Nghiên cứu ảnh hưởng của tỷ lệ nhịp đến nội lực và biến dạng trong cầu dây văng hai nhịp

TỔNG QUAN KẾT CẤU DÂY VĂNG HAI NHNP

Tình hình ứng dụng kết cấu cầu treo dây văng hai nhịp trên thế giới

Cầu dây văng (CDV) là loại cầu có tính kinh tế, kỹ thuật và mỹ quan vượt trội, được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới, bao gồm cả Việt Nam CDV nổi bật với khả năng vượt nhịp lớn, kết cấu hiện đại và hình dáng kiến trúc đẹp, phù hợp với quy mô xây dựng lớn và công nghệ tiên tiến Cầu dây văng được phát triển dựa trên hệ dàn dây Gisclard, tạo nên một hệ thống bất biến hình với các dây văng chịu kéo và dầm cứng chịu uốn.

Cầu Severins tại Köln là chiếc cầu dõy văng hai nhịp đầu tiên trên thế giới, nổi bật với cấu trúc tháp chữ A và sơ đồ cáp quạt Các cầu như Friedrich Ebert và Rees cũng sử dụng thiết kế nhiều cáp, trong khi cầu Mannheim-Ludwigshafen kết hợp nhịp chính bằng thép và nhịp biên bằng bê tông, giúp giảm lực neo Trong những thập kỷ 1960-1970, cầu hai nhịp được áp dụng rộng rãi cho các cầu vượt qua đường và sông nhỏ Việc chọn phương án cầu hai nhịp thường phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình và yếu tố mỹ quan, như cầu qua sông Rhin ở Düsseldorf Một ví dụ khác là sơ đồ CDV hai nhịp ở Bratislava, Slovakia, được xây dựng gần thành phố với tháp cầu nghiêng về phía bờ, tạo cảm giác mạnh mẽ Tháp cầu còn có quán ăn, không chỉ gây ấn tượng mà còn tạo đối trọng cho tải trọng ở nhịp chính.

H×nh 1.1 : CÇu Bratislava ( Slovakia ) H×nh 1.2 : CÇu Anamillo ( TBN )

Chuyên ngành : Xây Dựng Xây Dựng Xây Dựng Cầu Xây Dựng Cầu Cầu Cầu Đường Đường Đường Đường Trang 7

Cầu dây văng hai nhịp không chỉ là một công trình giao thông mà còn là biểu tượng của sự sáng tạo trong kiến trúc, thu hút sự chú ý của các nhà khoa học và kiến trúc sư Một ví dụ điển hình là cầu Alamino ở Tây Ban Nha, với thiết kế tháp nghiêng 32 độ, tạo hình dáng giống như mũi tên, mang đến ấn tượng mạnh mẽ về sự độc đáo trong kiến trúc của khu vực.

CDV hai nhịp là một loại công trình xây dựng phổ biến trên toàn cầu Bảng 1.1 trình bày một số CDV hai nhịp đã được xây dựng trên thế giới, trong khi Bảng 1.2 giới thiệu 10 CDV hai nhịp với nhịp chính dài hơn 300m.

Bảng 1.1 Các cầu dây văng hai nhịp trên thế giới

STT Tên cầu- Năm hoàn thành- Địa ủieồm

Nhịp Dầm chính Trụ tháp

Chiều dài nhòp chính- nhòp bieân(m)

Toồng chieàu dài hai nhịp daây vaêng(m)

1 Lipon Risteyssilta – 2001 -Phần Lan 70-43 113 113 11.5 40 cột

5 Antalya – 2007 – Thổ Nhĩ Kì 101+101 202 202 13.7 40 Y ngược

6 Saint-Florent-le-Vieil – 1965 - Pháp 104-104 208 208 2.4 9.1 28 H

7 Bridge of the Isles – 1993 - Nepal

Bảng 1.2 Mười cầu dây văng hai nhịp có nhịp chính dài hơn 300m

STT Tên cầu- Năm hoàn thành- Địa điểm

Chiều dài nhịp bieân-nhòp chính(m)

4 Kao – Ping – Shi – 2000 – Đài Loan 180-330 330 3.2 34.5 183.5 Y ngược

Khả năng phát triển kết cấu cầu treo dây văng hai nhịp ở Việt Nam

Cầu dây văng (CDV) đầu tiên ở Việt Nam được xây dựng vào năm 1976 bắc qua sông Đak'rông tại Quảng Trị Sau một thời gian dài không có thêm công trình nào, những năm gần đây, nhờ vào sự chuyển giao công nghệ và kỹ thuật xây dựng cầu tiên tiến từ nước ngoài, một số CDV nhịp lớn đã được hoàn thành, như cầu Mỹ Thuận, cầu Kiền, cầu Bính, cầu Rạch Miễu, cầu Bãi Cháy và cầu Cần Thơ Tuy nhiên, phần lớn các công trình này là CDV ba nhịp, trong khi CDV hai nhịp ở Việt Nam hiện chỉ có Cầu Rào II, cầu Dackrong và cầu Sông Hàn, và chưa có cầu dây văng hai nhịp nào mới được xây dựng.

