Nghiên cứu hệ số phân bố ngang cho hoạt tải tính theo phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp đơn giản aashto

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
------------------

PHẠM DUY KHÁNH

ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU HỆ SỐ PHÂN BỐ NGANG CHO HOẠT TẢI
TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN VÀ
PHƯƠNG PHÁP ĐƠN GIẢN AASHTO

CHUYÊN NGÀNH : XÂY DỰNG CẦU HẦM

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH – THÁNG 10 NĂM 2010


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1 : TS. Ngô Trần Trọng Lễ

Cán bộ hướng dẫn khoa học 2 : TS. Lê Bá Khánh

Cán bộ chấm nhận xét 1

: TS. Phùng Mạnh Tiến

Cán bộ chấm nhận xét 2

: TS. Phạm Quang Nhật

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Ngày 11 tháng 12

năm 2010


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------------

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do - Hạnh Phúc
---oOo--Tp. HCM, ngày . . . . . tháng . . . . . năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên:

PHẠM DUY KHÁNH

Phái : Nam

Ngày, tháng, năm sinh :

10/08/1985

Nơi sinh : KIÊN GIANG

Chuyên ngành :

XÂY DỰNG CẦU HẦM

MSHV : 09380321

Khoá (Năm trúng tuyển) : K2009
1- TÊN ĐỀ TÀI:
Nghiên cứu hệ số phân bố ngang cho hoạt tải tính theo phương pháp phần tử hữu hạn và
phương pháp đơn giản AASHTO
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
 Phân tích và tính tốn ảnh hưởng của thơng số chính cũng như là những thơng số phụ ảnh
hưởng đến hệ số phân bố momen của hoạt tải đối với cầu BTCT DƯL nhịp giản đơn bằng
phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp AASHTO;
 Tổng hợp, so sánh kết quả hệ số phân bố momen của hoạt tải trong các trường hợp nghiên
cứu. Căn cứ vào kết quả nghiên cứu, tác giả đưa ra khuyến cáo về hệ số phân bố momen
của hoạt tải trong việc thiết kế cầu, lập bảng hệ số điều chỉnh momen cho các trường hợp
nghiên cứu phục vụ ứng dụng thực tế;
 Những vấn đề còn tồn tại và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo cho hệ số phân bố
ngang
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 25/01/2010
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 02/07/2010
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
- Cán bộ hướng dẫn 1 : TS. Ngô Trần Trọng Lễ
- Cán bộ hướng dẫn 2 : TS. Lê Bá Khánh

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2

CHỦ NHIỆM BỘ MƠN
QUẢN LÝ CHUN NGÀNH

TS. Ngơ Trần Trọng Lễ

TS. Lê Bá Khánh

TS. Lê Bá Khánh


LỜI CẢM ƠN
Thực hiện luân văn thạc sĩ là môn học cuối của khóa đào tạo Thạc sĩ kỹ thuật ngành
Cầu-Hầm, Trường Đại Học Bách Khoa Thành Phố Hồ Chí Minh. Nhân đây, em xin
gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý nhà trường, Quý thầy cô trong bộ môn Cầu-Đường
và giảng viên thỉnh giảng, các bạn học viên cao học lớp Cầu Hầm 2008&2009 đã tạo
một môi trường học tập, trao đổi kiến thức ngành vơ cùng bổ ích và tạo điểu kiện
thuận lợi để chỉ dạy cho em những kiến thức quý báu trong thời gian học tập. Đặc biệt,
em xin gửi cảm ơn sâu sắc đến ba mẹ và người thân trong gia đình, TS. Lê Bá Khánh,
TS. Ngô Trần Trọng Lễ đã động viên nhắc nhở và đóng góp ý kiến về nội dung nghiên
cứu vấn đề trở nên sáng tỏ, mạch lạc và hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin gửi lời chúc
sức khỏe, bình an tới tất cả Quý thầy cô, các bạn trong lớp và đồng nghiệp. Xin cảm
ơn tất cả và trân trọng kính chào

