Nghiên cứu ảnh hưởng sơ đồ bố trí hệ giằng ngang đến nội lực và ổn định trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông

TÓM TẮT LUẬN VĂN 1.Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu Nhằm mục đích xem xét ảnh hưởng của sơ đồ bố trí hệ giằng ngang đến nội lực và ổn định trong cầu vòm ống thép

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS.TS NGUYỄN BÁ HOÀNG

TP HCM 11- 2014

Trang 3

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 06 tháng 11 năm 2014

Học viên

Trần Xuân Thái

Trang 4

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô đã giảng dạy trong chương trình Cao học của lớp Cao học Xây Dựng Cầu Hầm khóa 2011 – Trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã tận tình chỉ dạy cho tôi trong suốt thời gian học và truyền đạt cho tôi những kiến thức hữu ích

để hoàn thành tốt luận văn

Tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Bá Hoàng, người đã dành nhiều thời gian, tâm huyết để hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Ban Giám Hiệu trường Đại học Giao Thông Vận Tải Thành Phố Hồ Chí Minh, các thầy cô Phòng Đào tạo sau Đại học đã tạo nhiều điều kiện đề tôi học tập, thu thập dữ liệu và thông tin của luận văn

Mặc dù đã có nhiều cố gắng để hoàn thành luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình

và năng lực của mình Tuy nhiên không thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các anh chị học viên

Tp Hồ Chí Minh, Ngày 06 tháng 11 năm 2014

Học viên

Trần Xuân Thái

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN

1.Mục đích, đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Nhằm mục đích xem xét ảnh hưởng của sơ đồ bố trí hệ giằng ngang đến nội lực và ổn định trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông, luận văn xem xét các hệ giằng ngang thường gặp của cầu vòm ống thép nhồi bê tông là dạng I, K và X

Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo liên quan đến cầu vòm ống thép nhồi bê tông Phân tích lý thuyết tính toán, lựa chọn một số trường hợp và tiến hành mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn nhờ phần mềm Midas/Civil

2 Các nội dụng đã thực hiện của luận văn

Trong nội dung luận văn kết cấu được tính toán và phân tích thông qua mô hình cầu trên phần mềm Midas/Civil có các hệ giằng ngang dạng I, K và X với 6 chiều dài nhịp lần lượt là 50m, 100m, 150m, 200m, 250m và 300m Với mục đích không mất tính tổng quát, kết quả trình bày chỉ thể hiện một số mặt cắt và phần tử bất lợi làm đại diện, ta chọn mặt cắt giữa nhịp và mặt cắt 1/4 theo phương dọc cầu

Tổng hợp, phân tích, so sánh kết quả dưới dạng đồ thị từ đó đưa ra những kết luận và kiến nghị, luận văn hướng đến kết quả nghiên cứu sẽ là một trong những cơ

sở để lựa chọn phương án bố trí hệ giằng ngang của cầu vòm ống thép nhồi bê tông trong tương lai

3 Các kết quả đã đạt được

Xét tổng thể về khía cạnh nội lực trong vòm thì trong trường hợp cầu có liên kết ngang dạng K,X cho ta giá trị là gần bằng nhau và thường nhỏ hơn 20% so với có liên kết ngang dạng I

Lực dọc trong cáp giằng có giá trị chênh lệch ít nhất trong cầu có hệ liên kết ngang dạng X và lớn nhất trong cầu có hệ liên kết ngang dạng I Chuyển vị của vòm theo hai phương thẳng đứng chênh lệch nhỏ nhất ở liên kết ngang dạng X và cũng cho giá trị chuyển vị thường là nhỏ nhất

Qua kết quả nghiên cứu luận văn kiến nghị: nếu trừ đi yếu tố thẩm mỹ thì ta chọn cầu có liên kết ngang dạng X

