ABSTRACT The concrete filled tubular arch bridge does not only help cross large span but also belongs to one of the highest architectural construction.. In Vietnam, there is no technica
Trang 1M T S C I M C U T O VÀ S TÍNH TOÁN
C U VÒM NG THÉP NH I BÊ TÔNG SOME STRUCTURAL FEATURES AND CALCULATING MODEL
OF THE CONCRETE FILLED TUBULAR ARCH BRIDGE
Phùng M nh Ti n và Nguy n Duy D ng*
Phòng C u-C ng, Phân Vi n KHCN GTVT Phía Nam, Tp H Chí Minh, Vi t nam
*Ban QLDA chuyên ngành giao thông t nh Phú Yên, Phú Yên, Vi t nam
B N TÓM T T
K t c u c u vòm ng thép nh i bê tông không nh ng giúp v t nh p l n mà còn là m t trong
nh ng k t c u mang tính th m m cao Tuy nhiên vi c áp d ng lo i c u này t i Vi t Nam v n ch a
đ c ph bi n do ch a có qui trình, qui ph m, tiêu chu n k thu t, tài li u h ng d n tính toán thi t
k liên quan đ n lo i k t c u này Chính vì v y, n i dung bài báo nh m m c đích gi i thi u m t s đ c
đi m c u t o c a k t c u c u vòm ng thép nh i bê tông M t khác, đ hi u đ c ph n nào b n ch t
c a k t c u, n i dung bài báo t p trung phân tích k t qu tính toán m t s mô hình khác nhau đ c xây
d ng d a trên ph n m m SAP2000
ABSTRACT
The concrete filled tubular arch bridge does not only help cross large span but also belongs to one
of the highest architectural construction In Vietnam, there is no technical guides, standards and introduction guide related to this kind of bridge Therefore, the aims of this article is to introduce some structural features of the concrete filled tubular arch bridge In the other hand, the main part of this article concentrates to analyze some results obtained from the various calculating model in SAP2000
to make the essence of the structure clearly
1 M T S C U VÒM NG THÉP NH I
BÊ TÔNG
C u vòm có th đ c thi t k b ng đá,
thép, bê tông c t thép, thép liên h p bê tông
M t s u đi m chính c a k t c u ng thép nh i
bê tông có th k đ n nh bê tông nh i trong
ng thép không nh ng không b co ngót mà trái
l i còn n th tích do đó t o đi u ki n cho bê
tông và v thép cùng nhau làm vi c d i tác
d ng c a t i tr ng khai thác; vi c nh i bê tông
đã t ng kh n ng ch ng r phía trong c a ng
thép, gi m đ m nh c a vòm, t ng đ n đ nh
c c b c a vách ng thép, t ng kh n ng ch ng
bi n d ng; ng tròn có đ c ng ch ng xo n cao
h n các ti t di n h khác; khi dùng ng tròn
nh i bê tông có th ti t ki m kho ng 40% l ng
thép so v i k t c u BTCT thông th ng; m t
ngoài ng thép d b o v ch ng r h n các lo i
ti t di n có hình d ng ph c t p [1] [3]… Chính
vì v y, k t c u ng thép nh i bê tông tr nên khá
ph bi n trên th gi i c bi t đ i v i c u
d ng vòm Trung Qu c nghiên c u ng thép
nh i bê tông t nh ng n m 1970 N m 1990 ~
1992, Trung Qu c đã ban hành tiêu chu n k thu t CECS28-90, DLGJ99-01 và DLGJ-S11-92 liên quan đ n vi c ng d ng công ngh ng thép
nh i bê tông trong xây d ng công trình [6] M t
s c u vòm ng thép nh i bê tông đã xây d ng
t i Trung Qu c đ c li t kê trong b ng 1 và th
hi n trên hình 1 ~4
B ng 1
1 C u Yiwu Yuanhuang, Zhejiang, n m
1990, m t ng đ n ? 800mm, ? 18mm,
m t c u ch y trên, v t nh p 80m
2 C u San-an Yongjiang t nh Guangxi,
1999, m t c u ch y gi a, v t nh p 270m
3 C u Yajisha v t Zhujiang, Guangzhou,
2000, 6 ng(k l c th gi i) Oáng gi a Þ=750, dày 20mm; hai ng bên Þ =750,
w w
w .ca
ud uo
ng on
lin e.
co m.
