Tải trọng trục (tấn) Ứng suất lớn nhất (MPa) Giới hạn cho phộp (MPa) Kiểm tra
14,5 18,89 252 Đạt
19,5 25,10 252 Đạt
25 32,00 252 Đạt
4.3.2.5. Ứng suất trong bờ tụng
Kết quả tớnh toỏn ứng suất trong bờ tụng của kết cấu nhịp theo cỏc cấp tải trọng trục như Hỡnh PL1. 3 (xem chi tiết trong Phụ lục 1).
Khảo sỏt phõn bố ứng suất trờn 2 đường ở đỏy bản mặt cầu đi qua trọng tõm của vị trớ đặt bỏnh xe nặng bất lợi nhất. Gọi đường ngang là đường chạy theo phương ngang cầu giữa 2 mộp lan can dài 4,5 m và đường dọc là đường chạy theo phương dọc cầu giữa 2 đầu nhịp dài 9 m như Hỡnh 4. 14 b.
Khi bờ tụng bị nứt, theo phương phỏp phõn tớch SCM (smeared crack model), lỳc này ứng suất bờ tụng bị giảm xuống ứng với giai đoạn mềm húa sau nứt của biểu đồ quan hệ ứng suất - biến dạng khi chịu kộo. Cỏc vựng chưa bị nứt cú sự điều chỉnh ứng suất theo xu hướng tăng lờn như Hỡnh 4. 21. Theo kết quả phõn tớch tuyến tớnh, phương ngang bất lợi về ứng suất kộo, phương dọc bất lợi về ứng suất nộn. Vỡ vậy, lỳc đầu bờ tụng đỏy bản bị nứt do ứng suất kộo theo phương ngang sau đú ứng suất phỏp theo phương ngang giảm, ứng suất phỏp theo theo phương dọc tăng lờn và làm nứt bờ tụng. Khi cỏc vết nứt hỡnh thành cú lại phõn bố lại ứng suất phỏp. Kết quả phõn bố ứng suất phỏp theo phương ngang cầu ở đỏy bản với cỏc cấp tải trọng trục khỏc nhau như Hỡnh 4. 22.
b. Phõn tớch phi tuyến phõn bố ứng suất theo đường ngang
c. Phõn tớch phi tuyến phõn bố ứng suất theo đường dọc
d. Phõn tớch phi tuyến phõn bố ứng suất theo đường dọc
a. Tải trọng trục 25 tấn
a. Tải trọng trục 50 tấn
Hỡnh 4. 21: So sỏnh kết quả phõn tớch tuyến tớnh và phi tuyến.
b - Phõn tớch phi tuyến phõn bố ứng suất phỏp theo đường dọc Hỡnh 4. 22: Phõn bố ứng suất đỏy bản mặt cầu với cỏc cấp tải trọng trục.
4.3.3. Kết luận
Bản mặt cầu bị nứt ở cấp tải trọng trục 19,5 tấn. Dưới tỏc dụng của xe tải nặng trục 25 tấn thỡ độ vừng vượt quỏ giới hạn cho phộp, ứng suất trong cốt thộp và độ mở rộng vết nứt vẫn nằm trong giới hạn cho phộp.
Kết quả phõn tớch nứt phi tuyến kết cấu nhịp BTCT cho thấy sườn dầm nứt ở cấp tải trọng nhỏ hơn so với bản mặt cầu. Tuy nhiờn, trong cỏc cụng trỡnh cầu thực tế nếu sườn dầm hoặc dầm đỡ BTCT được thay thế bằng cấu kiện BTCT dự ứng lực thỡ vấn đề cũn lại là nứt bản mặt cầu.
Bản mặt cầu ở cỏc khu vực khỏc nhau cú tải trọng gõy nứt, phõn bố nứt, sự phỏt triển nứt khụng giống nhau.
Phõn tớch nứt bản mặt cầu làm việc chung cựng sườn dầm cho kết quả tin cậy dựa trờn mụ hỡnh 3D kết cấu nhịp bỏm sỏt với thực tế song khối lượng tớnh toỏn là rất lớn bằng phần mềm chuyờn dụng. Rất cần cú những nghiờn cứu bổ sung để đơn giản húa việc tớnh nứt bản mặt cầu, sườn dầm.