TP. Hồ Chí Minh, ngày

tháng

Học viên cao hoc

Phạm Duy Khánh

năm 2010


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Với mục tiêu nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố chính cũng như là những yếu tố
phụ đến kết cấu nhịp giản đơn làm việc trong hệ mạng dầm đến sự phân bố lại nội lực
và biến dạng trong các dầm. Từ đó, đưa ra các khuyến cáo về hệ số phân bố ngang cho
hoạt tải làm cơ sở cho việc bố trí vật liệu hợp lý, đảm bảo tính kinh tế- kỹ thuật cho
mỗi cơng trình cầu BTCT DƯL. Các số liệu phân tích của ln văn như : chiều dài
tính tốn của cầu, khoảng cách giữa các dầm chính, chiều dày của bản mặt cầu, chiều
dài hẫng…được thống kê từ những dự án thực tế và tham khảo những nghiên cứu
khác, phạm vi ứng dụng của cơng tính hệ số phân bố ngang của momen trong tiêu
chuẩn AASHTO. Trong thời gian cho phép thực hiện đề tài, tác giả sẽ chọn ra những
số liệu nổi trội nhất trong một tập hợp này để làm đối tượng nghiên cứu. Tất cả các
trường hợp phân tích đều dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn thơng qua chương
trình ứng dụng SAP2000 phiên bản 14, các loại tải trọng và tổ hợp tải trọng tuân thủ
theo tiêu chuẩn AASHTO. Kết quả được trình bày dạng bảng biểu và biểu đồ theo
từng thông số nghiên cứu và thay đổi để so sánh đối chiếu với quy trình. Từ đó, rút ra
những kết quả đáng tin cậy và hữu ích nhất
Trên cơ sở kết quả nghiên cứu, tác giả đưa ra khuyến cáo về hệ số phân bố ngang
của momen cho hoạt tải trong việc thiết kế cầu BTCT nhịp giản đơn. Đồng thời đề
xuất hệ số điều chỉnh hệ số phân bố ngang cho momen của hoạt tải khi thiết kế. Chính
vì vậy, tính tốn thiết kế về cầu BTCT nhịp giản đơn trở nên chính xác hơn và an toàn
hơn. Đồng thời, đây cũng là một trong những tài liệu tham khảo để đánh giá các
nguyên nhân hư hỏng trong cầu hiện nay. Cuối cùng, tác giả đề xuất những hướng
nghiên cứu mới về hệ số phân bố ngang để có thể hiểu biết sâu hơn về vấn đề này.

MỤC LỤC
Mở đầu .............................................................................................................................. 1
1.Đặt vấn đề nghiên cứu ................................................................................................ 1
2.Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 2
3.Nội dung nghiên cứu của đề tài .................................................................................. 3
Chương 1 : Tổng quan về hệ số phân bố ....................................................................... 5
1.1

Các nhóm phương pháp tính tốn sự phân bố tải trọng...................................... 5

1.1.1
1.1.2
1.1.3
1.1.4
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7

Nhóm thứ nhất .................................................................................................. 5
Nhóm thứ hai : .................................................................................................. 6
Nhóm thứ ba : ................................................................................................... 6
Nhóm thứ tư ...................................................................................................... 7
Phương pháp đòn bẩy.......................................................................................... 7
Phương pháp nén lệch tâm tổng quát ................................................................. 10
Phương pháp dầm liên tục trên các gối đàn hồi ................................................. 16
Phương pháp Homberg ....................................................................................... 25

Các phương pháp mạng dầm .............................................................................. 30
Phương pháp chuỗi điều hịa ............................................................................. 33

Chương 2 : Nghiên cứu tính tốn cách tính hệ số phân bố ngang theo phương
pháp gần đúng AASHTO LRFD .................................................................................... 39
2.1 Sơ lược về sự phát triển cách tính hệ số phân bố tải trọng theo tiêu chuẩn
AASHTO ........................................................................................................................ 39
2.2 Cách thiết lập hệ số phân bố tải trọng cho hoạt tải theo công thức gần đúng của
AASHTO......................................................................................................................... 40
2.3 Tính tốn hệ số phân bố tải trọng cho hoạt tải theo công thức gần đúng của
AASHTO......................................................................................................................... 43
2.3.1 Điều kiện áp dụng .............................................................................................. 43
2.3.2 Cơng thức tính Hệ số phân bố dùng cho mô men và lực cắt ............................ 44
2.3.3 Các điểm cần lưu ý khi áp dụng hệ số phân bố tải trọng. .................................. 46
2.3.4 Trình tự tính tốn hệ số phân bố tải trọng.......................................................... 47
2.4 Phương pháp độ cứng kiểm tra (check rigid method by AASHTO-LRFD) ............ 50


