Phân tích ảnh hưởng của các tham số cấu tạo đến trạng thái chịu lực trong kết cấu nhịp cầu cong BTCT trên đường ôtô TS.. hoàng hà ks nguyễn hữu hưng Bộ môn CTGTTP - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi
Trang 1Phân tích ảnh hưởng của các tham số
cấu tạo đến trạng thái chịu lực trong
kết cấu nhịp cầu cong BTCT trên đường ôtô
TS hoàng hà
ks nguyễn hữu hưng
Bộ môn CTGTTP - ĐH GTVT Tóm tắt: Bμi viết giới thiệu một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cấu tạo
đến trạng thái chịu lực trong kết cấu nhịp cầu cong BTCT trên đường ôtô Kết quả nghiên cứu
có khả năng hỗ trợ công tác nghiên cứu, tính toán thiết kế các công trình cầu cong BTCT trên thực tế
Summary: The report introduces the researched results about influence of structural
parameters on loaded state of span structure of reinforced concrete curved bridge on otoroad
in Vietnam
1 Mở đầu
Cùng với quá trình xây dựng và phát triển
đất nước ta hiện nay, do tốc độ đô thị hóa
nhanh đã gây ra tình trạng ách tắc giao thông
ngày càng có xu thế nghiêm trọng ở nhiều
thành phố và các khu đô thị
Một trong những giải pháp có hiệu quả là
xây dựng các nút giao cắt không cùng mức
(nút giao cắt lập thể) Đặc điểm của các nút
giao cắt lập thể là đảm bảo thông xe an toàn
và liên tục qua nút, nhờ đó mà nâng cao năng
lực thông xe của tuyến đường
Hình 1 Cầu cong ở nút Nam Chương Dương
- Hμ nội
Do đặc điểm cấu tạo dẫn đến trạng thái nội lực, biến dạng phát sinh trong kết cấu nhịp cong rất phức tạp Thực tế xây dựng và khai
Nhiều công trình cầu vượt và nút giao lập thể được xây dựng gần đây ở Hà nội, Thành phố Hồ Chí Minh, Hải phòng đã thực sự phát huy hiệu quả tốt, góp phần làm giảm đáng kể vấn nạn ách tắc giao thông nêu trên Trên hình 1 giới thiệu một trong những nút giao thông lập thể được xây dựng đầu tiên ở bờ nam cầu Chương Dương (Hà nội)
Về mặt cấu tạo, nút giao thông lập thể thuộc dạng công trình phức tạp gồm tập hợp các tuyến đường, các cầu vượt, các nhịp dẫn cầu cạn, cầu cong, cầu rẽ nhánh Trong kết cấu hoàn chỉnh của nút giao thông lập thể ngoài các cầu vượt dùng cho các tuyến chính còn có luồng đường dành cho các phương tiện rẽ sang tuyến đường khác hay quay đầu Các nhánh đường rẽ được cấu tạo nhờ các nhịp cầu cong và cầu rẽ nhánh hoặc tổ hợp các liên nhịp cầu cong, cầu chéo góc, cầu thẳng nối tiếp nhau (hình 2)
Trang 2thác các cầu cong trên thế giới và ở nước ta
đã cho thấy đòi hỏi cần nghiên cứu một cách
đầy đủ hơn về các công trình cầu cong cả về
mặt cấu tạo, mô hình và phương pháp tính
toán, công nghệ xây dựng và cả yêu cầu về
mặt kiến trúc, mỹ quan của các công trình
Bài viết đề cập một số kết quả phân tích
ảnh hưởng của các tham số cấu tạo cơ bản
đến sự biến đổi trị số nội lực biến dạng trong
