4.1.1. Sơ đờ nhịp sử dụng:
Căn cứ vào các sơ đờ nhi ̣p thường được lựa cho ̣n trong thực tế cũng như để đề tài có tính ứng du ̣ng vào thực tế, sơ đờ nhi ̣p cầu treo dây võng 3 nhi ̣p với các thơng sớ kỹ thuâ ̣t được lựa cho ̣n như sau:
Nhi ̣p chính L1 = 400m, hai nhi ̣p biên L2= 125m, tởng chiều dài cầu L=650m. Khổ ngang cầu S=12m. Bớ trí hai mă ̣t phẳng dây, các dây treo thẳng đứng song song.
Hình 4.1 Sơ đờ cầu nghiên cứu
Tru ̣ tháp hình chữ H có bớ trí ba giằng ngang ta ̣i vi ̣ trí cách đỉnh tru ̣ tháp 2.50m, vi ̣ trí giữa đỉnh tru ̣ tháp và bản mă ̣t cầu, vi ̣ trí bản mă ̣t cầu. Trong tất cả các trường hơ ̣p xét tĩnh khơng thơng thuyền khơng thay đổi.
4.1.2. Các trường hợp chiều cao trụ tháp cầu nghiên cứu:
Để nghiên cứu ảnh hưởng của “chiều cao trụ tháp” đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu treo dây võng, tiến hành lập mơ hình tính tĩan nội lực cầu với sơ đồ nhịp, thơng số kỹ thuật và tải trọng đã chọn như trên bằng việc thay đổi “chiều cao trụ tháp” từ 30m đến 70m. Sơ đồ nghiên cứu “ chiều cao trụ tháp” thay đổi cụ thể như sau : hình 4.2
Hình 4.2
4.1.3. Thơng số vật liệu và kích thước hình học của các bộ phận kết cấu:
4.1.3.1. Vật liệu :
Đặc trưng kỹ thuật vật liệu của các bộ phận kết cấu cầu cĩ ảnh hưởng rất lớn đến khả năng chịu lực chúng nĩi riêng và khả năng chịu tải của cầu nĩi chung. Trong cầu treo dây võng các bộ phận chịu lức chính của cầu bao gồm cáp chủ, dây treo, dầm chính, giằng ngang và trụ tháp.
Các thơng tin chính về vật liệu của các bộ phận này được lựa chọn trên cơ sở thực tế như sau: (xem bảng 4.1)
Bảng 4.1 Thơng số đặc trưng vật liệu của các bộ phận kết cấu
Thơng số Đơn vị Hạng mục
Cáp chủ Dây treo Dầm chính Trụ tháp, giằng ngang
Mơ đun đàn hồi (Evl) kN/m2 1.95x108 1.95x108 1.95x108 3.50x107
Trọng lượng đơn vị kN/m3 80 80 80 24.5
Hệ số Poisson 0.3 0.3 0.3 0.17
Hệ số giãn nở nhiệt 1/[C] 1.20x10-5 1.20x10-5 1.20x10-5 1.00x10-5
4.1.3.2. Kích thước hình học các bộ phận:
Trên cơ sở lựa chọn các thơng số của vật liệu, lựa chọn kích thước đạc trưng hình học các bộ phận cầu như sau:
Cáp chủ : theo hình dạng ở trạng thái hệ chưa chịu tải trọng di động, dây
chủ thường cĩ dạng đường cong parapol, đường tên võng với hệ treo cĩ một lớp dây nối với dầm cứng bằng các liên kết thẳng đứng thường là f=(1/8→1/12)L. Chọn cáp chủ với thơng số kỹ thuật như trong bảng 4.2:
Bảng 4.2 Thơng số hình học của cáp chủ
Hình dạng Thơng số Đơn vị Giá trị
Đường kính thực m 0.34
Diện tích mặt cắt ngang m2 9.07x10-2
Diện tích kháng cắt Asy m2 8.17 x10-2
Diện tích kháng cắt Asy m2 8.17 x10-2
Momen quán tính Ixx m4 1.31 x10-3
Momen quán tính Iyy m4 6.55 x10-4
Dây treo : theo khả năng chịu tải cục bộ của dầm cứng cũng như cĩ xem xét