2.5 So sánh một số phương pháp gần đúng tính hệ số phân bố khác với phương pháp
gần đúng của AASHTO LRFD .................................................................................... 51
Chương 3: Tính tốn hệ số phân bố ngang theo phương pháp phần tử
hữu hạn ............................................................................................. 56
3.1 Giới thiệu sơ bộ về phương pháp phần tử hữu hạn để tính hệ số phân bố ngang56
3.2 Các nghiên cứu trước đó về phương pháp phần tử hữu hạn ............................... 58
3.3 Mơ hình hóa các thành phần của cầu theo phương pháp phần tử hữu hạn ......... 63
3.4 Tính toán nội lực trong phần tử dầm theo phương pháp phần tử hữu hạn ......... 64
3.5 Nội lực tại các nút của phần tử tấm chữ nhật ..................................................... 70
3.6 Tính toán hệ số phân bố ngang cho hoạt tải theo phương pháp phần tử hữu hạn76
Chương 4 : Tính tốn so sánh hệ số phân bố ngang của hoạt tải theo phương
pháp phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng AASHTO ............................... 77

4.1 Đặc điểm kết cấu nhịp của loại cầu nghiên cứu ................................................. 77
4.2 Biến số nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu ........................................................ 77
4.3 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần tử hữu
hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét đến ảnh hưởng của sự thay đổi
chiều dài nhịp tính tốn............................................................................................ 78
4.3.1 Tính tốn hệ số phân bố tải trọng theo tiêu chuẩn AASHTO ......................... 80
4.3.2 Tính tốn hệ số phân bố tải trọng theo phương pháp phần tử hữu hạn ........... 83
4.4 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần tử hữu
hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét đến ảnh hưởng khoảng cách giữa
các dầm chính .......................................................................................................... 92
4.5 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần tử hữu
hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét ảnh hưởng của chiều dài hẫng... 98
4.6 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần
tử hữu hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét ảnh hưởng của
chiều dày của bản mặt cầu ................................................................................ 104


4.7 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần
tử hữu hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét ảnh hưởng của độ
cứng theo phương dọc cầu .................................................................... 110
4.8 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần tử hữu
hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét ảnh hưởng của vị trí đặt tải theo
phương dọc cầu ....................................................................................................... 117
4.9 Nghiên cứu hệ số phân bố tải trọng của hoạt tải giữa phương pháp phần tử hữu
hạn và phương pháp gần đúng AASHTO khi xét ảnh hưởng của cách bố trí dầm
ngang theo phương dọc cầu .................................................................................... 124
Chương 5 : Kết luận và kiến nghị ........................................................................... 131
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 133
Phụ lục : Kết quả phân tích nội lực bằng SAP2000 ............................................... 134
Lý lịch khoa học ........................................................................................................ 183

KÝ HIỆU
NL

: Số làn xe thiết kế

Nb

: Số dầm dọc theo phương ngang cầu

L

:

Chiều dài nhịp tính tốn của dầm

W

:

Bề rộng từ mép đến mép của cầu

H

:

Chiều cao của dầm

I

: Moment quán tính của dầm

J

: Moment quán tính chống xoắn St .Venant

S

: Khoảng cách giữa các dầm chính

ts

: Chiều dày của bản bê tơng

A

: Diện tích mặt cách ngang của dầm chính

Eg

: Khoảng cách giữa trọng tâm của dầm và bản

m

: Hệ số làn

g

: Hệ số phân bố tải trọng

Eb

: Modul đàn hồi của dầm

Es

: Modul đàn hồi của bản

Kg

: Tham số độ cứng dọc

de

: Khoảng cách giữa bản bụng phía ngồi của dầm biên và
mép trong đá vỉa

LLtt

: Hoạt tải HL 93

FEM

: Phương pháp phần tử hữu hạn


LDFi

: Hệ số phân bố của dầm I tính theo FEM

P

: Lực dọc của phần tử theo FEM

V2

: Lực cắt trong mặt phẳng 1-2 theo FEM

V3

: Lực cắt trong mặt phẳng 1-3 theo FEM

T

: Moment xoắn theo trục 1 theo FEM

M2

:

M3

: Moment xoắn trong măt phẳng 1-2 (theo trục 3) theo FEM

Moment xoắn trong măt phẳng 1-3 (theo trục 2) theo FEM


DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1- Khảo sát các phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trên cầu để tính hệ số

phân bố ngang cho hoạt tải .......................................................................................... 61
Bảng 3.2- Các tác giả đã nghiên cứutính hệ số phân bố tải trọng theo phương pháp
phần tử hữu hạn............................................................................................................ 62
Bảng 4.1- Tỉ lệ về chiều dài của dầm sử dụng hiện nay (qua các dự án khảo sát) ...... 79
Bảng 4.2- Hệ số phân bố ngang của hoạt tải theo phương pháp AASHTO ................ 83
Bảng 4.3- Điều kiện liên kết gối .................................................................................. 84
Bảng 4.4- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng của sự thay
đổi chiều dài nhịp tính tốn .......................................................................................... 85
Bảng 4.5- Hệ số phân bố ngang của hoạt tải theo phương pháp FEM khi xét ảnh hưởng
của chiều dài nhịp tính tốn ......................................................................................... 86
Bảng 4.6- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp phần
tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng của chiều
dài nhịp tính tốn ......................................................................................................... 90
Bảng 4.7- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi
xét đến ảnh hưởng của chiều dài nhịp tính tốn .......................................................... 92
Bảng 4.8- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng khoảng
cách giữa các dầm chính .............................................................................................. 93
Bảng 4.9- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp phần
tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng của
khoảng cách giữa các dầm chính ................................................................................. 97
Bảng 4.10- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi
xét đến ảnh hưởng của khoảng cách giữa các dầm chính ............................................ 98


Bảng 4.11- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng chiều dài
hẫng .............................................................................................................................. 99
Bảng 4.12 So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng của
chiều dài hẫng ............................................................................................................. 103
Bảng 4.13- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi

xét đến ảnh hưởng của chiều dài hẫng ........................................................................ 104
Bảng 4.14- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng chiều dày
của bản mặt cầu ........................................................................................................... 104
Bảng 4.15- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng của
chiều dày của bản mặt cầu .......................................................................................... 109
Bảng 4.16- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi
xét đến ảnh hưởng của chiều dày của bản mặt cầu ..................................................... 110
Bảng 4.17 – Kích thước mặt cắt của loại dầm nghiên cứu AASHTO I÷VI ............... 111
Bảng 4.18- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng độ cứng
theo phương dọc cầu ................................................................................................... 112
Bảng 4.19- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng của
độ cứng theo phương dọc cầu ..................................................................................... 116
Bảng 4.20- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi
xét đến ảnh hưởng độ cứng theo phương dọc cầu ...................................................... 117
Bảng 4.21- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng vị trí đặt
tải theo phương dọc cầu .............................................................................................. 118


Bảng 4.22- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng vị trí
đặt tải theo phương dọc cầu ........................................................................................ 123
Bảng 4.23- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi
xét đến ảnh hưởng vị trí đặt tải theo phương dọc cầu................................................. 124
Bảng 4.24- Momen tại vi trí giữa các dầm tính theo FEM khi xét ảnh hưởng số lượng
dầm ngang theo phương dọc cầu ................................................................................ 125
Bảng 4.25- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng số
lượng dầm ngang theo phương dọc cầu ...................................................................... 129

Bảng 4.26- Tỉ lệ điều chỉnh hệ số phân bố ngang moment giữa AASHTO và FEM khi
xét đến ảnh hưởng số dầm ngang theo phương dọc cầu ............................................. 130


DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 4.1- Thống kê về chiều dài của cầu theo nghiên cứu (6) .............................. 79
Biểu đồ 4.2- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài nhịp tính tốn.............. 87
Biểu đồ 4.3- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài nhịp tính tốn.............. 88
Biểu đồ 4.4- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngoài 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài nhịp tính tốn ............. 89
Biểu đồ 4.5- So sánh hệ số phân bố hoạt tải củamomen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài nhịp tính tốn ............. 90
Biểu đồ 4.6- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
khi ta xét đến ảnh hưởng chiều dài nhịp tính tốn ...................................................... 91
Biểu đồ 4.7- Thống kê về chiều dài của cầu theo nghiên cứu 6 ................................. 92
Biểu đồ 4.8- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng khoảng cách giữa các dầm chính ...... 93
Biểu đồ 4.9- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng khoảng cách giữa các dầm chính ...... 94
Biểu đồ 4.10- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng khoảng cách giữa các dầm chính ..... 95
Biểu đồ 4.11- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngoài 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng khoảng cách giữa các dầm chính ..... 96
Biểu đồ 4.12- So sánh sự khác nhau giữa hệ số phân bố ngang tính theo phương pháp
phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO khi xét đến ảnh hưởng
khoảng cách giữa các dầm chính ................................................................................ 97