kết cấu nhịp cầu cong BTCT trên đưòng ôtô
Hình 2 Cầu cong trong các nút giao thông lập thể
vμ đường nhiều tầng
2 đặc điểm cấu tạo của kết cấu
nhịp cầu cong
2.1 Các yêu cầu chung
Do phải thỏa mãn các chỉ tiêu kỹ thuật
của tuyến đường, kết cấu nhịp cầu cong
thường có cấu tạo phức tạp Cầu có thể nằm
trên đường cong có bán kính không đổi, bán
kính thay đổi, trên đoạn cong có các đoạn
thẳng xen giữa, đường cong đảo chiều
Trong trường hợp địa hình phức tạp còn
phải thiết kế cầu cong có dạng xoắn ốc như
cầu dẫn ở đầu cầu Thanh trì (Hà Nội) đang
xây dựng Trên hình 3 giới thiệu các dạng
đường cong cơ bản áp dụng cho quĩ đạo tim
các cầu cong trên mặt bằng
Tuy một số công trình cầu cong đã được
xây dựng như ở nút giao thông nam cầu
Chương Dương (Hà nội), cầu dẫn vào nhà ga
sân bay Nội Bài, tuyến cầu dẫn đầu cầu Mỹ
Thuận, cầu vượt Hoàng Long (Thanh Hóa)
nhưng nhìn chung kinh nghiệm thiết kế và xây dựng các công trình cầu cong của ngành xây dựng cầu Việt Nam chưa thật nhiều
Hình 3 Các dạng đường cong áp dụng
cho cầu cong
Về mặt cấu tạo cũng có những vấn đề cần quan tâm đầy đủ hơn, ngoài một số nhịp cầu dạng bản cong tại nút giao thông nam Chương Dương, đa số các công trình cầu cong đã xây dựng ở nước ta là dạng sử dụng các sườn dầm thẳng đặt theo đường gấp khúc, phía trên bản mặt cầu được đổ tại chỗ theo đường cong Giải pháp trên có ưu điểm
đơn giản cấu tạo, giảm mức độ phức tạp ở khâu thiết kế, thuận tiện thi công Tuy nhiên chưa hoàn toàn thỏa mãn các yêu cầu về kiến trúc Mặt khác khẩu độ của các nhịp cầu cong mới áp dụng trong khoảng (15 - 20) m cho các cầu bản BTCTDƯL và (20 - 40) m cho các cầu dùng sườn dầm thẳng, bản mặt cầu theo
đường cong Trong tương lai chúng ta cần phải xây dựng các cầu trên đường cong có hình dạng thỏa mãn yêu cầu kiến trúc và chiều dài nhịp lớn hơn
Khác với các cầu nằm trên đường thẳng, thiết kế các cầu cong phải quan tâm nhiều vấn đề, trong đó cần đặc biệt chú ý tới các yếu tố hình học đặc trưng gồm:
• Bán kính của đường cong (R)
• Độ mở rộng phần đường xe chạy trên cầu (m)
• Tốc độ khai thác của tải trọng trên cầu (v)
• Siêu cao mặt cầu phần xe chạy trên
đoạn cong (isc)
Trang 3• Bán kính đường cong đứng trên cầu
(Rđ)
• Độ dốc dọc ( id)
Ngoài ra còn phải quan tâm tới các yêu
cầu về tĩnh không, tầm nhìn dưới cầu, hay
chiều dài các đoạn chuyển tiếp từ đoạn cầu
thẳng vào cầu cong
Một vấn đề khác cũng đòi hỏi quan tâm
đúng mức là do trạng thái nội lực biến dạng
rất phức tạp, các cầu cong BTCT có cấu tạo
và sơ đồ bố trí cốt thép thường và dự ứng lực
khác biệt và phức tạp hơn dẫn đến cấu tạo chi
tiết khác cũng có sự biệt so với các cầu trên
đường thẳng thông thường
Hiện nay, bên cạnh việc tiến hành xây
