Đang tải... (xem toàn văn)
Cầu vòm dây treo xiên là loại kết cấu có tính thẩm mỹ cao, vượt được nhịp tương đối lớn. Loại cầu này cũng đã được xây dựng tại nhiều nước trên thế giới với kiểu dáng phong phú. Để có cơ sở lựa chọn kiểu sơ đồ cầu loại này cần phải có những đánh giá chi tiết về các kiểu sơ đồ cầu vòm có sơ đồ bố trí dây khác nữa như là dây treo thẳng đứng hoặc các sơ đồ dây hướng tâm không cắt nhau. Sơ đồ bố trí dây treo ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử kết cấu, quyết định đến nội lực và biến đổi nội lực bên trong các bộ phận kết cấu Hiện nay, ở Việt Nam một số công trình cầu vòm thép có thanh căng đang trong quá trình thi công như cầu Bình Lợi, cầu Mỹ Lợi. Tuy nhiên dạng kết cấu này hiện chưa được áp dụng rộng rãi, chưa có các chỉ dẫn kĩ thuật cũng như quy trình thiết kế, thi công chi tiết áp dụng cho điều kiện Việt nam…Nhu cầu xây dựng các công trình cầu nhịp trung bình, trọng lượng kết cấu nhẹ, thời gian thi công nhanh, kiến trúc thẩm mỹ đẹp trong thời gian sắp tới đặt ra yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện, trên các mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm đối với loại hình kết cấu này.
MỤC LỤC CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM VÀ CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 5 1.1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM Lịch sử phát triển Các dạng vòm cơ bản 1.2. CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG Hệ dầm mặt cầu Vành vòm Chân vòm Hệ giằng trên Dây treo CHƯƠNG 2 : TÌNH HÌNH ÁP DỤNG KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 11 2.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU THÉP 2.2. KẾT CẤU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG ÁP DỤNG TRÊN THẾ GIỚI Cầu vòm dây treo kiểu cơ bản Cầu vòm dây treo có thanh căng kiểu cơ bản Cầu vòm dây treo có thanh căng là dầm cứng Cầu vòm nielsen Cầu vòm dây treo dạng lưới (Network Arch Bridge) Cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản (Japanese Style Network Arch) 2.3. KẾT CẤU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG ÁP DỤNG Ở VIỆT NAM CHƯƠNG 3 :NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ DÂY TREO ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 13 3.1. ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Số liệu dùng khảo sát Các chỉ tiêu đánh giá 3.2. MÔ HÌNH HÓA TÍNH TOÁN KẾT CẤU 3.3. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH Lực tới hạn trong dầm chủ Ổn định tổng thể 3.4. CÁC KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC Thanh căng Bảng tổng hợp kết quả Ổn định tổng thể 3.5. NHẬN XÉT, ĐÁNH GIÁ Nhận xét kết quả: Đánh giá: MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cầu vòm dây treo xiên là loại kết cấu có tính thẩm mỹ cao, vượt được nhịp tương đối lớn. Loại cầu này cũng đã được xây dựng tại nhiều nước trên thế giới với kiểu dáng phong phú. Để có cơ sở lựa chọn kiểu sơ đồ cầu loại này cần phải có những đánh giá chi tiết về các kiểu sơ đồ cầu vòm có sơ đồ bố trí dây khác nữa như là dây treo thẳng đứng hoặc các sơ đồ dây hướng tâm không cắt nhau. Sơ đồ bố trí dây treo ảnh hưởng đáng kể đến ứng xử kết cấu, quyết định đến nội lực và biến đổi nội lực bên trong các bộ phận kết cấu Hiện nay, ở Việt Nam