Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc

1. Lý do chọn đề tài

Kết cấu cầu treo dây võng có khả năng vượt nhịp lớn nhưng rất nhạy cảm với các tác động của môi trường. Cầu treo Thuận Phước, thành phố Đà Nẵng nằm ở khu vực Miền Trung có biên độ thay đổi nhiệt độ tương đối lớn, kết cấu nhịp chính bằng vật liệu thép nên sự ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử kết cấu càng lớn. Phân tích và thiết kế kết cấu cầu treo dây võng thường rất phức tạp do tính phi tuyến hình học của hệ thống. Chiều dài nhịp dầm thép lớn cùng với bậc siêu tĩnh cao của hệ thống làm cho ảnh hưởng của nhiệt độ lên ứng xử của toàn cầu khá phức tạp và cần xem xét đến trong đánh giá cầu.

Hiện tại cầu Thuận phước đã được lắp đặt xong hệ thống quan trắc bao gồm nhiều loại cảm biến trong đó có các cảm biến nhiệt độ. Việc phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ từ dữ liệu quan trắc đến các ứng xử của kết cấu (ứng suất, chuyển vị, …) làm cơ sở cho phân tích đánh giá sức khỏe kết cấu cầu này là cần thiết về mặt lý thuyết cũng như thực tiễn.

Trong khuôn khổ một luận văn thạc sĩ ứng dụng, học viên lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc” có tính ứng dụng thực tiễn và cần thiết.

2. Mục tiêu đề tài

– Đánh giá ứng xử kết cấu nhịp chính cầu treo thuận phước do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế.

– Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn kết cấu nhịp chính phù hợp với ứng xử thực tế làm cơ sở cho đánh giá cầu.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

– Ứng suất, chuyển vị do tải trọng nhiệt độ quan trắc thực tế lên kết cấu nhịp chính cầu treo Thuận Phước.

4. Phương pháp nghiên cứu

– Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm.

Tổng quan kết cấu cầu treo dây võng

Sự phát triển và các dạng kết cấu cầu treo dây võng

Cầu treo là loại công trình xuất hiện sớm và nhanh chóng được áp dụng rộng rãi nhờ có nhiều ưu điểm về các phương diện kinh tế cũng như kỹ thuật. Với việc sử dụng dây làm kết cấu chịu lực chính, từ thời xa xưa con người làm những chiếc cầu treo đầu tiên dùng cho người đi bộ. Cấu tạo của những chiếc cầu treo cổ xưa rất đơn giản, chỉ gồm các tấm ván lát trực tiếp lên các dây được buộc cố định hai đầu. Các cầu treo kiểu này không có khả năng chịu tải trọng lớn, bị lắc ngang rung động mạnh và khả năng chịu gió bão rất kém.

Chiếc cầu treo đầu tiên mang dáng vẻ gần với cầu treo hiện đại là cầu qua sông Tess được xây dựng năm 1741 ở Anh, cầu có chiều dài nhịp 21m dùng cho công nhân mỏ đi lại. Sự tiến bộ của chiếc cầu này là ở chỗ cấu tạo phần mặt cầu riêng biệt và được treo lên dây chủ thông qua các dây treo đứng.

Cho tới những năm đầu thế kỷ XIX cầu treo bắt đầu được quan tâm do những ưu điểm về khả năng vượt nhịp và tính kinh tế so với cầu đá, cầu gỗ là loại đang được áp dụng phổ biến. Năm 1820 khi xây dựng cầu treo qua sông Tweed (Anh) có nhịp 137m, người ta đã so sánh và thấy rằng giá thành chỉ bằng một phần tư so với phương án cầu đá. Ngoài nước Anh, các nước Pháp, Mỹ và một số nước châu Âu khác các công trình cầu treo nối tiếp được xây dựng, tuy nhiên vẫn chưa vượt được nhịp lớn. Chiếc cầu treo điển hình và có chiều dài nhịp lớn nhất ở giai đoạn này là cầu Menai, được xây dựng năm 1826 ở xứ Wales với chiều dài nhịp 177m (Hình 1.1), cầu phục vụ được trong thời gian gần một trăm năm. Đặc điểm của các công trình cầu treo trong thời kỳ này là các dây chủ có cấu tạo dạng dây xích.

Cầu treo là loại công trình chiếm một vị trí quan trọng trong lịch sử phát triển của ngành xây dựng cầu. Nhờ những ưu điểm về các phương diện kinh tế – kỹ thuật, cầu treo đã được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, từ những công trình có chiều dài nhịp vài chục mét đến hàng nghìn mét. Nhiều công trình cầu treo đã trở thành các biểu tượng đánh dấu sự phát triển của khoa học – công nghệ.

Các dạng kết cấu cầu treo dây võng

Cầu treo dầm cứng có lực đẩy ngang

Cầu treo một nhịp

Cầu treo ba nhịp

Cầu treo dầm cứng không có lực đẩy ngang

Cầu treo nhiều nhịp

Cầu treo được tăng cường độ cứng

Cầu dàn dây

Kết cấu nhịp chính cầu treo dây võng Thuận Phước

Vị trí xây dựng

Cầu Thuận Phước nằm trên cửa sông Hàn và nối liền hai quận Hải Châu và Sơn Trà, quận Thanh Khê, thành phố Đà Nẵng.

Quy mô công trình

Cầu Thuận Phước dài 1855m được thiết kế với qui mô vĩnh cửu, bề rộng cầu 18m cho 4 làn xe cơ giới và 2 lề người đi bộ. Tải trọng xe thiết kế tương ứng H10, X60 và tải trọng người 300 kg/m². Cầu cũng được thiết kế để đảm bảo chịu được tác động của gió cấp 12 và động đất cấp 7. Cầu được đặt ở cao độ đảm bảo cho tàu 3000 tấn có thể qua lại với chiều cao tĩnh không thông thuyền 27m. Tiêu chuẩn thiết kế chủ đạo là tiêu chuẩn Việt Nam 22TCN 272-01, tham chiếu các tiêu chuẩn của Mỹ và Trung Quốc.

Cầu dẫn

Kết cấu nhịp

Cầu BTCT DƯL phía Thuận Phước và phía Sơn Trà có chiều dài L = 12x50m = 600m. Cầu gồm nhiều liên dầm hộp BTCT dự ứng lực với mỗi liên từ 3-4 nhịp (Lnhịp = 50m); tuy nhiên có 1 liên gồm 5 nhịp liên tục nằm trong đường cong R=250m. Mặt cắt ngang cầu dẫn (Hình 1-28) gồm 02 hộp độc lập bằng BTCT DƯL M500 kích thước BxH = (9×2,5)m, được thi công theo phương pháp đổ bê tông trên đà giáo ván khuôn cố định.

Kết cấu mố trụ

Trụ cầu: Dạng trụ thân đặc bằng BTCT M40, chiều cao thay đổi từ 4,5m – 24,5m. Móng trụ bằng cọc khoan nhồi đường kính 1500mm BT M30 sâu từ 63 – 74m.

Mố cầu: Dạng mố chữ U BTCT M40.

Gối cầu: loại gối chậu có chốt chống động đất (theo Tiêu chuẩn BS 5400).

Cầu chính

Cầu treo dây võng gồm 3 nhịp với chiều dài L = 125m+405m+125m = 655m. Mặt cắt ngang kết cấu nhịp là một dầm hộp thép có chiều cao 2,5m, chiều rộng 21,6m có dạng khí động học (fairing) chịu tác động của gió bão.

Dầm hộp thép của cầu chính (Hình 1-28) được treo lên 2 cáp chủ bởi những dây treo. Các cáp chủ được tựa trên 2 trụ tháp cao hơn 90m tính từ mặt nước và neo vào hai mố neo trọng lực ở hai đầu cầu. Hai trụ tháp bằng bê tông cốt thép dạng chữ H có móng là hệ cọc khoan nhồi đường kính 2,5m sâu trên dưới 60m.

Kết luận Chương 1

Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc

CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ

Cơ sở phương pháp PTHH trong tính toán kết cấu

Là một trong những phương pháp tổng quát nhất để xây dựng mô hình số của mô hình toán học. Về mặt vật lý, phương pháp phần tử hữu hạn chia không gian liên tục của kết cấu thành một tập hợp hữu hạn các phần tử (miền nhỏ) có tính chất hình học và cơ học đơn giản hơn kết cấu toàn thể. Các phần tử liên kết với nhau tại các điểm nút. Tương tự phương pháp chuyển vị, trong phương pháp phần tử hữu hạn, điều kiện tương thích về chuyển vị hay biến dạng của kết cấu chỉ được thỏa mãn tại các nút. Thông thường, ẩn cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn là chuyển vị của các nút.