vn
Trang 2dày18mm, m t c u ch y gi a, v t nh p
360m
4 C u Wuhan th 3 v t sông Hanjiang,
2000, 2 ng cho m t vòm, m t c u ch y
d i, v t nh p 280m
5 C u b c qua sông Beipanjiang g n thành
ph Luipanshui, 2001, m t c u ch y trên,
v t nh p 236m
2 M T S C U T O TRONG C U VÒM
NG THÉP NH I BÊ TÔNG
Nh ng k t c u chính trong c u vòm ng thép nh i bê tông bao g m: vòm, h gi ng ngang, h thanh treo, h d m ngang, h d m d c
và h thanh kéo Trong đó, các d m d c, d m ngang, b n m t c u làm vi c theo s đ k t c u
nh p gi n đ n; riêng vòm ch u nén, c t và u n trong m t ph ng vòm d i tác d ng c a toàn b
t nh t i và ho t t i C u t o c a các b ph n chính nh sau [2]:
- Vòm: tùy theo kh u đ nh p và t i tr ng,
vòm đ c c u t o t m t hay nhi u ng thép tròn đ c nh i bê tông và liên k t v i nhau b ng các b n thép (hình 5) ng thép đ c ch t o t thép t m theo ph ng pháp cu n tròn hàn d c
ho c cu n d ng lò xo Hi u qu làm vi c chung
gi a thép và bê tông đ c gi i quy t ch y u
nh hi u ng ép hông r t cao b m t ti p xúc
gi a v ng thép và lõi bê tông [5]
Hình 1: C u Yongning Yongjiang
Hình 2 : C u San an Yongjiang t nh
Guangxi
Hình 3 : C u Yaisha, t nh GuangZhou
Hình 4 : C u qua sông Beipanjiang, Guizhou
Hình 5 : Các d ng m t c t ngang vòm
w w
w .ca
ud uo
ng on
lin e.
co m.
vn
Trang 3- H gi ng ngang: i v i c u đ c thi t
k t 2 vòm tr lên, gi a các vòm b trí h gi ng
ngang đ ch u l c gió ph ng ngang c u và đ m
b o n đ nh cho vòm H gi ng ngang c u t o
b ng ng thép nh i bê tông liên thông v i s n
vòm ho c thép hình liên k t hàn v i s n vòm
- H thanh treo: g m các thanh treo đ c
c u t o b ng nh ng bó cáp c ng đ cao u
trên thanh treo đ c neo c đ nh vào s n vòm,
đ u d i neo vào d m ngang (hình 6)
- H d m ngang: g m các d m ngang b ng
BTCT d ng l c v i chi u dài nh p ph thu c
b r ng m t c u D m ngang đ c treo t i hai
đ u nh h thanh treo Riêng 2 d m ngang ngoài
cùng (t i đ u vòm) đ c liên k t ngàm v i s n
vòm đ th c hi n ch c n ng liên k t ngang d i
gi a 2 s n vòm
- H d m d c: g m các d m d c b ng
BTCT đ c đúc s n v i chi u dài ph thu c vào
kho ng cách gi a các d m ngang D m d c
đ c kê 2 đ u lên d m ngang Trên m t d m
d c và d m ngang là l p BTCT m t c u đ t i
ch t o đ ng kh i m t c u và hi u ch nh cao đ
m t c u D m d c th c hi n ch c n ng phân b
t i tr ng, đ nh v cho d m ngang trong quá trình
ch u t i (hình 8) Hai d m d c biên đ c c u t o
nh d m liên t c v i hai đ u đ c ngàm vào
vòm, g i lên các d m ngang
- H thanh kéo (thanh ch ng): c u t o
g m các bó cáp n i li n 2 chân vòm đ tri t tiêu
l c đ y ngang c a vòm H thanh kéo n m t do
trên m t d m ngang và d m d c biên Sau khi
c ng cáp x lý n i l c, h thanh kéo đ c đ y
kín b ng h p bê tông nh m b o v kh i nh
h ng c a môi tr ng
thanh kéo, g i c u
3 PHÂN TÍCH K T QU TÍNH TOÁN 3.1 Các tr ng h p tính toán
K t qu tính toán đ c th c hi n trên mô hình c u vòm dài 99m, r ng 10,50m b trí 3 làn
xe v i t i tr ng H30 Ho t t i tác d ng trên m t
c u đ c phân b xu ng d m ngang thông qua
h m t c u g m d m d c và b n m t c u Thông qua h dây treo, d m ngang ti p t c truy n t i
tr ng lên s n vòm, t đó truy n xu ng k t c u
h t ng nh g i c u V i m c đích làm rõ nh
h ng c a s làm vi c chung gi a ng thép v i lõi bê tông đ n s phân b n i l c trong k t c u
c u vòm ng thép nh i bê tông, k t c u đ c mô hình và phân tích tính toán nh ph n m m SAP2000 v i ba tr ng h p nghiên c u nh sau:
l p, ch ph n ng thép tham gia ch u l c Trong tr ng h p này, đ c ng và kh n ng
ch u l c c a k t c u ng thép nh i đ c tính toán theo công th c d i đây:
̇ c ng: b ng đ c ng riêng bi t c a v thép, công th c (1) và (2),
Ÿ c ng ch ng kéo, nén d c tr c:
EA=EaAa (1)
Ÿ c ng ch ng u n :
EI=Ea Ia (2)
̇ Kh n ng ch u l c c a ng thép nh i tính
theo (3) và (4):
Ÿ Ch u nén đúng tâm:
No=fa.Aa. (3)
Ÿ Ch u nén l ch tâm:
Nu= ϕ1ϕeNo (4)
l p, ph n lõi bê tông làm vi c, v ng thép không tham gia ch u l c Trong tr ng h p này, đ c ng và kh n ng ch u l c c a k t
Hình 6 : C u t o thanh treo
w w
w .ca
ud uo
ng on
lin e.
