Chương 1: Tổng quan về vùng cục bộ trong kết cấu cầu bêtông cốt thép. Chương 2: Các phương pháp tính toán thiết kế vùng chịu lực cục bộ kết cấu bê tông cốt thép. Chương 3: Phân tích lựa chọn phương pháp tính toán thiết kế kết cấu xà mũ trụ. TỔNG QUAN VỀ VÙNG CỤC BỘ TRONG KẾT CẤU CẦU BÊ TÔNG CỐT THÉP 1.
Phân loại vùng chịu lực trong kết cấu bê tông cốt thép Các vùng chịu lực của các bộ phận cấu kiện bê tông cốt thép được phân thành: - Vùng chịu lực theo kiểu dầm: được gọi là vùng B (là chữ cái viết tắt từ tiếng Anh "Beam" hoặc “Becnuli”). - Vùng chịu lực có đặc tính không liên tục về hình học hoặc về tĩnh học: được gọi là vùng D (là chữ cái viết tắt từ tiếng Anh "Discontinuity" hay "Disturbed"). Vùng B Các vùng B được thấy trong các dầm và bản có chiều cao hay bề dày không đổi (hoặc ít thay đổi) trên toàn kết cấu và tải trọng là phân bố đều. Trạng thái ứng suất tại một mặt cắt bất kỳ dễ dàng tính toán từ các tác động tại mặt cắt (mômen uốn, mômen xoắn, lực cắt, lực dọc trục) bằng các phương pháp thông thường.
Trong vùng B, định luật mặt cắt phẳng của Becnuli được áp dụng, do đó các bước tính toán thông thường được xem là thích hợp để thiết kế và kiểm toán mặt cắt ngang cấu kiện. Với các điều kiện là vùng này không bị nứt và thoả mãn định luật Hooke, các ứng suất sẽ được tính toán theo lý thuyết uốn sử dụng các đặc trưng mặt cắt như là diện tích mặt cắt, mô men quán tính [6],[7],[8]. Vùng D Vùng không liên tục, còn gọi là vùng D (Discontinuity hay Disturbed) là những vùng mà ở đó trường ứng suất biến đổi hỗn loạn và giả thiết mặt cắt phẳng không còn được áp dụng một cách thích hợp. 5 Ứng suất nén chủ Ứng suất kéo chủ D B D Hình 1.
Các quỹ đạo ứng suất trong một vùng B và ở gần các vùng D Các vùng không liên tục thường là những vùng ở gần nơi có sự thay đổi đột ngột về kích thước cấu tạo hay nội lực. Tương ứng, chúng có thể được phân biệt thành vùng không liên tục hình học, vùng không liên tục tĩnh học. Vùng không liên tục hình học là những vùng kết cấu có sự thay đổi đột ngột về cấu tạo hình học như chỗ cắt khấc hay khoét lỗ của dầm, nút khung, v. Vùng không liên tục tĩnh học là những nơi gần điểm đặt của lực tập trung, phản lực gối hay neo.
Vùng không liên tục tĩnh học và hình học là những nơi có cả sự không liên tục về hình học cũng như tĩnh học ví dụ như các vai cột, đầu dầm khấc, v. Các vùng không liên tục: (a) vùng không liên tục hình học, (b) vùng không liên tục tĩnh học, (c) vùng không liên tục hình học và tĩnh học Các vùng không liên tục, do có sự nhiễu loạn lớn về trường ứng suất và biến dạng nên có ứng xử chịu lực phức tạp và rất dễ bị hư hỏng. Chúng cần phải được thiết kế cấu tạo một cách đầy đủ và chính xác dựa trên các phương pháp mô hình hoá và tính toán thích hợp. Đối với các vùng D không nứt thì có thể tính toán theo phương pháp ứng suất đàn hồi, thí dụ như phương pháp phần tử hữu hạn đàn hồi.
Tuy nhiên với các vùng đã nứt có xét tới sự truyền lực kéo từ bê tông vào cốt thép. Việc tính toán theo phương pháp ứng suất đàn hồi trở nên không hiệu quả, quan trọng hơn là không đúng với các chi tiết. Việc xử lý thông thường và bố trí cốt thép trong vùng D chỉ tuỳ thuộc vào kinh nghiệm hoặc thực tế. Thông thường cơ sở của các điều kiện biên là cơ bản khác so với thực tế.
Đây chính là một 7 trong các lý do chính gây ra một số sai lầm khi tính toán các kết cấu bêtông cốt thép. Phương pháp mô hình giàn ảo giải thích những vấn đề này một cách cặn kẽ hơn, xác định được ứng suất của toàn bộ vùng D do tải trọng đặt tại đó hay từ nội lực phân bố ở khu vực tiếp giáp với vùng B [6],[7],[8]. Cách xác định vùng B và vùng D Để xác định biên của các vùng D, nguyên tắc thông thường là phân chia trạng thái ứng suất thực tế của kết cấu thành trạng thái ứng suất thoả mãn giả thuyết Becnuli và trạng thái ứng suất bù. Theo nguyên lý Saint Venant trong hầu hết các trường hợp, chiều dài vùng không liên tục thực tế bằng chiều cao của mặt cắt ngang tại vùng này.
