TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY NHỊP CONG CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CO NGÓT TỪ BIẾN

Đề tài này trình bày các kết quả nghiên cứu về lý thuyết tính toán ảnh hưởng của co ngót từ biến trong kết cầu cầu dây văng một mặt phẳng dây nhịp cong: Nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót từ biến đến các giai đoạn khai thác và thi công; Sự thay đổi nội lực do co ngót từ biến khi thay đổi thời gian thi công; Ngoài ra, đề tài còn xét đến ảnh hưởng của co ngót từ biến trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng. Từ khóa: Co ngót; từ biến; cầu dây văng; kết cấu nhịp cong .

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY NHỊP CONG CÓ XÉT

ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA CO NGÓT TỪ BIẾN DESIGN CALCULATIONS A WIRE PLANE CURVED SPANS CABLE-STAYED BRIDGE

CONSIDERING THE EFFECTS OF SHRINKAGE CREEP

SVTH: Đặng Xuân Bình, Nguyễn Văn Duẫn, Thái Văn Ngãi, Nguyễn Bá Ngọ

Lớp 11X3A-11X3B-11X3C, Khoa xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Email: dangbinhx3a@gmail.com , nguyenvanduan1310@gmai.com vanngaibkdn2011@gmail.com , nguyenbango11x3cbkdn@gmail.com

GVHD: PGS.TS Hoàng Phương Hoa

Khoa xây dựng Cầu đường, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng

Email : hphoa@dut.udn.vn

Tóm tắt: Đề tài này trình bày các kết quả nghiên cứu về lý thuyết

tính toán ảnh hưởng của co ngót từ biến trong kết cầu cầu dây

văng một mặt phẳng dây nhịp cong: Nghiên cứu ảnh hưởng của

co ngót từ biến đến các giai đoạn khai thác và thi công; Sự thay

đổi nội lực do co ngót từ biến khi thay đổi thời gian thi công;

Ngoài ra, đề tài còn xét đến ảnh hưởng của co ngót từ biến trong

điều chỉnh nội lực cầu dây văng.

Từ khóa: Co ngót; từ biến; cầu dây văng; kết cấu nhịp cong

Abstract: This project presents research results on the calculation theory of creep shrinkage in Curve span's a plane wire Cable– stayed bridge structure: Study the effect of creep shrinkage on exploit and construction phrases, the internal force change with creep shrinkage when changing the construction time What is more, this project also analyze the effect of creep shrinkage on adjusting the internal force of Cable–stayed bridge structure.

Key words: Shrinkage; Creep; Cable–stayed bridge; Span’s

curved structure

1 Đặt vấn đề

Hiện nay kết cấu cầu cong được xây dựng nhiều trong

hệ thống nút giao thông vì tính thẩm mỹ cao của kết cấu –

một vấn đề được đặt lên hàng đầu tại các thành phố lớn

Việc áp dụng kết cấu nhịp cong vào cầu dây văng là một

bước đột phá để tăng thêm tính thẩm mỹ của cầu, để khi

xây dựng xong cây cầu trở thành một điểm nhấn tại nơi

nó được xây dựng

Hiện tượng co ngót từ biến làm xuất hiện các biến dạng tự

do trong cấu kiện bê tông, việc cản trở trở các biến dạng

này trong kết cấu làm xuất hiện nội lực và yếu tố thời gian

ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng này Thông thường khi

tính toán người thiết kế thường bỏ qua hay xem sự ảnh

hưởng của nó là không đáng kể, nhưng thực tế thi công

đối với các cầu nhịp lớn,tiết diện lớn thì hiện tượng này

làm phân bố lại monen trong kết cấu Đối với cầu dây

văng một mặt phẳng dây – dầm cong thì ảnh hưởng của

nó là rất lớn, việc phân bố lại momen trong dầm làm thay

đổi lực căng dây văng đây là phần quan trọng nhất khi

tính toán cầu dây văng

Do đó việc xét đến ảnh hưởng của co ngót và từ biến trong tính toán và thiết kế cầu dây văng một mặt phẳng dây – dầm cong là rất cần thiết

