Mặt tiếp xúc trong kết cấu cầu thi công bằng phương pháp lắp hẫng

Có thể nói rằng trong 3 thập kỷ vừa qua nhiều yếu tố có tác động mạnh mẽ đến xây dựng cầu bê tông hiện đại trên thế giới đó là: - Tin học trong tất cả các lĩnh vực kết cấu công trình và

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc Lập -Tự Do - Hạnh Phúc

-oOo - -oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

HỌ VÀ TÊN HỌC VIÊN: LÊ HỮU PHƯỚC PHÁI : NAM

NGÀY THÁNG NĂM SINH: 13-07-1977 NƠI SINH: BÀ RỊA

CHUYÊN NGÀNH: CẦU ĐƯỜNG MÃ SỐ: 2.15.10

KHÓA: 13 (NĂM 2002 -2004)

I/-TÊN ĐỀ TÀI

MẶT TIẾP XÚC TRONG KẾT CẤU CẦU THI CÔNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP LẮP HẪNG II/-NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

1.NHIỆM VỤ:

Nghiên cứu các tính chất biến dạng, ứng xử và khả năng chịu tải của mặt tiếp xúc

giữa các phân đoạn trong kết cấu cầu thi công theo phương pháp lắp hẫng

2.NỘI DUNG:

Chương 1: Tổng quan công nghệ thi công hẫng trong kết cấu cầu

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và tính toán cầu lắp hẫng

Chương 3: Mặt tiếp xúc trong cầu lắp hẫng

Chương 4: Ứng dụng tính toán

Chương 5: Kết luận và kiến nghị

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 14/02/2004

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 25/12/2004

V HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS VŨ XUÂN HÒA

VI HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 1 : TS LÊ THỊ BÍCH THỦY

VII HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ PHẢN BIỆN 2 : TS PHÙNG MẠNH TIẾN

TS VŨ XUÂN HÒA TS LÊ THỊ BÍCH THỦY TS PHÙNG MẠNH TIẾN

Nội dung và đề cương Luận án cao học đã được thông qua Hội đồng chuyên ngành

Ngày 14 tháng 12 năm 2004

ĐẶT VẤN ĐỀ

Bắt đầu từ thập kỷ 60 là thời kỳ bùng nổ của việc xây dựng cầu BTCT nhịp lớn ở Châu Âu và Hoa Kỳ Do việc đổi mới vật liệu và công nghệ nên kỷ lục vượt nhịp lớn của cầu bê tông cốt thép ngày càng được nâng cao Năm 1986 cầu Gateway ở Úc vượt nhịp 260m, trong năm 1998 cầu Raffsundet ở Na Uy có nhịp 298m được đưa vào sử dụng Trong thời gian đó nhiều phương pháp thi công đã được tiến hành và đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm như phương pháp thi công đúc hẫng cân bằng, thi công đúc hẫng có dây chằng, thi công đúc hẫng với đà giáo trượt, thi công đúc đẩy, thi công lắp hẫng Cùng với sự phát triển nhanh của các phương pháp thi công là những đổi mới về vật liệu Từ việc sử dụng bê tông và cốt thép thường chuyển sang bê tông cường độ cao và thép dự ứng lực cường độ cao

Có thể nói rằng trong 3 thập kỷ vừa qua nhiều yếu tố có tác động mạnh mẽ đến xây dựng cầu bê tông hiện đại trên thế giới đó là:

- Tin học trong tất cả các lĩnh vực kết cấu công trình và xây dựng phát triển rất mạnh;

- Phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích tính toán kết cấu;

- Thiết kế theo trạng thái giới hạn với việc vận dụng lý thuyết dẻo để phân tích thiết kế kết cấu bê tông cốt thép cũng như việc sử dụng mô hình thanh dàn để thiết kế chịu xoắn và cắt cho các dầm cao và vùng mặt cắt thay đổi đột ngột

- Sử dụng bê tông dự ứng lực (DUL) từng phần bao gồm cả kết cấu ứng suất ngoài và cầu dây văng;

- Vật tư thiết bị ứng suất trước ngày càng cải tiến và có độ tin cậy cao

- Sử dụng phụ gia siêu dẻo trong bê tông;

- Khuynh hướng thiết kế coi trọng độ bền của cầu hơn là tiết kiệm vật liệu

Trong khi đó sự phát triển cầu bê tông ở Việt Nam có phần chậm trể Cho đến năm 1986, ngoài việc hoàn thành công nghệ chế tạo dầm 33m theo phương pháp căng trước cũng như căng sau, ở Việt Nam đã xây dựng các cầu bê tông ứng

suất trước khung T nhịp đeo như các cầu: cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương (Hải Phòng) Năm 1987, cầu Rào bị gẫy sập một cánh T làm chững lại các ý đồ xây dựng cầu bê tông cốt thép nhịp lớn Sau khi có kết luận về sự cố cầu Rào, chúng

ta đã mạnh dạng xây dựng một loạt các cầu bê tông DUL có nhịp lớn với thay đổi một số giải pháp về cấu tạo và công nghệ

Trước tình hình phát triển kinh tế, xã hội của đất nước hiện nay, quá trình phát triển công nghiệp hóa và hiện đại hóa ngày một phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, Thành phố Hà Nội Sự phát triển kinh tế kéo theo sự phát triển của nhiều lĩnh vực, trong đó có lĩnh vực Xây Dựng Cầu Đường Để đáp ứng nhu cầu phát triển đó, thực tế cũng đòi hỏi phải có những biện pháp thi công mới để đáp ứng nhu cầu và tiến độ xây dựng

Cầu dầm hộp BTCT dự ứng lực thi công thi phương pháp lắp hẫng vừa được ứng

dụng vào thi công một số công trình ở Việt Nam và đặc biệt ở khu vực Đông Nam Á là một trong những phát triển mới trong công nghệ thiết kế và thi công cầu trong những năm vừa qua Kết cấu dạng này vừa đáp ứng yêu cầu về kinh tế, độ bền cao, thi công nhanh linh hoạt Với những ưu điểm lớn như vậy (đặc biệt là khả năng tập trung quản lý chất lượng, cơ khí hóa cao thao tác liên tục, rút ngắn

thời gian thi công đáng kể), cầu dầm hộp BTCT DUL đúc sẵn là dạng kết cấu

ưu tiên số một cho các dự án đường trên cao, cầu trong thành phố

Như đã nói trên, ở nước ta trước đây cũng đã từng áp dụng công nghệ lắp hẫng thi công một số như cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương nhưng không thành công Sau một thời gian sử dụng đã có sự cố như đứt cáp làm sập cầu, nứt dầm phải sửa chữa gia cố lại… Một trong những nguyên nhân gây ra các sự cố trên là do chưa giải quyết tốt vấn đề tiếp xúc giữa các mối nối, cáp dự ứng lực chưa được bảo vệ tốt Ngày nay với dự phát triển của công nghệ cáp DUL ngoài, công nghệ lắp hẫng đã dần lấy lại ưu thế Do đó vấn đề đặt ra là nghiên cứu

khắc phục nhược điểm tại các mối nối giữa các đốt dầm, tận dụng ưu thế cáp DUL ngoài để đưa công nghệ tiên tiến này áp dụng vào các công trình xây dựng

cầu đường ở Việt Nam

TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Trong xu thế hội nhập hiện nay và với tốc độ phát triển của đất nước, phương án thi công cầu lắp hẫng theo công nghệ mới đã được áp dụng thành công

cho công trình cầu Kiền ở Hải Phòng Tuy vậy, đây là công trình được chuyển giao theo công nghệ nước ngoài của tập đoàn Nhật Bản và điều này đã khiến các nhà xây dựng Việt Nam có dịp nghiên cứu, tìm hiểu để tìm ra được các phương án kinh tế làm giảm giá thành xây dựng công trình, rút ngắn tiến độ xây dựng rất nhiều Có một thực trạng là ở nước ta tiêu chuẩn thiết kế, công nghệ thi công chưa có, cũng như thiếu đội ngũ cán bộ và công nhân lành nghề

