Nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế hệ giằng và ứng xử của kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu mớ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHẠM MINH ĐỨC “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI” LUẬN VĂN THẠC SĨ CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT XÂY DỰNG CƠNG TRÌNH GIAO THƠNG MÃ SỐ: 8580205 TP Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2019 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM Cán hướng dẫn khoa học: TS Huỳnh Ngọc Thi Cán chấm nhận xét 1: TS Đặng Đăng Tùng Cán chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Duy Liêm Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 11 tháng 01 năm 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Lê Thị Bích Thủy – Chủ tịch TS Hồ Thu Hiền – Thư ký TS Đặng Đăng Tùng – Phản biện TS Nguyễn Duy Liêm – Phản biện TS Mai Lựu Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS TS Lê Thi Bích Thủy PGS TS Lê Anh Tuấn ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Minh Đức MSHV: 1870020 Ngày, tháng, năm sinh: 16/08/1995 Nơi sinh: Thanh Hóa Chun ngành: Kỹ Thuật Xây Dựng Cơng Trình Giao Thơng Mã số: 8580205 I TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu tổng quan hệ giằng liên kết ngang nước nước Nguyên cứu tổng quan sở lý thuyết ổn định, lý thuyết quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang lý thuyết kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian Nghiên cứu xây dựng quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang kiểm tra phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) Nghiên cứu ứng xử kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/08/2019 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 08/12/2019 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Huỳnh Ngọc Thi Tp HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS Huỳnh Ngọc Thi PGS.TS Nguyễn Mạnh Tuấn TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG PGS.TS Lê Anh Tuấn -i- LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu Đại học Bách khoa, đƣợc tập thể thầy cô Bộ môn Cầu đƣờng, Khoa Kỹ thuật Xây dựng giảng dạy hƣớng dẫn nhiệt tình Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ thầy Bên cạnh đó, xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Đào tạo Sau đại học tạo điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn bảo vệ thời hạn Đặc biệt, xin cảm ơn đến Thầy Huỳnh Ngọc Thi, Giảng viên Bộ môn Cầu đƣờng Những kinh nghiệm kiến thức đƣợc chia sẻ từ Thầy trình hƣớng dẫn luận văn hành trang quý giá cho đƣờng nghiên cứu tới Xin cảm ơn đến ngƣời thân gia đình Sự động viên, chia sẻ giúp đỡ ngƣời niềm động lực lớn lao suốt thời gian học tập nghiên cứu Q trình làm nghiên cứu, tơi tiếp thu đƣợc nhiều kiến thức Bên cạnh đó, tơi khơng thể tránh khỏi sai sót q trình thực đề tài mà thân chƣa nhận đƣợc Do vậy, ý kiến đóng góp Quý thầy cô, đồng nghiệp giúp cho luận văn đƣợc hồn chỉnh Cuối cùng, xin kính chúc tồn thể Q thầy cơ, gia đình, bạn bè đồng nghiệp thật nhiều sức khỏe Trân trọng! Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019 Học viên Phạm Minh Đức -ii- TÓM TẮT Ngày nay, kết cấu cầu thép trở thành xu hƣớng ngành xây dựng cầu đƣờng khơng đặc tính vật liệu mà khả sản xuất dễ dàng giảm thời gian thi công Tuy nhiên, kết cấu có nhƣợc điểm Một yếu tố quan trọng ảnh hƣởng lớn đến khả chịu lực toàn kết cấu ổn định dầm chính, đặc biệt giai đoạn thi cơng Giải pháp phổ biến để tăng độ ổn định kết cấu cung cấp cho hệ giằng liên kết ngang dọc theo chiều dài dầm Việc thiết kế giằng cho cầu thép địi hỏi độ xác cao Mặt khác, thiết kế hệ giằng liên kết ngang không đáp ứng đƣợc độ cứng cần thiết, độ cứng toàn kết cấu giảm đáng kể Hiện nay, nhiều dự án đƣợc thiết kế đủ dẫn đến lãng phí lớn chi phí thời gian Do đó, kết nghiên cứu đề xuất quy trình thiết kế tối ƣu cho thiết kế hệ thống giằng liên kết ngang cho cầu thép dầm giản đơn mơ hình phần tử hữu hạn cầu thép thực tế để xác nhận