Trang 6

PHẦN MỞ ĐẦU 01

1 Tính cấp thiết của đề tài 01

2 Phương pháp nghiên cứu 01

3 Nội dung nghiên cứu 01

4 Giới hạn của đề tài 02

PHẦN NỘI DUNG 03

Chương 1:Tổng quan về cầu vòm ống thép nhồi bê tông 03

1.1 Giới thiệu chung 03

1.2 Nội dung chương 03

1.2.1 Lịch sử phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới 03

1.2.2 Lịch sử phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông ở Việt Nam 04

1.3 Kết luận 04

Chương 2: Các đặc điểm cơ bản của cầu vòm ống thép nhồi bê tông 06

2.2 Nội dung chương 06

2.2.1 Giới thiệu về kết cấu ống thép nhồi bê tông 06

2.2.1.1 Định nghĩa và phân loại kết cấu ống thép nhồi bê tông 06

2.2.1.2 Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bê tông 06

2.2.2 Phân loại cầu vòm 07

2.2.2.1 Phân loại cầu vòm trên cơ sở liên kết vòm-mố 07

2.2.2.2 Phân loại cầu vòm trên cơ sở sơ đồ tĩnh học 08

2.2.2.3 Phân loại cầu vòm trên cơ sở độ cứng vòm-dầm 08

2.2.3 Cấu tạo chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bê tông 09

2.3 Kết luận 09

Chương 3 Cơ sở lý thuyết tính toán cầu vòm ống thép nhồi bê tông 10

Trang 7

3.2 Nội dung chương 10

3.2.1 Tính toán nội lực cầu vòm theo cơ học kết cấu 10

3.2.1.1 Tính toán nội lực trong cầu vòm có thanh kéo 10

3.2.1.2 Độ cứng của dầm ảnh hưởng đến nội lực trong vòm 14

3.2.2 Tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn 15

3.3 Kết luận 16

Chương 4: Nghiên cứu ảnh hưởng sơ đồ bố trí hệ giằng ngang đến nội lực và

ổn định trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông 17

4.2 Nội dung chương 17

4.2.1 Lựa chọn các trường hợp nghiên cứu 17

4.2.1.1 Sơ đồ kết cấu cầu 17

4.2.1.2 Các trường hợp hệ giằng ngang nghiên cưú 18

4.2.1.3 Các thông số về vật liệu và đặc trưng hình học 24

4.2.1.4 Các trường hợp tải trọng nghiên cứu 27

4.2.2 Mô hình tính toán 28

4.2.3 Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 50m (TH1) 29

4.2.3.1 Moment trong vòm tại các mặt cắt 29

4.2.3.2 Lực dọc trong cáp giằng 33

4.2.3.3 Chuyển vị vòm theo phương thẳng đứng 34

Trang 8

4.2.6 Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 200m(TH4) 54

4.3 Kết luận 80

PHẦN KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 81

1 Kết luận 81

2 Kiến nghị 81

Tài liệu tham khảo 82

Phụ lục 84

Trang 9

Hình 1.1 Cầu Yajisha (Trung Quốc) 03

Hình 1.2 Cầu Ông Lớn (TP.HCM) 04

Hình 2.1 Các dạng kết cấu ống thép nhồi bê tông 06

Hình 2.2 Phân loại cầu vòm liên kết vào-trụ 07

Hình 2.3 Các dạng sơ đồ vòm 08

Hình 2.4 Phân loại dựa vào độ cứng dầm-vòm 09

Hình 3.1 Hệ cơ bản 11

Hình 3.2 Sơ đồ tính nội lực vòm 14

Hình 4.1 Mô hình cầu nhịp 50m có liên kết ngang dạng I 18

Hình 4.2 Mô hình cầu nhịp 50m có liên kết ngang dạng K 18

Hình 4.3 Mô hình cầu nhịp 50m có liên kết ngang dạng X 19

Trang 10

Hình 4.19 Mặt cắt vành vòm 24

Hình 4.20 Mặt cắt thanh giằng ngang 25

Hình 4.21 Mặt cắt dầm ngang giữa nhịp 26

Hình 4.22 Mặt cắt dầm ngang đầu nhịp 26

Hình 4.23 Mặt cắt dầm dọc biên 27

Hình 4.24 Mặt cắt dầm T bản mặt cầu 27

Hình 4.25 Cấu tạo xe hoạt tải HL93 28

Hình 4.26 Moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng I 29

Hình 4.27 Moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng K 30

Hình 4.28 Moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng X 30

Hình 4.29 Biểu đồ chênh lệch moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 30

