Mô hình hóa thi công cầu trên đà giáo cố định bằng midas civil

Hiện nay, các phương pháp phổ biến được áp dụng trong thi công cầu bê tông là:  Thi công trên hệ thống đà giáo cố định.. Các kết cấu cầu được thi công theo phương pháp hẫng có sơ đồ chị

CHƯƠNG 7 MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHÂN TÍCH

CẦU BÊ TÔNG THI CÔNG TRÊN

ĐÀ GIÁO CỐ ĐỊNH

TÔNG

Cầu bê tông cốt thép và nhất là cầu bê tông dự ứng lực đang là dạng cầu phổ biến nhất

ở nước ta hiện nay Trong thực tế xây dựng, cầu bê tông được áp dụng cho từ những nhịp rất nhỏ, khoảng 6 m đối với cầu bản, đến những nhịp rất lớn, hơn 100 m, đối với cầu dầm

và hơn 400 m với cầu treo dây văng

Cầu bê tông là loại kết cấu có trọng lượng bản thân lớn hơn nhiều so với tải trọng khai thác Ngoài ra, bê tông là vật liệu có các đặc tính cường độ, độ cứng và biến dạng thay đổi theo thời gian Sự thay đổi biến dạng theo thời gian được thể hiện ở tính co ngót và từ biến Bên cạnh sự thay đổi đặc trưng vật liệu, các đặc trưng mặt cắt của các bộ phận kết cấu bê tông dự ứng lực cũng thay đổi theo quá trình thi công phụ thuộc vào quá trình bơm vữa vào ống gen cũng như tương quan độ cứng giữa bê tông và cốt thép

Do các đặc điểm kể trên nên trạng thái nội lực cuối cùng của kết cấu cầu bê tông phụ thuộc rất lớn vào quá trình, phương pháp và công nghệ thi công Việc mô hình hoá và tính toán kết cấu cầu bê tông, do đó, phải được thực hiện phụ thuộc vào quá trình cũng như công nghệ thi công

Hiện nay, các phương pháp phổ biến được áp dụng trong thi công cầu bê tông là:

 Thi công trên hệ thống đà giáo cố định Trong phương pháp thi công này, hệ thống

đà giáo phục vụ thi công được tựa lên nền đất (có thể là nền đất đã được gia cố) Đây là phương pháp thi công được áp dụng lâu đời nhất trong xây dựng cầu bê tông và, hiện nay, phương pháp này vẫn được sử dụng có hiệu quả trong những điều kiện thích hợp như kết cấu nhịp không quá cao, nền đất không quá yếu, v.v

Ưu điểm của hệ thống đà giáo cố định là an toàn, kết cấu chịu lực theo một sơ đồ duy nhất nên tiết kiệm vật liệu và nâng cao chất lượng công trình

 Thi công trên đà giáo di động Trong điều kiện địa chất yếu hoặc trụ cầu cao, việc

áp dụng các hệ thống đà giáo cố định sẽ rất tốn kém Để phát huy các lợi thế của việc thi công trên đà giáo và khắc phục các khó khăn của việc xây dựng các trụ tạm, có thể sử dụng các hệ thống đà giáo di động (MSS – Movable Scraffolding System) Dạng phổ biến của hệ thống đà giáo di động là sử dụng các dầm hoặc

mới để thi công bộ phận khác Phương pháp này cho phép thi công kết cấu nhịp có mặt cắt bất kỳ

 Thi công bằng phương pháp hẫng (FCM – Free Caltileved Method) Phương pháp

thi công hẫng bao gồm đúc hẫng hoặc lắp hẫng Ở đây, các đoạn dầm được đổ tại chỗ hoặc lắp ghép từ một bên hay đối xứng qua trụ cho đến khi các dầm được nối (hợp long) với nhau Trong quá trình thi công, các đốt dầm chủ yếu chịu mô men

âm nên hầu hết cốt thép dự ứng lực được đặt ở phía trên mặt cắt Cũng như phương pháp thi công trên đà giáo di động, phương pháp thi công hẫng không yêu cầu trụ tạm nên có thể thi công qua khu vực có điều kiện địa chất xấu, kết cấu nhịp cao hay yêu cầu thông thuyền Các kết cấu cầu được thi công theo phương pháp hẫng

có sơ đồ chịu lực hợp lý nên tiết kiệm vật liệu và có hình dáng đẹp

 Thi công bằng phương pháp đẩy Phương pháp đẩy (ILM – Incremental Launching

Method) chủ yếu là đúc đẩy Các đoạn dầm được đúc ở trên bãi đúc ở một bên mố

và được đẩy dần cho đến khi chạm mố bên kia Phương pháp này cũng khắc phục được các nhược điểm của phương pháp đà giáo cố định nhưng nhược điểm chính của phương pháp là sơ đồ chịu lực của kết cấu thường xuyên thay đổi trong quá trình thi công nên không tiết kiệm vật liệu