đến điều kiện làm việc của cáp chủ (khi khoảng cách giữa các dây treo lớn, cáp chủ sẽ gãy khúc, chịu lực cục bộ lớn). Chọn cáp treo với thơng số kỹ thuật như trong bảng 4.3:
Bảng 4.3 Thơng số hình học của dây treo
Hình dạng Thơng số Đơn vị Giá trị
Đường kính thực m 0.14
Diện tích mặt cắt ngang m2 1.53 x10-2
Diện tích kháng cắt Asy m2 1.38 x10-2
Diện tích kháng cắt Asy m2 1.38 x10-2
Momen quán tính Ixx m4 3.77 x10-5
Momen quán tính Iyy m4 1.88 x10-5
Momen quán tính Izz m4 1.88 x10-5
Dầm chính: tỷ số giữa chiều cao h của dầm và chiều dài nhịp phụ thuộc vào
nhiều yếu tố và cĩ ảnh hưởng lớn đến độ cứng của tồn hệ, thơng thường chọn h=(1/80→1/120)L – L: chiều dài nhịp chính. Chọn mặt cắt ngang dầm chính dạng hộp với thơng số kỹ thuật như sau (Bảng 4.4)
Bảng 4.4 Thơng số hình học của dầm chủ Hình dạng Thơng số Đơn vị Giá trị Diện tích mặt cắt ngang m2 1.66 Diện tích kháng cắt Asy m2 1.44 Diện tích kháng cắt Asy m2 0.24
Momen quán tính Ixx m4 4.63
Momen quán tính Iyy m4 1.42
Momen quán tính Izz m4 25.32
Khẩu độ của dầm chính theo phương dọc cầu cũng chính bằng khỏang cách giữa các khoang treo của dây treo trong sơ đồ cầu lựa chọn, khoảng chia dây treo 12.5m, dầm chính cĩ trọng lượng tương đương lấy bằng 106.9kN/m.
Trụ tháp : theo phương ngang cầu, trụ tháp thường cĩ cấu tạo dạng khung.
Theo phương dọc cầu, trụ tháp bị uốn nếu dây được liên kết cố định với đỉnh trụ, và chịu nén lệch tâm nếu dây đặt trên đỉnh trụ tháp thơng qua liên
kết gối di động. Chọn mặt cắt ngang trụ tháp dạng hộp với thơng số kỹ thuật như sau: (Bảng 4.5)
Bảng 4.5 Thơng số hình học của trụ tháp Hình dạng Thơng số Đơn vị Giá trị Diện tích mặt cắt ngang m2 16.32 Diện tích kháng cắt Asy m2 12.48 Diện tích kháng cắt Asy m2 9.60
Momen quán tính Ixx m4 44.27
Momen quán tính Iyy m4 26.77
Momen quán tính Izz m4 43.94
4.1.4. Các trường hợp tải trọng nghiên cứu:
4.1.4.1. Tính tải:
Tĩnh tải trong cầu nhịp lớn nĩi chung và trong cầu treo dây võng nĩi riêng gây ra nội lực rất lớn trong các bộ phận cầu. Vì vậy, cần nghiên cứu ảnh hưởng của tĩnh tải bản thân đến nơ ̣i lực và biến da ̣ng trong cầu treo dây võng.
4.1.4.2. Tải trọng tập trung:
Để kiểm tra ứng xử của cầu treo dây võng tại giai đoạn hồn thiện, chúng ta giả định tải trọng kiểm tra là tải trọng tĩnh của xe, giả thiết trọng lượng tĩnh của xe khoảng 46Tấn ~450kN. Khi đĩ gán giá trị tải trọng tập trung thẳng đứng cĩ giá trị 450kN tác dụng tại ½ nhịp giữa; ½ nhịp biên; ¼ nhịp giữa.
4.1.4.3. Tải trọng HL93:
Hiện nay ở nước ta, thiết kế cầu theo tiêu chuẩn 22TCN-272-05, dựa trên tiêu
chuẩn AASHTO Mỹ. Tải trọng xe ơtơ thiết kế là HL-93, sẽ gồm một tổ hợp của: Xe tải thiết kế hoặc xe 2 trục thiết kế, và
Tải trọng làn thiết kế.
Trong luận văn khơng xét tải trọng của người đi bộ.
