Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

Lực kéo nhổ này có giá trị thiết kế bằng lực căng lớn nhất xuấthiện trong các dây văng trong giai đoạn từ thi công đến khai thác; và thường nằmtrong giới hạn từ 0.4fpy đến 0.6fpy, với fp

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Ngọc Long

2 GS.TS Nguyễn Viết Trung

HÀ NỘI- 2020

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện Các số liệu vàkết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giảnào hay ở bất kỳ công trình nào khác

Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2020

Tác giả

Bùi Ngọc Tình

LỜI CẢM ƠN

Luận án Tiến sỹ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải dưới

sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Ngọc Long và cố GS.TS Nguyễn ViếtTrung Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướngkhoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trìnhnghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứunhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừngnghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành Nghiên cứu sinh cũng xinđược chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các côngtrình nghiên cứu đã được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn

tư liệu quý báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luậnán

Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đạihọc, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đãtạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứucủa mình

Cuối cùng là sự biết ơn đến gia đình vì đã liên tục động viên để duy trì nghịlực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khíacạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án

Tác giả

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quát về quá trình thiết kế các cầu dây văng 5

1.2 Vấn đề neo cáp dây văng với dầm mặt cầu trong cầu dây văng (xem (Gimsing and Georgakis 2011)) 11

1.3 Kết luận chương 1 18

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN MẶT CẮT HÌNH HỘP CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY CHỊU LỰC CĂNG DÂY 20

2.1 Mô hình được sử dụng trong các cầu hiện nay 20

2.2 Đề xuất mô hình “nứt theo tổng biên dạng” để phân tích ứng xử của mặt cầu dầm hộp BTCT chịu lực căng dây trong cầu dây văng một mặt phẳng dây 23

2.2.1 Tổng quan về các mô hình phân tích ứng xử của bản BTCT chịu lực kéo, nén ngoài mặt phẳng bản 23

2.2.2 Mô hình nứt theo tổng biến dạng 25

2.2.3 Thông số đầu vào của vật liệu bê tông trong mô hình “Nứt theo tổng biến dạng” 28

2.3 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THÍ NGHIỆM ÁP DỤNG MÔ HÌNH PHÂN TÍCH “NỨT THEO TỔNG BIẾN DẠNG” CHO BÀI TOÁN BẢN MẶT CẦU CHỊU LỰC KÉO/NÉN XIÊN NGOÀI MẶT PHẲNG BẢN 47

3.1 Mục đích thí nghiệm 47

3.2 Thiết kế thí nghiệm 47

3.2.1 Mẫu thí nghiệm 47

3.2.2 Bố trí điểm đo 49

3.2.3 Vật liệu bê tông của bản thí nghiệm 51

3.3 Phân tích - tính toán ứng xử của mẫu thí nghiệm theo mô hình tính toán đề xuất 52

3.3.1 Mô hình kết cấu 52

3.3.2 Mô hình vật liệu 53

3.3.3 Mô hình vật liệu cốt thép thường 54

3.3.4 Mô hình tải trọng 54

3.3.5 Kết quả mô hình phân tích bằng mô hình “nứt theo tổng biến dạng” 56 3.3.6 Chế tạo mẫu thí nghiệm bê tông 63

3.3.7 Thiết bị và trình tự thí nghiệm: 64

3.3.8 Quy trình thí nghiệm: 66

3.3.9 Kết quảthí nghiệm nén mẫu bê tông 67

3.4 So sánh kết quả thí nghiệm và kết quả mô hình 71

3.4.1 Kết quả phân tích và kết quả thực đo 71

3.5 Kết luận chương 3 77

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH “TỔNG BIẾN DẠNG NỨT” PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA MẶT CẮT HÌNH HỘP BÊ TÔNG CỐT THÉP CẦU DÂY MỘT MẶT PHẲNG DÂY ĐIỂN HÌNH VÀ SO SÁNH VỚI KẾT QUẢ KHẢO SÁT THỰC TẾ 78

4.1 Lựa chọn kết cấu phân tích - tính toán 78

4.1.1 Mô hình hóa kết cấu một phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực 78

4.1.2 Vật liệu sử dụng 79

4.1.3 Mô hình hóa điều kiện biên 80

4.1.4 Tải trọng tác dụng 80

4.2 Kết quả tính toán, phân tích 82

4.2.1 Trường hợp không tăng cường ống thép tại vị trí ụ neo cáp dây văng .82

4.2.2 Trường hợp tăng cường ống thép tại vị trí ụ neo cáp dây văng 98

4.3 Kết luận chương 4 122

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 123

TÀI LIỆU THAM KHẢO 125

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Cầu Millau - Pháp (nhịp chính dài 342m) 6

Hình 1-2 Cầu Tsurumi tsubasa - Nhật Bản 6

Hình 1-3 Cầu Yiling - Trung Quốc 7

Hình 1-4 Cầu Skyway Sunshine 8

Hình 1-5 Cầu Bãi Cháy - Việt Nam 10

Hình 1-6 Cầu Trần Thị Lý - Việt Nam 10

Hình 1-7 Các loại thanh cứng và mặt cắt dầm cho phép điều chỉnh hướng của cáp 11 Hình 1-8 Các loại bản liên kết không trực tiểp với cáp văng 11

Hình 1-9 Liên kết giữa bó cáp lớn với bản mặt cầu một hộp 12

Hình 1-10 Liên kết giữa bó cáp đơn và dầm hộp đơn 12

Hình 1-11 Liên kết đơn giản giữa bó cáp đơn và dầm với tấm vách 13

Hình 1-12 Liên kết néo dầm truyền lực từ bản bụng của dầm cầu đến dây cáp 14

Hình 1-13 Neo cáp vào dầm trong cầu Maracaibo 14

Hình 1-14 Liên kết giữa hộp dầm và các cáp đơn được neo tại các cạnh của bản mặt cầu 14

Hình 1-15 Thành phần cáp thẳng đứng xuyên ngang dầm từ các cạnh neo đến giữa hộp dầm (cầu Tjorn) 15

Hình 1-16 Neo cáp dây văng hình tam giác bên ngoài hệ giàn chủ trong cầu Oresund 15

Hình 1-17 Phân bố ứng suất trong bản do lực tập trung ΔN ở khu vực giữa bản choN ở khu vực giữa bản cho bản thép 16

Hình 1-18 Sự thay đổi ứng suất dọc trục giả sử rằng phân bố theo 2 cách 17

Hình 1-19 Lí tưởng hóa sự thay đổi của ứng suất dọc trục trong bản đến 2 lực tập

trung ΔN ở khu vực giữa bản choN/2 gần các cạnh dầm 17

Hình 2-1 Mô hình dầm chủ bằng các phần tử tấm, vỏ 21

Hình 2-2 Biểu đồ bao ứng suất của bản mặt cầu dầm chủ 21

Hình 2-3 Mô hình nứt bê tông 25

Hình 2-4 Trạng thái ứng suất - biến dạng cho một phân tố bê tông cốt thép 26

Hình 2-5 Tăng tải - dỡ tải 30

Hình 2-6 Mô hình nén 40

Hình 2-7 Đường cong nén Erik Thorenfeldt 40

Hình 2-8 Mô hình kéo 44

Hình 2-9 Ứng xử nứt giòn Brittle 45

Hình 3-1 Góc nghiêng cáp dây văng 48

Hình 3-2 Kích thước mẫu 48

Hình 3-3 Mẫu thí nghiệm 49

Hình 3-4 Sơ đồ bố trí điểm đo LVDT dưới đáy dầm 49

Hình 3-5 Bố trí điểm đo biến dạng 50

Hình 3-6 Bố trí điểm đo biến dạng trong cốt thép 50

Hình 3-7 Mô hình tấm bản bê tông với các góc nghiêng khác nhau 52

Hình 3-8 Mô hình cốt thép thường trong bản 52

Hình 3-9 Mô hình hình điều kiện biên 53

Hình 3-10 Mô hình vật liệu của bê tông 54

Hình 3-11 Mô hình thí nghiệm 3 mẫu bê tông 55

Hình 3-12 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 0 56

Hình 3-13 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 1 56

Hình 3-14 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 2 57

Hình 3-15 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 3 57

Hình 3-16 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 4 58

Hình 3-17 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 5 58

Hình 3-18 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 6 59

Hình 3-19 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 7 59

Hình 3-20 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 8 60

Hình 3-21 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 9 60

Hình 3-22 Kết quả chuyển vị thẳng đứng và ứng suất cốt thép Cấp tải 10 61

Hình 3-23 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng 62

Hình 3-24 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và ứng suất bê tông 62