co m.
vn
Trang 4c u ng thép nh i đ c tính tốn theo nh ng
cơng th c d i đây:
̇ c ng: ch tính b ng đ c ng c a bê
tơng, cơng th c (5) và (6)
Ÿ c ng ch ng nén d c tr c:
EA=Ec Ac (5)
Ÿ c ng ch ng u n:
EI=Ec Ic (6)
̇ Kh n ng ch u l c tính theo (7) và (8):
Ÿ Ch u nén đúng tâm:
No=fc.Ac (7)
Ÿ Ch u nén l ch tâm:
Nu=ϕ1ϕeNo (8)
h p, ng thép và lõi bê tơng đ ng th i tham
gia ch u l c Trong tr ng h p này, đ c ng
và kh n ng ch u l c c a k t c u ng thép
nh i đ c tính tốn theo nh ng cơng th c
c b n d i đây:
̇ c ng: b ng t ng các đ c ng riêng
bi t c a v thép và lõi bê tơng, cơng th c
(9) và (10) theo tiêu chu n c a M
AISC-LRDF (1986),
Ÿ c ng ch ng kéo, nén d c tr c:
EA=Ea Aa + Ec Ac (9)
Ÿ c ng ch ng u n :
EI=Ea Ia + Ec Ic (10)
̇ Kh n ng ch u l c tính theo tiêu chu n
Trung Qu c (CECS 28-90):
Ÿ Ch u nén đúng tâm:
No=fc.Ac.(1+ θ+θ);vớiθ=
c c
a a A f
A f (11)
Ÿ Ch u nén l ch tâm:
Nu= ϕ1ϕeNo (12)
Trong đĩ :
No: kh n ng ch u l c c a ng thép nh i bê tơng
ch u nén đúng tâm
Aa, Ac : di n tích m t c t ngang ng thép và lõi
bê tơng
Ia, Ic : mơmen quán tính c a ti t di n ng thép
và ti t di n lõi bê tơng
Ea, Ec : mơđun đàn h i c a thép và bê tơng
θ: chỉ tiêu gò chặt của tiết di n ng thép
nh i bê tơng
fc: c ng đ ch u nén tính tốn c a bêtơng fa: c ng đ ch u nén, ch u kéo tính tốn c a
ng thép
1
ϕ : hệ số giảm khả năng chịu lực khi xét đến nh h ng c a đ m nh
e
ϕ : hệ số chiết giảm khi xét đến ảnh hưởng đ l ch tâm t i tr ng
3.2 K t qu tính tốn
Mơ hình đ c l p nh ch ng trình
SAP2000 đ c trình bày trong hình 9 Trong khuơn kh ph m vi bài báo, vi c phân tích tính tốn ch d ng b c phân tích d i tác d ng
c a t i tr ng t nh, khơng xem xét đ n phân tích
đ ng l c h c K t qu phân tích tính tốn n i
l c xu t hi n trong vịm đ c trình bày trong
b ng 2, trong d m ngang biên trình bày trong
b ng 3, trong d m ngang gi a (b ng 4), d m d c biên (b ng 5), d m d c gi a (b ng 6), thanh treo (b ng 7) và ph n l c t i chân vịm (b ng 8)
n v c a mơmen u n M là kNm, l c c t Q và
l c d c tr c N là kN
B ng 2: N i l c trong vịm
M 2212.35 1852.79 1876.95
N 15456.90 17442.70 17025.49
B ng 3: N i l c trong d m ngang biên
Q 1139.23 1139.23 1139.23
B ng 4: N i l c trong d m ngang gi a
Q 1159.99 1160.47 1160.51
w w
w .ca
ud uo
ng on
lin e.
co m.