một số công trình cầu vòm thép có thanh căng đang trong quá trình thi công như cầu Bình Lợi, cầu Mỹ Lợi. Tuy nhiên dạng kết cấu này hiện chưa được áp dụng rộng rãi, chưa có các chỉ dẫn kĩ thuật cũng như quy trình thiết kế, thi công chi tiết áp dụng cho điều kiện Việt nam…Nhu cầu xây dựng các công trình cầu nhịp trung bình, trọng lượng kết cấu nhẹ, thời gian thi công nhanh, kiến trúc thẩm mỹ đẹp trong thời gian sắp tới đặt ra yêu cầu nghiên cứu chuyên sâu và toàn diện, trên các mặt lý thuyết cũng như thực nghiệm đối với loại hình kết cấu này. 2. Mục đích nghiên cứu - Nghiên cứu ảnh hưởng của sơ đồ dây treo đến ứng xử của kết cấu cầu vòm thép có thanh căng. 3. Mục tiêu nghiên cứu - Phân tích các dạng cầu vòm thép có thanh căng đã được thiết kế và thi công trên thế giới. - Phân tích các dạng sơ đồ dây treo của kết cấu vòm thép có thanh căng. 3 - Sử dụng phần mềm Midas Civil để nghiên cứu ảnh hưởng của các sơ đồ dây treo đến ứng xử của kết cấu vòm thép có thanh căng. 4. Đối tượng nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu áp dụng : Cầu vòm thép có thanh căng. 5. Phương pháp nghiên cứu * Phương pháp phân tích lý thuyết kết hợp với tài liệu : - Thu thập và phân tích các tài liệu về thiết kế, thi công cầu vòm thép có thanh căng trên thế giới và ở Việt Nam. 6. Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài * Cơ sở khoa học : - Dựa vào lý thuyết tính toán, thi công cầu vòm thép có thanh căng. - Dựa vào các quy trình – quy phạm về kết cấu cầu vòm thép có thanh căng trên thế giới. * Cơ sở thực tiễn : - Các công trình cầu vòm thép có thanh căng đã được thiết kế và thi công tại Việt Nam. 4 CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM VÀ CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 1.1. TỔNG QUAN VỀ CẦU VÒM Lịch sử phát triển Cầu vòm thép là loại cầu rất ít gặp trên đường sắt cũng như đường bộ so với cầu dầm và cầu giàn. Sở dĩ cầu vòm ít được sử dụng là vì kết cấu nhịp vòm không dễ dàng tiêu chuẩn hóa kích thước như kết cấu nhịp cầu gầm và cầu giàn, mặt khác do đặc điểm của hệ thống vòm là có lực đẩy ngang nên tuy khối lượng sử dụng vào kết cấu nhịp tương đói ít hơn so với kết cấu nhịp cầu dầm và cầu giàn (khoảng 15%) nhưng lại thường đòi hỏi trụ, mố to hơn và như vậy giá thành tổng cộng công trình vẫn cao. Vì những nguyên nhân trên mà vầu vòm thép thông thường là những công trình mang tính chất riêng biệt chứ không thể xây dựng định hình. Tuy nhiên trong những trường hợp yêu cầu về hình dáng bên ngoài, kiến trúc mỹ thuật khống chế, chẳng hạn như những công trình cầu thành phố hay tại các vùng danh lam thắng cảnh thì phương án cầu vòm lại được xét đến. Ngoài ra cầu vòm thép cũng có thể trở nên kinh tế khi địa hình xây dựng là những khe núi hoặc thung lũng sâu, những nơi mà tình hình địa chất thích hợp. Các dạng vòm cơ bản Căn cứ vào vị trí cao độ của mặt xe chạy so với cao độ đỉnh vòm có thể phân loại ra: cầu vòm chạy trên, cầu vòm chạy giữa, cầu vòm chạy dưới, (hình 3.1a, d, e). Các vòm (sườn vòm, cuốn vòm) của một nhịp cầu vòm được nối với nhau bằng hệ liên kết ngang kiểu thanh để chịu các tải trọng nằm ngang như gió ngang v.v Ngoài ra các liên kết ngang còn đảm bảo độ cứng ngang chung của kết cấu nhịp và độ ổn định của vòm khi xét uốn dọc ngoài mặt phẳng nằm ngang. 