4.4. Xỏc định sơ đồ dải bản mặt cầu tương đương khi chịu tải trọng của xe tải nặng nặng
4.4.1. Đặt vấn đề
Bản mặt cầu thường cú kớch thước lớn theo cả phương dọc cầu và ngang cầu. Bản thường kờ trờn nhiều dầm đỡ hoặc cỏc sườn hộp, kờ lờn cả dầm dọc và dầm ngang. Bản chịu tỏc dụng cục bộ của bỏnh xe và tham gia chịu uốn cựng với cỏc cấu
kiện đỡ. Trong cỏc cụng trỡnh cầu dầm, bản mặt cầu thường được liờn kết cứng với dầm đỡ. Kết cấu nhịp bản gồm bản mặt cầu và cỏc dầm đỡ là một hệ phức tạp chịu lực. Để tớnh bản mặt cầu trong tiờu chuẩn thiết kế cầu [5] đĩ đưa ra sơ đồ bản tương đương kờ trờn 2 cạnh hoặc 4 cạnh hoặc tựy theo tỷ lệ kớch thước giữa cỏc cạnh hoặc bản hẫng nhằm đơn giản húa việc tớnh toỏn. Trong đú đĩ quy định về khẩu độ tớnh toỏn của bản và bề rộng của dải bản tương đương khi tớnh mụ men õm và mụ men dương. Hướng dẫn tớnh mụ men õm tương ứng với vị trớ bản ngay trờn dầm đỡ và mụ men dương ở giữa cỏc dầm đỡ phục vụ cho việc tớnh toỏn nội lực. Việc xỏc định mụ hỡnh dải bản tương đương được đơn giản húa và cú một số vấn đề chưa được làm rừ như khẩu độ tớnh toỏn cú thể lấy bằng khoảng cỏch giữa cỏc tim dầm đỡ hoặc mặt bờn trong sườn dầm. Bờn cạnh đú, liờn kết của bản tương đương đĩ được lý tưởng húa là ngàm điều này chỉ phự hợp khi độ cứng chống xoắn của dầm đỡ rất lớn. Trong thực tế, với những kết cấu nhịp cú kớch thước dầm đỡ lớn bằng bờ tụng cốt thộp bố trớ nhiều dầm ngang mới đảm bảo độ cứng chống xoắn để cú thể coi như biờn ngàm cho bản mặt cầu. Cỏc trường hợp khỏc cú độ cứng chống xoắn nhỏ như cầu cú chiều cao dầm thấp, cầu dầm thộp liờn hợp, cầu bố trớ ớt dầm ngang thỡ điều kiện biờn đối với dải bản mặt cầu tương đương sẽ khụng phải là ngàm, cũng khụng phải là khớp. Việc giải bài toỏn này một cỏch tường minh theo cụng thức giải tớch là rất khú khăn.
4.4.2. Sơ đồ dải bản khảo sỏt
Để xỏc định được dải bản tương đương tiến hành khảo sỏt cỏc trường hợp bản làm việc với cỏc điều kiện như sau:
− Về điều kiện biờn: Biờn khớp và biờn ngàm.
− Về khẩu độ tớnh toỏn: Thay đổi trong phạm vi khoảng cỏch giữa 2 tim dầm
đỡ và khoảng cỏch giữa cỏc vỏch trong của sườn dầm. − Về bề rộng dải bản: Bề rộng theo tiờu chuẩn thiết kế [5].
Hỡnh 4. 23: Sơ đồ xếp xe theo phương ngang cầu và mụ hỡnh dải bản tương đương. Xột bài toỏn dải bản chỉ đặt một bỏnh xe tại chớnh giữa bản dải bản. Tớnh toỏn Xột bài toỏn dải bản chỉ đặt một bỏnh xe tại chớnh giữa bản dải bản. Tớnh toỏn đối với cỏc trường hợp đều cú bề rộng dải bản 1,485m bằng với bề rộng dải bản tương đương 1,485m khi tớnh mụ men dương theo TCVN 11823:2017 với khoảng cỏch cỏc dầm đỡ S = 1,5m [5]. Cỏc mụ hỡnh dải chịu tỏc dụng của tải trọng bỏnh xe được khảo sỏt:
Sơ đồ 1: Bản BTCT biờn ngàm, khẩu độ tớnh toỏn bằng khoảng cỏch tim cỏc dầm đỡ, Stt = S = 1,5m;
Sơ đồ 2: Bản BTCT biờn ngàm, khẩu độ bằng trung bỡnh của khoảng cỏch bề mặt trong sườn dầm đỡ và khoảng cỏch tim cỏc dầm đỡ, Stt = S - tw/2 = 1,375m (tw là chiều dày sườn dầm);
Sơ đồ 3: Bản BTCT biờn ngàm, khẩu độ bằng khoảng cỏch mặt trong cỏc sườn dầm đỡ, Stt = S - tw = 1,25m;
Sơ đồ 4: Bản BTCT biờn khớp, khẩu độ bằng khoảng cỏch tim cỏc dầm đỡ, Stt = S = 1,5m;
Sơ đồ 5: Bản BTCT biờn khớp, khẩu độ bằng khoảng cỏch mặt trong cỏc sườn dầm đỡ, Stt = S - tw = 1,25m;
Mụ hỡnh 3D dải bản BTCT khảo sỏt chịu tỏc dụng của tải trọng bỏnh xe ở chớnh giữa bản như Hỡnh 4. 24. Sử dụng phần mềm chuyờn dụng MIDAS FEA
trong phõn tớch tớnh toỏn. Phần tử bờ tụng là phần tử khối cú kớch thước 25x25x25 (mm), phần tử thộp là phần tử thanh cú kớch thước 25mm.
