chơng thứ năm phân tích tính chịu lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông tiết thứ phân tích tính chịu tĩnh tải trạng thái sử dụng I Thử tải trọng tĩnh xây dựng xong cầu Cầu vòm ống thép nhồi bê tông độ nói chung tơng đối lớn v thuộc loại kỹ thuật mới, nhiều cầu sau xây dựng xong tiến hnh thí nghiệm tải trọng tĩnh(1)-(6) Dới tác dụng hoạt tải (tải trọng xe ô tô) tiến hnh đo ứng biến ống thép v độ võng sờn vòm, mặt cầu tính chịu tải trọng tĩnh cầu vòm ống thép nhồi bê tông để có đợc hiểu biết định Phần dới giới thiệu trình thí nghiệm tải trọng tĩnh cầu Thạch Trạch Câu Phúc Kiến(6) Hình 5-1 : Bố trí điểm đo độ võng, thí nghiệm tải trọng tĩnh cầu Thạch Trạch Câu Hình 5-2 : Bố trí điểm đo ứng biến cầu Thạch Trạch Câu Cầu Thạch Trạch Câu, Trùng Thanh, Phúc Kiến trình thiết kế v thi công đà giới thiệu cầu thí dụ tiết chơng Nội dung thí nghiệm tải trọng tĩnh sau xây xong cầu l đo ứng biến v độ võng sờn vòm dới tác dụng tải trọng ô tô Phơng pháp đo độ võng sờn vòm cầu Thạch Trạch Câu l mặt cắt cần đo sờn vòm gắn dây dọi sợi thép mặt cầu, cao độ đờng so sánh đặt thớc chuẩn để đọc trị số độ võng, thiết bị đọc độ võng dùng máy thủy chuẩn (niveau) S1 loại xác Trung Quốc tự sản xuất Phơng pháp đo ứng biến l dùng đát trích (dây điện trở) để ứng biến, vo đát trích, dán mặt ống thép Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 219 - điểm đo hiệu chỉnh với đát trích gốc máy, có ứng biến, trị số điện trở thay đổi, dùng cầu điện trở YJB1 để đọc ứng biến Trị số độ võng sờn vòm đo mặt cắt, gần nhịp (mặt cắt 11), gần 3L/8 (mặt cắt 2-2), gần L/4 (mặt cắt 3-3), gần L/8 (mặt cắt 4-4) Đo ứng biến sờn vòm mặt cắt, gần nhịp mặt cắt 1-1, gần L/4 mặt cắt 3-3 v gần chân vòm mặt cắt 5-5 Mặt cắt có điểm đo độ võng v ứng biến xem hình 51 Mỗi mặt cắt mạ dn sờn vòm, mặt ống thép theo hớng dọc trục dán đát trích (lá điện trở đo ứng biến) Điểm đo đát trích mặt cắt xem hình 5-2 Các điểm đo bố trí nửa cầu phía Phúc Châu, đo hai sờn vòm thợng lu, hạ lu, có điểm độ võng, ứng biến mặt cắt có 24 l đát trích a Bố trí hớng dọc b Bố trí hớng ngang Hình 5-3: Bố trí tải trọng đờng ảnh hởng mô men uốn mặt cắt 5-5 gần chân vòm a Bố trí hớng dọc b Bố trí hớng ngang Hình 5-4: Bố trí tải trọng đờng ảnh hởng mô men uốn mặt cắt 3-3 gần L/4 Tải trọng xe để thí nghiệm đà vμo t¶i träng thiÕt kÕ vμ nguån xe thùc tÕ tìm đợc để xem xét Nói chung theo tải trọng thiết kế để bố trí tải trọng thử khó khăn, dùng phơng pháp tải trọng tơng đơng, hon ton tơng đơng, tải trọng thử gây hiệu ứng tải trọng nên cấp với hiệu ứng tải trọng tải trọng thiết kế gây Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 220 - a Bè trÝ h−íng däc b Bè trÝ h−íng ngang cầu Hình 5-5: Bố trí tải trọng đờng ảnh hởng mô men uốn mặt cắt 1-1 gần đỉnh vòm Bảng trị số độ võng (đơn vị : mm) Bảng 5-1 Tên mặt cắt Trờng Trị số hợp đo PP-1 PP-2 Trờng Trị số hợp đo PP-1 PP-2 Trờng Trị số hợp đo PP-1 PP-2 Trên Trªn Trªn Trªn D−íi -1.9 1.3 D−íi 6.2 11.2 D−íi 9.4 13.4 D−íi 4.6 6.7 -1.4 -0.9 -0.7 15.5 17.5 20.8 22.0 25.5 27.7 12.0 15 13.7 -3.0 -2.8 -3.0 11.85 14.2 17.0 21.9 24.5 26.7 13.3 16.1 14.9 -1.5 -1.2 7.85 8.3 11.1 13.7 7.0 8.7 16.0 16.7 18.1 7.2 7.3 6.6 -3.5 -3.0 -4.2 -4.8 -4.7 -5.1 10.2 9.1 4.3 3.4 -2.0 -2.0 -2.6 -2.5 Ghi chó : DÊu ©m l vồng lên, dấu dơng l võng xuống Cầu Thạch Trạch Câu vo nguyên tắc đó, dùng xe ô tô Đông Phong đầu HANGQ1 (trọng lợng xe ô tô riêng rẽ l 21,83T; 22,99T; 22,12T; 22,83T; 21,74T) Căn vo đờng ảnh hởng nội lực mặt cắt đỉnh vòm, chân vòm v L/4 tiến hnh ba trờng hợp bố trí tải trọng xe: Trờng hợp : Theo đờng ảnh hởng mô men uốn mặt cắt 5-5 chân vòm để đặt tải, hình 5-3 Trờng hợp : Theo đờng ảnh hởng mô men uốn mặt cắt 3-3 L/4 để tiến hnh đặt tải, hình 5-4 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 221 - Trờng hợp : Theo đờng ảnh hởng mô men uốn mặt cắt 1-1 đỉnh vòm để tiến hnh đặt tải, hình 5-5 Trị số nội lực (đơn vị : kN; kN-m) Bảng 5-2 Mặt cắt Trờng hợp Trị số thực đo PP-1 PP-2 Trờng hợp Trị số thực đo PP-1 PP-2 Trờng hợp Trị số thực đo PP-1 PP-2 N M N M N M N M N M N M N M N M N M Đỉnh vòm Thợng Hạ lu l−u -350.53 -569.62 -429.41 -172.96 -389.52 -350.89 -546.16 -836.81 -359.80 -554.46 -287.25 886.08 -685.86 -298.20 -317.34 -122.59 -762.63 -343.53 -307.34 -830.90 -647.52 -301.90 2105.29 1395.58 -849.08 -463.68 2609.37 1475.26 -868.95 2862.72 L/4 Th−ỵng l−u -618.31 2940.25 -707.80 3329.06 -686.08 3475.58 131.45 3190.74 -573.80 3401.83 -561.64 3539.76 -467.38 -1204.73 -861.46 -1519.17 -830.77 -1538.24 H¹ l−u -170.40 1318.04 -325.50 1889.81 -175.27 1276.30 -152.60 1650.32 -525.81 -870.74 -470.54 -601.06 Chân vòm Thợng Hạ l−u l−u -569.62 -223.95 -2236.50 -1157.02 -2236.50 -283.70 -3549.60 -1716.84 -798.45 -4065.1 -1918.22 -374.88 -2695.73 -1067.56 -691.70 -236.80 -3908.36 -2221.91 -760.47 -4583.93 -1747.82 -559.89 1294.19 721.64 -784.32 -364.86 1219.34 595.52 -729.80 1798.27 Tính toán lý thuyết dùng chơng trình SAP 93, chủ yếu dùng phần tử dầm không gian để lập, lập cho kết cấu cầu vòm vòm chủ, cø hai nót lμ mét phÇn tư, toμn cÇu cã 2581 phần tử, 1285 nút, bệ vòm ngm ba hớng Phần tử hữu hạn tính toán tải