độ tin cậy thơng số kỹ thuật đƣợc đề xuất Ngồi ra, Nghiên cứu để cập đến hệ kết cấu lƣợc bỏ hệ giằng trung gian, sƣờn tăng cƣờng, thay hệ kết cấu đủ khả chịu lực khơng bị ổn định tổng thể việc xây dựng, tu bảo dƣỡng đơn giản nhiều Hệ kết cấu cầu với đặc điểm nhƣ gọi kết cấu cầu thép với hệ giằng kiểu (kết cấu không hệ giằng trung gian) Để thuận tiện cho việc thi công, tránh nứt mặt cầu vị trí mơmen âm, kết cấu khơng hệ giằng trung gian đƣợc đề xuất áp dụng cho cầu thép nhịp giản đơn Bài nghiên cứu trình bày kết so sánh độ ổn định hệ kêt cấu không hệ giằng trung gian với hệ dầm truyền thống xác định yếu ảnh hƣởng đến độ ổn định giai đoạn thi công kiểm tra ứng xử, khả chịu lực hệ kết cấu giai đoạn thi cơng khai thác Từ đƣa ứng dụng thực tế kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu điều kiện Việt Nam -iii- ABSTRACT Nowadays, Steel structure has become a trend of bridge engineering, not only due to its material mechanism but the ability of manufacture and reduce time of construction also However this kind of structure has its drawbacks One of the most crucial elements affecting the bearing capacity of the whole structure is the instability of the main girder in construction stage The most common solution to improve the stability of the structure is providing the intermediate bracing system (IBS) along the girder The design of the IBS requires high accuracy In the other hand, if the IBS does not have enough stiffness, the global stiffness will reduce considerably At present, many projects are over designed lead to huge wasting in cost and time So that, this reasearch aims to propose an optimal design process for IBS for simple supported steel bridge and finite element model of a real steel bridge to confirm the reliability of the proposed technical specifications Besides, the research also mentions bridge structures eliminating IBS, stiffening ribs, replaced by new structural system that have enough bearing capacity and does not cause global instability Therefore, the maintenance will be a lot more easier The bridge structure with above behaviours called steel bridge structure with non-intermediate bracing system (non-IBS) For convenience in construction stage, avoiding deck failure at negative moment position, the non-IBS structrure is applied for simple supported steel bridge The paper compare between the stability of the non-IBS structrure and the traditional structure, moreover, factors which relevant to the stability in construction stage and the behaviours and bearing capacity of the new structural systems in construction stage and exploitation stage are also mentioned From above information, realistic application of the simple supported steel bridge with new bracing system with Vietnam's condition is proposed -iv- LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI” kết nghiên cứu cá nhân đƣợc hƣớng dẫn thầy TS Huỳnh Ngọc Thi Các số liệu thu đƣợc trung thực, khách quan Việc tham khảo tài liệu (nếu có) đƣợc trích dẫn phù hợp Tơi hồn tồn chịu trách nhiệm nội dung đƣợc thể thiện luận văn Tp Hồ Chí Minh, ngày 08 tháng 12 năm 2019 Phạm Minh Đức -v- MỤC LỤC CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Giới thiệu chung 1.2 Nghiên cứu tổng quan 1.2.1 Các nghiên cứu nƣớc 1.2.2 Các nghiên cứu nƣớc 1.3 Mục tiêu nghiên cứu 1.4 Ý nghĩa đề tài CHƢƠNG 2: PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lý thuyết ổn định 2.1.1 Ổn định tổng thể 2.1.2 Ổn định cục 2.2 Lý thuyết quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Phƣơng pháp luận 11 2.2.3 Sơ đồ thực quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang 19 2.3 Lý thuyết kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian 21 CHƢƠNG 3: QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG LIÊN KẾT NGANG 24 3.1 Phạm vi nghiên cứu 24 3.2 Đối tƣợng nghiên cứu 24 3.3 Tải trọng thiết kế 25 3.4 Thông số đầu vào 25 3.4.1 Cấu tạo hình học 25 3.4.2 Đặc trƣng hình học mặt cắt dầm chủ 25 3.5 Xây