Hình 4.30 Moment trong vòm tại mặt cắt 1/2 của cầu có liên kết dạng I 31

Hình 4.31 Moment trong vòm tại mặt cắt 1/2 của cầu có liên kết dạng K 31

Hình 4.32 Moment trong vòm tại mặt cắt 1/2 của cầu có liên kết dạng X 32

Hình 4.33 Biểu đồ chênh lệch moment trong vòm tại mặt cắt 1/2 32

Hình 4.34 Lực dọc trong cáp giằng của cầu có liên kết ngang dạng I 33

Hình 4.35 Lực dọc trong cáp giằng của cầu có liên kết ngang dạng K 33

Hình 4.36 Lực dọc trong cáp giằng của cầu có liên kết ngang dạng X 33

Hình 4.37 Biểu đồ chênh lệch lực dọc trong cáp giằng 34

Hình 4.38 Chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng có liên kết dạng I 34

Hình 4.39 Chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng có liên kết dạng K 35

Hình 4.40 Chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng có liên kết dạng X 35

Hình 4.41 Biểu đồ chênh lêchh chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 35

Hình 4.42 Moment của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng I 36

Hình 4.43 Moment của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng X 37

Trang 11

Hình 4.45 Biểu đồ chênh lệch moment của vòm tại mặt cắt 1/4 37

Hình 4.47 Moment của vòm tại mặt cắt 1/2 của cầu có liên kết dạng K 38

Hình 4.50 Lực dọc trong cáp giằng của cầu có liên kết dạng I 40

Hình 4.51 Lực dọc trong cáp giằng của cầu có liên kết dạng K 40

Hình 4.52 Lực dọc trong cáp giằng của cầu có liên kết dạng X 41

Hình 4.54 Chuyển vị vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng I 42

Hình 4.55 Chuyển vị vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng K 42

Hình 4.56 Chuyển vị vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu có liên kết dạng X 42

Hình 4.57 Biểu đồ chênh lệch chuyển vị vòm tại mặt cắt 1/4 43

Trang 12

Trang 13

Trang 14

Hình 4.142 Biểu đồ chênh lệch moment lớn nhất 79

Hình 4.143 Biểu đồ chênh lệch moment lớn nhất 79

Hình 4.144 Biểu đồ chênh lệch chuyển vị lớn nhất 79

Trang 15

1 Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 50m 84

1.1 Bảng giá trị nội lực 84

1.2 Bảng giá trị chuyển vị 85

Trang 16

Bảng 1 Giá trị moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng I 84

Bảng 2 Giá trị moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng K 84

Bảng 3 Giá trị moment trong vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng X 84

Bảng 5 Giá trị moment trong vòm tại mặt cắt 1/2 của cầu dạng K 84

Bảng 7 Giá trị lực dọc trong cáp giằng của cầu dạng I 85

Bảng 8 Giá trị lực dọc trong cáp giằng của cầu dạng K 85

Bảng 9 Giá trị lực dọc trong cáp giằng của cầu dạng X 85

Bảng 10 Giá trị chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng I 85

Bảng 11 Giá trị chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng K 86

Bảng 12 Giá trị chuyển vị của vòm tại mặt cắt 1/4 của cầu dạng X 86

Trang 17

Trang 18

Trang 19

Trang 20

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Với sự phát triển không ngừng của ngành giao thông vận tải, nhiều đề tài đã nghiên cứu các loại vật liệu mới và kết cấu mới nhằm xây dựng được những công trình không những đạt yêu cầu kỹ thuật mà còn mang lại hiệu quả kinh tế và tính mỹ thuật cao Cầu vòm ống thép nhồi bê tông là một dạng kết cấu có nhiều ưu điểm trong đó khả năng khai thác triệt để tính năng của vật liệu trong các bộ phận chịu lực chính đồng thời có tính thẩm mỹ rất cao Ở Việt Nam, đã có nhiều cầu vòm ống thép nhồi bê tông được xây dựng như cầu Ông Lớn, cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc… Đặc trưng địa lý nước ta là khu vực có nhiều sông ngòi vì vậy cần có những cầu có khả năng vượt nhịp lớn và đa dạng các loại kết cấu để tăng thêm tính phong phú cho các loại cầu Vì vậy việc tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện cầu vòm ống thép nhồi bê tông

