Mô hình hóa cầu dây văng bằng phần mềm midas civil

9.2 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG VỚI MIDAS/CIVIL 9.2.1 Khái quát về các nội dung và phương pháp tính toán Tính toán cầu dây văng bao gồm việc tính toán nội lực và biến dạn

CHƯƠNG 9 MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHÂN TÍCH

KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VĂNG

9.1 TỔNG QUAN VỀ CẦU TREO DÂY VĂNG

Cùng với cầu treo dây võng, cầu treo dây văng là một dạng kết cấu có khả năng vượt nhịp rất lớn và tính mỹ thuật cao Trong nhiều năm trước đây, việc thi công cầu dây văng được coi là khá phức tạp và đòi hỏi chi phí cao Tuy nhiên, trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, quá trình thi công ngày càng trở nên đơn giản hơn và giá thành xây dựng ngày càng được giảm nhẹ Những yếu tố này cộng thêm những ưu điểm sẵn có về khả năng chịu lực, vượt nhịp, v.v của dạng kết cấu đã khiến cho các công trình xây dựng cầu dây văng trở nên ngày càng phổ biến Một lợi thế đặc biệt của kết cấu cầu dây văng là tính mỹ thuật Có thể nói, cầu dây văng là một dạng công trình vượt sông có kiến trúc phong phú nhất hiện nay Khi thiết kế cầu dây văng, người kỹ sư có thể lựa chọn rất nhiều phương án kiến trúc khác nhau để đảm bảo vẻ đẹp và tính hoà hợp của công trình với cảnh quan, môi trường thiên nhiên và xã hội Trong thực tế, rất nhiều cây cầu dây văng đã trở thành biểu tượng của các địa phương nơi nó được xây dựng

9.1.1 Các bộ phận cấu tạo

Về cơ bản, các cầu treo dây văng bao gồm các bộ phận sau:

Dầm chủ Cũng như các loại cầu khác, dầm chủ là nơi đỡ phần mặt cầu và tiếp

nhận các tải trọng khai thác (xe cộ, người đi, v.v.) Trong cầu dây văng, dầm chủ không chỉ truyền tải trọng xuống kết cấu phần dưới qua gối mà còn qua các cáp dây văng và trụ tháp Mặt cắt dầm chủ cầu dây văng rất đa dạng như dạng hộp, dạng giàn,

dạng chữ pi (π), v.v Vật liệu được sử dụng cho dầm chủ cũng rất đa dạng: có thể là

bê tông cốt thép, bê tông cốt thép DƯL, thép hoặc liên hợp thép-bê tông cốt thép Trên dầm chủ hoặc dầm ngang của dầm chủ được bố trí các neo để neo một đầu của dây văng

Dây văng Dây văng được chế tạo từ các tao cáp cường độ cao xoắn, từ các sợi

cường độ cao song song hoặc từ các thanh thép cường độ cao song song Các cáp văng tiếp nhận một phần lớn tải trọng từ dầm chính và truyền xuống trụ tháp Sự có mặt của dây văng làm cho sự phân bố của nội lực trong dầm chính trở nên hài hoà hơn

và đỡ bất lợi hơn Đây là lý do làm cho dầm chủ của cầu dây văng có mặt cắt thanh mảnh hơn và có trọng lượng nhỏ hơn các dạng kết cấu khác và cũng là lý do tạo nên khả năng vượt nhịp lớn của dạng kết cấu này Các cáp dây văng có thể được bố trí theo sơ đồ đồng quy, sơ đồ song song, sơ đồ rẻ quạt hoặc theo cách kết hợp các sơ đồ

trên Ngoài ra, tuỳ thuộc vào cách cấu tạo mà các dây văng có thể được bố trí thành một mặt phẳng, hai mặt phẳng hoặc nhiều hơn Các dây văng được neo một đầu vào trụ tháp, một đầu vào dầm chính (hoặc tại dầm ngang của dầm chính)

Trụ tháp Trụ tháp là bộ phận tiếp nhận tải trọng từ dầm chính thông qua các gối

cầu và các dây văng và truyền tải trọng này xuống kết cấu phần dưới Trong cầu dây văng, trụ tháp có hình dạng rất phong phú: hình chữ H, chữ A, chữ Y, dạng thẳng, dạng nghiêng, v.v Trụ tháp cùng với sơ đồ bố trí dây văng là một yếu tố rất quan trọng tạo nên tính mỹ quan của cầu treo dây văng Hiện nay, trụ tháp thường là kết cấu bê tông cốt thép [9]

Các bộ phận khác Cầu dây văng cũng có các bộ phận khác tương tự như các cầu

bình thường (ví dụ các trụ tại biên, các mố cầu, dầm ngang, hệ liên kết, v.v.)