- Xe 2 trục thiết kế: gồm một cặp trục 110.000N cách nhau 1200mm. Cự ly chiều ngang của các bánh xe lấy bằng 1800mm
Cấu tạo xe tải thiết kế và sơ đồ xếp tải trên mặt cắt ngang cầu : Hình 4.3, và hình 4.4 35 kN 145 kN 145 kN 4300 mm 4300 mm tới 900mm mmm 600 mm nói chung
300mm mút thừa của mặt cầu
Làn thiết kế 3600 mm
Hình 4.3 Cấu tạo hoạt tải xe HL93
Hình 4.4 Xếp xe trên mặt cắt ngang cầu
4.2. Các mơ hình tính tốn:
4.2.1. Mơ hình biến dạng lớn
Phân tích ảnh hưởng của chiều cao trụ tháp đến phân bố nội lực trong quá trình thi cơng:
Cầu treo dây võng là loại kết cấu cĩ biến dạng lớn. Nội lực và biến dạng của kết cấu cầu trong quá trình thi cơng được xác định dựa trên cơ sở phân tích phi tuyến hình học.
3700 1465
Tương ứng với từng giai đoạn thi cơng, chia quá trình thi cơng theo các giai đoạn như sau : Hình 4.5
• Giai đoạn thi cơng nghịch 7: Thi cơng lắp dựng hai bĩ cáp chủ sau khi thi cơng xong trụ tháp và hố neo.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 6: Thi cơng 1 phần đoạn giữa nhịp chính.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 5: Thi cơng tiếp 1 phần đoạn nhịp giữa về hai phía trụ tháp.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 4: Thi cơng hịan thiện đoạn nhịp giữa.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 3: Thi cơng 1 phần đoạn 2 nhịp biên từ hai mố neo ra hai trụ chính.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 2:Thi cơng tiếp phần 2 nhịp biên.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 1: Thi cơng hồn thiện nhịp biên, liên kết liên tục các dầm chính với nhau.
• Giai đoạn thi cơng nghịch 0: Hịan thiện tịan bộ cầu.
Giai đoạn thi cơng nghịch 1 Liên kết dầm chủ
Giai đoạn hoàn thiện
Giai đoạn thi cơng nghịch 2
Giai đoạn thi cơng nghịch 4
Giai đoạn thi cơng nghịch 5 5
Hình 4.5 Các giai đoạn thi cơng nghịch cầu
4.2.2. Mơ hình biến dạng nhỏ
Nơ ̣i dung phân tích ảnh hưởng chiều cao tru ̣ tháp đến phân bớ nơ ̣i lực trong quá trình khai thác khơng đề câ ̣p đến viê ̣c phân tích đơ ̣ng lực ho ̣c cơng trình, ởn đi ̣nh tởng thể của kết cấu cũng như kiểm toán ứng suất trong các tiết diê ̣n. Nơ ̣i dung chỉ so sánh nơ ̣i lực xuất hiê ̣n trong kết cấu dưới tác du ̣ng của tải tro ̣ng bản thân, lực tâ ̣p trung ta ̣i ba vi ̣ trí xem xét. Thơng qua viê ̣c phân tích so sánh để thấy được ảnh hưởng của sự thay đởi chiều cao của tru ̣ tháp đến sự phân bớ nơ ̣i lực trong kết cấu cầu treo dây võng.
Với các trường hợp chiều cao tru ̣ tháp đã được mơ hình như ở trong giai đoa ̣n thi cơng là 5 trường hợp với chiều cao tương đới của tru ̣ tháp H=30m, H=40m; H=50m; H=60m; H=70m trong đó khơng tính đến phần chiều cao tru ̣ tháp từ bản mă ̣t cầu đến đỉnh bê ̣ tru ̣.
Kết quả nơ ̣i lực trong dầm chủ được xem xét ta ̣i những mă ̣t cắt bất lợi gờm mă ̣t cắt 1 (VT1) ta ̣i ½ nhi ̣p biên, mă ̣t cắt 2 (VT2) ta ̣i ¼ nhi ̣p chính, mă ̣t cắt 3 (VT3) ta ̣i ½ nhi ̣p chính.
4.3. Kết quả phân tích tính toán theo mơ hình biến dạng lớn:
4.3.1. Ảnh hưởng đến phân bố nội lực
Nơ ̣i dung phần này chỉ trình bày ảnh hưởng của chiều cao trụ tháp đến nội lực và biến dạng trong trụ tháp, cáp chủ trong cầu treo dây võng khi xét ở giai đoạn thi cơng. Nội dung nghiên cứu khơng đề câ ̣p đến viê ̣c phân tích đơ ̣ng lực ho ̣c cơng trình, ởn đi ̣nh tởng thể của kết cấu cũng như kiểm toán ứng suất trong các tiết diê ̣n.