TÍNH THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Thực tiễn trong thời gian gần đây cho thấy phương pháp thi công lắp hẫng đang được áp dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới

Hiện nay, trong phạm vi thành phố Hồ Chí Minh, việc chống kẹt xe, và ùn tắc giao thông đòi hỏi phải xây dựng nhiều cầu vượt trong thành phố Điều này đòi hỏi trong qúa trình thi công không làm gián đoạn giao thông, nếu có phải trong thời gian cực ngắn Điều này chỉ có thể được đảm bảo bằng phương pháp thi công lắp hẫng Từ những thất bại trong thời gian đầu những năm 60, đòi hỏi chúng ta phải nghiên cứu kỹ hơn công nghệ cầu phân đoạn lắp hẫng để có thể ứng dụng vào các công trình thực tế góp phần nâng cao trình độ xây dựng cầu ở nước ta

J K

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ THI CÔNG

HẪNG TRONG KẾT CẤU CẦU

1.1 TỔNG QUAN CÔNG NGHỆ ĐÚC HẪNG VÀ LẮP HẪNG

Cầu lâu nay đã trở thành thứ không thể thiếu trong cuộc sống chúng ta Chính bởi tính hữu dụng của nó mà càng ngày người ta càng quan tâm đến việc thiết kế và lắp đặt nó như thế nào?

Trong thời kỳ đổi mới công nghệ hiện nay, giao thông vận tải được đầu tư xây dựng hạ tầng nhiều nên có điều kiện để đổi mới công nghệ trong thi công, đặc biệt là công nghệ thi công kết cấu nhịp cầu vuợt nhịp lớn và trong thành phố

Từ năm 1996 cho đến nay, do yêu cầu của nhiều công trình cần có độ thông thuyền lớn, yêu cầu thẩm mỹ của các cầu trong đô thị, đã có nhiều cầu dầm hộp được xây dựng theo công nghệ đúc hẫng và lắp hẫng

Trong công nghệ đúc hẫng hay lắp hẫng, kết cấu nhịp được phân ra thành

từng đoạn để được đúc tại chổ trên ván khuôn di động (gọi là đúc hẫng) hoặc

chế tạo sẵn (trong nhà máy hay ở bãi đúc) rồi lắp ghép tại hiện trường (gọi là

LẮP HẪNG)

Phương pháp thi công đúc hẫng, lắp hẫng có nhiều ưu điểm trong đó ưu điểm nổi bật là không cần dàn giáo chống Dàn giáo treo (cần trong phương pháp

đúc hẫng) có kích thước rất nhỏ so với kích thước của kết cấu nhịp Phương pháp

thi công này đặc biệt thích hợp cho các kết cấu nhịp có chiều dài nhịp chính khoảng từ 50m trở lên

Nhờ những ưu điểm của nó mà dù chỉ mới được áp dụng ở nước ta từ 1996 nhưng công nghệ thi công đúc hẫng đã được áp dụng ở khoảng 27 cầu lớn trên cả

nước Phương pháp thi công LẮP HẪNG, tuy được áp dụng rất rộng rãi trên thế

giới nhưng ở nước ta chưa được áp dụng nhiều

1.2 SỰ KHÁC NHAU CẦU ĐÚC HẪNG VÀ LẮP HẪNG

trên giàn giáo treo, sau khi bê tông đạt cường độ tiến hành căng cốt thép dự ứng lực và di chuyển dàn giáo để thi công đốt kế tiếp Để thi công đúc hẫng phải có 2 bộ ván khuôn treo di động Sau khi làm xong một đốt, bộ ván khuôn này được di chuyển tiến lên xa dần ra khỏi trụ đến vị trí chuẩn bị đúc đốt kế tiếp Ván khuôn được điều chỉnh về cao độ và độ nghiêng cho đúng lắp dựng khung cốt thép thường và các ống rỗng chứa cáp chủ trong ván khuôn đó Công tác đổ bê tông cũng được làm thành từng đợt: đợt đầu đổ bản đáy rồi dựng thành bên trong của ván khuôn lắp cốt thép và đổ bê tông tiếp cho hoàn chỉnh mặt cắt hộp Bê tông được bảo dưỡng 2÷3 ngày cho đủ cường độ, sau đó sẽ luồn cáp dự ứng lực (DUL) vào trong ống đặt sẵn và căng cáp neo đốt dầm lại Chu kỳ nói trên được lặp lại nhiều lần cho đến khi kết thúc công tác đúc hẫng và chuyển sang công tác hợp long

• Ưu điểm: Các đốt đúc tại chổ trên dàn giáo di động có cốt thép chờ

đảm bảo tốt tính toàn khối của kết cấu, tuổi thọ công trình cao, xử lý mối nối đơn giản

• Nhược điểm: Thời gian thi công chậm, bê tông được dưỡng hộ tại

hiện trường nên khó có thể đảm bảo điều kiện dưỡng hộ tốt, việc đúc bê tông trên cao trong phạm vi chật hẹp sẽ gây khó khăn trong việc đảm bảo chất lượng bê tông; thép cường độ cao được căng khi bê tông còn non nên dễ gây ra sự cố, mất mát ứng suất do từ biến và co ngót lớn Đặc biệt trong xây dựng cầu vượt, cầu cạn trong thành phố thì ván khuôn đúc dầm cũng ít nhiều làm ảnh hưởng đến thông khoảng đứng bên dưới; bê tông được đổ tại chổ làm ảnh hưởng không tốt đến đường vượt bên dưới và không an toàn cho người qua lại, bê tông rơi vải gây

ô nhiểm môi trường Toàn bộ qúa trình đúc hẫng được thực hiện trên đà giáo treo di động nên cũng đòi hỏi trình độ thi công cao

Hình H.1-1 và H.1-2 sau đây mô tả sơ đồ đúc hẫng cân bằng trên giàn giáo treo di động

H.1-1: Giàn giáo treo di động đúc hẫng tiết diện dầm thay đổi

H.1-2: Sơ đồ công nghệ thi công đúc hẫng cân bằng

nhà máy hoặc tại bãi đúc sau đó vận chuyển đến vị trí và lắp dựng Trên kết cấu nhịp phải đặt sẵn các cần cẩu đặc biệt để cẩu các đốt bên dưới và lắp ghép vào phần kết cấu đã xong trước đó Giữa các đốt phải làm mối nối Có nhiều kiểu mối nối: mối nối keo dán, mối nối có hàn cốt thép chờ rồi đổ bê tông bịt khe nối, mối nối khô , nhưng phổ biến nhất là mối nối keo dán Sau khi dán keo phải căng các cáp chủ để liên kết các đốt mới lắp vào kết cấu nhịp đã lắp trước đó