trọng vo nguyên lý phân phối đòn bẩy, thông qua tính toán thủ công, trờng hợp xếp xe thông qua dầm dọc phân phối đến dầm ngang, lại từ dầm ngang phân phối cho treo (tải trọng hớng ngang phân phối lần 1) đa vo mô hình treo Để phân tích ảnh hởng chống ngang sờn vòm Phơng pháp tính toán thứ l coi kết cấu cầu l kết cấu hai sờn không gian, có xét tác dụng liên kết ngang hai sờn vòm Phơng pháp thứ hai l không xét tác dụng liên kết ngang, nghĩa l theo mảnh sờn vòm để tiến hnh tính toán Hai phơng pháp tính toán trị số độ Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 222 - võng v trị số nội lực (tìm đợc theo ứng biến) v trị số thực đo so sánh b¶ng 5-1 vμ 5-2 Tõ b¶ng 5-1 vμ b¶ng 5-2 ta thấy, trị số tính toán lớn trị số thực đo, biểu thị độ cứng kết cấu v tác dụng ton khối lớn mô hình tính toán lý thuyết So sánh phơng pháp tính toán với phơng pháp tính toán cho thấy phơng pháp gần với trị số thực đo, biểu thị tác dụng chống lm cho tải trọng phân bố hớng ngang lần thứ hai So với phơng pháp 1, hạng mục ny chiếm trị số nội lực khoảng 10% Cho nên, tính toán thiết kế, sử dụng máy tính để phân tích, dùng mô hình tính toán không gian, để phát huy tác dụng chống ngang lệch tải hớng ngang phân phối lÇn thø hai, tiÕt kiƯm vËt liƯu dïng cho kÕt cấu Đơng nhiên thiết kế sơ hay dùng phân tích thủ công mô hình tính toán phẳng có đặc điểm l tính toán giản đơn, áp dụng đồng thời lm ti liệu tham khảo cho tính toán máy tính II Mô hình thí nghiệm tĩnh Phân tích tính chịu lực tĩnh cầu vòm ống thép nhồi bê tông, ngoi số liệu thực đo cầu thực tế cầu Đặc Đơn Giang Hắc Long Giang v cầu Trờng Giang huyện Vạn Tứ Xuyên tiến hnh thí nghiệm mô hình cầu vòm ống thép nhồi bê tông Thí nghiệm mô hình cầu Đặc Đơn Giang, Hắc Long Giang(*) Cầu Đặc Đơn Giang Y Lan Hắc Long Giang cầu có hai nhịp, nhịp có độ 100m l cầu vòm bê tông cốt thép chống gió Sờn vòm l ba ống thép đờng kính 600x12mm nhồi bê tông M40 ghép thnh dn không gian ba cạnh (chi tiết xem tiết chơng 3) Để kiểm chứng tính toán thiết kế nghiên cứu tính ổn định chung cầu vòm ống thép nhồi bê tông chống gió, tiến hnh thí nghiệm mô hình tỷ lệ : 10 Mô hình theo phơng pháp phân tích đơng lợng lý thuyết tơng tự, thiết kế với điều kiện ứng lực Sờn vòm dùng ống thép không hn dầy 2mm, loại 16Mn kéo nguội gia công thnh ống thép 600x12mm, trọng lợng mô hình dùng phơng pháp bổ cứu để giải thí nghiệm tiến hnh trờng hợp xếp tải : ứng biến vòm, ứng biến treo, dịch vị thẳng đứng sờn vòm, dịch vị nằm ngang sờn vòm, lún móng trụ cầu v.v hạng mục đo thí nghiệm Thí nghiệm chủ yếu l biến dạng v nội lực sờn vòm Thí nghiệm mô hình ny hai sờn vòm ghi ký hiệu sờn Nam Bắc, đờng tim vòm chọn 13 điểm để quan trắc biến dạng Từ đờng thay đổi tim vòm cho thấy, sờn cầu vòm ống thép nhồi bê tông có trọng lợng nhẹ, độ cứng Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 223 - nhỏ so với sờn cầu vòm bê tông cốt thép, dới tác dụng tĩnh tải, đờng mép sờn vòm rõ rệt Cầu ny dùng kết cấu cầu vòm chạy giữa, chống gió, mô hình phải thí nghiệm ổn định ngang l quan trọng Đây l định cốt lõi vấn đề có bỏ đợc chống gió hay không Mô hình cầu ny lắp ráp đỉnh vòm, sai số 4mm, lần tăng tải giảm tải, mặt đờng biên hồi phục số không, nói lên lực nằm ngang đỉnh vòm vợt tải 20%, kết cấu lm việc giai đoạn đn hồi Dới tác dụng trờng hợp trị số ứng lực thực đo mặt cắt sờn vòm, tiến hnh đối chiếu với trị số tính toán theo thống kê thực đo đợc 280 điểm, có 37 điểm khác thờng hiệu quả, có 243 điểm có hiệu Thông qua hệ số đối chiếu để phán xét kết cấu thiết kế an ton Đầu tiên có ý định tiến hnh thí nghiệm phá hoại mô hình cầu, nhng xét lực chịu tải mô hình cầu lớn, tăng tải có khó khăn, giá thnh cao, phá hoại tiếc nên đa mô hình cầu ngoi phòng thí nghiệm, để tiến hnh quan trắc ảnh hởng nhiệt độ lâu di hai năm Thí nghiệm mô hình cầu Trờng Giang, huyện Vạn(8) Cầu Trờng Giang, huyện Vạn l cầu vòm ống thép nhồi bê tông cốt cứng, độ cầu lμ 420m (chi tiÕt xem giíi thiƯu ë tiÕt chơng 3) Để kiểm chứng tính ổn định trình thi công, cầu ny đà lm thí nghiệm mô h×nh víi tû lƯ : 10 KÝch th−íc h×nh học mô hình có tỷ lệ tơng tự số không đổi l : 10 Tĩnh tải dùng phơng pháp bù tải giống nh cầu Đặc Đơn Giang Cèt cøng dïng èng thÐp ®−êng kÝnh Φ40x1,2mm dïng thép mỏng cắt gọt chế tạo thnh thép hình 10mm x 10mm x 1,5mm để lm bụng v liên kết Kích thớc mô hình cầu xem hình 5-6 Trong ống thép nhồi vữa xi măng M50, bê tông hộp sờn vòm dùng bê tông hạt nhỏ M50, dùng giấy tông cứng lm cốp pha đáy, dùng rung hay que rung để đầm bê tông Hình 5-6: Kích thớc mô hình cầu Trờng Giang, huyện Vạn Kích thớc mặt cắt ngang (mm) Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 224 - Căn theo trình tự thiết kế gia tải thi công, lần lợt giai đoạn đo ứng suất, độ võng (mặt v mặt ngoi), đối chiếu kết tính toán mô hình phân tích tính lm việc đn hồi Tỷ lệ phù hợp trị số thực đo với trị số tính toán theo chơng trình nói chung khoảng 80% trở lên Kết thực đo thấy rằng, sau thi công xong bê tông, đỉnh vòm có dịch vị 99mm Tại L/4 v L/8 chân vòm biến vị Trớc nhồi vữa xi măng, ống thép cột cứng, tiến hnh thí nghiệm tải trọng gió v lệch tải, độ lệch tải lớn nhỏ lấy 10 lần trọng lợng vữa xi măng dự kiến nhồi vo hai ống biên, tải träng giã theo ¸p lùc giã t¸c dơng W = 0,64KPa Trị số ứng biến thực đo so với trị số tính toán lý thuyết theo chơng trình LSB-NS khoảng 80% Trị số dịch vị thực đo so với trị số lý thuyết vo khoảng 0,985 ~ 0,781 Trị số thực đo nhỏ trị số tính toán Ngoi ra, kết thực đo cho thấy, dới tác dụng lệch tải v tải trọng gió, đỉnh mô hình cốt cứng sinh dịch vị hớng bên khoảng 50mm Cuối cùng, sau thi công xong bê tông sờn vòm mô hình điểm 7L/8 tăng dần tải trọng tập trung vòm phá hoại, trị số biến dạng thực đo phù hợp với trị số tính toán theo chơng trình LSB-NS, trị số tải trọng phá hoại l 67,4 tấn, có kết tính toán theo chơng trình l 60,0 tấn, biểu thị kết cấu ny có độ dự trữ chịu tải Cầu Trờng Giang, huyện Vạn l cầu vòm hộp cốt cứng ống thép nhồi bê tông, thí nghiệm có mục tiêu chủ yếu l tiến hnh phân tích v nghiệm chứng chịu lực trình thi công, thí nghiệm phá hoại sau xây dựng cầu vμ nãi chung vỊ b¶n chÊt so víi thÝ nghiƯm phá hoại cầu vòm hộp bê tông cốt thép thờng lệch không nhiều III Phân tích tính chịu lực giai đoạn sử dụng Phần dới lấy cầu Thạch Trạch Câu Trùng Thanh Phúc Kiến l đối tợng chủ yếu để phân tích kết hợp với phân tích thí nghiệm tải trọng tĩnh v phân tích thí nghiệm mô hình cầu vòm ống thép nhồi bê tông khác, cầu vòm ống thép nhồi bê tông, tiến hnh phân tích tính lm việc giai đoạn khai thác Giai đoạn công tác ống thép nhồi bê tông Đối với thép nói chung, tỷ lệ cực hạn thờng đạt từ 0,6fy trở lên Phân tích cho thấy, cấu kiện ống thép nhồi bê tông hm lợng thép từ 6% đến 7% (hm lợng thép loại trung) cấu kiện chịu nén tâm trớc ứng lực ống thép đạt tới tỷ lệ cực hạn công tác giai đoạn đn hồi(9) Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 225 - Cầu Thạch Trạch Câu, mạ dn sờn vòm có hm lợng thép 6,1% Giai đoạn sư dơng, øng st thiÕt kÕ lín nhÊt cđa cÊu kiện ống thép nhồi bê tông l 95,13MPa Với đoạn chân vòm dùng thép 16Mn đà nhỏ 0,6 lần trị số cờng độ thiết kế fy = 300MPa đoạn khác dùng thép A3, ứng lực thiết kÕ lín nhÊt cđa èng thÐp lμ 52,65MPa cịng nhá 0,6 lần cờng độ thiết kế fy = 215MPa Cho nên nhận định, cầu Thạch Trạch Câu cấu kiện ống thép nhồi bê tông sờn vòm giai đoạn lm việc đn hồi Kết thực đo thí nghiệm tải trọng tĩnh sau lm xong cầu cầu vòm ống thép nhồi bê tông khác(1)-(5) v kết thí nghiệm mô hình cầu Đặc Đơn Giang Y Lan chứng minh kết cấu ống thép nhồi bê tông giai đoạn sử dụng, sờn vòm lm việc giai đoạn đn hồi Lực bó ống thép nhồi bê tông giai đoạn sử dụng Phân tích cho thấy, giai đoạn sử dụng ống thép lm việc giai đoạn đn hồi Hệ số poisson thép giai đoạn đn hồi thờng phạm vi từ 0,25 đến 0,3, quan hệ tới lực hớng trục Hệ số poisson bê tông lại có ¶nh h−ëng lín cđa lùc h−íng trơc, theo tμi liƯu(9) công thức để tính hệ số poisson bê tông theo c«ng thøc sau : ⎧0.173 μc = ⎨ ⎩− 0.323 + 0.82(σ c / σ o ) 1/ σ c / σ o ≤ 0.221 σ c / σ o > 0.221 (5-1) Trong ®ã : σc - ứng lực hớng trục lõi bê tông o - ứng lực nén cực hạn lõi bê tông Cầu Thạch Trạch Câu thiết kế tính toán nhánh ống thép nhồi bê tông ứng lực lớn bê tông l 21,77MPa, bê tông mác M40 có ứng suất nén cực hạn l 28MPa, nên c / o = 0,566 lớn 0,221 Thay vo công thức 5-1 ta cã μc = 0.294, cho nªn hƯ sè poisson bê tông v hệ số poisson thép tơng đơng nhau, lực bó ống thép lõi bê tông phát huy tác dụng từ ban đầu Nhng trớc kia, có nhiều nhân viên kỹ thuật nhận định sai lầm cho l lực bó chØ ph¸t huy t¸c dơng vËt liƯu ë giai đoạn chảy dẻo, dùng phơng pháp trạng thái giới hạn bê tông cốt thép thờng chí dùng phơng pháp ứng suất cho phép tiến hnh kiểm toán thiết kế, phát huy đợc hiệu ứng tổ hợp vật ống thép nhồi bê tông, tạo lÃng phí không cần thiết Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 226 - Tính kích thớc phi tuyến tính kết cấu Đối với cấu kiện ống thép nhồi bê tông lm thnh cầu, phân tích tính phi tuyến hình học v số liệu thực đo cầu cho thấy, dới tác dụng tải trọng khai thác, phi tuyến hình học có ảnh hởng đến tính chịu tải trọng tĩnh kết cấu, nói chung không vợt 3% Khi phân tích kết thí nghiệm tải trọng tĩnh cầu An Câu Danh Tuyển đà tiến hnh so sánh tính toán không xét v có xét ảnh hởng phi tuyến hình học, kết cho thấy chênh lệch ít(1) Cầu có độ tới 160m l cầu Hong Bá H Tam Hiệp v cầu Hạ Lao Câu tính toán phân tích chứng minh điểm ny(10) Với cầu Hong Bá H tính toán nội lực v biến dạng có xét v không xét ảnh hởng phi tuyến hình học dịch vị chênh lệch nhỏ 2% v nội lực chênh lệch nhỏ 3%, nói lên tính toán tuyến tính hon ton thỏa mÃn yêu cầu độ xác thiết kế công trình Cầu Trờng Giang, huyện Vạn độ đạt tới 420m sau xây dựng xong cầu có xét ảnh hởng phi tuyến tính hình học độ võng đn hồi lớn l 0,9028m tăng lên 0,9598m, tăng 6,3% phi tuyến hình học có lm thay đổi ứng lực phận kết cấu, đặc biệt l chân vòm v đỉnh vòm lm tăng mô men uốn dơng, mặt cắt gần L/4 lm tăng mô men uốn âm, nhng tăng trị số lớn khoảng 4%, ti liệu(1) đà đạt đợc kết luận "Loại cầu nh cầu Trờng Giang huyện Vạn l cầu vòm tổ hợp cốt thép cứng không xét ảnh hởng phi tuyến hình học phân bố nội lực v biến dạng" Đơng nhiên, trình thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông không đợc coi nhẹ ảnh hởng phi tuyến tính hình học, phải theo cụ thể cầu m định, tính ổn định thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông độ lớn, ảnh phi tuyến tính hình học có lớn, vấn đề ny thảo luận chơng M« men n cđa mét èng thÐp cầu vòm dn liên kết hn Sờn vòm ống thép nhồi bê tông l kết cấu hn nhánh hon ton liên kết chốt, ngoi lực hớng trục đầu có mô men uốn Thông qua phân tích phần tử hữu hạn đơn nguyên dầm liên cứng cho thấy, cầu Thạch Trạch Câu, dới tác dụng tải trọng thiết kế, trị sè néi lùc thiÕt kÕ lín nhÊt g©y tổ hợp tải trọng gồm có tĩnh tải + đon xe H-20 + ng−êi ®i, ®ã èng thÐp mạ dới chân vòm có lực hớng trục N = 995,8kN, m« men uèn M = 42.21kN-m, dïng Ne để biểu thị M e = 0.042 so với ®−êng kÝnh èng thÐp e/D = 0.077, ®é lƯch t©m nhỏ Dùng "CECS 28-90"(12) trị số triết giảm lực chịu tải cực hạn 0.967 gần 1.0 với ống thép chịu mô men uốn M = 42.21kN-m Lại so với mạ mạ dới lực hớng trục sinh mô men uốn 1507,96kN-m ống thép chịu mô men uốn 2,8% mô men uốn Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 227 - mặt cắt lực hớng trục gây Cho nên, không xét mô men uốn ống thép thỏa mÃn yêu cầu độ xác công trình, có nghĩa l coi vòm dn ống thép nhồi bê tông hon ton hn liên kết nh sờn vòm dn lý tởng Giả định sờn vòm mặt cắt hình số l mặt cắt phẳng Phần dới theo kết thí nghiệm tải trọng tĩnh cầu An Câu Danh Tuyển Phúc Kiến để thuyết minh sờn vòm mặt cắt hình số ống thép nhồi bê tông, dới tác dụng tải trọng sử dụng giả định l mặt cắt phẳng Cầu Danh Tuyển phía Đông thị trấn huyện An Câu Phúc Kiến, vợt qua An Câu thợng lu sông phổ, ton di 224m có nhịp cầu vòm, nhịp di 90m l cầu vòm ống thép nhồi bê tông chạy giữa, tỷ lệ đờng tên 1/4.5 Mặt cầu rộng 12m Hai sờn vòm, sờn vòm hai ống thép đờng kính 800mm, dầy 10mm ghép lại cao 1,90m thnh mặt cắt hình số Hai nhịp biên l cầu vòm bê tông cốt thép chạy độ 48m, tổ hợp với mố cầu Trụ cầu rỗng bê tông cốt thép lμ mãng cäc hay mãng bÖ (mãng më réng) cøng Tải trọng thiết kế : H-20; XB-100 a Mặt cắt chân vòm b Mặt cắt L/4 c Mặt cắt đỉnh vòm Hình 5-8 : Biến dạng mặt cắt thí nghiệm tải trọng tĩnh cầu Danh Tuyển Phân tích chi tiết thí nghiệm tải trọng tĩnh cầu Danh Tuyển xem ti liệu tham khảo(1) Trong ba trờng hợp phân bố ứng biến ba mặt cắt xem hình 5-7 Từ hình 5-7 cho ta thấy trị số ứng biến mặt cắt tuân theo giả thiết mặt cắt phẳng Ngoi kết thí nghiệm tải trọng tĩnh số cầu vòm ống thép nhồi bê tông nghiệm chứng giả thiết mặt cắt phẳng l hợp lý Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 228 - Do bảng 5-17 so sánh vòm cố định với vòm khung có kéo đặc trng động học cho thấy tình trạng kiềm chế chân vòm bậc dạng dao động v tần số có ảnh hởng định Kiềm chế đất cọc, trụ cầu kiềm chế chân vòm l kiềm chế đn hồi, vòm cố định lại l kiềm chế cố kết Kiềm chế mạnh tần số cao Kiềm chế yếu tần suất thấp, m dao động mặt ngoi ảnh hởng ít, dao động mặt phẳng ảnh hởng nhiều, dao động ngoi mặt phẳng tần số từ 0.3327Hz tăng lên 0.3440Hz tăng thêm 3.4% Dao động mặt phẳng tần số từ 0.5481Hz tăng lên 0.78316Hz tăng thêm 42.9%, cho thấy dao động mặt phẳng tần số tăng lên nhanh Cầu vòm dn ống thép nhồi bê tông chạy Thạch Trạch Câu Cầu Thạch Trạch Câu Phúc Kiến l cầu vòm dn ống thép nhồi bê tông chạy giữa, nhịp di 136m Tiết chơng lấy cầu ny lm thí dụ đà giới thiệu chi tiết Ti liệu(55) lấy cầu Thạch Trạch Câu lm đối tợng nghiên cứu, lập mô hình không gian ton cầu Trong mô hình tính toán, mặt cầu v lớp phủ mặt cầu theo mô khung dầm Sờn vòm, cột đứng vòm chống ngang mô phần tử không gian Chân vòm v móng dùng ngm cứng, mặt cầu với mố cầu dùng liên kết chốt Hình 5-79: Dạng dao động mặt phẳng bậc đầu cầu Thạch Trạch Câu Hình 5-80: Dạng dao động ngoi mặt phẳng bậc đầu cầu Thạch Trạch Câu Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 317 - Tần số dao động thân 20 bậc dạng dao động cầu Thạch Trạch Câu Bảng 5-18 Số hiệu Tần số (Hz) 1.2450 (W-D) Đặc điểm dạng dao động Vòm+mặt cầu đồng Số hiệu 11 4.5283 (W-D) 1.2512 (N-F) Vòm+mặt cầu ®ång bé 12 4.5760 (N-D) 1.8363 (N-D) 13 5.2265 (W-D) 1.9962 (W-D) 14 5.6789 (W-F) 2.3507 (N-D) 15 5.960 (W-F) 2.6783 (N-F) 16 6.0193 (N-D) 2.8643 (W-F) Sờn vòm l dạng dao động Vòm+mặt cầu không đồng Sờn vòm dao động l Dạng dao động sờn vòm l Vòm + mặt cầu ®ång bé 17 6.4676 (N-D) 3.2607 (W-F) 18 7.3997 (W-F) 3.8845 (N-D) Vòm + mặt cầu không đồng Dạng dao động mặt cầu l Dạng dao ®éng s−ên vßm lμ chÝnh 19 7.6916 (W-D) 20 7.7702 (N-F) 10 N - Dạng dao động mặt phẳng F - Phản đối xứng Tần số (Hz) Đặc điểm dạng dao động Dạng dao động sờn vòm bậc Dạng dao động mặt cầu l Vòm + mặt cầu đồng Dạng dao động sờn vòm l Dạng dao động sờn vòm Dạng dao động mặt cầu l Dạng dao động mặt cầu l Vòm + mặt cầu đồng Vòm + mặt cầu không đồng Dạng dao động sờn vòm l ; W - Dạng dao động ngoi mặt phẳng ; D - Đối xứng Dùng biện pháp đơn giản hóa nh trên, mô hình không gian xem hình 5-78 Dùng phần mềm chơng trình máy tính SAP 93 tính toán tần số dao động thân v 20 dạng dao động bậc đầu, xem bảng 5-18 Hình 7-79 v hình 7-80 biểu thị dạng dao động bậc ngoi mặt phẳng Cầu vòm sờn chạy ống thép nhồi bê tông cầu Hong Bá H Cầu