thiết kế cầu bãi cháy bằng phương pháp phân tích phần tử hữu hạn

3) Cáp dây văng
Nghiên cứu sâu hơn về tạo mô hình cáp văng đã được thực hiện sử dụng mô
hình cáp văng đơn giản hoá. Mục đích của nghiên cứu là làm thế nào để lựa
chọn được kiểu dáng cáp văng phù hợp, bởi vì phần tử dài và mảnh đối với
phân tích phi tuyến như cáp văng có khả năng xảy ra vấn đề “chốt cắt”
(shear lock) một cách độc đáo. Để tránh tình trạng này, nên chia mỗi cáp
văng thành một số phần tử (Đề xuất chia trên 100 phần tử) và điều đó không
thể áp dụng cho phân tích toàn bộ kết cấu. Vì vậy, trong thực tế Tư vấn
quyết định sử dụng một phần tử giàn cho mỗi cáp văng.
4) Tốc độ gió
Tải trọng gió đã được xác định tại mục 2-2-2-5
5) Cốt thép của các cấu kiện
Bố trí cốt thép theo chiều thẳng đứng được trình bày tại Hình 2-38.
Cốt thép ở chân tháp được trình bày tại Bảng 2-28 và Hình 2-39.
Bảng 2-28 Lượng cốt thép
Thanh cốt thép
Thép
Đặc điểm
Đường kính Khoảng cách
SD490
51 mm
150 mm
42 lớp
250x250

Thép-H
10200x200

6) Kết quả tính toán Hệ số tải trọng ngang
Cấu kiện chịu tải trọng gió lớn nhất là tháp chính và không có hậu quả nào
then chốt nhất đến các cấu kiện khác (Hình.2-40). Hệ số tải trọng ngang tại

mặt cắt nguy hiểm nhất của tháp (6,125m tính từ chân tháp) là 1,332 và
Momen uốn của tháp tính với 1,332 lần tải trọng gió được trình bày trong
Hình 2-40.
Phân tích phi tuyến được thực hiện bằng chương trình máy tính có tên là
“ABAQUS”. Để xác nhận lại đối với chương trình và mô hình, Tư vấn đã
tính toán lại bằng cách sử dụng một chương trình máy tính khác có tên là
“Chương trình phân tích mô hình thớ”. Dựa vào kết quả phân tích, theo
chương trình phân tích mô hình thớ, hệ số tải trọng ngang tại mặt cắt nguy
hiểm của tháp là 1.35 và giá trị này cũng gần giống giá trị 1.332 của chương
trình “ABAQUS”

67
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Hình.2-38

Hình.2-40

Hình.2-39

68
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


2-9

THIẾT KẾ BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN
[1b],[3b]

2-9-1 Khái quát về thiết kế
Thiết kế bằng phân tích Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng
cho các đoạn hoặc các cấu kiện không thể phân tích một cách đầy đủ thông
qua phân tích hệ thanh thông thường. Phân tích FEM được tiến hành để thực
hiện thiết kế sau.
1) Thiết kế phương ngang của dầm
2) Thiết kế tháp
3) Thiết kế mối nối giữa tháp, dầm và trụ cầu
2-9-2 Thiết kế phương ngang dầm chủ
2-9-2-1 Khái quát về phân tích kết cấu
(1) Mô hình kết cấu theo phương dọc
Mô hình thiết kế phương ngang dầm chủ có kết cấu cơ bản gồm các
dầm đúc hẫng có các đầu tự do có mô men uốn bằng không trong
trạng thái làm việc của toàn bộ tĩnh tải, và một dầm đỡ đơn giản có
momen uốn bằng không tại các điểm đỡ (xem Hình 2-41). Trong mô
hình kết cấu theo phương dọc, có thể bỏ qua hình tuyến cầu trên
phương thẳng đứng trong phân tích.

Hình 2-41 Momen uốn tại dầm chủ trong trạng thái làm việc của toàn bộ
tĩnh tải và mô hình cơ bản cho phân tích FEM.
(2) Mô hình kết cấu theo phương ngang

69
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


a) Giả định chung
Độ dốc ngang được xem xét theo mô hình phương ngang. Mô hình phân tích
gồm có các phần tử vỏ cho các cấu kiện bê tông và cấu kiện thanh đối với
các thanh chống bằng thép.

b) Thuộc tính của mỗi phần tử
Thuộc tính của mỗi phần tử được trình bày tại Bảng 2-29
Bảng 2-29
Thuộc tính của phần tử
Bề dày
Mô đun đàn Trọng
Ghi chú
bản (m)
hồi
lượng
(Tf/m2)
(T)
0.206
3.2E6
0.2551
Cánh hẫng
0.229
“
“
bản mặt cầu
0.276
“
“
0.348
“
“
0.443
“
“
0.700

3.2E9
“ Vùng cứng
0.700
“
“ Vùng cứng
Bản mặt cầu
0.375
3.2E6
“
0.250
“
“
0.350
“
“
0.457
“
“ Ụ neo
(Độ dày trung bình)
Sườn
0.850
3.2E9
0.0 Vùng cứng
0.350
3.2E6
0.2551
Bản đáy
0.365
3.2E9
“ Vùng cứng

0.200
3.2E6
“
Thanh chống đường kính
Tf/m2
T
thép
(m)
2.0E7
0.801 Bề dày tấm t=9.3mm
Neo của
3.2E6
0.2551 Bệ bê tông đầu trên (Đỉnh)
thanh chống
“
“ Bê bê tông đầu dưới (Chân)
c) Chia phần tử hữu hạn
Mặt cắt ngang của dầm chủ được chia thành các phần tử hữu hạn như đã
trình bày tại Hình 2-42.

