Báo cáo nghiên cứu khoa học: "PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG TƯƠNG TÁC CÙNG ĐẤT NỀN"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

123
lượt xem 16
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Kết cấu cầu treo dây võng là hệ có độ cứng nhỏ, khả năng biến dạng hình học lớn nên thường yêu cầu phải phân tích theo mô hình biến dạng. Nghiên cứu này giới thiệu về các tính năng phân tích phi tuyến của phần mềm SAP2000 và FB-PIER, ứng dụng hai phần mềm này phân tích cầu treo Thuận Phước theo mô hình biến dạng, từ đó rút ra một vài khuyến nghị cho việc mô hình hoá loại cầu này. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG TƯƠNG TÁC CÙNG ĐẤT NỀN"

PHÂN TÍCH KẾT CẤU CẦU TREO DÂY VÕNG THEO SƠ ĐỒ BIẾN DẠNG TƯƠNG TÁC CÙNG ĐẤT NỀN ANALYSIS OF A SUSPENSION BRIDGE BY DEFORMED MODEL INCLUDING SOIL-STRUCTURE INTERACTION NGUYỄN LAN Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM T ẮT Kết cấu cầu treo dây võng là hệ có độ cứng nhỏ, khả năng biến dạng hình học lớn nên thường yêu cầu phải phân tích theo mô hình biến dạng. Nghiên cứu này giới thiệu về các tính năng phân tích phi tuyến của phần mềm SAP2000 và FB-PIER, ứng dụng hai phần mềm này phân tích cầu treo Thuận Phước theo mô hình biến dạng, từ đó rút ra một vài khuyến nghị cho việc mô hình hoá loại cầu này. ABSTRACT Suspension bridge is structure with small hardness and large displacement, so it is often analyzed by the deformed model. This study introduces the nonlinear capacity of SAP2000 and FB-PIER programs, and the use of these programs to analyze the Thuan Phuoc suspension bridge. Based on the analysis results, we make some recommendations for the modeling of this bridge. 1. Đặt vấn đề Quan điểm phân t ích kết cấu công trình trước đây thường tách rời các bộ phận để tính toán riêng rẽ với kiểu mô hình hoá thông thường như sau: + Phần kết cấu bên trên: Tính từ chân cột (nhà) hay đĩnh trụ (cầu) lên phía trên. Phần này liên kết với phần dưới và với móng qua các liên kết cứng. + Kết cấu phần dưới: Gồm thân trụ (cầu), móng và nền đất. Phần thân trụ cũng được tính riêng rẽ với giả thiết được liên kết ngàm cứng với đề móng, vật liệu là đàn hồi tuyến tính. Phần nền móng được tính riêng với nhiều giả thiết gần đúng như xem hệ nền và móng như móng khố i qui ước, móng cọc đài thấp, móng cọc đài cao (đài tuyệt đối cứng)... và hầu như các mô hình gần đúng này thường chưa xem xét sự ảnh hưởng của đất nền xung quanh đến kết cấu móng và kết cấu bên trên. + Về phương pháp tính toán kết cấu: Thường sử dụng các phương pháp cơ học kết cấu thông thường tính toán trên sơ đồ không biến dạng, nghĩa là chấp nhận giả thiết hệ có chuyển vị và biến dạng nhỏ. Cầu treo dây võng nhịp lớn là một kết cấu kiến trúc đẹp, có độ cứng nhỏ, độ mảnh lớn. Là một loại kết cấu siêu tĩnh bậc cao nên việc tính cầu treo dây võng rất phức tạp.Ngày nay để tính toán các loại cầu này thường phải sử dụng các chương trình máy tính chuyên dụng trên cở sở mô hình hóa cầu theo sơ đồ không gian gồm cả kết cấu phần trên và phần dưới cùng làm việc đồng thời với nền đất. Việc sử dụng các chương trình máy tính chuyên dụng tính toán giúp người kỹ sư có thể mô hình hoá kết cấu gần với thực tế nhất. Nghiên cứu này sử dụng các chương trình phân tích kết cấu theo phương pháp phần tử hữa hạn (PTHH) SAP2000 và FB-Pier phân tích kết cấu cầu treo dây võng theo mô hình không gian có xét đến yếu tố phí tuyến hình học (sơ đồ biến dạng) có xét tương tác kết cấu
