Pgh 96 64 52 CT 0,9 Pgh 108 72 58.5 CT 10 Pgh 120 80 65 CT 11 1.1Pgh 132 88 71.5 12 Kết phân tích chuyển vị lớn nhất, ứng suất cốt thép cho với góc nghiêng khác qua 11 cấp tải tổng hợp Bảng hình Trong hình 5, nét đứt thể độ võng, ứng suất thép điểm cách vị trí đặt lực 20 cm; nét liền thể độ võng, ứng suất thép vị trí điểm đặt lực Bảng Tóm tắt kết mơ hình phân tích Cấp tải Chuyển vị ớn ( ° ) Ứng suất cốt thép (Mpa) α =45° α =70° 0.5 3.4 7.1 0.41 8.1 7.8 15.9 0.58 0.8 15.8 18.1 45.8 0.91 1.13 1.44 46.1 59.6 97.5 1.42 1.86 2.13 91.9 111.3 133 2.03 2.58 2.93 142.8 172.5 183.8 2.7 3.31 3.75 198.7 221 236.6 3.39 4.16 5.7 257.3 273.9 297.9 5.58 5.09 7.17 326.4 332.7 343.6 10 7.61 6.17 9.18 400 400 400 11 10.81 9.24 12.16 400 400 400 α =70 ° α=25 α =45 0.17 0.17 0.19 0.32 0.35 0.56 α=25° Hình Biểu đồ quan hệ tải trọng độ võng, tải trọng ứng suất cốt thép Hình thể biến dạng phân bố ứng suất bê tông ứng với tải trọng tác dụng Pgh (cấp tải 10) cho góc nghiêng khác 13 Trƣờng hợp α=25 độ P = 120 kN Trƣờng hợp α =45 độ P=80kN Trƣờng hợp α =70 độ P=65 kN Hình Kết biến dạng phân bố ứng suất cốt thép cấp tải 10Bảng hình cho thấy ứng suất kéo thép đạt giá trị giới hạn (400MPa) cấp tải 10, với giá trị tải trọng phá hoại (Pgh) cho góc nghiêng 25 độ, 45 độ 70 độ 120 kN, 80kN 65 kN 3.3 So sánh kết mơ hình hóa kết thí nghiệm Độ võng lực tác dụng thời điểm phá hoại tương ứng với mẫu thí nghiệm thể bảng Bảng Tóm tắt kết mơ hình phân tích KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM Mẫu 250 Mẫu 450 Mẫu 700 Lực Lực Lực Vị trí Lần đo Võng phá Võng phá Võng phá (cm) (mm) hoại (mm) hoại (mm) hoại (kN) (kN) (kN) R=0 7.22 9.94 12.72 142 100.2 79.6 Lần R=20 6.27 7.20 8.48 R=0 7.04 9.08 12.20 141.1 92.8 79.85 Lần R=20 6.02 6.68 8.39 R=0 7.32 9.28 12.01 140 97.32 80.39 Lần R=20 6.25 7.25 9.08 (R khoảng cách từ vị trí đo võng đến tim điểm đặt lực) 14 Kết nén mẫu cho thấy lực phá hoại góc nghiêng 25 độ, 45 độ 70 độ 141 kN, 96 kN 80kN; lệch lớn hớn giá trị theo kết mơ hình khoảng 15% đến 20% Quan hệ lực – độ võng theo thí nghiệm theo kết mô thể hình Nguyên nhân sai khác không đồng ứng xử chịu lực bê tơng mơ hình giả thiết dính bám thép bê tông tuyệt đối Tuy nhiên, kết mơ hình thiên an tồn Hình So sánh kết mơ hình kết thí nghiệm Dạng phá hoại từ kết mơ hình cho thấy tương đồng với dạng phá hoại thu nhận từ kết thí nghiệm (xem hình 8) Theo đó, phá hoại gồm hai dạng phá hoại uốn phá hoại vùng xung quanh điểm đặt lực Hình Dạng phá hoại BTCT theo kết thí nghiệm theo mơ hình 15 Hình cho thấy dạng phá hoại theo kết mơ hình thí nghiệm phù hợp với Kết thí nghiệm cho thấy việc sử dụng mơ hình “nứt theo tổng biến dạng” cho bê tơng cho phép mơ tương đổi xác dạng phá hoại chuyển vị, biến dạng tổng thể mặt cầu BTCT chịu lực cục tác dụng từ mặt phẳng; giá trị lực phá hoại theo tính tốn nhỏ chút so với phá hoại thực tế mơ hình thí nghiệm Từ kết luận mơ hình “nứt theo tổng biến dạng” mơ hình phù hợp cho việc phân tích ứng xử BTCT chịu lực dạng CHƢƠNG ỨNG DỤNG MƠ HÌNH “TỔNG BIẾN DẠNG NỨT” PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA MẶT CẮT HÌNH HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP CẦU DÂY