Hình 3-25 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và ứng suất cốt thép 63

Hình 3-26 Mẫu ván khuôn để đúc mẫu thí nghiệm 63

Hình 3-27 Gán lá điện trở để đo ứng suất cốt thép và đổ bê tông mẫu 64

Hình 3-28 Mẫu thí nghiệm các góc 250, 450, 700 64

Hình 3-29 Thiết bị gia tải 65

Hình 3-30 Thiết lập thí nghiệm 66

Hình 3-31 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng thực đo trên tấm 25 0 .68

Hình 3-32 Kết quả chung của 3 mẫu nén tấm góc 250 68

Hình 3-33 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng thực đo trên tấm 45 0 .69

Hình 3-34 Kết quả chung của 3 mẫu nén tấm góc 450 69

Hình 3-35 Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng và độ võng thực đo trên tấm 70 0 70

Hình 3-36 Kết quả chung của 3 mẫu nén tấm góc 700 70

Hình 3-37 Vùng phát triển vết nứt trên mẫu thí nghiệm điển hình 71

Hình 3-38 Dạng phá hoại dưới tấm bản bê tông 71

Hình 3-39 Các vết nứt xuất hiện trên mặt trên bản bê tông 72 Hình 3-40 Biểu đồ lực - độ võng giữa lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm lần 1 73 Hình 3-41 Biểu đồ lực - độ võng giữa lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm lần 2 73

Hình 3-42 Biểu đồ lực - độ võng giữa lý thuyết và thực tế trong thí nghiệm lần 3 74

Hình 3-43 Biểu đồ lực - ứng suất trong cốt thép 75

Hình 3-44 Biểu đồ lực - ứng suất bê tông 75

Hình 4-1 Mô hình đốt dầm hộp 79

Hình 4-2 Mô hình điều kiện biên 80

Hình 4-3 Chi tiết vị trí neo cáp 81

Hình 4-4 Kết quả chuyển vị theo phương Z 83

Hình 4-5 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 83

Hình 4-6 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 84

Hình 4-7 Kết quả ứng suất kéo và nén 84

Hình 4-8 Kết quả nứt 85

Hình 4-9 Kết quả chuyển vị theo phương Z 85

Hình 4-10 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 86

Hình 4-11 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 86

Hình 4-12 Kết quả ứng suất kéo và nén 87

Hình 4-13 Kết quả nứt 87

Hình 4-14 Kết quả chuyển vị theo phương Z 88

Hình 4-15 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 88

Hình 4-16 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 89

Hình 4-17 Kết quả ứng suất kéo và nén 89

Hình 4-18 Kết quả nứt 90

Hình 4-19 Kết quả chuyển vị theo phương Z 90

Hình 4-20 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 91

Hình 4-21 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 91

Hình 4-22 Kết quả ứng suất kéo và nén 92

Hình 4-23 Kết quả nứt 92

Hình 4-24 Kết quả chuyển vị theo phương Z 93

Hình 4-25 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 93

Hình 4-26 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 94

Hình 4-27 Kết quả ứng suất kéo và nén 94

Hình 4-28 Kết quả nứt 95

Hình 4-29 Kết quả chuyển vị theo phương Z 95

Hình 4-30 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 96

Hình 4-31 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 96

Hình 4-32 Kết quả ứng suất kéo và nén 97

Hình 4-33 Kết quả nứt 97

Hình 4-34 Kết quả chuyển vị theo phương Z 98

Hình 4-35 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 99

Hình 4-36 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 99

Hình 4-37 Kết quả ứng suất kéo 100

Hình 4-38 Kết quả ứng suất kéo và nén 100

Hình 4-39 Kết quả nứt 101

Hình 4-40 Kết quả chuyển vị theo phương Z 101

Hình 4-41 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 102

Hình 4-42 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 102

Hình 4-43 Kết quả ứng suất kéo 103

Hình 4-44 Kết quả ứng suất kéo và nén 103

Hình 4-45 Kết quả nứt 104

Hình 4-46 Kết quả chuyển vị theo phương Z 104

Hình 4-47 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 105

Hình 4-48 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 105

Hình 4-49 Kết quả ứng suất kéo 106

Hình 4-50 Kết quả ứng suất kéo và nén 106

Hình 4-51 Kết quả nứt 107

Hình 4-52 Kết quả chuyển vị theo phương Z 107

Hình 4-53 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 108

Hình 4-54 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 108

Hình 4-55 Kết quả ứng suất kéo 109

Hình 4-56 Kết quả ứng suất kéo và nén 109

Hình 4-57 Kết quả nứt 110

Hình 4-58 Kết quả chuyển vị theo phương Z 110

Hình 4-59 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 111

Hình 4-60 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 111

Hình 4-61 Kết quả ứng suất kéo 112

Hình 4-62 Kết quả ứng suất kéo và nén 112

Hình 4-63 Kết quả nứt 113

Hình 4-64 Kết quả chuyển vị theo phương Z 113

Hình 4-65 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương X 114

Hình 4-66 Kết quả ứng suất kéo và nén theo phương Y 114

Hình 4-67 Kết quả ứng suất kéo 115

Hình 4-68 Kết quả ứng suất kéo và nén 115

Hình 4-69 Kết quả nứt 116

Hình 4-70 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 22 o .120

Hình 4-71 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 45 o .120

Hình 4-72 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 50 o 121

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Danh sách các cầu dây văng ở Việt Nam 9

Bảng 2.1 Giá trị G fo tương đương với D max 29

Bảng 3.1 Góc nghiêng dây 48

Bảng 3.2 Kích thước chân giá kê 49

Bảng 3.3 Khối lượng thiết bị đo 51

Bảng 3.4 Tải trọng phá hoại bản BTCT theo kết quả PTHH 55

Bảng 3.5 Cấp tải trọng thí nghiệm 55

Bảng 3.6 Tóm tắt kết quả trên mô hình phân tích 61

Bảng 3.7 Bảng kết quả thí nghiệm độ võng 67

Bảng 4.1 Thông số kích thước dầm hộp 79

Bảng 4.2 Các cấp tải trọng do cáp dây văng tác dụng vào bát neo 82

Bảng 4.3 Các trường hợp góc nghiêng của cáp dây văng với tim cầu 82

Bảng 4.4 Bảng tổng hợp kết quả so sánh khi có và không có giải pháp tăng cường bằng hệ ống thép 116

Bảng 4.5 Bảng tổng hợp kết quả so sánh khi có và không có giải pháp tăng cường bằng hệ ống thép trường hợp góc nghiêng cáp dây văng là 22 o .118