Trong phần này, phương pháp PTHH sẽ được mô tả trong việc áp dụng phương trình động học đàn hồi tuyến tính, phương trình vi phân.

Phân tích kết cấu cầu treo dây võng bằng phần mềm SAP2000

Mô hình phân tích kết cấu cầu treo dây võng trong phần mềm SAP2000 cho phân tích tổng quát thường sử dụng các loại phần tử sau:

Mô hình phần tử thanh không gian

Phần tử thanh được sử dụng để mô hình kết cấu dầm, cột, dàn, giằng trong mặt phẳng và kết cấu không gian. Mặc dù không được đề cập trong phần này nhưng một số khái niệm có thể áp dụng cho các loại đối tượng đường khác như thanh cong, dây cáp, phần tử bó cáp ứng suất trước.

Phần tử thanh tổng quát 3 chiều bao gồm các hiệu ứng uốn hai phương, xoắn, biến dạng dọc trục và biến dạng cắt (xem Bath và Wilson ,1976). Các loại kết cấu có thể được mô phỏng bằng phần từ này như:

• Khung không gian (Three- dimensional frames)

• Dàn không gian (Three- dimensional trusses)

• Khung phẳng (Planar frames)

• Bản gập phẳng (Planar grillages)

• Dàn phẳng (Planar trusses)

Mô hình phần tử cáp

Phần tử Cable trong SAP2000 thuộc loại phần tử phi tuyến bậc cao, sử dụng ứng xử phần cử cáp mãnh dưới trọng lượng bản thân của dây cáp. Tính phí tuyến biến dạng lớn và độ cứng chống kéo bao hàm trong công thức ma trận độ cứng phần tử cáp.

Mô hình phần tử liên kết/gối đỡ (link/support elements)

Phần tử link dùng để nối hai điểm nút trong mô hình, phần tử gối đở dùng nối một nút với nền đất. Mỗi phần tử liên kết/gối đở có các tính chất của nó được mô tả bởi người dùng để mô phỏng các ứng xử kết cấu. Các tính chất có thể là ứng xử tuyến tính, phi tuyến hay phụ thuộc tần số. Sử dụng phần tử link để mô phỏng các bộ phận của cầu như: Gối cứng, gối cầu cao su, các bộ phận giảm chấn, bộ phận cản dao động, mô phỏng tương tác kết cấu-đất nền, …

Mô phỏng tải trọng nhiệt độ khi thiết kế cầu

Mỗi tiêu chuẩn thiết kế cầu có qui định về tải trọng nhiệt độ khác nhau, thông thường có hai dạng tải nhiệt độ là tải nhiệt phân bố (uniform temperature) và tải chênh lệch nhiệt độ (gradient temperature). Qui định tải nhiệt độ theo một số tiêu chuẩn thiết kế cầu được mô tả sau đây.

Theo 22TCN 18-79

Cầu siêu tĩnh ngoài thuộc hệ có lực đẩy ngoài bằng bê tông cốt thép, thép, bê tông và bằng đá, và cả đối với những kết cấu thép liên hợp với bê tông cốt thép thì tính toán tùy theo điều kiện xây dựng và điều kiện địa phương; khi đó dùng hệ số nở dài như sau:

– Đối với thép 0,000012 (đối với thép trong kết cấu liên hợp thì được phép lấy bằng 0,00001).

– Đối với bê tông và bê tông cốt thép: 0,00001

– Đối với khối xây bằng đá thiên nhiên: 0,000008.

– Biến đổi nhiệt độ tiêu chuẩn

Theo AASHTO LRFD-07

Sự thay đổi nhiệt độ theo LRFD-07 lấy theo bảng sau:

Bảng 2‑1: Thay đổi nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07

Chênh nhiệt độ dương và âm theo hình 2-7, nhưng giá trị T3 bằng không và không lớn hơn 3^oC. T1 và T2 lấy theo vùng như ở bảng 2-2.

Bảng 2‑2: Chênh nhiệt độ theo AASHTO-LRFD-07

Theo TCVN 11823:2017

Bảng 2‑3: Nhiệt độ thay đổi đều theo TCVN 11823:2017

Các tác động của gradien nhiệt khác nhau trong kết cấu phần trên của cầu cần phải được lấy từ cả hai điều kiện chênh nhiệt dương (mặt trên nóng hơn) và chênh nhiệt âm (mặt trên lạnh hơn). Gradien nhiệt theo chiều thẳng đứng trong kết cấu nhịp bê tông hay thép bê tông liên hợp có bản mặt cầu bằng bê tông có thể lấy như trong Hình 2-7. Các giá trịT1, T2 và T3 trong Hình 2-7 được cho trong Bảng 2-3 cho cả hai trường hợp chênh nhiệt dương và âm.