Biểu đồ 4.13- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài hẫng ............................ 99
Biểu đồ 4.14- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài hẫng ............................ 100
Biểu đồ 4.15- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngoài 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài hẫng............................ 101
Biểu đồ 4.16- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài hẫng............................ 102
Biểu đồ 4.17- so sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
khi xét đến ảnh hưởng của chiều dài hẫng .................................................................. 103
Biểu đồ 4.18- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dày bản mặt cầu................ 105
Biểu đồ 4.19- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dày bản mặt cầu................ 106
Biểu đồ 4.20- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngoài 1 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dày bản mặt cầu ............... 107
Biểu đồ 4.21- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 2 làn xe khi xét đến ảnh hưởng của chiều dày bản mặt cầu ............... 108
Biểu đồ 4.22- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
khi xét ảnh hưởng của chiều dày bản mặt cầu ............................................................ 109
Biểu đồ 4.23- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe ................................................................................................ 112
Biểu đồ 4.24- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi ta xét ảnh hưởng độ cứng theo phương dọc cầu ............. 113


Biểu đồ 4.25- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 1 làn xe khi ta xét ảnh hưởng độ cứng theo phương dọc cầu ............. 114
Biểu đồ 4.26- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngoài 2 làn xe khi ta xét ảnh hưởng độ cứng theo phương dọc cầu ............. 115

Biểu đồ 4.27- so sánh hệ số phân bố hoạt tải củamomen tính theo AASHTO và FEM
khi ta xét ảnh hưởng độ cứng theo phương dọc cầu ................................................... 116
Biểu đồ 4.28- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe khi xét vị trí đặt tải theo phương dọc cầu .............................. 119
Biểu đồ 4.29- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi xét vị trí đặt tải theo phương dọc cầu .............................. 120
Biểu đồ 4.30- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngoài 1 làn xe khi xét vị trí đặt tải theo phương dọc cầu ............................. 121
Biểu đồ 4.31- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 2 làn xe khi xét vị trí đặt tải theo phương dọc cầu ............................. 122
Biểu đồ 4.32- so sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
khi xét vị trí đặt tải theo phương dọc cầu ................................................................... 123
Biểu đồ 4.33- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 1 làn xe khi xét ảnh hưởng của cách bố trí dầm ngang theo phương dọc
cầu ............................................................................................................................... 125
Biểu đồ 4.34- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm trong 2 làn xe khi xét ảnh hưởng của cách bố trí dầm ngang theo phương dọc
cầu ............................................................................................................................... 126


Biểu đồ 4.35- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 1 làn xe khi xét ảnh hưởng của cách bố trí dầm ngang theo phương dọc
cầu ............................................................................................................................... 127
Biểu đồ 4.36- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
của dầm ngồi 2 làn xe khi xét ảnh hưởng của cách bố trí dầm ngang theo phương dọc
cầu ............................................................................................................................... 128
Biểu đồ 4.37- So sánh hệ số phân bố hoạt tải của momen tính theo AASHTO và FEM
khi xét ảnh hưởng của cách bố trí dầm ngang theo phương dọc cầu .......................... 129

