Ảnh hưởng của sơ đồ bố trí dây treo đến nội lực và biến dạng của cầu dây võng 3 nhịp 2 mặt phẳng dây

Đại Học Quốc Gia Tp Hồ Chí Minh TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN ĐỨC HOÀNG LONG ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ BỐ TRÍ DÂY TREO ĐẾN NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG NHỊP MẶT PHẲNG DÂY CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2010 -1- CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: TS Đặng Đăng Tùng Cán chấm nhận xét 1: PGS TS Lê Thị Bích Thủy Cán chấm nhận xét 2: TS Phùng Mạnh Tiến Luận văn thạc sĩ bảo vệ HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm -2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc -oOo Tp HCM, ngày 02 tháng 07 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên : NGUYỄN ĐỨC HOÀNG LONG Ngày, tháng, năm sinh : 17/11/1982 Chuyên ngành : Xây dựng cầu, hầm MSHV : 03807484 Phái: Nam Nơi sinh: Quảng Nam 1- TÊN ĐỀ TÀI: “Ảnh hưởng sơ đồ bố trí dây treo đến nội lực biến dạng cầu dây võng nhịp mặt phẳng dây” 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Thơng qua phân tích sơ đồ cầu, tìm ảnh hưởng cách bố trí dây treo đến nội lực chuyển vị phận cầu treo dây võng, qua làm sở cho việc sơ lựa chọn sơ đồ bố trí dây treo thiết kế cầu treo dây võng 3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02 / 02 / 2010 4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 02 / 07 / 2010 5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔNQUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH TS ĐẶNG ĐĂNG TÙNG KHOA QL CHUYÊN NGÀNH -3- LỜI CÁM ƠN Trong khoảng thời gian học tập nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, thời gian ngắn tơi thầy cô giảng dạy truyền đạt nhiều kiến thức kinh nghiệm bổ ích chuyên mơn, điều giúp ích lớn cho thân công việc, học tập Nay hết khóa học thân tơi thực luận văn tốt nghiệp Cao học, xin chân thành cảm ơn tất quý thầy cô khoa Kỹ thuật Xây dựng, môn Cầu Đường, đặc biệt TS Đặng Đăng Tùng, giáo viên hướng dẫn thực luận văn, tận tình hướng dẫn cho tơi trình thực luận văn tốt nghiệp Qua đây, tơi xin cảm ơn gia đình, tất bạn bè, đồng nghiệp quan công tác tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên thực Nguyễn Đức Hoàng Long -4- ABSTRACT As usual, hangers in suspension bridge are designed vertically to keep a role of transferring forces to pylon through main cables Besides, there are also suspension bridges (rarely) in which inclined hangers were used instead of vertical ones This thesis focuses to analyse the effect of arrangements of hangers (inclination and vertical) on inner forces and deformation of main components such as main girder, pylon, cables Midas civil is known as a popular software, was used to analyze the models of bridges There are five models of each kind of suspension bridge which main span length ranges from 390m to 810m were proposed in this study Point load at specific locations, self weight and live load HL-93 were considered to calculate and analyse these models As a result, the thesis presented some comments on the