Một số bộ phận chính của cầu dây văng được thể hiện trên Hình 9.1

Hình 9.1 Các bộ phận chính của cầu dây văng

9.1.2 Các phương pháp thi công phổ biến

Quá trình thi công cầu dây văng, về cơ bản, bao gồm các công tác chính sau: thi công trụ tháp, thi công dầm chủ và các dây văng Trụ tháp bằng bê tông cốt thép thường được thi công phân đoạn từ dưới lên trên bằng các hệ thống ván khuôn trượt hoặc ván khuôn leo Sau khi trụ tháp được thi công xong hoặc trong quá trình thi công trụ tháp, dầm chủ sẽ được thi công Việc lắp đặt và căng kéo các dây văng được thực hiện từng bước trong khi thi công dầm chủ hoặc sau khi thi công xong dầm chủ tuỳ thuộc vào phương pháp thi công Hiện nay, có 3 phương pháp thi công phổ biến sau

ƒ Thi công hẫng: dầm chủ được thi công theo từng đốt bằng biện pháp hẫng, có

thể là lắp hẫng hoặc đúc hẫng, từ trụ tháp ra Sau khi từng đốt dầm được thi công xong, các dây văng tương ứng sẽ được lắp đặt, căng kéo và điều chỉnh Hình 9.2 thể hiện quá trình thi công đúc hẫng cầu Bãi Cháy

Hình 9.2 Thi công đúc hẫng cầu dây văng Bãi Cháy

ƒ Thi công đổ tại chỗ dầm chủ trên đà giáo cố định, sau khi thi công xong dầm,

dây văng sẽ được lắp đặt và căng kéo điều chỉnh nội lực

ƒ Thi công lao kéo dọc dầm chủ, tương tự như việc lao kéo dọc cầu dầm theo

thông thường Sau khi dầm chủ đã được kéo đến đúng vị trí, dây văng sẽ được lắp đặt và căng kéo điều chỉnh nội lực

Quá trình thi công cầu dây văng là một quá trình thi công phân đoạn, trải qua nhiều bước và chiếm một khoảng thời gian khá lớn Trạng thái nội lực của cầu trong từng giai đoạn và khi hoàn thành phụ thuộc vào quá trình thi công (phương pháp, công nghệ thi công và thời gian thi công)

9.2 TỔNG QUAN VỀ TÍNH TOÁN CẦU TREO DÂY VĂNG VỚI

MIDAS/CIVIL

9.2.1 Khái quát về các nội dung và phương pháp tính toán

Tính toán cầu dây văng bao gồm việc tính toán nội lực và biến dạng của các bộ phận kết cấu trong quá trình xây dựng cũng như khai thác

Do độ cứng của trụ tháp và dầm chủ khá lớn đồng thời, chiều dài dây văng lại tương đối nhỏ, nên có thể tính toán cầu dây văng theo lý thuyết sơ đồ biến dạng nhỏ Dầm chủ có thể coi như dầm liên tục kê trên các gối đàn hồi là các dây văng Trụ tháp chịu lực kết hợp (nén, uốn) do tải trọng của bản thân, tải trọng truyền từ dầm, và tải trọng từ các dây văng Các dây văng được xem như các thanh chỉ chịu kéo Trong thực tế, do dây văng đặt nghiêng và có trọng lượng bản thân nên chúng có độ võng

Độ võng này thay đổi theo trạng thái nội lực trong dây và có ảnh hưởng nhất định đến

sự làm việc của toàn kết cấu Để xét đến ảnh hưởng của độ võng cáp, độ cứng của chúng được tính như là tổng của hai thành phần, độ cứng đàn hồi thông thường và độ cứng hình học, là đại lượng phụ thuộc vào nội lực cáp

Sự làm việc của kết cấu trong giai đoạn thi công: sự làm việc của kết cấu cầu dây

văng trong quá trình thi công phụ thuộc vào chính quá trình thi công Trong quá trình

đó, kết cấu chịu tác dụng của tải trọng bản thân, các tải trọng thi công, và các tải trọng

do chính bản thân kết cấu gây ra ngay trong quá trình thi công như lực căng trong dây văng, dự ứng lực trong cáp dự ứng lực, v.v Ứng với mỗi bước thi công sẽ có một sơ

đồ chịu lực Các thông số về nội lực, biến dạng được tích luỹ và thay đổi theo quá trình thi công Nói chung, việc tính toán kết cấu cầu dây văng trong giai đoạn thi công cũng được thực hiện dựa trên các lý thuyết tương tự như đối các cầu thi công phân đoạn Tuy nhiên, một trong những bài toán quan trọng trong tính toán cầu dây văng là việc xác định nội lực cần điều chỉnh của các dây văng ở từng trạng thái trung gian trong quá trình thi công để có thể đạt được mục tiêu thiết kế mong muốn sau khi thi công

