Ảnh hưởng của độ cong dây đến nội lực biến dạng trong cầu dây văng

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (11.39 MB, 128 trang )

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
⁄

ĐAI HỌC XÂY DỰNG

©

TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

(Aone

SAU ĐẠI HỌC

NGUYÊN NGỌC HỔI

_ đNH HưƯỞNG Của ĐỘ CONG Dây
ĐẾN NỘI LỰC- BIEN DANG

TRONG cẩu DâY VăNG
. CHUYÊN ĐỀ TIẾN SĨ

bal HOC XAY GDUNG HN
PHON

_ TTTL-THƯ VIỆN

F

„ ; 624.5

Ề

'd{ CDTs
i

=

Hà noi, nam 2603

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG

NGUYEN NGOC HOI

ANH HUONG CUA BDO CONG DAY

DEN NOI LUC- BIEN DANG
TRONG CAU DAY VANG

Chuyên ngành: Câu, tuy nen và các cơng trình xây dựng khác
trên đường bộ và đường sắt
M4 sé: 2-15-10

CHUYEN DE TIEN SI
S6 don vi hoc trinh : 4DVHT

CAN BO HUONG DAN:
G8.TS LE ĐÌNH TÂM

/ Poo.

PGS.TS NGUYEN MINH HUNG

Hà nội, năm 2003

MỤC LỤC
Trang

Phần mở đầu

2

1

4

CHƯƠNG

NHUNG VAN DE CHUNG
1.1. Anh hưởng của sự thay đổi độ cong của dây đến biến
dang cua hé

4

1.2. Médun dan hồi tương đương.

6

1.3. Thuật toán và Chương trình tính CDV khi xét đến sự thay

7

đổi mơđun đàn hồi tương đương của dây
CHUONG

2

ANH HUONG CUA DO.CONG DAY

10

DEN NOI LUC VA BIEN DANG TRONG CAU DAY VANG
2.1. Cầu dây văng khơng có trụ phụ

10

2.2. Cầu dây văng có trụ phụ

1

CHƯƠNG 3

NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN

“

3.1. Với sơ đồ không có trụ phụ

120

3.2. Với sơ đồ có trụ phụ

121

TÀI LIỆU THAM KHẢO

125

PHẦN MỞ ĐẦU

Cầu dây văng (CDV) được phát triển, hoàn thiện trên cơ sở hệ dàn dây

Gisclard theo hướng tạo một hệ bất biến hình gồm các dây văng chịu kéo và
dầm cứng chịu uốn.

Từ chiếc cầu đầu tiên, cầu Stromsund được xây dựng ở Thụy Điển năm
1955, cho đến nay đã thống kê được hơn 600 chiếc CDV lớn, nhỏ với day du

cdc thé loại khác nhau được xây dựng trên thế giới. Có thể nhận thấy rằng

khơng có loại kết cấu nào được áp dụng rong rai, mạnh mẽ và đạt được nhiều

thành tựu như cầu dây văng.

Ở nước ta, CDV đầu tiên được xây dựng vào năm 1976 tại Đakrong
(Quảng Trị). Trong giai đoạn vừa qua, cùng với sự phát triển và hội nhập của
nhiều ngành kinh tế, ngành cầu đường nước nhà cũng có những bước phát

triển đáng khích lệ, trong đó CDV được đặc biệt quan tâm như là một giải

pháp hợp lý nhất không những với các cầu nhịp lớn mà ngay cả trong các dự

án phát triển giao thông nông thôn, vùng núi, đồng bằng sông Cửu long.

Trong năm 2000, chúng ta đã hoàn thành việc xây dựng ba chiếc CDV

với các nét đặc thù riêng đó là cầu sơng Hàn (Đà Năng)-3/2000; cầu Mỹ
Thuận (Vĩnh Long)- 4/2000 và cầu Dak rong mới-5/2000.