là vấn đề cần được quan tâm

Đề tài đi sâu vào việc xem xét ảnh hưởng của các sơ đồ hệ giằng ngang khác nhau đến nội lực và ổn định trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông Xem xét ưu khuyết điểm của từng trường hợp, để từ đó có những kết luận, đánh giá một cách toàn diện về ảnh hưởng của các loại hệ giằng ngang, như về nội lực, chuyển vị, … góp phần tạo ra những cơ sở để lựa chọn mô hình hệ giằng ngang phù hợp cho kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông ở nước ta

2 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nội dung của luận văn tập trung giải quyết hai vấn đề chính sau:

- Nghiên cứu và vận dụng các lý thuyết tính toán cầu vòm ống thép nhồi bê tông

- Phân tích sự ảnh hưởng của sơ đồ bố trí hệ giằng ngang khác nhau đến nội lực

và ổn định của cầu vòm ống thép nhồi bê tông

3 Phương pháp nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu của luận văn được giải quyết thông qua các phương pháp nghiên cứu chính sau:

Trang 21

- Thu thập, tổng hợp và phân tích tài liệu tham khảo có liên quan đến cầu vòm ống thép nhồi bê tông

- Phân tích lý thuyết tính toán kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông đặc biệt nghiên cứu sâu về phương pháp phần tử hữu hạn

- Lựa chọn một số trường hợp nghiên cứu, tiến hành xây dựng mô hình kết cấu cho các trường hợp nghiên cứu, tính toán phân tích các mô hình theo phương pháp phần tử hữu hạn nhờ phần mềm Midas/Civil

- Tổng hợp, phân tích, so sánh kết quả nội lực và chuyển vị trong các trường hợp nghiên cứu dưới dạng đồ thị

4 Giới hạn của đề tài

Xuất phát từ mục tiêu trên, luận văn giới hạn trong phạm vi: xem xét những

cơ sở lý thuyết đã có, lựa chọn phần mềm tính toán (Midas/civil) để mô hình các trường hợp nghiên cứu

Xây dựng công trình cầu vòm ống thép nhồi bê tông là một quá trình phức tạp, đòi hỏi kỹ thuật, độ chính xác cao Khi lập kế hoạch xây dựng một công trình cầu, người kỹ sư được yêu cầu phải đưa ra phương án thi công khả thi nhất về mặt

an toàn, chất lượng, kinh tế…Với việc so sánh và nghiên cứu ảnh hưởng của việc bố trí hệ giằng ngang đối với nội lực và sự ổn định, đề tài hướng đến việc những kết

quả nghiên cứu được sẽ là một trong những cơ sở để lựa chọn phương án bố trí hệ giằng ngang của cầu vòm ống thép nhồi bê tông trong tương lai

Trang 22

PHẦN NỘI DUNG CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TÔNG

1.1 Giới thiệu chung

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã được nghiên cứu và ứng dụng rỗng rãi ở các nước trên thế giới với nhiều công trình nổi tiếng Tuy nhiên ở Việt Nam đây vẫn

là một dạng còn mới mẻ, hiện nay vẫn chưa có quy trình thiết kế và thi công dạng kết cấu này Trong nội dung chương này, giới thiệu sơ lược về lịch sử phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới cũng như ở nước ta

1.2 Nội dung chương

1.2.1 Lịch sử phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông trên thế giới

Kết cấu ống thép nhồi bê tông đã được nghiên cứu và ứng dụng từ những năm

1930 ở các nước Châu Âu Sau đó kết cấu này mới được nghiên cứu và ứng dụng tại Trung Quốc với ba tiêu chuẩn kĩ thuật (CECS28-90, DLGJ99-91 và DLGJ-SII-92)

đã đạt được những thành tựu rực rỡ trong việc ứng dụng kết cấu này với các công

trình tiêu biểu như:cầu Yajisha, cầu Sanan- Yongjiang

Hình 1.1: Cầu Yajisha (Trung Quốc) [9]

