NGHIÊN CỨU TÌM GÓC NGHIÊNG HỢP LÝ CỦA DÂY TREO TRONG CẦU VÒM THÉP DÂY TREO MẠNG LƯỚI
LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
Cầu vòm là một trong những loại cầu được xây dựng từ rất lâu đời, từ 3000 năm trước với vật liệu là gỗ đá, với nhịp cầu ngắn. Cho tới ngày nay, với sự phát triển của vật liệu và công nghệ thi công rất nhiều cầu vòm có nhịp lớn từ 200-500m đã được xây dựng. Cầu vòm thường được xây dựng tại những vị trí có địa hình phức tạp như là hẻm núi dốc, vượt qua lòng sông sâu, hoặc vượt qua những nơi có yêu cầu về khẩu độ thông thuyền cao. Hơn nữa cầu vòm thường có chiều cao kiến trúc lớn, mang tính thẩm mỹ cao nên thường dễ dàng trở thành điểm nhấn kiến trúc cho các công trình yêu cầu cao về tính biểu tượng và thẩm mỹ.
Đặc điểm của cầu vòm là vành vòm chủ yếu chịu nén và có thể được bố trí dầm dọc với vai trò thanh căng nhằm giảm lực xô ngang tại chân vòm. Đặc điểm chịu lực này khiến cho vành vòm, chân vòm thường có kích thước lớn, ảnh hưởng đến khả năng vượt nhịp, kiến trúc cầu cũng như tính kinh tế và tính khả thi trong thi công.
Vậy để giải quyết câu hỏi làm sao để cầu vòm có khả năng vượt nhịp lớn hơn? Vành vòm có kiến trúc thanh mảnh hơn? Đó là tìm cách phân phối nội lực đều hơn lên vành vòm và dầm dọc bằng cách bố trí lại hệ thống dây treo nối vành vòm với dầm ngang với các góc nghiêng thay đổi khác nhau. Trong nghiên cứu của Tveit [9] so sánh đường ảnh hưởng do hoạt tải gây ra đối với vành vòm và dầm dọc, phương án thay đổi góc nghiêng của dây treo luôn cho giá trị nhỏ hơn so với khi bố trí dây treo theo phương thẳng đứng.
Vậy cần phải thay đổi các góc nghiêng dây treo khác nhau nhằm tìm ra góc nghiêng dây treo hợp lý, là góc tương ứng với nội lực sinh ra trong vành vòm và dầm dọc là nhỏ nhất dưới tác dụng của hoạt tải. Từ đó có thể giảm tiết diện của vành vòm và dầm dọc, giúp cho kết cấu cầu thanh mảnh và tiết kiệm kinh phí xây dựng hơn.
Ngoài ra, việc nghiên cứu làm chủ thiết kế và thi công cầu vòm dây treo mạng lưới, từ đó áp dụng thực tế một số công trình cầu ở Việt Nam là hết sức cần thiết nhằm góp phần đa dạng hóa loại hình kết cấu, kiến trúc cầu trong nước
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Tiến hành nghiên cứu về kết cấu cầu vòm mạng lưới với mục đích phân tích tìm hiểu nguyên tắc cấu tạo, đặc điểm ứng xử cũng như phương pháp thiết kế kết cấu này. Từ đó nắm rõ, làm chủ được công nghệ thiết kế và thi công dạng cầu này.
Bên cạnh đó, luận văn cũng tập trung nghiên cứu ảnh hưởng góc nghiêng dây treo tới nội lực cầu dưới tác dụng của hoạt tải, từ đó tìm ra góc nghiêng hợp lý của dây treo đối với một trường hợp cụ thể.
ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu trong luận văn này là cầu vòm dây treo mạng lưới (The Network Arch Bridge – NAB), và cụ thể là góc nghiêng của dây treo đối với một nhịp cầu được lấy làm ví dụ nghiên cứu.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu được thực hiện trong luận văn là nghiên cứu các tài liệu khoa học trong và ngoài nước về cấu tạo, ứng xử và tính toán, thiết kế kết cấu cầu vòm dây treo mạng lưới;
Lập mô hình tính toán, khảo sát với một chiều dài nhịp cầu làm ví dụ nghiên cứu, từ đó so sánh ảnh hưởng của nội lực cầu dưới tác dụng của hoạt tải với các góc xiên khác nhau: 300, 450, 600, 750, 900 và dây treo giao cắt hướng tâm, từ đó đưa ra góc xiên hợp lý về mặt chịu lực ứng với nhịp cầu được khảo sát.
KẾT CẤU CỦA LUẬN VĂN
Nội dung luận văn chia thành các phần chính sau:
“Phần mở đầu” giới thiệu tổng quan đối tượng, mục đích và phạm vi cũng như phương pháp nghiên cứu của đề tài.
Chương 1: “Giới thiệu kết cấu cầu vòm mạng lưới” trình bày một cách tổng quát các đặc điểm cấu tạo cũng như đặc điểm làm việc loại kết cấu này.
Chương 2: “Đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc và các giải pháp thiết kế thi công cầu vòm mạng lưới”.
Chương 3: Khảo sát ảnh hưởng của góc nghiêng dây treo đến sự làm việc của kết cấu.
Phần kết luận và kiến nghị: nêu tóm tắt các kết luận và kiến nghị của luận văn.
CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU KẾT CẤU CẦU VÒM MẠNG LƯỚI
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CHUNG CỦA CẦU VÒM
Kết cấu dạng vòm là kết cấu cổ xưa nhất mà con người đã sáng tạo ra nhằm vượt chướng ngại vật trên các tuyến đường. Nhận thấy lợi thế của kết cấu dạng vòm chủ yếu chịu nén, các kiến trúc sư của đế chế La Mã đã xây dựng nhiều công trình vòm bằng đá. Rất nhiều trong số chúng thậm chí còn tồn tại đến ngày nay. Nguồn gốc cầu vòm hiện nay còn chưa được làm rõ.
Thế kỷ thứ 18 với cuộc cách mạng công nghiệp ở Anh, thép đúc và thép rèn được sản xuất công nghiệp. Gang thép được dùng nhiều trong kết cấu công trình cầu.
Cùng với sự phát triển kinh tế, khoa học kỹ thuật, cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã phát triển mạnh mẽ, đặc biệt ở Trung Quốc.
Dạng cầu vòm dây treo mạng lưới thực tế được phát triển từ cầu vòm dạng Nielsen (cầu vòm dây treo xiên không giao nhau, hoặc giao nhau tại 1 điểm). Sau quá trình sử dụng và kiểm chứng, với ưu điểm là có tính thẩm mỹ cao, tăng tính ổn định tổng thể và có thể giảm tiết diện vành kết cấu vòm, cầu vòm dây treo mạng lưới đã được đưa vào ứng dụng ở rất nhiều nước trên thế giới.
Ở Việt Nam, cầu vòm ống thép nhồi bê tông đầu tiên được xây dựng là cầu Ông Lớn nằm trên đại lộ Nguyễn Văn Linh, bắc qua rạch Ông Lớn, Tp. Hồ Chí Minh. Cầu Ông Lớn với nhịp vòm 99.1m. Đến nay hàng loạt cầu vòm ống thép nhồi bê tông đã được thiết kế và xây dựng, tiêu biểu như cầu Xóm Củi, cầu Cần Giuộc -Tp. Hồ Chí Minh, cầu Rồng – Đà Nẵng, cầu Đông Trù – Hà Nội.
CÁC DẠNG CƠ BẢN CỦA CẦU VÒM
Tùy theo đặc điểm chịu lực có thể phân biệt các loại cầu vòm sau :
+ Dựa theo sơ đồ kết cấu: có thể phân cầu vòm thành các loại như: cầu vòm không chốt, vòm hai chốt và vòm ba chốt:
+ Dựa theo sự liên kết và làm việc giữa các bộ phận cầu: có cầu vòm đơn giản, cầu vòm liên hợp
+ Dựa vào vị trí đường xe chạy: có cầu đường xe chạy dưới, chạy trên và chạy giữa.
SƠ LƯỢC VỀ CẦU VÒM DÂY TREO MẠNG LƯỚI (NAB)
1.3.1. Cầu vòm NIELSEN
Octavius F.Nielsen là người sáng chế ra kết cấu vòm với các thanh treo xiên. Cầu Oster Daleelven, Thụy Điển với chiều dài nhịp 86m là cầu vòm bê tông đầu tiên với dây treo xiên được Christani và Nielsen xây dựng vào những năm của thập niên 1920.
1.3.2. Cầu vòm dây treo mạng lưới Nhật Bản (Japanese Network Arch Bridge)
Giáo sư người Nhật Bản Masao Naruok đã có ý tưởng phát triển loại kết cấu NAB ở Nhật Bản sau khi xem xét cầu Fehmarn Sound năm 1960. Hơn 50 cầu loại này đã được xây dựng và hầu hết đều sử dụng dây treo có góc xiên không đổi.
1.3.3. Cầu vòm dây treo mạng lưới (Network Arch Bridge)
Vào năm 1955, trong quá trình nghiên cứu về cầu vòm dây treo xiên, cầu vòm dạng Nielsen, Per Tveit đã nghĩ ra ý tưởng để giảm thiểu mô men uốn trong thanh căng của vòm. Ông đã đề xuất giảm góc nghiêng của dây treo và các dây treo được giao nhau nhiều lần hơn.
Sau đó ý tưởng này được phát triển và ứng dụng rộng rãi trên rất nhiều nước như Đức, CH Séc, Ba Lan, Mỹ và đặc biệt là Nhật Bản.
Hình 1.9. Cầu Novosibirsk – LB Nga (380m – 2014)
1.3.4. So sánh cầu vòm mạng lưới với cầu vòm có dây treo thẳng đứng
- So sánh về cách bố trí các dây treo
Sự khác nhau cơ bản trên cầu vòm dây treo mạng lưới (Network Arch Bridge – NAB) với các loại cầu vòm dây treo khác là cách bố trí các dây treo với góc nghiêng lớn hơn và hầu hết các dây treo cắt nhau hơn hai lần, minh họa cho cách bố trí được thể hiện như hình dưới đây:
Bố trí dây treo là vấn đề cơ bản của tất cả các cầu vòm dây treo mạng lưới và làm cho nó khác biệt cơ bản với cầu vòm thanh căng có dây treo thẳng đứng. Số lượng, góc xiên và khoảng cách giữa các dây treo ảnh hưởng rất lớn đến sự làm việc của cả kết cấu.
Hệ dây treo dạng lưới làm cho kết cấu cầu vòm trở nên thanh mảnh hơn rất nhiều, vì chúng làm việc như hệ giàn với mô men uốn rất nhỏ tại thanh căng và vành vòm.
- So sánh về ứng xử của kết cấu
- So sánh về trọng lượng thép sử dụng
Nhận xét: Với những so sánh nêu trên cũng như các ghi nhận được từ các công trình thực tế đã được thi công trên thế giới, ta rút ra một số nhận xét như sau:
+ Với cầu vòm thép dây treo mạng lưới thì nội lực phát sinh do hoạt tải lên vành vòm là nhỏ hơn do đó vòm sẽ có tiết diện nhỏ hơn, cầu có độ mảnh và khả năng vượt nhịp hơn so với các loại cầu vòm khác.
+ Tổng trọng lượng thép cho kết cấu phần trên là giảm đi đáng kể so với các loại cầu vòm khác.
+ Hệ thống dây treo, kết hợp với vòm tạo thành kết cấu có tính thẫm mỹ cao.
Với những ưu điểm nêu trên, việc nghiên cứu, nắm bắt cấu tạo chi tiết của cầu vòm thép dây treo mạng lưới, cũng như việc mô hình hóa một sơ đồ cầu cụ thể để tìm hiểu về ứng xử của kết cấu, ảnh hưởng của hệ thống dây treo lên sơ đồ cầu là một việc làm rất cần thiết.
CÔNG NGHỆ THI CÔNG CẦU VÒM DÂY TREO MẠNG LƯỚI
Thông thường, kết cấu nhịp vòm thép bao gồm vành vòm, dầm chủ, dầm ngang v.v… được chế tạo tại nhà máy thành các mô đun và vận chuyển, tập kết tại bãi thi công để lắp dựng. Sau đó vận chuyển vòm thép ra vị trí bến, đưa xuống hệ nổi và chở đến vị trí xây dựng và cẩu lắp nhịp vòm thép vào vị trí.
Tùy điều kiện thực tế, công tác cẩu lắp vòm từ hệ nổi vào vị trí có thể thực hiện theo các phương pháp sau:
- Dùng cẩu có sức nâng lớn nâng hạ kết cấu vòm thép vào vị trí.
- Dùng hệ cẩu hạng nặng, có thể kết hợp trụ tạm kéo kết cấu vòm từ hệ nổi và sàng ngang vào vị trí. Có thể chế tạo kết cấu vòm, vận chuyển và lắp đặt bằng hệ cẩu hạng nặng hoặc kết hợp đà giáo trụ tạm, lắp dựng ngay tại công trường.
- Lắp dựng vòm theo phương pháp sử dụng tháp dây thiên tuyến
CHƯƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ CÁC GIẢI PHÁP THI CÔNG CẦU VÒM DÂY TREO MẠNG LƯỚI
CẤU TẠO CẦU VÒM THÉP DÂY TREO MẠNG LƯỚI
Về cơ bản cầu vòm thép dây treo mạng lưới là cầu vòm có thanh căng, nó bao gồm các bộ phận chính như sau: vành vòm, dầm chủ cũng đóng vai trò thanh căng, dây treo, dầm ngang, dầm dọc phụ, giằng gió trên, giằng gió dưới, bản mặt cầu, v.v…
Vành vòm và đường tên vòm
- Chiều cao đường tên vòm
Cũng giống như đối với cầu vòm có thanh căng, chiều cao đường tên (f) của cầu vòm dây treo mạng lưới thường được lựa chọn như sau: f/L = 1/5 ÷ 1/6, trong đó L là chiều dài nhịp. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ nên chiều cao đường tên của vòm dây treo mạng lưới thường được lấy bằng 15% chiều dài nhịp. Đối với hầu hết các cầu vòm dây treo mạng lưới Nhật Bản, chiều cao đường tên vòm thường lấy bằng 15% ÷17% chiều dài nhịp.
Thanh căng
Thanh căng có thể được làm bằng thép gồm hai dầm chủ nối với vành vòm. Khi này vật liệu của thanh căng cũng tương tự như vật liệu của vành vòm và hệ thống bản mặt cầu thường bao gồm hệ dầm ngang, dầm dọc phụ và bản mặt cầu BTCT liên hợp.
Hệ dây treo
- Cấu tạo hệ dây treo
- Hệ dây treo:
Hệ dây treo trong kết cấu cầu vòm mạng lưới bao gồm các dây treo được bố trí chéo nhau đảm bảo tải trọng tác dụng gây ra hiệu ứng nhỏ nhất và đồng đều trong kết cấu. Dây treo có thể làm bằng thép thanh hoặc dây cáp cường độ cao.
Đối với dây treo dạng thanh thép: mặt cắt ngang thường là hình ống tròn, để có khả năng chịu kéo cao, giảm khối lượng kết cấu, tăng vẻ mỹ quan, giảm cọ xát, thoát gió tốt.
- Mối nối dây treo với vòm:
Thường sử dụng bản nối để liên kết. Phụ thuộc vào dạng mặt cắt vòm mà sử dụng hai phương pháp liên kết khác nhau, nếu mặt cắt vòm là hình hộp thì mối nối nên sử dụng liên kết hàn, còn vòm tiết diện hình chữ H thì mối nối dùng liên kết bu lông.
Hệ giằng gió
Cấu tạo của giằng gió rất đa dạng và thường được lựa chọn theo khoảng cách của hai vành vòm.
Hệ giằng gió đơn giản nhất là sử dụng các thanh ngang đặc liên kết hai vòm. Loại này chủ yếu áp dụng khi khoảng cách giữa hai vành vòm không lớn. Khi khoảng cách giữa hai vành vòm lớn, để tiết kiệm và tăng sự ổn định ta sử dụng hệ giằng gió dạng khung chữ K, dạng tam giác v.v…
Chân vòm
Chân vòm là nơi tập trung nhiều cấu kiện của cầu nên có đặc điểm cấu tạo và chịu lực rất phức tạp.
ĐẶC ĐIỂM CHỊU LỰC CỦA CẦU VÒM THÉP DÂY TREO MẠNG LƯỚI
Đối với những vòm là một phần của đường tròn, nếu tải trọng phân bố đều tác dụng hướng tâm lên vòm như thì sẽ không gây ra mô men uốn trong vòm. Điều này đã được chứng minh trong cơ học kết cấu, khi lựa chọn đường trục vòm hợp lý thì trong vòm chỉ xuất hiện lực dọc trục.
Tuy nhiên, điều đó chỉ đúng khi trục vòm không có sự thay đổi về vị trí. Trên thực tế, khi chịu tác dụng hướng tâm từ các dây treo, trục vòm sẽ bị chuyển vị theo phương hướng vào tâm gây ra độ lệch tương đối, làm trục vòm không còn trùng với phương trình trục vòm hợp lý, gây ra mô men trong vòm. Nếu độ lệch này càng lớn, mô men xuất hiện trong vòm càng lớn.
Nghiên cứu của P.Tveit cũng cho thấy khi có một tải trọng phân bố đều trên một vòm parabol với dây treo thẳng đứng thì kết cấu làm việc rất tốt do các bộ phận chủ yếu chịu lực dọc trục. Nghiên cứu sự làm việc của cầu vòm dây treo thẳng đứng khi chịu tác dụng của tải trọng không đối xứng (xếp tải một nửa nhịp) thì lực tác dụng lên các dây treo ở 2 phía của nhịp chênh lệch nhau nhiều, vòm chịu lực cục bộ và bị uốn lệch. So với phương án bố trí dây treo xiên, tải trọng ở đầu nhịp bên này có thể truyền tương đối qua nhịp còn lại.
ĐẶC ĐIỂM MÔ HÌNH HOÁ, TÍNH TOÁN CẦU VÒM DÂY TREO MẠNG LƯỚI
Giới thiệu kết cấu
Kết cấu có đặc điểm sau:
- Chiều dài nhịp vòm 63.46 m
- Chiều cao đường tên vòm f = 10.6 m
- Góc nghiêng dây
- Số làn xe: 3 làn xe cơ giới, 2 làn người đi bộ
Tính toán tổng thể (Global analysis)
 |
Hình 2.35. Mô hình tính toán kết cấu
- Các trường hợp phân tích chính
- Phân tích tĩnh
Phân tích tĩnh tương ứng với tĩnh tải (trọng lượng bản thân kết cấu), trọng lượng các lớp phủ và các bộ phận gắn thêm, hoạt tải phương tiện và người đi, tải trọng gió tĩnh, nhiệt độ thay đổi đều và gradient nhiệt, v.v.
Các tĩnh tải cũng như tải trọng gió tĩnh được mô hình hoá tương ứng thành tải trọng dầm, tải trọng khối, v.v.
Hoạt tải phương tiện và người được mô hình hoá thành các làn xe và được phân tích theo phương pháp đường ảnh hưởng.
Tải trọng nhiệt độ thay đổi đều cũng như gradient nhiệt được phân tích dựa trên mô hình tải trọng nhiệt của phần mềm.
- Phân tích ổn định tổng thể
- Lực dọc nén lớn nhất tại giữa vòm
- Mô men uốn Mz lớn nhất tại giữa vòm
- Mô men uốn My lớn nhất tại giữa vòm
- Lực dọc nén lớn nhất tại¼ nhịp vòm
- Mô men uốn Mz lớn nhất tại¼ nhịp vòm
- Mô men uốn My lớn nhất tại ¼ nhịp vòm
- Kết quả tính toán
Kết quả tính toán kết cấu bao gồm:
- Phản lực, nội lực và chuyển vị của tất cả các bộ phận kết cấu ứng với từng trường hợp tải trọng,
- Các dạng dao động cùng tần số & chu kỳ dao động,
- Các dạng mất ổn định cùng hệ số ổn định, v.v.
- Chuyển vị lớn nhất theo các phương
| DX (mm) | DY (mm) | DZ (mm) | Nguyên nhân |
| 17 | 5,5 | Nhiệt độ thay đổi đều | |
| 29 | Hoạt tải |
- Tổ hợp nội lực bất lợi cho từng dạng cấu kiện
Một số kết quả điển hình được thể hiện trên bảng sau:
Bảng 2.1. Kết quả tổ hợp nội lực bất lợi cho một số cấu kiện chính
| Cấu kiện | Axial | Lực cắt – y | Lực cắt – z | Mô men xoắn | Mô men uốn – y | Mô men uốn – z |
| (kN) | (kN) | (kN) | (kN·m) | (kN·m) | (kN·m) | |
| Vòm chính | -5040, | 5,81 | -206, | 36,4 | 542,7 | -22,8 |
| Dầm dọc | 1983,4 | -129,8 | -362 | -181,1 | 283,8 | 13,0 |
| Thanh treo | 495,4 | – | – | – | – | – |
| Bản mặt cầu (dọc cầu) | -143,6 | 50,5 | 79,4 | 44,7 | -61,74 | 2,6 |
| -378,7 | 97,4 | 94,4 | -21,7 | 175,58 | 4,8 | |
| Dầm ngang đầu cầu | 454,9 | -293,7 | -79,3 | -61,1 | 268,3 | 7,5 |
| 222,6 | -1387, | -494,8 | 75,0 | -340,5 | -19.5 |
 |
Hình 2.37. Biểu đồ mô men trong dầm và vòm chính do hoạt tải
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA GÓC NGHIÊNG DÂY TREO ĐẾN SỰ LÀM VIỆC CỦA KẾT CẤU
NỘI DUNG KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU
Để có thể hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của việc bố trí và góc nghiêng của dây treo tới sự làm việc và nội lực của cầu, ta tiến hành khảo sát sự biến đổi nội lực trong vành vòm, thanh căng và dây treo ứng với các góc nghiêng khác nhau của dây treo.
Ứng với mỗi chiều dài nhịp khác nhau, hình dạng vành vòm khác nhau sẽ có rất nhiều cách bố trí hệ thống dây treo, góc nghiêng dây treo khác nhau. Do đó để giảm bớt khối lượng tính toán, đề tài sẽ chỉ tập trung khảo sát cầu có chiều dài nhịp và cấu tạo như đã được đề cập trong chương 2. Việc mô hình và tính toán với một số góc nghiêng cụ thể nhằm khảo sát ảnh hưởng của hoạt tải tới nội lực cầu. Từ đó tìm ra quy luật để đề xuất góc nghiêng hợp lý về mặt chịu lực cũng như phương hướng nghiên cứu tiếp theo.
Xây dựng mô hình tính toán kết cấu ứng với các phương án bố trí dây treo có góc nghiêng không đổi so với dầm dọc cầu là góc 300, 450, 600, 750, 900 và kết cấu cầu có dây treo giao cắt hướng tâm.
KẾT QUẢ KHẢO SÁT, NGHIÊN CỨU
Đối với cầu vòm dây treo mạng lưới, sơ đồ bố trí và số lượng dây treo rất quan trọng, ảnh hưởng lớn đến sự làm việc của kết cấu cũng như kích thước của các cấu kiện cơ bản. Tiêu chí đánh giá sự làm việc tối ưu của kết cấu thể hiện ở các điểm sau:
- Kết cấu làm việc đồng đều dưới tác dụng của hoạt tải
- Mô men lớn nhất xuất hiện trong vòm và thanh căng
- Lực lớn nhất trong dây treo
Tương ứng với nó, ta sử dụng các đại lượng sau để so sánh:
- Diện tích đường ảnh hưởng phần tử thanh giữa dầm chủ, thanh giữa vòm, dây treo giữa dầm
- Mmax: giá trị mô men lớn nhất trong vòm (thanh căng)
- Mmin: giá trị mô men nhỏ nhất trong vòm (thanh căng)
- Nmax: giá trị lực lớn nhất của vòm (thanh căng hoặc dây treo)
- Nmin: giá trị lực nhỏ nhất trong vòm
3.2.1. Đường ảnh hưởng của thanh giữa vòm
- Kết quả tính diện tích Đah của vòm
Bảng 3.1. Kết quả tính toán Đah của vòm.
| Góc nghiêng | Tung độ Đah min | Tung độ Đah max | Diện tích Đah âm | Diện tích Đah dương | Tổng diện tích đah |
| 300 | -0.311 | 0.153 | -5.155 | 3.224 | -1.931 |
| 450 | -0.201 | 0.042 | -2.539 | 0.449 | 2.090 |
| 600 | -0.071 | 0.000 | -2.124 | 0.000 | 2.124 |
| 750 | -0.103 | 0.231 | -2.778 | 2.569 | -0.209 |
| 900 | -0.007 | 0.668 | -5.507 | 7.125 | 1.618 |
| Hướng tâm | -0.124 | 0.074 | -1.792 | 0.482 | -1.310 |
3.2.2. Đường ảnh hưởng phần tử giữa dầm chủ (thanh căng)
- Kết quả tính diện tích Đah của phần tử giữa dầm chủ
Bảng 3.2. Kết quả tính toán Đah của dầm chủ.
| Góc nghiêng dây xiên | Tung độ Đah min | Tung độ Đah max | Diện tích Đah âm | Diện tích Đah dương | Tổng diện tích đah |
| 300 | -0.122 | 0.980 | -3.54 | 4.27 | 0.73 |
| 450 | -0.110 | 0.848 | -2.21 | 2.90 | 0.69 |
| 600 | -0.082 | 0.786 | -1.54 | 2.45 | 0.91 |
| 750 | -0.053 | 0.847 | -1.72 | 3.12 | 1.40 |
| 900 | -0.104 | 1.062 | -2.93 | 5.69 | 2.76 |
| Hướng tâm | -0.102 | 0.894 | -1.41 | 3.50 | 2.09 |
3.2.3. Phần tử dây treo giữa dầm
- Kết quả tính diện tích đah phần tử dây treo giữa dầm
Bảng 3.3. Kết quả tính diện tích đường ảnh hưởng của dây treo
| Góc nghiêng | Tung độ Đah min | Tung độ Đah max | Diện tích Đah âm | Diện tích Đah + | Tổng d.tích đah |
| 300 | -0.045 | 0.222 | -0.24 | 3.93 | 4.17 |
| 450 | -0.065 | 0.228 | -0.96 | 3.20 | 4.16 |
| 600 | -0.105 | 0.227 | -1.54 | 3.32 | 4.86 |
| 750 | -0.148 | 0.216 | -2.53 | 4.04 | 6.57 |
| 900 | 0 | 0.131 | 0 | 1.45 | 1.45 |
| Hướng tâm | -0.083 | 0.240 | -1.0 | 3.99 | 4.99 |
3.2.4. Kết quả so sánh nội lực của các phương án
Biểu đồ 3.1. Kết quả so sánh nội lực trong dầm chủ.
Biểu đồ 3.2. Kết quả tính so sánh nội lực trong vành vòm
Biểu đồ 3.3. Kết quả so sánh nội lực trong dây treo
3.2.5. Kết quả tính toán khối lượng thép
Biểu đồ 3.4. Khối lượng thép của các phương án
3.2.6. Nhận xét về kết quả khảo sát
Từ kết quả nghiên cứu một số mô hình ta đưa ra được kết luận sau:
– Với phương án bố trí dây treo có các điểm giao cắt hướng tâm, lực dọc trong dây treo lớn hơn phương án dây treo xiên một góc không đổi so với thanh căng 900, nhưng nhỏ hơn so với phương án dây treo có góc xiên không đổi còn lại.
– Với cầu có chiều dài nhịp được nghiên cứu trong đề tài này, dây treo có góc nghiêng 600 là có nội lực bé nhất do đó là góc nghiêng hợp lý nhất về mặt chịu lực.
– Từ biểu đồ đường ảnh hưởng tại tiết diện thanh giữa vòm, kết cấu vòm theo phương án dây treo có các điểm giao cắt hướng tâm chịu hoạt tải đồng đều hơn phương án dây xiên góc không đổi.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Việc phân tích, nghiên cứu về kết cấu cầu vòm mạng lưới cho phép rút ra những kết luận sau:
• Sơ đồ và số lượng dây treo ảnh hưởng quyết định tới sự làm việc của kết cấu, sơ đồ dây treo có các điểm giao cắt hướng tâm có khả năng chịu lực tốt hơn các sơ đồ dây treo có góc xiên không đổi ngoài ra với chiều dài nhịp được nghiên cứu trong đề tài, góc nghiêng của dây treo tại 600 là hợp lý nhất về mặt chịu lực.
• Kết cấu đơn giản, không yêu cầu chế tạo đặc biệt có thể chế tạo trực tiếp từ nhà máy, phù hợp với năng lực chế tạo của các đơn vị thi công trong nước, dễ dàng đảm bảo chất lượng và tiến độ đặc biệt là đối với công trình đầu tiên sử dụng loại kết cấu vòm thép có dây treo xiên.
• Có khả năng duy tu, bảo dưỡng dễ dàng, đặc biệt là đối với các dây treo sử dụng cáp và neo dự ứng lực dạng dây văng.
Ưu nhược điểm của kết cấu cầu NAB:
Ưu điểm:
- Về cấu tạo và chịu lực: Kết cấu chịu lực đồng đều, làm việc hợp lý. Do đó, NAB là dạng kết cấu tối ưu về khả năng chịu lực.
- Chế tạo, lắp đặt: Kết cấu có trọng lượng tương đối nhẹ, số lượng chi tiết và số lượng mối hàn ít, thêm vào được chế tạo lắp đặt trong công xưởng sau đó được vận chuyển đến vị trí xây dựng nên đảm bảo được chất lượng thi công và lắp đặt.
- Duy tu bảo dưỡng: NAB cần lượng vật liệu thấp hơn nhiều so với các dạng cầu thép khác, do đó duy tu bảo dưỡng kết cấu cũng giảm xuống. Ngoài ra, nếu thanh căng (dầm chủ) là một tấm BT có dự ứng lực trước thì công tác bảo dưỡng với bê tông cũng ít hơn so với các dạng kết cấu khác.
- Tính thẩm mỹ: Ưu điểm nổi bật của NAB là tính thẩm mỹ. Do các bộ phận của cầu làm việc hợp lý, vật liệu sử dụng là thép và bê tông cường độ cao, tận dụng tối đa khả năng làm việc của vật liệu, nên kiến trúc cầu hết sức thanh mảnh, hài hòa với môi trường xung quanh.
- Tính kinh tế: là yếu tố hết sức quan trọng, ảnh hưởng tới tính khả thi của thiết kế. Việc đánh giá tính kinh tế căn cứ vào nhiều yếu tố, phụ thuộc vào từng công trình cụ thể và thường được so sánh dựa trên phân tích kinh tế kỹ thuật của nhiều phương án. Do đó, đánh giá ở đây chỉ xét cơ bản về vật liệu cần thiết sử dụng để chế tạo và chi phí duy tu bảo dưỡng trong quá trình khai thác. Như ở trên đã nêu, với một cầu vòm thép dây treo mạng lưới, lượng thép sử dụng tiết kiệm hơn so với những dạng cầu thép khác, việc bảo trì kết cấu trong quá trình sử dụng cũng ít hơn nên chi phí bỏ ra thấp hơn, Ngoài ra, với trọng lượng kết cấu nhẹ nên chi phí đầu tư xây dựng kết cấu móng cũng giảm nhiều, đây là một trong những ưu thế về kinh tế của NAB.
- Phạm vi áp dụng: Với trọng lượng nhẹ gây nên áp lực ở hai trụ hoặc mố nhỏ vì vậy cầu có thể phù hợp với những vùng có địa chất yếu. Chiều cao kiến trúc của cầu thấp, hạn chế được cao độ đất đắp đầu cầu góp phần làm giảm độ dốc của trắc dọc. Áp dụng phù hợp cả cầu đường bộ và cầu đường sắt, đặc biệt với cầu đường sắt khi bề rộng cầu nhỏ sử dụng thanh căng bằng bản mặt cầu BTCT DƯL. Cầu có kiến trúc thanh mảnh, hình vòm cân đối có độ cong bắt mắt vì vậy tính thẩm mỹ cao phù hợp với cầu hiện đại trong thành phố
Nhược điểm:
- Số lượng dây treo nhiều nên việc tính toán và thi công lắp đặt dây treo gặp nhiều khó khăn.
- Mặc dù loại cầu này tiết kiệm được một khối lượng thép tương đối lớn nhưng giá thành trên một đơn vị thép lại cao.
KIẾN NGHỊ
- Trong phạm vi đề tài luận văn thạc sỹ, học viên đã bước đầu tìm hiểu cấu tạo, quan điểm thiết kế chung, phân tích khảo sát sự làm việc của kết cấu cầu vòm dây treo mạng lưới. Cũng như khảo sát để tìm ra ảnh hưởng của góc nghiêng đối với nội lực cầu do hoạt tải gây ra, từ đó tìm ra góc nghiêng hợp lý về mặt chịu lực. Tuy nhiên, đề tài cũng chỉ nghiên cứu với một chiều dài cầu cụ thể, do đó cần phải có những nghiên cứu sâu và hoàn thiện hơn nữa để đạt được mục tiêu như đã nêu trên.
- Những kiến nghị về các vấn đề cần nghiên cứu trong tương lai:
- Cần nghiên cứu, phân tích sự mất ổn định phi tuyến có thể được đánh giá chính xác hơn sự làm việc của kết cấu vòm, đặc biệt là vòm có độ mảnh lớn.
- Cần có các nghiên cứu theo phương pháp biến dạng để xét đến ảnh hưởng của sự chùng của dây treo, biến dạng của vành vòm đến sự làm việc chung của kết cấu.
- Nghiên cứu sâu hơn, số liệu nhiều hơn để có thể lập ra biểu đồ tương quan giữa chiều dài nhịp cầu ứng với góc nghiêng hợp lý của dây treo.
- Nghiên cứu tính toán ổn định hệ thống vòm trong quá trình thi công cẩu lắp.
- Nghiên cứu sự ảnh hưởng hình dạng vòm đến sự làm việc của kết cấu.
E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\K28 – Cao Cu Vinh\SAU BAO VE