Ví dụ xác định miền B và miền D Nguyên lý Saint Venant đề xuất sự gián đoạn cục bộ sẽ làm cho tải trọng tập trung hoặc phản lực phân tán trong phạm vi một khoảng dài dọc dầm và có độ dài bằng chiều cao của dầm của vùng lân cận điểm tác động của lực đó. Do vậy, thông thường người ta giả định vùng D kéo dài khoảng một lần chiều cao cấu kiện về mỗi phía từ điểm đặt các tải trọng tập trung, các phản lực gối hoặc các vùng thay đổi đột ngột mặt cắt hay hướng. Các vùng nằm giữa các vùng D có thể được coi như là vùng B. Tổng quan về các vùng chịu lực cục bộ trong kết cấu cầu bêtông cốt thép Trong công trình cầu bê tông cốt thép có khá nhiều khu vực chịu lực cục bộ kể cả kết cấu phần trên, 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 đổi đột ngột) hay không liên tục về mặt cơ học (nơi có tác dụng của lực tập trung lớn) như là mố neo, đầu dầm, vai kê, yên tháp, yên loe, neo cáp, chân trụ, chân tháp,. 9 Yên tháp Neo cáp văng Dầm ngang Chân trụ Gối, đầu dầm Chân tháp Hình 1. Các vùng ứng suất cục bộ trong cầu BTCT Một trong các vùng D thuộc kết cấu phần dưới có thể kể đến là bệ cọc, nơi lực từ chân mố trụ được truyền qua xuống các cọc theo một cách khó có thể chẩn đoán bằng phương pháp mặt cắt thông thường (như đối với dầm thường hoặc bản mỏng). Bản thân bộ phận mố trụ, ở khu vực dưới các gối cầu cũng là những vùng D tiếp nhận các lực gối cầu tác dụng tập trung và truyền xuống phần thân mố trụ phía dưới.
Khu vực thân các trụ, nơi có bước nhảy về kích thước mặt cắt hay chuyển từ mặt cắt đặc sang mặt cắt rỗng cũng là một loại vùng D phổ biến [7]. Tại kết cấu phần trên, loại vùng D hay gặp nhất là khu vực trên gối cầu (ở đầu dầm hay giữa dầm). Đối với dầm bêtông cốt thép dự ứng lực thì tại các khu vực đó, có thể có thêm các neo cáp dự ứng lực làm cho tình hình làm việc của kết cấu càng phức tạp hơn. Có thể nói, tất cả các khu vực quanh neo cốt thép dự ứng lực đều là những vùng D nhạy cảm, phát sinh ứng suất nén và kéo cục bộ lớn, gây nứt bêtông.
Tương tự, khu vực neo của dây cáp trong cầu treo dây văng vào kết cấu nhịp, trụ tháp, mố neo cũng là những vùng D nhạy cảm. Do vùng D tại khu vực gối cấu làm việc hết sức bất lợi, người ta có xu hướng xây dựng kết cấu không gối. Trong trường hợp đó, khu vực liên kết của kết cấu nhịp và mố trụ (khung cứng) cũng là một vùng D cần phải được nghiên cứu thỏa đáng. Các phương pháp tính toán và xử lý cấu tạo các vùng D Một cách khái quát có thể tóm tắt một số phương pháp tính toán và xử lý cấu tạo đối với các vùng D nêu trên như sau: - Thông thường, người ta áp dụng phương pháp mặt cắt và coi vùng D như các vùng B để tính toán và xử lý cấu tạo.
Biểu hiện rõ nhất là việc tính toán lượng cốt thép từ bài toán mặt cắt thẳng góc và bố trí phân bố đều mà không xem xét một cách kỹ lưỡng đến sự phân bố rất không đều của ứng suất trên mặt cắt. Việc bố trí cốt thép để chịu các ứng suất phân bố phức tạp trong vùng D được các nhà thiết kế lưu ý đến bằng cách tham khảo các chỉ dẫn nêu trong các quy trình hay các sổ tay hướng dẫn và sách tham khảo. Có thể kể đến bộ sách của giáo sư Leonhardt, trong đó có tập “Bố trí cốt thép trong kết cấu bê tông”. - Đối với những vùng D chưa được nghiên cứu, người ta có thể tính toán phân bố ứng suất bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Dựa trên hướng và hợp lực của các ứng suất kéo, người ta bố trí cốt thép để tiếp nhận các ứng suất này. Tuy nhiên bài toán như vậy mới chỉ được giải quyết một cách cục bộ. Sự liên hệ giữa các bộ phận của vùng D thường không được xem xét một cách triệt để (ví dụ không chỉ ra được là cốt thép cần phải được kéo dài tới đâu và neo ở đâu). - Gần đây, các tổ chức như: Uỷ ban Bê tông Châu Âu (Committé Euro International du Béton - CEB); Hiệp hội Bê tông DƯL Quốc tế (Fédération Internationale de la Precontrainte - FIP) và Viện Bê tông Hoa-Kỳ (ACI) đã nghiên cứu, đưa ra những quy định, tiêu chuẩn thiết kế đối với vùng D khá chi tiết.
Theo các tổ chức này, trạng thái làm việc của các dầm trong giai đoạn giới hạn cực hạn phải được tính theo mô hình toán cơ và mô hình tốt nhất đối với dầm BTCT có bố trí cốt thép sườn dầm là mô hình "chống và giằng" (strut-and- tie model) hay còn gọi là mô hình giàn ảo. Phương pháp mô hình giàn ảo sử 11 dụng một số nguyên tắc của cơ học kết cấu hệ thanh, nó sẽ không có ảnh hưởng gì hoặc làm tác động nào đến việc phân tích các ảnh hưởng của mặt cắt bằng các hệ thống tĩnh học [8]. Trong thực tế, người ta dùng nhiều biện pháp cấu tạo để hạn chế sự tăng đột ngột và sự phá hoại của ứng suất tập trung như làm lượn trơn những chỗ kích thước thay đổi đột ngột, tăng diện tích tác dụng của ngoại lực mặt, gia cường thêm vật liệu tại nơi ứng suất tập trung như làm thêm đai 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 đòi hỏi chất lượng rất cao.