Bảng 4.6 Bảng tổng hợp kết quả so sánh khi có và không có giải pháp tăng cường bằng hệ ống thép trường hợp góc nghiêng cáp dây văng là 50 o .119

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Kết cấu nhịp dây văng trên đường bộ bắt đầu được sử dụng ở Việt Nam từnăm 1998 với cầu đầu tiên là cầu Mỹ Thuận (hoàn thành năm 2000) Từ đó đến nay,gần hai mươi cầu dây văng đã được thiết kế, thi công xây dựng

Thống kê cho thấy các cầu dây văng đã được xây dựng ở Việt Nam phần lớn

sử dụng kết cấu hai mặt phẳng dây và thường sử dụng dạng mặt cắt chữ I, chữ Pi cóvát xiên để đảm bảo ổn định khí động lực học, tăng cường độ cứng theo phươngngang và do đó đảm bảo được khả năng vượt nhịp lớn hơn

So sánh với dạng kết cấu cầu dây văng hai mặt phẳng dây, kêt cấu cầu dâyvăng một mặt phẳng dây giúp phân tách luồng xe chạy trên cầu do dây văng thườngđược bố trí ở chính giữa mặt cắt ngang (vị trí giải phân cách giữa) Cách bố trí nàytạo ra góc nhìn thông thoáng cho cầu khi quan sát từ xa cũng như khi quan sát với tưcách là một người đi trên cầu, đem lại hiệu quả thẩm mĩ tốt hơn so với kết cấu nhịpcầu dây văng hai mặt phẳng dây Tuy nhiên, do mặt phẳng dây được bố trí vào đúng

vị trí giữa dầm cầu nên chủ yếu tham gia chịu tải thẳng đứng mà không hỗ trợ tăngcường khả năng chống xoắn cho kết cấu nhịp Trong kết cấu nhịp cầu dạng này,mômen xoắn do xe chạy lệch tâm và tải trọng gió tác dụng lên cầu chủ yếu do dầmchủ chịu Do đó, thiết kế các dầm chủ sử dụng một mặt phẳng dây ở Việt Nam cũngnhư trên thế giới có chiều dài vượt nhịp nhỏ hơn dạng kết cấu nhịp sử dụng hai mặtphẳng dây và thường có dạng mặt cắt hình hộp để tăng cường khả năng ổn định khíđộng lực học

Tính đến nay ở Việt Nam đã có cầu dây văng Bãi Cháy và một nhịp của cầuvượt Ngã ba Huế là sử dụng dạng mặt cắt hình hộp một mặt phẳng dây Trong đó,cầu dây văng Bãi Cháy là cầu dây văng một mặt phẳng dây có chiều dài nhịp chínhlớn nhất thế giới (435m) tại thời điểm hoàn thành năm 2006

Bên cạnh vẫn đề ổn định khí động lực học, thiết kế cầu dây văng một mặtphẳng dây do sử dụng mặt cắt hình hộp nên đầu neo dây thường đặt tại vị trí giữabản mặt cầu Dẫn đến việc bản mặt cầu phải chịu lực kéo nhổ lớn trong mặt phẳng

vuông góc với bản Lực kéo nhổ này có giá trị thiết kế bằng lực căng lớn nhất xuấthiện trong các dây văng trong giai đoạn từ thi công đến khai thác; và thường nằmtrong giới hạn từ 0.4fpy đến 0.6fpy, với fpy là giới hạn kéo chảy của cáp dây văng(xem [4]).

Lực căng dây tác dụng bản nắp của kết cấu nhịp dầm hộp gây ra hiệu ứngnén dọc trên kết cấu nhịp (do dây xiên), uốn dọc toàn bộ dầm (hiệu ứng tổng thể),uốn ngang trên bản mặt cầu và gây ra hiệu ứng kéo cục bộ trên bản mặt cầu (hiệuứng cục bộ); tạo ra trạng thái ứng suất - biến dạng rất phực tạp trên bản mặt cầu, đặcbiệt là tại vị trí cục bộ quanh khu vực đầu neo dây văng Do đó, như sẽ giới thiệutrong chương 1, các cầu dây văng một mặt phẳng dây trên thế giới khi vượt nhịp lớnthường có xu hướng dầm hộp thép hoặc thép liên hợp; ví dụ như cầu Rama VIII,vượt qua sông Chao Phraya ở Bangkok, Thái Lan Tuy nhiên, bản mặt cầu bằngthép tuy có khả năng chịu lực lớn và khối lượng nhẹ nhưng do bề dày mỏng nên có

độ cứng chịu lực nhỏ và biến dạng dưới tác dụng của lực căng dây lớn, dẫn đến các

hư hỏng trên lớp phủ mặt cầu và gặp vấn đề về độ bền mỏi

Sử dụng mặt cắt dầm hộp bằng bê tông về cơ bản giúp giải quyết vấn đề độbền mỏi và vấn đề biến dạng lớn khó kiểm soát trên mặt cầu Tuy nhiên hiện tạichưa có các tiêu chuẩn hướng dẫn phân tích đánh giá bản mặt cầu chịu lực kéo cục

bộ (chịu lực bên ngoài mặt phẳng bản bê tông); nhất là khi bản mặt cầu bên cạnhchịu lực cục bộ còn phải đồng thời chịu các hiệu ứng tổng thể về uốn dọc và uốnngang như đã phân tích ở trên Để xử lý vấn đề hư hỏng cục bộ có thể xảy ra trênbản mặt cầu bê tông khi chịu lực neo cục bộ, giải pháp đã được sử dụng ở cầu BãiCháy (Việt Nam) là sử dụng các ống thép chịu kéo liên kết trực tiếp với đầu neo đểtruyền lực xuống vị trí liên kết giữa sườn dầm và bản đáy Giải pháp này giúp thaythế việc phải để bản mặt cầu bê tông chịu lực cục bộ bằng việc truyền lực thông quathanh chịu kéo xuống đáy sườn dầm và như vậy sườn dầm thành vách bê tông chịunén thay cho bản mặt cầu phải chịu lực cục bộ vuông góc với bản mặt cầu Đây làgiải pháp về lý thuyết là khả thi về mặt chịu lực, tuy nhiên gây khó khăn lớn chocông tác thi công; trong khi hiệu quả thực tế là chưa rõ ràng do chưa đề xuất được

mô hình tính toán phù hợp để phân tích sự làm việc cục bộ của bản mặt cầu bê tôngchịu lực vuông góp mặt phẳng của bản và bản thân với những vị trí góc nghiêng dây

so với bản mặt cầu nhỏ thì hệ ống thép chịu lực vẫn gần như vuông góc với lực căngdây - rất khó phát huy hiệu quả chịu lực Tại cầu Trần Thị Lý, giải pháp tăng cườngcho bản mặt cầu là sử dụng các dầm ngang tại đúng vị trí đặt đầu neo Giải pháp nàycũng gây khó khăn cho việc chế tạo các ván khuôn đổ bê tông bản mặt cầu Từ đó

có thể thấy được nhu cầu cần có một mô hình tính toán, phân tích được ứng xử củaphân đoạn dầm hộp, đặc biệt là khu vực bản mặt cầu chịu lực kéo xiên, có khả năngphân tích được trạng thái ứng suất – biến dạng của dầm hộp, có xét đến bố trí cốtthép chịu lực cục bộ tại vị trí này và phân tích được độ mở rộng vết nứt ở bê tôngmặt cầu; làm căn cứ cho bài toán phân tích thiết kế, lựa chọn giải pháp mặt cắtngang phù hợp với yêu cầu chịu lực đối với cầu dây văng một mặt phẳng dây