Trang 23

1.2.2 Lịch sử phát triển cầu vòm ống thép nhồi bê tông ở Việt Nam

Với một đất nước có bề dày lịch sử trải qua nhiều thăng trầm nên công nghệ thiết kế và thi công cầu ở Việt Nam còn rất ít kinh nghiệm và non trẻ Cầu vòm ống thép nhồi bê tông chỉ được nghiên cứu và phát triển ở Việt Nam trong những năm gần đây Hiện nay ở nước ta quy trình thiết kế và thi công cầu vòm ống thép nhồi bê tông vẫn chưa có

Mặc dù vậy, với trình độ kỹ thuật ngày càng được cải tiến không ngừng cùng với việc chuyển giao công nghệ từ nước ngoài, bên cạnh các loại cầu giản đơn, liên tục thuần túy thì một số giải pháp cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã được nghiên cứu và từng bước đưa vào ứng dụng, cụ thể một số cầu vòm ống thép nhồi bê tông

có quy mô tương đối lớn đã được triển khai xây dựng đó như: cầu Đông Trù (Hà Nội), cầu Ông Lớn (TP.HCM), cầu Xóm Củi (TP.HCM)…

Hình 1.2: Cầu Ông Lớn (TP.HCM)

1.3 Kết Luận

Qua trình bày sơ bộ như trên có thể kết luận cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã được xây dựng nhiều trên thế giới Nhiều công trình cầu đã trở thành biểu tượng của thành phố và của đất nước Cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã bắt đầu được triển

Trang 24

khai xây dựng tại Việt Nam giúp đa dạng hóa các loại cầu ở nước ta, chính vì vậy việc nghiên cứu về cầu vòm ống thép nhồi bê tông cần phải được triển khai sâu hơn Qua các công trình cầu đã và đang được xây dựng cho ta thấy việc nghiên cứu cầu vòm ống thép nhồi bê tông là cần thiết Như đã nói trên có thể do địa hình, thủy văn, kiến trúc,mỹ quan chúng ta cần phải thiết kế những cầu vòm ống thép nhồi

bê tông có sơ đồ bố trí hệ giằng ngang phù hợp Chúng ta xem xét nội lực trong hệ thay đổi như thế nào và sự ổn định của hệ, điều này thật sự cần thiết nghiên cứu để ứng dụng vào thực tế

Trang 25

CHƯƠNG 2 CÁC ĐẶC ĐIỂM CƠ BẢN CỦA CẦU VỊM ỐNG THÉP NHỒI

BÊ TƠNG

Kết cấu ống thép nhồi bê tơng là một dạng kết cấu cĩ nhiều ưu điểm Trong nội dung chương này giới thiệu sơ lược về kết cấu ống thép nhồi bê tơng, về các dạng cầu vịm thường gặp cũng như các chi tiết của cầu vịm ống thép nhồi bê tơng

2.2.1 Giới thiệu về kết cấu ống thép nhồi bê tơng

2.2.1.1 Định nghĩa và phân loại kết cấu ống thép nhồi bê tơng

Kết cấu ống thép nhồi bêtơng là kết cấu mà thép bọc trong bêtơng hoặc cĩ thể là bêtơng được nhồi trong ống thép Chúng ta cĩ thể phân ra làm 3 loại chính là: thép được bọc trong bêtơng (hình a, b, c), bêtơng nhồi trong ống thép (hình f, g, i) và hỗn hợp của hai loại vừa nêu (hình d, h)

Hình 2.1: Các dạng kết cấu ống thép nhồi bêtông[8]

2.2.1.2 Đặc điểm kết cấu ống thép nhồi bê tơng

Kết cấu ống thép nhồi bê tơng cĩ những ưu điểm vượt trội như sau:

- Độ bền của lõi bê tơng tăng khoảng 2 lần

Trang 26

- Bê tông không co ngót mà bị trương nở nhờ đó không có sự trao đổi độ ẩm giữa bê tông và môi trường bên ngoài