Sự làm việc của kết cấu trong giai đoạn khai thác: trong giai đoạn khai thác, sơ

đồ tính toán là sơ đồ kết cấu hoàn thiện chịu tác dụng của các tải trọng khai thác như hoạt tải, tĩnh tải bổ sung (lớp phủ, lan can, gờ chắn, các hệ thống phòng hộ, v.v.) Việc tính toán cầu dây văng trong giai đoạn khai thác không có khác biệt nhiều so với các loại cầu khác

9.2.2 Các phương pháp điều chỉnh nội lực cầu dây văng

Trong quá trình thi công, nội lực và hình dạng hình học của các bộ phận cầu dây văng có thể có những sai khác nhất định so với thiết kế Những sai lệch này cần được điều chỉnh để chúng không bị tích luỹ, làm ảnh hưởng đến sự làm việc của công trình Việc điều chỉnh cầu dây văng, nói chung, có thể thực hiện theo hai phương pháp: điều chỉnh nội lực trong dây văng và điều chỉnh hình dạng hình học của dầm chính Việc điều chỉnh bằng cách thay đổi hình dạng hình học của dầm chỉ thay đổi được hình dạng hình học trong khi đó, việc điều chỉnh theo nội lực dây văng có thể làm thay đổi đồng thời cả nội lực và hình dạng kết cấu nên đây là phương pháp hay được sử dụng hơn

Việc tính toán điều chỉnh nội lực cầu dây văng trong quá trình thi công có thể được thực hiện dựa theo hai phương pháp mô hình hoá là mô hình hoá thuận và mô hình hoá ngược Chi tiết về hai phương pháp đã được trình bày ở trong phần 2.7.3 của Tập

1

ƒ Mô hình hoá thuận

Việc mô hình hoá thuận thực hiện việc xây dựng mô hình và phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công đúng theo trình tự thi công thực tế Việc mô hình hoá này cho phép mô tả sát thực sự làm việc của kết cấu theo từng giai đoạn thi công và có thể xem xét được các ảnh hưởng của yếu tố thời gian như từ biến, co ngót, thay đổi cường

độ của vật liệu, v.v Tuy nhiên, nếu quá trình mô hình hoá và phân tích này lại bao gồm cả tính toán điều chỉnh nội lực cáp thì việc tính toán sẽ rất phức tạp Khi này, quá trình phân tích sẽ là quá trình tính lặp (thử dần) và, do đó, đòi hỏi nhiều thời gian và kinh nghiệm của người kỹ sư Trong nhiều trường hợp, quá trình phân tích có thể sẽ cho những kết quả khác nhau (không phải duy nhất) hoặc, thậm chí là, không thực hiện được

ƒ Mô hình hoá ngược

Đây là quá trình mô hình hoá và phân tích kết cấu trong giai đoạn thi công theo trình tự ngược với các giai đoạn thi công thực tế Việc mô hình hoá và phân tích ngược cho phép xác định được ngay các trạng thái trung gian một cách tương đối đơn giản Nội lực của các bộ phận kết cấu trong từng giai đoạn thi công được xác định từ giai đoạn hoàn thành cầu mà không cần phải tính toán thử dần như theo phương pháp

mô hình hoá thuận Việc tính toán điều chỉnh chỉ cần phải thực hiện một lần ở trạng thái kết cấu đã hoàn thành theo các tiêu chí do kỹ sư đặt ra Tuy nhiên, mô hình hoá ngược không cho phép xem xét được ảnh hưởng của thời gian tới các thuộc tính của kết cấu Do những đặc điểm trên mà việc mô hình hoá và phân tích ngược thường được áp dụng cho các kết cấu thép và là cơ sở cho tính toán điều chỉnh trong mô hình hoá thuận

9.2.3 Các nội dung trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng

ƒ Trạng thái điều chỉnh

Trạng thái điều chỉnh được xác định tuỳ thuộc vào phương pháp mô hình hoá Nếu

áp dụng phương pháp mô hình hoá ngược thì trạng thái điều chỉnh sẽ tương ứng với

sơ đồ hoàn thành cầu Trong khi đó, nếu áp dụng phương pháp mô hình hoá và phân tích thuận thì trạng thái điều chỉnh là trạng thái tương ứng với sơ đồ kết cấu tại các giai đoạn thi công cần quan tâm

ƒ Mục tiêu điều chỉnh

Mục tiêu điều chỉnh là một tập hợp các đại lượng mục tiêu như độ võng tại các nút dây văng, mômen uốn của các đốt dầm, nội lực dọc trong các thanh giàn, phản lực tại các gối, v.v Trong MIDAS/Civil, mục tiêu điều chỉnh có thể là nội lực, chuyển vị, biến dạng, phản lực gối, v.v

ƒ Các ẩn điều chỉnh

Các ẩn điều chỉnh thường là tải trọng hay lực mà con người có thể chủ động tác động lên kết cấu như lực kích ở các gối, lực căng trong dây văng, v.v Trong MIDAS/Civil, các ẩn điều chỉnh là một hay một số tổ hợp tải trọng đã được định nghĩa