Hiện chúng ta đang triển khai các dự án CDV Cân Thơ, Bãi Cháy và
Rạch Miễu... và hàng loạt CDV cho nông thôn, miền núi.
công
Trong những năm gần đây, với những thành tựu đạt được trong

của
nghệ vật liệu và công nghệ xây dựng quan điểm cổ điển về giới hạn nhịp
mà vẫn
CDV đã thay đổi. Nhịp CDV ngày nay có thể đạt đến hàng ngàn mét
hợp của
đảm bảo tốt các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật. Có thể đơn cử các trường
cầu Normandie

(1995)-nhip 856m;

Tatara (1999)-nhip

890m

va các dự an

CDV qua vinh Great Belt— nhip 1600m, CDV qua eo bién Gibraltar — nhip
5000m là những minh chứng.

Để đáp ứng kịp với nhịp độ xây dựng trong thực tiên cũng như những
bước nhảy vọt về khả năng vượt nhịp của CDV một số các quan niệm về lý

luận cũng cần phải thay đổi.
Một trong các vấn đề đó là sự làm việc của dây văng. Trước đây với các
CDV

nhịp nhỏ và trung bình, trong tính tốn người ta có thể chấp nhận các

dây văng thẳng tuyệt đối. Hiện nay với các CDV nhịp lớn, chiều dài dây lớn
thì độ võng của dây văng do tác dụng của trọng lượng bản thân là đáng kể.

Khi chịu hoạt tải độ cong của dây sẽ thay đổi do đó chuyển vị tại các nút dây
không những chỉ do biến dạng đàn hồi tuyến tính của dây mà cịn có thêm
thành phần biến dạng phi tuyến do dây thay đổi độ cong. Biến dạng phụ này

sẽ làm thay đổi độ cứng thực tế của các dây và đo đó làm thay đổi trạng thái
nội lực-biến dạng trong toàn hệ.

Trong các chuyên đề 1 và chuyên đề 2 đã tiến hành nghiên cứu, xây

dựng biểu thức xác định môđun đàn hồi tương đương của dây văng khi xét đến
ảnh hưởng của sự thay đổi độ cong, khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố hình
học, nội lực trong dây đến môđun đàn hồi tương đương của một dây đơn.

Tiếp theo các chuyên đề trên, trong chuyên đề này (chuyên đề 3) trình

bày những nghiên cứu về ảnh hưởng của sự thay đổi độ cong dây (thông qua
sư thay đổi môđun đàn hồi tương đương) đến trạng thái nội lực- biến dạng
trong cầu dây văng.

CHƯƠNG 1

NHỮNG VẤN ĐỂ CHUNG
1.1. ANH HUGNG

CUA SU THAY DOI DO CONG CUA DAY DEN BIEN

DANG CUA HE
Trong cầu dây văng, các dây văng thường được làm bằng các bó dây
gồm các sợi thép cường độ cao. Bó dây thường nho và đài, nên mềm, chịu kéo
tốt nhưng khơng có khả năng chịu uốn, nén. Các dây văng được neo vào dầm
chủ và tháp cầu với các góc nghiêng khác nhau theo phương ngang, dưới tác

dụng của trọng lượng bản thân, dây bị võng theo đường cong dây xích mà
trong lý thuyết tính dây mềm vẫn được giả thiết là đường cong parabol.
Trước đây, trong tính tốn CDV

người ta chấp nhận dây văng thẳng

tuyệt đối, hệ được xem như không biến dạng hình học. Điều này có thể chấp
nhận được với các cầu nhịp nhỏ, dây ngắn. Hiện nay, giới hạn nhịp của CDV

đã được đẩy cao lên, chiều dài dây văng có thể lên tới hàng trăm mét, vì vậy

quan niệm dây thẳng tuyệt đối sẽ khơng cịn phù hợp nữa.
Thực tế, khi một dây cáp căng xiên, dưới tác dụng của trọng lượng bản
thân và tĩnh tải kết cấu nhịp P, (hình 1.1) dây có độ võng là ƒ,. Khi chịu
thêm hoạt tải, giá trị lực tại nút dây đạt tới ? = 4 + AP, độ cong của dây thay

đổi và độ võng mới là ƒ,.

