CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 ðặt vấn ñề Trong phân tích tính toán kết cấu công trình nói chung cũng như kết cấu cầu nói riêng, việc xác ñịnh ứng xử của những bộ phận kết cấu chịu lực phức tạp vẫn là một thách thức ñối với các kỹ sư kết cấu. Với công trình cầu ñó là mố neo, ñầu dầm, yên tháp, neo cáp,…Kết cấu cầu có ñặc ñiểm nổi bật là tải trọng tác dụng lớn, tính chất chịu lực phức tạp.1 Mô hình không gian cầu extrados trong Midas Nhiều phần mềm phân tích phần tử hữu hạn trong cơ học ñã ñược phát triển trên thế giới. Một số trong chúng là: ANSYS, PLAXIS, SAP2000, STAADPro, MIDAS,… Mỗi một phần mềm này ñều có những khả năng nhất ñịnh trong việc mô hình hóa và phân tích ứng suất cục bộ. Những thư viện phần tử hữu hạn mô hình hóa trạng thái ứng suất phức tạp ở mỗi phần mềm rất khác nhau.
ða số các phần mềm ứng dụng trong phân tích kết cấu công trình ưa sử dụng các phần tử hữu hạn tuyến tính. Một số ít các phần mềm như ANSYS, ABAQUS, LUSAS,. sử dụng cả phần tử bậc cao và cũng thường chỉ các phần tử có mức ñộ phức tạp vừa phải.2 Mô hình PTHH phân tích phiến dầm dầm Super-T Nguyễn Việt Anh 2 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Các công trình cầu ở nước ta ngày càng có qui mô và ñộ phức tạp kết cấu cao. Các cầu treo dây văng, cầu treo dây võng, cầu extrados, cầu vòm, cầu ñúc hẫng, cầu vượt thành phố.
ñã và ñang ñược xây dựng với khẩu ñộ vượt nhịp ngày càng lớn. Các hiện tượng hư hỏng kết cấu cầu theo thực tế thường xảy ra tại những vị trí chịu lực cục bộ. Do ñó yêu cầu phân tích tính toán thiết kế do vậy cũng ngày càng ñòi hỏi cao hơn và phân tích kết cấu chịu lực cục bộ là một phần rất quan trọng trong nội dung phân tích kết cấu công trình. Việc nghiên cứu các mô hình tính toán thích hợp cho dạng kết cấu này sẽ ñóng góp tích cực vào việc giải quyết trọn vẹn vấn ñề tính toán thiết kế công trình xây dựng nói chung, công trình cầu nói riêng, ñó cũng chính là yêu cầu mà thực tế ñang ñòi hỏi.2 Mục ñích và nội dung nghiên cứu Mục ñích nghiên cứu nhằm làm rõ việc áp dụng các phương pháp, mô hình ñể xử lý một kết cấu chịu lực cục bộ nói chung ñể có những ñịnh hướng về cấu tạo chi tiết nhằm khắc phục những hư hỏng thường xảy ra ở khu vực này.
Qua ñó, tiến hành nghiên cứu từ kết quả thực tiễn của một số dự án cầu, ñánh giá và ñịnh hướng nghiên cứu các mô hình phân tích ứng dụng trong tính toán vùng kết cấu tập trung ứng suất trong kết cấu cầu dầm super-T, ñặc biệt khu vực ñầu dầm super – T sẽ ñược phân tích chi tiết về tính toán và kiến nghị cấu tạo.3 Mô hình PTHH ñầu dầm Super-T Những kiến nghị về mô hình phân tích cũng như một số khuyến cáo trong tính toán thiết kế kết cấu sẽ ñược ñưa ra. Nội dung nghiên cứu: Nguyễn Việt Anh 3 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Tìm hiểu ñặc ñiểm cấu tạo của vùng cục bộ, xem xét ñặc ñiểm hư hỏng của các cầu ñang khai thác, ñánh giá các dạng phá hoại và nghiên cứu một số mô hình tính toán cho vùng tập trung ứng suất trong kết cấu. ðánh giá sự phù hợp của mô hình lý thuyết tính toán. Áp dụng chương trình tính toán của một số phần mềm chuyên dụng như: Midas Civil và Cast ñể phân tích, kiểm nghiệm và ñánh giá lý thuyết.
