Phân tích cầu dầm I thép liên hợp với bản mặt cầu

Cầu liên hợp, trình bài trong bài hướng dẫn này, được cấu tạo từ bản mặt cầu bê tông cùng với dầm thép chữ I được mô hình thông qua chức năng Composite Section wizard và sử dụng phương p

Hướng dẫn nâng cao 7

Phân tích thi công cầu

sử dụng mặt cắt liên hợp

Civil

Nhập thông số vật liệu 10 Nhập thông số mặt cắt 12 Nhập đặc tính vật liệu theo thời gian 14

Xây dựng mô hình cầu 19

Khai báo các nhóm 19 Xây dựng mô hình cầu 22

Nhâpk điều kiện biên 28

Nhập điều kiện cho gối 28 Nhập bề rộng có hiệu29

Thực hiện phân tích kết cấu 49

Kiểm tra ết quả phân tích 50

Kiểm tra nội lực phần tử 50 Kiểm tra ứng suất 52

Giới thiệu

Khi một mặt cắt được liên hợp từ hai hay nhiều vật liệu, việc xem xét hiệu ứng liên hợp

trong phân tích kết cấu Ngoài ra, khi mặt cắt liên hợp có chứa vật liệu bê tông thì chắc chắn

người dùng phải xem xét tới hiện tượng co ngót và từ biến của bê tông

Cầu liên hợp, trình bài trong bài hướng dẫn này, được cấu tạo từ bản mặt cầu bê tông cùng

với dầm thép chữ I được mô hình thông qua chức năng Composite Section wizard và sử

dụng phương pháp phân tích thi công Construction Stage Quá trình phân tích kết quả được

trình bày ở phần sau

Dạng cầu và cấu tạo nhịp được trình bày dưới đây:

Loại cầu: cầu liên hợp dầm I 3 nhịp liên tục (PSC floor)

Chiều dài cầu: L = 45.0 + 55.0 + 45.0 = 145.0 m

Bế rộng cầu: B = 12.14 m

Độ nghiêng: 90˚(vuông góc)

Hình 1 Mô hình phân tích

MIDAS/Civil cung cấp mặt cắt liên hợp cho bài toán phân tích thi công Trong bài

hướng dẫn này, phương pháp phân tích kết cấu sẽ bao quát và thảo luận cả về biện pháp thi công lẫn

Dưới đây là quy trình thực hiện phân tích thi công cho bài toán cầu liên hợp:

:

1 Khai báo đặc tính vật liệu và mặt cắt

2 Khai báo nhóm kết cấu, nhóm biên và nhóm tải trọng

3 Khai báo các bước thi công

4 Kích hoạt các nhóm biên và nhóm tải trọng tương ứng với mỗi bước thi công

5 Kích hoạt mặt cắt sàn tương ứng với mỗi bước thi công theo trình tự thi công của

mặt sàn

6 Kiểm tra kết quả phân tích tại mỗi bước

 Tính tải_Dead Load trước khi liên hợp

- Tải trọng bản thân của dầm thép: tự động chuyển đổi thành Self Weight trong

[Đơn vị: mm]

chương trình

- Tải trọng bản thân của bản mặt bê tông: được nhập trong Beam Loads

 Dead Load sau khi liên hợp

- Nhập trong Beam Loads

Bố cục các giai đoạn thi công

 Khai báo các trường hợp tải trọng và nhóm tải trọng

Hình 3 Quy trình thi công bản mặt cầu và từng phần của mặt cắt BMC

Các bản tấm có điểm uốn tại vị trí 0.2L tính từ gối trong, khi đúc một lớp bê tông mới

lên trên lớp bê tông cũ, phải đổ tới điểm uốn- điểm mà không có ứng suất xảy ra

TH Tải trọng

Nhóm Tải trọng

Loại tải trọng Ghi chú

DL (BC) 1 DL (BC) 1 Self Weight Tải trọng bản thân dầm

DL (BC) 2 DL (BC) 2 Beam Loads TTBT bản mặt cầu tương ứng với

 Khai báo nhóm điều kiện biên

Nhóm

K biên

Loại điều kiện biên Ghi chú

E_Width1 Effective Scale Factor Width Tỷ lệ của mô men quán tính w r t bề rộng ảnh hưởng của mô men quán tính w r t tổng bề rộng,

mặt cắt CS2 (tại vị trí giữa nhịp 1)

E_Width2 Effective Scale Factor Width

Tỷ lệ của mô men quán tính w r t bề rộng ảnh hưởng của mô men quán tính w r t tổng bề rộng, mặt cắt CS3 (tại gối trong 1, tạo vj trí giữa của nhịp 2)