vn
Trang 5B ng 5: N i l c trong d m d c biên
M- 3819.71 2080.73 1929.91
Q 624.35 302.62 261.74
N 9615.13 9100.37 8774.60
B ng 6: N i l c trong d m d c gi a
Q 338.79 338.79 338.79
N 1153.46 1091.70 1052.63
B ng 7: N i l c trong thanh treo
N 1496.64 1204.33 1169.43
B ng 8: Ph n l c t i chân vòm
Rx 5.58 12.78 14.78
Rz 14075.15 13305.43 12824.11
Khi so sánh k t qu tính toán cho các
tr ng h p nghiên c u, n i l c phát sinh trong
k t c u thay đ i nh sau:
X Ph n t vòm: Moment và l c c t xu t hi n
trong vòm đ t giá tr l n nh t trong tr ng
h p 1, l c c t đ t giá tr l n nh t trong
tr ng h p 2 Mô ment nh nh t trong
tr ng h p 2, l c d c nh nh t trong tr ng
h p 1 l c c t nh nh t đ i v i tr ng h p
3 Giá tr mô ment thay đ i kho ng ±20,0%
Giá tr l c c t thay đ i kho ng ±29% Giá tr
l c d c tr c thay đ i kho ng ±12,0%
X D m ngang biên: N i l c có giá tr không
thay đ i trong c ba tr ng h p
X D m ngang gi a: Giá tr n i l c l n nh t đ i
v i tr ng h p 3 và nh nh t trong tr ng
h p 1
X D m d c biên: Giá tr n i l c l n nh t trong
tr ng h p 1, nh nh t trong tr ng h p 3
Giá tr mô ment âm thay đ i trong kho ng
t -47.5% đ n 97.9% Giá tr mô ment
d ng thay đ i trong kho ng t -59.2% đ n
145.6% Giá tr l c c t thay đ i trong
kho ng t -58.0% đ n 138.4% Giá tr l c
d c tr c thay đ i trong kho ng -8.71% đ n
9.50%
X D m d c gi a: Giá tr môment và l c c t không thay đ i Giá tr l c d c tr c đ t l n
nh t trong tr ng h p 1 và nh nh t trong
tr ng h p 3
X Thanh treo: L c d c tr c l n nh t x y ra trong tr ng h p 1 và nh nh t trong tr ng
h p 3 Giá tr l c d c tr c thay đ i trong kho ng t -21.8% đ n 27.9%
X Ph n l c t i chân vòm: theo ph ng th ng
đ ng đ t giá tr l n nh t trong tr ng h p 1,
nh nh t trong tr ng h p 3 Giá tr thay đ i trong kho ng t -8.88% đ n 9.75% Theo
ph ng d c c u, ph n l c l n nh t trong
tr ng h p 3 và nh nh t trong tr ng h p
1 Giá tr thay đ i trong kho ng -62.26%
đ n 164.87%
5 K T LU N
i u ki n làm vi c c a ti t di n vòm thay
đ i kéo theo vi c phân b l i n i l c gi a các
ph n t trong k t c u N i l c trong vòm, d m
d c biên thay đ i nhi u nh t N i l c xu t hi n trong h d m ngang h u nh không thay đ i và không ch u nh h ng do đi u ki n làm vi c c a vòm Trong k t c u c u vòm ng thép nh i bê tông, khi ng thép và lõi bê tông đ ng th i cùng tham gia ch u l c thì moment và l c c t trong vòm, n i l c trong d m biên và trong dây treo
gi m h n khi ch có võ ng thép làm vi c Riêng
l c d c tr c xu t hi n trong vòm t ng Khi ng thép và lõi bê tông đ ng th i cùng tham gia ch u
l c thì l c c t và l c d c tr c trong vòm, n i l c trong d m biên và trong dây treo gi m h n khi
ch có lõi bê tông làm vi c Riêng mô ment xu t
hi n trong vòm t ng
TÀI LI U THAM KH O
1 A I Kikin, R s Sanzharovski, V A Trull
K t c u ng thép nh i bêtông NXB Xây
d ng Hà N i 1999 (b n d ch ti ng vi t)
2 T p b n v Super-structure of arch bridge, Xom Cui bridge (nguyên b n ti ng Anh)
3 Phùng M nh Ti n – V Trí Th ng Bài báo
“C u vòm b ng ng thép nh i bê tông” T p chí Giao Thông V n T i 6/2004
4 H i tiêu chu n Trung Qu c CECS 28-90: Qui trình thi t k và thi công k t c u ng thép
nh i bê tông NXB K ho ch Trung Qu c, 11/1990 (nguyên b n ti ng Trung)
w w
w .ca
ud uo
ng on
lin e.
co m.
vn
Trang 65 Tr n i Minh Bài báo “M t s nh n xét v
tính Kinh t – K thu t – M thu t c a lo i
nh p vòm ch y d i Thép – Bêtông” T p chí
giao thông v n t i
6 Ding Dajun, prof., Nanjing Institute of
Technology, Nanjing, China “Development
of concrete filled tubular Arch bridges,
China” Structural Engineering International
4/2001
w w
w .ca
ud uo
ng on
lin e.
co m.
vn