-1-

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề nghiên cứu
Trong những năm trở lại đây, ở Việt Nam có sự phát triển mạnh về cơ sở hạ tầng,
đặc biệt là mạng lưới giao thơng vận tải mà cơng trình cầu là một phần của mạng lưới
đó. Chính vì vậy, việc nắm vững kiến thức về kết cấu cầu cần được từng bước hoàn
thiện nhằm đảm bảo q trình khai thác an tồn, tiện lợi và hiệu quả. Để đánh giá khả
năng mang tải hay sử dụng tải trọng để tính tốn cơng trình cầu, chúng ta cần giá trị
nội lực lớn nhất để tính tốn. Đặc biệt là tải trọng do hoạt tải tác dụng, vì thế nếu tính
tốn hay ước lượng khơng chính xác hệ số phân bố tải trọng cho hoạt tải có thể dẫn
đến tình trạng khơng an tồn, khơng kinh tế…Hệ số phân bố tải trọng đã được sử dụng
trong thiết kế cầu hay kiểm định cầu từ rất lâu, đây cũng là một phương pháp đơn giản
để tính gần đúng ảnh hưởng của tải trọng xe cộ( hoạt tải) lên mỗi dầm cầu. Hệ số phân
bố tải trọng thì rất quan trọng cho việc thiết kế một cầu mới cũng như là đánh giá một
cầu đã xây dựng. Để làm đơn giản hóa việc thiết kế, có nhiều tiêu chuẩn của các nước
khác nhau như là TCVN18-79, AASHTO LRFD, AASHTO Standarl…Hiện nay thì
tiêu chuẩn AASHTO LRFD là một phương pháp đơn giản sử dụng để tính tốn hệ số
phân bố tải trọng cho hoạt tải cũng được áp dụng trong điều kiện ở Việt Nam. Những
công thức AASHTO LRFD đã được phát triển dưới NCHRP Project 12-26 và mang lại
những thay đổi lớn trong việc thiết kế cầu hiện đại. Những cơng thức này thì có bao
gồm phạm vi ứng dụng. Nhưng làm thế nào để kiềm tra lại kết quả tính tốn này có
chính xác hay khơng là một vấn đề rất là khó khăn. Để kiểm tra sự chính xác của
phương pháp tính tốn hệ số phân bố tải trọng của AASHTO LRFD thì tác giả cũng sử
dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô hình hóa kết cấu cầu, đây là một phương
pháp khá chính xác để tính tốn kết cấu cầu. Trong thời gian cho phép, nên không thể
vận dụng nhiều phương pháp để phân tích, đánh giá hệ số phân bố tải trọng bằng nhiều
phương pháp khác nhau. Vì thế đề tài chỉ nghiên cứu so sánh hệ số phân bố ngang hoạt

-2-

tải tính theo phương pháp phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng của AASHTO.
Mục đích của nghiên cứu này là xác định hệ số phân bố ngang của momen theo
phương pháp FEM bằng cách mơ hình hóa cầu theo cấu tạo gần đúng sự làm việc
trong thực tế và tính theo các cơng thức đơn giản AASHTO, đánh giá so sánh hệ số
phân bố momen của 2 phương pháp khi xét đến các ảnh hưởng như : chiều dài nhịp
tính tốn, khoảng cách giữa các dầm, các thơng số về độ cứng theo phương dọc cầu,
chiều dày bản mặt cầu, ảnh hưởng của vị trí đăt tải theo phương dọc và phương ngang
cầu, sự bố trí dầm ngang theo phương dọc cầu, chiều dài hẫng…Kết quả của nghiên
cứu này những dạng biểu đồ so sánh và kết luận cho những đặc trưng hình học của cầu
riêng biệt, phạm vi ứng dụng trong việc thiết kế cầu.
2. Phạm vi nghiên cứu
Mục đích của luận văn xuất phát từ nhu cầu thực tế của cơng tác thiết kế hiện nay,
vì vậy để kết quả nghiên cứu ứng dụng để thiết kế các cơng trình thực tế thì tác giả
nghiên trong phạm vi dưới đây. Khi khảo sát thì một thơng số được xác định trong khi
những thơng số cịn lại thì khơng đổi. Các biến số cần nghiên cứu so sánh hệ số phân
bố tải trọng cho hoạt tải gồm :
-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi chiều dài nhịp tính
tốn

-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi khoảng cách giữa các
dầm chính

-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi chiều dài đoạn hẫng
của cầu

-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi chiều dày của bản mặt
cầu

-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi độ cứng theo phương
dọc của cầu


-3-

-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi vị trí đặt tải theo
phương dọc cầu

-

Khảo sát sự thay đổi hệ số phân bố ngang khi ta thay đổi khoảng cách bố trí
dầm ngang theo phương dọc cầu

3. Nội dung nghiên cứu của đề tài
Trên cơ sở mục tiêu nghiên cứu đã nêu, mục tiêu nghiên cứu của luân văn được chia
thành các chương với nội dung chính như sau
-

Chương 1 : Tổng quan về hệ số phân bố

Trong chương này tác giả trình bày các nhóm phương pháp tính tốn hệ số phân bố
ngang được sử dụng trong tính tốn cầu trước đó và nêu điều kiện và phạm vi ứng
dụng của các công thức này
-

Chương 2 : Nghiên cứu cách tính hệ số phân bố ngang theo phương pháp gần
đúng AASHTO LRFD

Giới thiêu nguồn gốc của cơng thức tính hệ số phân bố tải trọng do hoạt tải của
AASHTO-LRFD, những nghiên cứu trước đó về hệ số phân bố ngang, cách tính tốn
hệ số phân bố ngang theo AASHTO-LRFD
-