E_Width3 Effective Scale Factor Width

Tỷ lệ của mô men quán tính w r t bề rộng ảnh hưởng của mô men quán tính w r t tổng bề rộng, mặt cắt CS4 (tại gối trong 2, tạo vj trí giữa của nhịp 3)

 Khai báo các bước thi công

Bước

TC

Nhóm kết cấu Nhóm biên

# SGroup đại diện cho nhóm kết cấu bao gồm các cấu kiện (dầm, dầm ngang)

# Một nhóm phần tử là đủ vì phần hình học của kết cấu không có sự thay đổi trong

quá trình thi công

# Sử dụng mặt cắt liên hợp cho dòng lệnh Construction Stage, khai báo một mặt cắt

liên hợp/không liên hợp phù hợp với trình tự thi công bản mặt cầu

# Giả thiết rằng cần 25 ngày để lắp ghép ván khuôn và 5 ngày để bê tông đạt được

cường độ ban đầu Theo đó, sẽ mất 30 ngày để hoàn thiện thi công

# Tải trọng bản thân của bản mặt cầu được nhập thông qua chức năng Element Beam

Loads và được kích hoạt ở ngày thứ 25 khi công tác lắp ghép ván khuôn hoàn thành

 CS1

Mô hình dầm thép và dầm ngang theo chiều dài cầu

Sử dụng lệnh Self Weight để nhập tải trọng bản thân dầm và sử dụng lệnh Element Beam Loads để nhập tải trọng bản thên mặt cầu của mặt cắt CS2

(Xem Hình 4)

 CS2

Liên hợp diễn ra tại mặt cắt CS2

Nhập chiều rộng có hiệu của mặt cắt CS2

Sử dụng lệnh Element Beam Loads để nhập TTBT bản mặt cầu của mặt cắt CS3 (Xem Hình 4)

 CS3

Liên hợp diễn ra tại mặt cắt CS3

Nhập chiều rộng có hiệu của mặt cắt CS3

Sử dụng lệnh Element Beam Loads để nhập TTBT bản mặt cầu của mặt cắt CS4 (Xem Hình 4)

 CS4

Liên hợp diễn ra tại mặt cắt CS4

Nhập chiều rộng có hiệu của mặt cắt CS4

Sử dụng lệnh Element Beam Loads để nhập các tĩnh tải bổ sung

Hình 4 Tải trọng bản mặt cầu và tĩnh tải bổ sung được nhập vào

mỗi giai đoạn thi công

Cài đặt điều kiện làm việc và nhập thông số vật liệu/ mặt cắt

Mở file mới ( New Project) để bắt đầu cho một mô hình cầu liên hợp và lưu trữ

file ( Save) với tên ‘I-Girder Composite Bridge’

> New Project

> Save (I-Girder Composite Bridge)

Cài đặt điều kiện làm việc của chương trình

Cài đặt hệ thống đơn vị ‘kN’ và ‘m’ cho mô hình của bài hướng dẫn này

Tools / Unit System Length>m ; Force>kN > OK

Hình 5 Hộp thoại Initial View và Unit System

Nhập thông số vật liệu

Thông số vật liệu cho dầm, dầm ngang và bản mặt cầu được khai báo sử dụng dữ

liệu có sẵn DB trong MIDAS/Civil

Properties Tab / Material Properties >Add

Type>Steel ; Standard>ASTM(S)

DB>A53>Apply ; DB>A36 > Apply

Type>Concrete ; Standard>ASTM(RC)

DB>Grade C6000>OK

Hình 6 Nhập thông số vật liệu

Nhập thông số mặt cắt

Với việc quan sát quy trình thi công, các dầm chính sẽ được đặt tên khác nhau tương ứng

với từng bước thi công Trong bài này, giải thiết rằng tất cả các mặt cắt dầm là giống nau;

và trong trường hợp này, các dầm có thuộc tính mặt cắt giống nhau nhưng đặt khác tên (ví

dụ Sect 1, Sect 2, Sect 3 và Sect 4) Định nghĩa dầm ngang sử dụng dạng mặt cắt do người dùng tự định nghĩa User type

Hình 7 Bố trí mặt cắt

Phân loại Mặt cắt Ghi chú

Girder H 32008009002032/34 Mặt cắt liên hợp Cross

Mặt cắt người dùng

tự định nghĩa

[Unit: mm]

Ds/Dc is the ratio of the unit wt Steel and concrete Its value is assigned zero because we treat slab wt as beam load as opposed to self wt

