Home / MIDAS / [MIDAS] Lí thuyết, tính toán cầu Extradosed bằng phần mềm Midas Civil

[MIDAS] Lí thuyết, tính toán cầu Extradosed bằng phần mềm Midas Civil

1.  ĐẶT VẤN ĐỀ

Cầu Extradosed là một dạng đặc biệt của cầu bê tông cốt thép dự ứng lực ngoài, trong đó cáp được đưa lên khỏi mặt cầu và liên kết với cột tháp có chiều cao thấp đặt ở đỉnh trụ. Đối với cầu BTCT dự ứng lực ngoài thông thường, độ lệch tâm của cáp bị hạn chế trong phạm vi chiều cao tiết diện của dầm. Để tăng độ lệch tâm của cáp, chúng được bố trí ra ngoài phạm vi chiều cao tiết diện. Việc tăng độ lệch tâm của cáp căng ngoài sẽ cải thiện khả năng tạo dự ứng lực tại các khu vực dầm xuất hiện ứng suất kéo trong giai đoạn sử dụng. Loại cầu này đã sử dụng phổ biến trên thế giới đặc biệt là ở Nhật. Ở Nhật, cầu Extradosed đã được phát triển nhanh chóng, chỉ trong vòng chục năm trở lại đây, riêng ở Nhật đã xây dựng được gần 30 chiếc cầu Extradosed đủ chủng loại về kết cấu nhịp, đa dạng về sơ đồ bố trí nhịp và cáp văng. Ở Việt Nam loại cầu này đang được bắt đầu nghiên cứu ứng dụng cho cầu trong đô thị (cầu vượt Ngã tư Sở, thành phố Hà Nội).

MIDAS Civil là phần mềm chuyên thiết kế cầu vừa mới du nhập vào Việt Nam trong vài năm gần đây. Việc nghiên cứu ứng dụng phần mềm này trong thiết kế cầu đang được các kỹ sư quan tâm.

ĐăkNông là một tỉnh vừa thành lập, việc xây dựng được một công trình cầu qua hồ trung tâm nằm trong nội thị tỉnh ĐăcNông đòi hỏi phải nghiên cứu, so sánh nhiều phương án, các phương án khả thi về thi công, tính mỹ quan và đặc bịêt về kết cấu.

Đề tài này nghiên cứu giải pháp kết cấu cầu kiểu Extradosed thi công theo công nghệ đúc hẫng; nghiên cứu ứng dụng phần mềm MIDAS Civil 6.3.0 tính toán thiết kế kết cấu cầu kiểu Extradosed.

2.  NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

2.1. Cấu tạo kết cấu cầu Extradosed

  • Cầu tạo tổng thể
  • Hệ dầm cứng có kết cấu giống như trong cầu dầm cứng nhịp liên tục. Chiều cao của dầm có thể được giảm xuống so với chiều cao của dầm trong cầu dầm cứng có cùng khẩu độ.
  • Hệ dây treo trông rất giống hệ dây treo của cầu dây văng, bao gồm các dây treo và hệ neo cáp. Các dây treo được coi như là các bó cáp cường độ cao (CĐC) có độ lệch tâm lớn sử dụng trong cầu dầm cứng được tạo ứng suất trước bằng công nghệ dự ứng lực ngoài. Các dây treo này được liên kết cứng với cột tháp và liên kết với dầm chủ bằng hệ neo cáp tạo thành các gối đàn hồi. Hệ neo cáp có thể sử dụng hệ neo cho các bó cáp CĐC thông thường.
  • Tháp neo dây được cấu tạo bằng bêtông cốt thép hoặc bêtông cốt thép liên hợp và có chiều cao thấp hơn so với chiều cao của trụ tháp trong cầu dây văng. Đối với cầu Extradosed, vì chiều cao tháp neo dây thấp nên tháp neo dây không nhất thiết liên kết cứng với trụ cầu. Tháp neo dây có thể liên kết cứng với trụ cầu tạo thành khung cứng, hoặc có thể liên kết cứng với dầm cứng và đặt lên trên trụ.

Cầu Ibigawa-Nhật Bản

Cầu Palau-Cộng hòa Palau

2.1.2 Ưu điểm của cầu Extradosed so với cầu liên tục và cầu dây văng

Cầu Extradosed là dạng kết cấu kết hợp giữa kết cấu của cầu dầm cứng và cầu dây văng do vậy, nó đã phát huy được các ưu điểm của cả hai loại cầu trên.