Một trong những đặc trưng của cầu treo dây võng được neo vào đất nền là trong suốt quá trình thi cơng và ở trạng thái cân bằng cuối cùng thì trong dầm chủ khơng xuất hiện mơmen dưới tác dụng của tĩnh tải. Ngược lại, ở trạng thái cân bằng cuối cùng, trụ tháp khơng chịu mơmen, lực ngang ở trạng thái cân bằng, trong giai đoạn thi cơng thì mơmen xuất hiện trong trụ tháp.
Chính vì vậy, nơ ̣i dung chỉ so sánh nơ ̣i lực (lực dọc, momen My) xuất hiê ̣n trong trụ tháp và lực căng cáp chủ dưới tác du ̣ng của tải tro ̣ng bản thân trong quá trình thi cơng. Thơng qua viê ̣c phân tích so sánh để thấy được ảnh hưởng sự thay đởi chiều cao của tru ̣ tháp đến sự phân bớ nơ ̣i lực trong kết cấu cầu treo dây võng.
4.3.1.1. Nội lực trong trụ tháp
Kết quả trong trụ tháp chỉ xem xét lực dọc trục và momen max xuất hiện tại chân trụ tháp trong từng giai đoạn thi cơng ứng với các trường hợp nghiên cứu.
a) Lực nén dọc trục :Kết quả trình bày trong bảng 4.6 và thể hiện trên biểu đồ 4.1
Bảng 4.6 Lực dọc trục trong trụ tháp
Giai đoạn thi cơng
Lực dọc truc tại chân trụ tháp (kN)
H30 H40 H50 H60 H70 GD0:Lst -44508 -47521.6 -51286 -54550.6 -58410.9 GD1:Lst -44507.7 -47521.4 -51246.6 -54549.8 -58409.9 GD2:Lst -43824.1 -46816 -50525.5 -53782.3 -57656.8 GD3:Lst -41258.2 -44095.2 -47705.1 -50480.9 -54614.3 GD4:Lst -40696.7 -43494 -47077.6 -49687.3 -53918.6 GD5:Lst -34606.7 -37298.1 -40858.3 -43499.1 -47673.9 GD6:Lst -25812 -28617.1 -32323.6 -35251.8 -39358.3 GD7:Lst -19457.8 -22954.6 -26945.3 -30689.2 -34585.5
Nhận xét: So sánh kết quả trong bảng 4.6 và biểu đồ 4.1 nhâ ̣n thấy khi chiều cao phần trên tru ̣ tháp thay đổi từ H=30m đến H=70m thì lực dọc tại chân trụ tháp thay đổi như sau :
Trong tất cả các trường hợp lực dọc trong trụ tháp tăng theo từng giai đoạn thi cơng. Ví dụ đối với trường hợp H30 tại giai đoạn mới lắp dây treo (giai đoạn 7) thì lực dọc trục Fz=-19457.8kNvà giai đoạn hồn thiện (giai đoạn 0) lực dọc trục Fz=-44508kN, lực dọc tăng 2.28 lần.
Trụ càng cao thì giá trị lực dọc trong trụ tháp càng lớn. Ví dụ tại giai đoạn mới lắp dây treo (giai đoạn 7) đối với trường hợp H30 thì lực dọc trục Fz= -19457.8kN, trường hợp H70 Fz=- 34585kN, lực dọc tăng 1.77 lần. Giai đoạn hồn thiện (giai đoạn 0) với trường hợp H30 thì lực dọc trục Fz=- 44508kN, trường hợp H70 lực dọc trục Fz=-58410kN, Lực dọc tăng 1.31 lần.
Ở giai đoạn hịan thiện, khi chiều cao trụ tháp tăng từ H30 đến H40 (tỉ lệ H30/H40=1.33) thì lực Fz tăng 1.07 lần, trụ tháp tăng từ H30 đến H50 (tỉ lệ 1.67) thì lực Fz tăng 1.15 lần, trụ tháp tăng từ H30 đến H60 (tỉ lệ 2.0) thì lực Fz tăng 1.22 lần, trụ tháp tăng từ H30 đến H70 (tỉ lệ 2.33) thì lực Fz tăng 1.31 lần. Lực dọc trong trụ tháp tăng tỷ lệ thuận theo chiều cao trụ tháp.