5 Cầu vòm có thanh căng thường làm kiểu vòm hai khớp, lực xô ngang sẽ do toàn bộ thanh căng tiếp nhận toàn bộ hoặc một phần. Trường hợp thanh căng tiếp nhận toàn bộ lực xô ngang, tại gối kết cấu nhịp chỉ truyền có áp lực thẳng đứng như cầu giàn nên có thể sử dụng khi mố trụ cao hoặc khi đất yếu. Vòm giàn có cấu tạo phức tạp hơn vòm đặc nhiều, nhưng khi chiều dài nhịp lớn và hoạt tải nặng thì vòm giàn rất tiết kiệm thép. Ngoài ra vòm giàn có độ cứng lớn hơn. 1.2. CÁC BỘ PHẬN KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG Hệ dầm mặt cầu a) Thanh căng: Lựa chọn tiết diện vòm, dầm chủ (thanh căng) là hết sức quan trọng, phụ thuộc vào sơ đồ và số lượng bố trí dây treo. Tiết diện vòm và dầm chủ phải đảm bảo khả năng chịu lực cũng như ổn định. Hình 1-1. Mặt cắt ngang Thanh căng tại vị trí có sườn tăng cường đứng b) Dầm ngang, dầm dọc Hệ dầm ngang tiết diện chữ I, kê lên các thanh căng làm nhiệm vụ nâng đỡ toàn bộ bản mặt cầu, truyền tải trọng do bản mặt cầu, hoạt tải vào các thanh căng. 6 Hình 1-2. Dầm ngang, dầm dọc c) Bản mặt cầu Bản mặt cầu BTCT, liên hợp với hệ dầm mặt cầu (dầm ngang, dầm dọc) thông qua các đinh neo chống cắt. Bản mặt cầu là cấu kiện quan trọng trực tiếp nâng đỡ tải trọng bánh xe, kết cấu bản mặt cầu ảnh hưởng lớn tới khả năng chịu tải của công trình cầu và độ êm thuận, an toàn của giao thông trên cầu Vành vòm a) Tiết diện và vật liệu Vành vòm thép có thể sử dụng tiết diện dạng chữ nhật hoặc chữ H. Việc lựa chọn loại tiết diện phụ thuộc vào nhiều quan điểm khác nhau về khả năng chịu lực, tính thẩm mỹ, sự ổn định của vòm, vấn đề duy tu bảo dưỡng. Vật liệu chế tạo vòm là thép cường độ cao, nhằm tăng khả năng chịu lực và làm giảm kích thước tiết diện, tăng độ thanh mảnh cho kết cấu. Hình 1-3. Mặt cắt ngang Vành vòm 7 Mặt phẳng vòm có thể cấu tạo thẳng đứng, hoặc khi cần thiết phải tăng độ ổn định của kết cấu, có thể cấu tạo mặt phẳng vòm dốc nghiêng vào nhau, tuy nhiên việc tính toán và thi công sẽ phức tạp hơn. b) Chiều cao đường tên vòm Cũng giống như đối với cầu vòm có thanh căng, chiều cao đường tên (f) của vòm dây treo dạng lưới thường được lựa chọn như sau: f/L = 1/5 ÷ 1/6, trong đó L là chiều dài nhịp. Tuy nhiên, vì lý do thẩm mỹ nên chiều cao đường tên của vòm dây treo dạng lưới được lấy bằng 15% chiều dài nhịp. Đối với hầu hết các cầu vòm dây treo dạng lưới Nhật Bản, chiều cao đường tên vòm thường lấy bằng 15% ÷ 17% chiều dài nhịp. c) Phương trình đường tim vòm Việc lựa chọn phương trình đường tim vòm có ý nghĩa rất lớn trong khai thác. Thông thường cầu vòm nói chung và cầu vòm thép nói riêng thường chọn đường trục tim vòm là đường tròn, đường cong parabol bậc 2 hoặc bậc 4, đường cong dạng dây xích. Các đường cong này khá trùng với đường cong áp lực của vòm. Phương trình đường cong dây xích được thể hiện qua công thức sau: )1(cosh −= ξ k m h y Trong đó: 1 L x = ξ , )1ln( 2 −+= mmk , L 1 = 1/2 chiều dài nhịp, Hệ số m có thể lấy từ 1.2 đến 1.8. Công thức đường cong parabol bậc 2 với phương trình tim vòm như sau: )(4 2 xLx L f y −= Trong đó: f là đường tên vòm, L là chiều dài nhịp Chân vòm Chân vòm là nơi giao nhau giữa vành vòm và thanh căng. Đây là khu vực chịu lực lớn với các thành phần lực phức tạp. Do đó khu vực này phải phân