Phân tích ảnh hưởng của các tham số hệ liên kết ngang đến ổn định của dầm thép mặt cắt I trong giai đoạn thi công bằng phương pháp phần tử hữu hạn

ThS. Nguyễn Thạch Bích TS. Nguyễn Hữu Thuấn Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: TS. Bùi Tiến Thành TS. Hoàng Việt Hải

Tóm tắt: Bài báo giới thiệu một số kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của hệ liên kết ngang đến khả năng ổn định của dầm thép đôi (hai dầm chủ) dưới tác dụng của tải trọng thi công. Trong đó, ảnh hưởng của các tham số của hệ liên kết ngang như vị trí, cấu tạo, độ cứng, số lượng của hệ liên kết ngang đến ứng xử của dầm chủ trong gia đoạn lắp ghép được phân tích, đánh giá bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH).

Từ khóa: Dầm thép đôi, liên kết ngang, phần tử hữu hạn.

Abstract: This paper presents the results of a study on influence of beam cross-frame to the stability for I-gider system underr erection. Which, the influence of the parameters of cross-frame systems: The location, structure, hardness, the number of cross-frame systems to behavior of  I-GIRDER  in  stage of construction is analyzed, evaluated using of finite Element method.

Keywords: Double steel beams, cross-linked, finite element.

1. Mở đầu

Kết cấu nhịp cầu thép được sử dụng từ lâu và ngày càng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới. Ở Việt Nam, có thể kể đến nhiều cây cầu nổi tiếng sử dụng kết cấu nhịp cầu thép như: Cầu Long Biên, cầu Tràng Tiền, cầu Chương Dương, cầu sông Hàn, cầu Đuống… Trong tương lai, kết cấu nhịp cầu thép sẽ ngày càng được sử dụng rộng rãi hơn nữa do những ưu điểm nổi bật của nó [1,2]. Hiện nay, việc lựa chọn kết cấu nhịp dầm thép ngày càng được chú trọng đặc biệt cho các cầu khu vực đô thị do những ưu điểm của nó như thi công nhanh, kết cấu thanh mảnh, dễ tháo dỡ… Trong đó, cầu dầm thép hai dầm chủ (cầu dầm thép đôi) là một trong những dạng kết cấu được ứng dụng tương đối phổ biến trong cầu thép.Tuy nhiên, việc tính toán, thiết kế, thi công cầu dầm thép nói chung và cầu dầm thép đôi nói riêng cũng còn tồn tại nhiêu vấn đề cần được giải quyết. Kết cấu dầm thép thông thường được thi công theo trình tự: Chế tạo các đoạn dầm trong nhà máy, vận chuyển ra công trường lắp ghép, cẩu lắp các dầm chủ gác lên mố, trụ cầu, liên kết, lắp đặt các hệ liên kết giữa các dầm chủ, đổ bê tông mặt cầu [1,2].

Trong giai đoạn thi công cầu dầm thép tiềm ẩn nhiều rủi ro vì kết cấu trong giai đoạn này chưa có đầy đủ tất cả các bộ phận, chi tiết, khả năng chịu lực là chưa hoàn chỉnh. Hơn nữa, trong giai đoạn thi công, sơ đồ kết cấu, sơ đồ tải trọng (thi công) luôn luôn thay đổi. Do vậy, trạng thái chịu lực của kết cấu cũng thay đổi theo từng giai đoạn thi công. Vì vậy, các ứng xử của dầm thép trong giai đoạn thi công cần phải đặc biệt chú ý. Bài báo tập trung phân tích khả năng mất ổn định tổng thể của dầm thép mặt cắt I trong giai đoạn này dưới tác dụng của tải trọng thi công [3].

2. Cấu tạo và yêu cầu của hệ liên kết ngang

Hệ liên kết ngang trong cầu dầm thép có vai trò chủ yếu là để liên kết các dầm chủ, phân phối điều hòa tải trọng cho các dầm. Hệ liên kết ngang thường được cấu tạo hai dạng chính là hệ thanh hoặc dầm đặc, tùy thuộc vào khoảng các dầm chủ mà có thể cấu tạo khác nhau [1,2,3].

Hình 2.1: Cấu tạo một số dạng hệ liên kết ngang dầm thép

 

Các bộ phận của liên kết ngang phải đảm bảo điều kiện độ mảnh để truyền được tải trọng ngang [2], cụ thể là: Với các bộ phận chịu kéo: L/r £ 240; với các bộ phận chịu nén: K.L/r£140. Trong đó: L - Chiều dài khung giằng (mm); r - Bán kính quán tính nhỏ nhất (mm); K - Hệ số chiều dài hiệu dụng (với liên kết hàn ở hai đầu thì K = 0,75; với liên kết chốt ở hai đầu thì K = 0,875).