Theo Eurocode EN 1991-1-5

Nhiệt độ thay đổi đều từ T_emin đến T_emax lấy theo nhiệt độ không khí T_min, T_max như hình 2-8. Loại 1 cho kết cấu cầu thép, loại 2 cho kết cấu composite (thép liên hợp bê tông), loại 3 cho cầu BTCT. Tổng nhiệt độ thay đổi đều tính cấu kiện cầu bằng (T_emax-T_emin).

Bảng 2‑5: Chênh nhiệt đô tuyến tính các loại cầu theo Eurocode

Theo tiêu chuẩn China JTG D60-2004

Nhiệt độ thay đổi đều theo JTG D60-2004 hướng tăng lên +34^oC và giảm xuống 10^oC. Chênh nhiệt độ trên và dưới kết cấu kịp theo biểu đồ hình 2-9.

Kết luận Chương 2

PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CẦU TREO THUẬN PHƯỚC DO TẢI TRỌNG NHIỆT ĐỘ và so sánh với kết quả quan trắc

Giới thiệu chung về cầu treo Cầu Thuận Phước

Sơ đồ cầu

– Cầu treo 3 nhịp 129.5 + 405 + 129.5 (m) với dầm hộp thép liên tục.

Mô tả kết cấu

Kết cấu nhịp

– Dầm cầu là loại dầm hộp thép, cấu tạo dạng khí động, kết cấu mặt cầu dạng bản trực hướng. Tấm mặt cầu có chiều dày 12mm, bên trong dầm hộp thép hàn các sườn tăng cường chữ U, khoảng cách giữa các thép U là 930 mm (phần trên) và 600 mm (phần dưới).

– Dầm hộp thép theo phương dọc cầu bố trí các vách ngăn tăng cường với khoảng cách 3,3m và tại tháp là 2,25m.

– Thép mặt cầu có cường độ bền kéo ở trạng thái chảy 3450 kg/cm2 và cường đô kéo đứt từ 4700 kg/cm2 đến 6300 kg/cm2.

– Lớp bê tông nhựa Eepoxy dày tối thiểu 4,1cm, phía dưới có lớp kết dính chống thấm Eepoxy, và sơn chống rỉ hàm lượng kẽm cao.

Cáp và quang treo

– Cáp: hai sợi cáp chính có khoảng cách 19m theo phương ngang cầu, đường kính bó cáp φ360mm, gồm 37 bó cáp song song, mỗi bó có 91 tao thép đường kính 5,3mm với cường độ kéo là 16700 kg/cm2 .Tổng diện tích là 743cm2 và lực chịu kéo tính toán tối đa là 12400T. Trên đỉnh tháp, cáp bắt qua điểm yên ngựa có bán kính 3,5m, tai trụ neo cáp bắt qua yên loe và được neo vào trụ neo bằng các thanh thép dự ứng lực.

– Quang treo và kẹp : quang treo được làm bằng bó tao thép song song cường độ cao tráng kẽm. Có 85 tao thép cường độ cao tráng kẽm trong dây treo thông thường và 223 tao thép cường độ cao tráng kẽm trong dây treo đặc biệt.

Tháp cầu:

– Kết cấu tháp dạng khung hai cột bằng BTCT 50MPa hình hộp.

– Chiều cao tháp: tính từ đỉnh tháp đến bệ cọc là 91,04m, đến mặt cầu là 61,823m.

– Cắt ngang cột tháp tại đỉnh là (3,5 x 3,5) m. Cắt ngang cột tháp tại chân là (4 x 5,2).

– Mặt cắt dầm ngang tháp tại vị trí mặt cầu là (3,5 x5) m. Mặt cắt ngang dầm ngang tháp tại đỉnh là (3,3 x 4,0) m.

– Tháp phía đông được đặt trên bê cọc kích thước (35,47 x 18 x 6,5) m, móng gồm 14 cọc khoang nhồi đường kính 2,5m dài trung bình 55m. Tháp phía Tây được đặt trên bệ cọc kính thước (35,47 x 11,75 x 6,5) m, móng gồm 8 cọc khoan nhồi đường kính 2,5m dài trung bình 65m, chiều sâu ngàm vào đá gốc từ 2,5m – 5,0 m.