ƒ Các hàm điều chỉnh và quan hệ điều chỉnh

Hàm điều chỉnh thể hiện quan hệ giữa các ẩn điều chỉnh với các đại lượng đã biết trong kết cấu như trọng lượng bản thân kết cấu, các tải trọng phát sinh trong quá trình thi công (tải trọng dự ứng lực, tải trọng phụ tạm phục vụ thi công) để đạt mục tiêu

điều chỉnh MIDAS/Civil cung cấp các dạng hàm điều chỉnh dạng hàm tuyến tính (Linear), hàm bậc 2 (Square), hàm trị tuyệt đối lớn nhất (Max Abs.), v.v Các quan hệ điều chỉnh bao gồm các quan hệ so sánh (bằng, nhỏ hơn, lớn hơn)

Trong việc tính toán điều chỉnh nội lực cầu dây văng, hàm và quan hệ điều chỉnh cần được chọn một cách phù hợp với mục tiêu và bản chất vật lý của các ẩn điều chỉnh Trong quá trình này, kinh nghiệm của người kỹ sư phân tích thường đóng vai trò quan trọng Ví dụ, nếu muốn điều chỉnh nội lực trong 10 dây văng để đạt được độ võng bằng không tại 10 nút thì có thể chọn hàm điều chỉnh là hàm tuyến tính với quan

hệ điều chỉnh là quan hệ “so sánh bằng” Nếu số ẩn điều chỉnh lớn hơn số lượng mục tiêu điều chỉnh thì có thể chọn hàm điều chỉnh phi tuyến, quan hệ điều chỉnh là quan

hệ so sánh (nằm trong giới hạn: nhỏ hơn và lớn hơn)

9.2.4 TÍNH TOÁN LỰC ĐIỀU CHỈNH THEO PHƯƠNG PHÁP HỆ

SỐ TẢI TRỌNG ẨN (UNKNOWN LOAD FACTOR)

MIDAS/Civil cung cấp một công cụ để tính toán lực điều chỉnh thông qua tính

năng hệ số tải trọng ẩn (Unknown Load Factor) Với tính năng này, các hệ số cho các

tổ hợp tải trọng ở một trạng thái kết cấu sẽ được xác định theo các ràng buộc do người

dùng tự định nghĩa Quá trình sử dụng tính năng Unknown Load Factor như sau [11]:

a) Xác định các tải trọng mà hiệu ứng của chúng trong kết cấu cần được điều chỉnh

b) Xác định các ẩn điểu chỉnh như lực căng trong dây văng, lực kích tại các gối, v.v và gán độ lớn của các ẩn điều chỉnh này giá trị bằng đơn vị Ứng với mỗi lực ẩn cần định nghĩa một tổ hợp tải trọng

c) Phân tích kết cấu ứng với các tải trọng đã nêu

d) Gọi menu Results>Unknown Load Factor và định nghĩa các tham số điều chỉnh trong giao diện Unknown Load Factor:

ƒ Thiết lập các mục tiêu điều chỉnh Các mục tiêu điều chỉnh được thể hiện ở

dạng các ràng buộc (Constraints) Mỗi mục tiêu điều chỉnh được đưa thêm vào

tính toán thông qua lệnh Add, được chỉnh sửa bằng lệnh Modify hay được xoá

Hình 9.3 Giao diện điều khiển Unknown Load Factor

Hình 9.4 Định nghĩa thông số cho mục tiêu điều chỉnh

ƒ Xác định ẩn điều chỉnh Ẩn điều chỉnh chính là các tổ hợp tải trọng đã được gán độ lớn bằng đơn vị trong mục b) Trong giao diện Unknown Load Factor,

khi một tổ hợp tải trọng được chọn làm ẩn số thì hệ số (Factor) của nó được chương trình thay đổi thành “Unknown – giá trị chưa biết” Người dùng cũng

có thể xác định trọng số (Weighted Factor) cho từng ẩn

ƒ Sau khi xác định xong các tham số, người dùng gọi lệnh Get Unknown Load Factors để yêu cầu chương trình tính toán các hệ số cho tải trọng ẩn Nếu tính

toán thành công, MIDAS/Civil sẽ cung cấp các hệ số cho từng tải trọng ẩn (Hình 9.5) Kết quả này cũng có thể được xây dựng thành một tổ hợp tải trọng Giá trị của lực điều chỉnh chính là độ lớn của hệ số tải trọng ẩn được gán cho tổ hợp tải trọng của nó do độ lớn ban đầu của nó được gán bằng đơn vị