BẰNG MIDAS/CIVIL

Việc mô hình hoá và phân tích các kết cấu cầu bê tông dự ứng lực với MIDAS/Civil, nói chung đều được thực hiện theo các bước chính sau:

 Lựa chọn dạng kết cấu,

 Khai báo vật liệu và mặt cắt,

 Xây dựng mô hình Trong quá trình này nên sử dụng tối đa các tính năng của các

chương trình hỗ trợ mô hình hoá (Wizard), nếu có thể Trong các phiên bản hiện thời, MIDAS/Civil cung cấp Wizard cho các dạng kết cấu: cầu bản, cầu thi công

đúc hẫng (FCM), cầu thi công đúc đẩy (ILM), cầu thi công trên đà giao di động MSS, v.v

 Mô hình hoá quá trình thi công,

 Phân tích và xử lý kết quả

Các phần sau của chương này sẽ được sử dụng để trình bày phương pháp mô hình hoá

và phân tích các kết cấu cầu bê tông dự ứng lực trong giai đoạn thi công theo các phương pháp đúc trên đà giáo cố định và đúc hẫng Việc mô hình hoá và phân tích kết cấu được thi công theo phương pháp đà giáo di động cũng được thực hiện hoàn toàn tương tự như đối với trường hợp thi công trên đà giáo cố định

7.3 MÔ HÌNH HOÁ VÀ PHÂN TÍCH CẦU BÊ TÔNG DỰ ỨNG

LỰC KÉO SAU THI CÔNG TRÊN ĐÀ GIÁO CỐ ĐỊNH

7.3.1 Đặc điểm của quá trình thi công

Theo phương pháp thi công này, các dầm thường được đổ bê tông theo từng đoạn, có thể là một hoặc nhiều nhịp Mối nối thi công ở mỗi đoạn được bố trí trùng với điểm

“không” trên biểu đồ mô men – thường là điểm cách gối một khoảng bằng 0,2 lần chiều dài nhịp Đối với các kết cấu cầu dầm liên tục, cáp dự ứng lực sẽ được neo tạm tại các mối nối thi công và sẽ được nối với cáp ở phần dầm thi công sau Sau khi bê tông đã đủ khả năng chịu lực, đà giáo sẽ được tháo và chuyển sang phục vụ cho giai đoạn thi công khác Như vậy, trong quá trình thi công, kết cấu sẽ trải qua các trạng thái chính như sau:

 Bê tông dầm được đúc xong nằm tựa trên đà giáo,

 Dầm được kéo dự ứng lực,

 Ống gen được bơm vữa,

 Dầm được tháo ván khuôn, đà giáo và tựa lên trụ, chịu trọng lượng bản thân và các tải trọng thi công khác

7.3.2 Đặc điểm của việc mô hình hoá kết cấu trong giai đoạn thi

công

Tương ứng với quá trình thi công và các đặc điểm chịu lực của kết cấu trong quá trình này, việc mô hình hoá kết cấu cần phản ánh được những đặc điểm sau:

 Điều kiện biên của kết cấu trước khi tháo đà giáo Khi này, kết cấu được kê trên đà

giáo, là bộ phận có độ cứng hữu hạn Như vậy, đà giáo cần được mô hình hoá thành các liên kết đàn hồi Độ cứng của các liên kết này cần được xác định theo kết

quả đo đạc thực tế Ngoài ra, liên kết giữa đà giáo và dầm là dạng liên kết chỉ chịu

nén do giữa bê tông dầm và đà giáo hoàn toàn không có liên kết

 Mô hình hoá các giai đoạn và các bước thi công Một quá trình thi công cho đến khi hoàn thành xong một đoạn dầm có thể được mô hình hoá thành một giai đoạn thi công Tuy nhiên, trong quá trình đó, có khá nhiều bước thi công cần được phản

thành nhiều bước, mỗi bước ứng với một thời điểm hoàn thành công việc nhất định Việc phân chia giai đoạn và bước thi công phụ thuộc chủ quan của người lập

mô hình phân tích, tuy nhiên, để dễ xử lý dữ liệu, các giai đoạn thi công trên mô hình nên phản ánh đúng ý nghĩa thực tế của nó

7.3.3 Ví dụ

Các nội dung nổi bật của ví dụ này là:

 Mô hình hoá mặt cắt bằng công cụ SPC;

 Mô hình hoá hệ thống đà giáo cố định;

 Mô hình hoá cáp dự ứng lực

Quá trình mô hình hoá kết cấu cùng các giai đoạn thi công có thể được thực hiện đơn

giản bằng Wizard FSM Tuy nhiên, để tổng quát, ví dụ sau sử dụng cách mô hình hoá đơn

giản nhất từ các công cụ hỗ trợ mô hình hoá phổ thông của MIDAS/Civil

Ví dụ sau trình bày cách mô hình hoá và phân tích một kết cấu cầu dầm liên tục thi công trên đà giáo cố định Đây là một phần cầu dẫn trong một hệ thống cầu lớn Hình 7-1 thể hiện sơ đồ bố trí chung của phần cầu dẫn, các Hình 7-2 và Hình 7-3 thể hiện mặt cắt ngang điển hình và mặt cắt ngang trên gối của kết cấu nhịp Hình 7-4 minh hoạ cách bố trí cáp theo phương dọc cầu và Hình 7-5 minh hoạ cách bố trí cáp dự ứng lực trên mặt cắt ngang Do phần cầu dẫn được cấu tạo từ 3 nhóm nhịp và cách thi công cả 3 nhóm này là như nhau nên ví dụ này chỉ xem xét quá trình thi công cho nhóm nhịp thứ nhất Sơ đồ quá trình thi công được thể hiện trên Hình 7-6 và Hình 7-7

Trong giai đoạn thi công thứ nhất, dầm được đổ bê tông trên nhịp 1 và 0,2 lần chiều dài nhịp 2 (10 m) Trong giai đoạn 2, phần được đổ bê tông là phần còn lại của nhịp 2 và 0,3 lần chiều dài nhịp 3 (10 m) Phần còn lại của nhịp 3 được thi công trong giai đoạn 3

Hình 7-4 Sơ đồ bố trí cáp

773 1560

Hình 7-7 Tổng thể hệ đà giáo, ván khuôn

 Hệ thống đơn vị: hệ thống đơn vị được sử dụng ở ví dụ này là m, kN Các giá trị

này được nhập như trên Hình 7-8 Một số đơn vị ở đây được dùng mặc định vì sẽ không được sử dụng trong quá trình tính toán

 Mô hình: mô hình được xây dựng là mô hình 3 chiều Nhiệt độ ban đầu được đặt là

25oC Chương trình cũng sẽ được yêu cầu chuyển đổi trọng lượng thành khối lượng tập trung một cách tự động Các thông số này được đặt trong giao diện

Structure Type (Kiểu kết cấu) như trên Hình 7-9

Hình 7-8 Xác định hệ thống đơn vị

Hình 7-9 Đặt các thông số kết cấu

Vật liệu chế tạo dầm được thống kê trong Bảng 7-1 Ví dụ về việc khai báo vật liệu vào mô hình được thực hiện như trên Hình 7-10 Chi tiết hơn về cách khai báo vật liệu đã được trình bày trong mục 5.3.2 của Tập 1

Bảng 7-1 Các đặc trưng cơ bản của vật liệu

Đặc trưng vật liệu Bê tông dầm Cốt thép dự ứng lực

Tên trong mô hình DeskConcrete Tendon

Modun đàn hồi (kN/m 2 ) 3,1350e+007 1,9500e+008

Hệ số dãn nở nhiệt (1/ o C) 1,000e-005 1,000e-005

Trọng lượng riêng (kN/m 3 ) 24,5 78,5

Cường độ 28 ngày (kN/m 2 ) 340000

Hình 7-10 Nhập các thông số vật liệu

của vật liệu

Mô hình tính toán từ biến và sự thay đổi cường độ theo thời gian của bê tông dầm

(DeskConcrete) là mô hình của Tiêu chuẩn CEB-FIP Cách nhập mô hình từ biến được

thể hiện trên Hình 7-11 Ở đây, cường độ bê tông sau 28 ngày được lấy là 34 MPa (34000 kN/m2); độ ẩm tương đối của môi trường là 70%; kích thước danh định của cấu kiện là 1

m (giá trị này sẽ được MIDAS/Civil tự động tính toán lại) Xi măng được dùng trong mô hình này là loại xi măng thông thường hay đông cứng nhanh Hình 7-12 minh hoạ cách nhập dữ liệu cho mô hình tính toán sự thay đổi cường độ bê tông theo thời gian và Hình 7-13 thể hiện cách gán các đặc trưng từ biến và biến thiên cường độ cho vật liệu bê tông dầm