Hong Bá H nối đập Tam Hiệp với hệ thống giao thông ngoi l cầu vòm ống thép nhồi bê tông chạy độ 160m Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 318 - Hình 5-81: Mô hình tính toán động lực cầu Hong Bá H Tiết chơng lấy cầu ny lμm thÝ dơ ®· giíi thiƯu Tμi liƯu(56) ®èi víi cầu Hong Bá H đà dùng phần mềm chơng trình máy tính SAP 80 để tiến hnh phân tích đặc tính động học cầu Hong Bá H Phân tích đà dùng kết cấu không gian siêu tĩnh phần tử hỗn hợp khung - hình bốn cạnh, nghĩa l dầm mặt cầu, lớp bê tông lới thép phủ mặt cầu mô phần tử hớng đồng tính, sờn vòm, chống ngang, cột đứng mô phần tử Cột đứng với sờn vòm liên kết cứng, với dầm liên kết chốt, chân vòm với mặt đất ngm cứng, bỏ qua ảnh hởng trụ bên, đầu dầm kê tựa liên kết chốt Chiều di tính toán 161.64m, đờng tên tính toán cao 32,31m Ton cầu có 290 phần tử, mô hình tính toán xem hình 5-81 Năm bậc tần số dao động tự mặt phẳng thẳng đứng v ngoi mặt phẳng thẳng đứng xem bảng 5-19, tơng ứng với dạng dao động xem hình 5-82 v hình 5-83 Tần số dao động thân cầu Hong Bá H Bảng 5-19 Hạng mục Trong mặt phẳng đứng Ngoi mặt phẳng ®øng f1 1.217 1.021 f2 2.000 1.646 f3 2.177 1.810 f4 2.938 3.043 f5 3.631 3.395 Kết thực đo trạng thái động cầu Tân Long Âu Bảng 5-20 Trạng thái mô hình Hớng đứng Tần số Tỷ số cản (Hz) 0.89 0.19 1.78 0.20 2.27 62 3.48 0.11 3.84 0.09 H−íng ngang TÇn sè Tû sè c¶n (Hz) 0.70 0.04 1.90 0.03 2.51 0.06 3.56 0.03 3.70 0.05 H−íng däc TÇn sè Tû sè c¶n (Hz) 0.95 0.12 2.15 0.10 2.39 0.06 3.36 0.03 4.16 0.05 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 319 - Dạng dao động thứ Dạng dao động thứ Dạng dao động thứ hai Dạng dao động thứ hai Dạng dao động thứ ba Dạng dao động thứ ba Dạng dao động thứ t Dạng dao động thứ t Dạng dao động thứ năm Dạng dao động thứ năm Hình 5-82: Dạng dao động mặt phẳng thẳng đứng cầu Hong Bá H Hình 5-83: Dạng dao động ngoi mặt phẳng thẳng đứng cầu Hong Bá H Thực đo cầu thực tế: Thực đo tải trọng động cầu : Cầu vòm cốt cứng sờn hộp ống thép nhồi bê tông cầu Tân Long Âu Nội Giang, đờng quốc lộ Thnh Du Tứ Xuyên v cầu vòm chạy ống thép nhồi bê tông có nhịp hẫng, Tam Sơn Tây Nam Hải Quảng Đông v cầu vòm chạy ống thép nhồi bê tông Văn Huệ Liễu Châu Cầu Tân Long Âu l cầu vòm sờn hộp cốt cứng, ống thép nhồi bê tông nhịp di 117,80m Ti liệu(57) thực đo trạng thái động đà dùng máy phân tích tín hiệu trạng thái động HP 3562A v hệ thống thiết bị liên quan để tiến hnh Kết thực đo, tần số dao động thân năm bậc dao động đầu hớng thẳng đứng, hớng ngang v hớng dọc cầu ny xem bảng 5-20 Cầu Tam Sơn Tây Nam Hải l cầu vòm ống thép nhồi bê tông chạy có nhịp hẫng, độ nhịp 200m Tiết chơng lấy cầu ny lm thí dụ đà Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 320 - giới thiệu Ti liệu(58) tiến hnh động thái cầu ny dùng máy phân tích tín hiệu trạng thái ®éng HP 35660A tiÕn hμnh xư lý sè liƯu KÕt đo đạc: Tần số dạng dao động bậc mặt cầu uốn cong mặt phẳng thẳng đứng l 1.125Hz Tần số dao động thân sờn vòm ống thép nhồi bê tông bậc uốn cong mặt thẳng đứng l 1.8125Hz Chọn nhịp hệ kết cấu không gian Kết tính toán bậc ngoi mặt phẳng l 0.407, bậc mặt phẳng l 0.655, bậc xoắn vặn l 0.717 Cầu Văn Huệ Liễu Châu l cầu vòm ống thép nhồi bê tông chạy nhịp 108m Ti liệu(5) tiến hnh thí nghiệm tải trọng động, kết thí nghiệm, tần số dao động thân cầu ny khoảng 1,0625Hz đến 1,9375Hz Tỷ số cản khoảng 0,05 đến 0,03 Phân tích đặc tính động lực Tính toán v thực đo cầu cho thấy tần số dao động thân cầu vòm ống thép nhồi bê tông có đặc điểm sau : (1) Tần số dao động thân mặt phẳng lớn ngoi mặt phẳng, nhng xấp xỉ Tỷ số tần số dao động thân với tần số dao động thân ngoi mặt phẳng cầu Thạch Trạch Câu l 1.005, cầu Hong Bá H l 1,192 v cầu Tân Long Âu l 1,271, thể độ cứng ngoi mặt phẳng kết cấu gần độ cứng mặt phẳng, phản ảnh cầu ny hớng ngang thỏa mÃn độ an ton (2) Từ cầu Thạch Trạch Câu, cầu Hong Bá H, dạng dao động bậc mặt phẳng cho thấy, sờn vòm với mặt cầu dao động l đồng Thực đo cầu Tam Sơn Tây kết thấy dao động mặt phẳng, tỷ số tần số hệ mặt cầu với sờn vòm l 1,61 l thuyết minh cho điểm ny Từ tính toán v thực đo cầu ny cho thấy, tần số dao động mặt phẳng tõ 0,89Hz ®Õn 1,9375Hz, tÝnh ®ỉi chu kú dao động thân l 1,124sec đến 0,516sec, vợt qua số liệu thống kê thực đo chu kỳ kết cấu nhịp kết cấu cứng l 0,3sec đến 0,4sec Thuyết minh cầu vòm ống thép nhồi bê tông thuộc dạng kết cấu tơng đối mềm Cho nên, độ tăng lên bớc, cấu tạo cứng phải xem xét có biện pháp tơng ứng, cần xem xét ảnh hởng phân tích động lực dạng dao động bậc cao (3) Cầu Thạch Trạch Câu, cầu Hong Bá H từ dạng dao động bậc ngoi mặt phẳng cho thấy dao động ngoi mặt phẳng, dạng dao động mặt cầu tụt hậu với sờn vòm, thể độ cứng ngang hệ mặt cầu to sờn vòm nhiều Tần số dao động ngoi mặt phẳng từ 0,7Hz đến 1,24Hz Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 321 - (4) Ngời cảm nhận đợc dao động tơng đối nhậy cảm phạm vi tần số từ 2Hz đến 6Hz, từ phân tích cho thấy, tần số dao động loại cầu vòm ống thép nhồi bê tông không rơi vo phạm vi ny Ti liệu(5) cho dao động cầu Văn Huệ Liễu Châu (tần số dao động thân từ 1.0625Hz đến 1.9375Hz, hệ số cản từ 0,05 đến 0,03) không