• Ưu điểm: Bê tông đảm bảo chất lượng vì được đổ trong nhà máy có

thể tạo điều kiện bảo dưỡng tốt nhất, thi công nhanh do không phải chờ thời gian bê tông đông cứng mà có thể căng cốt thép ngay khi lắp dựng Hiện tượng co ngót bê tông đã diễn ra nhiều trong thời gian dầm

còn ở bãi đúc, hiện tượng từ biến giảm nhiều do khi chịu lực bê tông đã đạt cường độ thiết kế Trong điều kiện thi công cầu vượt sông, cầu vượt đường, cầu cạn trong thành phố thì phương pháp lắp hẫng rất thuận lợi do không làm cản trở giao thông bên dưới, ít gây ô nhiểm môi trường

Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm riêng Tuy nhiên phương pháp thi công lắp hẫng có nhiều ưu điểm vượt trội nhưng để triển khai áp dụng phương pháp này vào thực tế xây dựng còn phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật như phải chế tạo và lắp ghép các đốt sao cho khi lắp ghép các khối khớp vào nhau phải đảm bảo bình đồ và trắc dọc cầu đúng như thiết kế Các hình sau thể hiện sự vận chuyển và cẩu lấp các đốt dầm

H.1-3: Vận chuyển các đốt dầm trên xà lan đến công trường

H.1-4: Lắp đặt các đốt dầm bằng cần cẩu

H.1-5: Lắp đặt các kết cấu nhịp sử dụng mộng và keo dán

Cây cầu đầu tiên theo phương pháp đúc hẫng là cầu Choisy-le-Roy bắt qua sông Seine được xây dựng ở Pháp năm 1962 gồm 3 nhịp liên tục 37.5m +55m + 37.5m Sau đó một loạt các cầu tương tự cũng được xây dựng như:

- Cầu Pierre-Bénite qua sông Rhome;

- Cầu Boulevard Peripherique qua sông Seine;

- Cầu Blois qua sông Loire;

- Cầu cạn nối đảo Oleron và lục địa

Công nghệ lắp hẫng cũng được phát triển mạnh ở Liên Xô trước đây Trong những năm gần đây, trên thế giới nhiều cầu bê tông DUL theo phương pháp lắp hẫng từng phân đoạn được xây dựng ngày càng nhiều

Đây là phương pháp này đã được phát triển rộng rãi trên thế giới:

- Cầu cạn Chillon ở Brazil có tổng chiều dài 8km;

- Cầu Saint-Cloud qua sông Seine có tổng chiều dài 1100m;

- Cầu Saint-André-de-Cubzac qua sông Dordogne dài 1200m với 5 nhịp 97m;

- Ở Bangkok, Thái Lan đã xây dựng một loạt các cầu phục vụ cho xe ô tô và tàu điện với kết cấu dầm hộp DUL ngoài như dự án Hopewell (SRT-CT BERTS) có chiều dài 60km với 7 làn tàu điện và 4 làn xe cơ giới, dự án đường cao tốc Bang Na dài 54km với 6 làn xe cơ giới, giai đoạn C+ với chiều dài gần 30km với 4 làn xe

- Cầu Sunshine Skyway ở Florida

H.1-6: Cầu Sunshine Skyway (Florida): phần dầm hộp được lắp hẫng

Tuy nhiên, ngoài những thành công rực rỡ, cũng có những tai nạn xảy ra cho kết cấu lắp hẫng làm mọi người phải quan tâm hơn nữa đến kết cấu đúc sẵn

Ví dụ như tai nạn xảy ra năm 1998 ở Nam Phi và năm 1996 ở đảo Guam Trường hợp ở Nam Phi, một dầm hộp với cáp DUL ngoài thẳng đã đã đổ sập trong khi lắp dựng Tai nạn đã làm 14 người chết bao gồm những người thiết kế và 13 người khác bị thương Trường hợp ở Đảo Guam, các nhánh côngxon của cầu có nhịp dài 241m với cáp DUL ngoài căng sau đã đổ sập gây nên tai nạn thảm khốc Hình H.1-7 cho thấy sự cố gẩy dầm của một cầu lắp hẫng

H.1-7: Sự đổ sập của cầu Injaka ở Nam Phi (1998)

1.3 ỨNG DỤNG LẮP HẪNG TRONG CẦU PHÂN ĐOẠN ĐÚC SẴN

Với mục đích thi công các công trình cầu nhịp lớn có chất lượng cao nhằm hợp lý hóa, đơn giản rút ngắn thời gian thao tác thi công nên việc sử dung phương pháp lắp hẫng ngày càng gia tăng Nhưng có một thực trạng là ở nước ta tiêu chuẩn thiết kế, công nghệ thi công chưa có, cũng như thiếu đội ngũ cán bộ và công nhân lành nghề

Cầu phân đoạn đúc sẵn không chỉ có ở các cầu liên tục thi công lắp hẫng mà còn có ở các cầu có nhịp giản đơn thi công theo phương pháp lắp ghép từng đoạn với nhau bằng dự ứng lực ngoài (xin được gọi chung cho cả 2 loại là cầu phân đoạn đúc sẵn) Với kết cấu phân đoạn đúc sẵn yêu cầu đầu tiên là phải làm cho kết cấu mỏng nhẹ Với yêu cầu đó thì dầm hộp có cáp dự ứng lực ngoài (DUL) là sự lựa chọn hàng đầu Ngày nay đó là vấn đề hiển nhiên đúng nhưng đó là kinh nghiệm được tích lũy của nhiều năm Các lý do để có thể có mặt cắt hình hộp được dùng cho kết cấu cầu đúc sẵn như sau:

- Mặt cắt hình hộp có hiệu qủa nhất Với cùng một lượng bê tông thì mặt cắt hình hộp cần một lượng thép DUL ít nhất Hiệu qủa của mặt cắt có thể biểu diễn bằng hệ số không thứ nguyên sau:

2 1

2

c c

H.1-8: Mặt cắt dầm hộp mẫu

Hệ số p = 1 nếu bê tông chỉ tập trung ở bản mỏng, và bỏ qua bê tông ở thành hộp, mặt cắt hình chữ nhật có p = 1/3, mặt cắt hộp có giá trị p = 0.6 còn tốt

hơn mặt cắt “I”

- Diện tích hộp có bản bê tông rộng nên diện tích bản bê tông hoàn toàn có thể cân bằng với lực của cáp ứng suất trước, vì giá trị của cánh tay đòn lớn

- Ổn định đàn hồi của kết cấu rất tốt cả trong giai đoạn thi công cũng như khai thác do độ cứng chống xoắn lớn

- Theo kinh nghiệm tính toán chiều rộng đáy hộp lấy bằng một nữa chiều rộng mặt hộp để cân đối tỷ lệ mô men của bản mặt cầu cũng như ở nách trên của bản và giảm mômen trong bản đáy hộp

Kết cấu cáp DUL ngoài được lựa chọn vì những ưu điểm sau:

- Về kết cấu:

+ Cáp DUL được bố trí bên ngoài tiết diện;

+ Do bị hạn chế giữa bộ phận neo và bộ phận chuyển hướng nên không biến dạng theo sự biến dạng của bê tông;

+ Cáp DUL được bơm vữa trong ống bảo vệ hoặc được bảo vệ bằng mở bò

- Về thiết kế:

+ Vì không biến dạng theo sự biến dạng của bê tông nên lượng gia tăng biến dạng của cáp DUL nhỏ;

+ Mất mát do ma sát của bộ phận neo và chuyển hướng hầu như không có

- Về thi công:

+ Thi công đơn giản vì cáp được bố trí bên ngoài tiết diện;

+ Bê tông không cần có độ dày cần thiết;