với nền, trên cơ sở đó rút ra một số khuyến nghị yêu cầu mô hình hoá tính toán loại kết cấu này. 2. Giới thiệu khả năng phân tích phi tuyến của phần mềm SAP2000 và phần mềm FB-PIER SAP2000 là một trong những phần phần mềm phần tử hữu hạn (PTHH) phân tích và thiết kế kết cấu rất mạnh và đa năng của hãng COMPUTER & STRUCTURE (Mỹ). SAP2000 có khả năng phân tích các bài toán phi tuyến sau: + Phi tuyến vật liệu (Material Nonliner): Có thể mô phỏng các loại vật liệu trực hướng (Othotropic), vật liệu dị hướng (Anisotopic), vật liệu có các đặc tính thay đổi theo thời gian (Time dependent properties). + Phi tuyến hình học (Geomectric Nonliner): Xét các hiệu ứng P-delta, hiệu ứng biến dạng lớn (Large displacement). + Phần tử phi tuyến (Nlink element): Mô phỏng các phần tử liên kết, phần tử gối đở, phần tử giảm chấn có các ứng xử phi tuyến. Chi tiết về cách mô tả các tính năng phân tích phi tuyến trên có thể tham khảo ở các tài liệu hướng dẫn đi kèm theo bộ chương trình. FB-PIER là phần mềm PTHH chuyên về phân tích mố trụ cầu và các bài toán tương tác kết cấu - đất nền (soil-structure interaction). FB-PIER được phát triễn bởi các Chuyên gia của viện phần mềm cầu trường đại học bang Florida và được bảo trợ bởi cục đường bộ liên bang Hoa kỳ (FHWA). Chương trình có khả năng phân tích hệ móng cọc theo mô hình không gian, trong đó tương tác phi tuyến cọc-đất mô phỏng bằng các đường cong p-y. Chương trình còn có khả năng tính được độ cứng tương đương của một hệ móng cọc thành một gối đàn hồi tổng quát được đặc trưng bằng một ma trận độ cứng của gố i đàn hồi. Gố i đàn hồi này được gắn vào kết cấu phần trên để mô phỏng tương tác giữa kết cấu phần trên của cầu và nền móng. Hình 1: Mô hình các cấu kiện của trụ cầu trong FB-PIER 3. Cơ sở tính toán của phương pháp phần tử hữu hạn Phương trình cân bằng của kết cấu chịu tải trọng ngoài theo phương pháp PTHH [4]:
M.U’’(t) + C. U’(t) + K.U (t) = F(t) (1) Trong đó: M, K, C: Ma trận độ cứng, ma trận khối lượng, ma trận cản của kết cấu. U’’(t), U’ (t), U(t), F(t): Véc tơ gia tốc, vận tốc, chuyển vị nút và véc tơ tải trọng thay đổi theo thời gian. Các ma trận độ cứng, khối lượng, ma trận cản đều là ma trận vuông đối xứng, chúng được lắp ghép từ các ma trận tương ứng của từng phần tử trong kết cấu. – Trường hợp phân tích tĩnh (Static Analysis): F(t)= F Phương trình (1) trở thành: K. U = F (2) Giải hệ phương trình (2) tìm tất cả các thành phần chuyển vị tại các nút, sau đó tính nội lực ứng suất cho từng phần tử. – Trường hợp phân tích tần số dao động riêng (Eigen value Annalysis): Khi tải trọng ngoài bằng zero, bỏ qua lực cản của môi trường lúc đó kết cấu dao dộng điều hòa chuyển vị của hệ có dạng: U=U. sin(t) và U’’ = -U. 2. sin(t) (3) -M.U. 2. sin(t) + K. U. sin(t) = {0} (K - 2.M). U = {0} (4) Giải phương trình (4) bằng phương pháp SUBSPACE sẽ cho các giá trị riêng và véc tơ riêng từ đó tính được các tần số riêng (eigen frequencies) và dạng dao động riêng (mode shape) tương ứng. 4. Ví dụ phân tích cầu treo Thuận Phước, Thành phố Đà Nẵng 4.1. Giới thiệu tổng quan về cầu Thuận Phước Cầu Thuận Phước bắc qua Sông Hàn, Thành phố