Tại Việt Nam, cầu sông Hàn (Đà Nẵng) là CDV 2 nhịp có tháp cầu cứng quay được là một biểu tượng đặc trưng của Thành phố Đà Nẵng (Hình 1.3)

Hình 1.3: Cầu Sông Hàn – Đà Nẵng

Bảng 1.3 giới thiệu các cầu dây văng hai nhịp được xây dựng ở Việt nam

Bảng 1.3 Các cầu dây văng hai nhịp đã xây dựng ở Việt nam

Chiều dài nhịp chính – nhịp biên Tồng chiều dài cao rộng cao Loại tháp

Trong nhiều năm qua, các trường đại học Bách khoa, Giao thông vận tải, Xây dựng và các viện nghiên cứu, Tổng công ty xây dựng tại Việt Nam đã tập trung nghiên cứu lý thuyết và thực hành về công nghệ xây dựng cầu Việc tiếp cận công nghệ xây dựng cầu mới trên thế giới đã thúc đẩy nhu cầu nghiên cứu, phân tích lý thuyết và khả năng ứng dụng của cầu dầm hai nhịp (CDV), điều này trở nên cần thiết để nâng cao hiệu quả trong ngành xây dựng.

PHÂN LOẠI VÀ CƠ CHẾ CHNU LỰC CẦU DÂY VĂNG HAI NHNP

PHÂN LOẠI CẦU DÂY VĂNG HAI NHNP

2.1.1 Phân loại theo sơ đồ bố trí dây:

CDV là một hệ thống kết hợp giữa dầm cứng và dây văng, trong đó sơ đồ và cách phân bố dây có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực cũng như các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu.

2.1.1.1 S ơ đồ dây đồ ng quy:

Sơ đồ dây đồng quy là một cấu trúc trong đó các dây văng hội tụ tại một nút cố định trên tháp cầu, từ đó các dây này tỏa xuống để neo và kết nối với dầm cứng tại một điểm, tạo ra các gối đàn hồi cho dầm liên tục.

Hình 2.1: Sơ đồ dây đồng quy

Hình 2.2 : C ầ u Donaustadtbrucke ( Áo ) - S ơ đồ dây đồ ng quy

Trong sơ đồ dây đồng quy, các dây được kết nối chắc chắn tại nút trên đỉnh tháp cầu, mang lại nhiều lợi ích cho cấu trúc và tính ổn định của công trình.

Nội lực trong dây thông qua nút và dây neo truyền vào mố trụ và dầm cứng, do đó hệ có độ cứng lớn

Lực ngang gây ra bởi cáp trong dầm thì nhỏ, do đó lực dọc trong dầm thường có giá trị nhỏ hơn so với sơ đồ dây song song

Uốn dọc của tháp cầu thì vừa phải

Dây neo cường độ cao neo vào mố hoặc trụ đầu tiên sẽ giảm bớt biến dạng của trụ tháp và kết cấu dầm cứng

Sơ đồ bố trí dây này có kết cấu tối ưu nhờ vào độ dốc lớn nhất, giúp phát huy hiệu quả lực gối thẳng đứng tốt nhất và từ đó giảm thiểu đường kính cáp văng.

Vị trí dây cáp gần tháp có độ dốc đứng cao, dẫn đến việc giảm độ cứng của liên kết phương ngang giữa tháp và dầm cứng, điều này có thể được xem là một yếu tố bất lợi.

Sơ đồ dây đồng quy được sử dụng rộng rãi và hiệu quả cho các cầu dây có số lượng dây ít và khoang lớn, giúp đơn giản hóa cấu tạo nút dây trên đỉnh tháp cầu Bên cạnh đó, sơ đồ này cũng thường được áp dụng trong các cầu tháp cứng hoặc khi bố trí dây không đối xứng.