Chương 3 : Tính tốn hệ số phân bố ngang theo phương pháp phần tử hữu hạn

Trong chương này thì tác giả cũng đưa ra các cách khác nhau để mơ hình hóa tính
tốn nội lực của cầu và các xác định nội lực của cầu. Sau khi xác định nội lực thì tính
tốn hệ số phân bố tải trọng theo các nội lực đó
-

Chương 4 : Tính tốn so sánh hệ số phân bố ngang của hoạt tải theo phương
pháp phần tử hữu hạn và phương pháp gần đúng AASHTO

Trong chương này thì tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của sự thay đổi các thơng số
khi tính tốn hệ số phân bố ngang trong phạm vi nghiên cứu trình bày ở trên

-4-

-

Chương 5 : Kết luận và kiến nghị

Đưa ra những kết luận sơ bộ về hệ số phân bố ngang của momen khi so sánh 2
phương pháp. Phạm vi ứng dụng của nghiên cứu váo trong thực tế và kiến nghị khi
tính tốn


-5-

Chương 1 : TỒNG QUAN VỀ HỆ SỐ PHÂN BỐ

1.1 Các nhóm phương pháp tính tốn sự phân bố tải trọng
Như chúng ta đã biết kết cấu cầu làm việc do sự kết hợp của nhiều bộ phận, bộ
phận chịu lực chính là dầm, vịm hay giàn có chiều dài là chiều dài của nhịp cầu. Tùy
vào đặc điểm cấu tạo và chiều rộng cầu trên mặt cắt ngang có thể có số lượng dầm chủ
hay giàn chủ nhiều ít khác nhau. Loại dầm được dùng phổ biến trong các cầu betông
cốt thép nhịp giản đơn là cầu dầm I, T…được đỗ tại chỗ hay được đúc sẵn trong nhà
máy
Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu về sự phân bố tải trọng áp dụng cho các trường
hợp khác nhau từ đơn giản đến chính xác. Hầu hết các phương pháp đều dựa trên 3
nguyên lý: cân bằng tương thích và vật liêu được coi là đàn hồi tuyến tính. Mục đích
của các phương pháp này là xác định sự phân bố tải trọng trên cơ sở độ cứng tương đối
của các bộ phận khác nhau. Các phương pháp đi từ đơn giản ( đòn bẩy, nén lệch tâm,
gối tựa đàn hồi) đến chính xác (mạng dầm, dải hữu hạn, phần tử hữu hạn, sai phân hữu
hạn). Điều kiên cân bằng được dùng cho mọi phương pháp và mọi phương pháp đều
được mơ hình sao cho kết cấu làm việc gần đúng với thực tế. Dựa vào các mơ hình

tính tốn giả định để phân loại các nhóm phương pháp tính hệ số phân bố tải trọng nhự
sau :
1.1.1 Nhóm thứ nhất
Tất cả các phương pháp nhóm này đều giả thiết kết cấu nhịp cầu là một hệ thanh.
Do đó có thể sử dụng các kết quả của môn “ Cơ học xây dựng hệ thanh” để tính tốn
sự phân bố tải trọng. Giả thiết sườn dọc của vòm, dầm dọc của kết cấu nhịp cong hay
thẳng đều được coi là các thanh dọc. Giả thiết sườn ngang hay sườn chéo là các thanh


-6-

ngang hay thanh chéo. Thành phần bản được coi nhự chỉ chịu lực cục bộ và truyền lên
các thanh giả định đỡ nó
1.1.2 Nhóm thứ hai
Đặc điểm của các phương pháp thuộc nhóm này là giả thuyết coi kết cấu nhịp như
hệ thống các thanh thành mỏng có mặt cắt kín hoặc mặt cắt hở. Do đó người ta áp
dụng các kết quả nghiên cứu của lý thuyết thanh thành mỏng để đưa ra các cơng thức
tính tốn nội lực
1.1.3 Nhóm thứ ba
Nhóm này gồm những phương pháp dựa trên giả thiết coi kết cấu nhịp là một dạng
bản hay hệ thống bản ( bản thẳng, bản chéo, bản có sườn…) Các cơng thức tính tốn
đều rút ra từ lý thiết tính tốn các loại bản vỏ. Điển hình các phương pháp trong nhóm
này là
-

Phương pháp bản có sườn trực giao

-

Phương pháp bản chéo hoặc bản thẳng khơng có sườn

Các phương pháp này đựa ra những số liệu khá phù hợp với số liệu thí nghiệm.
Tuy nhiên các cơng thức tính để xác định hệ số phân bố tải trọng rất phức tạp và hạn
chế tính tốn trong nhiều trường hợp. Và mắc phải một số khuyết điểm sau:
-