lm cho ngời v lái xe sinh cảm giác rõ rng Còn ti liệu(58) nhận thấy cầu Tân Long Âu dao động (trong mặt phẳng) hớng đứng v hớng ngang (ngoi mặt phẳng) từ tần số dao động bậc ba (2,27Hz đến 2,5Hz) hớng dọc từ tần số dao động bậc hai (2,151Hz) rơi vo phạm vi tần số dao động m ngời có cảm giác rõ nhất, từ có khả lm cho ngời có cảm giác dao động Tác giả với cầu vòm ống thép nhồi bê tông (nh cầu Danh Tuyển, cầu Thạch Trạch Câu) thực tiễn, ngời đứng cầu cảm thấy tải trọng động đon xe có cảm thấy dao động rõ rng Những cảm giác dao động ny có xe nặng ®i qua lμ râ rμng nhÊt, c¶ ®oμn xe hay có xe nhẹ qua không rõ rng, cho nên, tính động học cầu vòm ống thép nhồi bê tông phải sâu nghiên cứu (5) Lực cản cầu vòm ống thép nhồi bê tông, tiến hnh đo đạc cầu Tân Long Âu v cầu Văn Huệ Liễu Châu Cầu Tân Long Âu mặt phẳng, ngoi mặt phẳng hớng dọc, dạng dao động Hệ số cản mặt phẳng từ 0,19 đến 0,09 Ngoi mặt phẳng từ 0,04 đến 0,03 Hớng dọc từ 0,12 ®Õn 0,05 ë dao ®éng bËc 1, hƯ sè c¶n mặt phẳng l lớn nhất, hệ số cản ngoi mặt phẳng l nhỏ Tại cầu Văn Huệ Liễu Châu đo đợc tỷ lệ cản mặt phẳng phạm vi từ 0,3 đến 0,5 Cầu Tam Sơn Tây Nam Hải hệ số cản l 0,028 Nh cho thấy hệ số cản cầu vòm ống thép nhồi bê tông có mức độ phân tán lớn Đối với cầu có hệ số cản nhỏ, cng phải ý đề phòng tần số tải trọng động đon xe với tần số dao động thân cầu giống hay gần giống Đồng thời phải giữ cho mặt cầu phẳng Cần tận lợng tránh cho xe bị phanh gấp hay xóc nẩy II Phân tích tải trọng động đon xe Trớc mắt cầu vòm ống thép nhồi bê tông chủ yếu dùng cho cầu đờng v cầu thnh phố Cầu đờng sắt cha áp dụng, nói don xe l xe ô tô Đon xe ô tô ảnh hởng động lực công trình cầu có lý phức tạp Phân tích lý luận v trị số tính toán khó khăn Trớc mắt chủ yếu thông qua thực đo để tìm hiểu đon xe với tốc độ khác chạy với tốc độ v hÃm xe, ứng biến động, độ võng động (biên độ dao động cầu, đồng thời so sánh với trị số ứng biến độ võng tải trọng tĩnh tác dụng, tìm hệ số động lực để phán đoán phân tích tác dụng tính động lực đon xe công trình cầu Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 322 - Hệ số động lực thực đo cầu Tân Long Âu Bảng 5-21 Tải trọng 20 20 + 15 tÊn 1.05 1.37 1.18 1.23 1.208 1.01 1.35 1.11 1.19 1.17 Tèc ®é 15km/h 25km/h 30km/h 40km/h ΣDAF/n ứng suất động thực đo cầu Tam Sơn Tây Bảng 5-22 Tình hình điểm đo Một xe 20km/h Hai xe 20km/h Mét xe 40km/h h·m phanh Tham sè kÕt cÊu σmax (MPa) μ σmax (MPa) μ σmax (MPa) μ 3-3 3-7 4-3 4-4 -3.20 0.04 -5.90 0.06 - -2.50 0.04 -4.40 0.00 - -2.70 0.4 -5.20 0.04 -2.00 0.05 1.90 0.05 3.80 0.07 1.80 0.05 Dịch vị động thực đo cầu Tam Sơn Tây Bảng 5-23 Tình hình ®iÓm ®o Tham sè kÕt cÊu Mét xe 20km/h Hai xe 20km/h Mét xe 40km/h h·m phanh δmax μ δmax max Biên độ thợng lu (mm) 0.92 0.13 1.86 0.13 3.94 0.56 Biên độ hạ lu (mm) 0.89 0.13 2.42 0.17 3.27 0.47 Gia tèc th−ỵng l−u (m/s2) 0.031 0.038 0.017 - Gia tèc h¹ l−u (m/s2) 0.031 0.041 0.042 - Tû sè c¶n ξ = in (ao/as)/(2Πp) = 0.028 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 323 - Hệ số động lực với tốc độ khác cầu Văn Huệ Tốc độ km/h Biên độ dịch vị AY (mm) Hệ sè ®éng lùc (1+μ) 10 20 30 0.2 1.043 0.29 1.062 0.39 1.083 Bảng 5-24 40 0.30 1.064 Cầu Tân Long Âu đà tiến hnh công tác ny(57) Trên sờn vòm mặt cắt L/4; 3L/4 v L/2 v vị trí tơng ứng tim cầu đặt máy điện áp ba hớng truyền cảm Tình hình chủ yếu đo động có : (1) Xe Đông Phong 15 với tốc độ khác (15km/h; 25km/h; 30km/h; 40km/h) qua cầu, ghi sổ dao động cầu v dao động d sau xe qua cầu (2) Xe hång nham 20 tÊn h·m xe ®ét ngét ë cầu (L/2) ghi chép dao động cầu (3) Xe hồng nham 20 xe nẩy xóc cầu (nghĩa l xe có bánh sau vợt qua gỗ cao 10cm có dốc lên, bánh xe rơi xuống xe dừng đột ngột), ghi lại dao động cầu Trị số thực đo độ võng lớn l 6,0mm, gia tèc lín nhÊt 47,1m/s2 HƯ sè ®éng lùc cđa loại tốc độ khác xem bảng 5-21 Cầu Tam Sơn Tây Nam Hải nhịp bố trí máy đo dịch vị v máy đo gia tốc sờn vòm điểm L/2 v L/4 bố trí điểm đo ứng suất động(58) Tình hình đo đạc có : (1) Một xe ô tô 20 chạy với tốc độ 20km/h qua cầu (2) Hai xe ô tô 20 tÊn ®i song song víi tèc ®é ®Ịu 20km/h qua cầu (3) Một xe ô tô 20 chạy với tốc độ 40km/h qua cầu, đến cầu L/2 hÃm xe đột ngột Trị số thực đo ứng suất động v dịch vị động sờn vòm ống thép xem bảng 5-22 v bảng 5-23 Cầu Văn Huệ Liễu Châu dùng xe ô tô 20 chạy với tốc độ 10km/h ; 20km/h ; 30km/h ; 40km/h qua cầu, hệ số động lực (1 + ) đo đợc xem bảng 5-24(5) cầu kết thực động lực ô tô tiến hnh phân tích quy nạp nh sau : (1) cầu có độ lớn 40m l cầu vòm ống thép nhồi bê tông hay cầu vòm cốt cứng ống thép nhồi bê tông theo "JTJ 023-85" quy định không tính hệ số động lực (1 + ) M xe ô tô qua cầu hệ số động lực động phạm vi từ 1,043 dến 1,23 Do tiến hnh thực đo động công trình cầu Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 324 - l cầu chạy giữa, hệ mặt cầu thông qua treo, treo lên sờn vòm Các trị số thực đo hệ số động lực l theo độ võng động mặt cầu để tìm, l hệ số động lực sờn vòm Hệ số động lực tải trọng xe cần sâu nghiên cứu (2) Cầu Tân Long Âu xe qua cầu với tốc độ 25km/h hệ số động lực đạt 1,37 Một mặt đo cha rải xong lớp mặt cầu, mặt cầu cha phẳng