2 Co ngót và từ biến trong bê tông

2.1 Co ngót của bê tông

Co ngót là hiện tượng giảm thể tích khi nhiệt độ không đổi do nước bốc hơi sau khi bê tông khô cứng Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào lượng nước của bê tông tươi, loại xi măng, cốt liệu được dùng

và điều kiện môi trường tại thời điểm đúc, quá trình bảo dưỡng, lượng cốt thép và tỉ lệ thể tích/diện tích bề mặt của

bê tông Co ngót có 2 loại: co ngót dẻo và co ngót khô, co ngót dẻo xuất hiện trước, co ngót khô xuất hiện sau khi bê tông hoàn toàn ninh kết và các phản ứng hóa học đã hoàn thành

Hình 1.2: Cầu Octavio ở Brazil.

Hình 1.1: Phối cảnh nút giao thông khác mức

Ngã Ba Huế TP Đà Nẵng

2 Các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót bao gồm:

- Thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông;

- Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X);

- Kích thước của kết cấu;

- Độ ẩm và nhiệt độ môi trường

2.2 Từ biến của bê tông

Từ biến là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian

khi tải trọng không đổi Hiện tượng từ biến trong bê tông

ảnh hưởng đến tương tác giữa các bộ phận kết cấu Từ

biến trong bê tông liên quan đến biến dạng theo thời gian

trong các vùng của kết cấu chịu ứng suất nén thường

xuyên Từ biến phụ thuộc độ lớn và độ lâu dài của ứng

suất nén, cường độ chịu nén và tuổi của bê tông khi chịu

tác dụng lực lâu dài

Khi kết cấu chịu tải trọng, ở thời điểm chất tải trong

kết cấu sẽ phát sinh biến dạng tức thời theo chiều của ứng

suất

0

0

0

E



  Khi tải trọng tiếp tục được duy trì thì biến

dạng sẽ tăng thêm và ε 0 được gọi là biến dạng từ biến

Nếu gia tải đến một thời điểm t = t 1, dỡ tải ra khỏi kết

cấu thì biến dạng đàn hồi sẽ phục hồi ngay và biến dạng

từ biến có một phần phục hồi theo thời gian ε v (biến dạng

đàn hồi sau) và một phần biến dạng không có khả năng

phục hồi ε f Như vậy biến dạng của từ biến ε c = ε v + ε f Các

yếu tố ảnh hưởng đến từ biến có thể kể ra như sau:

- Tuổi của bê tông khi chất tải;

- Thành phần cấp phối của bê tông;

- Độ ẩm và nhiệt độ môi trường;

- Kích thước của cấu kiện;

- Trạng thái ứng suất; và

- Thời gian tác dụng của tải trọng

Từ biến và co ngót quan hệ chặt chẽ với nhau, theo

quy luật chung: bê tông chịu co ngót tốt thì chịu từ biến

cũng tốt vì cả hai hiện tượng này đều liên quan đến hiện

tượng thủy hóa vữa xi măng và các yếu tố ảnh hưởng

khác

Nói chung hiện tượng từ biến và co ngót ảnh hưởng

đến biến dạng của kết cấu, sự phân bố nội lực, sự phân bố

ứng suất trên tiết diện có thể quy nạp như sau:

- Khi chịu uốn, từ biến trong vùng chịu nén sẽ làm

tăng độ võng của kết cấu, đối với trụ sẽ làm tăng độ lệch

tâm, làm giảm năng lực chịu tải trong kết cấu bê tông cốt

thép (BTCT) ứng suất trước, từ biến và co ngót sẽ gây ra

mất mát ứng suất trước

- Đối với kết cấu siêu tĩnh thì từ biến sẽ làm cho nội

lực phân bố lại, do đó sẽ gây ra nội lực thứ cấp

3 Tiêu chuẩn thiết kế theo CEB-FIP-90 (Comite

EURO-International du Beton)

Tổng biến dạng tại thời điểm t, ε c (t) của các cấu kiện

bê tông chịu lực không đúng tâm tại thời điểm t 0 với ứng

suất không đổi (t 0 ) có thể được mô tả như sau:

c (t)= ci (t 0 )+ cc (t)+ cT (t) + cs (t)

(1)

