Trong đề tài em chọn Midas-civil làm công cụ chính vì vậy đề tài này tập trung nghiên cứu khai thác ứng dụng các tính năng phân tích cầu của phần mềm, áp dụng kết quả nghiên cứu tính toá
Trang 1NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MIDAS-CIVIL TÍNH TOÁN KẾT CẤU CẦU DÂY VÕNG ỨNG DỤNG CHO CẦU NGUYỄN VĂN
TRỖI _ TRẦN THỊ LÝ.
APLYING THE MIDAS-CIVIL SOFTWARE TO DESIGN THE
STRUCTURES OF SUSPENSION BRIDGE APLYING FOR NGUYỄN VAN
TROI _ TRAN THỊ LY BRIDGE
TÓM TẮT: Kết cấu cầu treo dây võng thường có biến dạng lớn nên khi tính
toán cầu treo dây võng có những sai số Cùng với sự phát triển của khoa học thì các phần mềm như: Sap ,Midas-civil ,RM sẽ là những công cụ giúp chúng ta tính toán nhanh hơn,kết quả chính xác hơn Trong đề tài em chọn Midas-civil làm công cụ chính vì vậy đề tài này tập trung nghiên cứu khai thác ứng dụng các tính năng phân tích cầu của phần mềm, áp dụng kết quả nghiên cứu tính toán thiết kế phương án cầu dây võng.
SUMARY: Suspension bridge structure often has large deformation So
calculating Suspension bridge has odds With development of sience ,the softwares: Sap ,Midas-civil,RM …will be tools help our fast calculate,result exactaly In this topic,I select Midas-civil make major tool So , This topic studies, develops and applies the features of bridge analysis of this software, puts the result of the reaseach into practice to calculate and design the suspension
bridges
I- Đặt vấn đề:
Cầu dây võng là loại cầu trong đó bộ phận chịu lực chính là dây cáp do đó tận dụng được hết thành tựu của khoa học về sự làm việc của vật liệu Chính vì có
ưu điểm này nên cầu treo vượt được khẩu độ rất lớn mà các loại kết cấu khác không làm được ví dụ như cầu Akashi Kaikyo ở nhật bản vượt được nhịp 1991 m Đặc điểm nổi bật của cầu là có dầm ngang là dầm cứng liên tục để tạo ra độ cứng cần thiết đối với cầu và tạo sự phân bố tải trọng qua tháp treo cáp vì thế đã hạn chế được đáng kể biến dạng của cáp
Trang 2MIDAS-Civil là bộ phần mềm có khả năng tính toán kết cấu cầu rất mạnh được du nhập vào Việt Nam trong vài năm gần đây, tuy nhiên tài liệu hướng dẫn phần mềm này cũng còn rất hạn chế Đề tài này nghiên cứu, khai thác các tính năng phân tích và thiết kế kết cấu cầu của phần mềm MIDAS-Civil.Phân tích nội lực ,ứng suất ,biến dạng trong giai đoạn khai thác và phân tích ứng suất ,biến dạng trong thi công theo mô hình phân tích ngược Ứng dụng tính toán thiết kế cầu Nguyễn Văn Trỗi và Trần Thị Lý.Đặc điểm nổi bật của cầu treo dây võng là môhình phân tích ngược
Trong phần tính toán ta phân tích cầu theo 2 giai đoạn :
Phân tích trạng thái hoàn thiện
Phân tích giai đoạn thi công
II - Tổng quan về các bộ phận kết cấu trong cầu và số liệu đầu vào:
Cầu được thiết kế với nhịp như sau 100 - 400 – 100m , mặt cắt ngang cầu là
dầm hộp BTCT f’c=50 Mpa , chiều cao hộp là h =2m , mặt cắt ngang gồm 6 làn
xe chạy ,bề rộng mỗi là là 3.5m và 2 lan người đi Cáp chủ có đường kính 0.6m ,khoảng cách giữa hai cáp chủ là 23.5m .Cáp treo có đường kính 0.15m ,khoảng cách giữa 2 cáp treo là 10m ,mũi tên võng giữa nhịp của cầu là f=1/10l =400/10 =40m
Cầu gồm các bộ phận như sau:
Dầm: Kết cấu dọc để chịu và phân bố tải trọng hoạt tải
Cáp chủ: Tổ hợp các bó sợi cáp song song , là bộ phận chịu lực chính của cầu nâng đỡ dầm và hệ mặt cầu và truyền tải trọng qua tháp cầu tới trụ và nền móng Sự truyền tải từ dầm lên cáp chính được thực hiện thông qua cáp treo
Tháp cầu : Kết cấu trung gian thẳng đứng chịu lực từ cáp chính truyền đến rồi truyền tải trọng xuống đến nền móng
Khối neo : Khối bê tông nặng để giữ neo cáp chính và hoạt động như là bộ phận chịu lực sau cùngcủa cầu
III PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN:
Trang 31- Lý thuyết tính toán:
1.1 Lý thuyết biến dạng nhỏ tuyến tính: Không xét đến ảnh hưởng của
sự thay đổi hình dạng của cáp Tính toán đơn giản ,kém chính xác
M(x) = M 0 (x) – H p y(x)
1.2 Lý thuyết biến dạng lớn: Xét đến ảnh hưởng biến dạng của cáp đến
nội lực Tính toán phi tuyến
M(x) = M 0 (x) –H p y(x) – (Hw + H p ) (x)
1.3 Giải pháp thực dụng:
a Tính toán giai đoạn khai thác:
-Tải trọng khai thác nhỏ hơn nhiều so với tỉnh tải
-Độ cứng hình học ít thay đổi
- Tính kết cấu theo sơ đồ biến dạng nhỏ, tuyến tính
b Tính toán trong giai đoạn thi công.