Do đó, tác giả đề xuất nghiên cứu luận án tiến sĩ với đề tài: “Phân tích ứng

xử cơ học của phân đoạn dầm hộp BTCT trong cầu dây văng một mặt phẳng dây” để góp phần đề xuất mô hình tính toán lý thuyết, có kiểm chứng qua thực

nghiệm để phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văngmột mặt phẳng dây Đồng thời, trên cơ sở phân tích lý thuyết tìm được đánh giáhiệu quả của các giải pháp tăng cường mặt cắt chịu lực căng dây đã được sử dụng

Trong đó, mục tiêu, đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu của luận ánđược tóm tắt như sau:

2 Mục tiêu của luận án:

1 Phân tích, lựa chọn mô hình toán học phân tích ứng xử cục bộ của bản mặtcầu chịu lực kéo xiên ngoài mặt phẳng của bản;

2 Nghiên cứu thí nghiệm để khẳng định khả năng áp dụng của mô hình toán học đề xuất; và xác định hiệu quả của giải pháp thiết kế đề xuất;

3 Ứng dụng mô hình đề xuất để phân tích, đánh giá ứng xử cơ học của phânđoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án:

1 Về kết cấu: Phân đoạn kết cấu dầm hộp chịu lực kéo tại vị trí giữa hộp

trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

2 Về vật liệu: Giới hạn nghiên cứu cho dầm hộp bằng bê tông cốt thép, bê

tông cốt thép dự ứng lực Trong vật liệu bê tông, xét đến giai đoạn vật liệu bê tônglàm việc ngoài miền đàn hồi

3 Về tải trọng: Giới hạn tải trọng nghiên cứu là bài toán tải trọng đặt tĩnh.

4 Cấu trúc của luận án: Luận án được cấu trúc thành năm phần bao gồm:

- Phần Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Nghiên cứu đề xuất mô hình toán học phân tích trạng thái ứngsuất - biến dạng của phân đoạn kết cấu nhịp dầm hộp BTCT của cầu dây văng mộtmặt phẳng dây chịu lực căng dây

- Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm áp dụng mô hình phân tích “nứt theotổng biên dạng” cho bài toán bản mặt cầu chịu lực kéo/nén xiên ngoài mặt phẳngbản

- Chương 4: Ứng dụng mô hình “nứt theo tổng biến dạng” phân tích ứng xử

cơ học của mặt cắt hình hộp BTCT cầu dây văng một mặt phẳng dây điển hình

- Kết luận - Kiến nghị

Ngoài ra là các phần Tài liệu tham khảo và danh mục công bố của Tác giả

5 Những đóng góp mới của luận án

- Đã xây dựng được mô hình phi tuyến tổng biến dạng nứt để phân tích kết cấuphân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép cầu dây văng một mặt phẳng dây

- Đã xây dựng được mô hình thực nghiệm để kiểm chứng độ tin cậy của môhình phân tích số (với lý thuyết về vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạnphân tích kết cấu)

- Đã phân tích được ứng xử cơ học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép củacầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực tập trung đầu neo, cho phép đánhgiá vai trò, hiệu quả của các giải pháp xử lý kết cấu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quát về quá

trình thiết kế các cầu dây văng

Cầu dây văng đã được biết đến từ thế kỷ 16 và được sử dụng rộng rãi từ thế

kỉ 19 Những cây cầu đầu tiên thường được thiết kế kết hợp giữa hệ thống dây văng

và hệ thống dây treo chịu lực (ví dụ như cầu Brooklyn)

Bắt đầu từ thế kỷ 20, các thiết kế cầu dây văng độc lập bắt đầu xuất hiện; ví

dụ sớm nhất là cầu Cassagnes do A Gisclard thiết kế năm 1899, trong đó bố trí cápnối ngang để giúp cân bẳng lực căng trong dây văng, giúp giảm đáng kể lực néntrong bản mặt cầu Tiếp đó là các cầu G Leinekugel le Coq tại Lézardrieux ởBrittany (1924), cầu Tempul do Eduardo Torroja thiết kế năm 1926 Cầu dây văngvới bản mặt cầu bằng bê tông của Albert Caquot năm 1952 bắc qua kênh Donzère-Mondragon tại Pierrelatte là một trong những cầu đầu tiên của loại cầu hiện đại,nhưng có rất ít ảnh hưởng đến sự phát triển sau này Trong khi, cầu thường đượctrích dẫn như cầu dây văng hiện đại đầu tiên là cầu Stromsund với bản mặt cầu bằngthép thiết kế bởi Franz Dischinger (1955)

Những cầu dây vặng hiện đại đầu tiên thường sử dụng ít dây văng (ví dụ nhưcầu Heuss Theodor xây dựng năm 1958) Tuy nhiên, việc này thường làm tăng chiphí thi công Do đó, kết cấu hiện đại có xu hướng sử dụng nhiều cáp để đảm bảohiệu quả kinh tế [33]

Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đã ứng dụng kết cấu hai, ba, bốnmặt phẳng dây Tuy nhiên thiết kế ba mặt phẳng dây do nhược điểm là rất khó kiểmsoát sự phân phối chịu lực giữa các mặt phẳng dây nên hiện nay hầu như không cònđược sử dụng Được sử dụng nhiều nhất là hệ thống cầu hai mặt phẳng dây, tuy nhiên

có nhược điểm là thường tạo ra cảm giác không thoáng về mặt mỹ quan và trong nhiềutrường hợp cũng gây khó khăn cho việc bố trí, tổ chức giao thông trên mặt cầu

Cầu dây văng một mặt phẳng dây có ưu điểm về mặt mỹ thuật cầu thôngthoáng và kích thước móng không cần lớn Tuy nhiên đối với loại cầu này, vấn đềlớn nhất xảy ra là do chỉ có một mặt phẳng dây ở chính giữa nên không giúp hỗ trợchịu xoắn và vấn đề dao động cho kết cấu dầm chủ [18], [26] Do đó, cầu dây văng

một mặt phẳng dây hiện đang có khẩu độ vượt nhịp kinh tế nhỏ hơn so với các cầudây văng hai mặt phẳng dây.

Để khắc phục và tăng cường khả năng chịu xoắn và ổn định khí động lực họctrong cầu dây văng một mặt phẳng dây, thiết kế hợp lý cho dầm mặt cầu là dạng mặtcắt hình hộp bằng thép hoặc bằng bê tông cốt thép

Các cầu dầm hộp thép

Một trong các cầu dây văng một mặt phẳng dây có dầm mặt cầu dạng hộpthép nổi tiếng nhất là cầu Millau (CH Pháp) có sơ đồ nhịp chính204m+6x342m+204m, tổng chiều dài cầu cả phần nhịp dẫn là 2460m [34];

Hình 1-1 Cầu Millau - Pháp (nhịp chính dài 342m)

Cầu Tsurumi tsubasa là cây cầu dây văng nằm ở phía tây của Yokohama Bay và

là một phần của tuyến đường cao tốc trên cảng Yokohama, tỉnh Kanagawa NhậtBản Cây cầu có nhịp chính 510m (1.670ft) và hai nhịp bên của 255m (837ft) [40]

Hình 1-2 Cầu Tsurumi tsubasa - Nhật Bản

Cầu Rama VIII là cầu dây văng bắc qua sông Chao Phraya ở Bangkok, TháiLan Cầu được hình thành để giảm bớt tắc nghẽn giao thông trên cầu Phra Pinklaogần đó Cầu được xây dựng từ năm 1999 và khánh thành vào ngày 07 tháng 5 năm

