Phân tích cầu dây văng: GĐ thi công và GĐ cuối Hiếm

Để xác định lực căng trước trong cáp được tạo ra lúc lắp đặt cáp, trạng thái cân bằng ban đầu cho tĩnh tải tại giai đoạn hoàn thành cần được xác định trước.. Tài liệu hướng dẫn này giải

Bài ứng dụng nâng cao số 2 Phân tích giai đoạn thi công và giai đoạn

cuối của cầu dây văng

Mô hình kết cấu cầu ··· 10

2D xuất mô hinh cầu ··· 11

Mô hình dầm chủ ··· 12

Mô hình tháp ··· 13

Khai báo mô hình 3D ··· 16

Khai báo dầm ngang chính ··· 18

Khai báo dầm ngang trụ tháp ··· 20

Khai báo gối cho tháp ··· 22

Khai báo gối đầu ··· 25

Nhập điều kiện biên ··· 27

Tính toán ứng suất ban đầu ··· 30

Nhập điều kiện tải trọng ··· 31

Nhập tải trọng ··· 32

Phân tích kết cấu ··· 36

Kiểm tra bước thi công giai đoạn cuối cùng 36

Khai báo tổ hợp tải trọng ··· 36

Tính toán các hệ số tải trọng chưa rõ ··· 37

Kiểm tra hình biến dạng ··· 41

Phân tích giai đoạn thi công 42

Phân loại hạng mục thi công giai đoạn ··· 43

Cannibalization Stage Category ··· 44

Phân tích giai đoạn ··· 44

Nhập ứng suất căng cáp ban đầu ··· 47

Khai báo giai đoạn thi công ··· 51

Gán nhóm kết cấu ··· 52

Gán nhóm điều kiện biên··· 55

Kiểm tra lực dọc trục ··· 66Biểu đồ thi công theo giai đoạn ··· 67

Lời luận kết

Cầu dây văng là hệ thống kết cấu cấu thành bởi sự kết hợp hiệu quả của các dây cáp, dầm chủ

và tháp cầu Dạng cầu này có bề ngoài đẹp và dễ dàng hòa hợp với cảnh quan xung quanh bởi

hệ thống kết cấu đa dạng được tạo nên khi thay đổi hình dạng tháp và cách bố trí dây cáp

Cầu dây văng là loại kết cấu đòi hỏi trình độ công nghệ cao về cả thiết kế lẫn thi công, và do đó yêu cầu sự phân tích kết cấu và công cụ thiết kế tinh vi khi so sánh với các loại cầu thông thường khác

Bổ sung cho phẫn tích tĩnh cho tĩnh tải và hoạt tải, phép phân tích động cũng cần được thực hiện để xác định các giá trị bất thường Phân tích Lực động, động đất và gió cũng là yêu cầu thiết yếu đối với thiết kế cầu dây văng

Để xác định lực căng trước trong cáp được tạo ra lúc lắp đặt cáp, trạng thái cân bằng ban đầu cho tĩnh tải tại giai đoạn hoàn thành cần được xác định trước Sau đó, sự phấn tích giai đoạn thi công dựa theo trình tự thi công được thực hiện

Tài liệu hướng dẫn này giải thích kỹ thuật mô hình cầu dây văng, tính toán lực căng trước ban đầu trong dây cáp, thể hiện phép phân tích trình tự thi công và xem lại dữ liệu đầu ra Mẫu cầu

sử dụng trong tài liệu là cầu dây văng 3 nhịp liên tục tạo bởi nhịp chính dài 220m và 2 nhịp biên dài 100m Hình 1 phía dưới thể hiện sơ đồ cầu

Hình 1 Mô hình cầu dây văng

5

Thông số cầu

Mô hình cầu dùng trong tài liệu đã được đơn giản hóa vì mục đích chính là để giải thích trình

tự phân tích nên một số kích thước có sai khác so với kết cấu thực tế

Các kích thước và tải trọng cho cầu dây văng ba nhịp liên tục như sau:

Bridge type Three span continuous cable-stayed bridge (self-anchored)