+ Dễ dàng thi công đổ bê tông vì ống chứa cáp không có trong bê tông; + Dễ dàng điều chỉnh lực căng khi thi công

- Về duy tu bảo dưỡng:

+ Dễ dàng kiểm tra cáp DUL;

+ Dễ dàng bổ sung hoặc thay thế theo kết cấu của bộ phận neo và chuyển hướng;

Tuy nhiên cáp DUL ngoài cũng có những nhược điểm sau:

- Tăng yêu cầu về cốt thép thường;

- Tăng gía thành cho ụ chuyển hướng, ụ neo….;

- Không bố trí được tuyến cáp cong;

- Phân bố lực căng chỉ tập trung vào một số điểm như ụ chuyển hướng, ụ neo

Để công trình duy trì được tính năng cần thiết phải lựa chọn kết cấu và phân chia thích hợp Tính an toàn và độ bền của cầu được thi công theo phương pháp phân đoạn đúc sẵn bị ảnh hưởng rất lớn của mối nối của các đốt dầm

1.4 TÌNH HÌNH ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ ĐÚC HẪNG VÀ LẮP HẪNG Ở VIỆT NAM

1.4.1 ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ ĐÚC HẪNG

Trong thời kỳ gần đây, với khả năng cung cấp bê tông tươi ngày càng tốt và

kể từ khi công nghệ thi công đúc hẫng (năm 1996) phát triển mạnh thì ở nước ta

cho đến nay đã và đang xây dựng khoảng 35 cầu lớn theo công nghệ này trãi dài từ Bắc vô Nam Một số trong số các cầu thuộc loại này là cầu Đuống (Hải Phòng); cầu Sông Gianh (Quảng Bình); cầu Dần Xây, cầu Nhị Thiên Đường, cầu Nguyễn Tri Phương, cầu Chánh Hưng, cầu Bình Phước (ở TP Hồ Chí Minh)…

1.4.2 ÁP DỤNG CÔNG NGHỆ LẮP HẪNG

Đầu tiên theo xu hướng công nghiệp hóa xây dựng, từ những công trình đầu tiên về kết cấu bê tông lắp ghép khối lớn, đã xuất hiện hàng loạt dầm cầu bê tông đúc sẵn theo công nghệ lắp ghép toàn bộ, lắp hẫng Do đó các bãi đúc cấu kiện lắp ghép và các bệ căng cốt thép DUL cở lớn đã lần lượt xuất hiện Nếu không có những sai sót về quản lý chất lượng cả trong lĩnh vực thiết kế, thi công và quản lý ở thời bao cấp, tạo điều kiện bộc lộ những nhược điểm khó khắc phục nhất của kết cấu lắp ghép Đặc biệt về chất lượng của mối nối liên kết giữa các đốt lắp ghép, điều kiện vận chuyển khó khăn khi cơ sở hạ tầng giao thông còn yếu kém đã thể hiện trong sự xuống cấp nhanh chóng của các công trình lắp ghép, sự cố cầu Rào và các cầu bê tông có liên kết ngang bằng cáp DUL thì công nghệ này sẽ còn phát triển mạnh và đã từng có những ý đồ nghiên cứu ở mức độ xa hơn

Nguyên nhân dẫn đến các sự cố ở các cầu Rào, cầu Niệm, cầu An Dương (Hải Phòng) trong những năm 1971-1972 là do đây là công nghệ cũ và kỹ thuật xử lý bảo vệ mối nối và cáp DUL chưa được tốt, không thật phù hợp với điều

kiện nóng ẩm và xâm thực (ở một số vùng) của nước ta mà một số cầu đã xảy ra sự cố, phải gia cố lại

Và gần đây ngày 28/9/2003 Bộ GTVT đã khánh thành và thông xe cầu Kiền (Hải Phòng) Đây cũng là cây cầu thứ 4 trên thế giới áp dụng công nghệ cầu dây văng lắp hẫng từng đốt dầm

1.5 CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁC ĐỐT DẦM

1.5.1 TỔNG QUAN

Trong suốt qúa trình thiết kế, ván khuôn là vấn đề cần được quan tâm đúng mức để đạt được tính kinh tế và hiệu qủa trong sản suất Người ta thường dùng ván khuôn dễ chuyên chở và lắp đặt

Trong trường hợp các đốt dầm phân đoạn đúc sẵn, tính kinh tế và tốc độ sản suất được cho gia tăng bởi:

1 Giữ chiều dài các phân đoạn giống nhau và giữ chúng trên một đường thẳng, ngay cả khi kết cấu cong

2 Cân đối và cân xứng các phân đoạn của chúng như là các khóa, độ cứng thành vách, trong trường hợp tháo lắp được dễ dàng

3 Duy trì chiều dày thành vách cố định theo hướng dọc

4 Cố định chiều dày của bản trên theo phương dọc

5 Giữ kích thước các bản nối và bản mặt trên cố định

6 Làm cho các góc xiên dễ dàng đúc

7 Tránh sự gián đoạn bề mặt của các thành và các mép cạnh

9 Làm cực tiểu số lượng các màn chắn và hệ làm cứng

10 Tránh những chốt có thể xuyên qua hình dạng

11 Cực tiểu hóa các khối

Mức độ biến đổi mặt cắt ngang các đốt dầm được giới hạn bằng cách thay đổi chiều sâu và chiều rộng của các thành và chiều dày của bản đáy Độ cong theo phương đứng và phương ngang và sự xoắn của kết cấu là dễ dàng điều tiết

Xây dựng các phân đoạn được phân biệt bằng dạng mối nối giữa các phần tử Có những dạng mối nối sau: mối nối rộng và mối nối lắp ráp

Độ chính xác của các phân đoạn được lắp đặt với mối nối rộng phụ thuộc chính vào độ chính xác qúa trình chế tạo các mối nối Độ cong và xoắn của kết cấu có thể đạt được trong mối nối

Nguyên tắc của việc chế tạo mối nối là liên kết bề mặt với phân đoạn kế bên vừa khít với nhau rất chính xác để mà chỉ cần một lớp mỏng vật liệu nối cũng lấp đầy mối nối

1.5.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO

Những phân đoạn được chế tạo với mối nối rộng có thể được chế tạo riêng lẻ Có hai phương pháp chế tạo các đốt dầm: phương pháp đúc sẵn đốt dài và phương pháp đúc sẵn đốt ngắn

1.5.2.1 Phương pháp đúc sẵn đốt dài (Long - line match casting method)

Nguyên tắc: tất cả các phân đoạn được chế tạo tại đúng vị trí của nó trên một đường dài Một hay nhiều bộ ván khuôn di chuyển dọc theo một đường thẳng Những bộ ván khuôn này được dẫn hướng bằng cách điều chỉnh mặt dưới vòm

Thuận lợi: Phương pháp đốt dài dễ lắp đặt và duy trì liểm soát trong suốt qúa trình kiểm soát các đốt dầm Sau khi tháo ván khuôn, không cần thiết phải duy di chuyển các phân đoạn đi ngay Việc quản lý hình học các đốt dầm đơn giản

Bất lợi: Không gian thực được yêu cầu cho phương pháp đốt dài Chiều dài tối thiểu phải dài hơn một nữa chiều dài nhịp dài nhất của kết cấu Nó phải được xây dựng trên phần nền móng chắc chắn không bị lún hoặc võng dưới trọng lượng bản thân của các đốt Trong trường hợp kết cấu cong, đường trục phải được thiết kế phù hợp với đường cong Bởi vì ván khuôn là di động, thiết bị để đúc phải di chuyển từ nơi này đến nơi khác

