Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp BTCT trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:143

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài nghiên cứu nhằm 3 mục tiêu: Phân tích, lựa chọn mô hình toán học phân tích ứng xử cục bộ của bản mặt cầu chịu lực kéo xiên ngoài mặt phẳng của bản; 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; ứng dụng mô hình đề xuất để phân tích, đánh giá ứng xử cơ học của phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Phân tích ứng xử cơ học của phân đoạn dầm hộp BTCT trong cầu dây văng một mặt phẳng dây

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI NGỌC TÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN DẦM HỘP BTCT TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI BÙI NGỌC TÌNH PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CƠ HỌC CỦA PHÂN ĐOẠN DẦM HỘP BTCT TRONG CẦU DÂY VĂNG MỘT MẶT PHẲNG DÂY Ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình giao thông Mã số: 9580205 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
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực, chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình nào khác. Hà Nội, ngày …… tháng …… năm 2020 Tác giả Bùi Ngọc Tình
ii 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 Viết Trung. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình 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 luận án. Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám Hiệu, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Hội đồng Tiến sỹ Trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Cuối cùng là sự biết ơn đến gia đình vì đã liên tục động viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực hiện luận án. Tác giả
iii 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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 CHƢƠNG 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
iv 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 quả thí 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 CHƢƠNG 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
v 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
vi 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 cho bản thép .....................................................................................................................16 Hình 1-18 Sự thay đổi ứng suất dọc trục giả sử rằng phân bố theo 2 cách...............17
vii Hình 1-19 Lí tưởng hóa sự thay đổi của ứng suất dọc trục trong bản đến 2 lực tập trung ΔN/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
viii 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 250 ...........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 450 ..........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 700 ...........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
ix 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
x 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
xi 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 22o ...................120 Hình 4-71 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 45o ...................120 Hình 4-72 Trước và sau tăng cường trường hợp góc nghiêng cáp 50o ...................121
xii DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Danh sách các cầu dây văng ở Việt Nam ....................................................9 Bảng 2.1 Giá trị Gfo tương đương với Dmax...............................................................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 22o .............................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 50o .............................119
1 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 từ năm 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 có vát xiên để đảm bảo ổn định khí động lực học, tăng cường độ cứng theo phương ngang 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 dây văng một mặt phẳng dây giúp phân tách luồng xe chạy trên cầu do dây văng thường được bố trí ở chính giữa mặt cắt ngang (vị trí giải phân cách giữa). Cách bố trí này tạo ra góc nhìn thông thoáng cho cầu khi quan sát từ xa cũng như khi quan sát với tư cách là một người đi trên cầu, đem lại hiệu quả thẩm mĩ tốt hơn so với kết cấu nhịp cầu 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 tăng cường 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 dầm chủ chịu. Do đó, thiết kế các dầm chủ sử dụng một mặt phẳng dây ở Việt Nam cũng như trên thế giới có chiều dài vượt nhịp nhỏ hơn dạng kết cấu nhịp sử dụng hai mặt phẳng dây và thường có dạng mặt cắt hình hộp để tăng cường khả năng ổn định khí động lực học. Tính đến nay ở Việt Nam đã có cầu dây văng Bãi Cháy và một nhịp của cầu vượt 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 chính lớn 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 mặt phẳng dây do sử dụng mặt cắt hình hộp nên đầu neo dây thường đặt tại vị trí giữa bản mặt cầu. Dẫn đến việc bản mặt cầu phải chịu lực kéo nhổ lớn trong mặt phẳng