2002, là ngày kỷ niệm sinh của đức vua Ananda Mahidol (Rama VIII) Cầu có thiết

kế không đối xứng, với một trụ tháp dạng Y ngược nằm trên bờ phía Tây của sông.Cầu sử dụng 84 dây văng được bố trí theo thành 2 mặt phẳng ở nhịp biên ngắn vàthành một măt phẳng dây trên nhịp còn lại Cây cầu có nhịp chính dài 300m và làmột trong những cây cầu dây văng không đối xứng có nhịp lớn nhất thế giới tại thờiđiểm hoàn thành [28]

Các cầu dây văng một mặt phẳng dây dầm hộp bê tông

Với tổng chiều dài 3246m, Cầu Yiling qua sông Dương Tử là cầu có một trong

ba trụ tháp một mặt phẳng dây với dầm hộp cứng bằng bê tông cốt thép với nhịpchính dài 238m Các dầm chính được đúc sẵn và lắp hẫng cân bằng Cầu đã đượctrao giải thưởng Luban cho dự án xây dựng Trung Quốc và giải Zhantianyou cho dự

án dân sự Trung Quốc Cây cầu được bắt đầu xây dựng vào tháng 1 năm 1991 vàhoàn thành vào tháng 12 năm 2001 [37]

Hình 1-3 Cầu Yiling - Trung Quốc

Cầu Skyway Sunshine là cầu dây văng một mặt phẳng gồm 21 dây văng Dâyvăng sử dụng loại bó sợi song song PWS (mối bó từ 38 đến 80 sợi) và được đặttrong ống thép có đường kính 0.2286m (9in) Bề rộng cầu là 28.65m bằng dầm hộpđúc sẵn Nhịp chính dài 365.76m

Hình 1-4 Cầu Skyway Sunshine

Cầu dây văng một mặt phẳng dây Bãi Cháy ở Việt Nam (xây dựng năm 2005)

có chiều dài nhịp chính đến 435m vẫn là cầu dây văng một mặt phẳng dây sử dụngmặt cắt hình hộp bê tông dài nhất thế giới

So sánh dầm hộp thép và dầm hộp bê tông

Thống kê các cầu một mặt phẳng dây trên thế giới cho thấy khả năng vượtnhịp của dầm hộp thép và dầm hộp bằng bê tông là tương đương nhau Đối với cầudầm bằng thép, do khối lượng của dầm chủ nhỏ và bề dày bản mỏng nên khi chiềudài nhịp lớn dầm cầu thường xuyên bị rung lắc gây hư hỏng phủ mặt Asphalt mặtcầu (ví dụ như đã xảy ra ở cầu Rama VIII với kết cấu nhịp dầm bằng thép có nhịpchính 450m) [28] Đối với cầu dầm bằng bê tông, việc sử dụng mặt cắt hình hộpnhưng dây neo ở vị trí giữa hộp tạo ra một bản mặt cầu bằng bê tông cốt thép vừachịu nén trong phương của bản vừa chịu lực kéo (nén) ngoài phương mặt phẳng bản[18] và [7] Đây là một trạng thái chịu lực phức tạp, và sẽ là chủ đề nghiên cứu chính của luận án này

Các cầu dây văng ở Việt Nam

Tính đến nay (2019), ở Việt Nam đã hoàn thành gần hai mươi cầu dây văng,

và một số cầu dây trên đường bộ đang được tiến hành xây dựng (xem Bảng 1)

Bảng 1.1 Danh sách các cầu dây văng ở Việt Nam

Cầu Bãi Cháy điểm đầu dự án xây dựng là km113+400 thuộc quốc lộ 18 vàkết thúc tại Ngã ba Lê Lợi - Thành phố Hạ Long: Chiều dài: 903 m; chiều rộng:25.3 m (4 làn xe cơ giới và 2 làn xe thô sơ); số nhịp: 5 nhịp, nhịp chính dài 435 m;tĩnh không thông thuyền: 50 m; tải trọng: loại A theo tiêu chuẩn Nhật Bản [1].

Hình 1-5 Cầu Bãi Cháy - Việt Nam

Cầu Trần Thị Lý có nhịp liên tục với tổng chiều dài khoảng 731m từ mố S1đến mố S13 Các nhịp cầu được bố trí như sau: 4 nhịp đầu của cầu chính từ mố S1phía Tây đến Trụ S5 (50m mỗi nhịp) với tổng chiều dài là 200m, nhịp chính (nhịpdây văng) từ trụ S5 đến S6 với tổng chiều dài là 230m

Hình 1-6 Cầu Trần Thị Lý - Việt Nam

1.2 Vấn đề neo cáp dây văng với dầm mặt cầu trong cầu dây văng

Trong thiết kế cầu dây văng, việc thiết kế đường truyền lực từ cáp văng vàobản mặt cầu là rất quan trọng [33]

Hình 1-7 (a đến d) giới thiệu các giải pháp liên kết trực tiếp dây văng vào dầmchủ trong trường hợp cầu 2 mặt phẳng dây Tại những vị trí neo cáp này, người thiết kế

sẽ bổ sung vách ngang, ống thép hoặc khung liên kết để tăng cường độ cứng ngang củamặt cắt; đảm bảo quá trình truyền lực từ các dây cáp đến các bộ phận chính của dầm

Hình 1-7 Các loại thanh cứng và mặt cắt dầm cho phép điều chỉnh hướng của cáp

Cũng có thể không liên kết trực tiếp cáp văng vào dầm chủ mà liên kết vàomột kết cấu phụ khác, trước khi kết cấu phụ này truyền lực vào dầm chính ( xemHình 1-8 (e), (f) và (g)) Khi đó, cáp văng sẽ chỉ tiếp xúc với các yếu tố kết cấu thứcấp như các dầm ngang hoặc dầm cạnh trước khi lực được truyền từ dầm ngang,dầm cạnh biên vào dầm chính

Hình 1-8 Các loại bản liên kết không trực tiểp với cáp văng

Hình 1-9 giới thiệu giải pháp liên kết giữa cáp văng và mặt cầu của kêt cấunhịp dạng hộp có một mặt phẳng dây bằng hộp thép Khi đó, để giảm áp lực cục bộlên bản mặt cầu có thể sử dụng hệ thống gồm 2 dầm ngang và 2 dầm dọc bố trí ởgần điểm neo cáp Khi đó, lực truyền ban đầu thông qua neo, hệ thống gối đỡ vàvách ngăn ngang, dọc trước khi vào dầm chủ.

Hình 1-9 Liên kết giữa bó cáp lớn với bản mặt cầu một hộp

Trong trường hợp lực căng trong cáp là lớn, có thể bố trí hệ thông liên kếtcáp với dầm như ở Hình 1-10 Khi đó lực căng trong cáp được dự kiến truyền qua

hệ thông ống thép neo xiên để đưa về đặt tại đáy sườn của dầm hộp

Hình 1-10 Liên kết giữa bó cáp đơn và dầm hộp đơn

Khi lực căng cáp nhỏ, có thể không cần bố trí vách ngang tăng cường tại vịtrí neo cáp mà thay vào đó chỉ cần bố trí ụ neo trực tiếp ở đáy bản nắp như ở Hình1-11 Ở đây, lực cáp được truyền từ các bát neo thông qua một tấm thép tam giácvào vách ngang và bản mặt cầu Khi đó, lực neo dây được truyền vào bản mặt cầu

và vách ngang thông qua các mối hàn dọc Cần nhấn mạnh rằng, với các chi tiết thểhiện trong Hình 1-11, trục cáp phải đi qua giao điểm giữa vách ngang và bản mặtcầu để loại trừ mô men tập trung bất lợi