- Sơ đồ kết cấu thay đổi thường xuyên
- Tải trọng thi công lớn
- Tính kết cấu theo phương pháp biến dạng lớn , phi tuyến
2- Các bước mô hình hoá trong giai đoạn hoàn thiện bằng MIDAS-CIVIL: Các bước chính thực hiện trong chương trình:
- Mô hình hóa kết cấu
- Khai báo các làn xe
- Khai báo các tải trọng theo 22TCN272-05: Xe Tadem+Lan, Xe Tai+ Lan
- Khai báo các lớp xe
- Khai báo các trường hợp tải trọng di động, gán các tải trọng di động vào các làn cho phù hợp
Trang 4- Khai báo các truờng hợp tải trọng di động và các tổ hợp tải trọng có xét đến hệ
số tải trọng, hệ số xung kích
- Cụ thể các bước mô hình hóa kết cấu và tổ hợp tải trọng như sau:
2 Mô hình hóa kết cấu:
- Toàn bộ kết cấu cầu dây võng sẽ được mô hình vào trong chương trình gần đúng
như kết cấu thật, mô hình bài toán là mô hình không gian
- Dầm liên tục tiết diện hộp được mô tả trong chương trình là phần tử Beam Mặt cắt ngang dẩm chủ được khai báo trong chương trình với các thông số cụ thể như sau: (Xem hình vẽ)
- Trong cầu dây võng nội lực xuất hiện trong dây võng chủ yếu là lực kéo
do đó dây sẽ được khai báo là phần tử TENS-TRUSS, loại Cable
3 Khai báo các điều kiện biên:
- Liên kết neo giữa cáp chủ với đất được mô tả là 4 ngàm cứng
- Liên kết giữa chân tháp với nền đất được mô tả là ngàm
- Hai đầu dầm được mô tả bằng gối cố định và di động
- Để mô tả sự làm việc của gối cầu tại vị trí dầm liên tục tựa lên dầm ngang dưới của tháp ,tại vị trí trụ tháp dầm chủ dược kê trên gối di đông bằng liên kết RIGID LINK
- Liên kết giữa đầu neo dây võng với dầm cứng được mô tả bằng các ràng buộc chuyển vị RIGID LINK thể hiện sự chuyển vị đồng thời của chúng theo các phương
- Tháp cầu có kết cấu dạng hộp rỗng làm việc chủ yếu chịu nén uốn nên sẽ được khai báo bằng phần tử Beam
Kết quả mô hình 3D
như sau:
IV- Tính toán cầu theo phương ngang:
Trang 5- Mô hình hóa toàn bộ hộp dầm theo sơ đồ khung cứng, xét cho 1m dài cầu.
- Mô tả các tải trọng và tổ hợp tải trọng
+ Tỉnh tải ta cho chương trình tự tính khi khai báo (z=-1)
+ Hoạt tải ta xếp trực tiếp trên phương ngang
- Tính toán cốt thép cho hộp dầm
V- Kiểm tra nội lực trong cáp chủ và cáp treo trong cả hai giai đoạn khai
thác và giai đoạn thi công theo mô hình phân tích ngược.
