3.1. Giới thiệu tổng quỏt về cỏc hệ thống cỏp khụng gian
Bốn mụ hỡnh khỏc nhau của hệ cỏp khụng gian được nghiờn cứu và được so sỏnh bằng cỏc biện phỏp phõn tớch số, xem hỡnh 3.1. Trọng tõm là xem sựứng xử của kết cấu khi chịu tải trọng giú, cụ thể là chỳ ý tới cỏc độ vừng. Tĩnh tải của dầm bao gồm cỏc thanh ray, mặt cầu và cỏc thiết bị trờn cầu là 42.7 kN/m. Tất cả cỏc cỏp được thiết kếđể cú ứng suất do tĩnh tải gõy ra là 450 MPa.
a)
c) d)
Hỡnh 3.1 Bốn mụ hỡnh khỏc nhau của hệ cỏp khụng gian.
Ứng xử tĩnh cơ bản đối với tải trọng giú cho mỗi kiểu mụ hỡnh được giải thớch trong hỡnh 3.2. Mụ hỡnh a) được xem xột là một “hệ cỏp khụng gian ba chiều hoàn chỉnh”. Chỳng ta sử dụng thuật ngữ “khụng gian hoàn chỉnh” vỡ cỏc cỏp này truyền cả tải trọng ngang và tải trọng thẳng đứng. Theo cỏch này, chớnh tĩnh tải của dầm và cỏp được sử dụng để dựứng lực cho cỏc cỏp và do vậy cho phộp sự truyền của tải trọng ngang bằng cỏch tăng hoặc giảm dựứng lực này. Với hệ hỡnh a) lực nằm ngang cú thểđược truyền bởi hệ cỏp mà khụng cần bất kỳ trợ giỳp nào từ dầm cầu.
Trong hệ hỡnh b) dầm cú một độ cứng chống xoắn bởi vỡ hai cỏp trờn một mặt cắt của neo cỏp khụng giao nhau ở trọng tõm của dầm và do vậy làm tăng sự xoắn. Kết quả là dầm phải truyền mụ men xoắn từ một mặt cắt của neo cỏp tới mặt bờn kia là nơi mà mụ men xoắn cú chiều ngược lại.
Với hệ hỡnh c) thỡ sự truyền tải trọng ngang bởi hệ cỏp gõy ra sự uốn cục bộ thẳng đứng của dầm. Điều này khụng gõy ra khú khăn gỡ bởi vỡ dầm cầu cú một độ cứng chống uốn theo phương thẳng đứng đủ chắc chắn để cho phộp truyền tải trọng thẳng đứng từđiểm đặt tải tới cỏc mặt cắt của neo cỏp. Cuối cựng, trong hệ cỏp hỡnh d) dầm cần phải cú một độ cứng chống xoắn đỏng kể nếu như cỏc lực nằm ngang được truyền bởi hệ thống cỏp khụng gian này. Trong hệ thống cỏp này, mụ men xoắn khụng ngược chiều nhau ở hai mặt cắt của neo cỏp giống như trường hợp hệ thống cỏp b), vỡ vậy với hệ thống cỏp d) thỡ sự truyền tải trọng ngang bởi hệ thống cỏp sẽ làm tăng mụ men xoắn toàn bộ kết cấu.
Hỡnh 3.2 Ứng xử tĩnh học của bốn mụ hỡnh hệ cỏp khụng gian chịu tỏc dụng của tải trọng ngang, U. Nhưđược mụ tảở trờn, hệ cỏp a) là mụ hỡnh duy nhất trong bốn kiểu mà cú thể xem xột đỳng như hệ cỏp khụng gian hoàn chỉnh. Tuy nhiờn, nú cú một số bất lợi so với ba kiểu cũn lại. Điều bất lợi nhất là số lượng cỏp nhiều gấp đụi so với cỏc kiểu khỏc. Điều này dẫn đến tải trọng giú tỏc dụng vào hệ thống cỏp sẽ lớn hơn. Hơn nữa, quỏ trỡnh điều chỉnh cỏp khi lắp đặt tốn nhiều thời gian và phức tạp hơn.
Hệ thống a) và b) cú cỏc cỏp giao nhau, điều này cú thể dẫn đến một chi tiết kết cấu phức tạp. Hơn nữa, cỏc yờu cầu về tĩnh khụng cũng phải đạt được. Cỏc thuận lợi và cỏc bất lợi của bốn mụ hỡnh được liệt kờ trong bảng 3.1.
