6. Kết cấu của luận văn
2.3.2 Nguyờn lý tớnh toỏn thiết kế cầu dầm hộp thộp
a) Cỏc ứng xử của dầm hộp thộp khi chịu lực
Cấu tạo 1 dầm hộp bao gồm 2 vỏch, 1 bản thộp đỏy và 1 bản nắp. Hộp kớn cú khả năng chống xoắn cao hơn nhiều so với hộp hở. Yếu tố này luụn được cõn nhắc khi lựa chọn phương ỏn thiết kế mặt cắt hộp.
Dầm hộp hiếm khi được sử dụng trong cỏc cụng trỡnh xõy dựng dõn dụng (Cột cú mặt cắt hỡnh hộp đụi khi cũng được sử dụng nhưng thường chịu lực nộn chứ khụng chịu uốn và xoắn). Cột mặt cắt hỡnh hộp cú thể được sử dụng trong cỏc trường hợp kết cấu chịu tỏc dụng của tải trọng lệch tõm.
Dầm hộp thộp liờn hợp bờtụng cốt thộp được sử dụng trong cầu trờn đường cao tốc, cho dự kết cấu này đắt hơn nhiều so với dầm bản thộp.
Dầm hộp thộp cú những ưu điểm sau đõy Chịu xoắn tốt
Bề rộng mặt cầu rất lớn Mặt ngoài sạch
Cú thể sử dụng mặt cắt ngang hỡnh thang hoặc hỡnh vuụng, hỡnh chữ nhật. Độ cứng chống xoắn là 1 ưu điểm đặc biệt khi dầm được sử dụng trong kết cấu cầu cong trờn mặt bằng. Mặt cắt dầm cú thể chịu lực xoắn tốt mà khụng cần cỏc thanh giằng phụ.
Đặc biệt trong trường hợp bị hạn chế tĩnh khụng, việc sử dụng dầm hộp tỏ ra hiệu quả vỡ cho phộp giảm tỷ lệ giữa chiều dài nhịp và chiều cao mặt cắt ngang.
Một ưu điểm khỏc của dầm hộp là cỏc phần kết cấu phụ trợ giỳp tăng khả năng khỏng xoắn của mặt cắt cú thể bố trớ trong lũng hộp. Chớnh vỡ lý do này, dầm hộp mang tớnh mỹ quan rất cao, phự hợp cho cỏc cụng trỡnh trong đụ thị.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 44 Việc ỏp dụng vỏch nghiờng (bề rộng phần đỏy nhỏ hơn bề rộng phần nắp hộp) cho phộp giảm bề rộng của tấm đỏy (thường được ưu tiờn sử dụng khi kết cấu chịu nộn ở mặt dưới). Thụng thường vỏch nghiờng giỳp tạo vẻ mỹ quan cho kết cấu cao hơn so với vỏch thẳng, và cũng cú tớnh chất khớ động học tốt hơn. Để lựa chọn mặt cắt dầm hộp, người ta làm thớ nghiệm hầm giú từ đú xỏc định cỏc thụng số khớ động lực học của mặt cắt làm cơ sở cho việc thiết kế và lựa chọn phương ỏn tối ưu.
Dầm hộp cú thể được thiết kế dưới dạng hộp đơn, hộp đụi hay đa hộp. Mặt cầu cú thể là bờ tụng cốt thộp hoặc bản trực hướng bằng thộp cường độ cao. Nếu sử dụng mặt cầu liờn hợp bờ tụng cốt thộp thỡ mặt cắt dầm cú thể là hộp kớn hoặc mặt cắt dạng chữ U, mặt cắt chữ U này sẽ được chuyển thành mặt cắt hộp kớn khi đổ bờ tụng bản mặt cầu. Xem hỡnh 1-3.
Biện phỏp thi cụng cũng là 1 trong những nhõn tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn mặt cắt ngang dầm hộp. Tớnh chất chịu xoắn tốt của mặt cắt hộp cho phộp giảm cỏc kết cấu gia cường phụ trợ (đối với dầm bản thộp thỡ cỏc bộ phận gia cố này là rất cần thiết). Cầu cú thể được thi cụng theo phương phỏp đỳc sẵn từng đốt hộp, sau đú nõng lờn đỳng vị trớ thiết kế và liờn kết vào kết cấu. Phương phỏp này đặc biệt thớch hợp trong trường hợp ỏp dụng biện phỏp thi cụng lắp hẫng.
b) Cỏc yếu tố chớnh của dầm hộp
Rất nhiều yếu tố của dầm hộp được minh họa trong hỡnh 22, 23, 24 cú tớnh chất tương tư với dầm bản thộp, cho dự tỷ lệ cho khỏc nhau đụi chỳt. Cú 1 vài tớnh năng chỉ riờng dầm hộp mới cú.