dựng tính tốn theo lý thuyết hệ giằng liên kết ngang 26 3.5.1 Tối ƣu hóa số hệ liện kết ngang 26 3.5.2 Cấu tạo hình học mặt cắt hệ liên kết ngang đƣợc sử dụng 27 3.5.3 Độ cứng tổng thể hệ liên kết ngang giá trị momen tới hạn dầm theo phƣơng pháp lý thuyết 28 3.6 Phân tích mơ hình hệ dầm có hệ giằng trung gian phƣơng pháp phần tử hữu hạn 31 3.6.1 Định nghĩa vật liệu 33 3.6.2 Định nghĩa thuộc tính mặt cắt 33 3.6.3 Mơ hình hóa điều kiện biên 34 3.6.4 Mơ hình số kết cấu hệ liên kết ngang 34 3.6.5 Tải trọng tính tốn 36 3.6.6 Công tác phân tích 36 3.6.7 Kết phân tích 38 3.6.8 Tổng hợp kết mô hình 42 3.7 Kiểm tra phƣơng pháp phần tử hữu hạn 43 3.8 Phân tích khả chịu lực mơ hình kết cấu giai đoạn khai thác 46 3.8.1 Mơ hình hóa kết cấu 46 3.8.2 Kiểm toán ứng suất hệ giằng liên kết ngang giai đoạn thi công khai thác 53 3.8.3 Đánh giá khả chịu lực hệ kết cấu giai đoạn thi công khai thác 54 3.9 Kết luận 54 CHƢƠNG 4: KẾT CẤU CẦU THÉP KHÔNG HỆ GIẰNG TRUNG GIAN 55 -vi4.1 Giới hạn nghiên cứu 55 4.2 Cơ sở lý thuyết phƣơng pháp phần tử hữu hạn (FEM) 55 4.3 Các trƣờng hợp phân tích 56 4.3.1 Đối tƣợng phân tích 56 4.3.2 Mơ hình số hệ kết cấu khơng hệ giằng trung gian (KHGTG) 56 4.3.3 Tải trọng tính tốn 56 4.3.4 Công tác phân tích 57 4.3.5 Kết phân tích 58 4.4 Phân tích đánh giá kết 59 4.4.1 Phân tích ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công 59 4.4.2 Đánh giá ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công 61 4.4.3 Phân tích yếu tố ảnh hƣởng ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công 62 4.5 Phân tích khả chịu lực mơ hình kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn khai thác 63 4.5.1 Mơ hình hóa kết cấu 64 4.5.2 Đánh giá khả chịu lực kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công khai thác 66 4.6 Kết luận 67 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 -vii- MỤC LỤC HÌNH Hình 2.1: Hình dạng ổn định tổng thể dầm I [2] Hình 2.2: Hình ảnh ổn định cục [2] Hình 2.3: Hiện tƣợng oằn ngang xoắn [7] 10 Hình 2.4: Sƣờn tăng cƣờng bố trí phần bảng bụng dầm [6] 13 Hình 2.5: Độ cứng riêng nội lực làm việc số hệ liên kết ngang phổ biến [7] 14 Hình 2.6: Biểu đồ điểm tách đôi [8] 16 Hình 2.7: Sơ đồ quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang 20 Hình 2.8: Cầu dầm I liên hợp kiểu [11] 21 Hình 2.9: Cầu Kirisawa [10] 21 Hình 2.10: Cầu JX Sendai No3 [10] 22 Hình 2.11: Cấu tạo cầu dầm I liên hợp kiểu [11] 22 Hình 2.12: Dầm ngang trƣớc liên hợp sau liên hợp [11] 23 Hình 3.1: Mặt cắt ngang cầu vị trí gối [9] 24 Hình 3.2: Các bƣớc mơ mơ hình kết cấu 32 Hình 3.3: Thơng số vật liệu 33 Hình 3.4: Mơ hình điều kiện biên 34 Hình 3.5: Hệ liên kết ngang đầu dầm 35 Hình 3.6: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ I 35 Hình 3.7: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ X 35 Hình 3.8: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ K 36 Hình 3.9: Kết cấu cầu dầm có hệ giằng liên kết ngang chữ Z 36 Hình 3.10: Mơ hình 37 Hình 3.11: Mơ hình 37 Hình 3.12: Mơ hình 38 Hình 3.13: Mơ hình 38 Hình 3.14: Hệ số tới hạn mơ hình 39 Hình 3.15: Ứng suất dầm mơ hình 39 Hình 3.16: Hệ số tới hạn mơ hình 40 Hình 3.17: Ứng suất dầm mơ hình 40 Hình 3.18: Hệ số tới hạn mơ hình 41 Hình 3.19: Ứng suất dầm mơ hình 41 Hình 3.20: Hệ số tới hạn mơ hình 42 Hình 3.21: Ứng suất dầm mơ hình 42 Hình 3.22: Biểu đồ thể mối quan hệ hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn M cr (tính tốn) M cr (FEM) hệ liên kết ngang chữ I 44 Hình 3.23: Biểu đồ thể mối quan hệ hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn M cr (tính tốn) M cr (FEM) hệ liên kết ngang chữ K 44 Hình 3.24: Biểu đồ thể mối quan hệ hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn M cr (tính tốn) M cr (FEM) hệ liên kết ngang chữ X 45 Hình 3.25: Biểu đồ thể mối quan hệ hệ số quy đổi (K), giá trị momen tới hạn M cr (tính tốn) M cr (FEM) hệ liên kết ngang chữ Z 45 Hình 3.26: Mơ hình kết cấu giai đoạn khai thác 46 Hình 3.27: Ứng suất hệ giằng  ( KN / m ) mơ hình sử dụng