Trong đó: ci (t 0 ) là biến dạng ban đầu khi chất tải;

cc (t) là biến dạng do từ biến tại thời điểm t > t o; cs (t) là

biến dạng do co ngót và cT (t) là biến dạng do nhiệt độ 3.1.1 Từ biến của bê tông

Hệ số từ biến được xác định theo công thức:

  t , t0  0c t  t0 (2)

Trong đó: 0 là hệ số từ biến quy ước được xác định

theo công thức (3); c là hệ số độ phát triển của từ biến

xem công thức (7); t là tuổi của bê tông (ngày) tại thời điểm đang xét và t 0 là tuổi của bê tông (ngày) khi chất tải

được điều chỉnh theo công thức (9):

0  RH  fcm    t0 (3)

Với:

3 1

0

0

46 , 0

1 1



















h h RH RH

RH



(4)

  5 , 3 0,5















cmo cm cm

f f

f



(5)   0,2

1 0

0

1 , 0

1

















t t

t



(6)

Trong đó: h = 2A c /u; f cm là cường độ chịu nén của bê

tông 28 ngày tuổi (MPa); f cmo = 10 MPa; RH độ ẩm của môi trường (%); RH 0 = 100%; h kích thước cấu kiện (mm); A c diện tích cắt ngang cấu kiện, u là chu vi của cấu

kiện tiếp xúc với môi trường; h 0 = 100 mm và t 1 = 1 ngày

Từ biến phát triển theo thời gian được tính theo công thức:

3 , 0

1 0

1 0 0

/

/























t t t

t t t t

t

H

c





(7) Với

1500 250

2 , 1 1 150

0 18

0

































h

h RH

RH

H

 (8)

Trong đó: t 1 = 1 ngày; RH 0 = 100%; h 0 = 100mm Ảnh hưởng của loại xi măng đến hệ số từ biến của bê

tông có thể tính toán theo sự biến đổi của tuổi chất tải t 0

như sau:

2

9

2 1 , 1 , 0 ,

0

























T T T

t t t

(9)

Trong đó: t 0,T là tuổi chất tải của bê tông có thể điều

chỉnh theo công thức (10); t 1,T = 1 ngày; α là năng lượng

phụ thuộc loại xi măng: α = -1 cho xi măng đông cứng

chậm, α = 0 đối với xi măng thường và đông cứng nhanh,

α = 1 cho xi măng cường độ cao và đông cứng nhanh.

















4000 65

, 13 exp

T t T t

t

i

n

i

i

T

(10)

Trong đó: t T là nhiệt độ điều chỉnh tuổi của bê tông

khi thay t vào công thức (9); Δtt i là số ngày ở nhiệt độ T;

T(Δtt i ) nhiệt độ (oC) trong giai đoạn Δtt i và T 0 = 10C

3.1.2 Co ngót của bê tông

Tổng biến dạng do co ngót bê tông được tính theo

công thức:

Trong đó: ε cso là hệ số độ co ngót của bê tông lấy theo

công thức (12); β s là hệ số mô tả sự phát triển co ngót theo

thời gian tính theo công thức (15); t tuổi của bê tông

(ngày) và t s tuổi bê tông tại thời điểm bắt đầu co ngót

(ngày)

Hệ số độ co ngót của bê tông tính theo công thức:

 cm RH s

(12)

Với







cm



( 13)

Trong đó: f cm cường độ chịu nén của bê tông vào 28

ngày tuổi (MPa); f cmo = 10 MPa; β sc hệ số phụ thuộc loại

xi măng: β sc = 4 cho xi măng đông cứng chậm, β sc = 5 cho

xi măng thường và đông cứng nhanh, β sc = 8 cho xi măng

cường độ cao và đông cứng nhanh; β RH = - 1,55β sRH trong

khoảng 40% ≤ RH < 99%, β RH = +0,25 khi RH ≥ 99%.

0

/



(14)

Với: RH độ ẩm của môi trường (%); RH 0 = 100%.

Sự phát triển của co ngót theo thời gian được tính theo

công thức:

5 0

1

2 0

1

/ /

350

/























t t t h h

t t t t

t

s

s s

s



(15)

Trong đó: h đã được xác định ở trên; t 1 = 1 ngày và h 0

= 100 mm

4 Nội dụng nghiên cứu

4.1 Ảnh hưởng của co ngót từ biến đến các giai đoạn

khai thác và thi công.