Hình 2.3: S ơ đồ dây song song

Hình 2.4 : C ầ u Oberkassen ( Đứ c)- S ơ đồ dây song song

Trong sơ đồ dây song song, các dây văng được bố trí song song và đồng đều trên tháp cầu, neo vào các điểm trên dầm chủ, giúp cấu trúc trở nên đơn giản với tối đa hai dây tại mỗi nút Về mặt kiến trúc, thiết kế này mang lại cảm giác đường nét song song và sự đồng đều từ mọi góc nhìn, khác biệt so với các hệ thống dây khác có bố trí giao cắt lộn xộn.

Sơ đồ dây song song có nhược điểm là tạo ra mô men uốn lớn hơn trong dầm và trụ tháp, đòi hỏi trụ tháp cần có độ cứng cao để chống lại biến dạng của mặt cầu.

Hình 2.6 : C ầ u Ben Ahin ( B ỉ ) - S ơ đồ dây r ẽ qu ạ t

Sơ đồ dây hình rẽ quạt là một giải pháp thiết kế trung gian giữa sơ đồ đồng quy và sơ đồ song song, với các cặp dây được bố trí gần nhau trên tháp cầu để dễ dàng lắp đặt và điều chỉnh chiều dài dây Thiết kế này giúp các dây văng không song song, từ đó tối ưu hóa góc nghiêng lớn hơn ở các dây trung gian và giảm thiểu hiện tượng uốn ngang của tháp cầu Trong sơ đồ này, các dây được neo cố định trên tháp cầu với khoảng cách giữa các điểm neo được tối thiểu hóa, dẫn đến mômen uốn dưới tác động của lực ngang từ hoạt tải trở nên nhỏ và không làm tăng kích thước của tháp.

Hiện nay sơ đồ hình rẽ quạt là phương án được ưa dùng nhất cho các nhịp cầu lớn, khoang nhỏ, nhiều dây (Hình 2.6)

Ngoài 3 sơ đồ phân bố dây cơ bản đã nêu, tuỳ theo đặc điểm cấu tạo của từng cầu, còn có thể áp dụng các sơ đồ dây liên hợp (Hình 2.7)

+ Sơ đồ song song - đồng quy

+ Sơ đồ đồng quy - Rẽ quạt

Hình 2.8 : C ầ u Rama VIII( Bangkok ) - S ơ đồ dây liên h ợ p

2.1.2 Phân loại theo số mặt phẳng dây:

Cầu dây văng hai nhịp có sự đa dạng về số mặt phẳng dây, với thống kê cho thấy cầu treo dây văng hai nhịp hai mặt phẳng dây chiếm ưu thế hơn hẳn so với cầu treo dây văng hai nhịp một mặt phẳng dây Phân loại cầu dây văng hai nhịp có thể chia thành ba loại cơ bản.

+ Sơ đồ 1 mặt phẳng dây (Hình 2.9)

+ Sơ đồ 2 mặt phẳng dây (Hình 2.10)

+ Sơ đồ kết hợp (Hình 2.11)

Hình 2.9 : C ầ u Victor Bodson (Luxembourg) – M ộ t m ặ t ph ẳ ng dây

Hình 2.10 : C ầ u Jialing (Trung Qu ố c) – S ơ đồ hai m ặ t ph ẳ ng dây

Hình 2.11 : C ầ u Victor Bodson (Luxembourg) – M ộ t+ ba m ặ t ph ẳ ng dây

2.1.3 Phân loại theo cấu tạo dầm chủ và hệ mặt cầu:

Trong CDV, có hai loại tiết diện ngang dầm chủ với nguyên lý làm việc và phân bố vật liệu khác nhau Đối với cầu ở khu vực đô thị, thiết kế kết cấu nhịp cần có mặt cắt ngang mỏng, dẫn đến việc thay thế mặt cắt thanh bằng mặt cắt hộp hình tam giác Lợi ích chính từ sự thay đổi này là cải thiện mỹ quan, tuy nhiên, độ cứng chống xoắn giảm, dẫn đến tần số dao động xoắn cũng giảm theo.

Dầm chủ đơn năng là loại dầm có tiết diện đa dạng, được bố trí trong các mặt phẳng dây và chịu lực, cụ thể là lực nén tại biên của dàn.