- Sau 2-3 ngày tuổi thì không xuất hiện thêm vết nứt

- Khối lượng của các cấu kiện nhỏ hơn so với cấu kiện bê tông cốt thép

- Không cần copfa trong thi thép dạng ống

2.2.2 Phân loại cầu vòm

2.2.2.1 Phân loại cầu vòm trên cơ sở liên kết vòm -mố

Cầu vòm được phân ra làm 3 loại chính: vòm không chốt, vòm 2 chốt, vòm 3 chốt

Vòm không chốt: hai đầu vòm ngàm cứng tại vị trí mố và trụ Ở dạng này xuất hiện các lực phụ do co ngót từ biến của bê tông vì nhiệt độ thay đổi

Hình 2.2: Phân loại cầu vòm dựa vào liên kết vòm-trụ [8]

a,d:vòm không chốt b,e,h: vòm hai chốt c,g: vòm ba chốt

Trang 27

Vòm 2 chốt: các nội lực phụ trong kết cấu cũng gần giống như vòm không chốt nhưng có giá trị nhỏ hơn

Vòm 3 chốt: đây là kết cấu tĩnh định do đó không sinh ra các nội lực phụ

2.2.2.2 Phân loại cầu vòm trên cơ sở sơ đồ tĩnh học

Cầu vòm có lực đẩy ngang: có thể lựa chọn dạng này ở những nơi có điều kiện địa chất thuận lợi Thường thì hiện nay kết cấu vòm hai khớp hoặc ba khớp có lực đẩy ngang được ưu tiên lựa chọn xây dựng

Cầu vòm có thanh kéo: có ưu điểm chính là tự cân bằng lực đẩy ngang Cầu loại này có thể được xây dựng tại những vùng địa chất không phù hợp với kết cấu vòm có lực đẩy ngang

Cầu vòm có mút thừa: dùng thanh kéo ở phía trên cấu tạo từ các bộ phận mặt

cầu ghét lại với nhau bằng cốt thép ứng suất trước để hạn chế lực đẩy ngang

Hình 2.3: Các dạng sơ đồ vòm [8]

2.2.2.3 Phân loại cầu vòm trên cơ sở độ cứng vòm-dầm

Vòm cứng - dầm cứng: trong loại cầu này thì vai trò chịu lực của vòm và dầm

là ngang nhau

Vòm mềm -dầm cứng : trong loại cầu này thì vòm chịu lực nén dọc trục và

truyền tải trọng lên dầm cứng

Vòm cứng- dầm mềm: trong loại cầu này thì vòm là bộ phận chịu lực chính còn dầm chỉ có tác dụng tạo liên kết và ổn định kết cấu

Trang 28

Hình 2.4: Phân loại dựa vào độ cứng dầm vòm [8]

a: vòm cứng- dầm mềm b:vòm mềm –dầm cứng c:vòm cứng- dầm cứng

2.2.3 Cấu tạo chi tiết cầu vòm ống thép nhồi bê tông

Cầu vòm ống thép nhồi bê tông có các bộ phận chính như sau:

- Sườn vòm: cấu tạo từ một hoặc nhiều ống thép liên kết với nhau

- Hệ giằng ngang: liên kết các sườn vòm với nhau

- Cáp treo: là những bó cáp dự ứng lực, một đầu neo vào sườn vòm còn đầu kia neo vào dầm ngang

- Dầm ngang: được đặt tại vị trí cáp treo, là dầm bê tông cốt thép dự ứng lực với chiều dài tùy thuộc vào bề rộng của mặt cầu

- Dầm dọc: được đặt lên dầm hai dầm ngang và có chiều dài tùy thuộc vào khoảng cách giữa hai dầm ngang

2.3 Kết luận

Qua trình bày ở trên chúng ta có thể thấy được kết cấu ống thép nhồi bê tông

có những ưu điểm vượt trội Cầu vòm ứng dụng kết cấu ống thép nhồi bê tông đã tạo

ra những ưu điểm về khả năng chịu lực cũng như tính thẩm mỹ rất cao Trong luận văn này, kết cấu cầu vòm ống thép nhồi bê tông được chọn là sơ đồ kết cấu dạng vòm cứng- dầm mềm, trong sơ đồ này thì vòm là bộ phận chịu lực chính của cầu

