Một phương án chống xoắn trong thiết kế cầu cong bê tông cốt thép dự ứng lực

Bài viết Một phương án chống xoắn trong thiết kế cầu cong bê tông cốt thép dự ứng lực trình bày một giải pháp thiết kế chống xoắn cho kết cấu cầu cong bằng, dầm hộp đơn nhịp liên tục với 2 liên cầu mà trên trụ bố trí gối đơn cho phép mặt cắt có thể biến dạng xoắn.

MỘT PHƯƠNG ÁN CHỐNG XOẮN TRONG THIẾT KẾ

CẦU CONG BÊ TÔNG CỐT THÉP DỰ ỨNG LỰC

Đặng Việt Đức

Trường Đại học Thủy lợi, email: dangvietduc@tlu.edu.com

1 GIỚI THIỆU CHUNG

Trong giao thông hiện đại các loại hình

công trình như nút giao khác mức nhiều tầng,

các tuyến đường trên cao uốn lượn theo

hướng tuyến, các tuyến tránh đường đèo men

theo các taluy âm, vượt các khe núi sâu, khu

vực nhạy cảm với với hiện tượng sụt trượt

được áp dụng ngày càng rộng rãi Các dạng

công trình này có thể đảm bảo giữ nguyên tốc

độ khai thác (cầu vượt cầu cao trong các

tuyến đường cao tốc), đảm bảo năng lực

thông hành của các nút giao cắt khác mức

nhiều nhánh trong điều kiện đô thị lớn.Cầu

cong giúp các phương tiện giao thông lưu

thông an toàn qua các khu vực c ó địa hình

hiểm trở, vực sâu và độ dốc và chiều cao của

taluy quá lớn, không bị gián đoạn giao thông

đặc biệt trong mùa mưa bão tại những địa

điểm nhạy cảm với hiện tượng sụt trượt Cầu

cạn còn làm giảm thiểu tác động đến điều

kiện tự nhiên mà công trình đường đi qua,

tránh tình trạng chia cắt do nền đường đắp

cao gây ra (cầu cao trong khu vực bảo tồn

thiên nhiên) Với tất cả các dạng công trình

nêu trên, kết cấu nhịp cong là một bộ phận

cấu thành rất quan trọng, cần được quan tâm

kỹ trong công tác thiết kế kỹ thuật c ũng như

thiết kế biện pháp tổ chức thi c ông

Khó khăn trong thiết kế cầu cong là vấn đề

kiểm soát xoắn phát sinh trong dầm.Mô men

(MM) xoắn xuất hiện trong thanh cong dưới

tác dụng của tất cả các hình thức tải trọng tác

dụng, không chỉ với tải đặt lệch tâm mà còn

với cả những tải trọng nằm đúng tâm, như

tĩnh tải bản thân dầm, tĩnh tải do lớp phủ mặt

cầu, gờ chắn bánh, lan can, cột điện Các

thành phần do hoạt tải đặt đúng tâm hay lệch

tâm và thậm chỉ tác dụng của hệ thống cáp dự

ứng lực (DƯL) cũng đều gây ra xoắn trong dầm Phương án bố trí gối trên trụ không hoặc cho phép mặt cắt dầm biến dạng xoắn cũng sẽ gây ra mức xoắn khác nhau phát sinh trong dầm Trụ bố trí 1 gối (gối đơn), cho phép mặt cắt dầm biến dạng xoắn, thường có quy mô nhỏ hình dạng thanh mảnh tiết kiệm chi phí cho gối cầu là bộ phận đắt tiền Tuy nhiên biến dạng xoắn cho phép MM xoắn tích lũy về vị trí trụ có gối chống biến dạng xoắn, tại vị trí gối c hống c hống xoắn này sẽ

có giá trị phân bố MM xoắn rất lớn Ngược lại, với giải pháp bố trí 2 gối c hống mặt cắt dầm xoay, xoắn sẽ bị hạn chế, phân bố đều giữa các nhịp, tuy nhiên lượng gối và quy mô kết cấu trụ cầu sẽ lớn hơn dẫn đến tăng giá thành công trình Giải pháp bố trí gối lệch tạo nên một MM xoắn do phản lực gối đặt lệch gây ra, cân bằng một phần MM xoắn phát

sinh trong dầm cong bằng (hình 1)