Trong cầu có dầm chủ đơn năng, các bộ phận của hệ mặt cầu hoạt động độc lập, với dầm chủ chịu lực như một biên cứng, chủ yếu chịu nén và uốn trong mặt phẳng thẳng đứng Khả năng chống xoắn được đảm bảo bởi các dầm ngang và hệ dây, trong khi dầm mặt cầu và bản làm việc cục bộ theo nhịp của bản, dầm dọc và ngang Dầm chủ đơn năng chỉ phù hợp sử dụng trong các cầu có nhiều mặt phẳng dây.

Tiết diện ngang của dầm chủ có thể là dạng I đơn, được kết nối với các dầm ngang, trong khi hệ dầm dọc và bản mặt cầu bằng thép hoặc BTCT nằm trên dầm dọc Các bộ phận của hệ mặt cầu hoạt động độc lập, với bản mặt cầu chịu lực cục bộ theo nhịp bản, dầm dọc làm việc cục bộ theo nhịp giữa các dầm ngang, và dầm chủ hoạt động như biên cứng của dàn chịu nén uốn Để đảm bảo độ ổn định tổng thể và cục bộ theo phương ngang cầu, các dầm ngang cần được bố trí dày và hệ liên kết dọc phải mạnh mẽ.

Hình 2.12: Mặt cắt ngang dầm chủ đơn năng bằng thép cầu 2 nhịp Albert Canal

PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHNP

GIỚI THIỆU PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CẦU DÂY VĂNG HAI NHNP

Phân tích kết cấu cầu dây văng có thể thực hiện qua nhiều phương pháp khác nhau, bao gồm các phương pháp cơ học kết cấu cổ điển như phương pháp lực và phương pháp chuyển vị.

Phương pháp lực và phương pháp chuyển vị đều dựa trên lý thuyết đàn hồi, với phương pháp lực tập trung vào các phản lực và phương pháp chuyển vị tập trung vào các chuyển vị Cả hai phương pháp này đều cung cấp giải pháp chính xác cho các mô hình toán học và kết cấu đã cho Tuy nhiên, quá trình giải quyết các bài toán bằng hai phương pháp này thường mang tính thủ công.

Các phương pháp này chủ yếu dựa trên lý thuyết đàn hồi tuyến tính, tuy nhiên cần có những điều chỉnh phức tạp để xem xét tính không tuyến tính của cấu trúc mềm.

Ngày nay, nhờ vào sự phát triển của máy tính, phương pháp phần tử hữu hạn đã trở thành công cụ quan trọng nhất trong việc xây dựng mô hình số.

Sau đây là nội dung các phương pháp trên

Phương pháp lực là kỹ thuật thay đổi tác động của các liên kết thừa, giúp kết cấu trở nên siêu tĩnh, bằng các phản lực liên kết Kết cấu sau khi cắt bỏ một số liên kết thừa được gọi là kết cấu cơ bản, có tính chất tĩnh định hoặc bậc siêu tĩnh thấp hơn so với kết cấu ban đầu Sự làm việc của kết cấu cơ bản dưới tác động của phản lực liên kết và lực bên ngoài tương đương với kết cấu ban đầu Giá trị của các phản lực liên kết được xác định dựa trên điều kiện liên tục về chuyển vị tại các liên kết bị cắt, với phương trình chính tắc của phương pháp lực mô tả điều kiện này.

Chuyên ngành : Xây Dựng Xây Dựng Xây Dựng Cầu Xây Dựng Cầu Cầu Cầu Đường Đường Đường Đường Trang 45 δ11 δ 1 n X1 ∆ 1 p

Trong đó: δ ij là chuyển vị tại liên kết cắt thứ i do lực đơn vị tại liên kết j gây ra trên kết cấu cơ bản, δ ij = δ ji

∆ ip là chuyển vị tại liên kết bị cắt thứ i do tác động bên ngoài sinh ra trên kết cấu cơ bản và

X i , được gọi là Nn cơ bản i, là phản lực tại liên kết bị cắt thứ i

Các thành phần đáp ứng như nội lực, chuyển vị, v.v…, trên kết cấu siêu tĩnh được xác định theo quan hệ sau:

S là thành phần đáp ứng trên kết cấu siêu tĩnh cần tính,

S i là thành phần đáp ứng do Xi = 1 gây ra trên kết cấu cơ bản và

S op là thành phần đáp ứng do tác động bên ngoài gây ra trên kết cấu cơ bản

3.1.2 Phương pháp chuyển vị: Ý tưởng chính của phương pháp này là dùng một số tối thiểu các Nn chuyển vị trong kết cấu để mô tả trạng thái chuyển vị của nó và, qua đó, xác định các giá trị đáp ứng khác của kết cấu Các Nn chuyển vị được phân biệt thành Nn chuyển vị góc và Nn chuyển vị thẳng

Số tối thiểu các Nn chuyển vị góc được xác định dựa trên nguyên tắc tương thích về biến dạng tại các nút cứng của kết cấu, trong đó các phần tử tại một nút cứng có cùng góc quay Ẩn chuyển vị thẳng được xác định qua sơ đồ khớp, nơi các liên kết được thể hiện rõ ràng.