70
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Hình 2-42 Chia các phần tử hữu hạn theo phương ngang
(3) Tải trọng
1) Trọng lượng riêng của các phần tử được xem như tải trọng phân bố
đều.
2) Tĩnh tải chất trên được tính như tải trọng tập trung tại các điểm nút và
tải trọng phân bố đều.

3) Dự ứng lực được tính trên mỗi phần tử như ngoại lực ví dụ như lực
ngang, thẳng đứng và mô men.
4) Đối với các lực kéo tại cáp văng, các thành phần ngang và thẳng đứng
của các lực kéo được đặt vào ụ neo.
5) Đối với tổ hợp tải trọng, xét cả trạng thái làm việc của toàn bộ tĩnh tải
và trạng thái làm việc của tải trọng khai thác.
6) Tải trọng - T tác dụng như lực tập trung. Tải trọng - L và tải trọng
người đi bộ sử dụng trong thiết kế dầm được xem như lượng tăng lên
của lực kéo cáp văng và sẽ không được tác dụng trực tiếp.
2-9-2-2 Phân tích bằng mô hình dầm đỡ giản đơn
Giả định
1) Việc chia thành các phần tử hữu hạn theo phương dọc cầu và mô hình
dầm đỡ giản đơn dùng trong thiết kế ngang của dầm chủ được trình
bày lần lượt tại Hình 2-43 và 2-44.
2) Điều kiện gối đỡ được giả định như sau
• Bản đáy ở cuối mô hình :
Chốt nối
• Sườn và mặt cầu ở cuối mô hình: cố định với chuyển vị dọc.
71
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


3) Vật liệu gồm có:
• Bê tông
: f’ ck = 450 Kgf / cm2
• Thanh chống thép
: STKI 490
4) Chuẩn bị 2 loại mô hình đỡ đơn giản với khoảng cách thanh chống là
3.25 m và 6.60m để xác định khoảng cách thanh chống phù hợp.

Hình. 2-43 Chia phân tử hữu hạn theo phương dọc

Hình 2-44 Mô hình dầm đỡ đơn giản cho thiết kế ngang

72
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Kết quả phân tích
Những hình sau sẽ trình bày đường ứng suất theo hướng pháp tuyến Y của
mặt trên và mặt dưới của bản mặt cầu chỉ ở trạng thái làm việc của toàn bộ
tĩnh tải (T.D.W.S.) làm ví dụ.
1) Bản mặt cầu
.

Hình 2-44 Đường bao ứng suất thường theo hướng pháp tuyến Y của mặt
trên bản trong trạng thái TDWS

Hình 2-45 Đường bao ứng suất thường theo hướng pháp tuyến Y của mặt
dưới bản trong trạng thái TDWS
73
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Tương tự, có các đường ứng suất khác của các loại ứng suất, cho bản
đáy và sườn ở các tổ hợp tải trọng khác.
2-9-2-3 Phân tích bằng mô hình dầm hẫng
Giả định
1) Tiến hành phân tích mô hình dầm hẫng ở đoạn đặt ở giữa trụ P4&
P5 như được trình bày tại Hình 2-41.

2) Mô hình phải được cố định tại P4 và đầu còn lại tự do và khoảng
cách giữa các thanh chống 3.25 m. Chia các phần tử hữu hạn theo
phương dọc và mô hình dầm đúc hẫng cho thiết kế dầm chủ ngang
như trình bày tại Hình 2-47.
3) Phân tích này được áp dụng cho thiết kế vùng quanh trụ chính và
thiết kế theo phương ngang của dầm chủ khi kéo cáp và Hình 2-47.
4) Xem xét tổ hợp tải trọng như sau:
• Trạng thái làm việc của lực kéo của dây văng (Giai đoạn thi
công)
• Trạng thái làm việc của toàn bộ tĩnh tải
• Trạng thái làm việc của tải trọng khai thác
Đối với trạng thái làm việc của lực kéo của dây văng, trọng lượng riêng của
dầm, dự ứng lực ngang, lực kéo cáp văng tại lúc truyền sang dầm, dự ứng
lực ngoại tạm thời, và trọng lượng của xe đúc đều được xem xét trong phân
tích.

Hình. 2-47

Chia các phần tử hữu hạn theo phương dọc
74

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Hình. 2-48 Mô hình dầm hẫng để thiết kế theo phương ngang của dầm chủ
Kết quả phân tích

Hình 2-49 Đường bao ứng suất theo hướng pháp tuyến Y mặt trên bản
trong trạng thái TDWS
75

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version


Hình. 2-50

Đường bao ứng suất theo hướng pháp tuyến Y mặt dưới
bản trong TDWS

2-9-3 Thiết kế dầm chủ theo phương ngang trong khu vực neo cáp văng
[1b],[3b]
2-9-3-1 Thiết kế bản mặt cầu
(1) Tổng quát
Bản mặt cầu được thiết kế như một phần tử bê tông DƯL từng phần để thoả
mãn những điều kiện sau.
a) Trong giai đoạn thi công, ứng suất kéo tại vùng nén đầu tiên
không lớn hơn 0.7 f’ ck2/3, và ứng suất kéo tại vùng kéo đầu tiên
không lớn hơn 0.5 f’ck2/3.
b) Ứng suất kéo uốn sẽ không xảy ra trong trạng thái làm việc của
toàn bộ tĩnh tải.
c) Ở trạng thái làm việc của tải trọng khai thác, ứng suất kéo
không lớn hơn 0.5f’ck2/3.
(2) Kết quả phân tích
1) Bố trí đường tim của thép dự ứng lực
Bố trí đường tim thép dự ứng lực ngang được trình bày trong Hình 2-51
76
PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version