Lanes 2 lane structure

Hình 2 General layout

Tải trọng

 Trọng lượng: Tự động tính toán trong chương trình

 Tĩnh tải bổ sung: mặt đường, rào chắn và lan can

 Lực căng trước ban đầu trong dây cáp: Lực căng trước trong dây

cáp làm thỏa mãn trạng thái cân bằng ban đầu tại giai đoạn hoàn thành

Hình 3 Mặt bằng tháp

 We input initial cable

prestress force values,

which can be calculated by

built-in optimization

technique in MIDAS/Civil

Cài đặt môi trường làm việc

Để thực hiện phân tích giai đoạn cuối cùng cho cầu dây văng, mở file mới và lưu lại ‘Cable

Stayed Backward’ và bắt đầu mồ hình Gán ‘m” cho đơn vị chiều dài, ‘KN’ cho đơn vị lực

Hệ thống đơn vị có thể được thay đổi bất kỳ lúc nào trong suốt quá trình mô hình

Click on - New Project

- Save (MSS)

Tools / Unit System

Length>m; Force (Mass)>kN (ton) 

Hình 4 Gán hệ đơn vị

7

Khai báo đặc trưng vật liệu và mặt cắt

Nhập tính chất vật liệu cho dây cáp, dầm chủ, trụ tháp, dầm ngang giữa các dầm chủ và dầm ngang của trụ tháp Nhấn ở dưới thẻ Material trong hộp thoại properties

Properties / Material Properties

Material ID (1); Name (Cable); Type of Design>User Defined;

User Defined>Standard >None; Type of Material>Isotropic;

Analysis Data>Modulus of Elasticity (1.9613e8); Poisson’s Ratio (0.3) Weight Density (77.09) 

Nhập tính chất vật liệu cho dầm chủ, tháp, dầm ngang của dầm chủ và dầm ngang của tháp một cách tương tự Giá trị nhập vào thể hiện trong bảng 1

Table 1 Material Properties

Material

Modulus of Elasticity (kN/m2) Poisson’s Ratio

Weight Density (kN/m3)

Nhập thông số mặt cắt cho cáp, dầm chủ, tháp, dầm ngang của các dầm chủ và dầm ngang của trụ tháp Nhấn dưới thẻ Section trong hộp thoại Properties

Properties / Section

Value tab

Section ID (1); Name (Cable); Built-Up Section (on); Consider Shear Deformation (on);

Section Shape>Solid Rectangle; Section Properties>Area (0.0052) 

Tương tự, nhập các thông số mặt cắt cho dầm chủ, tháp, dầm ngang của các dầm chủ và dầm ngang của trụ tháp Giá trị trong bảng 2

Table 2 Section Properties

Iyy (m4)

Izz (m4)

9

Phân tích giai đoạn thi công cuối cùng

Sau khi hoàn thành mô hình giai đoạn cuối cùng cho cầu dây văng, chúng ta tính toán lực căng ban đầu của cáp cho tải trọng bản thân và tĩnh tải tăng thêm Sau đó, chúng ta thực hiện phân tích trạng thái cân bằng ban đầu cùng với tính toán lực căng dây ban đầu

Để thực hiện mô hình kết cấu cấu của cầu dây văng, đầu tiên ta tạo mô hình 2D bằng chương trình Cable Stayed Bridge Wizard trong MIDAS/CIVIL Sau đó sao chép đối xứng mô hình 2D để tạo mô hình 3D Lực căng cáp ban đầu được đề xuất cho giai đoạn cuối cùng có thể được tính toán dễ dàng qua chức năng Unknown Load Factors, chức năng dựa trên kỹ thuật tối

ưu hóa Mô hình cuối cùng của cầu dây văng được thể hiện trong hình 7

Hình 7 Mô hình phân tích cầu dây văng

Mô hình kết cấu cầu

Trong tài liệu này, mô hình phân tích cho giai đoạn cuối cùng sẽ được hòa thiện trước và sau

đó thực hiện phân tích Mô hình giai đoạn cuối cùng sẽ được lưu dưới tên khác, và sau đó mô hình giai đoạn thi công sẽ được phát triển sử dụng mô hình này

Quá trình mô hình cho phân tích giai đoạn cuối cùng của cầu dây văng như sau

1 T o mô hình 2D b ng Cable-Stayed Bridge Wizard

11

2D xuất mô hinh cầu

MIDAS/Civil cung cấp chức năng Cable-Stayed Bridge Wizard có thể tự động tạo ra mô hình cầu dây văng 2D dựa trên các kích thước hình học cơ bản của cầu dây văng Nhập các kích thước kết cấu cơ bản của cầu dây văng trong Cable-Stayed Bridge Wizard như sau