Hình 1-11 Liên kết đơn giản giữa bó cáp đơn và dầm với tấm vách

Trong trường hợp dây cáp được căng tại hai bên của dầm chủ thì liên kết cóthể được xử lý như ở Hình 1-12 Khi đó cáp văng được neo vào đầu dầm ngang đặtngoài vùng xe chạy, lực cáp được truyền vào dầm chủ thông qua độ cứng của dầmngang Giải pháp này có thể áp dụng không chỉ cho kết cấu nhịp hai dầm chủ, màcòn có thể áp dụng cho kết cấu nhịp nhiều dầm chủ hoặc một dầm chủ mặt cắt hìnhhộp Hình 1-13 thể hiện các dầm dụng này tại cầu Maracaibo

Hình 1-12 Liên kết néo dầm truyền lực từ bản bụng của dầm cầu đến dây cáp

Hình 1-13 Neo cáp vào dầm trong cầu Maracaibo ([33])

Hình 1-14 Liên kết giữa hộp dầm và các cáp đơn được neo

tại các cạnh của bản mặt cầu ([33])

Khi sử dụng mặt cắt hình hộp và sử dụng hai mặt phẳng neo đăt ở hai bêncánh dầm hộp, có thể truyền lực từ dây văng vào dầm hộp thông qua hệ thống ốngthép chịu lực như ở Hình 1-14 hoặc thông qua hệ thống dầm dọc, dầm ngang như ởCầu Tjorn (Hình 1-15).

Hình 1-15 Thành phần cáp thẳng đứng xuyên ngang dầm

từ các cạnh neo đến giữa hộp dầm (cầu Tjorn) ([33])

Hình 1-16 Neo cáp dây văng hình tam giác bên ngoài

hệ giàn chủ trong cầu Oresund ([33])

Cũng có thể bố trí điểm neo dây vào một kết cấu phụ hình tam giác đặt bênngoài dầm chủ như ở cầu Oresund (Hình 1-16).

Hầu hết các dạng liên kết này đều áp dụng được cho kết cấu nhịp cầu dâyvăng 2 mặt phẳng dây và cầu một mặt phẳng dây sử dụng mặt cắt hình hộp bằngthép Đối với dầm chủ thép một mặt phẳng dây, có thể mô hình tính toán dầm chủtheo sơ đồ gần đúng giới thiệu ở hình Hình 1-17, Hình 1-18 và Hình 1-19

Hình 1-17 Phân bố ứng suất trong bản do lực tập trung N

ở khu vực giữa bản cho bản thép ([33])

Hình 1-18 Sự thay đổi ứng suất dọc trục giả sử rằng phân bố theo 2 cách ([33])

Hình 1-19 Lí tưởng hóa sự thay đổi của ứng suất dọc trục trong bản đến 2 lực

tập trung N/2 gần các cạnh dầm ([33])

Dễ thấy các giải pháp liên kết trình bày ở trên phù hợp cho cầu dầm thép vàcông thức tính toán kinh nghiệm tại các hình từ 1-18 đến 1-20 chỉ áp dụng được chomặt cầu thép chịu lực kéo cục bộ.

Hiện tại, chưa có nhiều nghiên cứu về phân tích, tính toán ứng xử cơ học củaphần đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây, đặc biệt là ứng xử tạivùng cục bộ tại đầu neo dây văng Trong nước, tuy đã tiến hành xây dựng hai cầudây văng một mặt phẳng dây là cầu Bãi Cháy (2006) và cầu Trần Thị Lý (2015)nhưng những nghiên cứu về ứng xử tại vùng cục bộ này mới dừng ở bài toán thiếtkế

Ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp BTCT cầu dây văng một mặt phẳngdây có thể phân tích thành các các ứng xử lớn như sau:

- Ứng xử khí động lực học của dầm dưới tác dụng của gió;

- Biến dạng tổng thể của dầm dưới tác dụng của các tải trọng thiết kế;

- Biến dạng cục bộ của bản mặt cầu dưới tác dụng lực lực căng dây tác dụngtại tâm bản;

Trong các ứng xử này, việc phân tích biến dạng tổng thể của dầm dưới tácdụng của các tải trọng được phân tích bằng các mô hình cơ học thông thường Ứng

xử khí động lực học của dầm dưới tác dụng của tải trọng gió do vấn đề phức tạp của

nó phải được phân tích bằng các mô hình vật lý (thí nghiệm hầm gió) Hiện tại, vấn

đề còn phải tiếp tục nghiên cứu làm rõ là ứng xử của bản mặt cầu dưới tác dụng cục

bộ của lực căng dây Đây cũng sẽ là trọng tâm nghiên cứu của luận án này

Cần lưu ý là tiêu chuẩn thiết kế cầu hiện hành của Việt Nam (TCVN 2017) có đề cập đến hai nội dung chính là cách thức xác định kích thước vùng cục

11823-bộ, một số quy định về cấu tạo và phương pháp tính toán sức kháng đỡ tựa tại vùngchịu nén cục bộ cho kết cấu bê tông cốt thép [4] Tuy nhiên, đây là các hướng dẫncho vùng BTCT chịu lực cục bộ dạng khối (ví dụ như vùng đầu neo cáp dự ứng lực

ở đầu dầm BTCT), chứ chưa có hướng dẫn cho bản BTCT chịu lực cục bộ ngoài mặt phẳng bản

1.3 Kết luận chương 1

Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu ở Chương 1 về liên kết dây văng - dầm

chủ trong cầu dây văng, đặc biệt là cầu dây văng một mặt phẳng dây cho thấy: vấn

đề liên kết giữa dây văng và dầm chủ trong cầu dây văng một mặt phẳng dây mặtcắt hình hộp bê tông cốt thép là vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu; do hiện tại các giảipháp neo dây vào dầm chủ theo tổng kết mới áp dụng hiệu quả cho hệ 2 mặt phẳngdây và cầu dầm thép Giải pháp truyền lực từ cáp văng vào dầm chủ BTCT tuy đã

có một số đề xuất, tuy nhiên chưa có tổng kết đánh giá hiệu quả có từng giải pháp

Đặc biệt, qua phân tích các quy định về neo và chịu lực cục bộ trong tiêuchuẩn thiết kế cầu của Việt Nam, thấy rằng Tiêu chuẩn thiết kế cầu của Việt Namchưa đề cập đế vấn đề phân tích bản mặt cắt chịu lực cục bộ ngoài mặt phẳng màmới chỉ quy định về vùng cục bộ trong các cấu kiện neo đầu dầm bê tông DUL Khuvực này có ứng xử của kết cấu và vật liệu rất khác so với vùng neo dây văng trongcầu dây văng một mặt phẳng dây Do đối với bản nắp của kết cấu nhịp cầu dầm hộpBTCT chịu lực căng dây, trạng thái chịu lực tại vị trí này không phải là chịu nén cục

bộ dạng khối ở vùng neo cáp dự ứng lực; mà biến dạng cục bộ tại đầu neo phảiđược tính toán cùng với biến dạng uốn 2 phương tổng thể của bản; đồng thời vớiviệc bản phải chịu kéo - nén trong phương dọc của bản do ảnh hưởng của gócnghiêng dây văng

Một số tài liệu trên thế giới có giới thiệu phương pháp gần đúng để tính toánbài toán này cho bản nắp dầm hộp bằng thép; tuy nhiên mô hình này rất đơn giản,không áp dụng được cho kết cấu BTCT do không phân tích được khả năng xuấthiện hư hỏng ở vùng cục bộ xung quanh đầu neo trên bản BTCT, không xác địnhđược ứng suất trong cốt thép bản mặt cầu là các giá trị khống chế quan trọng khikiểm toán kết cấu bản BTCT chịu lực cục bộ trên cầu