dựng chúng ta đang gấp rút bổ sung các
nghiên cứu, đúc kết thêm kinh nghiệm cũng
như dần hình thành các Tiêu chuẩn thiết kế,
các chỉ dẫn cụ thể, phù hợp cho thiết kế và
công nghệ xây dựng cầu cong
Vấn đề nêu trên sẽ được bổ khuyết và
hoàn thiện dần trên cơ sở tập hợp các nội
dung nghiên cứu của những chuyên gia ngành
cầu quan tâm đến vấn đề này
2.2 Lựa chọn các tham số cấu tạo
trong bài toán thiết kế cầu cong
a Chiều dμi nhịp, sơ đồ cầu
Trong thực tế các cầu cong thường được
áp dụng cho các cầu cạn, cầu vượt đường hay
các nhánh rẽ trong các nút giao thông lập
thể.Việc lựa chọn chiều dài vượt nhịp thường
dựa trên các cơ sở sau đây:
• Thoả mãn yêu cầu của tĩnh không
thông xe phía dưới cầu (hình 4), do vậy chiều
dài nhịp trước hết phải phù hợp với đặc điểm
quy mô bề rộng của tuyến đường đi phía dưới
cầu và chiều dài kết cấu nhịp có thể tính theo
công thức sau:
ΣLnhịp = SL.RL + GPC + 2VH + KCAT (1)
trong đó:
SR - số làn xe của tuyến đường dưới cầu;
RL - bề rộng của 1 làn xe;
GPC - bề rộng của giải phân cách trên
đường;
VH - bề rộng vỉa hè;
KCAT - khoảng cách an toàn của trụ (tính
từ mép lề đường đến mép thân trụ, thường có thể lấy từ 1 - 2 m);
ΣLnhịp - tổng chiều dài các nhịp cầu vượt Trường hợp tuyến dưới cầu không lớn chỉ dùng 1 nhịp Với trường hợp nhiều nhịp cần
mở rộng và bố trí trụ trung gian ở giải phân cách (GPC)
Hình 4
• Đảm bảo về tầm nhìn trong các nút giao thông lập thể Yêu cầu chung là phải
đảm bảo cho người lái xe nhìn thấy biển báo hay đầu đảo trong nút từ khoảng cách ít nhất
là 180 m
• Phải vượt qua được những vật kiến trúc cần bảo tồn bên dưới cầu
• Đảm bảo khả năng chịu các loại tải trọng tác dụng trong giai đoạn thi công và khai thác
• Hài hoà về mặt kiến trúc, phù hợp với trình độ công nghệ xây dựng hiện tại
b Chiều rộng cầu vμ phần mở rộng phần đường xe chạy trên cầu
Theo tiêu chuẩn 22TCN-273-01[1], độ rộng của 1 làn xe tiêu chuẩn là bội số của
Trang 40,25 m thường thay đổi từ 3,0 m đến 3,75 m
Với những cầu được xây dựng trong đô thị, bề
rộng làn xe (chưa tính phần mở rộng đường
cong) có thể tham khảo các giá trị ở bảng 1
Bề rộng mặt cầu cong lấy bằng bề rộng
mặt cầu thẳng (bảng 1) cộng thêm phần mở
rộng phần xe chạy trên đường cong Tuy vậy,
trong các trường hợp khi xác định bề rộng mặt
cầu cần phải tham khảo thêm về sự phù hợp
với quy mô mặt cắt ngang của toàn tuyến
Độ mở rộng mặt cầu cho 2 làn xe, chiều
rộg phần xe chạy K = 7,0 m trên đường cong
phụ thuộc bán kính cong và tốc độ thiết kế
theo [1] ghi trong bảng 2
c Bán kính cong
Tuỳ theo tốc độ thiết kế, đặc điểm địa
hình và giải pháp thi công mà lựa chọn bán
kính cong cầu cho phù hợp Tuy vậy, bán kính
cong phải thoả mãn yêu cầu của bán kính tối
thiểu theo Tiêu chuẩn thiết kế [1]:
Rmin = 127(i f)
v
max sc
2
+ (2) trong đó:
v - vận tốc thiết kế, km/h;
isc - độ siêu cao tính theo %;
f - hệ số ma sát ngang của mặt đường
Giá trị f tham khảo bảng 3
Trị số bán kính cong tối thiểu tính theo
công thức (2) áp dụng cho các cầu cong trên
các tuyến giao thông, tại các nút giao lập thể,
tốc độ thiết kế (v) có thể lấy bằng 0,7 giá trị
tốc độ thiết kế của xe trước khi vào nút, theo
đó bán kính tối thiểu của các cầu cong trong nút cũng giảm đi Điều này sẽ làm giảm bớt khó khăn về mặt bằng xây dựng các nút giao
lập thể
Bảng 1
Bề rộng cẩu khi cầu xây dựng trong thμnh phố
Ngoại trừ những cầu nhánh rẽ, các cầu chính nên
ưu tiên thiết kế với bán kính cong lớn:
+ Với tốc
độ thiết kế từ 60 ữ 80 km/h, dùng bán kính
R = 50 ữ 5000 m
+ Với tốc độ thiết kế từ 80 ữ 90 km/h, dùng bán kính R = 1000 ữ 5000 m
+ Với tốc độ thiết kế từ 90 ữ 110 km/h, dùng bán kính R = 2000 ữ 5000 m
+ Với tốc độ thiết kế từ 110 ữ 120 km/h, dùng bán kính R = 3000 ữ 5000 m
3 ảnh hưởng của các tham số cấu tạo
đến sự biến đổi nội lực vμ chuyển vị của kết cấu nhịp cầu cong
Theo kết quả nghiên cứu của G.S Gibsman [3] Nội lực trong kết cấu nhịp cầu cong phụ thuộc vào các tham số cơ bản sau
đây:
1 Sơ đồ kết cấu (số lượng nhịp liên tục)
2 Dạng đường cong (cong liên tục hay các đường cong có các đoạn thẳng nối giữa)
3 Điều kiện liên kết tại gối (số gối kiềm chế xoắn trên mố, trụ)
Tỷ lệ chiều dài nhịp so với bán kính cong L/R
Tỷ lệ giữa độ cứng chống uốn và độ cứng chống xoắn của kết cấu nhịp EJ/GJx
Trang 5Hai tham số bán kính cong (R) và chiều
dài nhịp (L) quyết định “độ cong” của kết cấu
từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến trạng thái nội
lực và biến dạng trong kết cấu nhịp Trên
bảng 4 giới thiệu ví dụ kết quả nghiên cứu
đường ảnh hưởng nội lực biến dạng cho cầu
cong một nhịp theo [3]
Kết quả trên bảng 4 cho thấy tỷ số L/R
ảnh hưởng rất lớn tới nội lực trong kết cấu nhịp
cầu cong Đặc biệt chú ý khi tỷ lệ này bằng 3
nội lực tăng một cách đột biến
Trên thực tế, thiết kế cầu cong thuộc lớp
bài toán khó ở cả khâu cấu tạo và tính toán
Trong thành phố và các khu đô thị, do mặt
bằng xây dựng chật hẹp và yêu cầu vận tốc phương tiện không lớn vì vậy thường chọn bán kính rất nhỏ, ở trường hợp đặc biệt có thể phải
sử dụng Rmin = 10 m Để phù hợp với điều kiện chịu lực cần chọn tỷ lệ L/R ≤ 2, cho các chiều dài nhịp L ≤ 20 m
Bảng 2
Phần mở rộng mặt cầu trong trường hợp có 2 lμn xe (khổ 7 m)
Tốc độ thiết kế, km/h Bán kính
Bảng 3
Hệ số ma sát ngang của mặt đường
Do yêu cầu công nghệ cũng như xét tới kết cấu nền móng công trình thông thường chiều dài các nhịp trong một cầu được chọn bằng nhau Như vậy việc điều chỉnh đường cong tim cầu trên mặt bằng sẽ tùy thuộc vào