Front View Point Grid (off) Point Grid Snap (off) Line Grid Snap (off) Node Snap (on) Elements Snap (on)

Structure / 

Type>Symmetric Bridge A>X (m) (0) ; Z (m) (25) ; B>X (m) (100) ; Z (m) (90) Height>H1 (m) (90) 

Material>Cable>1:Cable ; Deck>2:Girder ; Tower>3:Pylon Section>Cable>1:Cable ; Deck>2:Girder ; Tower>3:Pylon Select Cable & Hanger Element Type>Truss 

Shape of Deck (on)>Left Slope (%) (5) ; Arc Length (m) (220) 

Cable Distances & Heights

Left>Distance (m) (3, 8@10, 14) ; Height (m) (1.2, 3@1.5, 3@2, 2@2.3, 45) Center>Distance (m) (14, 9@10, 12, 9@10, 14) 

Hình 8 Dùng thuật sỹ mô hình cầu

Mô hình dầm chủ

Các nốt nhân bản sẽ được tạo ra tại vị trí tháp do Cable-Stayed Bridge Wizard sẽ tạo dầm chủ như là loại dầm giản đơn cho nhịp biên và nhịp chính Ví dụ hướng dẫn này là cầu dây văng liên tục tự neo Ta sẽ sử dụng chức năng hợp nhất nốt để tạo dầm liên tục tại vị trí tháp

Node Number (on) Front View

Node/Element / Merge Nodes

Merge>All Tolerance (0.001)

Remove Merged Nodes (on) 

Select Window (Nodes: A in Hình 10)

Mode>Move; Translation>Equal Distance; dx, dy, dz ( 0, -2, 0 ) 

Hình 10 Bố trí tháp nghiêng

A Before Execution

A

Chú ý rằn hệ tọa độ cục bộ của phần tử tháp đã thay đổi theo sự di chuyển của nốt Trục y và z quay 900 khi phần tử xiên- đây là đặc điểm định sẵn của chương trình Để quay trục y và z trở lại vị trí ban đầu, góc Beta được thay đổi đến -900 Bằng thay đổi góc Beta của phần từ tháp đến -900 ta cũng đã làm hệ tọa độ cục bộ của phần tử của các phần từ trên và các phần tử dưới tháp trùng nhau để dễ dàng xem lại kết quả phân tích

Display

Element>Local Axis (on) 

Node/Element / Change Element Parameters

View> Select > Select Intersect (Elements: A in Hình 11)

Parameter Type> Element Local Axis (on)> Beta Angle Beta Angle (Deg) (-90) 

Hình 11 Local Element Axis Transformation for Tower Elements

trong “Tutorial for 3D

Simple 2-Bay Frame” hoặc

“Truss Element” trong

“Types of Elements and

Important Considerations”

trong “Analysis for Civil

Structures”

A Before Execution

15

Để tạo dầm ngang của tháp, chia phần tử tháp theo phương Z bằng chức năng chia phần tử

Node/ Element / Divide Elements

Khai báo mô hình 3D

Để tạo mô hình 3D, ta chuyển mô hình 2D -7,8m theo phương Y, vì bề rộng cầu là 15,6m

Node/Element / Translate

Select All

Mode>Move; Translation>Equal Distance; dx, dy, dz ( 0, -7.8, 0 ) 

Hình 13 Moving 2D Model –7.8 m in the Y direction

7.8 m

17

Bây giờ, ta sao chép cáp, dầm chủ và tháp đối xứng qua trục đối xứng của cầu Lúc này, ta sẽ kiểm tra trong Mirror Element Angle để hệ tọa độ cục bộ của phần tháp sao chép khớp với của phần tháp ban đầu

Node /Element / Mirror Elements Select All

Mode>Copy Reflection>z-x plane (m) ( 0 )

Copy Element Attributes (on) ; Mirror Beta Angle (on) 

Hình 14 Generating 3D Model

Reflection Plane

Khai báo dầm ngang chính

Tắt hiển thị cho trục tọa độ phần tử và tạo dầm ngang giữa dầm chủ bằng chức năng Extrude Element, chức năng tạo phần từ đường từ các nốt

Top View

Display

Element> Local Axis (off) 

Node/Element / Extrude Elements

Select Identity - Nodes

Select Type>Material, Nodes (on), Elements (off) Select Type >2: Girder, Add

Unselect window (Nodes: A in Hình 15)