different effects of arrangements of hangers on inner forces and deformations between the two kinds of suspension bridge and then the reasons why vertical hangers are preferred than inclined hangers in selecting design of suspension bridges -5- TÓM TẮT LUẬN VĂN Ra đời từ sớm Trung Quốc (cách khoảng 2000 năm), phát triển mạnh với cách mạng công nghiệp vào kỷ 19, nay, cầu dây võng có bước tiến dài lịch sử phát triển Để có thành tựu vậy, nhà khoa học giới thực nhiều nghiên cứu để ngày hoàn thiện kết cấu cầu treo dây võng Ở Việt Nam, cầu dây võng có bước phát triển định, sánh với giới Cầu treo dây võng Thuận Phước Đà Nẵng khánh thành lập kỷ lục cầu dây võng với nhịp dài Việt Nam Với mục tiêu tìm hiểu sâu số đặc điểm cầu treo dây võng, năm qua, có số đề tài thực nghiên cứu thông số cầu treo dây võng như: - Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao trụ tháp đến nội lực biến dạng cầu treo dây võng - Nghiên cứu ảnh hưởng tỉ lệ chiều dài nhịp đến nội lực biến dạng cầu treo dây võng - Nghiên cứu ảnh hưởng chiều cao dầm chủ đến nội lực biến dạng cầu treo dây võng… Thông thường cầu dây võng, dây treo (thành phần liên kết dầm chủ cáp chủ) bố trí thẳng đứng song song với có nhiệm vụ truyền nội lực từ dầm chủ vào cáp chủ Tuy nhiên, thực tế có cầu treo dây võng dây treo bố trí chéo Vậy khác cách bố trí dây treo nào? Luận văn sau nghiên cứu khác ảnh hưởng đến phận cầu treo dây võng Cụ thể, nội dung gồm phần sau: -6- - Tìm hiểu ảnh hưởng cách bố trí dây treo đến nội lực dầm chủ (nghĩa momen uốn My, lực cắt Fz, lực dọc Fx dầm chủ) chuyển vị theo phương dọc cầu phương thẳng đứng dầm chủ với chiều dài nhịp thay đổi từ 390m đến 810m - Tìm hiểu ảnh hưởng đến nội lực chuyển vị trụ tháp sơ đồ dây treo thẳng đứng song song với chiều dài nhịp thay đổi từ 390m đến 810m - Tìm hiểu ảnh hưởng đến lực dọc chuyển vị đứng cáp chủ với chiều dài nhịp thay đổi từ 390m đến 810m - Tìm hiểu ảnh hưởng sơ đồ dây treo đến nội lực dây treo với chiều dài nhịp tăng dần từ 390m đến 810m Qua tìm hiểu thơng số trên, luận văn sơ đưa nhận xét khác hai loại sơ đồ dây treo cầu treo dây võng, nguyên nhân sơ đồ dây thẳng đứng lại sử dụng rộng rãi sơ đồ dây treo xiên -7- MỤC LỤC CHƯƠNG 10 SƠ LƯỢC LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VÕNG 10 1.1 SỰ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VÕNG TRÊN THẾ GIỚI 10 1.2 SỰ PHÁT TRIỂN CẦU TREO DÂY VÕNG Ở VIỆT NAM 15 1.3.KẾT LUẬN CHƯƠNG .16 CHƯƠNG 18 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG 18 2.1 CẤU TẠO CÁC BỘ PHẬN CHÍNH CỦA CẦU TREO DÂY VÕNG .18 2.1.1 Trụ tháp cầu 18 2.1.2 Dầm cứng .20 2.1.3 Cáp 22 2.1.3.1 Cáp treo .22 2.1.3.2 Cáp chủ .22 2.1.4 Neo cáp 24 2.2 PHÂN LOẠI CẦU TREO DÂY VÕNG .25 2.2.1 Phân loại theo số lượng nhịp 25 2.2.2 Phân loại theo bố trí dây treo .27 2.2.3 Phân loại theo số mặt phẳng dây 29 2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 30 CHƯƠNG 32 CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG 32 3.1 GIỚI THIỆU CHUNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VÕNG .32 3.2 TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG THEO PHƯƠNG PHÁP LỰC 35 3.3 TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG THEO PHƯƠNG PHÁP CHUYỂN VỊ 43 3.4 TÍNH TỐN CẦU TREO DÂY VÕNG THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN 50 -8- 3.