Hình 9.5 Kết quả các hệ số lực ẩn

9.2.5 TÍNH TOÁN LỰC ĐIỀU CHỈNH THEO PHƯƠNG PHÁP

LACK OF FIT FORCE

“Lack of Fit Force” (tạm dịch là “lực bù thiếu”) là một phương pháp tính toán điều

chỉnh nội lực các bộ phận kết cấu, thường được áp dụng cho phương pháp mô hình hoá và phân tích thuận Do tác động của các loại tải trọng khác nhau, như trọng lượng bản thân, co ngót, từ biến, v.v., mà vị trí các điểm neo dây văng trên dầm chính trong quá trình thi công, sẽ sai khác so với vị trí của chúng ở giai đoạn hoàn thành cầu thiết

kế Để có thể lắp được dây văng và đưa kết cấu về vị trí phù hợp, nội lực trong dây văng cần được điều chỉnh Cơ sở tính toán lực điều chỉnh trong trường hợp này được

thể hiện trên Hình 9.6 Ở hình này, chiều dài dây văng ở trạng thái thiết kế là L và

khoảng cách thực tế giữa hai điểm neo ở thời điểm thi công là L′ và sự chênh lệch về

chiều dài cáp ở hai trạng thái là ΔL Lực điều chỉnh chính là lực làm cho dây văng có chiều dài thay đổi bằng ΔL

Vấn đề tương tự cũng xảy đối với các đoạn dầm hợp long Do đây là những bộ phận được xây dựng sau cùng nên, nói chung, các đoạn hợp long có nội lực rất nhỏ so với các bộ phận còn lại của kết cấu và, do đó, đường đàn hồi của kết cấu trở thành không liên tục Để đảm bảo kết cấu có trạng thái gần với trạng thái thiết kế mong muốn, các đoạn dầm hợp long cần được dự ứng lực và độ lớn của dự ứng lực này

cũng được tính dựa trên phương pháp Lack of Fit Force (Hình 9.7)

Khác với cách tính toán theo phương pháp Unknown Load Factors, nội lực điều chỉnh theo phương pháp Lack of Fit Force được chương trình tính toán tự động nếu

người dùng yêu cầu bằng cách đặt tham số trong điều khiển phân tích thi công

Hình 9.6 Tính toán các lực điểu chỉnh cáp theo phương pháp Lack of Fit Force

Hình 9.7 Tính toán lực điều chỉnh dầm theo phương pháp Lack of Fit Force

9.2.6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÔ HÌNH HOÁ VÀ TÍNH TOÁN

CẦU TREO DÂY VĂNG VỚI MIDAS/Civil

MIDAS/Civil cho phép thực hiện mô hình hoá, phân tích và tính toán điều chỉnh nội lực cầu treo dây văng theo cả hai phương pháp thuận và ngược

ƒ Mô hình hoá và phân tích ngược

Khi sử dụng phương pháp mô hình hoá ngược, trạng thái xuất phát chính là trạng thái hoàn thành cầu Các thông số mong muốn của kết cấu như nội lực, chuyển vị, v.v

ở trạng thái này chính là cơ sở để tính toán nội lực cần điều chỉnh trong dây văng Việc tính toán lực điều chỉnh ở trạng thái hoàn thành cầu được thực hiện dựa trên tính

năng tính hệ số tải trọng ẩn (Unknown Load Factor) như đã trình bày ở trên

Sau khi có trạng thái hoàn thành cầu, mô hình kết cấu ở từng giai đoạn thi công được xây dựng theo trình tự ngược với trạng thái xuất phát là trạng thái hoàn thành cầu Nội lực của các bộ phận kết cấu, bao gồm cả nội lực trong dây văng, sẽ được chương trình cung cấp một cách dễ dàng

ƒ Mô hình hoá và phân tích thuận

Theo phương pháp mô hình hoá thuận, nội lực và biến dạng của các bộ phận kết cấu được chương trình tính toán tích luỹ dần theo quá trình thi công Lực căng ban đầu trong cáp được xác định như là tổng của hai thành phần: lực điều chỉnh được xác

định ở trạng thái hoàn thành cầu (theo phương pháp Unknown Load Factor) và lực điều chỉnh ở từng giai đoạn thi công (theo phương pháp Lack of Fit Force) Như vậy,

việc mô hình hoá và phân tích quá trình thi công cầu dây văng theo phương pháp thuận bao gồm các bước sau:

ƒ Mô hình hoá kết cấu và tính toán lực điều chỉnh ở trạng thái hoàn thành cầu Nội lực dây văng sau khi điều chỉnh sẽ được sử dụng làm lực căng ban đầu khi chúng được đưa vào mô hình

ƒ Xây dựng mô hình kết cấu ứng với từng giai đoạn thi công như đối với các kết cấu khác Dây văng, khi được đưa vào mô hình, cần được gán lực căng ban đầu như đã trình bày ở trên

ƒ Sử dụng tính năng tính toán Lack of Fit Force khi phân tích thi công trong giao diện Construction Stage Analysis Control Data

9.3 VÍ DỤ MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHÂN TÍCH CẦU DÂY VĂNG

VỚI MIDAS/CIVIL

Ví dụ này sẽ trình bày quá trình mô hình hoá, phân tích và điều chỉnh nội lực cầu treo dây văng theo tiêu chuẩn về độ võng Nội dung của ví dụ sẽ đề cập tới cả hai bài toán ứng với phân tích thuận và ngược Mục tiêu chính của ví dụ tập trung vào việc điều chỉnh lực căng trong các dây văng