Properties Tab > Section>Add

Concrete Material>DB>ASTM(RC) ; Name>Grade C6000, Ds/Dc=0

Steel Material>DB>ASTM(S) ; Name>A53; Offset>Center-Center > Apply

Section ID (2) ; Name (Sect 2)>Apply

Section ID (3) ; Name (Sect 3)>Apply

Hình 8 Hộp thoại dữ liệu mặt cắt

DB/User tab

Section ID (4); Name (CBeam) ; Offset>Center-Center

Section Shape>I-Section; User

H (0.84); B1(0.4); tw(0.02); tf1(0.02) > OK 

Nhập đặc tính vật liệu thay đổi theo thời gian

Đặc tính vật liệu thay đổi theo thời gian được xác định để xem xét sự thay đổi của

cường độ bê tông dẫn tới sự thay đổi của mô đun đàn hồi, độ co ngót và từ biến của

bê tông theo thời gian Đặc tính vật liệu thay đổi theo thời gian được xác định thông qua tiêu chuẩn CEB-FIP Độ dày của bản tấm là 25cm được sử dụng để tính toán kích thước danh định của cấu kiện_Notational size of member

 Cường đọ bê tông 28 ngày: 20000 kN/m2

 Độ ẩm tương đối: 70%

 Kích thước danh định: 2Ac/u = (212.140.25) / (12.14+0.25) 2 = 0.245

 Loại bê tông: Normal-weight concrete

 Thời gian gỡ bỏ ván khuôn: sau 3 ngày đổ bê tông (thời gian bê tông bắt đầu co ngót)

Properties Tab / Time Dependent Material / Creep & Shrinkage

Add>Name (Mat-1) ; Code>CEB-FIP

Compressive strength of concrete at the age of 28 days (20000)

Relative humidity of ambient environment (40 ~ 99) (70)

Notational size of member (0.245)

Type of cement>Normal or rapid hardening cement (N, R)

Age of concrete at the beginning of shrinkage (3)

Hình 9 Khai báo đ c tính v t li u theo th i gian (T bi n & Co ngót) c a bê tông

 Nhấn vào nút

để quan

sát đồ thị hiện thị chức

năng co ngót và từ biến

Bê tông đổ được hóa cứng và đạt được cường độ theo độ tuổi Để xem xét điều này,

người dùng xét theo tiêu chuẩn CEB-FIP trong chức năng xét cường độ nén của bê tông

Dữ liệu được nhập vào trong hộp thoại Time Dependent Material (Creep / Shrinkage) được chiếu tới hộp thoại Time Dependent Material (Comp Strength) dialog box

Properties Tab > Time Dependent Material > Comp Strength

Add>Name (Mat-1); Type>Code

Development of Strength>Code>CEB-FIP

Concrete Compressive Strength at 28 Days (S28) (20000)

Cement Type(a)>N, R : 0.25 ; > OK > Close 

Hình 10 Khai báo chức năng thay đổi cường độ nén của bê tông theo thời gian

Trong MIDAS/Civil, vật liệu theo thời gian được định nghĩa riêng biệt với vật liệu cơ bản,

đặc tính vật liệu theo thời gian được gán cho vật liệu ban đầu tương ứng

Trong hướng dẫn này, các đặc tính vật liệu theo thời gian được gán cho vật liệu bê tông bản

mặt cầu (Grade C6000)

Properties Tab > Time Dependent Material > Material Link

Time Dependent Material Type>Creep/Shrinkage>Mat-1 Comp Strength>Mat-1

Select Material to Assign>Materials>

3:Grade C6000 Selected Materials; Operation> >Close

Hình 11 Gán các đặc tính vật liệu theo thời gian

tương ứng với vật liệu ban đầu

Xây dựng mô hình cầu

Sau khi khai báo các nhóm theo yêu cầu cho bài toán thi công, chúng ta tiến hành xây

dựng mô hình cầu cho từng bước thi công Bài hướng dẫn này giải thích một kỹ thuật để

gán các giai đoạn thi công khi sử dụng mặt cắt liên hợp

Khai báo các nhóm

Quan sát bảng dưới đây để khai báo các nhóm (Structure Groups, Boundary Groups and

Load Groups) với yêu cầu của bài toán thi công

Bước

TC

Nhóm kết cấu Nhóm biên

CS1 SGroup BGroup DL (BC) 1 DL (BC) 2 First step First step 5 Mặt cắt chưa liên hợp

CS2 - E_Width1 DL (BC) 3 25 days (User step) 30 Liên hợp tại mặt cắt CS2

CS3 - E_Width2 DL (BC) 4 25 days (User step) 30 Liên hợp tại mặt cắt CS3

CS4 - E_Width3 DL (AC) First step 10,000 Liên hợp tại mặt cắt CS4

Tab nhóm_Group tab (phía trái Tree Menu)