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 68 CHƯƠNG 70 PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ BỐ TRÍ DÂY TREO ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỐI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VÕNG NHỊP MẶT PHẲNG DÂY 70 4.1.LỰA CHỌN CÁC TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU .70 4.1.1.Sơ đồ kết cấu cầu .70 4.1.2.Các trường hợp sơ đồ dây treo cần nghiên cứu .70 4.1.3.Thơng số vật liệu kích thước hình học phận kết cấu 72 4.1.3.1 Vật liệu 72 4.1.3.2 Kích thước hình học phận .73 4.1.4.Các trường hợp tải trọng nghiên cứu .76 4.1.4.1 Tĩnh tải 76 4.1.4.2 Tải trọng tập trung 76 4.1.4.3 Tải trọng HL-93 76 4.2 KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO MƠ HÌNH BIẾN DẠNG NHỎ 77 4.2.1 Ảnh hưởng đến phân bố nội lực .78 4.2.1.1 Nội lực dầm chủ 78 4.2.1.2 Nội lực trụ tháp 98 4.2.1.3 Lực dọc cáp chủ 111 4.2.1.4 Lực dọc dây treo 118 4.2.2 Ảnh hưởng đến chuyển vị 120 4.2.2.1 Chuyển vị dầm chủ 120 4.2.2.2 Chuyển vị trụ tháp 129 4.2.2.3 Chuyển vị cáp chủ 139 4.3 KẾT QUẢ TÍNH TỐN THEO MƠ HÌNH BIẾN DẠNG LỚN (GIAI ĐOẠN THI CÔNG) 147 4.3.1 Ảnh hưởng đến nội lực 149 4.3.1.1 Nội lực trụ tháp 149 -9- 4.3.1.2 Nội lực cáp chủ 153 4.3.2 Ảnh hưởng đến biến dạng 156 4.3.2.1 Biến dạng trụ tháp 156 4.3.2.2 Chuyển vị đứng cáp chủ 159 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 161 4.4.1 Mơ hình biến dạng nhỏ (giai đoạn hồn thiện) 161 4.4.2 Mơ hình biến dạng lớn (giai đoạn thi công) 165 CHƯƠNG 167 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 167 5.1 KẾT LUẬN .167 5.2 KIẾN NGHỊ 167 5.3 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP .168 TÀI LIỆU THAM KHẢO 169 TÓM TẮT LÝ LỊCH KHOA HỌC .170 -156- 4.3.2 Ảnh hưởng đến biến dạng 4.3.2.1 Biến dạng trụ tháp 4.3.2.1.1 Độ ngửa trụ tháp Cầu treo dây võng thiết kế cho trụ tháp không xuất mơmen uốn giai đoạn hồn thiện gây thành phần lực theo phương ngang vị trí đỉnh trụ tháp Tuy nhiên, cáp chủ thi công với chiều dài nhịp giai đoạn hồn thiện khơng thay đổi lực ngang đỉnh trụ tháp không trạng thái cân bằng, xuất tượng trượt cáp chủ Để khắc phục tượng trên, đỉnh trụ tháp bị dịch chuyển hai phía nhịp biên để tạo thành phần lực ngang ngược chiều với lực ngang phát sinh q trình thi cơng kết cấu nhịp Khoảng dịch chuyển gọi độ ngửa trụ tháp Độ ngửa trụ tháp (bên trái) vừa thi công xong cáp chủ (GĐ 7) chiều dài nhịp khác ứng với hai loại sơ đồ dây treo trình bày thơng qua biểu đồ hình 4.65 Chuyển vị ngang (mm) TH1-Dây thẳng TH2-Dây xiên 0.0 -200.0 -400.0 -600.0 -800.0 390 510 630 750 870 Chiều dài nhịp (m) Hình 4.61 Độ ngửa trụ tháp (bên trái) trình thi cơng Nhận xét: • Thơng qua biểu đồ 4.65, độ ngửa trụ tháp (bên trái) tăng dần chiều dài nhịp tăng lên Tốc độ tăng giống hai loại sơ đồ cầu Với chiều dài nhịp chính, độ -157- ngửa trụ tháp cầu dây thẳng nhỏ so với cầu dây xiên Chiều dài nhịp tăng, độ ngửa trụ tháp