3. Khả năng ổn định của hệ thống dầm đôi

 Hầu hết các nghiên cứu về ổn định của cầu dầm thép đều nhấn mạnh đến khả năng làm việc và khả năng chịu tải trọng của từng dầm đơn bên trong hệ thống dầm [4]. Hai nhà nghiên cứu Yura và Widianto [5] đã chỉ ra rằng, khả năng ổn định chịu xoắn của dầm phụ thuộc chặt chẽ vào khoảng cách giữa hai dầm chủ, vào chiều nhịp, độ cứng của hệ liên kết ngang và vật liệu thép sử dụng. Công thức xác định khả năng chịu xoắn của dầm trong hệ thống dầm đôi giản đơn như sau thường được sử dụng [5] :

 

              (1)

 

Trong đó:      

- C_b - Hệ số điều chỉnh mô-men xoắn;

- S -  Khoảng cách giữa hai dầm chủ;

- E - Mô-đun đàn hồi của vật liệu;

- L - Chiều dài của dầm thép;

- I_x,I_y - Mô-men quán tính của mặt cắt với trục Ox và Oy. 

Bên cạnh việc xác định được mô-men chống xoắn cho dầm, Yura cũng đã tìm ra được chiều dài lớn nhất của dầm đơn để đảm bảo ổn định tổng thể cho dầm [5]:

 

      (2)

 

Trong đó:

- W_d - Tải trọng bản thân dầm.

4. Phân tích ảnh hưởng của hệ liên kết ngang đến khả năng ổn định của dầm thép bằng phương pháp PTHH

Trong mô hình này thì hệ liên kết ngang và sườn dầm được mô hình hóa là phần tử thanh, còn hai bản cánh dầm được mô hình hóa là phần tử tấm [6,7]. Mô hình hóa hệ liên kết ngang: Tùy thuộc vào cấu tạo hệ liên kết ngang mà lựa chọn mô hình phù hợp, với hệ liên kết ngang hệ thanh, môt hình như Hình 4.1 thường được sử dụng [6,7]. Mô hình tải trọng và liên kết gối cứng được sử dụng như trong Hình 4.2.

Hình 4.1: Mô hình hóa hệ liên kết ngang

 

Hình 4.2: Mô hình hóa gối và tải trọng

 

Lựa chọn các thông số mô hình phân tích:

Bài báo lựa chọn mô hình hóa cho trường hợp cầu dầm thép hai dầm chủ, nhịp giản đơn, hệ liên kết ngang dưới dạng hệ thanh. Tải trọng tác dụng là trọng lượng bản thân và tải trọng thi công rải đều (trọng lượng bản mặt cầu, tải trọng thi công). Để xét ảnh hưởng của nhiều tham số ảnh hưởng, một số mô hình PTHH đã được phân tích.

Các hệ thống dầm đôi cùng với các yếu tố kích thước được khảo sát, phân tích ở nhiều trường hợp kết cấu đề xuất. Bản cánh dầm thay đổi từ 305×25mm đến 914×38mm và bản sườn từ 1270×13 đến 2400×17mm. Khoảng cách của dầm từ 1,83 đến 4,27m. Nhịp dầm L gần bằng Lmax (>90% ở tất cả các trường hợp. Ba loại hệ liên kết ngang thép được sử dụng (thép góc): L26 × 26 × 5 (A = 767mm²), L152 × 152 × 13 (A =  2.1×10⁴ mm²), L203 × 203 × 22 (A = 1.1×10³ mm²)] để khảo sát ảnh hưởng của độ cứng khung giằng ngang đến khả năng oằn xoắn/ngang của các hệ thống dầm đôi, bởi vì nếu như khoảng cách dầm cố định thì độ cứng của khung giằng ngang phụ thuộc chính vào hệ liên kết ngang. Ngoài ra, hệ thống dầm đôi được lắp 2,3, 4 và 9 hệ liên kết ngang để khảo sát những ảnh hưởng của khoảng cách, số lượng hệ liên kết ngang đến khả năng oằn xoắn ngang của các hệ thống.

Vật liệu thép là M270, mô-đun đàn hồi là 2,1GPa, và hệ số Poisson ( hệ số biến dạng ngang) là 0,30. Tải trọng thi công rải đều được giả thiết giá trị gấp 1,5 lần trọng tải của dầm (1,5Wsteel). Nghiên cứu sử dụng phần mềm ABAQUS để mô hình hóa cho hệ thống dầm đôi và tiến hành phân tích và lấy số liệu về độ oằn của dầm dưới tác dụng của tải trọng thi công. Trong mỗi mô hình PTHH, mô-men giới hạn M_FEA được xác định, qua đó so sánh tương đối với mô-men giới hạn theo công thức của Yura (công thức (1)).

5. Kết quả phân tích

Phân tích oằn xoắn đã được tiến hành trên các nhóm các mô hình hai dầm với một tải bên ngoài 1,5 lần trọng lượng bản thân. Số lượng liên kết ngang quyết định đến khoảng cách giữa chúng. Nơi chuyển ngang lớn nhất xảy ra tại giữa nhịp, như thể hiện trong hình dưới (Hình 5.1):

Hình 5.1: Độ oằn xoắn của hệ thống dầm đôi trong mô hình PTHH

 

Ảnh hưởng của kích thước bản cánh dầm chủ: Tất cả các kết quả FEA (trong mô hình PTHH)  là nhỏ hơn so với giải pháp lý thuyết của Yura (M_FEA/Mg <100%).