hệ giằng liên kết ngang chữ K giai đoạn khai thác 47 + Hoạt tải thi công phân bố (CLL) bao gồm: phụ kiện thi cơng, máy móc thiết bị khác, thiết bị lắp dựng chuyên dùng chủ yếu, đƣợc lấy 4.8 104 MPa [5] diện tích mặt sàn + Sử dụng trạng thái giới hạn cƣờng độ I để đánh giá ổn định kết cấu Tải trọng tính tốn đƣợc tính nhƣ bảng 4.2: Bảng 4.2: Tải trọng tính tốn giai đoạn thi cơng Tải trọng Tĩnh tải Hoạt tải Các dạng tải Mô tả Hệ số tải trọng Giá trị mô Self weight (kN) Self weight (kN) Trọng lƣợng thân dầm thép Self weight 1.25 Trọng lƣợng thép Self weight 1.25 Trọng lƣợng bê tông mặt cầu Tải phân bố 1.25 5( KN / m2 ) Trong lƣợng neo I150 Self weight 1.25 Self weight (kN) Hoạt tải thi công (CLL) Tải phân bố 1.75 0.48( KN / m2 ) 4.3.4 Cơng tác phân tích Thay đổi giá trị bề dày thép (t) khoảng cách neo thép hình I (s), ta có bảng thống kế trƣờng hợp nhƣ sau Trong giá trị (t) thay đổi từ mm đến 16mm giá trị (s) thay đổi từ 600 mm đến 1300 mm đƣợc mô tả Bảng: Bảng 4.3: Các trƣờng hợp thay đổi bề dày thép (mm) khoảng cách neo I150 (mm) t s 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 10 11 12 13 14 15 16 TH 1-1 TH 2-1 TH 3-1 TH 4-1 TH 5-1 TH 6-1 TH 7-1 TH 8-1 TH 1-2 TH 2-2 TH 3-2 TH 4-2 TH 5-2 TH 6-2 TH 7-2 TH 8-2 TH 1-3 TH 2-3 TH 3-3 TH 4-3 TH 5-3 TH 6-3 TH 7-3 TH 8-3 TH 1-4 TH 2-4 TH 3-4 TH 4-4 TH 5-4 TH 6-4 TH 7-4 TH 8-4 TH 1-5 TH 2-5 TH 3-5 TH 4-5 TH 5-5 TH 6-5 TH 7-5 TH 8-5 TH 1-6 TH 2-6 TH 3-6 TH 4-6 TH 5-6 TH 6-6 TH 7-6 TH 8-6 TH 1-7 TH 2-7 TH 3-7 TH 4-7 TH 5-7 TH 6-7 TH 7-7 TH 8-7 TH 1-8 TH 2-8 TH 3-8 TH 4-8 TH 5-8 TH 6-8 TH 7-8 TH 8-8 TH 1-9 TH 2-9 TH 3-9 TH 4-9 TH 5-9 TH 6-9 TH 7-9 TH 8-9 57 Hình 4.1: Mơ hình kết cấu cầu thép KHGTG 4.3.5 Kết phân tích Từ mơ hình phần tích, thu đƣợc giá trị hệ số tới hạn cr đổi giá trị bề dày thép (t) khoảng cách neo thép hình I150 (s), đƣợc thống kê tải bảng 4.4 Hình 4.2: Hệ số tới han cr bề dày thép t=10mm khoảng cách neo I150 s= 600mm (TH 1-3) 58 Bảng 4.4: Bảng tổng hợp hệ số tới hạn cr thay đổi bề dày thép (mm) khoảng cách neo I150 (mm) s t 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 0.73 0.61 0.51 0.48 0.46 0.46 0.46 0.41 0.93 0.78 0.65 0.61 0.59 0.58 0.58 0.52 10 1.16 0.98 0.81 0.75 0.73 0.72 0.71 0.65 11 1.42 1.19 0.98 0.92 0.88 0.86 0.86 0.78 12 1.72 1.44 1.18 1.09 1.05 1.03 1.02 0.92 13 2.05 1.71 1.40 1.29 1.23 1.20 1.19 1.07 14 2.41 2.01 1.63 1.50 1.43 1.39 1.38 1.24 15 2.81 2.34 1.89 1.74 1.65 1.60 1.58 1.41 Thông qua bảng 4.4 tổng hợp hệ số tới hạn cr xác định đƣợc ứng suất dầm trƣờng hợp không hệ giằng trung gian đƣợc tối ƣu khoảng cách neo thép hình I150 bề dày thep (t) nhƣng đảm bảo độ ổn định kết cấu (cr  1) để khảo sát, đánh giá : TH 1-3 với s  600(mm), t  10(mm) : Hình 4.3: Ứng suất dầm  TC (KN/ m ) bề dày thép t=10mm khoảng cách neo I150 s= 600mm (TH 1-3) giai đoạn thi cơng 4.4 Phân tích đánh giá kết 4.4.1 Phân tích ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công Công thức: Pcr  P  cr theo lý thuyết trình bày chƣơng Trong đó: Pcr: Tải trọng tới hạn P: Ngoại lực tác dụng 59 16 3.25 2.69 2.18 1.99 1.88 1.82 1.79 1.60 cr : Hệ số tới hạn Với công thức ta thấy cr >1 Pcr >P suy hệ ổn định ngƣợc lại Thông qua giá trị hệ số tới hạn cr , ta kết luận đƣợc ổn định kết cấu hệ cầu không hệ giằng trung gian Hình 4.4: Biểu đồ thể mối quan hệ bề dày (t), khoảng cách (s) hệ số tới hạn (cr ) Biểu đồ hình 4.3 tăng bề dày thép giảm khoảng cách neo thép hình I hệ số tới hạn cr lớn Với trƣờng hợp có hệ số tới hạn cr  kết cấu hệ dầm ổn định Bảng 4.5: Bảng tổng hợp hệ trƣờng hợp không bị ổn định t s 600 10 11 - - TH 1-3 700 - - - 800 - - - - 900 - - - 1000 - - 1100 - 1200 1300 12 14 15 16 TH 1-4 TH 1-5 TH 1-6 TH 1-7 TH 1-8 TH 1-9 TH 2-4 TH 2-5 TH 2-6 TH 2-7 TH 2-8 TH 2-9 TH 3-5 TH 3-6 TH 3-7 TH 3-8 TH 3-9 - TH 4-5 TH 4-6 TH 4-7 TH 4-8 TH 4-9 - - TH 5-5 TH 5-6 TH 5-7 TH 5-8 TH 5-9 - - - TH 6-5 TH 6-6 TH 6-7 TH 6-8 TH 6-9 - - - - TH 7-5 TH 7-6 TH 7-7 TH 7-8 TH 7-9 - - - - TH 8-7 TH 8-8 TH 8-9 60 13 TH 8-6 Từ kết bảng 