Group>Structure Group (Right Click here ) > New… Name (SGroup) >Close

Group>Boundary Group New…

Name (BGroup)

Name (E_Width); Suffix (1to3) >Close

Group>Load Group New…

Name (DL(BC)); Suffix(1to4)

Name (DL(AC)); >Close

Hình12 Khai báo các nhóm

Xây dựng mô hình cầu

Mô hình dầm

Tham khảo sơ đồ bố trí cầu trong Hình 13 để hình thành/ khai báo dầm

Hình 13 Quy trình thi công bản mặt cầu và từng phần của mặt cắt BMC

Trong bài, từng dầm ngang được bố trí với khoảng cách 5m và bản mặt cầu bê tông

được đổ phù hợp với quy trình được mô tả trong Hình 13 Để tính toán được chiều rộng

có hiệu của dầm chính, thì các phần tử dầm phải được mô phỏng theo các chiều dài dưới đây

Top View , Node Snap (on), Element Snap (on), Auto Fitting (on)

Node /Element Tab> Create Nodes

Coordinates ( 0, 0, 0 )

Copy>Number of Times (1); Distance (0, 6.15, 0) 

Node/ Element Tab > Extrude

Select All

Extrude Type>NodeLine Element

Element Attribute>Element Type>Beam

Material>1:A53; Section>1 : Sect 1

Generation Type>Translate

Translation>Unequal Distance

Axis>x; Distance (7@5,1,4,3@5,1,4,5@5,4,1,3@5,4,1,7@5)>Apply

Hình 14 Mô phỏng khung dầm chính

Để gán các phần tử dầm CS3 cho mặt cắt Sect 2, và phần tử dầm CS4 cho mặt cắt Sect 3 sử dụng chức năng Kéo & Thả _ Drag & Drop

Works tab

Select Window (Elements: all girders in CS3 section; that is, 17to40)

Properties > Section > Sect 2 ( Drag & Drop )

Select Window (Elements: all girders in CS4 section; that is, 41to66)

Properties > Section > Sect 3 ( Drag & Drop )

Hình 15 Các nhóm phần tử dầm khác nhau được gán vào từng mặt cắt

 Để kiểm tra nhanh

CS4 section: Sect 3 56m

CS2 section: Sect 1 36m

Drag

Drop

Mô hình dầm ngang

Mô hình dầm nagng như sau:

Node Number (on)

Node/Element Tab > Create Elements

Element Type>General beam/Tapered beam

Material>2:A36; Section > 4: CBeam; Beta Angle ( 0 )

Nodal Connectivity (1, 2) > Apply

Node/ Element Tab > Translate

Select Recent Entities

Mode > Copy; Translation > Equal Distance

dx, dy, dz ( 5, 0, 0 ) ; Number of Times ( 145/5 ) > Apply

Hình 16 Mô hình dầm ngang

Nhập điều kiện biên

Nhập điều kiện cho gối

Vì tất cả các điều kiện biên của kết cấu đều được kích hoạt đồng loạt ở CS1, nên BGroup

là nhóm biên đại diện cho tất cả các điều kiện biên của cầu

Boundary Tab / Define Supports

Boundary Group Name > BGroup

Select Single (Node: 21)

Options>Add; Support Types>D-ALL (on) > Apply

Select Single (Nodes: 1, 47, 67)

Options > Add; Support Types > Dy, Dz (on) > Apply

Select Single (Nodes: 2, 48, 68)

Options>Add; Support Types > Dz (on) > Apply

Select Single (Nodes: 22)

Options > Add; Support Types>Dx, Dz (on) > Apply

Nhập bề rộng có hiệu

Nhập hệ số tỷ lệ vào mô men quán tính của mặt cắt dầm để tính toán bề rộng có hiệu

Trong MIDAS/Civil, việc xác định hệ số tỷ lệ bề rộng có hiệu_ Effective Width Scale Factor là dùng để tính toán ứng suất của phần tử

Nếu người dùng muốn tính toán ứng suất trong một mặt cắt để tính toán bề rộng bản

cánh có hiệu, thì phải dùng lệnh Effective Width Scale Factor với tỷ lệ mô men quán tính Iyy của mặt cắt có hiệu trên mô men quán tính Iyy của mặt cắt tổng, nhập hệ số

tỷ lệ_Scale Factor cho mục Iy

có hi u

Mô men quán tính Iyy

H s t l cho Iy, Iyy_2/Iyy_1

Iyy_1 (T ng chi u r ng)

Iyy_2 (B rộng

có hiệu)

View Tab > Display ( Ctrl+E)

Boundary>All; Support (on) 

Node Number (off), Element Number (on)

Boundaries Tab > Effective Width

Hình 17 Nhập điều kiện biên