Nếu APĂÄ0—=

ƒ#> ƒ dây sẽ bị cong thêm và ngược lại khi A7> Ö

-> f
dây duỗi thẳng hơn. Như vậy khi chịu hoạt tải, tại các nút dây bên

cạnh độ võng do biến dạng đàn hồi cịn có độ võng phụ

Ay phát sinh do sự

thay đổi độ cong của dây.
Trị số biến dạng do dây duỗi thắng chịu hoạt tải tác dụng vào nút có tính

đàn hồi phi tuyến và phụ thuộc vào các yếu tố sau:
- cường độ sử dụng của đây;

- chiều đài và góc nghiêng của dây so với phương ngang;
- tỉ lệ giữa hoạt tải và tĩnh tải.

Đường biểu diễn quan hệ giữa 4 và P; có dạng như trên hình 1.2

—Ư

Ay

Hình 1.2- Quan hệ giữa A và †,

Qua biểu đồ nhận thấy rằng:
- Độ võng phụ tăng theo P” nhưng giảm dần và tiệm cận với đường nằm
ngang khi

->œ

- Khi P.
nút dây do thay đổi độ cong rất có ý nghĩa với các dây giảm lực căng khi chịu
hoạt tải.

1.2. MÔĐUN ĐÀN HỔI TƯƠNG ĐƯƠNG
Trong cầu dây văng, các dây văng làm bằng cáp được treo cố định tại

hai đầu (dầm chủ và tháp câu). Dưới tác dụng của tải trọng ban đầu, bao gồm
trọng lượng bản thân dây và tĩnh tải kết cấu nhịp, dây văng bị võng.
Khi chịu hoạt tải, các dây văng không những bị co, dân đàn hồi mà cịn

thay đổi dạng hình học (bị cong hơn hoặc duỗi thẳng).
Như vậy, quan hệ giữa biến dạng và ứng suất (nội lực) trong dây không

phải thông qua giá trị môđun đàn hồi của vật liệu dây mà phải là đại lượng

môđun đàn hồi tương đương, trong đó chứa đựng yếu tố thay đổi độ cong của
day.
A

Trong các chuyên đề 1 và chuyên đề 2 đã xây dựng được biểu thức xác
định môđun đàn hồi tương đương E,, cla một dây căng xiên có các điểm tựa

khơng cùng cao độ chịu tải trọng thay đổi:
E

Ea

=

. W? cos’ a(N,+N,JEF
3(W? cos? a+8N) )Nz

trong đó:
W- Trọng lượng dây,

W = gs,

ø- Trọng lượng bản thân (phân bố trên chiều dài)

S$- Chiều dài đường nối giữa các điểm tựa của dây
E- Môđun đàn hồi của vật liệu dây
E- Diện tích tiết điện dây

œ- Góc nghiêng của đường nối các điểm tựa so với phương nằm ngang
N,- Luc doc trong day do tai trong ban dau (do tinh tai)
N,- Lực dọc trong dây ở trạng thái tính tốn (do tĩnh tải và hoạt tải)

1.3- THUẬT TỐN VÀ CHƯƠNG

TRÌNH TÍNH CDV KHI XÉT ĐẾN SỰ

THAY DOI MODUN DAN HOI TUGNG DUGNG CUA DAY
1.3.1- THUAT TOAN

Cầu dây văng là một hệ siêu tĩnh nên để tính được hệ cần phải đưa vào
độ cứng của từng phần tử. Tuy nhiên độ cứng của các dây văng phụ thuộc vào
mơđun đàn hồi tương đương, trong khi đó giá trị của đại lượng này với mỗi

dây lại thay đổi theo nội lực. Điều này gây khó khăn rất lớn cho việc tính tốn.
Để giải quyết vấn đề này, trong chuyên đề xây dựng một cách tính cầu
dây vãng có xét tới sự thay đổi của mơđun đàn hồi tương đương của dây khi
chịu hoạt tải.