MỘT MẶT PHẲNG DÂY ĐIỂN HÌNH VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC TẾ 4.1 Lựa chọn kết cấu phân tích - tính tốn Để minh chứng cho khả ứng dụng mơ hình phân tích nứt theo mơ hình tổng biến dạng, tiến hành phân tích cụ thể cho toán vùng chịu lực cục mặt cầu cầu dây văng điển hình dạng mặt cắt ngang cầu Bãi Cháy Trong phân tích này, tiến hành phân tích trạng thái chịu lực mặt cầu trường hợp lực căng dây khác (được mô tả tương đương với câp tải trọng từ 0.2fpy đến 0.7 fpy) cho trường hợp: có sử dụng khơng sử dụng ống thép chịu lực cục Kết mơ hình đánh giá cho mức độ hiệu giải pháp sử dụng ống thép chịu lực cục đáy đầu neo cáp dây văng Cầu Bãi Cháy, cầu lấy làm ví dụ cho việc phân tích, có dầm chủ dạng hộp đơn bê tơng cốt thép có DUL ngang Hệ cáp văng mặt phẳng dây gồm 102 dây văng với khoang dầm liên kết qua ụ neo cáp xuống mặt cầu Hệ ống thép chịu kéo tăng cường cách với khoảng cách 3m theo phương dọc cầu Góc nghiêng dây thay đổi từ 22o đến 50o 4.2 Kết phân tích Để đơn giản hóa cho việc phân tích tính tốn mà đảm bảo mục đích phân tích, mơ hình xét đốt dầm có ụ neo mặt cầu, biên đốt dầm mơ hình lấy đến khoang dây 16 Hình Sơ họa mơ hình PTHH đốt dầm Bảng Thơng số kích thước dầm hộp STT Đại ƣợng Chiều cao dầm hộp Chiều rộng cánh Chiều rộng cánh Chiều dày cánh Chiều dày cánh Chiều dày sườn dầm Giá trị 3,70 25,00 8,00 0,25 0,20 0,35 Đơn vị m m m m m m Một số thông số vật liệu bê tơng dầm sau: Cường độ bê tông dầm f’c = 45 MPa Khối lượng riêng bê tông dầm yc = 2400 kg/m3 Trọng lượng riêng bê tông dầm γc = 23,54 kN/m3 Các giới hạn ứng suất bê tông xác định theo tiêu chuẩn TCVN11823:2017 Giới hạn ứng suất kéo bê tông [σk] = 3,354 MPa Giới hạn ứng suất nén bê tông [σn] = 27 MPa Cốt thép dự ứng lực sử dụng loại tao xoắn sợi có độ chùng thấp, đường kính danh định 15,2mm với thông số đặc trưng bao gồm: Cường độ chịu kéo chảy fpy = 1670 MPa Mô đun đàn hồi thép Eps = 197000 MPa Cốt thép thường dung loại SD 390 theo tiêu chuẩn Nhật Bản JISG3112 với đặc trưng sau: Cường độ chịu kéo chảy fy = 390 MPa 17 Mô đun đàn hồi thép Es = 205000 MPa Đường kính cốt thép ngang d1 = 22 mm Đường kính cốt thép dọc d2 = 16 mm Trên thực tế, mép tiếp xúc đốt dầm có chuyển vị chịu tải trọng chuyển vị tương đối so với u neo cáp điểm khoang khơng đáng kể Do dầm chủ mơ hình ngàm mặt tiếp xúc với đốt dầm Hình 10 Mơ hình điều kiện biên Tải trọng tác dụng lên kết cấu bao gồm trọng lượng thân dầm chủ, tĩnh tải giai đoạn 2, lực căng kéo cáp dây văng, hoạt tải tải trọng đặc biệt khác gió Các tải trọng: tĩnh tải giai đoạn 2, hoạt tải tải trọng đặc biệt khác tác dụng lên kết cấu cầu mặt cầu tương đương với việc tăng lực kéo dây văng Do vậy, tốn phân tích tải trọng thân lực tác dụng cáp dây văng truyền vào mặt cầu qua cấp tải khác đủ để phản ánh ảnh hưởng tải trọng thực tế tác dụng lên mặt cầu Hình 11 Chi tiết vị trí neo cáp 18 Bó cáp dây văng sử dụng 61 tao cáp có đường kính tao 15,2mm Tải trọng bó cáp dây văng truyền vào ụ bê tông thông qua bát neo cáp dây văng có kích thước hình vẽ Bát neo có cấu tạo mặt phẳng hình vẽ, vị trí ép tỳ sát vào phần ụ neo bê tông đổ sẵn mặt cầu Tải trọng từ dây văng tác dụng