Trên cơ sở tổng hợp một số nghiên cứu lý thuyết ở trên, tác giả tập trung vàonghiên cứu đề xuất mô hình tính toán ứng xử của bản nắp trong phân đoạn mặt cắthình hộp BTCT chịu lực căng dây ở giữa bản trong cầu dây văng một mặt phẳngdây Mô hình đề xuất cần phải phân tích được đầy đủ cả hiệu ứng cục bộ của bản,hiệu ứng làm việc tổng thể của dầm; cần cho kết quả phù hợp với thực nghiệm và

đủ khả năng để áp dụng phân tích đánh giá các giải pháp liên kết cáp văng với dầmchủ trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

CHƯƠNG 2 ĐỀ XUẤT MÔ HÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN DẦM BÊ TÔNG CỐT THÉP CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT

PHẲNG DÂY CHỊU LỰC CĂNG DÂY

Trong chương này, nghiên cứu sinh tiến hành phân tích lại các phương pháp

đã được sử dụng trong thực tế thiết kế, từ đó phân tích đánh giá các vấn đề còn tồntại để đề xuất giải pháp phân tích phù hợp, mô phỏng được chi tiết tình trạng chịulực của bản mặt cầu BTCT của phân đoạn mặt cắt hình hộp bằng BTCT của cầu dâyvăng một mặt phẳng dây chịu lực neo dây

2.1 Mô hình được sử dụng trong các cầu hiện nay

Các cầu dây văng một mặt phẳng dây được thiết kế theo các tiêu chuẩn thiết

kế của địa phương Ở Việt Nam, tiêu chuẩn được sử dụng là tiêu chuẩnTCVN11823:2017 [4] Tuy nhiên đối với những cầu lớn, phức tạp như các cầu dâyvăng một mặt phẳng dây thì việc chỉ áp dụng các nội dung trong tiêu chuẩn này làkhông đủ Ở Việt Nam, bên cạnh áp dụng các nội dung kiểm toán theo yêu cầu củaTiêu chuẩn TCVN11823:2017, còn phải viện dẫn, bổ sung các tiêu chuẩn liên quanđến ổn định khí động lực học để tính ứng xử động của cầu dưới tác dụng của tảitrọng gió [26] Vấn đề bản mặt cầu bê tông chịu lực kéo dây văng, về mặt kết cấu làbài toán kết hợp giữa 03 bài toán: bản chịu kéo hoặc nén trong mặt phẳng, bản chịuuốn ngoài mặt phẳng và vấn đề chịu nén cục bộ trên bản Tiêu chuẩn Việt Nam vàcác tiêu chuẩn khác trên thế giới về thiết kế cầu chưa đề cập đển việc phân tích vàkiểm toán kết cấu bản dưới tác động của các ứng xử này

Đối với cầu dây văng Bãi Cháy, việc tính toán thiết kế dầm hộp BTCT chịulực kéo của dây văng được tóm tắt như sau:

Các tiêu chuẩn thiết kế cầu được áp dụng cho cầu Bãi Cháy

- Tiêu chuẩn thiết kế cầu ASSHTO LRFD-1994;

- Tiêu chuẩn kỹ thuật cho cầu đường bộ ASSHTO-1996;

- Tiêu chuẩn kỹ thuật Nhật Bản cho cầu đường bộ JSHB-1996

Khi phân tích dầm mặt cầu, dầm chủ được thiết kế theo phương ngang tại các vịtrí thông thường và thiết kế đặc biệt tại các vị trí khu vực neo cáp do tại vị trí neo dây,dầm hộp cầu Bãi Cháy được bổ sung các ống thép chịu kéo Việc phân tích được tiến

hành bằng phương pháp phần tử hưu hạn Theo đó, bản mặt cầu được mô tả bằng phần

tử tấm, các ống thép chịu kéo được mô hình bằng phân tử thanh (xem Hình 2.1)

- Trong giai đoạn khai thác, ứng suất kéo không lớn hơn

Hình 2-2 Biểu đồ bao ứng suất của bản mặt cầu dầm chủ

Phần sườn và đáy dầm được thiết kế như một cấu kiện bê tông cốt thép chịu uốn Ống thép tăng cường được phân thành ba nhóm để tính toán, thiết kế: + Nhóm A: Xung quanh tâm của giữa nhịp;

+ Nhóm B: Phần neo cáp;

+ Nhóm C: Xung quanh trụ chính

Thiết kế tổ hợp ứng suất của nhóm A và nhóm B được phân tích trên môhình dầm đỡ giản đơn và nhóm C được phân tích trên mô hình dầm hẫng Tải trọnggây ra do lực kéo của cáp dây văng cho mô hình dầm đỡ đơn giản được giả định làlực của cáp có lực căng lớn nhất Ống thép được kiểm toán về ứng suất như kết cấuthép chịu nén, uốn theo tiêu chuẩn

Như vậy phương pháp phân tích được sử dụng trong thiết kế Không thểphân tích được ứng xử của ống thép làm việc cùng với dầm bê tông, đồng thờikhông xét được ảnh hưởng của cốt thép phân bố trong bản bê tông mặt cầu, khôngphát hiện được vùng xuất hiện vết nứt cũng như độ mở rộng vết nứt nếu có Trongkhi Đây là vấn đề đặc biệt quan trọng trong phân tích, tính toán vùng chịu lực cục

bộ tại cầu dây văng Bãi Cháy do cầu này nằm ở vị trí sát biển, có khả năng bị ănmòn rất lớn do xâm thực [5]

Một cách tóm tắt, mô hình phân tích được sử dụng trong thiết kế chỉ giúpphân tích được hiệu ứng uốn ngoài mặt phẳng và nén trong mặt phằng, nhưngkhông xét được ảnh hưởng của tải trọng cục bộ, không xét được ảnh hưởng của việcphân bố cốt thép trên mặt bê tông trong mô hình Do đó, cần có những nghiên cứu

đề xuất mô hình để phân tích, tính toán sự làm việc của bản mặt cầu trong trườnghợp này Trong đó, mục tiêu lớn nhất là phải mô phỏng được sự tham gia làm việccủa cốt thép cùng với bê tông khi chịu lực và đóng góp của cốt thép trong vấn đềhạn chế độ mở rộng vết nứt trên bề mặt kết cấu BTCT tại vùng này Mô hình sử

dụng phải xét đến ứng xử phi tuyến (xuất hiện vết nứt) của vật liệu bê tông và tính

được ứng suất xuất hiện trong cốt thép tại vị trí chịu lực Ngoài ra, mô hình dùngtrong phân tích phải là mô hình 3 chiều sử dụng các phần tử khối để đánh giá đượctình trạng làm việc khác nhau tại đáy và đỉnh bản mặt bê tông cốt thép tại vị trí neo

2.2 Đề xuất mô hình “nứt theo tổng biến dạng” để phân tích ứng xử của mặt cầu dầm hộp BTCT chịu lực căng dây trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

2.2.1 Tổng quan về các mô hình phân tích ứng xử của bản BTCT chịu lực kéo, nén ngoài mặt phẳng bản

Kết cấu bản bê tông cốt thép chịu lực tác dụng xiên góc ngoài mặt phẳng bảnđược sử dụng rất phổ biến trong các thiết kế cầu nói riêng và công trình nói chung.Đối với công trình cầu, dạng kết cấu này được áp dụng tại các bản mặt cầu của cầudây văng một mặt phẳng dây chịu kéo xiên giữa mặt phẳng; hoặc tại các vị trí neodây trên trụ tháp trong trường hợp thép hình hộp rỗng và đầu neo đặt ở vách trongcủa trụ Với các kết cấu dạng này, bản bê tông cốt thép ngoài chịu lực trong phươngcủa bản (có thể là nén hoặc kéo), phải chịu lực uốn, cắt ngoài mặt phẳng bản và lựctác động cục bộ tại vị trí đặt lực Đây là một trạng thái chịu lực phức tạp và đã đượcmột số tác giả nghiên cứu về cả khía cạnh thí nghiệm và mô phỏng số