4.5, ta thấy tăng bề dày thép (t) giảm khoảng cách (s) neo thép hình I số lƣơng neo tăng lên Điều đồng nghĩa với việc hệ số tới hạn cr tăng lên dẫn đến lực tới hạn { Pcr } tăng lên Đây kết hợp lý tăng (t) giảm (s) làm cho kết cấu cầu cứng (độ cứng tăng), độ ổn định tăng 4.4.2 Đánh giá ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công Thông qua hệ số tới hạn cr mơ hình tính tốn, Để đánh giá tính ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian, Tác giả so sánh với hệ cầu dầm truyền thống sử dụng loại hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z đƣợc tối ƣu hóa kết cấu dùng để mô chƣơng 3, chọn trƣờng hợp TH 1-3, TH 2-4, TH 7-5 TH 8-6 vừa thỏa mãn điều kiện P  Pcr ( cr  ) vừa tối ƣu mặt vật liệu trƣờng hợp khảo sát Hình 4.5: Biểu đồ so sánh hệ số tới hạn (cr ) loại kết cấu Qua biểu đồ trên, kết giá trị hệ số tới hạn ( cr ) kết cấu không hệ giằng trung gian hệ cầu dầm truyền thống sử dụng hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z lớn 1, chứng tỏ hệ kết cấu đảm bảo ổn định dƣới tác dụng ngoại lực {P} Bên cạnh hệ số tới hạn ( cr ) kết cấu truyền thống lớn gấp lần so với kết cấu không hệ giằng trung gian Theo kinh nghiệm thiết kế trƣớc đây, độ cứng thiết kế hệ giằng liên kết ngang dƣ Tác giả đƣa quy trình để đảm bảo tối ƣu kết cấu hệ giằng kết cấu truyền thống sử dụng hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z đƣợc trình bày cụ thể chƣơng Điều dẫn đến giá trị hệ số tới hạn ( cr ) không lớn so với hệ kết cấu không hệ giằng trung gian nhƣng đảm bảo tính ổn định loại kết cấu 61 4.4.3 Phân tích yếu tố ảnh hƣởng ổn định kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công Trong nghiên cứu này, Tác giả xét đến ảnh hƣởng bề dày (t) thép khoảng cách neo thép hình I150 (s) tới độ cứng kết cấu không hệ giằng trung gian Không xét đến ảnh hƣởng chiều cao neo thép hình I150 4.4.3.1 Ảnh hƣởng khoảng cách neo thép hình I150 (s) tới độ cứng kết cấu Sự ảnh hƣởng số lƣợng neo thép hình I (khoảng cách s) đến độ ổn định hệ kết cấu đƣợc đánh giá giá trị s  s ' độ tăng hệ số tới hạn từ khoảng cách s đến s’, ứng với độ tăng phần trăm số lƣợng  ( từ khoảng cách s đến s’):   s' s  s '  s s Trong đó:   Ns '  Ns 100% Ns N : số neo thép hình I150 tƣơng ứng với khoảng giá trị s Bảng 4.6: Đánh giá ảnh hƣởng khoảng cách neo thép hình I150 tới độ cứng kết cấu 900 1300 43.90% Mật độ Bề dày thép (t) ứng với khoảng cách (s)~(s’) 8mm 9mm 10mm 11mm 12mm 13mm 14mm 14mm 16mm (số thanh/m ) 0.38~0.55 16.08% 16.28% 16.79% 17.74% 18.91% 20.22% 21.68% 23.19% 24.61% 800 1300 59.76% 0.38~0.61 24.32% 24.56% 25.30% 26.64% 28.26% 30.10% 32.12% 34.26% 36.19% 800 1200 48.86% 0.41~0.61 12.23% 12.42% 13.27% 14.15% 15.46% 16.92% 18.42% 20.04% 21.51% 1100 800 35.05% 0.45~0.61 12.65% 12.75% 13.17% 14.06% 15.01% 16.14% 17.23% 18.46% 19.57% 1100  700 55.67% 0.45~0.70 34.51% 35.26% 36.41% 38.16% 39.96% 42.01% 44.08% 46.12% 48.10% 1000  700 41.12%  0.50~0.70 32.54% 33.23% 34.26% 35.55% 36.89% 38.44% 40.06% 41.52% 42.99%  700  900 27.97% 0.55~0.70 27.88% 28.51% 29.32% 30.28% 31.26% 32.33% 33.44% 34.43% 35.38% 800  700 15.27% 0.61~0.70 19.41% 19.96% 20.53% 21.13% 21.69% 22.28% 22.90% 23.35% 23.86%  600  800 33.59% 0.61~0.81 41.55% 42.39% 43.35% 44.38% 45.51% 46.56% 47.64% 48.60% 49.52% 700  600 15.89% 0.70~0.81 18.55% 18.70% 18.94% 19.20% 19.57% 19.86% 20.13% 20.47% 20.71%    Kết Bảng 4.6 rằng, tăng số lƣợng giằng tƣơng ứng 900 800 1200 800 1100 800 1100  700 trƣờng hợp 1300 , 1300 phần trăm tăng hệ số 43.90% 59.76% ,  48.86% ,  35.05% ,  55.67% tăng hệ số tới hạn lớn 48.10% (trƣờng hợp t=16 mm) nhỏ phần trăm tăng 62 số lƣợng tƣơng ứng Tuy nhiên, tăng phần trăm số lƣợng tƣơng ứng  700 800  700 800  600 900  700 700  600 1000 15.89% phần trăm tăng hệ số tới hạn lớn 41.12% ,  27.97% , 15.27% ,  33.59% , 49.52% (trƣờng hợp t = 16mm) lớn phần trăm tăng số lƣợng neo thép hình I150 Với mật độ diện tích lớn 0.61 (thanh/m2) độ ổn định hệ kết cấu tăng dần tất bề dày thép (t) lớn phần trăm tăng số