Mố neo:

– Kết cấu mố neo cáp chủ gồm hai phần:

+ Phần trên là hố neo hình rỗng bằng bê tông cốt thép, trong lòng mố neo có bố trí bộ neo cáp chủ.

+ Phần dưới là giếng chìm hình hộp rỗng nhiều ngăn (chia làm 16 ngăn), bao gồm phần giếng chìm bê tông vỏ thép cao 18m ở phía dưới và phía trên bằng bê tông cốt thép, đổ cát bên trong tạo đối tượng.

Quy mô và thông số kỹ thuật công trình

– Tải trọng xe thiết kế: Ôtô-20 và xe kéo-100 (Tiêu chuẩn Trung Quốc), tải trọng H10-X60 (Tiêu chuẩn Việt Nam).

– Tải trọng người đi bộ trên lề: 3KN/m².

– Tải trọng gió: vận tốc gió trung bình lớn nhất là 35,6m/s trong 10 phút với tần suất 1%

– Lực va đập tàu: 27.000KN theo hướng ngang cầu và 13.500KN theo hướng dọc cầu.

– Độ động đất: cấp 7.

– Cao độ mực nước thiết kế (thông thuyền): 0,48m.

– Khổ thông thuyền thực tế dưới cầu: 100 (rộng)x 27,5 m (cao).

– Chiều rộng mặt cầu: 18m bao gồm đường giành cho xe cơ giới 14m và phần đường giành cho người đi bộ 2m mỗi bên.

– Dốc dọc không quá 4%.

– Dốc ngang 1,5%.

– Nhiệt độ mốc chuẩn thiết kế: nhiệt độ chuẩn thiết kế 25⁰C, độ tăng nhiệt độ kết cấu là 20,9⁰C và độ giảm nhiệt độ kết cấu là 20,8⁰C.

Tổng quan hệ thống quan trắc cầu Thuận Phước [10]

Hệ thống quan trắc sức khỏe cầu treo Thuận Phước do Trung tâm KHCN & tư vấn đầu tư thi công lắp đặt và viết hệ thống phần mềm quan trắc hoàn thành năm 2018. Mục đích của hệ thống quan trắc là theo dỏi các đáp ứng của kết cấu như gia tốc, góc xoay, biến dạng, nhiệt độ trong kết cấu theo thời gian thực để phục vụ đánh giá chẩn đoán sức khỏe lâu dài cầu. Một hệ thống quan trắc môi trường (nhiệt độ, gió) cũng được lắp đặt tại vị trí cầu. Hệ thống camera lắp đặt trên cầu cho phép nhận dạng xe, đếm lưu lượng cũng như phát hiện các xe vi phạm khi lưu thông qua cầu.

Mô hình hóa kết cấu cầu treo thuận phước trong SAP2000.

Mô hình hóa kết cấu trên SAP 2000 V14: Mô phỏng lưới phần tử hữu hạn phù hợp với cấu tạo kiến trúc và bản vẽ kết cấu.

– Dầm thép được mô phỏng bằng phần tử thanh (Frame).

– Tháp sử dụng bê tông 50MPa được mô phỏng bằng phần tử Frame.

– Cáp chủ và cáp treo được mô phỏng bằng các phần tử Cable.

– Kết nối các bộ phận sử dụng phần tử liên kết (links) với các tính chất phù hợp.

– Gối cầu sử dụng phần tử links nối dầm vào mố trụ.

– Mô hình phần tử thanh dùng để phân tích tổng quát và phân tích dao động. Một mô hình 3D dầm hộp được mô phỏng bằng các phần tử tấm được xem xét để mô phỏng các ứng xử cục bộ và nhiệt độ.

