Ảnh hưởng của dạng liên kết ngang đến mô-men uốn trong dầm bản cầu bê tông cốt thép lắp ghép

ª TS. NGUYỄN DUY TIẾN Trường Đại học Giao thông vận tải ª ThS. VƯƠNG ĐÌNH TÙNG Ban Quản lý dự án 85 - Bộ GTVT Người phản biện: TS. Bùi Tiến Thành TS. Ngô Văn Minh

Tóm tắt: Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng liên kết ngang đến mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải sinh ra trong dầm bản cầu bê tông cốt thép lắp ghép khi tính theo phương pháp chỉ dẫn trong Tiêu chuẩn AASHTO LRFD và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH). Kết quả cho thấy, các công thức tra bảng tính hệ số phân bố hoạt tải theo AASHTO LRFD cho kết quả khá thiên về an toàn hơn so với các phương pháp tính bằng mô hình PTHH. Việc sử dụng thêm bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc cáp dự ứng lực ngang kết hợp với dầm ngang làm giảm đáng kể giá trị mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản so với trường hợp chỉ sử dụng khóa chống cắt giữa các dầm bản. Trong trường hợp không hạn chế chiều cao kiến trúc có thể xem xét kết hợp cả bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ và dự ứng lực ngang để tăng cường phân bố tải trọng giữa các dầm bản.

Từ khóa: Liên kết ngang, phân bố tải trọng, cầu dầm bản, bê tông cốt thép, lắp ghép.

Abstract: This article clarifies the influence of transverse connection on the maximum bending moment in precast slab girders of concrete bridge due to live loads, calculated according to AASHTO LRFD provisions and by finite element method (FEM). The result comparison shows that the formulas by AASHTO deliver more conservative values than that by using FEM. The additional cast-in-situ concrete overlay or transverse prestressing through diaphragms reduces the maximum bending moment in slab girders considerably compared to that in the case of using only shear keys between slab girders. In case the construction depth is not limited the combination of additional concrete overlay and transverse prestressing to strengthen live load distribution over slab girders could be considered.

Keywords: Transverse connection, load distribution, slab girder bridge, reinforced concrete, precast.

1. Đặt vấn đề

Cầu dầm bản bê tông cốt thép lắp ghép nhịp giản đơn đã được phát triển ở nhiều nước tiên tiến với các ưu điểm như chiều cao kiến trúc thấp, tính thẩm mỹ cao, dễ thi công và thi công nhanh, chi phí duy tu bảo dưỡng thấp, vì vậy được sử dụng rộng rãi trong các khu vực đô thị hoặc những nơi yêu cầu chiều cao kiến trúc thấp.

Theo cấu tạo có thể có các dạng cầu bản mặt cắt lắp ghép hoặc liên hợp với bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ. Mặt cắt ngang dầm bản thường có dạng bản đặc, bản rỗng hoặc dạng hộp. Theo phương ngang, các dầm bản có thể được liên kết với nhau bằng các khóa chống cắt, bằng bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ, cốt thép dự ứng lực ngang hoặc kết hợp các biện pháp trên. Tiêu chuẩn AASHTO LRFD cho phép tính toán trực tiếp hệ số phân bố hoạt tải đối với một số dạng cầu dầm bản lắp ghép như cầu dầm bản liên kết bằng khóa chống cắt, bằng bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc dự ứng lực ngang, tuy nhiên ảnh hưởng của dầm ngang thường không được xét đến.

Bài báo sẽ nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng liên kết ngang đến mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải sinh ra trong dầm bản cầu bê tông cốt thép lắp ghép khi tính theo phương pháp chỉ dẫn trong Tiêu chuẩn AASHTO LRFD và bằng mô hình PTHH nhằm làm rõ hơn hiệu quả phân bố tải trọng của các dạng liên kết ngang thường dùng trong cầu dầm bản lắp ghép.

2. Các dạng liên kết ngang thường dùng trong cầu dầm bản bê tông lắp ghép trên đường ô tô

2.1. Liên kết bằng khóa chống cắt

Khóa chống cắt dọc cầu liên kết các dầm bản liền kề cho phép truyền lực cắt giữa các dầm. Khoảng cách giữa các dầm thường được lấp đầy bằng vật liệu vữa, keo epoxy hoặc bê tông cốt sợi (Hình 2.1). Có 2 loại khóa chống cắt được sử dụng chính là khóa chống bán phần khi khe hở theo chiều cao giữa hai dầm liền kề được lấp một phần và khóa chống cắt toàn phần khi khe hở được lấp toàn bộ theo chiều cao dầm (Hình 2.2).

Hình 2.1: Ví dụ mặt cắt ngang cầu dầm bản lắp ghép liên kết bằng khóa chống cắt

Hình 2.2: Khóa chống cắt bán phần (trái) và khóa chống cắt toàn phần (phải)

 

Dạng liên kết này có ưu điểm là thi công dễ dàng và nhanh chóng; giảm tĩnh tải nhờ không sử dụng bản bê tông cốt thép mặt cầu; chiều cao kiến trúc thấp, kết cấu thanh mảnh tăng tính thẩm mỹ cho công trình cầu. Nhược điểm của loại kết cấu này là dễ xảy ra vết nứt tách dọc cầu tại vị trí khóa chống cắt do chênh lệch độ võng giữa các dầm, dẫn tới thấm nước qua mặt cầu và khe nối giữa các dầm bản. Hư hỏng của khóa chống cắt cũng làm giảm khả năng phân bố đều hoạt tải.