lƣợng Điều chứng tỏ tăng mật độ neo thép hình I150 độ ổn định kết cấu ảnh hƣởng mật độ diện tích lớn 0.61 (thanh/m2) hay khoảng cách neo thép hình I150 khơng lớn 800 (mm) 4.4.3.2 Ảnh hƣởng bề dày thép tới độ cứng kết cấu Sự ảnh hƣởng bề dày thép (t) tới độ cứng hệ kết cấu đƣợc xác định dựa giá trị t t độ tăng phần trăm hệ số tới hạn có bề dày tn 1 tăng đến tn : t  t t t  t n n1 n n1 n1 n n1 t t Độ tăng phần trăm bề dày thép :   n n1 100% tn1 Bảng 4.7: Đánh giá ảnh hƣởng bề dày thép (t) tới độ cứng kết cấu 1300 (N=82) 1200 (N=88) 1100 (N=97) 1000 900 800 700 600 (N=107) (N=118) (N=131) (N=151) (N=175) 10 8 25% 55.95% 55.74% 56.46% 56.62% 56.90% 57.19% 58.66% 59.19% 11 22.2%  48.42% 48.60% 49.16% 49.75% 50.29% 50.90% 52.36% 53.00% 12 10 20% 42.46% 43.06% 43.50% 44.41% 45.05% 45.82% 47.24% 48.02% 1311 18.2% 37.97% 38.39% 39.20% 40.10% 40.88% 41.74% 43.08% 43.88%  34.35% 34.93% 35.77% 36.61% 37.48% 38.39% 39.76% 40.42%  31.41% 32.08% 32.95% 33.82% 34.65% 35.60% 36.79% 37.49%  29.21% 29.80% 30.58% 31.47% 32.31% 33.19% 34.23% 34.88% 14 12 16.7% 15 13 15.4% 16 14 14.3% Từ kết bảng 4.7, ta kết luận rằng: độ tăng phần trăm hệ số tới hạn gần nhƣ khoảng lần độ tăng phần trăm bề dày tất số mật độ diện tích bền mặt thép khảo sát Điều chứng tỏ bề dày thép ảnh hƣởng lớn tới độ ổn định kết cấu 4.5 Phân tích khả chịu lực mơ hình kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn khai thác Thông qua hệ số tới hạn cr , Để xem xét kết cấu hệ hệ cầu không hệ giằng trung gian có làm việc ổn định đƣa vào sử dụng hay không, Tác giả so sánh với hệ cầu dầm truyền thống sử dụng loại hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z đƣợc tối ƣu hóa kết cấu dùng để mơ chƣơng 3, chọn trƣờng hợp: TH 1-3 với s  600(mm), t  10(mm) đảm bảo độ ổn định kết cấu P  Pcr ( cr  ) vừa tối ƣu 63 mặt vật liệu thép so với trƣờng hơp TH 2-4, TH 7-5 TH 8-6 đƣợc thể qua bảng 4.8 vừa tăng khả nắng sức chống cắt, chống trƣợt kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian: Bảng 4.8: So sánh khối lƣợng vât liệu trƣờng hợp tối ƣu kết cấu STT Mô tả I TH 1-3 (t=10 mm, s=600 mm) II III IV I150 Đơn vị Số lƣợng I 150 x 75 x PL 35900 x 6000 x 5x 10 Chiều dài Tổng chiều (m) dài (m) Khối lƣợng Riêng (kg/ m) 23033.90 m Tấm 175 2.5 437.5 14 16908.90 TH 2-4 (t=11 mm, s=700 mm) I150 I 150 x 75 x PL 35900 x 6000 x 5x 11 I 150 x 75 x PL 35900 x 6000 x 5x 12 m Tấm 151 2.5 377.5 14 18599.79 I 150 x 75 x PL 35900 x 6000 x 5x 13 5285.00 18599.79 23370.68 m Tấm 88 2.5 220 14 20290.68 TH 8-6 (t=13 mm, s=1300 mm) I150 6125.00 16908.90 23884.79 TH 7-5 (t=12 mm, s=1200 mm) I150 Tổng khối lƣợng (kg) 3080.00 20290.68 24851.57 m Tấm 82 2.5 205 14 21981.57 2870.00 21981.57 4.5.1 Mơ hình hóa kết cấu 4.5.1.1 Tải trọng thiết kế giai đoạn khai thác Trong giai đoạn khai thác tải tác dụng gồm có: + Tĩnh tải: Lớp phủ mặt cầu, tải trọng lan can + Hoạt tải: Tải trọng xe HL93, tải trọng + Sử dụng trạng thái giới hạn cƣờng độ I để đánh giá ổn định kết cấu Tải trọng tính tốn đƣợc thể nhƣ bảng dƣới đây: Bảng 4.9: Tải trọng mô giai đoạn khai thác Tải trọng Tĩnh tải Hoạt tải Các dạng tải Hệ số tải trọng Giá trị Lớp phủ mặt cầu 1.5 1.575  KN / m2  Lan can 1.25 11.52( KN / m2 ) Tải trọng thiết kế Tải trọng xe trục 1.75 1.75 9.3  KN / m  Hoạt tải HL93 4.5.1.2 Mơ hình phân tích Mơ hình hệ kết cấu khơng hệ giằng trung gian sử dụng trƣờng hợp TH 1-3 đƣợc tối ƣu mặt kết cấu vật liệu để mô giai đoạn khai thác với khoảng cách neo thép hình I150 s=600 (mm), bề dày thép t = 10 (mm): 64 Hình 4.6: Mơ hình kết cấu khơng hệ giằng trung gian giai đoạn khai thác 4.5.1.3 Kết phân tích Từ mơ hình phân tích thu đƣợc kết giá trị ứng suất dầm  KT ( KN / m ) độ võng tổng thể (m) giai đoạn khai thác trƣờng hợp TH 13 với khoảng cách neo thép hình I150 s=600 (mm), bề dày thép t = 10 (mm): Hình 4.7: Ứng suất dầm  KT ( KN / m ) mơ hình kết cấu khơng hệ giằng trung gian giai đoạn khai thác 65 Hình 4.8: Độ võng hoạt tải (m) mơ hình kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn khai thác Trong trƣờng hợp phân tích giai đoạn khai thác: TH 1-3: Ứng suất dầm chính:  KT  279971( KN / m ) Độ võng hoạt tải:   0.0403891(m) 4.5.2 Đánh giá khả chịu lực kết cấu không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công khai thác Để đánh giá khả chịu lực kết cấu không hệ giằng trung gian, Tác giả so sánh với hệ cầu dầm truyền thống sử dụng loại hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z đƣợc tối ƣu hóa tiết diện kết cấu dùng để mơ chƣơng 3, chọn trƣờng hợp: TH 1-3 với s  600(mm), t  10(mm) vừa đảm bảo độ ổn định kết cấu P  Pcr ( cr  ) vừa tối ƣu mặt vật liệu: Hình 4.9: Biểu đồ so sánh độ võng hoạt tải (mm) loại kết cấu giai đoạn khai thác 66 Hình 4.10: Biểu đồ tổng ứng suất dầm dầm  girder ( KN / m2 ) loại kết cấu giai đoạn thi công khai thác Qua biểu đồ hình 4.10, kết giá trị ứng suất trƣờng hợp TH 1-3 với khoảng cách neo thép hình I150 s =600 (mm) bề dày thép t = 10 (mm) kết cấu không hệ giằng trung gian hệ cầu dầm truyền thống sử dụng hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z thỏa mãn ứng suất giới hạn cho phép dầm  CP  415( MPa) , chứng tỏ hệ kết cấu đảm bảo khả chịu lực giai đoạn thi công khai thác Giá trị ứng suất hệ kết cấu không hệ giằng trung gian lớn kết cấu truyền thống sử dụng hệ liên kết ngang tối ƣu 13% Ngoài ra, biểu đồ hình 4.11 cịn cho thấy giá trị độ võng hoạt tải kết cấu không hệ giằng trung gian TH 1-3 lớn kết cấu truyền thống sử dụng hệ liên kết ngang tối ƣu 13.3% thỏa mãn giới giạn cho phép theo TCVN 11823 -2017 Điều hợp lí kết cấu hệ dầm khơng hệ giằng trung gian có độ cứng nhỏ nên ứng suất phát sinh lớn nhƣng đảm bảo làm việc ổn định kết cấu 4.6 Kết luận Kết cấu cầu không hệ giằng trung gian loại kết cấu đƣợc lƣợc bỏ dầm ngang trung gian sƣờn tăng cƣờng Từ kết phân tích, so sánh với kết cấu cầu truyền thống sử dụng hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z, số kết luận nghiên cứu rút nhƣ sau: Khi bề dày thép (t) tăng khoảng cách neo thép hình I150 (s) giảm độ cứng kết cấu không hệ giằng trung gian tăng ngƣợc lại Khi mật độ (thanh neo thép hình I150) diện tích lớn 0.61 (thanh / m2 ) , thay đổi số neo thép hình I150 ảnh hƣởng đáng kể đến độ ổn định kết cấu ngƣợc lại Trong đó, tăng bề dày thép (t) độ tăng phần trăm hệ số tới hạn gấp khoảng lần độ tăng phần trăm bề dày (t) Kết giá trị ứng suất kết cấu không hệ giằng trung gian (trong giai đoạn) lớn giá trị tƣơng ứng kết cấu cầu dầm truyền thống sử dụng giằng liên kết ngang X, K, I, Z nhƣng nằm phạm vi cho phép Điều chứng tỏ 67 hệ kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian đủ khả chịu lực dƣới tác dụng ngoại lực giai đoạn thi công khai thác Với kết phân tích ta kết luận kết cấu không hệ giằng trung gian ổn định giai đoạn thi cơng đủ khả chịu lực có tải trọng tác dụng giai đoạn, ta xem xét hệ kết cấu áp dụng vào thực tế Bên cạnh đó, phân tích độ võng tổng thể loại kết cấu cần đƣợc nghiên cứu thêm làm sở tạo độ vồng kết cấu để đảm bảo an toàn thi cơng đƣa vào khai thác Ngồi cần phải kiểm tra độ tối ƣu kết cấu để tìm phƣơng án lợi mặt kinh tế 68 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN Trong luận văn này, Tác giả đề xuất quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang trạng thái cƣờng độ I Tác giả tập trung nghiên cứu ổn định cầu thép giai đoạn thi công, đề xuất thiết kế hệ giằng nhằm đảm bảo ổn định giai đoạn Đồng thời trình nghiên cứu phải đảm bảo đƣợc khả chịu lực cấu kiện giai đoạn thi công khai thác rút kết luận nhƣ sau: - - - Tiết diện mặt cắt ngang thành phần chiều cao hệ giằng liên kết ngang quy trình hợp lý tối ƣu Quá trình thiết kế đề xuất đảm bảo hai yêu cầu ban đầu: ổn định giai đoạn thi công đủ khả chịu lực hai giai đoạn làm việc kết cấu cầu Độ cứng tổng thể  T hệ giằng liên kết ngang đƣợc tính tốn từ thành phần độ cứng hệ thống dầm đơi hồn tồn đƣợc áp dụng để thiết kế hệ thống đa dầm ( dầm ) nhận với hệ số quy đổi riêng ứng với hệ giằng liên kết ngang quy trình mà tác giả khảo sát, đánh giá quy