Chuyên ngành Xây Dựng Cầu yêu cầu sự thay thế các khớp cứng bằng các khớp linh hoạt Việc này giúp duy trì hình dạng của sơ đồ khớp và đảm bảo không có biến dạng hình học xảy ra.

Kết cấu cơ bản của phương pháp chuyển vị được hình thành bằng cách thêm các liên kết chống quay vào vị trí của các nút chuyển vị quay và các liên kết chống chuyển vị thẳng vào nơi có chuyển vị thẳng Điều này dẫn đến việc kết cấu cơ bản có bậc siêu tĩnh cao hơn so với kết cấu ban đầu Các bộ phận của kết cấu này là độc lập, có trạng thái ứng suất và biến dạng tương đối đơn giản, dễ xác định, chẳng hạn như các đoạn thanh thẳng.

Các Nn cơ bản của phương pháp chuyển vị được xác định dựa trên điều kiện cân bằng tại các liên kết bổ sung, cụ thể là tại vị trí đặt các Nn này Phương trình chính tắc mô tả điều kiện cân bằng này là công cụ quan trọng để xác định các Nn cơ bản trong phương pháp chuyển vị.

Trong đó: r ij là phản lực tại liên kết đặt thêm tương ứng với Nn cơ bản i do Nn cơ bản R j = 1 gây ra trên kết cấu cơ bản

R ij là phản lực tại liên kết đặt thêm tương ứng với Nn cơ bản i do tác động bên ngoài sinh ra

Các thành phần đáp ứng như nội lực, chuyển vị…, trên kết cấu siêu tĩnh được xác định theo quan hệ sau:

S là thành phần đáp ứng trên kết cấu siêu tĩnh cần tính

S i là thành phần đáp ứng do R i = 1 gây ra trên kết cấu cơ bản và

S op là thành phần đáp ứng do tác động bên ngoài gây ra trên kết cấu cơ bản

Phương pháp hổn hợp là phương pháp Nn số trong phương trình ma trận bao gồm cả lực và chuyển vị

Cầu dây văng là một loại cầu có bậc tự do vô hạn, trong đó dầm được coi là dầm liên tục đặt trên các gối đàn hồi Để đạt được cấu trúc ổn định với bậc tự do hữu hạn, thuật toán đầu tiên sẽ loại bỏ các bậc tự do ứng suất dư thừa và các thành phần phản lực Điều kiện biên sẽ được thiết lập cho các chuyển vị tại các điểm đã loại bỏ liên kết dư thừa.

Công thức tổng chuyển vị liên quan đến việc loại bỏ các điểm liên kết thừa, trong đó số phương trình của kết cấu tương đương với số liên kết thừa Phương trình tổng quát cho n liên kết thừa được biểu diễn như sau: δ ' a + X a δ aa + X b δ ab + … + X n δ an = ∆ a, δ ' b + X a δ ba + X b δ bb + … + X n δ bn = ∆ b, và δ ' n + X a δ na + X b δ nb + … + X n δ nn = ∆ n.

X a, X b, X c, …, X n là các phản lực thừa tương đương Các chuyển vị δ ' a, δ b ', …, δ ' n tương ứng với tải trọng tại các điểm A, B, C,…, N theo các hướng của X a, X b, X c,…, X n Chuyển vị δ aa, δ bb, δ cc, …, δ nn tại các điểm A, B, C,…, N do các lực X a, X b, X c,…, X n gây ra với giá trị bằng 1 đơn vị Cuối cùng, δ ab là chuyển vị tại điểm A theo hướng của lực X a.

X b bằng 1 đơn vị gây ra δ ba :chuyển vị tại B theo hướng của lực X b do lực

X a bằng 1 đơn vị gây ra

∆ a , ∆ b , ∆ c , ……… , ∆n : tổng chuyển vị tại các điểm A,B,C,…… ,N Xem xét kết cấu được đưa ra trong hình sau:

Hình 3.1: Chuyển vị của kết cấu cho trước với bậc tự do được loại bỏ

Kết cấu được hỗ trợ bởi các gối A, B, C và gối đàn hồi D, E, với cáp liên kết ở điểm F và trụ tháp được gắn chốt ở chân tháp Kết cấu này có ba bậc tự do, tương ứng với các thành phần thẳng đứng của lực căng cáp và phản lực tại gối đỡ B.