Hình 7-11 Khai báo hàm từ biến, co ngót theo CEB-FIP

Hình 7-12 Khai báo hàm biến thiên cường độ theo CEB-FIP

Hình 7-13 Gán thuộc tính thời gian cho vật liệu

Mặt cắt của dầm thuộc loại đã được định nghĩa sẵn trong thư viện mặt cắt của MIDAS/Civil và có thể nhập theo các thông số của chúng Tuy nhiên, để tận dụng các hình vẽ mặt cắt đã được xây dựng trong AutoCAD, ví dụ này sử dụng cách xây dựng mặt

cắt với chương trình hỗ trợ SPC (menu Tools>Section Property Calculator) Mục

5.3.3.4, Tập 1 đã trình bày chi tiết cách xây dựng mô hình mặt cắt trên với với chương

trình SPC này

Mặt cắt đã được vẽ trên AutoCAD sẽ được lưu thành dạng file dxf sau đó import vào SPC Kết quả của việc import là một tập hợp đường mô tả biên của mặt cắt (Hình 7-14) Mặt cắt sẽ được tạo ra từ các đường này bằng lệnh Generate Section (Hình 7-15) Bước

tiếp theo là yêu cầu SPC tính toán các đặc trưng hình học của mặt cắt này Mặt cắt kết

quả sau đó sẽ được export thành dạng file mặt cắt của MIDAS (MIDAS Section) (Hình

7-16) Cách nhập mô hình đã được định nghĩa vào MIDAS/Civil được thể hiện trên Hình 7-17

Hình 7-14 Import dạng mặt cắt từ file AutoCad dxf

Hình 7-15 Xây dựng mặt cắt trong SPC

Hình 7-16 Export mặt cắt thành dạng file MIDAS Section

Hình 7-17 Nhập mặt cắt đã định nghĩa vào MIDAS/Civil

Tương ứng với hai dạng mặt cắt trên các Hình 7-2 và Hình 7-3, sẽ có 2 mặt cắt trong

mô hình được xây dựng: “MidSpan” cho phần giữa nhịp và “Support” cho phần trên gối Thông thường, giữa hai mặt cắt này có một đoạn chuyển đổi, ở đó, các đặc trưng mặt cắt

sẽ được thay đổi dần từ mặt cắt mặt cắt giữa nhịp thành mặt cắt gối Tuy nhiên, để đơn giản, ví dụ này chỉ xem xét hai mặt cắt trên

Lựa chọn mặt phẳng làm việc là mặt phẳng XZ Do độ dốc dọc của kết cấu là 4% nên chênh lệch về cao độ giữa điểm đầu và điểm cuối của mỗi dầm là 0,04 50 2 m Từ đó, lưới trục khống chế được chọn như trên Hình 7-18 Các phần tử dầm được tạo ra đi qua điểm giao của lưới khống chế kể trên Ở trên mỗi gối, chiều dài dầm có mặt cắt dạng

“Support” là 2 m phân bố đều về hai phía của gối

Hình 7-18 Xây dựng lưới khống chế

Quá trình thực hiện việc mô hình hoá kết cấu như sau:

 Tạo 3 phần tử dầm đi qua giao của lưới khống chế bằng lệnh Create Elements

(menu Model>Elements>Create Element…) Dạng mặt cắt được chọn là

“MidSpan”

 Chia các dầm thành các đoạn có chiều dài 2 m bằng lệnh Divide Elements (menu Model>Elements>Devide Element…) Do có độ nghiêng nên chiều dài dầm thực tế sẽ lớn hơn 50 m, do đó, mỗi dầm sẽ được chia thành 25 phần tử Việc chia này sẽ đảm bảo độ chính xác và phù hợp với việc tạo mối nối thi công cũng như

mô hình hoá gối tạm trong khi thi công Riêng ở trên gối, các phần tử dầm được chia thành 2 đoạn có chiều dài 1 m về mỗi bên gối

 Gán mặt cắt “Support” cho các phần tử có chiều dài 1 m sát hai bên gối

 Gán toạ độ nút cho các điểm gối Do dầm có độ dốc dọc khá lớn nên các điểm gối cần được gán hệ toạ độ riêng để phản ánh độ dốc này Hệ toạ độ của các nút gối được gán với góc quay quanh trục y một góc là -2,29 độ, tương ứng với độ dốc 4% (Hình 7-19)

 Gán gối cố định cho gối phải và gối di động cho hai gối còn lại Trong thực tế, hầu hết các gối cầu là gối đàn hồi và giữa mặt gối ở dầm và mặt gối ở mố trụ có khoảng cách nhưng để đơn giản, trong ví dụ này, các gối được mô hình hoá thành dạng gối cứng và nằm ngay ở đáy dầm (Hình 7-20)