trình thiết kế Quy trình thiết kế đề xuất hợp lý, tối ƣu hồn tồn đƣợc áp dụng thực tế Nhằm đánh giá khả áp dụng vào thực tế ứng xử kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu Tác giả tập trung nghiên cứu, phân tích yếu tố ảnh hƣởng ổn định kết cấu cầu thép không hệ giằng trung gian giai đoạn thi công, khả chịu lực kết cấu giai đoạn thi công khai thác trạng thái cƣờng độ I theo TCVN 11823 – 2017 so sánh với kết cấu cầu truyền thống sử dụng hệ giằng liên kết ngang X, K, I, Z: - - - Khi bề dày thép (t) tăng khoảng cách neo thép hình I150 (s) giảm độ cứng kết cấu không hệ giằng trung gian tăng ngƣợc lại Bên cạnh đó, tăng bề dày thép (t) độ tăng phần trăm hệ số tới hạn gấp khoảng lần độ tăng phần trăm bề dày (t) mật độ diện tích neo thép hình I150 lớn 0.61 (thanh / m2 ) , thay đổi số neo thép hình I150 ảnh hƣởng đáng kể đến độ ổn định kết cấu Phân tích, đánh giá giá trị ứng suất kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu (trong giai đoạn) lớn giá trị tƣơng ứng kết cấu cầu dầm truyền thống sử dụng giằng liên kết ngang X, K, I, Z nhƣng nằm phạm vi cho phép Điều chứng tỏ hệ kết cấu đủ khả chịu lực dƣới tác dụng tác dụng ngoại lực giai đoạn thi công khai thác Kết cấu cầu thép dầm giản đơn với hệ giằng kiểu ổn định giai đoạn thi cơng đủ khả chịu lực có tải trọng tác dụng giai đoạn, ta xem xét hệ kết cấu ứng dụng vào thực tế Việt Nam 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đoàn Định Kiến (2010), “Thiết kế kết cấu thép theo quy phạm Hoa Kỳ AISC/ASD”, Nhà xuất Xây Dựng, Hà Nội [2] Nguyễn Cảnh Tuấn, “ Bài giảng thiết kế cầu thép” Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [3] Todd Helwig, Joseph A Yura, Steel Bridge Design Handbook: Bracing System Design, Vol 13, 2015 [4] Phạm Văn Hội, Nguyễn Quang Viên, Phạm Văn Tƣ, Lƣu Văn Tƣờng, Kết cấu thép – Cấu kiện bản, Nhà xuất Khoa Học Và Kỹ Thuật, Hà Nội, 2006 [5] Tiêu chuẩn thiết kế cầu đƣờng TCVN 11823 – 2017 [6] Joseph A Yura, Fundamentals of Beam Bracing, Engineering Journal, American Institute of Steel Construction, First quarter, p.11-26, 2001 [7] Todd A Helwig, Liqun Wang, Cross-frame and diaphragm behavior for steel bridges with skewed supports, 2003 [8] Mats Wallin, “A finite element tool for linear buckling analysis” [9] Hồ sơ thiết kế cầu Lƣơng Thực, 3E Steel [10] Panel BridgeTM, truy xuất từ http://www.pnsastech.com.ph/Bridge-Products.php [11] PGS Nguyễn Thị Tuyết Trinh, “Phân tích ứng xử dầm liên hợp kiểu khơng có dầm ngang trung gian”, 2005 [12] “Analysis Reference” phần mềm Midas Civil 70 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên : PHẠM MINH ĐỨC Ngày, tháng, năm sinh : 16/08/1995 Nơi sinh : Thôn Bái Sơn, xã Hà Tiến, huyện Hà Trung, tỉnh Thanh Hóa Địa liên lạc : 23/36/2D Nguyễn Hữu Tiến, phƣờng Tây Thạnh, quận Tân Phú QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO : - Từ 2013 đến 2018: Học Đại học Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP HCM - Từ 2018 đến 2020: Học Thạc sĩ Đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP HCM Q TRÌNH CƠNG TÁC : - Từ 03/2018 đến 07/2019 : Kỹ sƣ kết cấu – Phòng kỹ thuật thi công Tổng Công Ty Xây Dựng Công Trình Giao Thơng - Từ 07/2019 đến 09/2019 : Kỹ sƣ thiết kế Công Ty Cổ Phần Kỹ Thuật Xây Dựng NIPPON EPC - Từ 12/2019 đến : Kỹ sƣ xây dựng Công Ty TNHH Kỹ Thuật Xây Dựng Tây An Tp HCM, ngày 08 tháng 12 năm 2019 PHẠM MINH ĐỨC 71 ... Cơng Trình Giao Thơng Mã số: 8580205 I TÊN ĐỀ TÀI: “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI” II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên. .. đoan luận văn thạc sĩ kỹ thuật: “NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT QUY TRÌNH THIẾT KẾ HỆ GIẰNG VÀ ỨNG XỬ CỦA KẾT CẤU CẦU THÉP DẦM GIẢN ĐƠN VỚI HỆ GIẰNG KIỂU MỚI” kết nghiên cứu cá nhân đƣợc hƣớng dẫn thầy TS... làm việc hệ kết cấu cầu thép dầm giản đơn không hệ giằng trung gian Với vấn đề cấp thiết tác giả muốn đề nghị quy trình thiết kế hệ giằng liên kết ngang cho kết cấu cầu thép dầm giản đơn, đồng