1.5.2.2 Phương pháp đúc sẵn đốt ngắn (Short - line match casting method)

Nguyên tắc: Các đốt được đúc tại cùng một vị trí trên bộ ván khuôn cố định và tỳ vào đốt kế bên Sau khi đúc, đốt kế bên được lấy ra phần tử cuối luân phiên vào vị trí của phần tử bên cạnh Việc đúc các đốt theo phương ngang được minh họa như hình 4.4-4.6 Các phân đoạn được dùng theo phương ngang có thể

được đúc theo phương đứng Hình 1-9 mô tả việc đúc các đốt theo phương pháp đốt ngắn

Bề mặt khối dầm đã đúc Ván khuôn ngoài

Ván khuôn trong

Kích thủy lực

H.1-9: Mặt cắt ngang bộ ván khuôn

Thuận lợi: Phương pháp đốt ngắn linh hoạt hơn, yêu cầu ít không gian thi công hơn, khoảng chừng bằng 3 lần chiều dài của một phân đoạn Toàn bộ qúa trình được tập trung theo phương ngang và đứng Đường cong và xoắn của kết cấu được đạt được nhờ vào vị trí của các phân đoạn kế bên

Bất lợi: Việc quản lý hình học các đốt dầm rất phức tạp và phải được thực hiện thật chính xác

1.5.2.3 Ván khuôn đúc các đốt dầm

Ván khuôn phải được thiết kế an toàn cho tất các các tải trọng để lắp đặt không có biến dạng và võng Đất dưới nền móng cần phải có độ ổn định bền hay ván khuôn phải được thiết kế để mà có thể điều chỉnh độ võng được

Ván khuôn phải được dùng lại nhiều lần trong sản xuất, được nghiên cứu chi tiết và đặc biệt chú ý các chi tiết xây dựng Ván khuôn cũng cần dễ dàng vận dụng Cần ngăn chặn kẻ hở qua các ván khuôn Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng các vật liệu bịt kín Đặc biệt chú ý đến kích thước khác nhau của các đốt dầm Chúng phải được thiết kế để cần thiết có thể điều chỉnh độ vòng lên, độ cong và xoắn chính xác và dễ dàng

Cần quan tâm đặc biệt đến những bộ phận của ván khuôn có thể thay đổi kích thước của chúng Để cho thuận tiện điều chỉnh độ nghiên, các thiết bị đặc biệt nên dùng như là: cái nêm, đinh vít, kích thủy lực Đầu neo của tao cáp phải được thiết kế để vị trí của chúng xem như cứng rắn Sự lắp ráp phải không có gây trở ngại cho qúa trình trượt của ván khuôn Nếu chế tạo bằng hấp hơi

nước ở nhiệt độ 71oC thì cần xem xét ảnh hưởng của nhiệt và hơi lạnh đến biến dạng của ván khuôn để tránh phát triển vết nứt trong bê tông Sau dây là hình minh họa một bãi đúc các đốt dầm thực tế ở công trường đúc dầm phục vụ cho thi công cầu đường cao tốc Bangkok – Bang Na

H.1-10: Bãi lưu trữ các đốt dầm

H.1-11: Tổng thể một bãi đúc dầm ở Thái Lan

1.6 VẬN CHUYỂN CÁC ĐỐT DẦM

Các đốt dầm phải được kiểm soát cẩn thận trong quản lý để giới hạn ứng suất có giá trị tương hợp với cường độ của bê tông và tuổi của bê tông Trọng

lượng của một đốt dầm phải nhỏ hơn khả năng của thiết bị cẩu lắp Qúa trình vận chuyển trên công trường có thể sinh ra ứng suất động được xem một hệ số tác động Các cánh hẫng cần có sự quan tâm đặc biệt đến việc ngăn chặn vết nứt Vị trí móc cẩu và dây cẩu phải được xác định để tránh ứng suất qúa mức trong đốt dầm trong qúa trình cầu lắp, thông thường hệ số an toàn từ 1.75 đến 2 cho tất cả các tải trọng và ứng suất được xét đến Việc lưu giữ tại công trường phải được sắp xếp nhằm hạn chế tối đa hư hại, võng, xoắn, đổi màu Kho lưu trữ phải được giới hạn để tránh lực lệch tâm Cần đề phòng đặc biệt đến độ lún của nền móng khu vực lưu trữ đốt dầm Hình H.1-12, H.1-13 và H.1-14 thể hiện sự vận chuyển các đốt dầm từ bãi đúc ra công trường xây dựng

H.1-12: Vận chuyển các đốt dầm trong bãi đúc

H.1-13: Cẩu đốt dầm lên xe vận chuyển tới công trường

H.1-14: Vận chuyển đốt dầm tới công trường

1.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP LẮP ĐỐT DẦM

Có các phương pháp lắp đốt dầm chính như sau:

1.7.1 PHƯƠNG PHÁP DÙNG CẦN CẨU

Các cần cẩu di chuyển trên mặt đất hoặc trên xà lan Đôi khi cần cẩu đứng dang chân được dùng để lắp đặt tạm thời trên bộ đở tạm trên cầu Các hình sau minh họa 2 phương pháp lấp dầm bằng cần cẩu trên xà lan và trên trụ cầu

H.1-15: Lắp đặt các đốt dầm bằng cần cẩu trên xà lan

H.1-16: Lắp đặt các đốt dầm bằng cần cẩu đặt trên cầu (Cầu Bang Na)

1.7.2 PHƯƠNG PHÁP LẮP TRÊN DÀN GIÁO CỐ ĐỊNH

Các cần cẩu di chuyển trên mặt đất hoặc trên xà lan Đôi khi cần cẩu đứng trên trụ cầu mặt cầu đã lắp trước đó để lắp các đốt kế tiếp Sau đây là hình minh họa các phương án lắp dầm trên dàn giáo cố định trên và dưới

H.1-17: Lắp đặt các đốt dầm bằng dàn giáo cố định dưới

H.1-18: Lắp đặt các đốt dầm cầu Rambler Channel, Hồng Kông

H.1-19: Cẩu đốt dầm lắp dựng trên đà giáo cố định

1.8 NHẬN XÉT

Mỗi loại công nghệ nói trên điều có ưu nhược điểm và phạm vi sử dụng nhất định không thể phủ nhận Tuy nhiên nếu biết vận dụng tốt 2 loại công nghệ này sẽ phát triển một cách đa dạng nhiều loại hình công nghệ khác nhau trong lĩnh vực xây dựng cầu và lĩnh vực xây dựng bêtông cốt thép nói chung

Trong công trình xây dựng cầu bê tông đòi hỏi phải có nhiều thời gian thi công ở dưới công trường, phải có thợ lành nghề trong việc chế tạo cốt thép và ván khuôn, nâng cao quản lý chất lượng công trường Trong những năm gần đây để giải quyết vấn đề này ở các nước Âu, Mỹ người ta đã thành công khi áp dụng phương pháp lắp hẫng cân bằng các phân đoạn đúc sẵn, nâng cao hiệu qủa về mặt kinh tế, đơn giản hóa, rút ngắn thời gian thi công

Khi quyết định sử dụng công nghệ nào thì cần phải khảo sát đầy đủ về phương pháp thi công, duy tu bảo dưỡng mang tính kinh tế, đặc biệt cần xem xét kỹ về phương pháp chế tạo các đốt dầm, phương pháp vận chuyển, điều kiện lắp ráp, tình hình khu vực xung quanh công trường nơi lắp