Đà Nẵng. Cầu giáp với điểm cuố i đường Nguyễn Tất Thành và đường Bạch Đằng Đông. Phần cầu chính dài 664 m. Kết cấu cầu chính loại cầu treo dây võng 3 nhịp 129.5m+405m+129.5m.. Tháp cầu bằng Bê tông chất lượng cao loại C50, móng tháp dạng cọc khoan nhồi đường kính cọc 2.5m. Hai mố neo nhịp cầu chính đặt trên móng giếng chìm. Tổng thầu chính tư vấn thiết kế cầu là Công Ty tư vấn XDGT 533, thầu phụ tư vấn thiết kế là Công ty tư vấn thiết kế cầu lớn Trung Quốc, thẩm định phần cầu chính là công ty LEORNARD – Cộng Hoà Liên Bang Đức. Gói thầu cầu chính vừa mới đấu thầu tháng 10 năm 2003. Hiện công trình đang triển khai thi công. Các số liệu chi tiết tham khảo ở hồ sơ thiết kế cầu Thuận Phước của Công Ty Tư vấn XDGT 533. 4.2. Mô hình phần tử hữu hạn và các yếu tố được xem xét Kết cấu được mô hình hoá theo phương pháp phần tử hữ hạn (PTHH) và phân tích theo mô hình không gian. Kết cấu cầu treo dây võng được mô phỏng bởi ba loại phần tử. Phần tử thanh 3D có 3 bậc tự do mỗi nút chỉ chịu kéo nén dùng mô phỏng các dây treo, phần tử thanh 3D có sáu bậc tự do mỗi nút dùng mô phỏng tháp cầu, dầm cứng, dây chủ; Phần tử thanh cứng 3 nút dùng mô phỏng sự kết nối giữa dây treo, cáp chính và dầm cứng. Sử dụng chương trình SAP2000 version 8.15 mô hình hoá cầu theo hai trường hợp như sau: 1) Mô hình liên kết cứng ở chân tháp: Các bậc tự do sau đây bị ngăn cản: - Các bậc tự do ở điểm neo cáp chính vào mố (móng giếng chìm), và các bậc tự do ở Chân tháp.
- Bậc tự do theo phương chuyển vị ngang của cáp chính tại các yên đở. - Bậc tự do phương chuyển vị ngang và góc xoay quanh trục cầu (trục X) của dầm cứng. - Chuyển vị ngang dầm cứng tại vị trí tháp cầu. 2) Mô hình liên kết đàn hồi tại chân tháp: Các bậc tự do bị ngăn cản như trường hợp 1. Chân tháp được gắn vào một gối đàn hồi tổng quát có ma trận độ cứng xác định từ chương trình FB-PIER. Độ cứng của gối đàn hồi tại chân tháp đại diện cho độ cứng tương đương của móng cọc và nền đất xung quanh cọc dưới chân tháp, dùng gố i đàn hồi này mô phỏng tương tác giữa kết cấu bên trên và phần nền móng bên dưới.Tại hai đầu mố neo, do dùng kết cấu móng giếng chìm bằng BTCT có kích thước khá lớn nên liên kết giữa kết cấu nhịp và mố neo vẫn xem là liên kết cứng. Để khảo sát ảnh hưởng của hiệu ứng phi tuyến hình học (biến dạng lớn và P-delta), hai trường hợp sau đây đuợc phân tích: + Phân tích tuyến tính: Không xét hiệu ứng P-delta và hiệu ứng biến dạng lớn. + Phân tích phi tuyến: Xét hiệu ứng P-Delta và hiệu ứng biến dạng lớn (phi tuyến). 4.3. Kết quả phân tích Kết quả phân tích 4 mô hình sau (bảng 1,2): 1- Mô hình liên kết cứng, phân tích tuyến tính. 2- Mô hình liên kết cứng, phân tích phi tuyến tuyến. 3- Mô hình liên kết đàn hồi chân tháp, phân tích tuyến tính. 4- Mô hình liên kết đàn hồi chân tháp, phân tích phi tuyến tuyến. Hình 2: Mô hình rời rạc cầu treo Thuận Phước trong SAP2000