sự biến đổi bán kính cong Trên bảng 5 là kết quả tính toán thử nghiệm cho kết cấu nhịp cong có chiều dài L = 25 m, bán kính cong thay đổi từ 20 - 70 m
Trang 6Bảng 4
Dầm cong một nhịp có bố trí gối chống xoắn ở hai đầu nhịp
Tung độ đường ảnh hưởng khi P =1 đặt tại các vị trí Mặt cắt EJ/GJx L/R
0 L/8 L/4 3L/8 L/2 5L/8 3L/4 7L/8 L
G/T chuẩn nhân vào tung độ
Đường ảnh hưởng mô men uốn do lực đơn vị di động theo tim dầm 0,0 0,00 0,09 0,19 0,16 0,12 0,09 0,06 0,03 0,00 1,0 0,00 0,10 0,20 0,17 0,14 0,11 0,07 0,03 0,00 1,5 0,00 0,11 0,22 0,20 0,17 0,13 0,09 0,04 0,00 2,0 0,00 0,14 0,26 0,25 0,22 0,18 0,13 0,06 0,00 2,5 0,00 0,20 0,37 0,39 0,37 0,32 0,23 0,12 0,00
L/4 0,1
-10,0
3,0 0,00 0,67 1,25 1,54 1,61 1,45 1,10 0,59 0,00
L
1,0 0,00 0,07 0,14 0,21 0,27 0,21 0,14 0,07 0,00 1,5 0,00 0,08 0,17 0,24 0,31 0,24 0,17 0,08 0,00 2,0 0,00 0,11 0,22 0,32 0,39 0,32 0,22 0,11 0,00 2,5 0,00 0,12 0,37 0,51 0,60 0,51 0,37 0,12 0,00
L/2
0,1-10,0
3,0 0,00 0,86 1,61 2,13 2,35 2,13 1,61 0,86 0,00
L
Đường ảnh hưởng mô men xoắn do lực đơn vị di động theo tim dầm 0,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,0 0,00 -0,04 -0,06 -0,07 -0,07 -0,06 -0,04 -0,02 0,00 1,5 0,00 -0,06 -0,10 -0,12 -0,12 -0,11 -0,08 -0,04 0,00 2,0 0,00 -0,10 -0,17 -0,21 -0,21 -0,19 -0,14 -0,07 0,00 2,5 0,00 -0,20 -0,34 -0,42 -0,43 -0,39 -0,29 -0,16 0,00
Gối
L = 0
0,1 -
10,0
3,0 0,00 -0,88 -1,59 -2,04 -2,19 -2,01 -1,53 -0,82 0,00
L
0,0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 1,0 0,00 -0,02 -0,03 -0,05 -0,05 -0,05 -0,03 -0,02 0,00 1,5 0,00 -0,03 -0,06 -0,08 -0,09 -0,08 -0,06 -0,03 0,00 2,0 0,00 -0,05 -0,11 -0,14 -0,16 -0,14 -0,11 -0,06 0,00 2,5 0,00 -0,11 -0,29 -0,29 -0,31 -0,29 -0,29 -0,12 0,00
L/ 4 0,1 -
10,0
3,0 0,00 -0,58 -1,09 -1,44 -1,56 -1,43 -1,09 -0,59 0,00
L
Đường ảnh hưởng độ võng khi P =1 di động dọc tim dầm 0,0 0,00 -0,76 -1,43 -1,90 -2,08 -1,90 -1,43 -0,76 0,00 1,0 0,00 -0,96 -1,80 -2,38 -2,60 -2,38 -1,80 -0,96 0,00 1,5 0,00 -1,33 -2,47 -3,26 -3,55 -3,26 -2,47 -1,33 0,00 2,0 0,00 -2,29 -4,25 -5,59 -6,07 -5,59 -4,25 -2,29 0,00
0,01L 3 /EJ
2,5 0,00 -0,62 -1,15 -1,50 -1,63 -1,50 -1,15 -0,62 0,00 0,1L 3 / EJ 0,1
3,0 0,00 -1,10 -2,04 -2,67 -2,89 -2,67 -2,04 -1,10 0,00 1,0L 3 / EJ 0,0 0,00 -0,76 -1,43 -1,90 -2,08 -1,90 -1,43 -0,76 0,00 1,0 0,00 -1,93 -3,60 - 4,74 -5,15 - 4,74 -3,60 -1,93 0,00 0,01L
1,5 0,00 -0,43 -0,80 -1,04 -1,13 -1,04 -0,80 -0,43 0,00 2,0 0,00 -1,12 -2,07 - 2,71 -2,94 - 2,71 -2,07 -1,12 0,00 0,3L
2,5 0,00 -0,43 -0,79 -1,03 -1,12 -1,03 -0,79 -0,43 0,00 1,0 L 3 / EJ
L/ 2
10
3,0 0,00 -1,02 -1,89 -2,47 -2,68 -2,47 -1,89 -1,02 0,00 10.L 3 / EJ
Trang 7
Bảng 5
Kết quả tính toán thử nghiệm cho kết cấu nhịp cong có chiều dμi L = 25,
bán kính cong thay đổi từ 20 - 70 m
M
