Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc.PDF

Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng x

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN QUỐC HÙNG

NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC

DO NHIỆT ĐỘ TRÊN MÔ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS NGUYỄN LAN

Phản biện 1:TS NGUYỄN VĂN MỸ Phản biện 2: TS TRẦN ĐÌNH QUẢNG

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp

Thạc sĩ Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông họp tại Trường Đại

học Bách Khoa vào ngày 21 tháng 12 năm 2019

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm Thông tin-Học liệu, ĐHĐN tại trường ĐHBK

- Thư viện Khoa Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông – ĐHBK

DUT.LRCC

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn Phân tích và thiết

kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ thống Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu

Hiện tại cầu Thuận phước đã được lắp đặt xong hệ thống quan trắc bao gồm nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm biến nhiệt độ Việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ từ dữ liệu quan trắc đến các ứng xử của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, …) làm cơ sở cho phân tích đánh giá sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Ứng suất, chuyển vị do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế lên kết cấu nhịp chính cầu treo Thuận Phước

DUT.LRCC

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG 1.1 Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng

Cầu treo là loại công trình xuất hiện sớm và nhanh chóng được

áp dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm về các phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật Với việc sử dụng dây làm kết cấu chịu lực chính,

từ thời xa xưa con người làm những chiếc cầu treo đầu tiên dùng cho người đi bộ Cấu tạo của những chiếc cầu treo cổ xưa rất đơn giản, chỉ gồm các tấm ván lát trực tiếp lên các dây được buộc cố định hai đầu Các cầu treo kiểu này không có khả năng chịu tải trọng lớn, bị lắc ngang rung động mạnh và khả năng chịu gió bão rất kém

Chiếc cầu treo đầu tiên mang dáng vẻ gần với cầu treo hiện đại là cầu qua sông Tess được xây dựng năm 1741 ở Anh, cầu có chiều dài nhịp 21m dùng cho công nhân mỏ đi lại Sự tiến bộ của chiếc cầu này là ở chỗ cấu tạo phần mặt cầu riêng biệt và được treo lên dây chủ thông qua các dây treo đứng

Cho tới những năm đầu thế kỷ XIX cầu treo bắt đầu được quan tâm do những ưu điểm về khả năng vượt nhịp và tính kinh tế so với cầu đá, cầu gỗ là loại đang được áp dụng phổ biến Năm 1820 khi xây dựng cầu treo qua sông Tweed (Anh) có nhịp 137m, người ta đã so sánh và thấy rằng giá thành chỉ bằng một phần tư so với phương án cầu đá Ngoài nước Anh, các nước Pháp, Mỹ và một số nước châu Âu khác các công trình cầu treo nối tiếp được xây dựng, tuy nhiên vẫn chưa vượt được nhịp lớn Chiếc cầu treo điển hình và có chiều dài nhịp lớn nhất ở giai đoạn này là cầu Menai, được xây dựng năm 1826 ở xứ Wales với chiều dài nhịp 177m (Hình 1.1), cầu phục vụ được trong thời gian gần một trăm năm Đặc điểm của các công trình cầu treo trong thời kỳ này là các dây chủ có cấu tạo dạng dây xích

DUT.LRCC

Cầu treo là loại công trình chiếm một vị trí quan trọng trong lịch

sử phát triển của ngành xây dựng cầu Nhờ những ưu điểm về các phương diện kinh tế - kỹ thuật, cầu treo đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, từ những công trình có chiều dài nhịp vài chục mét đến hàng nghìn mét Nhiều công trình cầu treo đã trở thành các biểu tượng đánh dấu sự phát triển của khoa học - công nghệ

1.2 Các dạng kết cấu cầu treo dây võng

1.2.1 Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang

1.2.2 Cầu treo một nhịp

1.2.3 Cầu treo ba nhịp

1.2.4 Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang

1.2.5 Cầu treo nhiều nhịp

1.2.6 Cầu treo được tăng cường độ cứng

1.3.2 Quy mô công trình

Cầu Thuận Phước dài 1855m được thiết kế với qui mô vĩnh cửu, bề rộng cầu 18m cho 4 làn xe cơ giới và 2 lề người đi bộ Tải trọng xe thiết kế tương ứng H10, X60 và tải trọng người 300 kg/m2 Cầu cũng được thiết kế để đảm bảo chịu được tác động của gió cấp 12

và động đất cấp 7 Cầu được đặt ở cao độ đảm bảo cho tàu 3000 tấn

có thể qua lại với chiều cao tĩnh không thông thuyền 27m Tiêu chuẩn thiết kế chủ đạo là tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 272-01, tham chiếu các tiêu chuẩn của Mỹ và Trung Quốc