Trình tự thi công :
Thi công tháp và cáp chủ trước sau đó lắp dầm và dây treo theo từng đốt Phân tích ngược là từ mô hình hoàn thiện đã phân tích trước ta lần lượt phân tích mô hinh khi ta bỏ lần lượt các nhóm kết cấu đã thi công sau :
Để kiểm tra nội lực cuối cùng trong dây ta phân làm hai giai đoạn Đảm bảo trạng thái cuối cùng là trang thái mong muốn
Sơ đồ mô hình phân tích ngược:
Giai đoạn hoàn thiện:
Trang 6Giai đoạn này toàn bộ tỉnh tải giai đoạn 1 và giai đoạn 2 +tải trọng
do hoạt tải sẽ do cáp treo và cáp chủ chịu hết , ta sẽ đưa ra nội lực trong cáp treo
và cáp chủ
Giai đoạn thi công :
Ta sẽ xem các đốt dầm liên kết bằng khớp để cho tỉnh tải trong dầm dây
sẽ không chịu nữa.và ta sẽ đưa ra nội trong cáp treo và cáp chủ
Nội lực cuối cùng trong dây sẽ bằng tổng nội lực trong hai giai đoạn
Và kiểm tra như sau: Nội lực trong cáp phải nhỏ hơn lực căng cho phép
N Trongcap N
Đối với cáp chủ : N = .F cap chu
Đối với cáp treo: N = .F cap treo
Biểu đồ chuyển vị của cáp trong các giai đoạn ở vị trí giữa:
Trang 7Một số kết quả như sau:
- Biểu đồ bao mô men ở giai đoạn khai thác :
- Biểu đồ bao lực cắt trong giai đoạn khai thác:
Bảng kiểm tra nội lực cuối cùng trong cáp chủ và cáp treo : Trong cáp chủ:
Tên giai đoạn
Nội lực bất lợi trong cáp chủ (T)
Nội lực trong giai đoạn khai thác
Nội lực cuối cùng
Nội lực cho phép(T)
Kết luận
CS1 16017 21511.71 37528.27 47194.2 Đạt CS2 14940 21511.71 36452.04 47194.2 Đạt CS3 13879 21511.71 35391.2 47194.2 Đạt CS4 12830 21511.71 34341.5 47194.2 Đạt
Trang 8CS5 11797 21511.71 33308.48 47194.2 Đạt CS6 10786 21511.71 32297.65 47194.2 Đạt CS7 9802.7 21511.71 31314.4 47194.2 Đạt CS8 8852.6 21511.71 30364.27 47194.2 Đạt CS9 7940.9 21511.71 29452.65 47194.2 Đạt CS10 7073.2 21511.71 28584.91 47194.2 Đạt CS11 6254.7 21511.71 27766.38 47194.2 Đạt CS12 5467.9 21511.71 26979.56 47194.2 Đạt CS13 4730.6 21511.71 26242.33 47194.2 Đạt CS14 4040.8 21511.71 25552.55 47194.2 Đạt CS15 3413.9 21511.71 24925.6 47194.2 Đạt CS16 2846.7 21511.71 24358.45 47194.2 Đạt CS17 2348.2 21511.71 23859.95 47194.2 Đạt CS18 1924.1 21511.71 23435.84 47194.2 Đạt CS19 1580 21511.71 23091.72 47194.2 Đạt CS20 1321.4 21511.71 22833.08 47194.2 Đạt CS21 1212.6 21511.71 22724.35 47194.2 Đạt Trong cáp treo:
Elem
Force-I (tonf)
Force-J (tonf)
Nội lực cho phép (T)
Kết luận
1 226.52 224.54 1722.7 Đạt
2 519.03 515.73 1722.7 Đạt
3 554.64 550.02 1722.7 Đạt
4 559.88 553.90 1722.7 Đạt
5 541.60 534.27 1722.7 Đạt
6 497.22 488.51 1722.7 Đạt
7 422.57 412.47 1722.7 Đạt
8 324.16 315.80 1722.7 Đạt
9 155.90 142.98 1722.7 Đạt
10 485.64 472.50 1722.7 Đạt
11 494.54 482.55 1722.7 Đạt
12 561.13 550.24 1722.7 Đạt
13 614.66 604.80 1722.7 Đạt
14 652.06 643.17 1722.7 Đạt
15 677.46 669.47 1722.7 Đạt
16 694.60 687.45 1722.7 Đạt
17 706.15 699.78 1722.7 Đạt
18 713.91 708.26 1722.7 Đạt
Trang 919 719.09 714.10 1722.7 Đạt
20 722.53 718.13 1722.7 Đạt
21 724.79 720.92 1722.7 Đạt
22 726.22 722.82 1722.7 Đạt
23 727.08 724.08 1722.7 Đạt
24 727.53 724.88 1722.7 Đạt
25 727.73 725.36 1722.7 Đạt
26 727.76 725.61 1722.7 Đạt
27 727.71 725.72 1722.7 Đạt
28 727.65 725.75 1722.7 Đạt
VI-KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ:
Kết luận: Đề tài nghiên cứu đã đạt được một số kết quả như sau:
-Mô hình hóa và tính toán kết cấu cầu dây võng
- Phân tích được ứng suất và biến dạng trong quá trình phân tích ngược
- Nâng cao độ chính xác trong thiết kế cầu
- Giảm bớt thời gian tính toán và thiết kế
Kiến nghị:
Cần tiếp tục nghiên cứu các tính năng nâng cao của phần mềm như: Phân tích động lực học cầu nhịp lớn, phân tích cầu làm việc cùng đất nền,
Trang 10TÀI LIỆU THAM KHẢO:
[1] PGS TS Nguyễn Viết Trung Cầu bêtông cốt thép, NXB Giao Thông Vận
Tải, HN,2000
[2] Bộ GTVT Quy trình thiết kế cầu 22TCN 272-01, NXB Giao Thông Vận Tải,
HN, 2001
[3] PGS.TS : Nguyễn Viết Trung (chủ biên)-Nguyễn Hữu Hưng-Nguyễn Đức Vương Midas_civil version 6.3,Nh à xu ất b ản x ây d ựng ,H à N ộI- 2005
[4] Thiết kế cầu treo dây võng – PGS.TS Nguyễn Viết Trung , TS Hoàng Hà , NXB XDựng