Bảng 6 là kết quả khảo sát cho trường
hợp bán kính cong không đổi R = 20 m trong
khi tham số chiều dài nhịp thay đổi từ
20 - 30 m
1 Lựa chọn cấu tạo hợp lý là một trong những nội dung phức tạp và có ý nghĩa quan trọng trong bài toán thiết kế cầu cong Mức độ khó khăn còn tăng thêm trong trường hợp mặt bằng xây dựng chật hẹp như trong các nút giao thông lập thể hay trong đô thị
ở một khía cạnh khác của vấn đề, trong
điều kiện tỷ lệ L/R được chọn hợp lý và không
đổi, sự biến thiên nội lực và độ võng khi chiều
dài nhịp và bán kính thay đổi cũng cho thấy
yêu cầu cần nghiên cứu đầy đủ hơn
Trên bảng 7 giới thiệu một số kết quả
khảo sát bước đầu cho khoảng nhịp trung bình
từ 20 - 40 m khi bán kính cong thay đổi tương
ứng nhằm cố định tỷ lệ L/R
4 Kết luận
2 Kết quả phân tích trong các bảng 4, 5
và 6 cho thấy rõ tỷ lệ L/R có tác động rất nhậy cảm với trạng thái ứng suất biến dạng trong kết cấu Kết hợp với các kết quả nghiên cứu trong [2], [3], [4] và [5] cho thấy nên chọn tỷ
kệ L/R ≤ 2
Bảng 6
Kết quả khảo sát cho trường hợp bán kính cong không đổi R = 50 m,
trong khi tham số chiều dμi nhịp thay đổi từ 20 - 30m
L(m) 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 R(m) 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50
145,59 140,27 135,44 132,37 128,29 125,33 122,48 119,48 116,69 113,99 112,11 σ(T/m 2 )
τ(T/m 2 )
Bảng 7
Kết quả khảo sát cho trường hợp chiều dμi nhịp từ 20 - 40 m, khi bán kính cong thay đổi tương ứng nhằm cố định tỷ lệ L/R = 0.5
+ Kết cấu bản giản đơn, chiều cao h = 1 m, rộng
B = 8 m
, σ - Mô men uốn, ứng suất lớn nhất xuất hiện trên kết cấu do đoàn xe H30
+ Mx, τ - Mô men xoắn, ứng suất tiếp lớn nhất xuất hiện trên kết cấu do đoàn xe H30
τ (T/m 2 )
Trang 83 Trong trường hợp địa hình chật hẹp khống chế bán kính cong nhỏ có thể lựa chọn một trong hai giải pháp:
- Chọn nhịp nhỏ để có dược tỷ lệ L/R phù hợp
- Sử dụng đường cong có bán kính thay
đổi liên tục để cải thiện trạng thái nội lực, biến dạng trong hệ
4 Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy ưu
điểm nổi trội của việc sử dụng mặt cắt ngang hình hộp để giảm tỷ lệ EJ/GJx trong cấu tạo các kết cấu nhịp cầu cong
Tài liệu tham khảo
[1] Tiêu chuẩn thiết kế cầu 22 TCN-272-01 Bộ GTVT, 2001
[2] M E GIBSMAN Proektirovanie Transpornưk
Xooruzenyi - Transport - Moskva, 1980 (tiếng Nga)
[3] M E GIBSMAN Tablysư dlia raxtrieta
prolet-nưkh stroenyi Transpornưk Xooruzenyi - Transport - Moskva, 1985 (tiếng Nga)
[4] Hiroshi Nakai, Chai Hong Yoo Analysis and
design of curved steel Bridges McGraw-Hill New York, 1988
[5] E C Hambly Feng, FICE Bridge deck
behaviour - E&FN SPON, London, 1991
[6] Dương Văn Hiệp Nghiên cứu tổng quan về thiết
kế và công nghệ xây dựng cầu cong Luận văn