Khi chuyển từ kết cấu vô hạn không xác định sang kết cấu xác định, dầm giản đơn nhịp AC sẽ chịu độ võng dưới tác dụng của tải trọng tại các điểm D, B, E Độ võng tại các điểm D, B, E được coi là độc lập với độ võng của hai điểm căng cáp D và E Tính tương thích yêu cầu độ võng tại điểm B phải bằng 0, trong khi độ võng của dầm tại D và E cần phải tương đương với độ võng của cáp tại các điểm này.

Xem xét về tính tương thích chuyển vị đứng ở điểm D ta có phương trình sau: δ ' d – f dd X d - f db X b - f de X e = ∆d (3.6)

X d , X e : thành phần thẳng đứng của lực cáp tại điểm D và E

CĂN CỨ LỰA CHỌN CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU

3.2.1 Căn cứ chọn chiều dài khoang dầm, chiều cao dầm và tiết diện dầm nghiên cứu:

Chiều dài khoang dầm, khoảng cách giữa hai điểm neo dây trên dầm chủ, là yếu tố quan trọng trong việc chọn sơ đồ cầu Nó liên quan mật thiết đến chiều dài khoang dầm của nhịp biên và nhịp chính Chiều dài khoang dầm có ảnh hưởng lớn đến thiết kế và hiệu suất của cầu.

*/ Trị số mô men uốn cục bộ của dầm chủ trong phạm vi khoang

*/ Nội lực, độ lớn của dây văng và hệ neo cố

*/ Công nghệ thi công dầm và dây

*/ Độ an toàn của công trình khi dây có sự cố và tạo thuận lợi khi sửa chữa, thay dây

Chiều dài các khoang dầm trong mỗi nhịp, bao gồm nhịp biên và nhịp chính, thường được thiết kế bằng nhau Có thể lựa chọn chiều dài khoang dầm của nhịp biên tương đương với nhịp chính, dẫn đến số lượng khoang của nhịp chính nhiều hơn nhịp biên Ngoài ra, cũng có thể chọn chiều dài khoang dầm của nhịp biên nhỏ hơn so với nhịp chính theo tỷ lệ nhất định.

L, số khoang nhịp chính bằng số khoang nhịp biên Tùy thuộc vào dầm cứng bằng thép hoặc bê tông cốt thép (BTCT), khi chọn chiều dài khoang dầm, có thể lựa chọn các trị số khác nhau.

- Dầm cứng bằng thép, thép bê tông liên hợp : d = 8 ~ 14 m

Khi chọn tiết diện dầm đòi hỏi các kích thước thích hợp nhưng phải thoả mãn các yêu cầu cơ bản sau :

*/ Đủ khả năng chịu lực dọc, mô men uốn và ổn định

*/ Giá thành công trình thấp nhất

*/ Thoả mãn điều kiện biến dạng tổng thể và cục bộ của công trình

*/ Thoả mãn điều kiện chế tạo và công nghệ thi công

*/ Có hình dạng thoát gió tốt

Diện tích tối thiểu của dầm chủ tại tiết diện có lực dọc lớn nhất phải thoả mãn điều kiện :

A : diện tích tiết diện dầm chủ

S max : lực dọc tính toán lớn nhất trong dầm chủ do tĩnh và hoạt tải

R : cường độ tính toán của vật liệu làm dầm chủ k : hệ số xét tới ảnh hưởng của mô men uốn và ảnh hưởng uốn dọc

Hệ số k phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó k tỷ lệ thuận với mô men uốn và tỷ lệ nghịch với chiều cao cũng như khoảng cách của vật liệu so với trọng tâm tiết diện.

Chiều cao tương đối của dầm chủ (h/l) bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm sơ đồ cầu và các liên kết như tháp cứng hoặc mềm, sự hiện diện của dây neo, chiều dài khoang (d) và loại kết cấu dầm chủ như bản, dầm, hộp hoặc dàn.