Hai bài toán phân tích thuận và ngược đều chung dữ liệu về mô hình thiết kế (trạng thái hoàn thành mong muốn của cầu), chúng chỉ khác nhau về phần mô hình hoá các giai đoạn thi công và thiết lập các phân tích trong giai đoạn thi công Do đó, ví dụ được thực hiện theo cấu trúc sau:

Mô hình hoá chung → thiết lập trạng thái hoàn thành cầu → mô hình hoá và phân tích theo giai đoạn thi công (mô hình hoá ngược và phân tích ngược ứng với bài toán phân tích ngược, mô hình hoá thuận và phân tích thuận đối với bài toán thuận)

Bố trí chung toàn cầu được thể hiện trên Hình 9.8

Hình 9.8 Bố trí chung toàn cầu

9.3.1.2 Vật liệu

Các thông số về vật liệu của từng hạng mục được cho trong Bảng 9-1 dưới đây:

Bảng 9-1 Thông số các vật liệu Hạng mục

hồi (kN/m 2 ) Theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn

Hệ số Poisson Theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn Theo tiêu chuẩn

Trụ cầu phía dưới dầm (trụ P3, P4) có kích thước như được thể hiện trên Hình 9.12

Hình 9.12 Tiết diện trụ phía dưới trụ tháp Mặt cắt ngang trụ P1, P2, P5, P6 thể hiện trên hình Hình 9.13

Hình 9.13 Tiết diện các trụ P1, P2, P5, P6

• Mặt cắt ngang dây văng: các dây văng được cấu tạo từ các tao 15,2 mm, số tao

được sử dụng trong cáp thay đổi từ 37 tới 75 Chi tiết về tiết diện của các dây được tóm tắt trong Bảng 9-2 Sơ đồ phân bố cáp được minh hoạ trên Hình 9.14

dưới đây

Bảng 9-2 Tiết diện cáp dây văng

Ký hiệu cáp Số tao cáp Diện tích cáp (cm 2 )

Hình 9.14 Sơ đồ phân bố các tiết diện dây

9.3.1.4 Bố trí cáp văng và phân chia đốt trong quá trình thi công

Các cáp văng được bố trí theo sơ đồ đồng quy – rẻ quạt Khoảng cách giữa các neo cáp dây văng tại dầm là 6,5 m (tương ứng với chiều dài đốt đúc), khoảng cách giữa các neo cáp trên trụ tháp là 1,75 m Chi tiết về bố trí neo cáp trên dầm và trụ tháp cũng như cách chia đốt trong quá trình thi công được thể hiện ở các hình vẽ 8.15 đến 8.18

Bố trí chung các đốt đúc được thể hiện trên Hình 9.15 Cấu tạo chung đốt K0 tại trụ tháp P3 và P4 được thể hiện trên Hình 9.16 Đốt đúc tại trụ P5 và P2 thể hiện trên Hình 9.17

Hình 9.15 Bố trí chung một đốt đúc hẫng

Hình 9.16 Bố trí chung đốt K0

Hình 9.17 Các đốt đúc tại trụ P2 và P5 Các đốt đúc tại trụ P6 và P1 thể hiện trên Hình 9.18

Hình 9.18 Đốt đúc tại chỗ trên trụ P6 và P1 Neo cáp văng tại trụ tháp thể hiện trên Hình 9.19

Hình 9.19 Bố trí neo các các cáp văng tai trụ tháp

9.3.1.5 Bố trí cáp dự ứng lực

Cốt thép dự ứng lực được sử dụng trong dầm gồm 2 loại: thanh D32 và 12 tao 12,7 mm Trong đó, các thanh D32 được sử dụng tại thớ trên dầm và các cáp sợi 12 tao 12,7 mm được sử dụng cả thớ trên và toàn bộ thớ dưới dầm

9.3.1.6 Tải trọng

Tải trọng được xem xét trong quá trình tính toán cầu bao gồm trọng lượng bản thân, tĩnh tải phần II, các tải trọng thi công, hoạt tải, v.v Tuy nhiên với trọng tâm của bài toán đã được đặt ra, ví dụ này chỉ xem xét việc phân tích, điều chỉnh các lực căng dây với trọng lượng bản thân của kết cấu

9.3.1.7 Quá trình thi công

Dầm chủ được thi công theo phương pháp đúc hẫng cân bằng, các dây được căng chỉnh sau khi đúc các đốt tương ứng

Trình tự thi công cụ thể như sau:

• Thi công trụ tháp P3, P4 và đốt K0 tại các trụ đó trong 90 ngày Công việc tiếp theo ngay khi thi công xong đốt K0 là căng kéo cốt thép DƯL cho đốt đó Sau