Mặt khác đo tần số dao động thân bậc thấp cầu với tần số động xe với tốc độ gần gây Cầu Tam Sơn Tây cầu đột hÃm xe, biên độ dao động gần ®¹t 4,0mm, hƯ sè ®éng lùc lμ 1,36, cịng nãi lên tính dộng lực cầu vòm ống thép nhồi bê tông phải đợc ý Một mặt cần tránh cho tần số dao động thân cầu, gần với tần số động xe qua cầu Mặt khác cần phải giữ cho mặt cầu phẳng, cần tận lợng tránh cho xe qua cầu đột ngột hÃm xe hay bị xóc nẩy III Phân tích hiệu ứng động đất Tải trọng động thờng gặp kết cấu công trình chủ yếu có tải trọng có chu kỳ, tải trọng va đập v tải trọng ngẫu nhiên kết cấu công trình cầu, tải trọng xe hỏa (chủ yếu l đầu máy nớc) đợc coi l tải trọng có chu kỳ Trong cầu đờng ô tô tải trọng hÃm phanh đột ngột v xóc nẩy đợc coi l tải trọng va chạm, lực gió v động đất tác dụng đợc coi l tải trọng ngẫu nhiên Nội lực hoạt tải, động đất cầu Hong Bá H Bảng 5-25 Bộ phận Đỉnh vòm Chân vòm N (kN) Động đất Hoạt tải 559.9 2295.6 367.6 2831.3 Nhoạt Nđộng đất 4.17.7 M (kN-m) Động đất Hoạt tải 315.2 7902.8 395.7 9889.5 Nhoạt Nđộng đất 25.1 25.0 Nội lực chống ngang sờn vòm v chân cột đứng cầu Hong Bá H có động đất Bảng 5-26 Vị trí cột đứng Cột đứng Q (kN) M(kN.m) S−ên vßm Q (kN) chèng ngang M(kN.m) I 0.6 43.1 101.5 II III IV 0.3 1.0 4.0 2.3 6.3 15.7 34.6 23.2 23.5 81.2 54.2 51.0 V 17.9 39.9 16.5 38.3 VI 104.9 104.9 8.3 19.2 Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - VII 456.2 114.0 3.9 0.9 VIII 142.2 1.4 0.4 0.8 - 325 - a Sơ đồ kết cấu d ứng suất hớng dọc dầm b Lực tim vòm N e ứng suất hớng ngang dầm c Mô men uốn vòm M Hình 5-84 : Phản ứng động đất cầu Hong Bá H phân bố nội lực, ứng suất Tải trọng gió v vấn đề gây dao động gió cầu, kết cấu tháp cao v kết cấu dây treo có ảnh hởng lớn Cầu vòm so với kết cấu dây có độ cứng lớn, diện tích hớng gió nhỏ, ảnh hởng lực gió cầu vòm độ lớn chủ yếu l thời gian thi công, cầu đà xây dựng xong ảnh hởng không nhiều Động đất l tợng tự nhiên Nó phá hoại kết cấu mặt đất có tính tn phá nghiêm trọng Công trình cầu l phận quan trọng đờng bộ, tránh hay giảm nhẹ tn phá động đất để đảm bảo an ton sinh mệnh, ti sản cho nhân dân v giảm thiểu tổn thất kinh tế, cng phát huy lùc vËn chun ®−êng bé chèng ®éng ®Êt vμ cứu nạn có tác dụng vô trọng yếu, tập trung thảo luận, phân tích ảnh hởng động đất cầu vòm ống thép nhồi bê tông Sóng động đất lan tỏa mặt đất phơng pháp phân tích đói với hiệu ứng trạng thái động gây cho công trình cầu chủ yếu có phơng pháp lực tĩnh v phơng pháp lực động Phơng pháp lực tĩnh thay tải trọng động đất lực tĩnh đẳng hiệu để tiến hnh tính toán kết cấu, phơng pháp tính toán giản đơn, nhng bỏ qua đặc tính động lực mặt đất v đặc tính động lực kết cấu tơng đối thô thiển Phơng pháp động lực có gồm phơng pháp lý luận phản ứng phổ v phơng pháp phân tích trình trạng thái động Phản ứng phổ, gọi l gia tốc động đất phản ứng phổ, l vo gia tốc mặt đất lần động đất no Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 326 - đó, kết cấu có chu kỳ dao động khác nhau, tìm đờng cong trị số phải ứng gia tốc kết cấu dới tác dụng động đất đờng cong dao động thân khác nhau, phản ứng phổ tìm đợc trị số gia tốc lớn nhất, từ tìm đợc tải trọng động đất, sau tính toán giống nh phơng pháp tĩnh Để bổ cứu cho lý ln tÝnh to¸n cã sai lƯch víi c¸c tμn hại động đất, tính toán đà đa vo hệ số dẻo dai có quan hệ l hệ số ảnh hởng tổng hợp Cz Lý luận phản ứng phổ so với phơng pháp tĩnh đà tiến bớc di, nhng phơng pháp tính toán theo lý luận phản ứng phổ l phơng pháp tĩnh, có chọn trị số tải trọng có xét đến đặc tính động lực mặt đất v đặc tính động lực kết cấu, m hệ số tổng hợp có phản ảnh tính dỴo dai cđa kÕt cÊu Nh−ng nã vÉn lμ theo chuẩn tắc phá hoại cờng độ, m kết cấu dới tác dụng động đất nhiều vấn đề phức tạp cha có biện pháp phản ảnh Trớc mắt, nớc ta công trình xây dựng cầu đờng bộ, cầu đờng sắt thiết kế kháng chấn theo phơng pháp ny Cùng với kỹ thuật máy tính điện tử phát triển Hai mơi năm lại phơng pháp phân tích trình trạng thái động phát triển nhanh Phơng pháp phân tích trình trạng thái động l dùng phơng pháp trị số tích phân giải phơng trình vận động, công trình kết cấu dới tác dụng động đất, từ trạng thái bắt đầu tích phân tới kết thúc động đất tìm phản ứng kết cấu động đất nh ton trình dịch vị, tốc độ, gia tốc v.v Tuy nhiên, phơng pháp trình trạng thái động so với lý luận phản ứng phổ cng có khả phản ảnh tình hình thực tế công trình kết cấu dới tác dụng động đất, số quốc gia đà bắt đầu dùng phơng pháp ny lm phơng pháp thiết kế để tiến hnh phân tích Cầu Hong Bá H dạng dao động v tần số dao động thân xem hình 5-82, hình 5-83 v bảng 5-19 Phân tích phản ứng động đất cầu ny, theo "Quy trình thiết kế chống động đất cho công trình cầu" chọn dùng hệ số ®iỊu chØnh träng u γi = 1.3 HƯ sè ®éng ®Êt n»m ngang Kh = 1.3 HÖ sè ®éng ®Êt thẳng đứng Kv = 0.05 Hệ số ảnh hởng tổng hợp Cz = 0.35, tỷ số cản =0.05, hệ số phóng đại động lực theo loại địa tầng sử dụng Kết cấu ống thép nhồi bê tông mô đun đn hồi E, mô đun chống cắt G, hệ số poisson tính đổi trị số kết cấu bê tông Tính toán với động đất cấp 7, phản ứng kết cấu theo hớng dọc, hớng thẳng đứng v hớng ngang Kết tính toán