Đối với cầu thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng sơ đồ làm việc ở giai đoạn thi công khác với giai đoạn khai thác Vì thế ảnh hưởng của co ngót và từ biến cũng thay đổi theo, vậy để biết quy luật phát triển của co ngót và từ biến theo thời gian Nhóm nghiên cứu sẽ phân tích tại 2 mốc thời gian:

- Bắt đầu thi công dầm đến hoàn thành cầu – 182 ngày

- Giai đoạn hoàn thành cầu đến 10000 ngày

4.2 Sự thay đổi nội lực do co ngót từ biến khi thay đổi thời gian thi công.

Đặc điểm của co ngót và từ biến là phát triển theo thời gian Đặc biệt là trong quá trình thi công, do đó việc khống chế thời gian thi công từng đốt trong công nghệ đúc hẫng sẽ dẫn đến các kết quả khác nhau về nội lực

4.3 Ảnh hưởng của co ngót từ biến trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng.

Khi xét đến ảnh hưởng của co ngót và từ biến thì kết cấu sẽ phân bố lại nội lực Do đó việc điều chỉnh nội lực cầu dây văng sẽ kể đến nội lực do co ngót, từ biến gây ra

5 Mô hình hóa và kết quả tính toán 5.1 Mô hình hóa kết cấu

Bảng 1: Các thông số cơ bản của cầu

Bán kính cong

Chiều dài nhịp

Chiều cao tháp

Số dây văng Chiều dài

đốt dầm

5.2 Kết quả tính toán

Hình 5.1.1 :Mô hình hóa bằng Midas/Civil

Hình 5.1.2: Mặt cắt ngang dầm

3500 5900 4000

150

isc= 3%

Hình 5.2.3:Momen xoắn do từ biến

4

5.2.1 Ảnh hưởng của co ngót từ biến đến các giai đoạn

khai thác và thi công.

5.2.1.1 Giai đoạn bắt đầu thi công kết cấu nhịp đến

hoàn thành cầu.

6 Khảo sát momen uốn do từ biến theo thời gian

7 Khảo sát momen xoắn do từ biến theo thời gian

8 Khảo sát momen uốn do co ngót theo thời gian

9 Khảo sát momen xoắn do co ngót theo thời gian

Hình 5.2.2 : Đồ thị biểu diễn Momen uốn do từ biến tại

mốt số tiết diện theo thời gian

Hình 5.2.4: Đồ thị biểu diễn Momen xoắn do từ biến tại mốt

số tiết diện theo thời gian

Hình 5.2.6: Đồ thị biểu diễn Momen uốn do co ngót tại một số

tiết diện theo thời gian

Hình 5.2.8: Đồ thị biểu diễn momen xoắn do co ngót tại một

số tiết diện theo thời gian

Hình : Đồ thị biểu diễn Momen uốn do từ biến tại một số

tiết diện theo thời gian

Hình 5.2.7: Momen xoắn do co ngót Hình 5.2.5:Momen uốn do co ngót Hình 5.2.1:Momen uốn do từ biến

5.2.1.2 Giai đoạn hoàn thành cầu đến 10000 ngày.

10 Khảo sát momen uốn do từ biến theo thời gian

11 Khảo sát momen xoắn do từ biến theo thời gian

12 Khảo sát momen uốn do co ngót theo thời gian

13 Khảo sát momen xoắn do co ngót theo thời gian

Hình 5.2.16: Đồ thị hàm đặc trưng hệ số từ biến

Hình 5.2.9:Momen uốn do từ biến

Hình 5.2.11: Đồ thị biểu diễn Momen uốn do từ biến

Hình 5.2.15: Đồ thị biểu diễn Momen xoắn do co ngót tại

một số tiết diện theo thời gian

Hinh 5.2.13: Đồ thị biểu diễn Momen uốn do co ngót tại

một số tiết diện theo thời gian

Hình 5.2.12:Momen uốn do co ngót

Hình 5.2.17: Đồ thị hàm đặc trưng hệ số co ngót

Nhận xét:

- Giá trị momen do từ biến lớn hơn nhiều so với giá trị

momen gio co ngót, Do đó biến dạng do từ biến luôn lớn

hơn co ngót tại mọi thời điểm

- Ở quá trình thi công khi thi công xong đốt K26 sơ đồ

làm việc của kết cấu thay đổi bậc - siêu tĩnh của kết cấu

tăng lên ( ngàm tại K0 được loại bỏ và thêm vào là 2 gối

di dộng, 1 gối cố đinh), đối với momen uốn thì giá trị

momen do từ biến và do co ngót đều không có sự thay

đổi đáng kể; nhưng đối với momen xoắn thì giá trị

momen do từ biến và do co ngót có sự thay đổi lớn Do

đó nội lực do co ngót và từ biến được quyết định bởi sơ

đồ kết cấu, cụ thể là bậc siêu tĩnh của cầu

- Đồ thị biểu diễn momen do co ngót và từ biến theo

thời gian có dạng giống như đồ thị hàm đặc trưng hệ số

co ngót, từ biến theo thời gian (Hình 5.2.16;5.2.17) hay

nội lực của co ngót và từ biến tỉ lệ tuyến tính với hệ số từ

biến

- Giá trị momen do co ngót và từ biến theo thời gian

lớn nên có các biện pháp như: tăng lực căng dây văng,

tăng thép chịu co ngót và từ biến, bố trí thép dự ứng lực

13.1.1 Sự thay đổi nội lực do co ngót, từ biến khi thay

đổi thời gian thi công.

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày

thì Momen uốn do từ biến tăng từ 3% đến 5%

(Xem hình 5.2.18)

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì Momen xoắn do từ biến tăng từ 2.5% đến 5.5% ( Xem hình 5.2.19)

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì Momen uốn do co ngót giảm từ 17% đến 10% ( Xem hình 5.2.20)

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì Momen xoắn do co ngót giảm từ 25% đến 10% ( Xem hình 5.2.21)

Hình 5.2.19: Đồ thị biểu diễn Momen uốn do từ biến tại

một số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

Hình 5.2.18: Đồ thị biểu diễn Momen uốn do từ biến tại một

số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

Hinh 5.2.20: Đồ thị biểu diễn Momen uốn do co ngót tại

một số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

13.1.2 Ảnh hưởng của co ngót từ biến trong điều chỉnh

nội lực cầu dây văng.

Bảng 2: Sự thay đổi của lực căng cáp dây văng khi

xét đếnco ngót từ biến

Cáp Sự thay đổi lực căng

Sự thay đổi lực căng (%)

Nhận xét:

Lực căng cáp dây văng khi xét đến ảnh hưởng của co

ngót và từ biến có sự thay đổi lớn, cụ thể ở bảng 2 Lực

căng cáp có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn lực căng ban đầu,

Hình 5.2.22: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng dây số 1

đến dây 20

Hình 5.2.24: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng số 41

đến dây 51

Hình 5.2.23: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng số 21

đến dây 40

Hình 5.2.21: Đồ thị biểu diễn Momen xoắn do co ngót tại một

số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

do đó thấy rõ tầm quan trọng của co ngót từ biến trong

tính toán cầu dây văng

14 Kết luận

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, nhóm tác giả đã

rút ra một số kết luận như sau:

- Nêu ra được tầm quan trọng của co ngót và từ biến

trong tính toán và thiết kế cầu dây văng một mặt phẳng

dây nhịp cong

- Nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót và từ biến trong

các giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác: Sự thay đổi

sơ đồ làm việc dẫn đến sự thay đổi nội lực do co ngót, từ

biến

- Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thi công đến nội lực

thứ cấp, cụ thể là Momen do từ biến sẽ tăng từ 3% - 5%

khi thời gian thi công từng đốt tăng, ngược lại Momen

do co ngót lại giảm từ 25% - 17% (mục 5.5.2)

- Ảnh hưởng của co ngót và từ biến trong việc điều

chỉnh lực căng cáp trong dây văng là rất lớn Các dây

văng gần trụ thay đổi từ 0% - 3%; các dây ở giữa nhịp

thay đổi từ 4% - 41%; ở gần mố thay đổi từ 0% - 2%

Tài liệu tham khảo