2 vuông góc với bản. Lực kéo nhổ này có giá trị thiết kế bằng lực căng lớn nhất xuất hiện trong các dây văng trong giai đoạn từ thi công đến khai thác; và thường nằm trong 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 ứng nén 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 (hiệu ứng cục bộ); tạo ra trạng thái ứng suất - biến dạng rất phực tạp trên bản mặt cầu, đặc biệt là tại vị trí cục bộ quanh khu vực đầu neo dây văng. Do đó, như sẽ giới thiệu trong chương 1, các cầu dây văng một mặt phẳng dây trên thế giới khi vượt nhịp lớn thường 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 bằng thép 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 độ bền mỏi và vấn đề biến dạng lớn khó kiểm soát trên mặt cầu. Tuy nhiên hiện tại chưa 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 cạnh chịu lực cục bộ còn phải đồng thời chịu các hiệu ứng tổng thể về uốn dọc và uốn ngang như đã phân tích ở trên. Để xử lý vấn đề hư hỏng cục bộ có thể xảy ra trên bản mặt cầu bê tông khi chịu lực neo cục bộ, giải pháp đã được sử dụng ở cầu Bãi Cháy (Việt Nam) là sử dụng các ống thép chịu kéo liên kết trực tiếp với đầu neo để truyền lực xuống vị trí liên kết giữa sườn dầm và bản đáy. Giải pháp này giúp thay thế việc phải để bản mặt cầu bê tông chịu lực cục bộ bằng việc truyền lực thông qua thanh chịu kéo xuống đáy sườn dầm và như vậy sườn dầm thành vách bê tông chịu nén thay cho bản mặt cầu phải chịu lực cục bộ vuông góc với bản mặt cầu. Đây là giải pháp về lý thuyết là khả thi về mặt chịu lực, tuy nhiên gây khó khăn lớn cho công tác thi công; trong khi hiệu quả thực tế là chưa rõ ràng do chưa đề xuất được
3 mô hình tính toán phù hợp để phân tích sự làm việc cục bộ của bản mặt cầu bê tông chịu 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 căng dây - rất khó phát huy hiệu quả chịu lực. Tại cầu Trần Thị Lý, giải pháp tăng cường cho bản mặt cầu là sử dụng các dầm ngang tại đúng vị trí đặt đầu neo. Giải pháp này cũng 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 của phân đoạn dầm hộp, đặc biệt là khu vực bản mặt cầu chịu lực kéo xiên, có khả năng phân tích được trạng thái ứng suất – biến dạng của dầm hộp, có xét đến bố trí cốt thép chịu lực cục bộ tại vị trí này và phân tích được độ mở rộng vết nứt ở bê tông mặt cầu; làm căn cứ cho bài toán phân tích thiết kế, lựa chọn giải pháp mặt cắt ngang 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 văng một mặt phẳng dây. Đồng thời, trên cơ sở phân tích lý thuyết tìm được đánh giá hiệu 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 án được 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 mặt cầu 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 phân đoạn mặt cắt hình hộp cầu dây văng một mặt phẳng dây.
4 3. Đối tƣợng 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 tông làm 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 ứng suất - biến dạng của phân đoạn kết cấu nhịp dầm hộp BTCT của cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực căng dây. - Chương 3: Nghiên cứu thí nghiệm áp dụng mô hình phân tích “nứt theo tổng biên dạng” cho bài toán bản mặt cầu chịu lực kéo/nén xiên ngoài mặt phẳng bản - 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 cấu phân 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 mô hình phân tích số (với lý thuyết về vật liệu và phương pháp phần tử hữu hạn phân tích kết cấu). - Đã phân tích được ứng xử cơ học phân đoạn dầm hộp bê tông cốt thép của cầu dây văng một mặt phẳng dây chịu lực tập trung đầu neo, cho phép đánh giá vai trò, hiệu quả của các giải pháp xử lý kết cấu.
5 CHƢƠNG 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 cáp nối ngang để giúp cân bẳng lực căng trong dây văng, giúp giảm đáng kể lực nén trong bản mặt cầu. Tiếp đó là các cầu G. Leinekugel le Coq tại Lézardrieux ở Brittany (1924), cầu Tempul do Eduardo Torroja thiết kế năm 1926. Cầu dây văng với 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 được trích dẫn như cầu dây văng hiện đại đầu tiên là cầu Stromsund với bản mặt cầu bằng thép thiết kế bởi Franz Dischinger (1955). Những cầu dây vặng hiện đại đầu tiên thường sử dụng ít dây văng (ví dụ như cầu Heuss Theodor xây dựng năm 1958). Tuy nhiên, việc này thường làm tăng chi phí thi công. Do đó, kết cấu hiện đại có xu hướng sử dụng nhiều cáp để đảm bảo hiệu quả kinh tế [33]. Trong lịch sử phát triển cầu dây văng, người ta đã ứng dụng kết cấu hai, ba, bốn mặt phẳng dây. Tuy nhiên thiết kế ba mặt phẳng dây do nhược điểm là rất khó kiểm soát sự phân phối chịu lực giữa các mặt phẳng dây nên hiện nay hầu như không còn được 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 nhiều trường 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 thông thoáng và kích thước móng không cần lớn. Tuy nhiên đối với loại cầu này, vấn đề lớn nhất xảy ra là do chỉ có một mặt phẳng dây ở chính giữa nên không giúp hỗ trợ chịu xoắn và vấn đề dao động cho kết cấu dầm chủ [18], [26]. Do đó, cầu dây văng
6 một mặt phẳng dây hiện đang có khẩu độ vượt nhịp kinh tế nhỏ hơn so với các cầu dây văng hai mặt phẳng dây. Để khắc phục và tăng cường khả năng chịu xoắn và ổn định khí động lực học trong cầu dây văng một mặt phẳng dây, thiết kế hợp lý cho dầm mặt cầu là dạng mặt cắt 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 hộp thép nổi tiếng nhất là cầu Millau (CH Pháp) có sơ đồ nhịp chính 204m+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 Nhật Bản. Cây cầu có nhịp chính 510m (1.670ft) và hai nhịp bên của 255m (837ft) [40]. Hình 1-2 Cầu Tsurumi tsubasa - Nhật Bản