Trang 29

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU VÒM ỐNG THÉP

NHỒI BÊ TÔNG

Tính toán cầu vòm ống thép nhồi bê tông là một công việc phức tạp, đòi hỏi phải lựa chọn lý thuyết tính toán cho phù hợp Trong luận văn trình bày 2 lý thuyết tính toán: tính theo cơ học kết cấu và theo phương pháp phần tử hữu hạn Với việc

mô hình kết cấu trên phần mềm Midas/Civil chúng ta có thể tính toán các bộ phận một cách tương đối chính xác

3.2.1 Tính toán nội lực cầu vòm theo cơ học kết cấu

3.2.1.1 Tính nội lực trong cầu vòm có thanh kéo

Trong nội dung luận văn trình bày cách tính nội lực sườn vòm theo phương pháp lực như sau:

Xét phương trình đường tim vòm [8, trang 120]:

Trong đó thanh kéo chịu tác dụng : tải trọng, sự thay đổi nhiệt độ, chuyển vị gối tựa

Hệ trên là hệ 1 bậc tự do Lấy hệ cơ bản của vòm như hình vẽ, phương trình chính tắc được xác định như sau :

1 1X1 1P 1t 1Z 0

Trang 30

B x1 x1

Hình 3.1: Hệ cơ bản

Trong đó :

δ11: chuyển vị theo phương X1 do lực đơn vị X1=1 gây ra

∆1P: chuyển vị theo phương X1 do tải trọng gây ra

∆1t: chuyển vị theo phương X1 do nhiệt độ gây ra

∆1Z: chuyển vị theo phương X1 do chuyển vị gối tựa gây ra

B x1 x1

Trang 31

Các nội lực do lực X1 gây ra trong hệ cơ bản là:

EA(tc): độ cứng của thanh khi chịu kéo

ν: hệ số điều chỉnh, xét tới sự phân bố không đều của ứng suất tiếp(chỉ phụ thuộc hình dạng tiết diện)

ϕ: góc nghiêng so với phương ngang của tiếp tuyến tại điểm đang xét

Trang 32

Tiến hành xác định nội lực trong sườn vòm:

Ta tiến hành xác định nội lực trong sườn vòm sau khi đã giải được phương trình chính tắc, tìm ra được ẩn X1 theo công thức:

M = −yX +M N = − ϕX +N Q= ϕX +Q (3.10)

Trong đó:

v Nội lực trong thanh kéo

Nội lực trong thanh kéo xác định với ẩn số X1như sau :

Nếu vòm 2 khớp có trục parabol và mômen quán tính của tiết diện không thay đổi thì lực đẩy ngang H dưới tác dụng của tải trọng P đặt cách gối trái một đoạn z có thể tính theo công thức sau :

M, N, Q : nội lực do các nguyên nhân gây ra trong vòm siêu tĩnh MP0, NP0, QP0 : nội lực do tải trọng gây ra trong hệ cơ bản

Trang 33

4 3

2

5

28

1518

I , A : là mômen quán tính và diện tích tiết diện vòm

L, f : chiều dài nhịp và đường tên vòm

3.2.1.2 Độ cứng của dầm dọc ảnh hưởng đến nội lực trong vòm

Trang 34

3 1

15

P

qfl EI

( ) ( )

3 2

tc tc

Khi (EA)tc giảm, lực căng H giảm, mômen uốn trong vòm tăng lên

Khi (EA)tc = 0 ⇒ H = 0, mômen uốn trong vòm bằng với mômen uốn trong dầm giản đơn tương ứng, đạt giá trị lớn nhất tại tiết diện đỉnh vòm

2 max

8

ql

Khi (EA)tc tăng, lực căng H tăng, mômen uốn trong vòm giảm xuống

Khi (EA)tc = ∞ , sau khi khử vô định biểu thức H, ta tìm được

5 24

ql

Mômen uốn trong mọi tiết diện vòm bằng 0

Nhận xét: độ cứng của thanh kéo ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chịu lực của sườn vòm.Trong sơ đồ vòm cứng - dầm mềm, vòm phải có độ cứng rất lớn để đảm bảo ổn định cho kết cấu

3.2.2 Tính toán kết cấu theo phương pháp phần tử hữu hạn

Kết cấu được đề cập trong luận văn là vòm cứng – dầm mềm Vòm và dầm không làm việc đồng thời, nghĩa là: dầm dọc không tham gia chịu tải trọng cùng với vòm mà chỉ có tác dụng định vị các dầm ngang Tất cả tải trọng tác dụng lên vòm Dựa vào sơ đồ làm việc kết cấu ta có mô hình trên phần mềm Midas/ Civil như sau:

• Vòm ống thép nhồi bê tông được mô tả bằng các phần tử thanh Hệ kết cấu vòm – dầm gối lên 3 gối di động và 1 gối cố định

Trang 35

• Thanh treo được mô tả bằng các phần tử thanh có liên kết khớp tại các đầu, nội lực trong thanh chỉ có thành phần kéo

• Dầm dọc được mô tả bằng phần tử thanh dầm liên tục gối trên các gối đàn hồi (lò xo) và liên kết khớp với vòm tại 2 đầu vòm

• Dầm ngang được mô tả bằng phần tử thanh dầm liên kết khớp với thanh treo tại các đầu dầm

• Thanh giằng ngang được mô tả bằng phần tử thanh liên kết khớp với sườn vòm tại các đầu thanh

3.3 Kết luận

Việc giải bài toán theo cơ học kết cấu với số lượng ẩn tương đối lớn là một công việc khá phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian Khi tính toán theo phương pháp phần tử hữu hạn, với việc mô hình kết cấu cầu trên phần mềm Midas/Civil ta có thể giải quyết bài toán tương đối chính xác và hiệu quả

Trang 36

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG SƠ ĐỒ BỐ TRÍ HỆ GIẰNG NGANG ĐẾN NỘI LỰC VÀ ỔN ĐỊNH TRONG CẦU VÒM

ỐNG THÉP NHỒI BÊ TÔNG

Với các phương pháp phân tích kết cấu và phần mềm đã được lựa chọn trong chương 3, luận văn thực hiện phân tích tính toán một số trường hợp cầu vòm ống thép nhồi bê tông cụ thể để nghiên cứu ảnh hưởng của sơ đồ bố trí hệ giằng ngang đến sự phân bố nội lực và biến dạng của cầu Nội dung chương này chỉ tập trung phân tích với một số trường hợp tải trọng nhất định Trên cơ sở mô hình các trường hợp nghiên cứu, dùng phần mềm Midas/Civil phân tích xác định nội lực và biến dạng tại một số vị trí điển hình Thông qua việc so sánh nội lực và biến dạng giữa các trường hợp nghiên cứu, luận văn nêu được ảnh hưởng của sơ đồ bố trí hệ giằng ngang đến sự phân bố nội lực và biến dạng trong cầu vòm ống thép nhồi bê tông trong các trường hợp đã chọn

4.2.1 Lựa chọn các trường hợp nghiên cứu

4.2.1.1 Sơ đồ kết cấu cầu

Phương trình đường tim vòm: Việc lựa chọn đường tim vòm có ý nghĩa rất lớn trong khai thác, thông thường cầu vòm thép nhồi bêtông hoặc các công trình cầu vòm khác thường chọn đường cong tim vòm là đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4

và đường cong dạng dây xích Các đường cong này có đường cong áp lực khá trùng với đường cong tim vòm Cầu vòm trong đề tài sử dụng đường cong parabol bậc 2

có phương trình như sau :

Trang 37

4.2.1.2 Các trường hợp hệ giằng ngang nghiên cứu

Để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các hệ giằng ngang đến sự thay đổi nội lực và

ổn định ta lần lượt thay đổi mô hình hệ giằng ngang với các trường hợp kết cấu như sau:

v Trường hợp 1: Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 50m, 4 làn xe

Hình 4.1: Mô hình cầu nhịp 50m có liên kết ngang dạng I

Hình 4.2: Mô hình cầu nhịp 50m có liên kết ngang dạng K

Trang 38

Hình 4.3: Mô hình cầu nhịp 50m có liên kết ngang dạng X

v Trường hợp2: Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 100m, 4 làn xe

Hình 4.4: Mô hình cầu nhịp 100 m có liên kết ngang dạng I

Trang 39

v Trường hợp 3: Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 150m, 6 làn xe

Trang 40

v Trường hợp 4: Cầu vòm ống thép nhồi bê tông nhịp 200m, 6 làn xe

Định dạng
Số trang	125
Dung lượng	6,05 MB