Hỡnh 22: Cầu dầm hộp thộp liờn liờn hợp bản BTCT sử dụng dầm hộp kớn cú mặt cắt ngang hỡnh chữ nhật
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 45 Hỡnh 23: Cầu dầm hộp thộp liờn liờn hợp bản BTCT
sử dụng dầm hộp hở cú mặt cắt ngang hỡnh thang
Hỡnh 24: Cầu dầm hộp thộp liờn liờn hợp bản BTCT sử dụng dầm hộp kớn cú mặt cắt ngang chữ nhật
Hỡnh 25: Cầu dầm hộp thộp sử dụng bản mặt cầu trực hướng
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 46 Cỏc tấm vỏch cú tỏc dụng chịu lực cắt và momen uốn. Tấm vỏch mỏng cần cú cỏc sườn tăng cường để đảm bảo tớnh ổn định trong quỏ trỡnh chịu lực, cũng tương tự như trong dầm bản thộp. Tấm vỏch nghiờng thụng thường cú chiều dài lớn hơn vỏch thẳng (xột trong mặt phẳng tấm) cho nờn cú độ cứng cao hơn.
Cỏc tấm vỏch liờn kết với cỏc sườn tăng cường thường rộng hơn so với vỏch tương ứng của dầm mặt cắt chữ I. Cần phải xột đến hiện tượng cắt trễ. Đối với cỏc vỏch lớn, cần kiểm tra độ ổn định của vỏch khi chịu nộn và cú thể thiết kế cỏc sườn tăng cường dọc và ngang nếu cần thiết.
Khi sử dụng mặt cắt thộp hở và được tạo kớn bằng bản bờ tụng cốt thộp liờn hợp, cần thiết kế cỏc bản thộp rời trờn mặt mỗi cỏnh. Cỏc bản thộp này cần được gia cường chịu cắt trong suốt quỏ trỡnh thi cụng.
Khi sử dụng mặt cắt thộp kớn và liờn hợp với bản mặt bờ tụng cốt thộp, cần đảm bảo liờn kết giữa bản bờ tụng mặt cầu và tấm thộp nắp hộp nhằm truyền lực cắt trong quỏ trỡnh thi cụng và khai thỏc.
Tại vị trớ gối cầu, cần thiết kế cỏc thanh giằng gia cố. Cỏc thanh giằng này cú tỏc dụng truyền phản lực từ gối đến kết cấu dầm và làm giảm biến dạng của hộp.
Trong thiết kế dầm hộp thộp, cần chỳ ý đến khoảng khụng trong lũng hộp, đủ rộng để cỏn bộ kỹ thuật cú thể đi vào trong để thực hiện cỏc cụng việc thi cụng, kiểm tra, sửa chữa và bảo trỡ cụng trỡnh. Khoảng khụng này phải thụng suốt theo toàn bộ chiều dài nhịp.
c) Phõn tớch tổng thể
Đối với dầm mặt cắt chữ I, việc phõn tớch tổng thể nhằm xỏc định momen và lực cắt trong dầm chủ dưới tỏc dụng của tải trọng. Chớnh vỡ tải trọng chủ yếu tỏc dụng theo phương thẳng đứng cho nờn chỉ xem xột tớnh toỏn thiết kế dầm I trong mặt phẳng thẳng đứng.
Tuy nhiờn, đối với trường hợp dầm hộp, cú 2 trạng thỏi bổ sung cần được xem xột là trạng thỏi xoắn và khụng xoắn (được trỡnh bày trong cỏc phần sau), cỏc bộ phận nằm giữa cỏc giằng ngang cú thể được xem như là khụng chịu xoắn. Hiệu ứng chịu xoắn cần được xột đến khi phõn tớch tổng thể kế cấu.