đó 1 ngày là lắp đặt xe đúc và tiếp đến ngày thứ 2 là công tác lắp đặt dây văng đầu đốt K0 cũng như căng dây văng Việc đổ bê tông đốt K1 được tiến hành ở ngày thứ 4

• Đốt K1 được bảo dưỡng trong vòng 4 ngày Sau đó là quá trình căng kéo cốt thép DƯL cho đốt K1 và tháo dỡ xe đúc để chuyển sang vị trí mới, chuẩn bị đúc đốt K2 Việc lắp đặt dây văng và căng dây văng ở đốt K1 được tiến hành ở ngày tiếp theo Sau đó 1 ngày là việc đổ bê tông đốt K2

• Quá trình thi công được thực hiện tương tự cho các đốt tiếp theo Trong thời gian thi công hẫng, các trụ P1, P2, P5, P6 cũng đồng thời được thi công Thời gian thi công các trụ này là 20 ngày (nghĩa là, tuổi bắt đầu chịu lực của chúng

là 20 ngày)

• Các khối hợp long nhịp giữa và nhịp biên sẽ bắt đầu được thi công sau khi 30 khối hẫng đã được thi công xong Thời gian hợp long là 4 ngày (tức là, tuổi làm việc của các đốt hợp long là 4 ngày)

9.3.2 Các bước mô hình hoá và phân tích trong MIDAS/Civil

• Mô hình hoá kết cấu

• Xây dựng mô hình kết cấu ở trạng thái hoàn thành cầu

• Mô hình hoá và phân tích quá trình thi công

9.3.3 Mô hình hoá kết cấu

9.3.3.1 Dạng mô hình (Structure Type) và các thiết lập ban đầu

• Dạng mô hình

Kết cấu được phân tích ở dạng 3 chiều nên dạng mô hình sẽ được chọn là 3-D và khi phân tích động, trọng lượng bản thân của các bộ phận kết cấu sẽ được chuyển về

khối lượng nút nên các tham số trong giao diện Structure Type (Hình 9.20)

Hình 9.20 Lựa chọn các tham số dạng kết cấu

• Các thiết lập ban đầu

ƒ Thiết lập về đơn vị (menu Tool>Unit System): Chọn đơn vị lực là T

(tonf), đơn vị chiều dài là m, các đơn vị khác, vì không ảnh hưởng đến quá trình phân tích nên được để mặc định

ƒ Thiết lập về hệ toạ độ người dùng UCS (menu Model>User Coordinate

System): hệ toạ độ người dùng được chọn trùng với hệ toạ độ tổng thể (XY Plane) để phù hợp với thói quen sử dụng trục X làm trục dọc cầu và trục Z làm trục thẳng đứng và tránh các nhầm lẫn sau này khi sử dụng các thao tác liên quan đến biến đổi toạ độ

9.3.3.2 Vật liệu

Các thông tin chính về vật liệu của các hạng mục đã được thể hiện trong mục

9.3.1.2 Việc nhập dữ liệu về vật liệu được thực hiện trong giao diện Property và Material Data (xem giới thiệu chi tiết tại các phần trước và mục 5.3.2 của Tập 1)

Với những vật liệu có các thuộc tính thay đổi theo thời gian như từ biến, co ngót thì ngoài việc định nghĩa các thông số của vật liệu như trên phải thêm các bước sau:

• Định nghĩa các thuộc tính thay đổi của vật liệu: Từ biến, co ngót nhập qua giao diện Time Dependent Material (Creep>Shrinkage) bằng cách chọn menu

Model>Properties>Time Dependent Material (Creep>Shrinkage) Nhập

thuộc tính thay đổi cường độ của vật liệu theo thời gian trong giao diện Time Dependent Material (Comp Strength) bằng cách chọn menu

Model>Properties>Time Dependent Material (Comp Strength) (xem giới thiệu chi tiết tại các phần trước)

• Gán các thuộc tính trên cho các vật liệu tương ứng: qua giao diện Time Dependent Material Link bằng cách chọn menu Model>Time Dependent

Material Link (xem giới thiệu chi tiết tại các phần trước)

9.3.3.3 Mặt cắt

Các thông tin chính về mặt cắt của từng bộ phận kết cấu đã được mô tả trong phần 9.3.3.3 Những mặt cắt đơn giản có thể được khai báo bằng cách sử dụng các mẫu mặt cắt có sẵn trong MIDAS/Civil Những mặt cắt phức tạp nhưng cần biểu diễn trực quan

về đồ hoạ sẽ được khai báo bằng cách sử dụng mặt cắt dạng Value kết hợp với công

cụ SPC (Section Property Calculator) Trong khi mô hình hoá mặt cắt, ngoài việc

nhập dữ liệu chính xác về kích thước của mặt cắt, một điểm cần được đặc biệt chú ý là

điểm tham chiếu của mặt cắt (Offset) để phản ánh chính xác thực tế và thuận lợi cho

việc xây dựng mô hình hình học của kết cấu sau này (lưới phần tử hữu hạn)