2.2. Liên kết bằng khóa chống cắt và bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ

Mặt cắt ngang kết cấu nhịp loại này bao gồm hai thành phần: Dầm bản lắp ghép và bản mặt cầu đổ tại chỗ liên kết với dầm bản thông qua cốt thép chờ (Hình 2.3). Các dầm bản được liên kết với nhau bằng khóa chống cắt tương tự như trong loại cầu dầm bản được trình bày ở trên.

Hình 2.3: Ví dụ mặt cắt ngang cầu dầm bản lắp ghép liên kết bằng khóa chống cắt và bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ

 

Bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ có tác dụng ngăn nước thấm xuống bên dưới và phân bố lực đều hơn cho các dầm bản. Tuy nhiên, bản mặt cầu cũng làm tăng tĩnh tải bản thân và chiều cao kiến trúc của kết cấu nhịp.

2.3. Liên kết bằng cáp dự ứng lực ngang

Nhờ có liên kết ngang tại các vị trí giữa nhịp, trên gối và ¼ nhịp dưới dạng cáp dự ứng lực căng sau được luồn trong các ống gen đặt sẵn, các dầm bản được liên kết với nhau thành một khối thống nhất (Hình 2.4). Thông thường hay sử dụng các bó tao thép xoắn 7 sợi cường độ cao để căng dự ứng lực. Khóa chống cắt tại vị trí mối nối dọc được bố trí gần hết chiều cao dầm (Hình 2.5).

Hình 2.4: Ví dụ mặt cắt ngang cầu dầm bản lắp ghép liên kết bằng DƯL ngang

Hình 2.5: Ví dụ cấu tạo mối nối bằng dự ứng lực ngang căng sau

 

Dự ứng lực ngang căng sau có tác dụng làm tăng khả năng phân bố tải trọng theo phương ngang và giảm thiểu sự chênh lệch độ võng giữa các dầm. Cáp dự ứng lực thường được căng sau khi thi công khóa chống cắt để hạn chế ứng suất kéo xuất hiện gây nên nứt dọc tại các mối nối này. Các vết nứt dọc cầu và thấm nước tại các vị trí mối nối có thể xảy ra trong trường hợp thiết kế thiếu dự ứng lực ngang cầu.

Dạng kết cấu nhịp này thường có kết cấu thanh mảnh, tính thẩm mỹ cao, thi công nhanh, được sử dụng rộng rãi và phổ biến nhất ở những cầu có nhịp vừa và nhỏ, thông thường từ 9m đến nhỏ hơn 35m.

3. Mô-men uốn trong dầm bản ứng với các dạng liên kết ngang khác nhau

Để nghiên cứu ảnh hưởng của các dạng liên kết ngang đến mô-men uốn lớn nhất xuất hiện trong các kết cấu dầm bản lắp ghép ở trên trong phần này một kết cấu nhịp giản đơn điển hình như trên Hình 3.1 với ba dạng liên kết ngang như ở trên được đưa ra phân tích. Kết cấu nhịp có chiều dài L = 30m, mặt cắt ngang gồm 10 dầm bản, bố trí cách nhau 1,2m. Mỗi dầm bản có chiều cao 1m, bề dày sườn 0,15m và bề dày cánh 0,19m. Mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản được tính toán theo chỉ dẫn trong Tiêu chuẩn AASHTO LRFD [1] và bằng mô hình PTHH dưới tác dụng của hoạt tải HL-93. Kết quả được trình bày ở các phần tiếp theo.

Hình 3.1: Mặt cắt ngang kết cấu nhịp dầm bản lắp ghép được phân tích

3.1. Trường hợp 1 - Cầu dầm bản lắp ghép liên kết bằng khóa chống cắt

Hệ số phân bố hoạt tải được tính theo chỉ dẫn của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD 0. Hệ số phân bố cho dầm trong được tính theo công thức:

 

   

 

 

 

 

 

 

 

Mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải sinh ra trong dầm biên được xác định bằng cách đặt tải lên đường ảnh hưởng mô-men giữa nhịp rồi nhân với hệ số phân bố đã tính ở trên. Kết quả được tổng hợp trong mục 3.5.

3.2. Trường hợp 2 - Cầu dầm bản lắp ghép liên kết bằng khóa chống cắt và bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ

Hệ số phân bố cho hoạt tải được tính theo công thức:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tương tự như ở trên tính ra được hệ số phân bố lớn nhất cho dầm trong và dầm biên lần lượt là 0,274 và 0,31. Mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải sinh ra trong dầm biên được tổng hợp trong mục 3.5

3.3. Trường hợp 3 - Cầu dầm bản lắp ghép liên kết bằng cáp dự ứng lực trong dầm ngang

Để đảm bảo toàn bộ kết cấu nhịp được liên kết với nhau thành một khối thống nhất thông qua cáp dự ứng lực đặt trong dầm ngang có thể tham khảo giá trị của dự ứng lực theo kiến nghị của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD [1].