Xuất phát từ những vấn đề tồn tại ở trên đã thôi thúc việc nghiên cứu đầy đủ về nó Đồng thời với mục tiêu góp một phần trong nội dung nghiên cứu ứng dụng công nghệ thi công cầu lắp ghép (lắp hẫng cân bằng, cầu giản đơn phân

đoạn đúc sẵn) ở Việt Nam, trong luận án sẽ nghiên cứu biến dạng và ứng xử của

mối nối bao gồm nứt, gẩy nếp và sự tương tác giữa các bề mặt (ma sát, liên kết, trượt) Ở các chương sau sẽ nghiên cứu chi tiết cho từng trường hợp cụ thể

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN CẦU LẮP HẪNG

2.1 CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN ĐỘ BỀN CỦA CẦU LẮP HẪNG

Ngoài các yêu cầu về vật liệu chính như bê tông, cốt thép thường, cáp cường độ cao, cần quan tâm đến một vài yếu tố khác sau:

2.1.1 THIẾT BỊ NEO

Thiết bị neo cần có cấu tạo và độ bền để không phát sinh ra biến dạng lớn hoặc hỏng khi neo cáp, có khả năng điều chỉnh lực căng khi neo cáp, phải có nắp bảo vệ đầu neo cáp

2.1.2 ỐNG BẢO VỆ CÁP

- Ống bảo vệ cáp cần có cường độ và độ cứng để đảm bảo ống không bị hỏng trong qúa trình vận chuyển, căng và phun chất bảo vệ cáp Có thể dùng các loại ống thép, ống HDPE

- Ống cần có tính ổn định về mặt hóa học, nhiệt độ thi công và sử dụng;

- Kích thước ống được chọn phù hợp với số lượng cáp DUL trong một bó cáp

2.1.3 CHẤT BẢO VỆ CÁP CHỐNG RỈ

- Có thể bảo vệ cáp bằng cách bơm vữa xi măng lắp đầy ống, bơm chất dầu có độ nhớt cao, chất sáp ong, hoặc kết hợp nhiều chất trên;

- Chất chống rỉ phải ổn định về mặt hóa học, trải qua nhiều năm sử dụng vẫn giữ được độ bền, không bị giảm chất lượng;

- Không phản ứng hóa học với cáp DUL

2.1.4 BỘ PHẬN CHUYỂN HƯỚNG

- Bộ phận chuyển hướng phải có tính chuyển hướng đối với lực căng;

- Có cấu tạo và chất lượng đảm bảo được vị trí của cáp DUL trong toàn bộ phận chuyển hướng;

- Có thể sử dụng các ống thép được gia công uốn hoặc các ống để luồn cáp mềm được xử lý chống rỉ Hình H.2-1 thể hiện ụ chuyển hướng và các tao cáp ngoài có ống bảo vệ nằm trong lòng hộp

H.2-1: Tổng thể dầm hộp với cáp DUL ngoài chuyển hướng

2.1.5 ẢNH HƯỞNG CỦA MỐI NỐI

Biến dạng và ứng xử của mối nối bao gồm nứt, gẩy nếp và sự tương tác giữa các bề mặt (ma sát, liên kết, trượt) Tính an toàn và độ bền của cầu lắp hẫng

bị ảnh hưởng rất lớn bởi phần mối nối các đốt Cầu lắp ghép từng phân đoạn có tính phá hoại giòn bởi vì chỉ cần một lượng gia tăng nhỏ lực căng của cáp ở trạng thái cực hạn cũng dẫn đến phá hoại do mối nối giữa các phân đoạn không có cốt thép liên tục

Vật liệu làm mối nối các đốt đúc sẵn phải có thời hạn sử dụng và độ nhớt cần thiết, không được hư hỏng sau khi hoàn thành công trình

H.2-2: Sự biến dạng của cáp và mối nối khô của cầu dầm hộp ở nhịp đầu

tiên dưới tác dụng của tải trọng ngoài

Có hai quan điểm thiết kế mối nối: quan điểm sử dụng mối nối khô và quan điểm dùng keo epoxy hoặc vữa liên kết các đốt lại (mối nối ướt) Nếu sử dụng mối nối khô thì không cần vật liệu liên kết gì nữa mà sự liên kết các đốt

nhờ vào lực căng của cáp DUL Nếu sử dụng mối nối ướt vật liệu phần mối nối các đốt đúc sẵn có thời hạn sử dụng và độ nhớt và không được hỏng sau khi hoàn thành xong công trình Tốt nhất hiện nay là sử dụng chất kết dính keo epoxy có chất lượng được đánh giá cao ở các nước

Chất kết dính kiểu epoxy có rất nhiều loại khác nhau như là độ nhớt, thời gian sử dụng, thời gian đạt cường độ yêu cầu, nên cần phải lựa chọn phù hợp với phương pháp thi công, thời gian thi công và phương pháp mộng ghép

Vật liệu phần mối nối phải có cường độ giống với phần bê tông đúc sẵn, có thể sử dụng các vật liệu liên quan đến xi măng Tùy vào độ dài của phần mối nối mà có nhiều trường hợp sử dụng bê tông hoặc vữa không co ngót Dù sử dụng loại nào đi nữa cũng phải lựa chọn phù hợp và ít bị co ngót

Loại keo SIKADUR 731 do công ty SIKA – Việt Nam sản suất đã được sử dụng nhiều trong sửa chữa cầu ở nước ta Keo này được cung cấp theo từng bộ 2kg, mỗi bộ có 2 hộp Hộp A chứa nhựa epoxy đã trộn sẵn hóa chất và bột độn màu trắng, hộp B chứa hóa chất rắn màu đen Bột độn không phải là xi măng thông thường mà là silicalfumum có độ mịn nhỏ hơn hạt xi măng đến 100 lần Trước khi dán đổ hỗn hợp B vào hỗn hợp A rồi khuấy đều bằng máy khoan điện cầm tay có gắn cần khuấy, tốc độ trộn không qúa 600 vòng/phút, phải trộn trong 2÷3 phút Sau đó bôi keo lên bề mặt bê tông cần dán bằng bay nhọn miết cho đều Độ dày lớp keo không được qúa 30mm nhưng nói chung chỉ nên nhỏ hơn 10mm Điều đặc biệt là loại keo này có thể bôi lên bề mặt ẩm ướt mà vẫn dính bám tốt

Tùy theo điều kiện thi công người ta thường chọn liều lượng chất hoá rắn sao cho thời gian hóa rắn khoảng 30 đến 90 phút Cường độ nén của keo dán thường đạt 800–100 kg/cm2, cường độ kéo 180-200kg/cm2, môđun biến dạng vào khoảng 85000kg/cm2

Tuy nhiên gần đây người ta thường sùng mối nối khô có khóa chống cắt vì tính đơn giản trong thi công mà vẫn đảm bảo độ bền cho cầu

2.2 CƠ SỞ THIẾT KẾ CẦU LẮP HẪNG DUL NGOÀI

Ngoài các yêu cầu và các kiểm tra như trong cầu có cáp DUL trong, khi thiết kết cầu phân đoạn đúc sẵn DUL ngoài cần phải chú ý thêm các yếu tố sau:

2.2.1 NHỮNG YÊU CẦU CHUNG

Khi phân tích theo phương dọc cần phải xem xét đến biện pháp thi công đặc biệt và tiến trình thi công cũng như ảnh hưởng theo thời gian, co ngót, từ biến và mất mát DUL Phải xét đến ảnh hưởng của các mômen thứ cấp phát sinh do DUL trong tính toán ứng suất ở trạng thái giới hạn về sử dụng Trong trạng thái giới hạn về cường độ tác dụng của lực thứ cấp gây ra do DUL với hệ số vượt tải 1.0 phải được cộng đại số thêm vào các tải trọng tính toán Các bộ phận kết cấu phải có cấu tạo thỏa mãn các yêu cầu ở các trạng thái giới hạn (TTGH) sử dụng, trạng thái mỏi, cường độ và các TTGH cực hạn

Đối với cầu dầm hộp phân đoạn đúc sẵn thì việc kiểm tra theo trạng thái giới hạn sử dụng và TTGH cực hạn có một vài khác biệt so với kết cấu cầu toàn khối

- Đối với TTGH sử dụng: khi căng toàn bộ cáp DUL, không cho phép có

ứng suất kéo, ứng suất nén nhỏ nhất phải là 1MPa (≈10kg/cm2) Cần xem xét lực cắt truyền qua những mối nối, kiểm tra khả năng chống cắt

của mối nối

- Đối với TTGH cực hạn: cần xem xét độ mở rộng của mối nối, tải

trọng truyền trong những mối nối

2.2.2 ỨNG XỬ Ở TRẠNG THÁI BỀN

Đối với cầu có cáp DUL ngoài thì việc kiểm tra trạng thái bền là không có mức độ quan trọng cao hơn cầu có cáp DUL trong dính bám Bê tông DUL thông thường được thiết kế bằng cách kiểm soát cường độ lực căng để tránh nứt Điều này được thực hiện với cáp DUL đặt trong bê tông Nếu cáp DUL đặt ngoài, điều này sẽ không đúng trong qúa trình DUL từng phần DUL từng phần cho phép giới hạn vết nứt dưới tải trọng động Sau đó kiểm tra ở trạng thái cực hạn để kiểm soát thiết kế lực căng Tuy nhiên DUL từng phần không được phép sử dụng ở nhiều nước, ví dụ như trên các cầu tàu hỏa và xa lộ ở nước Anh

Các phép kiểm toán cơ bản trong kết cấu căng ngoài là giống với kết cấu có cáp DUL trong bê tông căng sau Lực căng được truyền thông qua một lực dọc cầu và qua lực đứng tại các ụ chuyển hướng

Dầm DUL ngoài

Lực truyền từ các tao cáp

Mômen do lực căng Mômen do lực căng

Lực truyền từ các tao cáp

H.2-3: Hệ thống cân bằng tĩnh chỉ với tải trọng DUL

Nứt là vấn đề gây tranh luận nhiều nhất Kết qủa nghiên cứu của một người Đức chỉ ra rằng: đối với cáp DUL ngoài thì vấn đề kiểm soát chiều rộng vết nứt là có thể kiểm soát được Trong những kết cấu như vậy, để ngăn chặn vết nứt người ta tăng lực căng trước Tại các điểm nối giữa các đốt dầm tiền chế, vết nứt dễ mở ra nhất Nếu có vết nứt tại mối nối, nghĩa là mối nối mở ra dưới tải trọng tác dụng, lớp bê tông bảo vệ sẽ bảo vệ cốt thép thường trong các phân đoạn đúc sẵn Vấn đề trở nên khó khăn hơn với mối nối dùng keo epoxy, nơi mà vết nứt xảy ra cạnh mối nối trong bê tông

2.2.3 VẤN ĐỀ MỎI CỦA CÁP DUL

Như chúng ta đã biết các tao cáp DUL ngoài đu đưa dưới tác dụng của lực Dao động này sinh ra ứng suất trước thay đổi không thể đo được Do đó cần khống chế chiều dài tự do của các tao cáp Ở mỗi nước có một tiêu chuẩn qui định riêng Theo một số tiếu chuẩn như: Tiêu chuẩn AASHTO thì chiều dài này là 7.5m, tiêu chuẩn Đức có thể cho phép lên tới 35m

2.2.4 ỨNG XỬ Ở TRẠNG THÁI CỰC HẠN

Đối với cáp DUL căng ngoài thì trạng thái cực hạn là rất quan trọng bởi vì nó khống chế một lượng lớn lực căng cần thiết Điều này trái ngược với cáp DUL trong thì kiểm tra bền là quan trọng

Khi tải trọng trên mặt cắt gia tăng vượt qúa trạng thái bền, lực căng và ứng suất tương ứng trong mặt cắt sẽ gia tăng theo quan hệ lực biến dạng – ứng suất thích hợp Qui luật cấu thành của thép và bê tông có những đặc điểm khác nhau

H.2-4: Độ biến dạng, ứng suất, lực căng tác dụng trên BTDUL

Biến dạng do uốn trong các tao cáp dính bám và trong bê tông kế bên có cùng một giá trị trong kết cấu DUL trong bởi vì chúng liên kết lẫn nhau thông qua các ống dẫn cáp được bơm vữa Mô men cực hạn được xác định theo công thức:

z F

M u = c*

Hơn nữa chú ý rằng:

c ce c pb

E E I

+ εpb: độ biến dạng do mômen uốn;

+ σce’: ứng suất trong bê tông ở vị trí tao cáp;

+ e’: độlệch tâm của tao cáp;

+ M: mômen tác dụng;

+ I: mômen quán tính của mặt cắt ngang;

+ Ec: môđun đàn hồi của bê tông

Đối với cáp ngoài thì khác Biến dạng do uốn trong các tao cáp không cùng giá trị với bê tông tại cùng vị trí Trong trường hợp này cáp biến dạng nhỏ hơn trường hợp trước

)21

*2()'2'12(

L L

L L L

=

ε

Đặc điểm cần quan tâm khác nữa là ảnh hưởng của độ lệch tâm tao cáp Với tải trọng càng tăng thì độ lệch tâm này càng nhỏ đi Do đó cánh tay đòn của lực căng đến trục trung hòa cũng giảm Như vậy mômen cực hạn sẽ giảm theo

Dầm biến dạng khi chịu tải

H.2-6: Sự giảm độ lệch tâm

Hai nhân tố nói ở trên là những thông số khó xác định trong tính toán mômen cực hạn Những nhân tố khác ảnh hưởng đến độ lệch tâm là sự trượt của cáp tại ụ neo, cách bố trí các ụ chuyển hưởng, kết cấu liên tục hay kết cấu nguyên khối hay cầu phân đoạn đúc sẵn

Dầm hộp đúc sẵn DUL ngoài ở trạng thái giới hạn chịu mômen uốn cần được xem xét phân tích ứng xử phi tuyến của cáp và bê tông

Thiết kết lực cắt giới hạn theo kinh nghiệm dựa trên các kiểm toán của dầm có cáp dính bám Cáp dính bám góp phần chống cắt khi chúng đi qua vết nứt

Trong điều kiện sử dụng thông thường thì ứng suất nén trong bê tông bị khống chế lớn hơn 1MPa đối với mối nối khô, do đó toàn bộ cấu kiện đều chịu

nén Khi không có ứng suất kéo, khi đó lực và mômen có thể được tính dựa trên trạng thái ứng xử đàn hồi tuyến tính của kết cấu Hơn nữa, so với cầu toàn khối, các mối nối phải được chú ý thiết kế chịu lực cắt Lực cắt tại mối nối được chịu bởi 2 thành phần là các khóa chống cắt và ma sát giữa bề mặt tiếp xúc của mối nối