Trụ càng cao lực dọc tại chân trụ tháp càng bất lợi.
b) Momen uốn quanh trục y: Kết quả trình bày trong bảng 4.7 và thể hiện trên biểu đồ 4.2
Bảng 4.7 Momen trong trụ tháp
Giai đoạn thi cơng
Momen uốn My tại chân trụ tháp (kN.m)
H30 H40 H50 H60 H70 GD0:Lst 157901 98574 8433 81519 60594 GD1:Lst 157900 98578 14184 81535 60609 GD2:Lst 163124 106206 23294 97870 72042 GD3:Lst 211877 179993 113247 274501 192527 GD4:Lst 224088 199072 137149 328034 227087 GD5:Lst 191697 177071 121422 307347 217025 GD6:Lst 109310 120262 78062 236628 178907 GD7:Lst 880 -1675 -40437 -8505 -2932
Biểu đồ 4.2 Momen uốn My tại chân trụ tháp
Nhận xét: So sánh kết quả trong bảng 4.7 và biểu đồ 4.2 nhâ ̣n thấy khi chiều cao phần trên tru ̣ tháp thay đổi từ H=30m đến H=70m thì momen tại chân trụ tháp thay đổi như sau :
Trong tất cả các trường hợp, ở giai đoạn vừa lắp đặt xong cáp chủ (giai đoạn 7) tại chân trụ tháp xuất hiện momen âm, chỉ trừ trường hợp chiều cao phần trên trụ tháp nhỏ hơn 40m là cĩ giá trị dương. Trong các giai đoạn tiếp theo khi thi cơng kết cấu nhịp chính thì momen uốn tại chân trụ tháp thay đổi từ
âm sang dương và biến thiên theo hình parabol, khi bắt đầu thi cơng kết cấu dàm chủ nhịp biên cho đến giai đoạn hịan thiện thì momen uốn cĩ xu hướng giảm theo đường thẳng tuy nhiên độ giảm khơng nhiều.
Trong suốt quá trình cơng momen uốn My tại chân trụ tháp luơn cĩ giá trị nhỏ nhất khi chiều cao phần trên trụ tháp H=50m.
Tại giai đọan hồn thiện mơmen uốn tại chân trụ tháp sẽ bất lợi nhất khi chiều cao phần trên trụ tháp cĩ giá trị nhỏ nhất (H30).
4.3.1.2. Nội lực trong cáp chủ
Kết quả lực dọc trong cáp chủ trong từng giai đoạn thi cơng ứng với các trường hợp nghiên cứu. Kết quả trình bày trong bảng 4.8 và thể hiện trên biểu đồ
4.3 Bảng 4.8 Lực dọc trục trong cáp chủ Giai đoạn thi cơng Lực dọc trong cáp chủ tại đỉnh tháp (kN) H30 H40 H50 H60 H70 GD0:Lst 50589.59 37966.75 31868.04 26590.41 23924.24 GD1:Lst 50588.36 37966.12 31738.35 26588.36 23921.89 GD2:Lst 50200.31 37522.38 31250.81 25997.85 23358.85 GD3:Lst 47907.69 35009.08 28662.42 22473.47 20511.57 GD4:Lst 47378.59 34418.94 28050.78 21535.19 19820.34 GD5:Lst 40215.46 28510.15 23121.46 17390.8 16078.03 GD6:Lst 22675.51 14847.5 11989.12 8301.315 7801.452 GD7:Lst 7862.171 5035.061 4417.255 3461.795 3040.04 Biểu đồ 4.3 Lực dọc trục trong cáp chủ
Nhận xét: So sánh kết quả trong bảng 4.8 và biểu đồ 4.3 nhâ ̣n thấy khi chiều cao phần trên tru ̣ tháp thay đổi từ H=30m đến H=70m thì lực căng trong cáp chủ thay đổi như sau :
Trong tất cả các trường hợp lực căng trong cáp chủ tăng theo từng giai đoạn thi cơng. Từ giai đoạn 7 đến giai đoạn 4 lực căng tăng nhanh sau đĩ tốc độ tăng giảm dần. Ví dụ đối với trường hợp H30 tại giai đoạn 7 thì lực căng Fx=7862kN, giai đoạn 4 Fx=47378kN tăng 6.0 lần và đến giai đoạn hồn thiện (giai đoạn 0) Fx=50589kN, lực căng trong cáp chủ chỉ tăng 6.43 lần.
Trụ càng cao thì giá trị lực căng trong cáp chủ càng nhỏ. Ví dụ tại giai đoạn