Tính tốn thực hiện bằng phương pháp lặp, cụ thể: Đưa vào các giá trị
môđun đàn hồi xuất phát của các dây văng (tương ứng với nội lực trong dây

khi chịu tĩnh tải bản thân và tĩnh tải kết cấu nhịp) để tính nội lực trong hệ khi
chịu hoạt tải, từ nội lực trong đây tính được mơđun đàn hồi tương đương của

từng dây và so sánh với giá trị môđun đàn hồi xuất phát. Q trình tính tốn sẽ
tiếp tục với mơđun đàn hồi của dây bằng trị số vừa tính được cho đến khi kết

quả tính của hai chu trình liên tiếp xấp xỉ nhau.

1.3.2- CHƯƠNG TRÌNH
Theo thuật tốn trên đã xây dựng chương trình tính cầu dây văng trong

đó có xét đến sự thay đổi của môđun đàn hồi tương đương của dây.
Chương trình gồm hai phần chính:

+ Phần tính tốn kết cấu: Sử dụng SAP- 2000, là một chương trình

viết bằng phương pháp phần tử hữu hạn dùng để phân tích và tính tốn kết cấu.
+ Phần điều khiến: Phân điều khiển được viết bằng ngôn ngữ Visual

sau:
Basic, version 6.0. Phần chương trình này thực hiện những nhiệm vụ

- - Nhập các số liệu đầu vào (thông số hình học của kết cấu, tải trọng)
- - Xác định mơđdun đàn hồi tương đương của dây khi chịu tính tải
- - Điều khiến SAP-2000 chạy.

Lay lực dọc trong các dây theo kết quả tính tốn của SAP-2000 va

-

tính lại môđun đàn hồi tương đương của dây văng.
-

So sánh giá trị môđun đàn hồi tương đương của các dây trong hai

chu trình liên tiếp.

-

Nếu điều kiện xấp xỉ chưa thoả mãn, gan trở lại SAP các gia tn
môđun đàn hồi của dây văng bằng môđun đàn hồi tương đương của

chu trình vừa tính và điều khiển SAP-2000 chạy chu trình tiếp theo.

- _ Các bước tính kết cấu lặp lại cho đến khi điều kiện xấp xi thoả mãn.

- - Xuất kết quả của chương trình (mơmen uốn, độ võng dầm cứng, lực
đọc trong dây, môđun đàn hồi tương đương của các dây văng...) dưới

dang file Text, Biéu d6 (file AutoCAD).

Sơ đồ khối tổng quát của chương trình thể hiện trên hình 1.3

SO DO KHOI TINH CAU DAY VANG
: BẮT piu)

NHAP SO LIEU

XÁC ĐỊNH Eo
(DO TINH TAD

KHOI TINH TOAN

(SAP 2000)

"|

—=
E tda(t)

NOI LUC TRONG DAY
|

TINH MODUN DAN HOI TUGNG DUONG

KIEM TRA DIEU KIEN
Eid

+
(1) E ai-t)< e

NOI LUC VA BIEN DANG TRONG HE

xếrmức )
Hình 1.3

10

CHƯƠNG2
ANH HUGNG CUA DO CONG DAY

DEN NOI LUC VA BIEN DANG TRONG CAU DAY VANG
Qua biểu thức xác định môđun đàn hồi tương đương cua day cho thấy,

trị số của môđun đàn hồi tương đương phụ thuộc vào các yếu tố:
- Độ võng ban đầu của các đây (liên quan đến chiều dài dây, tiết diện
“đây và nội lực ban đầu trong dây);
- Tỉ số giữa nội lực do hoạt tải và nội lực do nh tải trong dây.

Trong chương này, sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố nói trên đến
mơđun đàn hồi tương đương của dây và do đó ảnh hưởng đến nội lực và biến
dạng trong cầu dây văng.

Sử dụng thuật tốn và chương trình tính đã giới thiệu trong chương Ì
tiến hành khảo sát các sơ đồ CDV có các thơng số thường dùng trong thực tế.

2.1- CẦU DÂY VĂNG KHƠNG CĨ TRỤ PHỤ
2.1.1. Sơ đồ 1- Cầu dây văng 3 nhịp 175 + 360 +175m

"_ Các kích thước hình học, vật liệu kết cấu thể hiện trên hình 2.1.
=

Tai trong:
+ Hoạt tải: Hoạt tải phân bố đều q=75KN/m, xét 2 trường hợp :
- Trường hợp 1: Hoạt tải đứng trên nhịp biên
- Trường hợp 2: Hoạt tải đứng trên nhịp giữa
+ Tĩnh tải: Xét 3 trường hợp:
- Trường hợp I1: Tỉ lệ giữa hoạt tải và tính tải: q/øg= 0,40
- Trường hợp 2: Tỉ lệ giữa hoạt tải va tinh tải: q/g= 0,35

- Trường hợp 3: Tỉ lệ giữa hoạt tải và tinh tai: q/g= 0,30

11

2.1.2. Sơ đồ 2- Cầu dây văng 3 nhịp 260 + 540 +260m

“_

Các kích thước hình học, vật liệu kết cấu thể hiện trên hình 2.2.

=

Tai trong:
+ Hoạt tải: Hoạt tải phân bố déu q=75KN/m, xét 2 trudng hop :
- Trường hợp 1: Hoạt tải đứng trên nhịp biên
- Trường hợp 2: Hoạt tải đứng trên nhịp giữa
+ Tĩnh tải: Xét 3 trường hợp:

- Trường hợp 1: Tỉ lệ giữa hoat tai va tinh tai: q/g= 0,40
- Trường hợp 2: TỈ lệ giữa hoạt tải và tinh tai: q/g= 0,35
- Trường hợp 3: TỈ lệ giữa hoạt tải và tinh tai: q/g= 0,30
2.1.3. Sơ đồ 3- Cầu dây văng 3 nhip 388 + 800 +388m

=_

Các kích thước hình học, vật liệu kết cấu thể hiện trên hình 2.3.

=

Tai trong:

+ Hoạt tải: Hoạt tải phân bố déu q=75KN/m, xét 2 trường hợp :
- Trường hợp 1: Hoạt tải đứng trên nhịp biên

- Trường hợp 2: Hoạt tải đứng trên nhịp giữa
+ Tĩnh tải: Xét 3 trường hợp:
- Trường hợp 1: Tỉ lệ giữa hoạt tải và tĩnh tải: q/g= 0,40
- Trường hợp 2: TỈ lệ giữa hoạt tai va tinh tai: q/g= 0,35
- Trường hợp 3: TỈ lệ giữa hoạt tải va tinh tai: q/g= 0,30

2.2- CAU DAY VANG CO TRU PHU
2.2.1. Sơ đồ I- Cầu dây văng 3 nhịp 175 + 360 +175m

“_

Các kích thước hình học, vật liệu kết cấu thể hiện trên hình 2.4.

12

=

Tai trong:

+ Hoạt tải: Hoạt tải phân bố đều q=75KN/m, xét 2 trường hợp :
- Trường hợp 1: Hoạt tải đứng trên nhịp biên
- Trường hợp 2: Hoạt tải đứng trên nhịp giữa
+ Tĩnh tải: Xét 3 trường hợp:

- Trường hợp I: TỈ lệ giữa hoạt tải và tinh tai: q/g= 0,40
- Trường hợp 2: TỈ lệ giữa hoạt tải và tĩnh tải: q/g= 0,35

- Trường hợp 3: TỈ lệ giữa hoạt tải và tĩnh tải: q/g= 0,30

2.2.2. Sơ đồ 2- Cầu day văng 3 nhịp 260 + 540 +260m

“_

Các kích thước hình học, vật liệu kết cấu thể hiện trên hình 2.5.

=

Tai trong:

+ Hoạt tải: Hoạt tải phân bố đều q=75KN/m, xét 2 trường hợp :
- Trường hợp 1: Hoạt tải đứng trên nhịp biên
- Trường hợp 2: Hoạt tải đứng trên nhịp giữa
+ Tĩnh tải: Xét 3 trường hợp:
- Trường hợp 1: Tỉ lệ giữa hoạt tai va tinh tai: q/g= 0,40
- Trường hợp 2: TỈ lệ giữa hoạt tai và tinh tải: q/g= 0,35
- Trường hợp 3: TỈ lệ giữa hoạt tải và tính tải: q/g= 0,30

2.2.3. Sơ đồ 3- Cầu dây văng 3 nhịp 388 + 800 +388m
=_

Các kích thước hình học, vật liệu kết cấu thể hiện trên hình 2.6.

=

Tai trong:

+ Hoạt tải: Hoạt tải phân bố đều q=75KN/m, xét 2 trường hợp :

13

- Trường hợp 1: Hoạt tải đứng trên nhịp biên
- Trường hợp 2: Hoạt tải đứng trên nhịp giữa

+ Tĩnh tải: Xét 3 trường hợp:
- Trường hợp 1: TỈ lệ giữa hoạt tải và tính tải: q/g= 0,40
- Trường hợp 2: Tỉ lệ giữa hoạt tải và tính tải: q/ø= 0,35
- Trường hợp 3: TỈ lệ giữa hoạt tải và tính tải: q/g= 0,30

Các kết quả tính tốn được thể hiện dưới dạng biểu đồ trên các hình từ
(2.1.1-2.1.6) đến (2.6.1-2.6.6) và các bảng từ (2.1a-2.đ) đến (2.6a-2.6d).

d

‘

e620
(yu) LOW
‘

9680
| (Zw) on uộg

000'8

00019

làm

OAL IGA

000

.
WNydq NgIG 1311

8uQ eg
/91'0L

NgIG 1311

(yu) LOWW =| (Zw) UOA UdIG

bug 9g

NHL IBA
dÿHL - M1

00L0'0
6/200'0

yS/00'0
8Z/00'0

é

/SS00'0
97S00'0

WIN S'BZ=4 ;U/NM,01'S0 z=3
mm
¿1 1Z '2LdE

4

S6yO0'0
y9y00'0

6dz '61Z '68dL '8LL
8dz '91Z '8dL '8LL

4

4

4

1d@ ‘112 ‘db ‘LL
9d '91Z '9dE '9LI

Sdš 'S1Z 'SdL 'SLE
Lế 'tdt 'tLI
ydš 'y——
Edz '€1Z 'Edk '£LI

4

9idZ '8L1Z '9LdE '91L)
SLdz 'SLLZ 'SLdt 'SLLI

€Er00'0
h
y0t00'0
//E00'0

LdZ 'LLẽ ˆLdL ˆLLE

Tdz ‘712 ‘db ‘ZLb

U0k/ 080 001
HMÌA

yLdẽ
€Ldẽ
ZtLdế

€S€00'0

'yLLZ 'ttdL "1L
————n
'EL1Z 'ELdE '€LLI
'ZL1£ 'ZtdL 'ZLLI
Lidẽ ˆLL1ð ˆEEdE ˆLELE

9cc00'0

£0/00'0
2900'0
gy900'0

¿9000

0LdZ '0L1ẽ '01dE '0L1E

Aga

¿8S00'0

NJIG LIL

LVLb-bLt Ẩ§q

AVG

WOR UBD W9S TLL

SLI |
st | ist
091=0LX0L

WG UBD WOE- AL

09€
"
0L

|

Ltdb-tdl Aga

$

09L=01X9E

(gui) ton uệ\q
WIA

09L=01X8L

¿11Z-1 1z Ágq

|, SE

Aga

S

(Zw) wA UAC

0L¿

ñud ñn Buou “L p 0S -ÿˆZ dUỊH

S¿E

“SESS

094=01X91

Ltbdz-bdz Aga

ñHa ñM.L ĐNOH - k OGđ OS

(0u NS) W

0E

(w) A

00t-

009

00°F

IỌH NVG NnGỌW IỌA HNJL: ——~~—~

(p'9=6/b) ugiq diyu ug) 12} yeoy ‘Nyd ñn BuoW3 ˆÿ OP 0S -ÿˆLế YUH
ONONG ONONL IQH NYG NNGOW IDA HNIL :

——

ONQA ỌG Ọđ ñnäig

—
NỌñ N3NỌQN ỌG f13i!8

NHd NYLONOHM - + OG OS