lên bát neo truyền vào mặt cầu thông qua ụ neo với giá trị áp lực phân bố coi diện tích tiếp xúc Góc nghiêng dây văng thay đổi dẫn đến thay đổi lực tác động truyền từ cáp văng vào mặt cầu, ảnh hưởng đến vùng cục Theo tiêu chuẩn thiết kế dẫn thi công, qua giai đoạn thi công khai thác, ứng suất dây văng khống chế nằm khoảng 0.3fpy đến 0.6fpy Khi chịu tải trọng gió, ứng suất cáp lên đến 0.65fpy Do đó, nghiên cứu này, nhóm tác giả tiến hành phân tích tính tốn ứng suất – biến dạng vùng chịu lực cục đầu neo tương ứng với ứng suất cáp dây văng từ 0.5fpy đến 0.7fpy Đối với cấp tải căng cáp, tiến hành phân tích cho hai trường hợp có hệ ống thép tăng cường khơng có hệ tăng cường Ví dụ cho trường hợp có hệ tăng cường với cấp tải 0.5fpy Hình 12 Kết chuyển vị theo phương Z 19 Hình 13 Kết ứng suất kéo nén theo phương X Hình 14 Kết ứng suất kéo nén theo phương Y 20 Hình 15 Kết ứng suất cốt thép thường ống thép 21 Hình 16 Kết vùng nứt xuất Bảng Bảng tổng hợp kết có khơng tăng cường ống thép 0.5fpy Khơng Có Cấp tải căng kéo cáp tăng tăng cường cường Chuyển vị thẳng 1.898 1.693 đứng vị trí neo (mm) 3.35 3.35 Ứng Phương kéo suất X nén -16.90 -19.44 kéo 3.35 3.35 Phương bê tông Y nén -21.22 -20.72 (MPa) Ứng suất kéo 138.31 119.99 thép thường nén -122.6 -141.0 (MPa) Độ mở rộng vết nứt 0.203 0.173 (mm) 0.6fpy Khơng Có tăng tăng cường cường 0.7fpy Khơng Có tăng tăng cường cường 2.479 2.161 3.098 2.666 3.35 -20.88 3.35 3.35 -23.77 3.35 3.35 -24.97 3.35 3.35 -28.25 3.35 -25.76 -25.17 -30.198 -29.61 194.16 158.34 246.72 197.73 -156.3 -179.9 -192.72 -221.77 0.297 0.237 0.385 0.300 Rõ ràng rằng, áp dụng mô hình phân tích dạng thơng thường áp dụng thiết kế đề cập chương cho phân tích kết cấu nhịp cầu dây văng mặt phẳng dây - cầu Bãi Cháy phân tích, đánh giá ứng xử cục xung quanh đầu neo cáp văng 22 phân đoạn mặt cắt hình hộp; khơng thể đánh giá xác hiệu giải pháp tăng cường để đề xuất giải pháp tăng cường phù hợp Kết phân tích sử dụng mơ hình lí thuyết đề xuất trạng thái ứng suất - biến dạng vùng cục đầu neo; ứng suất cốt thép thường đặc biệt, phân tích khu vực chịu ảnh hưởng lực cục độ mở rộng vết nứt lớn nhất, vấn đề đặc biệt quan trọng với việc xây dựng cầu vị trí có khả xảy ăn mịn cao vị trí cầu dây văng Bãi Cháy Kết phân tích áp dụng cho tải trọng lực căng dây văng khác nhau, góc nghiêng cáp khác giúp làm rõ hiệu tác dụng hệ thống tăng cường kết cấu dầm hộp, mặt cầu vị trí có neo cáp cầu Bãi Cháy Kết cho thấy việc bố trí ống thép chịu kéo có hiệu quả, khơng hồn tồn rõ ràng đặc biệt cho vị trí góc nghiêng cáp dây văng nhỏ KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong luận văn này, nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm ứng xử học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép chịu lực căng dây văng nắp cầu dây văng mặt phẳng dây Trong đó, nghiên cứu tổng quan chương cho thấy vấn đề tồn tốn phân tích ứng xử học phân đoạn mặt cắt hình hộp BTCT cầu dây văng mặt phẳng dây cần phải đề xuất mơ hình phân tích cho phép tính tốn, đánh giá ứng xử cục vị trí neo dây (bao gồm hư hỏng bê tông xung quanh đầu neo) đồng thời với việc phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng tổng thể kết cấu dầm; đặc biệt kết cấu nắp hình hộp phải đồng thời chịu hiệu ứng lực như: lực kéo mặt phẳng bản, lực uốn theo hai phương dọc ngang cầu, lực kéo - nén phương Trên sở nghiên cứu tổng quan chương 1, chương 2, nghiên cứu sinh tiến hành nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm đề xuất mơ hình phân tích “nứt theo tổng biến dạng” để phân tích ứng xử phân đoạn mặt cắt hình hộp chịu lực căng dây cầu dây văng mặt phẳng dây Kết 23 thí nghiệm chương phân tích áp dụng chương chứng minh tính đắn mơ hình đề xuất cho thấy khả ứng dụng mơ hình vào phân tích tốn phân đoạn mặt cắt hình hộp BTCT chịu lực căng dây thực tế Đây kết nghiên cứu có tính luận án Sau đề xuất mô hình phân tích lý thuyết, chương 4, tác giả ứng dụng mơ hình đề xuất để phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng cho phân đoạn mặt cắt hình hộp bê tơng cốt thép chịu lực căng dây điển hình Kết phân tích chương cho thấy mức độ hiệu giải pháp tăng cường mặt cắt hình hộp thực tế ống chịu kéo có khơng thực rõ rệt Cụ thể giải pháp không thực phù hợp vị trí góc nghiêng dây nhỏ không giúp giảm đáng kể độ mở rộng vết nứt Mơ hình nghiên cứu đề xuất luận án tiếp tục phát triển để phân tích tốn phân đoạn mặt cắt hình hộp chịu tải trọng lực căng dây có xung kích (lực căng động - đứt dây), phân tích mỏi bê tông cốt thép chịu lực cục khu vực neo dây văng Mơ hình nghiên cứu đề xuất luận án áp dụng để phân tích, đánh giá giải pháp thiết kế, tăng cường phù hợp vị trí mặt cắt ngang dầm hộp neo dây; giải pháp tăng cường vị trí như: Neo trực tiếp vào đáy nắp; Tăng cường dầm ngang, vách ngang; Sử dụng ống thép neo; Sử dụng bê tông cốt sợi bê tông có cường độ cao hơn; từ đề xuất giải pháp tăng cường phù hợp với loại bề rộng mặt cầu, chiều dài phân đoạn mặt cắt hình hộp neo cáp văng góc nghiêng cáp văng Đây hướng nghiên cứu mà nghiên cứu sinh tiếp tục tiến hành nghiên cứu thời gian tới 24 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ Bùi Ngọc Tình, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Viết Trung, Ngơ Văn Minh: “Phân tích trạng thái ứng suất - biến dạng mặt cầu hiệu hệ tăng cường cầu dây văng mặt phẳng dây”, Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, số 56, (tháng 2/2017) Bùi Ngọc Tình, Nguyễn Ngọc Long, Nguyễn Viết Trung, Ngơ Văn Minh: “Ứng dụng mơ hình nứt theo tổng biến dạng phân tích ứng xử phi tuyến bê tông cốt thép chịu lực nén xiên”, Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, số 72, 2019 ... ? ?Phân tích ứng xử học phân đoạn dầm hộp BTCT cầu dây văng mặt phẳng dây? ?? đề xuất mơ hình tính tốn lý thuyết, có kiểm chứng qua thực nghiệm, để phân tích ứng xử học phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu. .. nghiệm ứng xử học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép chịu lực căng dây văng nắp cầu dây văng mặt phẳng dây Trong đó, nghiên cứu tổng quan chương cho thấy vấn đề cịn tồn tốn phân tích ứng xử học phân. .. cấu: Phân đoạn kết cấu dầm hộp chịu lực kéo vị trí hộp cầu dây văng mặt phẳng dây Về vật liệu: Giới hạn nghiên cứu cho dầm hộp bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực Trong vật liệu bê tông,