Thông số mô hình hóa kết cấu:

a. Vật liệu:

– Bê tông C40:

Mô đun đàn hồi/ Modulus	32500000	kN/m²
Hệ số poatxong/ Poision ratio	0.25
Mô dun cắt/ Shear-Modulus	13e⁶	kN/m²
Dung trọng/ Specific weight	23.5	kN/m²
Hệ số giản nở nhiệt/ Coeff. Of thermal	1.06e^-5	1/C

b. Thép thường Q345:

Modulus	205000000	kN/m2
Poision ratio	0.3
Shear-Modulus	79000000	kN/m2
Specific weight	78.5	kN/m2
Coeff. Of thermal	1.17e^-5	1/C

c. Thép dự ứng lực:

Modulus	206000000	kN/m2
Poision ratio	0.3
Shear-Modulus	78846150	kN/m2
Specific weight	78.5	kN/m2
Coeff. Of thermal	1.17e^-5	1/C

d. Cáp chủ:

Vật liệu thép	Modul đàn hồi (KN/m²)	1,9500e⁸
	Hệ số dãn nở nhiệt	1,1700e^-5
	Hệ số Poisson	0,3
	Khối lượng riêng quy đổi khi hoàn thành cầu (KN/m³⁾	82,13
	Khối lượng riêng quy đổi khi cáp tự do (KN/m³⁾	78,50
Mặt cắt	Đường kính danh định (m)	0,3438
Mặt cắt	Diện tích mặt cắt ngang (m²)	0,074282

e. Cáp treo điển hình

Vật liệu thép	Modul đàn hồi (KN/m2)	1,9500e⁸
	Hệ số dãn nở nhiệt	1,1700e^-5
	Hệ số Poisson	0,3
	Khối lượng riêng quy đổi (KN/m3)	87.52
Mặt cắt	Đường kính danh định (m)	0.0650
Mặt cắt	Diện tích mặt cắt ngang (m2)	0.00166897

g. Cáp treo đặc biệt

Vật liệu thép	Modul đàn hồi (KN/m²)	1,9500e⁺⁸
	Hệ số dãn nở nhiệt	1,1700e^-5
	Hệ số Poisson	0,3
	Khối lượng riêng quy đổi (KN/m³⁾	87,52
Mặt cắt	Đường kính danh định (m)	0,101
Mặt cắt	Diện tích mặt cắt ngang (m²)	0,00437859

h. Dầm chủ

Vật liệu thép	Modul đàn hồi (KN/m²)	1,9500e⁺⁸
	Hệ số dãn nở nhiệt	1,2000e^-5
	Hệ số Poisson	0,3
	Khối lượng riêng quy đổi (KN/m³⁾	147,9
Mặt cắt	Chiều cao (m)	2,5000
	Chiều rộng (m)	23
	Diện tích mặt cắt ngang quy đổi (m²)	0,7223
	Mô men quán theo phương y (m4)	7,9990e^-1
	Mô men quán theo phương z (m4)	2,7498e⁺¹

Một số kết quả phân tích nội lực:

Hình 3-1: Mô hình rời rạc hóa phần tử – Frames

Hình 3‑2: Mô hình tổng thể không gian 3D

Hình 3-3: Mô hình tổng thể dầm bằng các phần tử tấm (shell)

Hình 3‑4: Biểu đồ lực căng trong cáp chủ do tĩnh tải

Hình 3‑5: Biểu đồ lực dây treo do tĩnh tải

Hình 3‑6: Biểu đồ lực căng trong cáp chủ do hoạt tải

Hình 3‑7: Biểu đồ lực căng dây treo do hoạt tải

Hình 3‑8: Chuyển vị do hoạt tải vị trí L/2

Hình 3‑9: Biểu đồ bao momen do hoạt tải tại vị trí L/2

Hình 3‑10: Kết quả phân tích mode dao động: Mode1 f=0,162Hz

Hình 3‑11: Kết quả phân tích mode dao động: Mode2 f=0,267Hz

Hình 3‑12: Kết quả phân tích mode dao động: Mode3 f=0,278Hz

Kết quả phân tích hiệu ứng tải trọng nhiệt độ cầu treo Thuận Phước

Hình 3‑13: Mô hình cầu Thuận Phước, dầm được mô phỏng bằng phần tử shell

Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo TCVN 11823-2017.

Ứng với cầu Thuận Phước, sử dụng loại mặt cầu thép trên dầm hoặc hộp thép để tính toán:

Ứng với nhiệt độ bình quân trung bình hằng năm là 25⁰C.

Ta có: TU+ = 63⁰C – 25⁰C =+38⁰C;

TU- = 2⁰C – 25⁰C = – 23⁰C.

Như vậy, ta có kết quả tính cho ứng suất như sau:

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU+): – 89,23 Mpa.

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU-): 54,30 Mpa.