Trong tính tốn khơng gian của kết cấu nhịp khơng làm đến cùng và không mở
rộng đến bản phần xe chạy, điều này lại tính riêng theo phương pháp gần đúng

-

Sự hạn chế tỉ số của kích thước nhịp chính để lập ra bảng và khơng có khả năng
tính tốn độ cứng của các liên kết tương hỗ của các cấu kiện lắp ghép có kết cấu
nhịp khác nhau

-

Khơng có chỉ dẫn sử dụng thích hợp trị số độ cứng chống uốn tương đối mà phụ
thuộc vào người thiết kế


-7-

1.1.4 Nhóm thứ tư
Trong nhóm này, kết cấu nhịp được mơ hình hóa với rất ít giả thiết nghĩa là mơ
hình rất gần giống với kết cấu thực. Đó là phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp
phân tích dải hữu hạn, phương pháp phần tử biên… dùng để tính toán nội lực và
chuyển vị của kết cấu. Các phương pháp này đều rất phức tạp trong các mơ hình kết
cấu để cho kết cấu nhịp làm việc gần đúng với thực tế nhưng cho kết quả tính chính
xác cao, có khả năng xét đến tính chất phi tuyến của vật liệu và sự đồng thời của cốt

thép cũng như cáp DƯL trong dầm. Để sử dụng những phương pháp này thì cần phải
có sự giúp đỡ của máy vi tính và những phần mềm thiết kế chuyên dụng như
SAP2000, Midas Civil…
1.2 Phương pháp đòn bẩy
 Giả thiết và sơ đồ tính tốn
Nếu kết cấu nhịp chỉ có 2 hay 3 dầm dọc hoặc có nhiều dầm chủ nhưng độ cứng
của liên kết nói chung với nhau là nhỏ so với độ cứng dầm dọc chủ, có thể giả thiết kết
cấu ngang là dầm đơn giản hoặc dầm hẫng gối chốt lên dầm dọc chủ và bị cắt rời trên
các dầm dọc chủ đó. (trừ dầm biên)
 Ngun tắc tính toán
Như vậy khi đặt tải lên đoạn kết cấu ngang gối lên 2 dầm dọc chủ nào thì chỉ 2 dầm
dọc chủ đó tham gia chịu lực theo nguyên tắc địn bẩy nghĩa là theo ngun tắc tính
phản lực gối của dầm giản đơn (là dầm ngang)
Cụ thể là tải trọng từ dầm ngang sẽ phân bố xuống cho hai dầm chủ theo giá trị tỉ lệ
nghịch với khoảng cách từ điểm đặt tải trọng đến các dầm chủ theo đúng nguyên tắc
phản lực gối của dầm giản đơn ( đối với dầm chủ ở phía trong) hay dầm mút thừa (đối


-8-

với dầm chủ ở biên). Chính vì vậy để xác định hệ số phân bố ngang của dầm chủ nào
cần vẽ đường ảnh hưởng phản lực gối của dầm ngang tựa lên nó
Đối với dầm chủ ở phía trong (như dầm số 2 trên hình vẽ) đường ảnh hưởng là
hình tam giác có tung độ là 1 dưới dầm chủ đang xét , tung độ 0 dưới hai dầm chủ sát
biên
Đối với dầm chủ ở biên, đường ảnh hưởng có tung độ bằng 1 ở vị trí bên dưới dầm
đang xét và tung độ bằng 0 ở vị trí bên dưới dầm chủ bên cạnh và kéo dài cho phần
mút thừa, như vậy tương ứng dưới đầu mút thừa tung độ sẽ lớn hơn 1
Sau khi đã vẽ được đường ảnh hưởng phản lực cho từng dầm ta sẽ xếp tải theo
chiều ngang sao cho bất lợi nhất, từ đó tính được hệ số phân bố ngang cho dầm đang

xét
P1 m/N

1

2

P2 m/N

1

2

b1

2

P

2

b2
®.a.h.R1

®.a.h.R2
A1

1

A2

1

®.a.h.R2
1

B

a
®.a.h.R2

®.a.h.R

1

1
®.a.h.MXB

B/2

®.a.h.MXB
B/2

B/2

B/2

Hình 1.1- Cách xác định hệ số phân bố ngang theo phương pháp đòn bẩy