cầu dây xiên lớn so với cầu dây thẳng đứng (độ chênh từ 0.5% L=390m đến 3.2% L=810m) 4.3.2.1.2 Chuyển vị ngang đỉnh trụ tháp (bên trái) Chuyển vị ngang (dọc cầu) đỉnh trụ tháp trình bày bảng 4.39 hình 4.62 Nhận xét: Chuyển vị ngang đỉnh trụ tháp hai loại cầu biến thiên theo quy luật giống qua giai đoạn thi cơng: • Sau thi cơng số đốt dầm nhịp (GĐ 6), chuyển vị ngang đỉnh trụ tháp đổi dấu so với giai đoạn trước (lắp xong cáp chủ) biến thiên theo dạng đường cong parabol Đỉnh parabol giai đoạn 4, tức sau lắp xong đốt dầm chủ nhịp Sau đó, bắt đầu lắp đốt dầm chủ nhịp biên, chuyển vị bắt đầu giảm dần giai đoạn (GĐ 2) gần không thay đổi Như vậy, thời điểm bất lợi xảy thi công xong đốt dầm chủ nhịp • Nếu so sánh theo chiều dài nhịp, thấy chiều dài nhịp tăng chuyển vị ngang đỉnh trụ tháp lớn Điều cho hai loại sơ đồ cầu -158- Bảng 4.39 Chuyển vị ngang (mm) đỉnh trụ tháp giai đoạn thi công Trường hợp Chiều dài nhịp (m) Giai đoạn thi công Tỉ lệ TH2/TH1 Dây xiên (TH2) Dây thẳng (TH1) 390m 510m 630m 720m 810m 0.00 0.00 0.00 0.00 -0.01 0.00 0.00 -0.23 0.00 -0.01 24.25 19.03 14.93 14.70 14.12 146.33 166.26 180.26 231.14 283.62 210.03 242.97 266.62 345.39 427.16 191.75 214.12 209.77 270.34 332.09 130.74 125.11 42.20 52.85 59.70 -181.63 -297.22 -444.42 -575.89 -715.51 0.01 0.02 0.02 0.02 0.06 0.02 0.02 0.02 0.02 0.15 16.70 12.42 9.66 9.25 9.12 134.09 182.83 196.63 249.46 304.08 231.76 249.79 272.34 350.17 431.38 215.33 210.31 219.17 279.43 340.78 161.10 90.91 58.27 68.62 74.82 -180.71 -306.68 -459.71 -595.68 -740.03 13.00 23.39 6.20 7.00 7.63 20.00 20.33 0.09 5.75 21.86 0.69 0.65 0.65 0.63 0.65 0.92 1.10 1.09 1.08 1.07 1.10 1.03 1.02 1.01 1.01 1.12 0.98 1.04 1.03 1.03 1.23 0.73 1.38 1.30 1.25 0.99 1.03 1.03 1.03 1.03 -159- 510X 630X 720X 390TD 810X 600.0 400.0 200.0 0.0 -200.0 -400.0 -600.0 -800.0 Chuyển vị nga ng (mm) Chuyển vị nga ng (mm) 390X 510TD 630TD 720TD 810TD 600.0 400.0 200.0 0.0 -200.0 -400.0 -600.0 -800.0 GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 Giai đoạn thi công Giai đoạn thi công (a) (b) Hình 4.62 Chuyển vị ngang (dọc cầu) đỉnh trụ tháp q trình thi cơng cầu dây xiên (a) cầu dây thẳng (b) 4.3.2.2 Chuyển vị đứng cáp chủ Chuyển vị đứng cáp chủ nhịp – trình bày bảng 4.40 biểu đồ hình 4.63 510X 630X 720X 810X 10,000.0 8,000.0 6,000.0 4,000.0 2,000.0 0.0 -2,000.0 -4,000.0 390TD Chuyển vị nga ng (mm) Chuyển vị nga ng (mm) 390X 510TD 630TD 720TD 810TD 10,000.0 8,000.0 6,000.0 4,000.0 2,000.0 0.0 -2,000.0 -4,000.0 GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 GD0 GD1 GD2 GD3 GD4 GD5 GD6 GD7 Giai đoạn thi công Giai đoạn thi công (a) (b) Hình 4.63 Độ võng cáp chủ nhịp q trình thi cơng cầu dây xiên (a) cầu dây thẳng (b) -160- Bảng 4.40 Độ võng (mm) cáp chủ nhịp giai đoạn thi công Trường hợp Chiều dài nhịp (m) Giai đoạn thi cơng Tỉ lệ TH2/TH1 Dây xiên (TH2) Dây thẳng (TH1) 390m 510m 630m 720m 810m 0.17 0.13 -0.24 -0.08 -4.21 0.84 0.55 -0.58 -0.25 -13.15 -99.49 -76.13 -61.19 -56.61 -65.67 -600.80 -667.16 -721.97 -889.75 -1073.29 -860.18 -972.93 -1065.19 -1327.13 -1606.87 -1342.86 -1538.24 -1826.90 -2206.66 -2592.33 -2235.35 -2485.76 -2630.05 -3039.45 -3409.05 2192.41 3604.48 5554.00 6889.32 8323.53 -0.04 -0.03 -0.01 -0.03 1.95 -0.03 0.03 0.08 0.05 5.77 -63.53 -48.33 -37.70 -34.75 -27.22 -509.97 -715.33 -777.41 -957.58 -1133.56 -877.66 -975.62 -1075.47 -1342.60 -1608.76 -1114.65 -1412.00 -1593.14 -1997.06 -2418.01 -1540.18 -1804.65 -1763.54 -2156.17 -2555.53 2222.61 3789.46 5787.16 7151.65 8626.63 0.26 0.22 0.05 0.35 0.46 0.03 0.06 0.13 0.21 0.44 0.64 0.63 0.62 0.61 0.41 0.85 1.07 1.08 1.08 1.06 1.02 1.00 1.01 1.01 1.00 0.83 0.92 0.87 0.91 0.93 0.69 0.73 0.67 0.71 0.75 1.01 1.05 1.04 1.04 1.04 -161- Nhận xét: • Sau thi công lắp đặt cáp chủ (GĐ 7), chuyển vị đứng cáp chủ ví trí nhịp lớn so với vị trí thiết kế Tốc độ thay đổi chuyển vị lớn chuyển từ giai đoạn sang giai đoạn (lắp xong cáp chủ lắp xong số đoạn dầm chủ nhịp chính) • Chuyển vị cáp chủ theo phương thẳng đứng giảm dần qua giai đoạn thi cơng đạt nhỏ thời điểm hồn thiện 4.4 KẾT LUẬN CHƯƠNG 4.4.1 Mơ hình biến dạng nhỏ (giai đoạn hồn thiện) Phân tích trường hợp chiều dài nhịp thay đổi từ 390m đến 810m cầu treo dây võng với hai loại sơ đồ dây treo thẳng đứng chéo (xiên), kết khảo sát cho thấy ứng với hai loại sơ đồ dây treo (*), có khác đại lượng khảo sát (nội lực, chuyển vị) phận cầu treo dây võng (dầm chủ, trụ tháp, cáp chủ, dây treo) Cụ thể, chiều dài nhịp thay đổi từ 390m đến 810m, khác hai loại sơ đồ khảo sát tóm lược sau: (*): sơ đồ dây treo thẳng đứng: TH1 : sơ đồ dây treo xiên/chéo nhau: TH2 Dầm chủ : • Nội lực : o Momen My: quy luật thay đổi momen My hai sơ đồ cầu giống Momen vị trí nhịp biên, ¼ nhịp nhịp có lực tập trung đặt vị trí tương ứng có xu hướng tăng (TH2) giảm (TH1) chiều dài nhịp tăng lên Điều có nghĩa chiều dài nhịp lớn, cầu dây thẳng lựa chọn -162- tốt cầu dây xiên Tỉ lệ giá trị momen My vị trí tương ứng TH2 TH1 cho thấy cầu dây xiên nhỏ Trường hợp hoạt tải tương tự tĩnh tải, momen My cầu dây xiên có xu hướng tăng chiều dài nhịp tăng, cịn cầu dây thẳng có xu hướng ngược lại Cụ thể momen My giảm từ 0.91 lần đến 0.695 (TH1) tăng từ 0.94 đến 1.05 lần (TH2) chiều dài nhịp tăng từ 390m đến 810m o Lực dọc Fx: có xu hướng tăng hai trường hợp (TH1 TH2) ứng với trường hợp tải trọng thân tải tập trung nhịp (xét lực dọc nhịp chính) chiều dài nhịp tăng từ 390m đến 810m Khi tải tập trung nhịp biên ¼ nhịp chính, lực dọc lại tăng TH1 giảm TH2 (chỉ xét hai vị trí đặt tải tập trung tương ứng) tăng chiều dài nhịp Trong tất trường hợp tải khảo sát, lực dọc TH2 lại lớn nhiều so với TH1 vị trí tương ứng o Lực cắt Fz: lực cắt TH1 TH2 chiều dài nhịp tăng từ 390m đến 810m có thay đổi không đáng kể tất trường hợp tải khảo sát Trong trường hợp lực tập trung hoạt tải khảo sát, lực cắt dầm chủ TH2 nhỏ TH1 Tuy nhiên, xét trường hợp tải trọng thân, lực cắt dầm chủ TH2 lại lớn TH1 với tỉ lệ đáng kể: từ 4.42 lần đến 9.24 lần (tại nhịp biên ¼ nhịp chính) đặc biệt từ 177.13 lần đến 334.5 lần (tại nhịp chính) • Chuyển vị : o Thẳng đứng: chuyển vị đứng tăng chiều dài nhịp tăng hai loại cầu (TH1 TH2) Tại vị trí tương ứng, chuyển vị đứng dầm -163- chủ TH1 nhỏ TH2 (tỉ lệ TH2/TH1