Extrude Type>Node → Line Element Element Attribute>Element Type>Beam Material>4: CBeam_Girder Section>4: CBeam_Girder Generation Type>Translate Translation>Equal Distance; dx, dy, dz (0, -15.6, 0) Number of Times (1) 

19

Hình 15 Khai báo dầm ngang chính

A

Khai báo dầm ngang trụ tháp

Trước khi tạo dầm ngang của tháp, ta chỉ kích hoạt phần tử tháp để mô hình một cách hiệu quả

Front View Select Single (A in Hình 16) Activate

Hình 16 Selecting Tower Elements

21

Tạo dầm ngang của tháp bằng chức năng Create Element

Iso View Node Number (on) / Element Snap (off)

Node/Element / Create Elements

Element type>General Beam/Tapered Beam

Material>5: CBeam_Pylon Section>5: CBeam_Pylon Nodal Connectivity (142, 72) (145, 73) (144, 74) (147, 75) 

Hình 17 Tower Cross Beam Generation

Khai báo gối cho tháp

Tạo các nốt mới tại vị tí gối đỡ tháp bằng chức năng Project Nodes

Node/Element /

Mode>Copy; Projection Type>Project nodes on a plane

Select Single (Nodes: 34, 137, 57, 139)

Base Plane Definition>P1 (145)  ;P2 (73) ; P3 (75)  ; Direction>Normal

Merge Duplicate Nodes (on); Intersect Frame Elem (on) 

Hình 18 Tower Bearing Generation

23

Tạo các nốt tại vị trí gối đỡ sử dụng chức năng Translate Nodes để phản ánh chiều cao gối

Node/Element / Translate

Select Single (Nodes: 149 to 152)

Mode>Copy; Translation>Equal Distance

dx, dy, dz ( 0, 0, 0.27) 

Hình 19 Tower Bearing Location Generation

Mô hình gối đỡ tháp sử dụng liên kết phần tử-phần tử

Tính chất gối như sau:

elastic link elements for

both towers by entering

tower spacing of 220 m

A

25

Khai báo gối đầu

Tạo các nốt tại vị trí gối hai đầu sử dụng chức năng Translate Nodes

Activate All Node/Element / Translate…

Select Single (Nodes: 76, 24, 135, 68)

Mode>Copy; Translation>Unequal Distance Axis>z; Distance (m) (-4.5, -0.27) 

Hình 21 Generating Nodes at the End Bearing Locations

Mô hình gối cầu sử dụng liên kết phần tử-phần tử

Thông số gối cầu như sau:

SDx (kN/m) (199736032); SDy (kN/m) (73373); SDz (kN/m) (73373)

Copy Elastic Link (on) > Axis>x; Distances (m) (414)

2 Nodes (159,163) 

2 Nodes (157,161) 

Hình 22 Generating End Pier Bearings

 Khai báo liên kết nối đàn

hồi liên tiếp cho các

đầu.khoảng cách các

đầu là 420-3*2= 414 m

A

27

Nhập điều kiện biên

Điều kiện biên cho mô hình phân tích như sau:

 Móng tháp, móng trụ: Liên kết ngàm (Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)

 Liên kết giữa dầm chủ và gối: Liên kết cứng (Dx, Dy, Dz, Rx, Ry, Rz)

Nhập điều kiện biên cho móng tháp và trụ

Front View Boundary / Supports

Select Window (Nodes: A, B, C, D in Hình 23)

Boundary Group Name>Default Options>Add; Support Type>D-ALL, R-ALL (on) 

Hình 23 Specifying Fixed Boundary Conditions for Tower and Pier Bases

A

D

Nối điểm trọng tâm của dầm chủ với gối tháp sử dụng liên kết cứng “Rigid Link”

Iso View Boundary / Rigid Link

Zoom Window (A in Hình 24)

Boundary Group Name>Default; Options>Add

Copy Rigid Link (on); Axis>x; Distances (m) (220)

Hình 24 Connecting Main Girders and Tower Bearings using Rigid Link

A

29

Nối điểm trọng tâm của dầm chủ với gối trụ sử dụng liên kết cứng “Rigid Link”

Boundary / Rigid Link

Zoom Window (A in Hình 25)

Boundary Group Name>Default; Options>Add/Replace

Copy Rigid Link (on); Axis>x; Distances (m) (414)