Bảng 3.1 Bảng so sỏnh những thuận lợi và bất lợi liờn quan đến bốn hệ cỏp khụng gian
Hệ thống cỏp Cỏc thuận lợi Cỏc bất lợi
a)
- Khụng gian hoàn chỉnh (Cỏc lực ngang cú thểđược truyền mà khụng cần bất kỳ sự trợ giỳp nào từ dầm cầu) - Tải trọng giú lớn trờn hệ cỏp - Việc điều chỉnh cỏp phức tạp hơn - Cỏc cỏp giao cắt nhau b) - vChới mụ hỡnh a) ỉ cần một nửa số cỏp so -- Cỏc cỏp giao cXoắn cục bộ ắt nhau c) - Chvới mụ hỡnh a) ỉ cần một nửa số cỏp so - Khụng cú cỏp giao cắt - Uốn cục bộ - Khụng đối xứng tương ứng với đường tim cầu d) - Chỉ cần một nửa số cỏp so với mụ hỡnh a) - Khụng cú cỏp giao cắt - Xoắn toàn bộ
3.2. Cỏc biến dạng do tải trọng giú
Những đặc điểm kết cấu của dầm được sử dụng nghiờn cứu như sau: A = 0.35 m2 ;Ingang = 2.6 m4 ;Iđứng = 0.31 m4 ;Ixoắn = 0.92 m4
Cỏc chuyển vị do uốn ngang của dầm do tải trọng giú được chỉ ra trong hỡnh 3.3. Cỏc chuyển vị của hệ cỏp b) và c) là giống nhau. Cỏc chuyển vị trong mụ hỡnh a) lớn hơn là vỡ tải trọng giú lớn hơn do cú số cỏp gấp đụi. Bằng kết quả nghiờn cứu cho thấy,giú tỏc động lờn cỏp là nguyờn nhõn của 66% độ vừng giữa nhịp trong trường hợp hệ mụ hỡnh a). Tải trọng giú tỏc dụng lờn dầm cầu là nguyờn nhõn của 31 % và cũn 3% chuyển vị cũn lại là do giú tỏc dụng lờn thỏp cầu. Những chuyển vị lớn của hệ cỏp khụng gian “giả” d) là do sự xoắn toàn bộđược truyền bởi dầm. Theo [4], độ cứng chống xoắn của dầm phải được tăng gấp 10 lần để giảm chuyờbr vị đến mức bằng chuyển vị trong ba hệ cỏp khụng gian kia.
Hỡnh 3.3 Cỏc chuyển vị theo phương ngang (độ vừng ngang) do tải trọng giú trờn kết cấu. So sỏnh bốn mụ hỡnh cỏp khụng gian. Ghi chỳ: Dầm khụng cú liờn kết ngang ở vị trớ cỏc thỏp cầu.
3.3 Ổn định khi uốn dọc
Trong bảng 3.2, sựổn định uốn dọc của dầm được so sỏnh giữa bốn mụ hỡnh. Sự tớnh toỏn bằng phần tử hữu hạn là phõn tớch uốn dọc bằng một trị sốđặc trưng, ởđõy lực nộn được tớnh dưới tỏc dụng của tải trọng thẳng đứng phõn bốđều. Cỏc tải trọng được giả thiết bởi cỏc tải trọng tới hạn nhỏ nhất gõy ra sự mất ổn định do uốn dọc, sự mất ổn định này là giống nhau cho cả bốn loại do tiờu chớ thiết kế ban đầu cho cỏc mặt cắt ngang cỏp.
Bảng 3.2 Cỏc tải trọng tới hạn theo phõn tớch uốn bằng thụng sốđặc trưng. Cỏc tải trọng được giả thiết là cỏc tải trọng tới hạn nhỏ nhất gõy ra uốn theo phương thẳng đứng (một kiểu đối xứng).
Hệ cỏp Khụng đối xứng ngang ngang Đối xứng phương Đốđứng i xứng phương
a) 0.91 0.93 1.0
b) 0.93 0.96 1.0
c) 0.93 0.97 1.0
d) 0.81 0.76 1.0
Cỏc phõn tớch chỉ ra rằng cỏc kiểu cầu cú dầm rất hẹp hay mặt cầu hẹp được đỡ bởi hệ cỏp khụng gian này cú thể khụng ngăn cản được bất kỳ vấn đềổn định nào trong giai đoạn sử dụng nú, vỡ cỏc tải trọng tới hạn gõy ra sự mất ổn định do uốn xấp xỉ bằng 12 lần tải trọng xe tiờu chuẩn. Tuy nhiờn, cú một đặc điểm phõn biệt liờn quan đến một cõy cầu cú một dầm hẹp đú là cỏc tải trọng tới hạn gõy ra uốn theo phương thẳng đứng và phương ngang trờn thực tế là giống nhau. Điều này tương phản với những cõy cầu dõy văng đang tồn tại (cú tải trọng tới hạn gõy ra uốn ngang lớn hơn nhiều so với uốn