 Đặt lại mã số nút và phần tử Để dễ quản lý mô hình trong các bước tiếp theo, các

nút và phần tử của mô hình cần được đặt lại mã số bằng lệnh Renumbering (menu

Model>Elements>Renumbering…) Các nút và các phần tử được sắp xếp theo thứ tự tăng dần từ trái sang phải (trục toạ độ thứ nhất để sắp xếp là trục X) và bắt đầu từ 1 Số bắt đầu có thể được chọn tuỳ ý

 Thử mô hình Trước khi tiến hành các bước tiếp theo, mô hình đã được tạo ra cần

được kiểm tra để đảm bảo độ chính xác Về mặt cấu tạo, có thể sử dụng lệnh Check

and Remove Duplicate Elements (menu Model>Check and Remove Duplicate

Elements) Về mặt tĩnh học, nên tính thử kết cấu với một trường hợp tải đơn giản

là trọng lượng bản thân

Hình 7-19 Gán hệ toạ độ nút cho các gối

Hình 7-20 Mô hình gối

Việc mô hình hoá cáp dự ứng lực đã được trình bay chi tiết trong các ví dụ của chương

6, Tập 1 Phần sau đây chỉ nêu các bước chính của quá trình này

a) Khai báo thuộc tính cáp dự ứng lực (Property) Các thuộc tính cáp dự ứng lực cần

nhập bao gồm loại cáp (đã được định nghĩa trong phần vật liệu), diện tích bó cáp (15 tao đường kính 15,2 mm) và các thuộc tính liên quan giới hạn chảy, giới hạn đàn hồi, ma sát, v.v Hình 7-21 minh hoạ cách nhập thuộc tính cáp được sử dụng trong ví dụ này Để đơn giản, rất nhiều thông số ở đây được lấy là các giá trị mặc định

Hình 7-21 Nhập các thông tin về thuộc tính cáp

b) Nhập các thông số toạ độ cho trắc dọc cáp (Profile) Hình 7-5 thể hiện cách bố trí

cáp trên mặt cắt ngang điển hình Các Bảng 7-2, Bảng 7-3 và Bảng 7-4 thể hiện toạ

độ trắc dọc cáp cho các giai đoạn thi công 1, 2 và 3 Các cáp được nhập cho 1 sườn dầm và sau đó lấy đối xứng sang sườn còn lại Hình 7-22 thể hiện cách nhập trắc dọc cáp Kiểu nhập toạ độ được chọn là “Straight” Các toạ độ của trắc dọc cáp

được nhập trong mặt phẳng xz (các toạ độ theo phương y được gán = 0) và sau đó quay theo phương x trong mặt phẳng gốc để được góc nghiêng của sườn dầm Theo

phương dọc, cáp được quay 1 góc là -2,29 độ phù hợp với độ dốc dọc của dầm Toạ

độ gốc của cáp cho giai đoạn 1 là điểm có toạ độ (trong hệ toạ độ chung) 0, 1.560, 0 cho sườn dầm trái hoặc 0, -1.560, 0 cho sườn dầm phải Cho giai đoạn thi công thứ

2, các toạ độ gốc của cáp tương ứng là 60, 1.560, 0 và 60, -1.560, 0 Cho giai đoạn thi công thứ 3, các giá trị này là 110, 1.560, 0 và 110, -1.560, 0 Hình 7-23 thể hiện kết quả nhập trắc dọc cáp dự ứng lực cho giai đoạn thi công thứ nhất

Bảng 7-2 Toạ độ trắc dọc cáp cho giai đoạn thi công 1

11.633 0.642 8.848 0.501 6.499 0.358 4.456 0.211 1.593 0.202 0.739 0.175 12.792 0.575 10.08 0.425 7.784 0.275 5.766 0.125 2.829 0.125 1.743 0.125 24.413 0.575 26.578 0.425 29.641 0.275 31.94 0.125 35.357 0.125 42.262 0.125 25.521 0.637 27.723 0.491 30.845 0.348 33.19 0.203 36.723 0.219 44.694 0.425 39.991 2.25 41.651 2.096 43.962 1.939 45.722 1.783 46.873 1.618 45.977 0.747 41.099 2.312 42.796 2.161 45.166 2.011 46.972 1.862 48.239 1.618

49.315 2.312 48.866 2.161 49.315 2.011 49.314 1.862 49.316 1.618

57.531 2.312 54.936 2.161 53.464 2.011 51.656 1.862 50.393 1.711