Đối với mặt cắt dầm hộp đơn, khụng cong trờn mặt bằng, cần xột đến cỏc trạng thỏi uốn, cắt và xoắn, nhưng nhỡn chung mụ hỡnh phõn tớch hợp lý nhất là mụ hỡnh grillage. Cỏc phần tử dầm trong mụ hỡnh phõn tớch grillage cú 3 bậc tự do – chuyển vị thẳng đứng,
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 47 chuyển vị gúc xoay đối với trục ngang và chuyển vị gúc xoay đối với trục dọc - và vỡ thế cú khả năng xỏc định trực tiếp 3 ứng xử chớnh khi phõn tớch ứng suất. Cỏc chương trỡnh mỏy tớnh cú thể được dựng để phõn tớch theo mụ hỡnh grillage, mặc dự vậy trong giai đoạn thiết kế sơ bộ cú thể ỏp dụng mụ hỡnh giàn khụng gian để phõn tớch kết cấu với cỏc phần tử cú đầy đủ 6 bậc tự do.
Đối với cỏc mặt cỏnh rộng thỡ cần xem xột hiện tượng cắt trễ - Hiện tượng cắt trễ xảy ra ở những vựng gần với lỗ bu lụng hoặc đường hàn, khi mà ứng suất cắt phỏt triển làm cho ứng suất kộo ở xa bu lụng hay đường hàn giảm đi so với giỏ trị lớn hơn tại mộp. Khi tải trọng dọc trục được truyền vào bản thụng qua lực cắt thỡ bản bị xoắn trong mặt phẳng của nú. Ứng suất phõn bố trong bản cỏnh phõn bố khụng đồng đều như được thể hiện trờn hỡnh 27. Hiệu ứng này thụng thường khụng được xem xột trong phõn tớch grillage mà phải được tớnh toỏn riờng.
Hỡnh 27: Hiện tượng cắt trễ trong bản cỏnh rộng (sự biến đổi ứng suất của bản nắp hộp)
Việc tớnh toỏn dựa trờn hiệu ứng khụng xoắn, vốn đó bao gồm trạng thỏi uốn và trạng thỏi mất ổn định cục bộ theo chiều dọc dầm dựa trờn phương phỏp phõn tớch kết cấu làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Trong trường hợp này, giả định rằng ứng suất trong dầm ngang trung gian và cỏc thang giằng tăng cường khỏ nhỏ.
Nếu dầm cú cấu tạo phức tạp thỡ cú thể ỏp dụng phương phỏp phõn tớch phần tử hữu hạn. Cỏc phần tử vỏ được liờn kết với mụ hỡnh mặt cắt ngang theo suốt chiều dài dầm. Với giả thiết độ lưới phần tử đủ mịn và ứng xử của cỏc phần tử tương đối phự hợp; cỏc hiệu ứng như cong vờnh, xoắn và cắt trễ sẽ được xỏc định tương ứng với mụ men uốn, lực cắt và mụ men xoắn.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 48 Cú thể sử dụng phần tử tấm đa diện với giả thiết rằng mặt cắt dầm hộp đồng nhất theo chiều dài của nú, khụng cú khung giằng và tải trọng trờn hộp được quy đổi thành tải trọng phõn bố đều. Mặt dự giỳp cho việc tớnh toỏn được nhanh và hiệu quả, phần tử tấm đa diện này rất khú ỏp dụng vào cỏc thiết kế thụng thường.
Hiện tượng xoắn và khụng xoắn.
Khi phõn tớch ứng xử của dầm hộp chịu tải trọng lệch tõm, thụng thường chia thành 3 trạng thỏi là uốn thuần tỳy và xoắn thuần tỳy và khụng xoắn. Bước đầu tiờn là chia tải trọng thành 2 thành phần: cặp tải trọng thẳng đứng và cặp ngẫu lực như trong hỡnh 28a. Tuy nhiờn, cặp ngẫu lực lại sinh ra cỏc lực cắt dọc theo bề mặt phần tử hộp và được phõn tớch thành 2 trạng thỏi xoắn và khụng xoắn như hỡnh 28b.