Phân tích cấu kiện cụ thể và ñưa ra nhận xét cũng như các kiến nghị khi tính toán thiết kế.3 Phương pháp nghiên cứu ðề tài ñi vào nghiên cứu phương pháp tính toán ứng suất tại những vị trí chịu lực cục bộ trong các kết cấu BTCT từ mô hình phân tích là các phần tử Solid, sau ñó ứng dụng ñể tính toán cho khu vực ñầu dầm super – T. Phương pháp nghiên cứu dựa trên những hư hỏng thu ñược trong thực tiễn khai thác của các công trình cầu, ñánh giá trên cơ sở sử dụng lý thuyết kết hợp với mô hình. Việc kiểm nghiệm và ñánh giá kết quả từ thực tiễn và mô hình có sự hỗ trợ của một số phần mềm phân tích kết cấu có uy tín như MIDAS/Civil, Cast sẽ ñược thực hiện. Nguyễn Việt Anh 4 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ CÁC VÙNG CỤC BỘ TRONG KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 2.1 ðặc ñiểm các vùng ứng suất cục bộ thường gặp Ứng suất cục bộ, hay ứng suất tập trung, xuất hiện ở những nơi kết cấu có ñặt lực tập trung, thay ñổi ñột ngột về hình dạng và kích thước, những nơi có liên kết, nơi vật liệu không liên tục về tính chất cơ học.
Tại những nơi này, ứng suất phân bố không theo một quy luật cụ thể, nó thường có giá trị tăng vọt lên và giảm xuống rất nhanh khi xa nơi có sự tập trung ứng suất, những ứng suất có giá trị bất thường này gọi là những ứng suất tập trung. Vật liệu tại các vị trí có sự tập trung ứng suất nếu là vật liệu dẻo thì sự phát triển nhanh chóng của vùng dẻo khi ứng suất cục bộ ñến giới hạn dẻo sẽ làm thay ñổi sự tập trung ứng suất do có sự phân bố lại ứng suất, nhưng ñối với vật liệu giòn hay vật liệu có thềm chảy dẻo ngắn sẽ bị phá hoại ñột ngột. Do ñó trong thực tế tại các khu vực tập trung ứng suất người ta ñã phải có biện pháp cấu tạo ñặc biệt. a) Các vùng cục bộ ñiển hình trong kết cấu cầu BTCT Trong công trình cầu bê tông có khá nhiều khu vực chịu lực cục bộ kể cả kết cấu phần trên và phần dưới và nơi tiếp giáp giữa chúng.
Có thể thấy những vùng không liên tục về mặt hình học( kích thước kết cấu thay ñổi ñột ngột) hay không liên tục về mặt cơ học (nơi có tác dụng của lực tập trung lớn) như là mố neo, ñầu dầm, vai kê, yên tháp, yên loe, neo cáp, chân trụ, chân tháp… Yên tháp Neo cáp văng Dầm ngang Chân trụ Gối, ñầu dầm Chân tháp Hình 2.1 Các vùng ứng suất cục bộ trong cầu BTCT. Nguyễn Việt Anh 5 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật Tại kết cấu phần trên, vùng chịu lực cục bộ thường gặp nhất là khu vực trên gối cầu. ðối với dầm BTCT DƯL thì tại các khu vực ñó còn có thêm các neo cáp DƯL làm cho tình hình làm việc của kết cấu càng thêm phức tạp hơn. Có thể nói các vùng xung quanh neo cốt thép DƯL ñều là những vùng cục bộ nhạy cảm, phát sinh ứng suất nén và kéo cục bộ lớn, gây nứt bê tông.