1 → l h , trường hợp dùng khoang lớn thì chiều cao dầm chủ cần được kiểm tra theo tỷ lệ chiều dài khoang dầm

Dạng mặt cắt ngang mỏng hứa hẹn nhiều triển vọng, nhưng trong luận văn sử dụng kết cấu 4 làn xe, mo men uốn ngang yêu cầu kích thước cầu lớn Chiều cao dầm phụ thuộc vào mo men ngang, dẫn đến bề rộng cầu ảnh hưởng đến chiều cao Ví dụ, cầu rộng 30m có chiều cao dầm cứng từ 1.2m đến 2m Việc thiết kế dầm theo hai phương dọc và ngang cầu không dễ dàng để tìm phương án tối ưu Kết cấu nhịp bê tông có chiều dày trung bình khoảng 50cm Mo men uốn theo phương dọc cầu giảm khi độ cứng giảm, do đó, sàn mặt cầu là sàn đơn và cần ít thiết bị phụ trợ khi xây dựng.

3.2.2 Căn cứ chọn chiều cao trụ tháp và dạng trụ tháp nghiên cứu:

Chiều cao của tháp cầu có tác động trực tiếp đến góc nghiêng của các dây văng, từ đó ảnh hưởng đến độ cứng và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của cầu Để đạt hiệu quả tối ưu, góc nghiêng của dây văng nên được chọn trong khoảng 20° đến 25°, giúp xác định chiều cao phù hợp cho tháp cầu.

Tháp cầu là cấu trúc chính chịu nén lệch tâm, với mức độ lệch tâm phụ thuộc vào sơ đồ liên kết giữa tháp, dây văng và trụ cầu Diện tích tối thiểu của tháp cầu có thể được xác định sơ bộ bằng một công thức cụ thể.

A t : diện tích cột tháp g,p : tĩnh tải và hoạt tải tính toán phân bố đều tác dụng lên một dàn

L 1 , L 2 : chiều dài nhịp biên và chiều dài nhịp chính

R t : cường độ vật liệu làm tháp

A : góc nghiêng của chân tháp so với mặt ngang 0,5 : hệ số xét tới ảnh hưởng của uốn dọc và mô men uốn trong tháp

Trong luận văn này, chúng tôi sẽ chọn loại trụ tháp hình chữ H với chân tháp rộng và có độ nghiêng vào trong khi lên cao Sơ đồ bố trí dây sẽ được thiết kế theo hai mặt phẳng nghiêng, nhằm tối ưu hóa khả năng chịu lực ngang nhờ vào độ cứng ngang lớn.

Dạng liên kết bệ móng là cấu trúc tháp ngàm ở móng, trong đó trụ tháp gắn vào móng với độ mềm dẻo tương đối, giúp tải trọng và nhiệt độ không tạo ra ứng suất nghiêm trọng cho kết cấu Tuy nhiên, trong trường hợp này, mô men uốn lớn có thể phát sinh trong trụ tháp Dầm chính cầu sẽ được đặt xuyên qua giữa hai chân trụ tháp và được hỗ trợ bởi dầm ngang.

3.2.3 Căn cứ chọn tiết diện dây văng nghiên cứu:

Trong cấu trúc CDV hai nhịp, dây làm việc đóng vai trò như gối đàn hồi chịu kéo Nội lực trong dây đạt giá trị tối đa khi có tải trọng đứng toàn cầu Lực dọc trong dây văng chịu tác động của tĩnh tải và hoạt tải có thể được xác định theo một công thức cụ thể.

Chuyên ngành Xây Dựng Cầu tập trung vào việc tính toán tải trọng tĩnh và hoạt động trên cầu, đảm bảo phân bố đều trên toàn cầu Chiều dài hai khoang dầm nằm kề nút dây thoải nhất được ký hiệu là d,d g, trong khi góc nghiêng của dây văng thoải nhất ở khu vực giữa nhịp được ký hiệu là α g.

Nội lực của các dây văng còn lại trong phạm vi nhịp xác định theo công thức: i g i S

Riêng dây neo làm việc bất lợi nhât khi hoạt tải đứng kín nhịp chính, do đó nội lực trong dây neo được xác định theo công thức sau: o h i i k j i t S

Tiết diện các dây văng được xác định theo công thức: f

S i : Nội lực do tĩnh tải và hoạt tải trong dây văng f : cường độ tính toán của vật liệu làm dây

Khi chọn tiết diện dây văng, cường độ tính toán f của dây được lấy như sau:

* Tổ hợp thi công : f =0,56f pu

Trong đó: f pu : cường độ giới hạn đảm bảo của vật liệu làm dây

Cường độ cực hạn đảm của vật liệu làm dây cáp văng f pu là:

- Sợi 15.2mm 7-wire ASTM A416 là 1860Mpa

- Sợi 6.35mm ASTM A421 là 1655Mpa

Trong nghiên cứu của luận văn, việc sử dụng cáp sợi có đường kính 15.2mm cho phép ứng suất làm việc tối đa là 0.45f pu, tương đương với 837Mpa.