1.3.3 Cầu dẫn

1.3.3.1 Kết cấu nhịp

DUT.LRCC

Cầu BTCT DƯL phía Thuận Phước và phía Sơn Trà có chiều dài L = 12x50m = 600m Cầu gồm nhiều liên dầm hộp BTCT dự ứng lực với mỗi liên từ 3-4 nhịp (Lnhịp = 50m); tuy nhiên có 1 liên gồm 5 nhịp liên tục nằm trong đường cong R=250m Mặt cắt ngang cầu dẫn (Hình 1-28) gồm 02 hộp độc lập bằng BTCT DƯL M500 kích thước BxH = (9x2,5)m, được thi công theo phương pháp đổ bê tông trên đà giáo ván khuôn cố định

1.3.3.2 Kết cấu mố trụ

Trụ cầu: Dạng trụ thân đặc bằng BTCT M40, chiều cao thay đổi

từ 4,5m – 24,5m Móng trụ bằng cọc khoan nhồi đường kính 1500mm

Dầm hộp thép của cầu chính (Hình 1-28) được treo lên 2 cáp chủ bởi những dây treo Các cáp chủ được tựa trên 2 trụ tháp cao hơn 90m tính từ mặt nước và neo vào hai mố neo trọng lực ở hai đầu cầu Hai trụ tháp bằng bê tông cốt thép dạng chữ H có móng là hệ cọc khoan nhồi đường kính 2,5m sâu trên dưới 60m

1.4 Kết luận Chương 1

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU

TREO DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ 2.1 Cơ sở phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu

DUT.LRCC

Là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng

mô hình số của mô hình toán học Về mặt vật lý, phương pháp phần

tử hữu hạn chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học và cơ học đơn giản hơn kết cấu toàn thể Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút Tương tự phương pháp chuyển vị, trong phương pháp phần tử hữu hạn, điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ được thỏa mãn tại các nút Thông thường, ẩn cơ bản của phương pháp phần

tử hữu hạn là chuyển vị của các nút

Trong phần này, phương pháp PTHH sẽ được mô tả trong việc

áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi phân

2.2 Phân tích kết cấu cầu treo dây võng bằng phần mềm SAP2000

Mô hình phân tích kết cấu cầu treo dây võng trong phần mềm SAP2000 cho phân tích tổng quát thường sử dụng các loại phần tử sau:

2.2.1.Mô hình phần tử thanh không gian

Phần tử thanh được sử dụng để mô hình kết cấu dầm, cột, dàn, giằng trong mặt phẳng và kết cấu không gian Mặc dù không được đề cập trong phần này nhưng một số khái niệm có thể áp dụng cho các loại đối tượng đường khác như thanh cong, dây cáp, phần tử bó cáp ứng suất trước

Phần tử thanh tổng quát 3 chiều bao gồm các hiệu ứng uốn hai phương, xoắn, biến dạng dọc trục và biến dạng cắt (xem Bath và Wilson ,1976) Các loại kết cấu có thể được mô phỏng bằng phần từ này như:

• Khung không gian (Three- dimensional frames)

• Dàn không gian (Three- dimensional trusses)

• Khung phẳng (Planar frames)

DUT.LRCC

• Bản gập phẳng (Planar grillages)

• Dàn phẳng (Planar trusses)

2.2.2 Mô hình phần tử cáp

Phần tử Cable trong SAP2000 thuộc loại phần tử phi tuyến bậc cao, sử dụng ứng xử phần cử cáp mãnh dưới trọng lượng bản thân của dây cáp Tính phí tuyến biến dạng lớn và độ cứng chống kéo bao hàm trong công thức ma trận độ cứng phần tử cáp

2.2.3 Mô hình phần tử liên kết/gối đỡ (link/support elements)

Phần tử link dùng để nối hai điểm nút trong mô hình, phần tử gối đở dùng nối một nút với nền đất Mỗi phần tử liên kết/gối đở có các tính chất của nó được mô tả bởi người dùng để mô phỏng các ứng

xử kết cấu Các tính chất có thể là ứng xử tuyến tính, phi tuyến hay phụ thuộc tần số Sử dụng phần tử link để mô phỏng các bộ phận của cầu như: Gối cứng, gối cầu cao su, các bộ phận giảm chấn, bộ phận cản dao động, mô phỏng tương tác kết cấu-đất nền,