Các thông số về mặt cắt của phần tử được thể hiện trong Bảng 9.1

Bảng 9.1 Bảng mô tả các thông số mặt cắt của kết cấu

Phần trên trụ tháp P3,

P4 Pylon_T, Pylon_U Value - General Section Center - Center

Phần dưới P3, P4 Pier34 DB/User - Solid Octagon Center - Center

S18to25, S26to31 Value - Solid Round Center - Center Các trụ P1, P2, P5, P6 Pier1256 Value - General Section Center - Center

Dầm chủ Deck Value - General Section Center - Top

Việc nhập số liệu cho các mặt cắt đơn giản như mặt cắt Pier34 được thực hiện dễ

dàng qua giao diện Property và Section Data (xem giới thiệu chi tiết ở các phần 5.3.3,

Tập 1) Phần này sẽ giới thiệu chi tiết cách nhập dữ liệu cho mặt cắt phức tạp với

công cụ SPC:

• Vẽ trước hình dạng mặt cắt trong AutoCAD, sau đó ghi thành file với định dạng dxf (Hình 9.21)

• Mở công cụ SPC (Từ MIDAS/Civil, chọn menu Tools>Sectional Property

Calculator), chú ý đơn vị làm việc phải tương ứng với đơn vị vẽ trong AutoCAD

• Trong công cụ SPC, nhập bản vẽ mặt cắt từ file dxf (chọn menu File>Import>

AutoCAD DXF) (Hình 9.22)

Hình 9.21 Tiết diện trụ tháp trong file (.dxf) của AutoCAD

Hình 9.22 Kết nhập dữ liệu từ file (.dxf) trong công cụ SPC

• Tạo mặt cắt từ các đường đã nhập (chọn menu Model>Section>Generate và chọn đường bao mặt cắt, nhập tên mặt cắt trong ô Name)(Hình 9.23) Sau đó thực hiện tính toán đặc trưng hình học cho mặt cắt (chọn menu

Property>Calculate và chọn mặt cắt cần tính) (Hình 9.24)

Hình 9.23 Hình 9.24 Hình 9.25

• Xuất số liệu về mặt cắt đã tính toán sang định dạng file mặt cắt (*.sec) của

MIDAS (chọn menu Model>Section>Export, chọn định dạng MIDAS Section file, chọn mặt cắt cần xuất số liệu)(Hình 9.25)

• Đóng ứng dụng SPC, quay trở lại MIDAS/Civil Trong giao diện nhập mặt cắt (Section Data), chọn trang Value, chọn dạng General Section Sau đó kích chọn lệnh Import from SPC, tìm tới file (.sec) đã tạo Kết quả sẽ được mặt cắt có

dạng và đặc trưng hình học mong muốn Hình 9.26 minh hoạ kết quả nhập dữ liệu cho mặt cắt phía trên trụ tháp

Hình 9.26 Nhập dữ liệu thông qua kết nhập với file (.sec)

9.3.3.4 Xây dựng mô hình kết cấu

Để xây dựng mô hình hình học kết cấu bao gồm dầm chủ, trụ tháp và các dây văng

có thể sử dụng nhiều cách khác nhau như thao tác trực tiếp trên môi trường đồ họa của MIDAS/Civil, thao tác với bảng, kết xuất với bản vẽ (*.dxf) của AutoCAD Trong

ví dụ này, mô hình kết cấu được xây dựng theo các bước sau:

Vẽ mô hình hình học phẳng của kết cấu (bao gồm dầm chính, trụ tháp, các trụ nhịp biên và các dây văng) trong AutoCAD Các kích thước cụ thể xem trong phần số liệu

đã trình bày ở trên, chiều cao gối tại các trụ P1, P2, P5, P6 lấy bằng 40 cm Chú ý các đối tượng vẽ luôn luôn phải là Line Sau đó ghi lại kết quả dạng file dxf (Hình 9.27)

Hình 9.27 Mô hình kết cấu được xây dựng trong phần mềm AutoCAD

Trong MIDAS/Civil thực hiện kết nhập file dxf (menu File>Import>AutoCAD

DXF File) Sau đó thực hiện tiếp trong giao diện Import DXF File Chú ý chọn các lớp chứa đối tượng cần kết nhập, chọn tỉ lệ tương ứng giữa đơn vị vẽ trong AutoCAD

và đơn vị đã chọn trong MIDAS/Civil, chọn góc quay Rx = 90o trong trường hợp mặt phẳng vẽ kết cấu ở AutoCAD là mặt phẳng XY (nhằm chuyển sang mặt phẳng XZ trong MIDAS/Civil) (Hình 9.28)

Hình 9.28 Import mô hình đã được xây dựng trên AutoCAD vào MIDAS/Civil

Sơ đồ không gian của kết cấu được thể hiện như trên Hình 9.29