Khi cầu chịu tải trọng cực hạn, mối nối có thể mở ra Do đó sự triết giảm độ cứng của kết cấu phải được xem xét trong thiết kế Điều này có thể làm được nhờ vào phân tích quan hệ mômen - độ uốn

H.2-7: Mở rộng mối nối khô trong dầm đúc sẵn

2.2.5 ẢNH HƯỞNG CỦA TRƯỢT CÁP TRÊN TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

Trong điều kiện giới hạn, các tao cáp di chuyển qua các ụ neo và làm giảm ứng suất trong các tao Sự giảm ứng suất dẫn đến bất ngờ làm giảm sức căng của tao cáp và sau đó hơn nữa độ võng của dầm nếu không phá hủy Sự phá hủy xảy ra nếu trục trung hòa di chuyển lên trên mặt cắt Bê tông bị phá huỷ do nén

Sự triết giảm này rất khó đánh giá Ở một góc độ nào đó, các tao cáp được bao bọc và bơm vữa lắp đầy có đặc trưng ma sát khác nhau giữa cáp và mặt cắt bê tông Bơm vữa lắp đầy ống tạo sự liên kết rất tốt nhưng sẽ khó thay thế cáp nếu bị ăn mòn Người ta dùng mở bò để lắp đầy ống sẽ làm giảm hệ số ma sát

T1

T1+Vs

Tao cáp

Vs: lực ma sát bề mặt

tác dụng lên tao cáp

Lực ma sát tác dụng lên ụ chuyển hướng Áp lực tác dụng lên ụ neo

H.2-8: Các lực tại ụ neo

2.2.6 ẢNH HƯỞNG CỦA Ụ CHUYỂN HƯỚNG ĐẾN ỨNG XỬ CỦA TRẠNG THÁI CỰC HẠN

Sự bố trí các ụ chuyển hướng ảnh hưởng đến sự thay đổi độ lệch tâm trong suốt qúa trình chịu tải Sự giảm độ lệch tâm có thể tránh bằng cách bố trí các ụ chuyển hướng hợp lý Điều này có thể nhận thấy dễ dàng khi so sánh độ lệch tâm của các tao cáp khi dầm võng với các cách bố trí ụ chuyển hướng khác nhau

H.2-9: Ảnh hưởng của các ụ chuyển hướng tới độ lệch tâm cáp

2.3 PHÂN TÍCH BẰNG PHƯƠNG PHÁP PTHH

Đặc trưng tải trọng biến dạng của kết cấu thi công lắp ghép khác với kết cấu thi công toàn khối vì mối nối khô giữa các đốt dầm không có cốt thép Do tính phức tạp của từ biến và co ngót cho nên kết cấu được tính theo sơ đồ hệ thanh phẳng, và việc tính toán xét theo phương dọc cầu và phương ngang cầu là riêng biệt nhau

Trong trạng thái giới hạn sử dụng: phương ngang cầu ngoài việc xem xét hộp như một kết cấu khung còn kiểm tra cục bộ bản mặt cầu, phương dọc cầu được mô tả cầu như một hệ thanh và tính nội lực theo các giai đoạn thi công Sau đó kiểm tra ứng suất tại các mặt cắt mong muốn, kiểm tra khả năng chịu cắt tại các mối nối

Trong tính toán cầu ở trạng thái cực hạn, để khảo sát ứng xử của mối nối và xác định nội lực trong các mối nối cần phải xét đến ứng xử phi tuyến do sự mở rộng mối nối khô dưới ứng suất kéo

2.3.1 PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH

Phân tích PTHH ngày càng được dùng nhiều nhất trong tính toán Kết cấu có thể đơn giản hóa bằng các phần tử dầm Tuy nhiên trong trường hợp ở trạng thái cực hạn này nó không được thỏa mãn Tại giai đoạn phá hoại kết cấu vẫn tồn tại đàn hồi Nhận xét trong trường hợp đặc biệt của bê tông có những vết nứt lớn, điều này không thể áp dụng mô hình các đường thẳng (phần tử dầm) Vì vậy phân tích chuổi liên tục là sự lựa chọn để nghiên cứu Phương pháp PTHH đã được chứng minh thành công trong ứng dụng phân tích kết cấu, đặc biệt là phân tích đàn hồi tuyến tính Tuy nhiên để mô hình bê tông lúc phá huỷ thì không còn đúng nữa Một trong những nguyên nhân chính là sự ứng xử không đàn hồi của bê tông Không như thành phần vật liệu thép tăng rất nhanh ở giai đoạn đàn hồi tuyến tính Ứng suất cao nhất, đặc biệt là ứng suất kéo, giảm rất nhanh khi dở tải

Do đó khi phân tích cầu phân đoạn đúc sẵn cần phân tích phi tuyến của kết cấu bê tông khi gần đến phá hoại Điều này bao gồm ứng xử phi tuyến của vật liệu và hình học phi tuyến Các phần tử BTCT thép đưa vào tính toán vết nứt được sử dụng cùng những đặc điểm phi tuyến của các tao cáp Thành công trong việc mô hình hóa bê tông cốt thép là chìa khóa mang đến thành công trong phân tích giai đoạn phá hủy

2.3.2 CÁC MÔ HÌNH CƠ BẢN

Dự theo qúa trình dẫn đến phá hoại để thành lập mô hình Đặc điểm cơ bản của việc thành lập mô hình phi tuyến là ứng xử đàn hồi (elastic), các thông số độ mềm (information about yielding), đường chảy dẻo (plastic flow), cường độ rắn (strain hardening), và những đặc điểm phá hoại (failure characteristics)

B ie án d a ïn g

Ư Ùn g su ất

GĐ đa

øn hoài

Giai đoạn đàn hồi được xác định bằng môđun đàn hồi Điểm chảy dẻo được xác định bằng hàm chảy trong không gian ứng suất n - chiều Hàm chảy dẻo thông thường là hàm Von Mises

2.3.3 MÔ HÌNH CƠ BẢN CHO CÁP

Các kết qủa thí nghiệm có được quan hệ biến dạng - ứng suất của cốt thép được xác định như sau:

H.2-11: Quan hệ biến dạng - ứng suất cho thành phần ứng suất không xoắn

Các đặc trưng cường độ giới hạn của cáp, môđun Young được lấy theo tài liệu nhà sản suất

2.3.4 MÔ HÌNH HOÁ KẾT CẤU

Mô hình nghiên cứu là mô hình của cầu phân đoạn đúc sẵn với cáp ngoài Các phân đoạn rời được nén lại với nhau bởi các tao cáp Và chúng cũng tạo ra liên kết cắt tại mỗi chổ nối các phân đoạn

2.3.4.1 Mô hình của dầm hộp và cáp DUL

Dầm hộp rỗng được mô hình bởi những phần tử võ 4 nút, cáp DUL được mô hình bằng những phần tử dầm truyền lực dọc

2.3.4.2 Ràng buộc động học

Ràng buộc động học được dùng tại vị trí cho ống bọc cáp ngoài và chổ chuyển hướng cáp Nhiệm vụ của phần tử này là giải phóng bậc tự do của các tao cáp và các ụ chuyển hướng để cho phép cáp di chuyển được Sự di chuyển của các tao cáp tại ụ chuyển hướng được cho phép khoảng vài centimet Điều này được dựa trên kết qủa đo thực tế trên mô hình thật của Takebayashi (1994)