Bảng 1: Kết quả phân tích tĩnh học Cầu treo Thuận Phước, Tổ hợp tải: Tĩnh tải + hoạt tải Auto-20 và người Mô hình Mô hình Mô hình Ch. lệch CL CL. 1, LK 2, LK 3, Mô hình MH1 & MH1 & MH1& Loại cứng, cứng, LKĐH, 4, LKDH, Vị trí nội lực MH2 MH2 MH3 tuyến tuyến phi tuyến phi (%) (%) (%) tuyến tính tính Nhịp neo cáp chính tại 30476.99 48957.82 30570.19 49087.50 37.748 37.723 0.305 yên đở Giữa nhịp biên cáp 33376.87 53799.23 33741.81 54410.18 37.960 37.986 1.082 Lực chính kéo Tại tháp phía nhịp biên 35742.89 58235.92 35830.27 58361.74 38.624 38.607 0.244 trong cáp chính Tại tháp phía nhịp giữa 35381.66 57418.64 35365.37 57397.30 38.379 38.385 -0.046 (kN) Giữa nhịp giữa 32328.89 52372.71 32313.19 52347.34 38.271 38.272 -0.049 Lực kéo Max trong cáp 35742.89 58235.92 35830.27 58361.74 38.624 38.607 1.082 chính Dây treo đứng gần tháp 1256.22 1948.37 1256.03 1947.49 35.525 35.505 -0.015 Lực Dây treo đứng ngoài kéo 1190.97 1825.38 1192.10 1827.78 34.755 34.779 0.095 cùng dây Dây treo đứng giữa treo 661.13 1052.75 660.97 1052.76 37.200 37.216 -0.024 nhịp chính (kN) Lực kéo Max trong cáp 1256.22 1948.37 1256.03 1947.49 37.200 37.216 0.095 treo Lực Max trong dầm cứng 25841.44 36364.75 26076.12 36520.45 28.938 28.599 0.900 nén (kN) Chân tháp 33670.55 56733.05 33769.46 56742.45 40.651 40.486 0.293 Mô men Momen Max dầm cứng 54036.11 78367.73 54183.59 78598.73 31.048 31.063 0.272 (kN.m) Momen Min dầm cứng 71390.99 96166.62 71587.27 96444.92 25.763 25.774 0.274 Bảng 2: Kết quả phân tích tần số dao động riêng của cầu treo Thuận Phước Tần số động (Hz) Số TT Mô hình 1 Mô hình 2 Mô hình 3 Mô hình 4 dạng dao động LK cứng, LK cứng, LK đàn hồi, LK đàn hồi, tuyến tính phi tuyến tuyến tính phi tuyến 1 0.137143 0.146994 0.137142 0.146943 2 0.169846 0.247331 0.169706 0.246797 3 0.170502 0.270038 0.170502 0.269935
5. Phân tích kết quả và nhận xét Qua các số liệu và kết quả tính toán cụ thể cho cầu treo dây võng ở trên rút ra các nhận xét sau: - Về nội lực, biến dạng lớn nhất trong các cấu kiện tính theo mô hình có xét phi tuyến hình học đều lớn hơn trường hợp phân tích tuyến tính từ 25% –38%. Tần số dao động riêng khi phân tích phi tuyến cũng lớn hơn từ 6-10%. Như vậy có thể khẳng định rằng đối với kết cấu cầu dây võng, để đảm bảo độ tin cậy (an toàn) thì cần thiết phải phân tích hệ theo sơ đồ biến dạng (có xét yếu tố phi tuyến hình học). - Với hệ móng tháp cầu có kích thước bệ cọc và cọc khá lớn. Các trị số ma trận độ cứng tương đương của hệ móng lớn thì sai số giữa kết quả tính theo mô hình liên kết chân tháp cứng và liên kết đàn hồi ở chân tháp nhỏ hơn 1%. Như vậy để đơn giản cho tính toán có thể dùng mô hình liên kết cứng ở chân tháp để phân tích kết cấu phần trên các loại cầu kiểu này. Tuy nhiên đối với các dạng móng mềm (trị số độ cứng nhỏ) thì cần phải xem xét thêm. Theo kết quả nghiên cứu ở [1] khi hệ móng và nền mềm hơn thì sự sai khác giữa mô hình liên kết cứng và liên kết đàn hồi (làm việc đồng thời với nền) tương đối lớn (từ 10-30 %). - Kết quả tính toán cầu treo dây võng bằng chương trình SAP2000 khá phù hợp với kết quả tính toán bằng các chương trình chuyên dùng của Tư vấn Trung Quốc, Đức và TEDI, vì vậy có thể sử dụng phần mềm SAP2000 để phân tích loại cầu treo dây võng theo mô hình biến dạng. TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Lan, Phân tích kết cấu cầu làm việc cùng đất nền có xét các yếu tố phi tuyến, [ 1] Luận văn Thạc sỹ Kỹ Thuật, Hà Nội, 2003. Công Ty tư vấn XDGT 533, Hồ sơ thiết kế kỹ thuật cầu Thuận Phước, 2004. [ 2] Lều Thọ Trình, Cách tính hệ treo theo sơ đồ biến dạng, NXB Xây dựng Hà Nội, 2003. [ 3] [ 4] Computers and Structures, Inc., Berkeley, California, USA. CSI Analysis Reference Manual For SAP2000, ETABS, and SAFE.