Hỡnh 28a: Phõn tớch tải trọng tỏc dụng thành hai thành phần lực
Hỡnh 28a: Phõn tớch ngẫu lực thành thành phần lực gõy xoắn và khụng gõy xoắn
Với 2 thành phần đầu tiờn, tải trọng uốn thẳng đứng và lực cắt gõy xoắn được xem là ngoại lực, cỏc phản lực được hỡnh thành ở trụ hoặc gối cầu. Trong khi đú thành phần thứ 3, lực cắt khụng gõy xoắn được xem như là nội lực, khụng gõy ra bất kỡ phản lực nào.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 49 Hiện tượng xoắn và xoắn cong vờnh
Ứng xử của vỏch mỏng khi chịu xoắn thuần tỳy được đề cập trong nhiều tiờu chuẩn. Với kết cấu hộp đơn, momen xoắn này sinh ra cỏc ứng suất cắt dọc theo vỏch hộp. Lực cắt đơn vị này (lực trờn 1 đơn vị chiều dài) được xem như khụng đổi theo chu vi hộp và được tớnh theo cụng thức q = T/2A, trong đú T là momen xoắn và A là diện tớnh bao kớn của hộp. (Trong hỡnh 2 thỡ momen xoắn là QB/2 và lực cắt đơn vị là Q/4D). Lực cắt đơn vị này sinh ra ứng suất cắt và sức căng trong vỏch hộp và đại lượng được tớnh theo cụng thức:
Trong đú J là hằng số xoắn.
Tuy nhiờn, lực xoắn thuần tỳy này khi tỏc dụng lờn thành mỏng cũng sẽ gõy ra hiệu ứng cong vờnh đối với mặt cắt ngang, trừ khi cấu tạo hỡnh học mặt đủ đặc chắc để chống lại hiện tượng mất ổn định cục bộ. Điều này được minh họa trong hỡnh 29, mặt cắt hỡnh chữ nhật khụng cú liờn kết chống biến dạng gúc ở 2 đầu. Tuy nhiờn, trong thực tế mặt cắt hỡnh hộp ớt khi nào chịu xoắn thuần tỳy mà lực xoắn ớt nhiều thay đổi theo chiều dài kết cấu. Khi momen xoắn thay đổi thỡ hiệu ứng biến dạng gúc cũng thay đổi theo vỡ 2 đại lượng này cú liờn hệ chặt chẽ với nhau.
Hỡnh 29: Biến dạng của dầm hộp mặt cắt hỡnh thang khi chịu xoắn Hiệu ứng khụng xoắn.
Khi lực xoắn tỏc dụng lờn mặt cắt hộp, hiệu ứng gõy ra tương đương với dũng lực cắt tỏc dụng dọc theo chu vi hộp. Hiệu ứng này khụng gõy ra biến dạng gúc đối với hộp.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 50 Momen xoắn cú thể được tớnh đến trong quỏ trỡnh phõn tớch với giả thiết rằng mặt cắt vẫn giữ nguyờn hỡnh dạng dưới tỏc dụng của ngẫu lực.
Tại cỏc vị trớ gối cầu hoặc trụ cầu dầm chịu tỏc dụng của lực cắt lớn và cỏc vị trớ chịu momen lớn cần phải bố trớ cỏc vỏch ngăn hoặc cỏc khung liờn kết ngang. Khi tải trọng phõn bố dọc theo chiều dài dầm hoặc tải trọng tập trung xuất hiện tại 1 số vị trớ đặc biệt thỡ việc phõn tớch ứng suất dầm hộp dưới tỏc dụng chịu xoắn phải được tiến hành theo 1 phương phỏp khỏc.
Theo hỡnh 28b, cỏc thành phần lực khụng xoắn cú xu hướng làm tăng chiều dài của 1 số cạnh, và làm giảm chiều dài của cỏc cạnh cũn lại. Lực khỏng được sinh ra theo 2 cỏch, do momen uốn trong mặt phẳng hộp hoặc do momen uốn ngoài mặt phẳng hộp, xem hỡnh 30.
Hỡnh 30: Chuyển vị trong trường hợp lực khụng gõy xoỏn trong dầm hộp
Nhỡn chung, ứng xử khi khụng chịu uốn phụ thuộc vào tương tỏc của 2 loại momen uốn. Ứng xử này được minh họa tương tự như dầm trờn nền đàn hồi, và sự tương tự này cũng được sử dụng nhiều trong quỏ trỡnh phõn tớch kết cấu khi khụng chịu xoắn.