Tu

e

P s

Ts= Ps x e

Hình 1 Cơ sở chống xoắn bằng bố trí lệch gối

Bài báo sẽ trình bày một giải pháp thiết kế chống xoắn cho kết cấu cầu cong bằng, dầm hộp đơn nhịp liên tục với 2 liên cầu mà trên trụ bố trí gối đơn cho phép mặt cắt có thể biến dạng xoắn Bán kính cong kết cấu nhịp c ó giá trị là 70m - xấp xỉ với giá trị nhỏ nhất trong

tiêu chuẩn thiết kế đường cấp 3 đồng bằng [4]

Khẩu độ nhịp chính 40 m là chiều dài thường

áp dụng trong trong các nút giao cắt khác mức

trên thế giới và Việt Nam hiện nay [1] Với

thông số về khẩu độ nhịp và dạng mặt cắt (bao

gồm xác định và và bố trí đường đi của các bó

cáp) xuất phát từ một dầm thẳng tương ứng

Mức độ an toàn khi khai thác c ủa kết nhịp sẽ

được kiểm tra lại thông qua sức kháng uốn,

cắt và xoắn, ứng suất cắt - xoắn kết hợp đối

với nội lực của hệ nhịp dầm cong liên tục theo

tiêu chuẩn 22TCN272-05[5]

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Kết cấu được khảo sát là một cầu dầm hộp

BTCT DƯL 6 nhịp liên tục cong bằng với

bán kính 70m, khẩu độ nhịp 28+4@40+28

(m) Sơ đồ kết cấu được thể hiện như hình 1

với 2 liên cho phép mặt cắt dầm có thể biến

dạng xoắn trên các vị trí gối trung gian (gối

đơn).Có 2 trường hợp được khảo sát: (a) các

gối đơn được bố trí đúng tâm dầm và (b) các

gối đơn được bố trí lệch 0.5m so với trục

dầm (hình 2)

Gối cho phép xoay Gối chống x oa y

28m 40m

40m 40m

40m

G ối cho phép xoay Gối chống xoay

Liên dầm biế n dạng xoắ n Liê n dầm biến

0.5m

0.5m

Hình 2 Sơ đồ k ết cấu có gối đơn

bố trí đúng tấm và lệch tâm

Kết cấu được mô hình theo thuật toán

Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn (PP PTHH):

rời rạc bởi chuỗi các phần tử khung dầm kê

liên tục trên các gối nối đất Các phần tử thanh

thẳng có chiều dài đủ nhỏ để đảm bảo mô tả

yếu tố cong trên mặt bằng của dầm Với mặt

cắt dạng hộp đơn có chiều rộng < 12m và

khẩu độ nhịp 40m đảm bảo giả thiết nhịp dầm

được mô tả như một chuỗi phần tử thanh là hợp lý và cho kết quả tin cậy để phục vụ công tác tính toán thiết kế Với độ dốc dọc không được vượt quá 4%, giả thiết cầu cong trên mặt bằng vẫn được xem là phù hợp Hệ DƯL được

mô tả bằng chức năng Internal Tendon, được phần mềm Midas/Civil định nghĩa bằng hệ ngoại lực tương đương tác dụng lên dầm [3] Điều kiện biên ở trụ giữa và 2 mố được định nghĩa để mô tả các vị trí gối c hống xoay trên mặt phẳng vuông góc với đường tim dầm Điều kiện biên mô tả gối trung gian còn lại để phần tử dầm có thể biến dạng xoắn được trên

vị trí gối trung gian đó, nằm trên trục dầm và

lệch so với trục dầm một khoảng 0.5m (hình

3) Mô hình cũng xét đến trình tự thi công đổ

bê tông tại chỗ tuần tự tịnh tiến với phân đoạn thi công đầu tiên gồm nhịp biên và 1 đoạn hẫng 8 m, 4 phân đoạn tiếp theo có c hiều dài thi công bằng chiều dài nhịp c hính 40m, mối nối cách trụ 1 đoạn 8m, và phân đoạn cuối cùng dài 20m, như vậy mối nối thi c ông sẽ nằm ở các vị trí có giá trị nội lực nhỏ

R =70 m

L =40 m

Mo

T 2

R =70 m

L =40 m

Mo

T 1

T 2

0.5m 0.5m

0.5m 0.5m

Hình 3 Mô hình kết cấu cho dầm cong khảo sát có gối đơn

bố trí đúng tâm và lệch tâm

3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Trong nghiên cứu khảo sát này, số lượng cáp DƯL và thông số hình học c ủa dầm cầu cong như chiều cao dầm, chiều dày thành hộp… được tính toán từ nội lực của dầm