Theo khía cạnh mô phỏng số, các tác giả trước đây để phân tích ứng xử ngoàimiền đàn hồi của bản bê tông cốt thép chịu uốn ngoài mặt phẳng thường xử dụng

mô hình “phân lớp”, theo đó bản được chia thành nhiều lớp và mỗi lớp được coinhư có trạng thái ứng suất biến dạng đều và theo phương của bản [29] Trong hướngtiếp cận này, bản thân cốt thép trong phương của bản cũng được mô hình như cáclớp vật liệu cùng với các lớp vật liệu của bê tông và giúp xử lý tốt các ứng xử trongphương của bản Tuy nhiên, hướng tiếp cận này không xét được ảnh hướng của ứngsuất - biến dạng theo phương vuông góc với bản, ví dụ như hiệu ứng cắt, trượt ngoàimặt phẳng bản Đồng thời, cũng không xét được sự tham gia làm việc của cốt thépchịu lực cục bộ thường được đặt theo phương lực tác dụng lên bản Để giải quyếtnội dung này, Hrynuk và Vecchio đã căn cứ vào lý thuyết trường đề xuất mô hình

“phân lớp” nhưng có xét đến hiệu ứng cắt trượt theo phương vuông góc với bản[41] Đây là cách tiếp cận này phù hợp với các lực tác động vuông góc với bản Khi

đó phương của ứng suất và biến dạng chính trùng với phương của bản mặt cầu vàphương vuông góc với phương của bản mặt cầu Tuy nhiên vấn đề quan trọng là môphỏng được sự hình thành và phát triển các vết nứt tại vùng cục bộ của kết cấu thìchưa xử lý được

Để có thể mô phỏng sự phát triển và hình thành vết nứt trong kết cấu bê tôngcốt thép nói chung, có hai hướng tiếp cận chính là hướng sử dụng mô hình nứt rờirạc (không liên tục - discrete model) và hướng sử dụng mô hình phân tán (smearedcrack model) [27] Hướng sử dụng mô hình không liên tục coi môi trường kết cấusau khi xuất hiện vết nứt được tác thành những thành phần độc lập; được mô tảtrong véc-tơ chuyển vị của cơ hệ bằng các hàm dạng không liên tục bổ sung thêmvào các hàm dạng liên tục được dùng để mô phỏng chuyển vị của các phần tử thuộckết cấu Đây là hướng nghiên cứu sử dụng các phần tử hưu hạn mở rộng (X-FEM,ED-FEM) để mô tả nứt trong kết cấu, thường được sử dụng để mô tả các vết nứtlớn, đủ để làm mất tính liên tục trong trạng thái chịu lực của kết cấu Các nghiêncứu thuộc hướng này có thể kể đến như các nghiên cứu của Armero et al.,Ibrahimbegovic et al cho kết cấu bê tông, kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thépchịu tác động cơ học, tác động nhiệt, tải trọng động, [32], [35], [30], [43], [42],[31] Hướng nghiên cứu này khi áp dụng cho vật liệu BTCT dạng khối là khó khăn

do việc cần phải xây dựng được phương trình tương tác giữa bê tông, cốt thép vàdính bám của bê tông với thép theo các phương khi đã xảy ra vết nứt

Hướng tiếp cận thứ hai được gọi là mô hình nứt phân tán (smeared crackmodel) Theo đó, vật liệu sau khi nứt vẫn được coi là khối chịu lực liên tục và phầnbiến dạng lớn do nứt được mô phỏng bằng các phương trình liên tục Khi đó, vết nứt

ở mỗi phần tử được tích hợp trong tổng biến dạng - chuyển vị của phần tử đó chứkhông nằm ở vị trí tiếp giáp giữa các phần tử Mô hình nứt phân tán được nhiều tácgiả nghiên cứu, phát triển [17] Mô hình nứt phân tán này được Selby et al áp dụng

để phát triển lý thuyết trường nén cải tiến dùng cho kết cấu bê tông cốt thép củaVecchio và Collins [17] để áp dụng cho những phần tử bê tông cốt thép dạng khối[39] và được đưa vào trong các phần mềm phần tử hữu hạn dưới tên gọi là mô hìnhphân tích “nứt dựa trên tổng biến dạng” (total strain crack model) Mô hình “nứtdựa trên tổng biến dạng” về nguyên tắc giúp phân tích được sự hình thành và pháttriển vết nứt tại những khu vực có trạng thái ứng suất - biến dạng dạng khối, và do

đó đã được áp dụng để phân tích các bài toán nứt liên quan đến dầm cao hoặc

vùng bê tông cốt thép chịu lực cục bộ dạng khối (ví dụ như đầu dầm chịu lực cục bộtrong dầm dầm dự ứng lực) Việc sử dụng mô hình “nứt dựa trên tổng biến dạng” đểphân tích phát hoại của bản chịu lực thẳng đứng (tại vị trí liên giữa cột và bản) đãđược Ngekpe et al tiến hành và cho kết quả tốt [14] tuy nhiên chưa được sử dụng

để phân tích sự làm việc của kết cấu bản chịu tải trọng nén hoặc kéo xiên góc

Trên khía cạnh thí nghiệm, cũng chưa có nhiều nghiên cứu trên thế giới tiếnhành thí nghiệm phá hoại kết cấu bản BTCT chịu lực xiên góc Một số nghiên cứuthí nghiệm trước đây với kết cấu bản thường chỉ để cập đến ứng xử của bản chịunén thẳng đứng, chưa có kết quả về các bản bê tông cốt thép chịu kéo/nén xiên góc

Hình 2-3 Mô hình nứt bê tông

2.2.2 Mô hình nứt theo tổng biến dạng

Mô hình nứt dựa trên tổng biến dạng là mô hình phân tích nứt thuộc nhóm môhình phân tán (smeared crack model) Theo phương pháp này, các vết nứt được coi

là xảy ra khi ứng suất chính theo các phương vượt quá giới hạn chịu kéo của vậtliệu Phương của vết nứt vuông góc với phương của ứng suất chính Trong mô hìnhnứt theo tổng biến dạng, phương của ứng suất chính được xem như trùng vớiphương của biến dạng chính

Hình 2-4 Trạng thái ứng suất - biến dạng cho một phân tố bê tông cốt thép

Do mô hình này áp dụng cho vật liệu bê tông cốt thép nên các thông số đầuvào của bê tông là cần thiết, các thông số này bao gồm: mô đun đàn hồi, hệ sốPoisson, cường độ chịu kéo, cường độ chịu nén và năng lượng phá hoại Các tiêuchuẩn thiết kế liên quan đến vật liệu bê tông đều có những công thức quan hệ tươngứng để xác định được các thông số này thông qua cấp của bê tông

Có rất nhiều mô hình toán học đã được đề xuất để mô tả đường cong ứngsuất - biến dạng của bê tông ở vùng chịu nén và chịu kéo Công thức 2.1 giới thiệuphương trình Erick Thorenfeldt [19] và công thức 2.2 giới thiệu mô hình của củaVecchio và Collins [17] cho vùng chịu kéo

Phương trình đường cong Thorenfeldt cho bê tông chịu nén: