Phân tích cầu dây văng: GĐ thi công và GĐ cuối Hiếm

Bài ứng dụng nâng cao số 2
Phân tích giai đoạn thi công và giai đoạn
cuối của cầu dây văng


Mclc
Lời luận kết .................................................................................... 4
Thông số cầu ·················································································· 5
Tải trọng ························································································ 5
Cài đặt môi trường làm việc ······························································· 6
Khai báo đặc trưng vật liệu và mặt cắt ················································· 7

Phân tích giai đoạn thi công cuối cùng ..................................... 9
Mô hình kết cấu cầu ······································································· 10
2D xuất mô hinh cầu ······································································ 11
Mô hình dầm chủ ··········································································· 12
Mô hình tháp ················································································ 13
Khai báo mô hình 3D ······································································ 16
Khai báo dầm ngang chính ······························································ 18
Khai báo dầm ngang trụ tháp ··························································· 20
Khai báo gối cho tháp ····································································· 22
Khai báo gối đầu ··········································································· 25
Nhập điều kiện biên ······································································· 27
Tính toán ứng suất ban đầu ····························································· 30
Nhập điều kiện tải trọng ·································································· 31
Nhập tải trọng ··············································································· 32
Phân tích kết cấu ··········································································· 36

Kiểm tra bước thi công giai đoạn cuối cùng........................... 36
Khai báo tổ hợp tải trọng ································································· 36
Tính toán các hệ số tải trọng chưa rõ ················································· 37

Kiểm tra hình biến dạng ·································································· 41

Phân tích giai đoạn thi công ...................................................... 42
Phân loại hạng mục thi công giai đoạn ··············································· 43
Cannibalization Stage Category ························································ 44
Phân tích giai đoạn ········································································ 44
Nhập ứng suất căng cáp ban đầu ····················································· 47
Khai báo giai đoạn thi công ······························································ 51
Gán nhóm kết cấu ········································································· 52
Gán nhóm điều kiện biên································································· 55


Gán nhóm tải trọng ········································································ 58
Gán giai đoạn thi công ···································································· 61
Nhập dữ liệu phân tích thi công theo giai đoạn ···································· 63
Tiến hành phân tích kết cấu ····························································· 63

Kiểm tra kết quả phân tích ......................................................... 63
Kiểm tra hình biến dạng ·································································· 64
Kiểm tra mô men uốn ····································································· 65
Kiểm tra lực dọc trục ······································································ 66
Biểu đồ thi công theo giai đoạn ························································· 67


ADVANCED APPLICATIONS

Lời luận kết
Cầu dây văng là hệ thống kết cấu cấu thành bởi sự kết hợp hiệu quả của các dây cáp, dầm chủ
và tháp cầu. Dạng cầu này có bề ngoài đẹp và dễ dàng hòa hợp với cảnh quan xung quanh bởi
hệ thống kết cấu đa dạng được tạo nên khi thay đổi hình dạng tháp và cách bố trí dây cáp.

Cầu dây văng là loại kết cấu đòi hỏi trình độ công nghệ cao về cả thiết kế lẫn thi công, và do đó
yêu cầu sự phân tích kết cấu và công cụ thiết kế tinh vi khi so sánh với các loại cầu thông
thường khác.
Bổ sung cho phẫn tích tĩnh cho tĩnh tải và hoạt tải, phép phân tích động cũng cần được thực
hiện để xác định các giá trị bất thường. Phân tích Lực động, động đất và gió cũng là yêu cầu
thiết yếu đối với thiết kế cầu dây văng.
Để xác định lực căng trước trong cáp được tạo ra lúc lắp đặt cáp, trạng thái cân bằng ban đầu
cho tĩnh tải tại giai đoạn hoàn thành cần được xác định trước. Sau đó, sự phấn tích giai đoạn thi
công dựa theo trình tự thi công được thực hiện.
Tài liệu hướng dẫn này giải thích kỹ thuật mô hình cầu dây văng, tính toán lực căng trước ban
đầu trong dây cáp, thể hiện phép phân tích trình tự thi công và xem lại dữ liệu đầu ra. Mẫu cầu
sử dụng trong tài liệu là cầu dây văng 3 nhịp liên tục tạo bởi nhịp chính dài 220m và 2 nhịp
biên dài 100m. Hình 1 phía dưới thể hiện sơ đồ cầu.

Hình. 1 Mô hình cầu dây văng

4


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Thông số cầu
Mô hình cầu dùng trong tài liệu đã được đơn giản hóa vì mục đích chính là để giải thích trình
tự phân tích nên một số kích thước có sai khác so với kết cấu thực tế.
Các kích thước và tải trọng cho cầu dây văng ba nhịp liên tục như sau:
Three span continuous cable-stayed bridge (self-anchored)
L = 100 m+220 m+100 m = 420 m
B = 15.6 m (2 lanes)
2 lane structure

m

m

m

Bridge type
Bridge length
Bridge Width
Lanes

2@ 3 + 8@ 10 + 14 =

m

14 + 9@ 10 + 12 + 9@ 10 + 14 =

m

14 + 8@ 10 + 2@ 3 =

m

m

Hình. 2 General layout

Tải trọng
 We input initial cable
prestress force values,

which can be calculated by
built-in
optimization
technique in MIDAS/Civil.





Trọng lượng: Tự động tính toán trong chương trình
Tĩnh tải bổ sung: mặt đường, rào chắn và lan can.
Lực căng trước ban đầu trong dây cáp: Lực căng trước trong dây
cáp làm thỏa mãn trạng thái cân bằng ban đầu tại giai đoạn hoàn
thành.

Hình. 3 Mặt bằng tháp

5


ADVANCED APPLICATIONS

Cài đặt môi trường làm việc
Để thực hiện phân tích giai đoạn cuối cùng cho cầu dây văng, mở file mới và lưu lại ‘Cable
Stayed Backward’ và bắt đầu mồ hình. Gán ‘m” cho đơn vị chiều dài, ‘KN’ cho đơn vị lực.
Hệ thống đơn vị có thể được thay đổi bất kỳ lúc nào trong suốt quá trình mô hình.

Click on

Tools /

-

New Project

-

Save (MSS)

Unit System

Length>m; Force (Mass)>kN (ton) 

Hình. 4 Gán hệ đơn vị

6


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Khai báo đặc trưng vật liệu và mặt cắt
Nhập tính chất vật liệu cho dây cáp, dầm chủ, trụ tháp, dầm ngang giữa các dầm chủ và dầm
ngang của trụ tháp. Nhấn
ở dưới thẻ Material trong hộp thoại properties.
Properties / Material Properties
Material ID (1); Name (Cable); Type of Design>User Defined;
User Defined>Standard >None; Type of Material>Isotropic;
Analysis Data>Modulus of Elasticity (1.9613e8); Poisson’s Ratio (0.3)
Weight Density (77.09) 
Nhập tính chất vật liệu cho dầm chủ, tháp, dầm ngang của dầm chủ và dầm ngang của tháp một

cách tương tự. Giá trị nhập vào thể hiện trong bảng 1.
Table 1 Material Properties
Material
ID
1

Name

Modulus of Elasticity
(kN/m2)

Poisson’s Ratio

Weight Density
(kN/m3)

Cable

1.9613×108

0.3

77.09

8

2

Girder

1.9995×10

0.3

77.09

3

Pylon

2.78×107

0.2

23.56

8

4

CBeam_Girder

1.9613×10

0.3

77.09

5

CBeam_Pylon

2.78×107

0.2

23.56

Hình. 5 Khai báo vật liệu

7


ADVANCED APPLICATIONS

Nhập thông số mặt cắt cho cáp, dầm chủ, tháp, dầm ngang của các dầm chủ và dầm ngang của
trụ tháp. Nhấn
dưới thẻ Section trong hộp thoại Properties.

Properties /

Section

Value tab
Section ID (1); Name (Cable); Built-Up Section (on); Consider Shear Deformation
(on);
Section Shape>Solid Rectangle; Section Properties>Area (0.0052) 
Tương tự, nhập các thông số mặt cắt cho dầm chủ, tháp, dầm ngang của các dầm chủ và dầm
ngang của trụ tháp. Giá trị trong bảng 2.
Table 2 Section Properties

Sectio
Name

Area
(m2)

Ixx
(m4)

Iyy
(m4)

Izz
(m4)

1

Cable

0.0052

0.0

0.0

0.0

2

Girder

0.3092

0.007

0.1577

4.7620

3

Pylon

9.2000

19.51

25.5670

8.1230

4

CBeam_Girder

0.0499

0.0031

0.0447

0.1331

5

CBeam_Pylon

7.2000

15.79

14.4720

7.9920

n
ID

Hình. 6 Khai báo mặt cắt

8


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Phân tích giai đoạn thi công cuối cùng
Sau khi hoàn thành mô hình giai đoạn cuối cùng cho cầu dây văng, chúng ta tính toán lực căng
ban đầu của cáp cho tải trọng bản thân và tĩnh tải tăng thêm. Sau đó, chúng ta thực hiện phân
tích trạng thái cân bằng ban đầu cùng với tính toán lực căng dây ban đầu.
Để thực hiện mô hình kết cấu cấu của cầu dây văng, đầu tiên ta tạo mô hình 2D bằng chương

trình Cable Stayed Bridge Wizard trong MIDAS/CIVIL. Sau đó sao chép đối xứng mô hình
2D để tạo mô hình 3D. Lực căng cáp ban đầu được đề xuất cho giai đoạn cuối cùng có thể
được tính toán dễ dàng qua chức năng Unknown Load Factors, chức năng dựa trên kỹ thuật tối
ưu hóa. Mô hình cuối cùng của cầu dây văng được thể hiện trong hình 7.

Hình. 7 Mô hình phân tích cầu dây văng

9


ADVANCED APPLICATIONS

Mô hình kết cấu cầu
Trong tài liệu này, mô hình phân tích cho giai đoạn cuối cùng sẽ được hòa thiện trước và sau
đó thực hiện phân tích. Mô hình giai đoạn cuối cùng sẽ được lưu dưới tên khác, và sau đó mô
hình giai đoạn thi công sẽ được phát triển sử dụng mô hình này.
Quá trình mô hình cho phân tích giai đoạn cuối cùng của cầu dây văng như sau

1. T o mô hình 2D b ng Cable-Stayed Bridge Wizard
2. Mô hình tháp
3. M r ng thành mô hình 3D
4. T o d m ngang c a d m ch
5. T o g i tháp
6. T o g i đ hai đ u
7. Nh p đi u ki n biên
8. Tình toán l c c ng ban đ u b ng Unknown Load Factors
9. Nh p t i tr ng và đi u ki n t i tr ng
10. Th c hi n phân tích k t c u
11. Tính toán Unknown Load Factors

10


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

2D xuất mô hinh cầu
 Sử dụng thuật sỹ 2D, 1 mô
hình 2D sẽ được tự động khai
báo với các tính chất vật liệu,
mặt cắt, dầm chủ đã khai báo.

MIDAS/Civil cung cấp chức năng Cable-Stayed Bridge Wizard có thể tự động tạo ra mô hình
cầu dây văng 2D dựa trên các kích thước hình học cơ bản của cầu dây văng. Nhập các kích
thước kết cấu cơ bản của cầu dây văng trong Cable-Stayed Bridge Wizard như sau.
Front View

Point Grid (off)

Line Grid Snap (off)

Point Grid Snap (off)

Node Snap (on)

Elements Snap (on)



Structure /
Type>Symmetric Bridge

A>X (m) (0) ; Z (m) (25) ; B>X (m) (100) ; Z (m) (90)
Height>H1 (m) (90)



Material>Cable>1:Cable ; Deck>2:Girder ; Tower>3:Pylon
Section>Cable>1:Cable ; Deck>2:Girder ; Tower>3:Pylon
 Nhập độ dốc ngang 5% cho
cả 2 nhịp cầu, và sử dụng
đường cong tròn cho nhịp
giữa, nhịp liên lục từ các nhịp
biên

Select Cable & Hanger Element Type>Truss



Shape of Deck (on)>Left Slope (%) (5) ; Arc Length (m) (220)



Cable Distances & Heights
Left>Distance (m) (3, 8@10, 14) ; Height (m) (1.2, , 3@2, , 45)
Center>Distance (m) (14, 9@10, 12, 9@10, 14) 

 Nếu bản vẽ nhìn từ lựa chọ
View, mô hình khai báo 2D sẽ
có thể nhìn thấy từ cửa số
thuật sỹ.

Hình. 8 Dùng thuật sỹ mô hình cầu

11


ADVANCED APPLICATIONS

Mô hình dầm chủ
Các nốt nhân bản sẽ được tạo ra tại vị trí tháp do Cable-Stayed Bridge Wizard sẽ tạo dầm chủ
như là loại dầm giản đơn cho nhịp biên và nhịp chính. Ví dụ hướng dẫn này là cầu dây văng
liên tục tự neo. Ta sẽ sử dụng chức năng hợp nhất nốt để tạo dầm liên tục tại vị trí tháp.

Node Number (on)
Node/Element /

Front View
Merge Nodes

Merge>All
Tolerance (0.001)
Remove Merged Nodes (on) 

Hình. 9 Khai báo mặt phẳng cáp 2D

12


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Mô hình tháp
Bề rộng trên và dưới của tháp tương ứng là 15,6m và 19,6 m. Để mô hình tháp xiên, phần dưới
tháp sẽ được dịch chuyển 2 m theo phương Y sử dụng chức năng di chuyển nốt.

Right View
Node/Element /

Auto Fitting

Node Number (off)

Translate Nodes

Select Window (Nodes: A in Hình. 10)
Mode>Move; Translation>Equal Distance; dx, dy, dz ( 0, -2, 0 ) 

A

A
Before Execution

Hình. 10 Bố trí tháp nghiêng

13


ADVANCED APPLICATIONS
 Mô tả chi tiết cho Beta
angle có thể được tìm thấy
trong “Tutorial for 3D

Simple 2-Bay Frame” hoặc
“Truss
Element”
trong
“Types of Elements and
Important Considerations”
trong “Analysis for Civil
Structures”.

Chú ý rằn hệ tọa độ cục bộ của phần tử tháp đã thay đổi theo sự di chuyển của nốt. Trục y và z
quay 900 khi phần tử xiên- đây là đặc điểm định sẵn của chương trình. Để quay trục y và z trở
lại vị trí ban đầu, góc Beta được thay đổi đến -900. Bằng thay đổi góc Beta của phần từ tháp
đến -900 ta cũng đã làm hệ tọa độ cục bộ của phần tử của các phần từ trên và các phần tử dưới
tháp trùng nhau để dễ dàng xem lại kết quả phân tích.
Display
Element>Local Axis (on) 
Node/Element /
View>

Change Element Parameters
Select >

Select Intersect (Elements: A in Hình. 11)

Parameter Type> Element Local Axis (on)> Beta Angle
Beta Angle (Deg) (-90) 

A

Before Execution

Hình. 11 Local Element Axis Transformation for Tower Elements

14


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

.
Để tạo dầm ngang của tháp, chia phần tử tháp theo phương Z bằng chức năng chia phần tử.

Node/ Element /

Divide Elements

Select Previous
Divide>Element type>Frame; Unequal Distance
x (m) (10, 36) 
10.0 m

36.0 m

Hình. 12 Chia nhỏ tháp văng

15


ADVANCED APPLICATIONS

Khai báo mô hình 3D

Để tạo mô hình 3D, ta chuyển mô hình 2D -7,8m theo phương Y, vì bề rộng cầu là 15,6m.

Node/Element /

Translate

Select All
Mode>Move; Translation>Equal Distance; dx, dy, dz ( 0, -7.8, 0 ) 

7.8 m

Hình. 13 Moving 2D Model –7.8 m in the Y direction

16


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Bây giờ, ta sao chép cáp, dầm chủ và tháp đối xứng qua trục đối xứng của cầu. Lúc này, ta sẽ
kiểm tra trong Mirror Element Angle để hệ tọa độ cục bộ của phần tháp sao chép khớp với của
phần tháp ban đầu.
Node /Element /

Mirror Elements

Select All
Mode>Copy
Reflection>z-x plane (m) ( 0 )
Copy Element Attributes (on) ; Mirror Beta Angle (on) 

Reflection Plane

Hình. 14 Generating 3D Model

17


ADVANCED APPLICATIONS

Khai báo dầm ngang chính
Tắt hiển thị cho trục tọa độ phần tử và tạo dầm ngang giữa dầm chủ bằng chức năng Extrude
Element, chức năng tạo phần từ đường từ các nốt.

Top View
Display
Element> Local Axis (off) 
Node/Element /

Extrude Elements

Select Identity - Nodes
Select Type>Material, Nodes (on), Elements (off)
Select Type >2: Girder, Add
Unselect window (Nodes: A in Hình. 15)
Extrude Type>Node → Line Element
Element Attribute>Element Type>Beam
Material>4: CBeam_Girder
Section>4: CBeam_Girder
Generation Type>Translate
Translation>Equal Distance; dx, dy, dz (0, -15.6, 0)

Number of Times (1) 

18


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

A

Hình. 15 Khai báo dầm ngang chính

19


ADVANCED APPLICATIONS

Khai báo dầm ngang trụ tháp
Trước khi tạo dầm ngang của tháp, ta chỉ kích hoạt phần tử tháp để mô hình một cách hiệu quả.

Front View
Select Single (A in Hình. 16)
Activate

Hình. 16 Selecting Tower Elements

20


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Tạo dầm ngang của tháp bằng chức năng Create Element.

Iso View
Node/Element /

Node Number (on) /

Element Snap (off)

Create Elements

Element type>General Beam/Tapered Beam
Material>5: CBeam_Pylon
Section>5: CBeam_Pylon
Nodal Connectivity (142, 72) (145, 73) (144, 74) (147, 75)



Hình. 17 Tower Cross Beam Generation

21


ADVANCED APPLICATIONS

Khai báo gối cho tháp
Tạo các nốt mới tại vị tí gối đỡ tháp bằng chức năng Project Nodes.

Node/Element /
Mode>Copy; Projection Type>Project nodes on a plane

Select Single (Nodes: 34, 137, 57, 139)
Base Plane Definition>P1 (145)



;P2 (73)



; P3 (75)



; Direction>Normal

Merge Duplicate Nodes (on); Intersect Frame Elem. (on) 

Hình. 18 Tower Bearing Generation

22


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Tạo các nốt tại vị trí gối đỡ sử dụng chức năng Translate Nodes để phản ánh chiều cao gối.

Node/Element /

Translate

Select Single (Nodes: 149 to 152)
Mode>Copy; Translation>Equal Distance
dx, dy, dz ( 0, 0, 0.27) 

Hình. 19 Tower Bearing Location Generation

23


ADVANCED APPLICATIONS

Mô hình gối đỡ tháp sử dụng liên kết phần tử-phần tử.
Tính chất gối như sau:
SDx: 199,736,032 kN/m
SDy:
73,373 kN/m
SDz:
73,373 kN/m

Boundary /

Elastic Link

Zoom Window (A in Hình. 20)
Options>Add; Link Type>General Type
SDx (kN/m) (199736032); SDy (kN/m) (73373); SDz (kN/m) (73373)
 Simultaneously
input
elastic link elements for
both towers by entering

tower spacing of 220 m.



Copy Elastic Link (on)>Axis>x; Distances (m) (220)
2 Nodes (151,155)



2 Nodes (149,153)



A

Hình. 20 Tower Bearing Generation

24


FINAL AND CONSTRUCTION STAGE ANALYSIS FOR CABLE-STAYED BRIDGES

Khai báo gối đầu
Tạo các nốt tại vị trí gối hai đầu sử dụng chức năng Translate Nodes.

Activate All
Node/Element /

Translate…

Select Single (Nodes: 76, 24, 135, 68)
Mode>Copy; Translation>Unequal Distance
Axis>z; Distance (m) (-4.5, -0.27) 

Hình. 21 Generating Nodes at the End Bearing Locations

25