tích tính toán ứng suất cục bộ một cách chi tiết để có thể cấu tạo hợp lý 8 các bộ phận sườn tăng cường. Hình 1-4. Cấu tạo chân vòm Hệ giằng trên Hệ giằng gió đơn giản nhất là sử dụng các thanh ngang đặc liên kết hai vòm. Loại này chủ yếu áp dụng khi khoảng cách giữa hai vành vòm không lớn. Khi khoảng cách giữa hai vành vòm lớn, để tiết kiệm và tăng khả năng ổn định ta sử dụng hệ giằng gió dạng khung chữ K, dạng tam giác v.v Ngoài ra một bộ phận khá quan trọng của giằng gió là liên kết ngang khu vực đầu cầu, được thiết kế chịu lực ngang lớn nên có cấu tạo phức tạp hơn, kích thước lớn hơn và sơ đồ cấu tạo phụ thuộc vào tĩnh không của cầu. Dây treo a) Loại dây treo: Bao gồm một mạng lưới dây treo được bố trí chéo nhau đảm bảo tải trọng tác dụng gây ra hiệu ứng nhỏ nhất và đồng đều trong kết cấu. Dây treo có thể làm bằng thanh thép hoặc dây cáp cường độ cao. − Dây treo dạng thanh thép: mặt cắt ngang thường là hình ống tròn, với mục đích có khả năng chịu kéo cao, giảm khối lượng kết cấu, tiết diện tròn tăng vẻ mỹ quan, giảm được cọ xát, thoát gió tốt. Các dây treo nên có cùng mặt cắt tránh phức tạp cho thi công, trong tính toán và nâng cao tính thẩm mỹ cho cầu. 9 − Dây treo dạng bó cáp cường độ cao: Tương tự như kết cấu dây của cầu dây văng có hai hệ thống dây có thể được sử dụng b) Mối nối dây treo với vòm: Thường sử dụng bản nối để liên kết. Phụ thuộc vào dạng mặt cắt vòm mà sử dụng hai phương pháp liên kết khác nhau, nếu mặt cắt vòm là hình hộp thì mối nối nên sử dụng liên kết hàn, còn vòm tiết diện chữ H thì mối nối dùng liên kết bu lông. Hình 1-5. Chi tiết mối nối giữa vòm tiết diện chữ H và dây treo c) Mối nối giữa dây treo với thanh căng Neo có cấu tạo dạng chốt kết hợp tăng đơ để điều chỉnh lực căng trong dây treo. Đây là loại neo có cấu tạo khá đơn giản, dễ căng kéo và kiểm tra, tuy nhiên tính thẩm mỹ kiến trúc không cao. Nhược điểm của loại neo này là khi thi công phải chế tạo sẵn cả bó cáp và lắp đặt tương đối phức tạp do trọng lượng cáp lớn. d) Chi tiết liên kết hai dây treo giao cắt nhau : Vị trí tiếp xúc của hai dây treo được bọc bởi một ống nhựa với chức năng bảo vệ khỏi va đập và cọ xát cho dây treo, ngoài ra còn dùng một tấm bản để liên kết hai dây treo với mục đích tăng độ ổn định cho dây treo. 10 [...]... việc của kết cấu cầu vòm thép có thanh căng Các nội dung nghiên cứu của luận văn bao gồm: 22 − Nghiên cứu tổng quan về cầu vòm nói chung và cầu vòm thép có thanh căng nói riêng trên thế giới và Việt Nam; − Nghiên cứu ảnh hưởng của các sơ đồ bố trí dây treo đến ứng xử kết cấu của cầ vòm thép có thanh căng; − Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số hình học đến nội lực và ổn định cầu vòm thép có thanh căng. .. tại quyết định số 389/QĐ-BGTVT ngày 23/02/2009 Hình 2-16 Cầu vòm Mỹ Lợi vượt sông Vàm Cỏ, tỉnh Long An và Tiền Giang CHƯƠNG 3 :NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA SƠ ĐỒ DÂY TREO 13 ĐẾN ỨNG XỬ KẾT CẤU CỦA CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG 3.1 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU Số liệu dùng khảo sát Để khảo sát ảnh hưởng của sơ đồ bố trí dây treo đến ứng xử cầu vòm thép có thanh căng, trong chương này tiến hành khảo sát dự trên các số... nhịp vòm − Sơ đồ bố trí dây dạng lưới có giá trị mô men do hoạt tải nhỏ nhất chỉ bằng 14% so với sơ đồ dây treo thẳng ứng, bằng 16% so với sơ đồ dây xiên hướng tâm và phân bố đồng đều nhất trong các sơ đồ dây − Có thể thấy tỷ lệ phân bố tĩnh tải /hoạt tải hợp lý nhất trong sơ đồ dây treo dạng lưới − Lực dọc trong vành vòm không có sự thay đổi lớn qua các sơ đồ dây treo, phân bố đồng đều nhất ở sơ đồ dây. .. 