Về bản chất, cầu Extradosed là cầu dầm bêtông cốt thép dự ứng lực ngoài, trong đó các bó cáp CĐC được đưa lên trên mặt tiết diện tạo ra độ lệch tâm lớn so với trục trung hòa của dầm, và cột tháp được coi như là vách chuyển hướng có độ cứng rất lớn. Một mặt các bó cáp đã tạo ra dự ứng lực hiệu quả hơn, mặt khác có thể tiếp nhận một phần tải trọng trên dầm và thông qua cột tháp truyền xuống nền móng, do đó khả năng vượt nhịp lớn hơn so với cầu dầm thông thường.

Với cầu dây văng, phần lớn tải trọng được truyền qua dây văng lên đỉnh tháp và truyền qua tháp xuống nền móng. Trong cầu Extradosed, cả dầm cứng và cáp văng đều chịu tải trọng. Một phần tải trọng được truyền qua dầm vào trụ cầu, và phần còn lại được truyền qua cáp văng, lên đỉnh tháp và truyền qua tháp xuống nền móng. Chính vì vậy, mà kết cầu cầu Extradosed chịu lực hiệu quả hơn.

Theo số liệu nghiên cứu và thống kê đối với các công trình đã xây dựng thì các thông số cơ bản của ba loại kết cấu cầu được thể hiện trên bảng sau:

So sánh các thông số cơ bản của ba loại kết cấu cầu

Các ưu điểm khác của cầu Extradosed là:

  • Giảm chiều cao kiến trúc, nâng cao khoảng tĩnh không bên dưới, rất thích hợp cho các cầu vượt trong đô thị.
  • Do dầm có độ cứng lớn nên biến dạng nhỏ, việc kiểm soát độ võng trong qua trình thi công đơn giản hơn so với CDV vì vậy việc căng chỉnh cáp đơn giản hơn.
  • Biên độ ứng suất trong cáp văng của cầu Extradosed gần giống như kết cấu cầu bêtông ứng suất trước và nhỏ hơn khá nhiều so với cầu dây văng nên ảnh hưởng do mỏi giảm nhiều vì vậy ứng suất kéo cho phép đối với cáp văng có thể lấy giống như cáp trong cầu BTCTDUL thông thường (0,8 giá trị cường độ) tức là lớn hơn so với cáp trong CDV (0,4-0,45 giá trị cường độ). Như vậy số lượng cáp văng có thể giảm xuống và kết cấu neo cũng không cần đến các loại có khả năng chịu mỏi cao đắt tiền, do đó giá thành xây dựng giảm.
  • Vì cáp ngắn, độ võng bản thân cáp nhỏ nên dao động của cáp cũng không phải là yếu tố ảnh hưởng lớn và không quan trọng như ở cầu dây văng.
  • Điểm khác biệt nữa giữa cầu Extradosed và CDV là cáp văng biên ngoài không cần thiết phải được neo xuống mố hay trụ neo như trong CDV, điều này chứng minh cho sự làm việc linh hoạt giữa hệ dầm cứng và hệ dây treo trong cầu Extradosed dưới tác dụng của hoạt tải và tính ưu việt của dạng kết cấu cầu Extradosed so với

Tóm lại, nhìn hình dáng bên ngoài, cầu Extradosed rất giống CDV có cột tháp thấp nhưng bản chất của kết cấu lại ứng xử gần với cầu dầm cứng hơn là CDV. Điểm quan trọng của cầu Extradosed là hệ dầm cứng và hệ dây treo cùng làm việc dưới tác dụng của hoạt tải, do vậy có sự phân phối nội lực đồng đều hơn giữa hệ dầm cứng và hệ dây treo. Kết quả là tận dụng được khả năng làm việc của vật liệu. Ngoài ra, cầu Extradosed còn có tính đa dạng về mặt kết cấu nhịp như có thể là kết cấu BTCT DƯL thông thường sử dụng dự ứng lực trong, dự ứng lực ngoài, hay kết hợp cả hai loại công nghệ tạo dự ứng lực. Mặt cắt tiết diện có thể thay đổi hay không thay đổi tùy theo khẩu độ nhịp. Kết cấu nhịp có thể là BTCT DƯL hay kết hợp giữa kết cầu bêtông và kết cấu thép. Sườn dầm có thể bằng bêtông hay thép lượn sóng … Với các ưu điểm nổi bật trên đây cùng với sự hấp dẫn về mặt kết cấu, khẩu độ, kiểu dáng kiến trúc và giá thành xây dựng hợp lý, chắc chắn cầu Extradosed sẽ là một hướng phát triển nhiều triển vọng trong ngành xây dựng cầu ở trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng.

2.1.1 Các thông số cơ bản của cầu Extradosed

CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA CẦU EXTRADOSED

2.1.1 Cáp văng

Về cơ bản ta có thể dựa trên cáp của cầu dây văng tuy nhiên về lực căng cáp thì có hai hướng phát triển, hoặc là căng với giá trị 0,8f’y hoặc là căng với lực sau khi tính toán điều chỉnh nội lực.

Với cầu này tiến hành điều chỉnh nội lực để khử một phần momen do trọng lượng bản thân.

2.2. Nguyên tắc thiết kế cầu Extradosed thi công theo công nghệ hẫng

  • Quy trình thiết kế: 22TCN 272-05
  • Cơ sở tính toán:
  • Bài toán điều chỉnh nội lực:

Mục tiêu là khử một phần momen dương do trọng lượng bản thân gây ra trong giai đoạn khai thác.

+ Phương trình chính tắc dưới dạng tổng quát cho một phần tử bất kỳ.

Mt + Mc + Mx = 0

Mti: Momen uốn tại giữa phần tử do tỉnh tải gây ra.

Mc : Momen uốn chuẩn tại giữa phần tử cần đạt (hàm mục tiêu).

Mxi: Momen uốn tại giữa phần tử do lực điều chỉnh X1 gây ra.

+ Mở rộng cho các phần tử, ta có hệ phương trình dưới dạng ma trận:

[M].{X} + {Mt} + {Mc} = 0Mc

[M]: Ma trận ảnh hưởng momen uốn.

{X}: Vectơ ẩn lực trong các dây văng.

{Mt}: Vectơ momen uốn do tỉnh tải gây ra.

{Mc}: Vectơ momen uốn chuẩn (hàm mục tiêu).

Giải bài toán điều chỉnh nội lực trên bằng chức năng Unknown Load Factor trong phần mềm MIDAS-Civil.

+ Tính toán cốt thép bên trong dầm:

Sau khi ta có được lực căng trong dây, ta dựa vào biểu đồ momen trong giai đoạn thi công và khai thác để bố trí thêm cáp dự ứng lực bên trong dầm.

+ Tính toán kiểm tra theo các TTGH:

Mô tả các phần tử cable; mô tả các giai đoạn thi công; mô tả các trường hợp tải trọng và tổ hợp tải trọng; tính toán nội lực trong các giai đoạn thi công và khai thác; kiểm tra ứng suất (TTGH sử dụng) trong các giai đoạn thi công và khai thác; kiểm tra cường độ tiết diện theo mô men và lực cắt (TTGH cường độ).

2.3.  Ứng dụng phần mềm MIDAS Civil phân tích và thiết kế cầu qua hồ trung tâm Tỉnh Đăk Nông

2.3.1. Giới thiệu sơ lượt về phần mềm MIDAS Civil

MIDAS Civil là bộ phần mềm chuyên thiết kế cầu vừa mới du nhập vào Việt Nam trong vài năm gần đây. MIDAS đã được ứng dụng để thiết kế nhiều cầu lớn trên thế giới. Hiện nay các Kỹ sư cầu Việt Nam đang khẩn trương nghiên cứu MIDAS trong thiết kế kết cấu cầu từ nhịp vừa và nhịp lớn.

2.3.2. Giới thiệu tổng quan về cầu qua Hồ trung tâm Tỉnh Đăk Nông: Chiều dài nhịp: 87+160+87 m

Mặt cắt ngang cầu: Dầm hộp 2 ngăn. Chiều cao thay đổi từ 2,5 đến 5m Bê tông dầm có f’c = 40 Mpa

Cáp: Đường kính danh định 15,2 mm; Giới hạn bền 1860 Mpa.

2.3.3. Mô hình bài toán dưới dạng không gian

2.3.4. Một số kết quả tính toán chính

+ Biểu đồ mo men do căng cap ngoài (ứng suất căng 0.8f’y) và tĩnh tải bản thân khi không tính

điều chỉnh.

+ Biểu đồ mo men do căng cap ngoài (với lực điều chỉnh) và tĩnh tải bản thân khi có điều chỉnh.

+ Kết quả tính toán trong dầm:

Biểu đồ bao momen do tổ hợp tải trọng theo THGH cường độ

Biểu đồ bao lực cắt do tổ hợp tải trọng theo THGH cường độ

Biểu đồ bao ứng suất thớ trên do tổ hợp tải trọng theo TTGHSD

Biểu đồ bao ứng suất thớ dưới do tổ hợp tải trọng theo TTGHSD

Ngoài ra chương trình đưa ra được một số kết quả khác phục vụ cho công tác thi công, cụ thể như:

+ Diển biến momen, lực cắt, ứng suất của phần tử nào đó trong quá trình thi công.

+ Độ dản dài của các bó thép dự ứng lực.

+ Sự thay đổi cường độ theo từng giai đoạn thi công theo thời gian.

+ Chuyển vị tại một số vị trí trong các giai đoạn thi công.

Nguồn: Nguyễn Lan