Nếu chỉ cú lực khỏng gõy ra bởi cỏc vỏch ngăn hoặc cỏc khung liờn kết ngang, tạo ra momen uốn ngoài mặt phẳng dầm, thỡ trạng thỏi khụng xoắn sẽ gõy ra ảnh hưởng lớn đến việc phõn tớch tổng thể cụng trỡnh. Chớnh vỡ lớ do này, thụng thường khi bố trớ cỏc hệ liờn kết ngang, cần xem xột trạng thỏi khụng xoắn để quyết định khoảng cỏch giữa cỏc hệ liờn kết ngang.
Thiết kế mặt cầu
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 51 Mặt bớch chịu kộo được thiết kế chủ yếu dựa trờn momen uốn dọc, giống như khi thiết kế dầm bản thộp. Trạng thỏi xoắn và khụng xoắn và hiệu ứng cắt trễ phải được tớnh đến trong 1 vài trường hợp nhất định. Ứng suất trong dầm khụng được vượt quỏ ứng suất dẻo.
Ở trạng thỏi Giới hạn Sử dụng đàn hồi, quỏ trỡnh tớnh toỏn thiết kế được tiến hành theo cỏch thụng thường, được quy định trong cỏc tiờu chuẩn thiết kế. Trong đú, ứng suất gõy ra bởi cỏc hiệu ứng xoắn, mất ổn định cục bộ và sự thay đổi ứng suất dọc theo bản nắp do cắt trễ phải được tớnh toỏn và kiểm tra. Ứng suất cú giỏ trị cao nhất tại cỏc đường liờn kết giữa bản nắp và bản vỏch.
Ở trạng thỏi giới hạn Đặc biệt, giả thiết dầm vẫn cũn làm việc trong giai đoạn đàn hồi. Cỏc ứng suất gõy ra bởi hiệu ứng xoắn, mất ổn định cục bộ hoặc cắt trễ cú thể được bỏ qua vỡ chỉ là những hiệu ứng thứ yếu.
Mặt chịu nộn
Ngoài việc xem xột ảnh hưởng của tải trọng trong giới hạn đàn hồi, cần phải xem xột tớnh ổn định của mặt chịu nộn.
Mặt bớch tương đối hẹp cú thể khụng cần phải gia cường. Sức khỏng của mặt chịu nộn phụ thuộc vào cường độ của bản thộp. Điều này khỏ thuận lợi khi xem xột tớnh toỏn chiều rộng cú hiệu của bản.
Cỏc mặt bớch cú chiều rộng lớn hơn được gia cường với hệ tăng cường dọc, giỳp tăng độ ổn định của dầm và nõng đỡ cỏc hệ liờn kết ngang.
Thụng thường cỏc hệ liờn kết dọc được thiết kế tương tự như đối với thiết kế cỏc thanh dàn. Chớnh vỡ lớ do này mà cỏc hệ liờn kết ngang cần cú đủ độ cứng. Nếu như bản đỏy quỏ rộng, hệ liờn kết ngang cú thể khụng đạt đủ độ cứng cần thiết, tấm chịu nộn phải được thiết kế với cỏc sườn tăng cường ngang lẫn sường tăng cường dọc; cấu tạo này làm cho việc tớnh toỏn thiết kế trở nờn vụ cựng phức tạp.
Bản thộp trực hướng
Trong một số cụng trỡnh cầu, đặc biệt là cầu nhịp lớn và cầu di động, cần phải tối thiểu húa trọng lượng bản thõn, thụng thường bản mặt cầu được thiết kế bằng bản thộp trực hướng. Dạng bản mặt cầu này được thiết kế cỏc sườn tăng cường dọc; cỏc khung giằng và hệ liờn kết ngang cú tỏc dụng hỗ trợ hệ liờn kết dọc.
HỌC VIấN: NGUYỄN ĐỨC NHÂN TRANG 52 Trong cỏch thiết kế này, bản mặt cầu chịu tỏc dụng trực tiếp của tải trọng trục bỏnh xe, khiến cho việc phõn tớch kết cấu trở nờn rất phức tạp. Liờn kết giữa cỏc chi tiết phải chịu tỏc dụng của tải rọng mỏi trong thời gian dài. Cỏc thụng số được dựng trong thiết kế hiện