thẳng tương ứng [2] Kết quả giá trị đường

bao MM xoắn trong kết cấu dầm cong c ó 2

liên gối đơn được biểu diễn ở hình 4 Có thể

thấy phân bố MM xoắn đều có giá trị lớn ở

các vị trí trên mố và trụ vì đây là nơi c ó giá

trị phân bố lực cắt và MM uốn lớn MM xoắn

ở trên các vị trí mố, trụ có xu hướng tăng dần

về độ lớn đến vị trí trụ giữa tiếp giáp giữa 2

liên, chính là vị trí bố trí gối chống xoắn Giá

trị bao MM xoắn ở vị trí trụ giữa này có giá

trị tuyệt đối lớn hơn đáng kể so với giá trị ở

các vị trí gối và trụ khác, xấp xỉ 14500kN.m

nhưng vẫn nhỏ hơn mức kháng xoắn mặt của

cắt 19348 kN.m được đề cập ở [2] Tại các vị

trí gối cho phép dầm biến dạng xoắn, vẫn có

điểm nhảy trong đường bao MM xoắn vì ở vị

trí này có bước nhảy về lực cắt và bước nhảy

phân bố MM xoắn gây ra bởi lực theo

phương ngang hướng tâm của hệ thống ứng

suất trước Đường bao MM xoắn của nhịp

dầm cong của 2 trường hợp kết cấu dầm cong

bố trí gối cho phép và không cho phép biến

dạng xoắn được so sánh với nhau ở biểu đồ

hình 4 Kết quả cho thấy giá trị bao MM xoắn

trường hợp dầm cong 2 liên bố trí gối cho

phép biến dạng xoắn cho giá trị tuyệt đối bao

MM xoắn lớn gần gấp 2 lần giá trị trường

hợp dầm cong bố trí tất c ả gối chống xoắn

(14500 so với xấp xỉ 7500 (kN.m))

Hình 4 Đường bao MM xoắn trường hợp

các gối bố trí chống biến dạng xoắn

và có 2 liên cho phép biến dạng xoắn

Với giải pháp bố trí lệch gối như đã trình

bày, đường bao MM xoắn đã phân bố đồng

đều hơn ở các vị trí gối trên mố và các trụ

trung gian, không giống như ở trường hợp bố

trí gối đơn tại vị trí trục dầm - phân bố giá trị

bao xoắn quá lớn ở khu vực gối chống xoắn

phân chia 2 liên xoắn Giá trị lớn nhất ở cận

trên và cận dưới cũng không quá chênh lệch

nhau (-8763 và 6249 (kN.m)) Sự phân bố giá

trị bao MM xoắn trong kết cấu dầm cong bố

trí gối lệch có thể xem gần tương tự như trường hợp bố trí gối chống dầm xoay

Hình 5 Đường bao MM xoắn trường hợp các gối đơn bố trí chính giữa và bố trị lệch

Sự so sánh giá trị đường bao xoắn của dầm cong có gối đơn bố trí c hính giữa và bố trí

lệch được thể hiện ở hình 5 Tại khu vực phân

bố giá trị bao MM xoắn lớn việc bố trí gối lệch đã làm giảm đi đáng kể giá trị bất lợi, cụ thể như như vị trí gối c hống xoay giữa 2 cầu

vị trí phân chia 2 liên xoắn, giá trị tuyệt đối bao MM xoắn của kết cấu c ó gối bố trí gối lệch chỉ bằng 0.6 lần so với giá trị bất lợi nhất của kết cấu nhịp cong có gối bố trí chính giữa

4 KẾT LUẬN

Trong giải pháp bố trí liên dầm có thể biến dạng, các gối trung gian trong liên dầm được

bố trí đơn chiếc cho phép mặt cắt trên gối c ó thể biến dạng xoắn, làm phân bố xoắn truyền tích lũy về 2 đầu c ủa liên với giá trị bao MM xoắn tăng đáng kể, đặc biệt ở vị trí gối c hống xoắn giữa 2 liên Giải pháp bố trí gối đơn lệch ra phía ngoài so với tim dầm có thể phân

bố đều lại giá trị bao MM xoắn, về dạng giống như bố trí gối c hống xoắn

5 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Đình Tâm - Giáo trình Cầu Bê tông cốt thép (Tập 1, 2)

[2] Lương Minh Chính, Đặng Việt Đức, Dương

Anh Tuấn, “Cầu Cong BTCT DƯL: Lực

chọn thông số thiết kế và phương pháp tính toán”, Tuyển tập hội nghị Khoa học thường

niên năm 2017 Trường Đại học Thủy lợi tr90-tr.92

[3] Midas IT - Midas/Civil User Manual [4] TCVN 4054: 2005 Đường ô tô - yêu cầu thiết kế

[5] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN 272 - 05