Trong cầu treo dây văng, dây võng thì khu vực neo dây cáp vào kết cấu nhịp cũng là những vùng cục bộ nhạy cảm. Một trong các vùng cục bộ thuộc kết cấu phần dưới có thể kể ñến là bệ cọc, nơi lực từ chân mố trụ ñược truyền xuống cọc theo một cơ cấu khó có thể chuẩn ñoán bằng phương pháp mặt cắt thông thường như ñối với các dầm thường và các bản mỏng. Ngoài ra, bộ phận mố trụ ở các khu vực dưới các gối cầu cũng là những vùng cục bộ tiếp nhận các lực gối cầu tác dụng tập trung và truyền xuống phần thân mố trụ phía dưới. Khu vực thân giữa các trụ, nơi có sự thay ñổi về kích thước mặt cắt hay chuyển từ mặt cắt ñặc sang mặt cắt rỗng cũng sẽ là những vùng cục bộ phổ biến.
b) ðặc ñiểm cấu tạo và thi công vùng cục bộ Trong thực tế, người ta dùng nhiều biện pháp cấu tạo ñể hạn chế sự tăng ñột ngột và sự phá hoại của ứng suất tập trung như làm lượn trơn những chỗ kích thước thay ñổi ñột ngột, tăng diện tích tác dụng của ngoại lực mặt, gia cường thêm vật liệu tại nơi ứng suất tập trung như làm thêm ñai cứng vào chu vi của cấu kiện, bổ sung hệ lưới thép chống nén cục bộ, thêm cốt sợi (sợi thép) vào bê tông chỗ có trạng thái ứng suất khối (chỗ có neo của cáp dự ứng lực…). Vùng chịu ứng suất cục bộ là vùng dễ bị phá hoại sớm, do vậy công tác thi công cũng ñòi hỏi chất lượng rất cao. Quá trình thi công những vùng chịu lực cục bộ luôn luôn ñược quan tâm giám sát chặt chẽ và có kế hoạch cụ thể cho từng công tác. Việc nghiên cứu lựa chọn vật liệu sử dụng cho kết cấu những vùng này ñược kiểm tra chất lượng kỹ càng, ñồng thời quá trình gia công thép, hệ thống ván khuôn, theo dõi công tác bê tông, kiểm tra cường ñộ vật liệu trong quá trình căng cáp dự ứng lực phải ñược kiểm tra bởi những chuyên gia, kỹ sư giỏi và ñược thực hiện bởi lực lưỡng công nhân có trình ñộ chuyên môn cao.
Có quy trình giám sát chặt chẽ các giai ñoạn thi công sẽ hạn chế ñược sự không ñồng nhất về vật liệu tức là hạn chế sự thay ñổi ñột ngột môñun ñàn hồi của vật liệu. Sẽ có những hệ thống ván khuôn ñược cấu tạo ñặc biệt cho từng vùng nhằm tránh tác Nguyễn Việt Anh 6 Luận văn thạc sỹ kỹ thuật dụng của các lực cưỡng bức khi căng kéo hoặc cắt cáp DƯL. Ngoài ra, công tác giảm thiểu hiệu ứng xung kích của lực nén cục bộ tác ñộng vào kết cấu khi cắt các tao cáp DƯL sẽ ñược hạn chế. c) ðặc ñiểm về phân tích tính toán Với các vùng chịu lực cục bộ của từng bộ phận kết cấu khác nhau thì sẽ có sự bố trí cốt thép khác nhau.
Hiện nay các tiêu chuẩn về bê tông cốt thép của các chuyên nghành khác nhau thường ít nhắc ñến chi tiết về vấn ñề tính toán và bố trí cốt thép cho vùng ứng suất cục bộ. Cốt thép tại vùng chịu ứng suất cục bộ thường bố trí theo kinh nghiệm và theo các bài toán ñơn giản nhằm giảm sự tập trung của ngoại lực. Sự ảnh hưởng của hệ các nội lực và sự nhiễu loạn dòng ứng suất khi có nhiều tác ñộng ñồng thời thì không ñược nhắc ñến. Ví dụ như tại khu vực gối cầu, các ụ neo, ñầu dầm chỉ thường bố trí các tầng lưới thép sát bề mặt, và thẳng góc chiều dài dầm ñể chịu ngoại lực tập trung từ kết cấu nhịp,lực neo truyền vào.
Trong phân tích kết cấu, hai nội dung phân tích chính thường ñược thực hiện là phân tích tổng thể và phân tích cục bộ.