ứng suất nội lực phản ứng động đất xem hình 5-84 Khi có động đất (không có hoạt tải) nội lực lớn sờn vòm với động đất, trị số nội lực lớn hoạt tải tác dụng so sánh bảng Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 327 - 5-25 Khi cã ®éng ®Êt néi lùc chèng ngang sờn vòm v chân cột đứng xem bảng 5-26 Cầu Thạch Trạch Câu dùng phơng pháp trình trạng thái động, dùng phần mềm máy tính SAP 93 để phân tích Sóng động đất dùng ti liệu Nhật có tính chất đại biểu ghi chép phân tích trận động đất mạnh năm 1978 huyện Cung Thnh, ghi chÐp ®éng ®Êt sau hiƯu chØnh lμm sãng động đất Khai Bắc Cầu Cầu ny dùng môi trờng ®Êt lo¹i I, ®éng ®Êt cÊp 7.4, cù ly chÊn tâm 80km, trị số đỉnh cao gia tốc 101,7cm/s2, thời gian kéo di 25 sec Do địa chất, địa mạo khai bắc cầu tơng tự nh địa hình tỉnh Phóc KiÕn, cã thĨ nhËn thÊy dïng ghi chÐp vỊ sóng động đất khai bắc cầu để phân tích hiệu ứng động đất cho cầu Thạch Trạch Câu l có độ tin cậy định Trong thiết kế dùng thời gian ngăn cách 0,1sec Dạng dao động tần số dao động thân cầu Thạch Trạch Câu xem hình 5-80 v hình 5-81 v bảng 5-18 Khi động đất hớng dọc v hớng ngang tác dụng (không có hoạt tải) nội lực lớn sờn vòm với động đất hoạt tải tác dụng gây nội lực lớn so sánh bảng 5-27 Hiệu ứng nội lực chân vòm v đỉnh vòm cầu Thạch Trạch Câu Bảng 5-27 Phân hạng Hoạt tải tác dụng Động đất hớng ngang Động ®Êt h−íng däc N (kN) M (kN-m) N (kN) M (kN-m) N (kN) M (kN-m) Chân vòm 17150 1531 3726 473.8 1350 150.6 Đỉnh vòm 13480 1103 4673 424.4 1627 110.9 ảnh hởng hiệu ứng động đất tham số kết cấu chủ yếu Bảng 5-28 Phân Hiệu ứng động đất Hiệu ứng động đất hạng hớng ngang chân vòm hớng ngang đỉnh vòm N (kN) M (kN-m) N (kN) M (kN-m) 3726 473.8 4673 417.4 3251 421.2 4247 367.8 3666 355.4 3715 491.6 3712 557.5 5056 430.3 Ghi Cầu thực tế Hai đầu hớng dọc mặt cầu Mặt cầu có dầm ngang Độ cứng sờn vòm ny 10% Kết tính toán hai cầu ny cho thấy, với cầu vòm ống thép nhồi bê tông dới tác dụng tải trọng động đất nội lực nhỏ nội lực hoạt tải Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 328 - gây Điểm ny thể đặc điểm loại kết cấu ny có trọng lợng thân nhỏ v cờng độ vật liệu cao Cầu Thạch Trạch Câu tính toán tham số chủ yếu kết cấu thay đổi dới tác dụng động ®Êt h−íng ngang ¶nh h−ëng ph¶n øng cđa kÕt cÊu Kết tính toán chủ yếu xem bảng 5-28 Phân tích phản ứng động đất kết cấu hai cầu nhận thấy : (1) Từ kết tính toán cầu Thạch Gia Câu thấy phản ứng động đất hớng ngang cầu ny lớn phản ứng động đất hớng dọc nhiều Từ dạng dao động ngoi mặt phẳng cầu Thạch Trạch Câu ta thấy dạng dao động tần số ngoi mặt phẳng l uốn ngang đối xứng mặt cầu v sờn vòm dao động đồng bộ, dạng dao động tần số ngoi mặt phẳng phản ứng động đất hớng ngang cống hiến lớn (2) Cầu Thạch Trạch Câu tháo lỏng kiềm chế hớng dọc mặt cầu, chân vòm v đỉnh vòm dới tác dụng động đất hớng ngang nội lực giảm xuống với mức độ khác Kết phân tích phản ứng động đất hớng dọc v hớng thẳng đứng cầu Hong Bá H, đầu dầm cố định gối chèt th× lùc däc trơc lín nhÊt lμ 1796kN lín gối cầu cao su cốt thép có trợt PTFE đó, dầm nhịp biên có khả bị tụt, đổi thnh gối trợt, phản ¶nh lùc däc trơc lín nhÊt tơt xng 110,5kN, nÕu dùng gối cao su cốt thép lực ma sát gối cầu l 700kN, dầm không bị trợt xuống Cho nên, bỏ kiềm chế hớng dọc mặt cầu sờn vòm v hệ dầm có lợi, nhng kết cấu phải có biện pháp cấu tạo, tăng cờng tính ton khối mặt cầu v đề phòng dầm bị rơi (3) Từ bảng 5-25 cho thấy với cột đứng phản ứng động đất hớng ngang lớn phản ứng động đất hớng dọc Các cột đứng thấp gần đỉnh vòm chịu lực cắt nằm ngang tơng đối lớn, thiết kế cột thấp với x mũ, sờn vòm, chỗ liên kết cần tăng cờng cục Sờn vòm v chống ngang cã néi lùc lín nhÊt sinh ë gÇn chân vòm, có động đất hớng ngang xuất v trị số nhỏ (4) Đặt hệ dầm ngang tất nhiên có lợi cho ổn định hớng ngang cầu vòm ống thép nhồi bê tông, nhng phân tích phản ứng động đất hớng ngang cầu Thạch Trạch Câu cho thấy, độ cứng hớng ngang đợc tăng cờng lm tăng hiệu ứng động đất hớng ngang cho cầu vòm Cho nên sở bảo đảm ổn định hớng ngang nên giảm bớt số lợng dầm ngang cách thích đáng để nâng cao khả chống động đất cho kết cấu Cần rằng, phân tích hiệu ứng động đất hai cầu cha xét đến tính dẻo dai cấu kiện ống thép nhồi bê tông dới tác dụng động đất, l Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 329 - nhân tố có lợi, m cấu kiện ống thép nhồi bê tông coi nh cấu kiện bê tông cốt thép Các nghiên cứu có liên quan(9) cho thấy cấu kiện ống thép nhồi bê tông có đờng cong kín hết để bảo đảm ổn định cục tơng tự kết cấu thép M cột bê tông cốt thép đờng bao kín có tợng co Nã thĨ hiƯn cÊu kiƯn èng thÐp nhåi bª tông chịu nén uốn, dới tác dụng tải trọng trùng phục (lắp lại) có khả tiêu hao lợng tốt ống thép nhồi bê tông cầu Thạch Trạch Câu v cầu Hong Bá H đợc phân tích nh kết cấu bê tông cốt thép đà thể kết cấu có khả chống động đất tốt, nh lại xét tính dẻo dai vật liệu ống thép nhồi bê tông khả chống động đất cầu vòm ống thép nhồi bê tông đợc nâng cao thêm bớc Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dịch - - 330 - Đề ti Nghiên cứu Khoa học : Xây dựng cầu vòm ống thép nhồi bê tông - Ti liệu dÞch - - 331 -