MỘT SỐ PHẦN MỀM TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHNP

Hiện nay, sự phát triển mạnh mẽ của máy tính điện tử đã thúc đẩy việc ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong các phần mềm tính toán kết cấu, mang lại độ chính xác và tốc độ cao Nhiều phần mềm đã được phát triển để giải quyết các bài toán kết cấu hiệu quả.

Chuyên ngành Xây dựng cầu và đường sử dụng các phần mềm phân tích kết cấu hiệu quả như SAP 2000, RM, Lusas, Staad Pro, và Midas Civil.

SAP 2000 là phần mềm phân tích và thiết kế kết cấu mạnh mẽ và đa năng của hãng Computer & Structure (Mỹ), nổi bật với khả năng phân tích các bài toán phi tuyến.

Material nonlinearity allows for the simulation of various types of materials, including orthotropic materials, anisotropic materials, and those with time-dependent properties.

• Phi tuyến hình học (Geometric Nonlinear) : xét các hiệu ứng P-delta, hiệu ứng biến dạng lớn (Large displacement)

• Phần tử phi tuyến (Nlink element) : mô phỏng các phần tử liên kết, phần tử gối đỡ, phần tử giảm chấn có các ứng xử phi tuyến

Midas Civil là phần mềm nổi tiếng của hãng MIDAS IT - Hàn Quốc, chuyên phục vụ cho việc tính toán kết cấu cầu Hiện tại, phần mềm này đang được sử dụng rộng rãi trong ngành xây dựng.

Phần mềm thiết kế cầu dây văng đã được sử dụng để phân tích nhiều công trình nổi bật trên thế giới, bao gồm cầu Ironton – Russell với chiều dài 1900ft và cầu Weirton-Steubenville dài 1965ft Đặc biệt, phần mềm này được ứng dụng rộng rãi tại Mỹ và các quốc gia châu Á như Nhật Bản, Trung Quốc, Malaysia Một số tính năng chính của phần mềm này giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và đảm bảo tính chính xác trong phân tích cầu.

• Phân tích kết cấu với số lượng nút và phần tử không hạn chế

Hệ thống hỗ trợ đa dạng các loại phần tử từ cơ bản đến chuyên biệt, bao gồm thanh dầm tổng quát (chịu kéo, nén, uốn, xoắn), thanh dàn (chỉ chịu kéo nén), thanh chỉ chịu kéo (cáp), thanh chỉ chịu nén, tấm vỏ và khối.

• Phân tích kết cấu có xét đến tính phi tuyến hình học (biến dạng lớn), phi tuyến vật liệu, P-Delta, …

• Phần tử động lực học: tính trị riêng, phổ phản ứng, lịch sử thời gian…

Mô hình hóa và phân tích các giai đoạn thi công cần xem xét sự thay đổi tính năng vật liệu, co ngót và từ biến của bê tông, cũng như vị trí và hình dạng của kết cấu.

• Hỗ trợ trực tiếp việc mô hình hóa và phân tích

Hiện nay, có nhiều phần mềm trên thế giới giúp người dùng tính toán kết cấu cầu một cách hiệu quả và chính xác.

Sau khi khảo sát một số phần mềm tính toán, tôi nhận thấy Midas Civil nổi bật với giao diện thân thiện và dễ sử dụng Phần mềm này không chỉ có độ chính xác cao mà còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều công trình thực tế trên toàn thế giới Chính vì vậy, tôi đã quyết định chọn Midas Civil để hỗ trợ tính toán cho luận văn của mình.

PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG TỶ LỆ NHNP ĐẾN SỰ PHÂN BỐ NỘI LỰC VÀ BIẾN DẠNG TRONG CẦU TREO DÂY VĂNG HAI NHNP

Tiêu đề	Nghiên Cứu Ảnh Hưởng Của Tỷ Lệ Nhịp Đến Nội Lực Và Biến Dạng Trong Cầu Dây Văng Hai Nhịp
Tác giả	Trương Thụy Minh Hoàng
Người hướng dẫn	TS. Phùng Mạnh Tiến
Trường học	Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Xây dựng cầu hầm
Thể loại	luận văn thạc sĩ
Năm xuất bản	2010
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	138
Dung lượng	2,29 MB