Hình 5.2: Ảnh hưởng của kích thước bản cánh dầm thép đến khả năng ổn định của dầm

 

Ảnh hưởng của khoảng cách hệ liên kết ngang: Theo kết quả của nhà nghiên cứu Yura kết hợp với các kết quả thu được từ việc tính toán hệ liên kết ngang bằng phương pháp PTHH thì khoảng cách giữa các liên kết ngang được khuyến cáo phải có ít nhất 2 hệ liên kết ngang hoặc khoảng cách giữa các hệ liên kết ngang < 25% L_max  để đảm bảo khả năng ổn định của đôi dầm. Kết quả đó được thể hiện bằng biểu đồ sau:

Hình 5.3: Ảnh hưởng của khoảng cách hệ liên kết ngang lên hệ thống dầm

 

Ảnh hưởng của diện tích hệ liên kết ngang: Từ kết quả mô hình tính toán hệ liên kết ngang, ảnh hưởng của tiết diện hệ liên kết ngang được thể hiện qua biểu đồ dưới đây: Biểu đồ trên chỉ tính cho hệ 2 giằng ngang. Với hệ 3, 4, 9 giằng ngang làm tương tự.

Theo kết quả phân tích ở trên ta thấy tiết diện của hệ liên kết ngang có ảnh hưởng không đáng kể đến khả năng khả năng ổn định của hệ thống đôi dầm.

Hình 5.4: Ảnh hưởng của diện tích mặt cắt ngang hệ liên kết đến khả năng ổn định của hệ dầm

 

Ảnh hưởng của độ cứng hệ liên kết ngang:

Độ cứng của hệ liên kết ngang được xác định bằng công thức:

 

 

 

 

 

 

 

 

Ảnh hưởng của độ cứng của hệ liên kết ngang được thể hiện qua biểu đồ sau:

Hình 5.5: Ảnh hưởng của độ cứng hệ liên kết ngang đến khả năng ổn định của dầm

 

6. Kết luận và kiến nghị

Việc tính toán ảnh hưởng của hệ liên kết ngang đến khả năng ổn định của hệ thống dầm đôi được tiến hành trên sự thay đổi của các tham số. Qua kết quả thống kê, ta có các kết luận sau:

- Kích thước dầm ngang ảnh hưởng không đáng kể so với độ cứng đến khả năng chống xoắn và chống uốn của đôi dầm.

- Hệ thống dầm đôi sẽ có khả năng chống uốn ít nhất bằng 91% theo công thức của Yura với 3 hoặc nhiều hơn 3 dầm ngang, nhưng chỉ còn từ 70 - 83% theo công thức của Yura nếu chỉ có 2 dầm ngang.

- Với hệ thống dầm đôi, chiều dài nhịp phải nhỏ hơn L_max, nếu không hệ thống sẽ mất ổn định ngay cả với các khoảng cách tốt nhất và độ cứng tốt nhất của dầm ngang.

- Đối với hệ thống dầm đôi  trong quá trình thi công, ít nhất phải có 2 dầm ngang để ổn định, khi chiều dài nhịp gần L_max.

- L > 95% L_max thì cần ít nhất phải 3 dầm trở lên.

- Khoảng cách tối đa giữa các dầm ngang là 25% L_max o

Tài liệu tham khảo

[1]. PGS. TS. Trần Đức Nhiệm, Bài giảng Cầu thép phần 1, phần 2.

[2]. Tiêu chuẩn thiết kế cầu, 22 TCN 272-05.

[3]. Steel Bridge Design Handbook - Bracing System Design, 2012.

[4]. Coffelt, Sean Justin (2010), Stability Analysis of Single and Double Steel Girders during Construction.

[5]. Yura, J. A., and J. A. Widianto (2005), Lateral Buckling and Bracing of Beams: A Re-evaluation After the Marcy Bridge Collapse, Proc. Structural Stability Research Council, Montreal, pp. 277-294.

[6]. Trường Đại học GTVT (2009), Luận văn Thạc sỹ - Nguyễn Văn Vĩnh, Lớp Cao học Xây dựng cầu hầm, khóa 13.

[7]. Trường Đại học GTVT (2010), Luận văn Thạc sỹ - Nguyễn Hữu Thuấn, Lớp Cao học Xây dựng cầu hầm, khóa 14.

[8]. V-Load Analysis (1984), In USS Highway structures Design Handbook, Vol 1, AISC Marketing, Int., Chicago, IL, Chap 12, 1-56.

[9]. Guide Specification for Horizontally Curved Highway Bridges - American Association of state Highway and Transporttation Officials 444 North Capitol Street, N.W., Suite 249 Washington, D.C 2001.