Hỡnh 4. 24: Mụ hỡnh dải bản chịu tỏc dụng của tải trọng bỏnh xe.
4.4.3. Kết quả phõn tớch tuyến tớnh
Kết quả phõn tớch tuyến tớnh về ứng suất trong bờ tụng, cốt thộp và biến dạng cốt thộp như Hỡnh 4. 25. Phõn bố ứng suất phỏp tại đỏy bản theo phương dọc cầu và ngang cầu theo kết quả phõn tớch tuyến tớnh như Hỡnh 4. 26. Ứng suất phỏp theo phương ngang cầu lớn hơn theo phương dọc cầu. Ứng suất lớn nhất dưới vị trớ trọng tõm vựng đặt tải bỏnh xe và giảm dần theo cả 2 phương.
Hỡnh 4. 25: Kết quả phõn tớch tuyến tớnh dải bản khẩu độ 1,375 m biờn ngàm, tải trọng bỏnh xe của trục 25 tấn.
1 - Ứng suất phỏp theo phương ngang cầu 1 - Ứng suất phỏp theo phương dọc cầu Hỡnh 4. 26: Phõn bố ứng suất phỏp ở đỏy bản - Sơ đồ 2 - Phõn tớch tuyến tớnh
Tổng hợp kết quả phõn tớch ta được phõn bố ứng suất phỏp theo phương ngang của cỏc sơ đồ dải bản khảo sỏt và mụ hỡnh 3D kết cấu nhịp (mụ hỡnh kết cấu nhịp dầm T với đầy đủ dầm dọc, dầm ngang và bản mặt cầu) chịu tỏc dụng của xe tải nặng 3 trục trong Mục 4.3) như Hỡnh 4. 27. Ứng suất phỏp tại đỏy bản do mụ men dương của sơ đồ 3D kết cấu nhịp nằm giữa sơ đồ 2 và sơ đồ 3. Ứng suất kộo lớn nhất và đỏnh giỏ sai số giữa cỏc sơ đồ khảo sỏt với mụ hỡnh 3D kết cấu nhịp chịu tồn bộ tải trọng xe như trong Bảng 4. 8. Cỏc sơ đồ 4, 5 với biờn khớp cú sai số lớn so với sơ đồ 3D kết cấu nhịp, cỏc sơ đồ 1, 2, 3 với biờn ngàm cú sai số nhỏ hơn. Sơ đồ 2 cho kết quả gần nhất trong cỏc sơ đồ khảo sỏt với sai số 2,98%. Mặt khỏc, ứng suất sơ đồ 2 lớn hơn so với sơ đồ 3D kết cấu nhịp nờn đõy là sơ đồ tớnh thiờn về an tồn. Bờn cạnh đú, sơ đồ 1 với khẩu độ bằng khoảng cỏch tim cỏc sườn dầm cú sai số 12,20%. Ứng suất sơ đồ 1 lớn hơn sơ đồ 3D kết cấu nhịp nờn sơ đồ 1 cũng là sơ đồ thiờn về an tồn. Sơ đồ 3 với khẩu độ bằng khoảng cỏch mặt trong cỏc sườn dầm cú sai số 5,65% nhưng giỏ trị ứng suất nhỏ hơn sơ đồ 3D kết cấu nhịp nờn đõy là sơ đồ cú tiềm ẩn rủi ro.