2.3 Mô phỏng tải trọng nhiệt độ khi thiết kế cầu

Mỗi tiêu chuẩn thiết kế cầu có qui định về tải trọng nhiệt độ khác nhau, thông thường có hai dạng tải nhiệt độ là tải nhiệt phân bố (uniform temperature) và tải chênh lệch nhiệt độ (gradient temperature) Qui định tải nhiệt độ theo một số tiêu chuẩn thiết kế cầu được mô tả sau đây

2.3.1 Theo 22TCN 18-79

Cầu siêu tĩnh ngoài thuộc hệ có lực đẩy ngoài bằng bê tông cốt thép, thép, bê tông và bằng đá, và cả đối với những kết cấu thép liên hợp với bê tông cốt thép thì tính toán tùy theo điều kiện xây dựng và điều kiện địa phương; khi đó dùng hệ số nở dài như sau:

- Đối với thép 0,000012 (đối với thép trong kết cấu liên hợp thì được phép lấy bằng 0,00001)

DUT.LRCC

- Đối với bê tông và bê tông cốt thép: 0,00001

- Đối với khối xây bằng đá thiên nhiên: 0,000008

- Biến đổi nhiệt độ tiêu chuẩn

2.3.2.Theo AASHTO LRFD-07

Sự thay đổi nhiệt độ theo LRFD-07 lấy theo bảng sau:

Bảng 2-1: Thay đổi nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07

Chênh nhiệt độ dương và âm theo hình 2-7, nhưng giá trị T3 bằng không và không lớn hơn 3oC T1 và T2 lấy theo vùng như ở bảng 2-2

Bảng 2-2: Chênh nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07

2.3.3 Theo TCVN 11823:2017

Bảng 2-3: Nhiệt độ thay đổi đều theo TCVN 11823:2017

Các tác động của gradien nhiệt khác nhau trong kết cấu phần trên của cầu cần phải được lấy từ cả hai điều kiện chênh nhiệt dương (mặt trên nóng hơn) và chênh nhiệt âm (mặt trên lạnh hơn) Gradien

DUT.LRCC

nhiệt theo chiều thẳng đứng trong kết cấu nhịp bê tông hay thép bê tông liên hợp có bản mặt cầu bằng bê tông có thể lấy như trong Hình 2-7 Các giá trịT1, T2 và T3 trong Hình 2-7 được cho trong Bảng 2-3 cho cả hai trường hợp chênh nhiệt dương và âm

2.3.4.Theo Eurocode EN 1991-1-5

Nhiệt độ thay đổi đều từ Teminđến Temax lấy theo nhiệt độ không khí Tmin, Tmax như hình 2-8 Loại 1 cho kết cấu cầu thép, loại 2 cho kết cấu composite (thép liên hợp bê tông), loại 3 cho cầu BTCT Tổng nhiệt độ thay đổi đều tính cấu kiện cầu bằng (Temax-Temin)

Bảng 2-5: Chênh nhiệt đô tuyến tính các loại cầu theo Eurocode

2.3.5 Theo tiêu chuẩn China JTG D60-2004

Nhiệt độ thay đổi đều theo JTG D60-2004 hướng tăng lên +34oC và giảm xuống 10oC Chênh nhiệt độ trên và dưới kết cấu kịp theo biểu đồ hình 2-9

3.1 Giới thiệu chung về cầu treo Cầu Thuận Phước

- Dầm hộp thép theo phương dọc cầu bố trí các vách ngăn tăng cường với khoảng cách 3,3m và tại tháp là 2,25m

- Thép mặt cầu có cường độ bền kéo ở trạng thái chảy 3450 kg/cm2 và cường đô kéo đứt từ 4700 kg/cm2 đến 6300 kg/cm2

- Lớp bê tông nhựa Eepoxy dày tối thiểu 4,1cm, phía dưới có lớp kết dính chống thấm Eepoxy, và sơn chống rỉ hàm lượng kẽm cao

3.1.2.2 Cáp và quang treo

- Cáp: hai sợi cáp chính có khoảng cách 19m theo phương ngang cầu, đường kính bó cáp 360mm, gồm 37 bó cáp song song, mỗi bó có 91 tao thép đường kính 5,3mm với cường độ kéo là 16700 kg/cm2 Tổng diện tích là 743cm2 và lực chịu kéo tính toán tối đa là 12400T Trên đỉnh tháp, cáp bắt qua điểm yên ngựa có bán kính 3,5m, tai trụ neo cáp bắt qua yên loe và được neo vào trụ neo bằng các thanh thép dự ứng lực

- Quang treo và kẹp : quang treo được làm bằng bó tao thép song song cường độ cao tráng kẽm Có 85 tao thép cường độ cao tráng kẽm trong dây treo thông thường và 223 tao thép cường độ cao tráng kẽm trong dây treo đặc biệt

3.1.2.3 Tháp cầu:

DUT.LRCC

- Kết cấu tháp dạng khung hai cột bằng BTCT 50MPa hình hộp

- Chiều cao tháp: tính từ đỉnh tháp đến bệ cọc là 91,04m, đến mặt cầu là 61,823m

- Cắt ngang cột tháp tại đỉnh là (3,5 x 3,5) m Cắt ngang cột tháp tại chân là (4 x 5,2)

- Mặt cắt dầm ngang tháp tại vị trí mặt cầu là (3,5 x5) m Mặt cắt ngang dầm ngang tháp tại đỉnh là (3,3 x 4,0) m

- Tháp phía đông được đặt trên bê cọc kích thước (35,47 x 18 x 6,5) m, móng gồm 14 cọc khoang nhồi đường kính 2,5m dài trung bình 55m Tháp phía Tây được đặt trên bệ cọc kính thước (35,47 x 11,75 x 6,5) m, móng gồm 8 cọc khoan nhồi đường kính 2,5m dài trung bình 65m, chiều sâu ngàm vào đá gốc từ 2,5m – 5,0 m

3.1.2.4 Mố neo:

- Kết cấu mố neo cáp chủ gồm hai phần:

+ Phần trên là hố neo hình rỗng bằng bê tông cốt thép, trong lòng mố neo có bố trí bộ neo cáp chủ

+ Phần dưới là giếng chìm hình hộp rỗng nhiều ngăn (chia làm

16 ngăn), bao gồm phần giếng chìm bê tông vỏ thép cao 18m ở phía dưới

và phía trên bằng bê tông cốt thép, đổ cát bên trong tạo đối tượng

3.1.3 Quy mô và thông số kỹ thuật công trình

- Tải trọng xe thiết kế: Ôtô-20 và xe kéo-100 (Tiêu chuẩn Trung Quốc), tải trọng H10-X60 (Tiêu chuẩn Việt Nam)

- Tải trọng người đi bộ trên lề: 3KN/m2

- Tải trọng gió: vận tốc gió trung bình lớn nhất là 35,6m/s trong 10 phút với tần suất 1%

- Lực va đập tàu: 27.000KN theo hướng ngang cầu và 13.500KN theo hướng dọc cầu

- Độ động đất: cấp 7

DUT.LRCC

- Cao độ mực nước thiết kế (thông thuyền): 0,48m

- Khổ thông thuyền thực tế dưới cầu: 100 (rộng)x 27,5 m (cao)

- Chiều rộng mặt cầu: 18m bao gồm đường giành cho xe cơ giới 14m và phần đường giành cho người đi bộ 2m mỗi bên

- Dốc dọc không quá 4%

- Dốc ngang 1,5%

- Nhiệt độ mốc chuẩn thiết kế: nhiệt độ chuẩn thiết kế 250C,

độ tăng nhiệt độ kết cấu là 20,90C và độ giảm nhiệt độ kết cấu là 20,80C

3.2 Tổng quan hệ thống quan trắc cầu Thuận Phước [10]

Hệ thống quan trắc sức khỏe cầu treo Thuận Phước do Trung tâm KHCN & tư vấn đầu tư thi công lắp đặt và viết hệ thống phần mềm quan trắc hoàn thành năm 2018 Mục đích của hệ thống quan trắc

là theo dỏi các đáp ứng của kết cấu như gia tốc, góc xoay, biến dạng, nhiệt độ trong kết cấu theo thời gian thực để phục vụ đánh giá chẩn đoán sức khỏe lâu dài cầu Một hệ thống quan trắc môi trường (nhiệt

độ, gió) cũng được lắp đặt tại vị trí cầu Hệ thống camera lắp đặt trên cầu cho phép nhận dạng xe, đếm lưu lượng cũng như phát hiện các xe

vi phạm khi lưu thông qua cầu

3.3 Mô hình hóa kết cấu cầu treo thuận phước trong SAP2000

Mô hình hóa kết cấu trên SAP 2000 V14: Mô phỏng lưới phần

tử hữu hạn phù hợp với cấu tạo kiến trúc và bản vẽ kết cấu

- Dầm thép được mô phỏng bằng phần tử thanh (Frame)

- Tháp sử dụng bê tông 50MPa được mô phỏng bằng phần tử Frame

- Cáp chủ và cáp treo được mô phỏng bằng các phần tử Cable

- Kết nối các bộ phận sử dụng phần tử liên kết (links) với các tính chất phù hợp

- Gối cầu sử dụng phần tử links nối dầm vào mố trụ

DUT.LRCC