$C:\Users\pc\Downloads\1f0dc401f78810d64999.jpg$

Hình 3‑14: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (TCVN 11823-2017)

$C:\Users\pc\Downloads\c80d859db414534a0a05.jpg$

Hình 3‑15: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (TCVN 11823-2017)

Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo 22TCN 18-79:

Từ Mục 2.3.1, ta tính toán xác định:

TU+ = 60⁰C – 25⁰C =+35⁰C;

TU- = 0⁰C – 25⁰C = -25⁰C.

Như vậy, ta có kết quả tính cho ứng suất như sau:

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU+): – 82,65 Mpa.

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU-): 59,13 Mpa.

$C:\Users\pc\Downloads\0e68182b21a2c6fc9fb3.jpg$

Hình 3‑16: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU+ (22TCN 18-79)

$C:\Users\pc\Downloads\568f1f182091c7cf9e80.jpg$

Hình 3‑17: Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ TU- (22TCN 18-79)

Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo AASHTO LRFD-07.

Ta lấy nhiệt đô trung bình hằng năm là 25⁰C

Từ mục 2.3.2 ta có:

TU+ = 50⁰C – 25⁰C =+25⁰C;

TU- = -18⁰C – 25⁰C = -28⁰C.

Như vậy, ta có kết quả tính cho ứng suất như sau:

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU+): – 59,03 Mpa.

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU-): 101,71 Mpa.

Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ Theo Eurocode EN 1991-1-5

Theo Mục 2.3.4 và số liệu từ hình 2-8, ta chọn loại 1 (dùng cho mặt cầu thép), ta có:

TU+ = T_max + 16 = 18⁰C +16⁰C = +34⁰C;

TU-= – T_min – 3 = -13⁰C – 3⁰C = -16⁰C.

Như vậy, ta có kết quả tính cho ứng suất như sau:

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU+): – 80,57 Mpa.

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU-): 37,84 Mpa.

Kết quả phân tích ứng suất do nhiệt độ theo Tiêu chuẩn China JTG D60-2004

Lấy theo Hồ sơ thiết kế ban đầu của cầu Thuận Phước

TU+ =+20,9⁰C; TU-= -20,8⁰C.

Như vậy, ta có kết quả tính cho ứng suất như sau:

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU+): – 49,35 Mpa.

Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính (TU-): 49,44 Mpa.

Kết quả quan trắc nhiệt độ và biến dạng cầu treo Thuận Phước.

$C:\Users\a\Desktop\Nhiet do-Toan bo.png$

Hình 3‑24: Kết quả quan trắc Nhiệt độ chênh ngày 5/6/2018

$D:\Dropbox (Personal)\56. Monitoring\Design\03.Thuan Phuoc Br\Phan 3 - Khao sat thiet ke GD2\7. So lieu quan trac GD1\Lan 1\Ung suat dam chu L-2.jpg$

Hình 3‑25: Kết quả quan trắc ứng suất ngày 5/6/2018

So sánh kết quả quan trắc – phân tích

Một số kết quả phân tích ứng suất dựa trên nhiệt độ quan trắc thực tế tại cầu Thuận Phước.

a. Xét khoảng thời gian 11h-12h30 ngày 05/6/2018. Nhiệt độ thớ trên chênh 7 độ, thớ dưới chênh 2,5 độ.

Hình 3‑29: Ứng suất thớ trên dầm trên mô hình khoảng thời gian 11h-12h30.

– Qua Hình 3-26 và Hình 2-35, ta nhận thấy ứng suất thớ trên dầm mô hình là -15,78 Mpa tương đối phù hợp so với quan trắc thực tế -13,0Mpa.

b. Xét khoảng thời gian 13h-21h ngày 05/6/2018. Nhiệt độ thớ trên chênh 10,5 độ, thớ dưới chênh 4,0 độ.

Hình 3‑30: Ứng suất thớ trên dầm trên mô hình khoảng thời gian 13h-21h

– Qua Hình 3-30 và Hình 2-35, ta nhận thấy ứng suất thớ trên dầm mô hình là -23,38 Mpa tương đối phù hợp so với quan trắc thực tế 20,0 Mpa.

Tổng hợp kết quả

Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất do nhiệt độ theo các tiêu chuẩn thiết kế ở bảng sau:

ĐVT: Mpa

Vị trí xét		Theo TCVN 111823:2017	Theo 22TCN 18-79	Theo AASHTO LRFD 2007	Theo tiêu chuẩn Eurocode EN 1991-1-5	Theo TC China trong HSTK
Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính do nhiệt độ (TU+)	Phân tích trên mô hình	– 89,23	– 82,65	– 59,03	– 80,57	-49,35
Ứng suất lớn nhất, giữa nhịp chính do nhiệt độ (TU+)	Sai lệch	–	7,37%	33,85%	9,71%	44,69%
Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ (TU-)	Phân tích trên mô hình	54,30	59,13	101,71	37,84	49,44
Ứng suất lớn nhất giữa nhịp chính do nhiệt độ (TU-)	Sai lệch		-8,90%	-87,31%	30,31%	8,95%

Tổng hợp kết quả phân tích so sánh ứng suất theo quan trắc thực tế và phân tích trên mô hình FEM

ĐVT: Mpa

Vị trí xét

Khoảng thời gian phân tích

Ứng suất theo quan trắc thực tế

Ứng suất theo phân tích mô hình

Sai khác (%)

Thớ trên, giữa nhịp chính

11h-12h30

ngày 05/6/2018

-13,0

-15,78

17,61%

Thớ trên, giữa nhịp chính

13h-21h

ngày 05/6/2018

20,0

23,38

14,46%

Kết luận Chương 3

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Nội dung thực hiện luận văn “Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận phước do Nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc” với phạm vi nghiên cứu giữa mô hình và số liệu thu được từ hệ thống quan trắc, luận văn thu được kết quả như sau:

– Hiệu ứng tải trọng nhiệt độ tính toán theo các tiêu chuẩn thiết kế cầu có khác nhau khá lớn vì qui định biên thay đổi nhiệt độ TU+,TU- theo các tiêu chuẩn khác nhau tùy theo điều kiện khí hậu từng vùng lãnh thổ đã được nghiên cứu và đưa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu của từng nước. Vì vậy khi xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế cầu cần có nghiên cứu cập nhật các số liệu về tải trọng môi trường phù hợp với lãnh thổ.

– Tải trọng nhiệt độ ảnh hưởng đến ứng suất, biến dạng kết cấu công trình cầu Thuận Phước, sự ảnh hưởng đó phụ thuộc vào tùy thời điểm trong ngày.

– Kết quả phân tích từ mô hình phần tử hửu hạn bằng phần mềm CSI và phân tích kết quả thu được từ hệ thống quan trắc cơ bản là phù hợp (14%-17%).

2. Kiến nghị

Cần tiếp tục nghiên cứu hiệu ứng do tải trọng nhiệt độ gây ra biến dạng tại các gối cầu làm cơ sở cập nhật mô hình phần tử hữu hạn cho đanh giá cầu thuận phước từ dữ liệu quan trắc chuyển vị gối và phân tích trên mô hình PTHH.

Tiếp tục nghiên cứu chi tiết hơn ảnh hưởng của các tải trọng khác tác động lên cầu như: Ứng suất động do hoạt tải gây mõi kết cấu; hiệu ứng tải trọng gió khi có bảo lớn; hiệu ứng do tải trọng động đất, …

3. Hướng nghiên cứu tiếp theo

Trên cơ sở nội dung của luận văn, tác giả mong muốn tiếp tục một số hướng nghiên cứu tiếp theo liên quan đến việc nhiệt độ ảnh hưởng đến kết cấu công trình cầu:

– Áp dụng nghiên cứu sự ảnh hưởng của nhiệt độ đối với cầu Rồng, cầu Trần Thị Lý, …

-Nghiên cứu so sánh các loại tải trọng khác (hoạt tải, gió, động đất) ảnh hưởng đến kết cấu công trình cầu Thuận Phước.

LIỆN HỆ:

SĐT+ZALO: 0935568275

E:\DỮ LIỆU COP CỦA CHỊ YẾN\DAI HOC DA NANG\CONG TRINH GIAO THONG\TRAN QUOC HUNG\New folder

Nghiên cứu ứng xử cầu treo Thuận Phước do nhiệt độ trên mô hình phần tử hữu hạn và dữ liệu quan trắc

Kết cấu nhịp

Kết cấu mố trụ

Kết cấu nhịp

Cáp và quang treo

Tháp cầu:

Mố neo:

Lấy theo Hồ sơ thiết kế ban đầu của cầu Thuận Phước

About admin

Trả lời Hủy

Kết cấu nhịp

Kết cấu mố trụ

Kết cấu nhịp

Cáp và quang treo

Tháp cầu:

Mố neo:

Lấy theo Hồ sơ thiết kế ban đầu của cầu Thuận Phước

Related Posts

About admin

Trả lời Hủy