Sử dụng phương pháp dầm liên tục trên gối đàn hồi như trong [3] tính được hệ số phân bố hoạt tải lớn nhất đối với dầm trong và dầm biên là 0,282. Mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải sinh ra trong dầm được tổng hợp trong mục 3.5.

3.4. Xác định mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản bằng phân tích mô hình PTHH

Sử dụng phần mềm Midas/Civil để mô hình hóa kết cấu và xác định mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản trong 3 trường hợp nêu trên. Các khóa chống cắt được mô hình dưới dạng các liên kết đàn hồi elastic link (Hình 3.2). Bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ và dầm bản lắp ghép được coi là liên kết cứng với nhau (Hình 3.3). Dự ứng lực ngang được mô hình bằng các phần tử cáp dự ứng lực nằm trong dầm ngang theo phương ngang cầu (Hình 3.4). Kết quả tính toán mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản trong 3 trường hợp được tổng hợp trong mục 3.5.

Hình 3.2: Mô hình liên kết ngang trường hợp 1 bằng phần mềm Midas/Civil

 

Hình 3.3: Mô hình liên kết ngang trường hợp 2 bằng phần mềm Midas/Civil

 

Hình 3.4: Mô hình liên kết ngang trường hợp 3 bằng phần mềm Midas/Civil

 3.5. Tổng hợp và nhận xét

Kết quả tính toán mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản trong 3 trường hợp nêu trên theo chỉ dẫn của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD và bằng mô hình PTHH được trình bày như trong các bảng ở dưới. So sánh các kết quả tính toán có thể thấy:

- Chênh lệch mô-men uốn tính được theo hai phương pháp thay đổi tùy theo trường hợp liên kết ngang xem xét (Bảng 3.1). Trường hợp 1 có sự chênh lệch lớn nhất (14,6%) và trường hợp 3 có sự chênh lệch nhỏ nhất (1,2%). Điều này thể hiện các công thức tính hệ số phân bố hoạt tải theo AASHTO LRFD khá thiên về an toàn hơn so với phương pháp phân tích bằng mô hình PTHH.

- Ảnh hưởng của các loại liên kết ngang đến giá trị mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản là rõ rệt (Bảng 3.2). Tương ứng với hai phương pháp tính theo chỉ dẫn của AASHTO LRFD và bằng mô hình PTHH, việc sử dụng thêm bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ đã làm giảm giá trị mô-men uốn lớn nhất xuống tương ứng là 17,5% và 11,7%. Việc sử dụng cáp dự ứng lực ngang kết hợp với dầm ngang làm giảm được mô-men uốn lớn nhất tương ứng là 24,9% và 13,1% so với trường hợp chỉ sử dụng khóa chống cắt giữa các dầm bản.

- Việc sử dụng thêm bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ làm tăng liên kết ngang giữa các dầm bản và giảm được đáng kể mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải trong dầm bản, tuy nhiên lại làm tăng chiều cao kiến trúc của kết cấu nhịp lên (khoảng 15cm) và tăng tĩnh tải kết cấu nhịp. Việc sử dụng dự ứng ngang kết hợp với dầm ngang cũng làm giảm được đáng kể mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản, đồng thời không làm tăng đáng kể chiều cao kiến trúc và tĩnh tải kết cấu nhịp.

Bảng 3.1. Kết quả tính mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản theo hai phương pháp

Bảng 3.2. Chênh lệch mô-men uốn lớn nhất trong dầm bản ứng với các trường hợp

 

4. Kết luận

Bài báo đã so sánh mô-men uốn lớn nhất do hoạt tải sinh ra trong dầm bản bê tông lắp ghép khi tính toán theo chỉ dẫn của Tiêu chuẩn AASHTO LRFD và bằng mô hình PTHH. Kết quả cho thấy, các công thức tính hệ số phân bố hoạt tải theo AASHTO LRFD khá thiên về an toàn hơn so với phương pháp phân tích bằng mô hình PTHH. Việc sử dụng thêm bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc cáp dự ứng lực ngang kết hợp với dầm ngang làm giảm đáng kể giá trị mô-men uốn lớn nhất so với trường hợp chỉ sử dụng khóa chống cắt giữa các dầm bản. Trong trường hợp không hạn chế chiều cao kiến trúc có thể xem xét kết hợp cả bản bê tông cốt thép đổ tại chỗ và dự ứng lực ngang để tăng cường phân bố tải trọng giữa các dầm bản.

Tài liệu tham khảo

[1]. AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, SI unit, 2007.

[2]. National Cooperative Highway Research Program (NCHRP) Synthesis 393 (2009), Adjacent Precast Concrete Box Beam Bridges: Connection Details, Transportation Research Board, Washington, D.C,

[3]. Nguyễn Viết Trung, Hoàng Hà, Nguyễn Ngọc Long (2011), Cầu bê tông cốt thép, NXB. GTVT, Hà Nội.