0.14 0.50 1.37 Dây treo Dây treo Dây treo Dây treo Dây treo xiên xiên xiên thẳng thẳng hướng dạng hướng ứng ứng tâm lưới tâm (1) (1) (2) (3) (2) Bảng 3-3 Lực dọc Nx trong Thanh căng và vành vòm 18 Thanh căng Tiêu chí Dây treo thẳng ứng (1) MaxN 8629.47 Dây treo xiên hướng tâm (2) 8498.6 5 Vành vòm Dây treo xiên dạng lưới (3) Dây treo thẳng ứng (1) Dây treo xiên hướng tâm (2) Dây treo xiên dạng... L=150m; − Chiều cao đường tên vòm 30m; − Khoảng cách giữa các điểm neo dây trên thanh căng 8m b) Mặt cắt ngang các cấu kiện Hình 3-6 Mặt cắt ngang các cấu kiện vòm c) Các sơ đồ bố trí dây treo 14 Hình 3-7 Sơ đồ dây treo thẳng ứng Hình 3-8 Sơ đồ dây treo xiên hướng tâm Hình 3-9 Sơ đồ dây treo dạng lưới cắt chéo nhau Các chỉ tiêu đánh giá Đánh giá đối với thanh căng, vành vòm và dây treo − MaxM: Giá trị mô... hợp lý nhất trong sơ đồ dây treo dạng lưới − Lực dọc trong thanh căng không có sự thay đổi lớn qua các sơ đồ dây 20 treo, phân bố đồng đều nhất ở sơ đồ dây treo dạng lưới b) Vành vòm: − Biểu đồ mô men uốn do tĩnh tải phương án dây treo thẳng ứng có giá trị nhỏ nhất, tiếp đó đến phương án dây treo dạng lưới và thay đổi lớn ở phương án dây treo xiên hướng tâm Tuy nhiên ở phương án dây treo dạng lưới,... đến nội lực và ổn định cầu vòm thép có thanh căng với sơ đồ dây treo dạng lưới Căn cứ vào nội dung nghiên cứu lý thuyết và các tính toán cụ thể đã thực hiện trong luận văn, các kết luận sau đây được rút ra: 1) Sơ đồ bố trí dây treo có ảnh hưởng lớn đến trạng thái nội lực và ổn định của kết cấu vòm thép có thanh căng; 2) Sơ đồ dây treo thẳng ứng có ưu thế khi chịu tải trọng phân bố đều lớn so với hoạt... đồ bố trí dây này thường áp dụng với kết cấu vòm thép trọng lượng nhẹ nhưng chịu hoạt tải lớn − Khả năng mất ổn định tổng thể của phương án dây treo xiên hướng tâm là lứn nhất, tốt hơn ở phương án dây thẳng ứng và tốt nhất ở phương án dây treo xien dạng lưới KẾT LUẬN Luận văn đã tiến hành nghiên cứu, phân tích ảnh hưởng của các sơ đồ bố trí dây treo cũng như ảnh hưởng của một số tham số hình học đến. .. DỤNG KẾT CẤU CẦU VÒM THÉP CÓ THANH CĂNG TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 2.1 ĐẶC ĐIỂM CỦA VẬT LIỆU THÉP Đặc điểm nổi bật của thép là tính chịu lực cao ứng với mỗi loại ứng suất (kéo, nén, uốn, cắt…) do đó có thể dùng vào các loại kết cấu cấu cầu khác nhau như cầu dầm, giàn, vòm, treo và hệ liên hợp Thép có trọng lượng riêng khá lớn nhưng độ bền cao nên trọng lượng bản thân kết cấu rất nhẹ, Về mặt lý hóa, thép. .. nhất ở sơ đồ dây treo dạng lưới c) Dây treo: − Nội lực trong dây treo khi chịu tĩnh tải phân bố đồng đều nhất ở sơ đồ dây treo thẳng ứng Tuy nhiên giá trị lực dọc của sơ đồ dây dạng lưới nhỏ nhất do số lượng dây tăng lên trên cùng vị trí khoảng cách neo dây trên thanh căng − Biến thiên lực dọc do hoạt tải trong sơ đồ bố trí dây xiên hướng tâm là lớn nhất Đánh giá: − Sơ đồ dây treo thẳng ứng phát huy