Hình 25 Connecting Main Girders and Pier Bearings using Rigid Link

Tính toán ứng suất ban đầu

Lực căng cáp ban đầu, là lực cân bằng với tĩnh tải, được đặt vào để tăng cường mặt cắt lực trong dầm chủ và tháp, lực kéo trong cáp và phản lực trong cầu Nó đòi hỏi nhiều phép tính lặp

đi lặp lại để đạt được lực căng cáp ban đầu vì cầu dây văng là kết cấu rất kém xác định

Chức năng Unknown Load Factor trong Midas/Civil dựa trên kỹ thuật tối ưu hóa, và nó được dùng để tính toán hệ số lực tối ưu mà thỏa mãn những điều kiện biên nhất định cho kết cấu Nó

có thể được sử dụng hiệu quả cho tính toán lực căng cáp ban đầu

Trình tự của việc tính toán lực căng cáp ban đầu cho cầu dây văng bằng Unknown Load Factor được thể hiện trong bảng 3

Step 2 Tạo trạng thái lực cho tĩnh tải cho dầm chủ và lực căng đơn vị đối

với dây cáp

Step 3 Nhập tĩnh tải và lực đơn vị

Step 4 Tổ hợp lực cho tĩnh tải và các lực đơn vị

Step 5 Tính toán hệ số lực ẩn sử dụng chức năng Unknow load factor

Step 6 Xem lại kết quả phân tích và tính toán lực căng ban đầu

Table 3 Flowchart for Initial Cable Prestress Calculation

31

Nhập điều kiện tải trọng

Nhập trạng thái lực cho tải trọng bản thân, gán tĩnh tải và lực đơn vụ cho các dây cáp để tính toán lực căng ban đầu cho điều kiện tĩnh tải Số lượng giá trị ẩn lực căng ban đầu được đặt là

20, vì đây là cầu dây văng đối xứng có 20 dây cáp mỗi bên của mỗi trụ tháp Nhập trạng thái lực cho mỗi dây cáp

Load / / Static Load Cases

Description (Self Weight)  Name (Additional Load); Type>Dead Load Description (Additional Load) 

Name (Tension 1); Type>User Defined Load Description (Cable1- UNIT PRETENSION) 

…

Name (Tension 20); Type>User Defined Load Description (Cable20- UNIT PRETENSION) 

Input the loading conditions repeatedly from Name (Tension 1) to Name (Tension 20)

Hình 26 Generation of Loading Conditions for Dead Loads and Unit Loads

Nhập tải trọng

Nhập tĩnh tải bản thân, gán tĩnh tải cho dầm chủ và lực đơn vị cho dây cáp Sau khi nhập tĩnh tải bản thân, nhập tĩnh tải bao gồm rào chắn, lan can và mặt đường Nhập lực căng đơn vị cho phần tử cáp mà sẽ được tính toán lực căng cáp ban đầu Đầu tiên, ta nhập tĩnh tải bản thân

Node Number (off) Load / / Self Weight

Load Case Name>SelfWeight Load Group Name>Default Self Weight Factor>Z (-1) 

Hình 27 Entering Self-Weight

33

Xác định tĩnh tải tăng thêm cho dầm chủ Chia và đặt tĩnh tải tăng thêm cho 2 dầm chủ

Nhập tĩnh tải tăng thêm -18,289 kN/m do rào chắn, mặt đường… bằng chức năng Element Beam Loads

Load / / Element Beam loads

Select identity - Elements

Select Type>Material>Girder  Load Case Name>Additional Load; Options>Add Load Type>Uniform Loads; Direction>Global Z Projection>Yes 

Value>Relative; x1 (0), x2 (1), w (-18.289) 

Hình 28 Entering Superimposed Dead Loads to Main Girders

 Nếu tĩnh tải chất thêm áp

dụng cho phần tử

nghiêng, lực thực tế sẽ

được áp dụng để phản

ánh đúng các phần tử

Nhập lực căng đơn vị cho từng cáp Trong trường hợp cầu dây văng đối xứng, các lực căng ban đầu giống nhau sẽ được đặt vào các dây cáp tương ứng đối xứng nhau qua tâm cầu Vì thế, chúng ta sẽ đặt các trạng thái lực đồng nhất cho các cặp cáp đối xứng

Front View Load / / Pretension Loads View/ / Select Intersect (Elements: A in Hình 29) View/ / Select Intersect (Elements: B in Hình 29)

Load Case Name>Tension 1; Load Group Name>Default

Options>Add; Pretension Load (1) 