Phân tích ứng xử của cầu dầm liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian

PGS. TS. Nguyễn Thị Tuyết Trinh ª KS. Mạc Văn Hà Trường Đại học Giao thông vận tải Người phản biện: GS. TS. Nguyễn Viết Trung TS. Đào Duy Lâm

Tóm tắt: Kết cấu cầu dầm thép liên hợp bản bê tông cốt thép áp dụng thích hợp cho đô thị nhờ có nhiều ưu điểm như độ bền cao, trọng lượng nhẹ, thi công nhanh… Tuy nhiên, nếu loại kết cấu dầm thép liên hợp này giản lược đi các bộ phận kết cấu như sườn tăng cường, hệ liên kết dọc, hệ liên kết ngang... thì công tác chế tạo, thi công cũng như duy tu bảo dưỡng kết cấu sẽ đơn giản hơn rất nhiều. Bài báo trình bày tóm tắt kết quả nghiên cứu, phân tích ứng xử của loại kết cấu cầu dầm thép liên hợp không sử dụng dầm ngang trung gian, sườn tăng cường và hệ liên kết dọc nhằm xác nhận tính khả thi của một loại hình kết cấu cầu dầm liên hợp kiểu mới áp dụng cho các công trình cầu trong đô thị Việt Nam.

Từ khóa: Cầu dầm liên hợp, dầm ngang trung gian, thi công nhanh.

Abstract: The composite steel girder bridge structure applies appropriate for urban due to many advantages such as high strength, lightweight, rapid construction…. However, if this type of composite steel girder structure reduces structural parts such as stiffener, longitudinal bracing system, horizontal bracing system, etc, its fabrication, construction as well as maintenance works would be simpler much more. The paper summaries results of research, behavior analysis of composite steel girder bridge structure type without using intermediate cross-beam, stiffener and longitudinal bracing system to confirm the feasibility of a new composite girder bridge structure type applies to urban bridges in Vietnam. 

Keywords: Bridge conjugate beam, intermediate beam, rapid construction.

1. Giới thiệu

Cầu dầm I Panel - một loại cầu dầm I liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian được sử dụng khá phổ biến trong những năm gần đây ở Nhật Bản như các cầu: Kimitsu, Tosu, Shimohagi… Đây là một loại cầu không bố trí dầm ngang trung gian, chỉ bố trí dầm ngang ở hai đầu dầm chủ tại vị trí mố và trụ, dầm ngang được kê trực tiếp lên gối và liên kết với dầm chủ. Để tăng cường độ cứng cho dầm ngang, trên dầm ngang có thể bố trí thêm các sườn tăng cường đứng. Ngoài ra, để tăng thêm khả năng chịu lực cắt cục bộ tại vị trí gối, có thể đổ bê tông bao bọc xung quanh dầm ngang (Hình 1.1).

Hình 1.1: Cầu dầm I liên hợp kiểu mới

Trong cầu dầm I liên hợp kiểu mới, dầm chủ không bố trí sườn tăng cường. Độ cứng của dầm chủ được tăng cường bằng bản thép liên kết hàn trực tiếp với các dầm chủ thành từng “bộ dầm”.

Bản mặt cầu BTCT liên hợp với “bộ dầm” gồm dầm chủ và bản thép qua các thanh neo thép chữ I. Nhờ có bản thép tăng cường, bản mặt cầu BTCT của dầm I liên hợp kiểu mới có chiều dày nhỏ hơn so với dầm I liên hợp kiểu truyền thống.

Trong cầu dầm I liên hợp kiểu mới, do không phải dầm chủ mà là dầm ngang đặt trên gối nên thông thường số lượng gối chỉ bằng một nửa số lượng dầm chủ (Hình 1.2).

Hình 1.2: Cấu tạo cầu dầm I liên hợp kiểu mới

Tuy nhiên, việc bỏ đi dầm ngang và các sườn tăng cường cho dầm chủ làm cho người thiết kế lo ngại đến các vấn đề liên quan đến độ cứng của dầm. Mục 2 và 3 dưới đây trình bày tóm tắt kết quả phân tích ứng xử của dầm bao gồm mô-men, chuyển vị và dao động để xác nhận các tính năng, đồng thời xác nhận khả năng làm việc và độ cứng của kết cấu dầm liên hợp kiểu mới này khi không có dầm ngang trung gian và sườn tăng cường.

2. Đặc điểm làm việc của kết cấu cầu dầm I liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian

Khi kết cấu cầu làm việc, tải trọng được truyền xuống bản mặt cầu bê tông, sau đó truyền xuống bản thép. Nhờ sự hỗ trợ của bản thép này, tải trọng được truyền đều tới các dầm chủ, sau đó từ các dầm chủ tải trọng được truyền xuống dầm ngang phía hai đầu dầm chủ và truyền xuống các gối.

Ở cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống, tải trọng tác dụng lên bản mặt cầu sẽ được truyền toàn bộ vào các dầm chủ. Tuy nhiên, ở cầu dầm I liên hợp kiểu mới, một phần tải trọng sẽ được truyền trực tiếp vào dầm ngang nhờ khối bê tông bao quanh dầm ngang, do đó tải trọng truyền vào dầm chủ sẽ được giảm xuống (Hình 2.1). Nếu so sánh với cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống, dầm I liên hợp kiểu mới sẽ có kích thước nhỏ hơn, điều này đặc biệt có tác dụng với việc giảm tịnh không dưới cầu, thích hợp áp dụng trong các khu vực chật hẹp như cầu trong đô thị hay cầu tại các nút giao khác mức nhiều tầng.

Hình 2.1: Dầm ngang trước khi liên hợp và sau khi liên hợp

Khối bê tông đổ tại vị trí dầm ngang có tác dụng trong việc truyền lực như đã phân tích ở trên, ngoài ra chúng có tác dụng đặc biệt khi cầu chịu lực cục bộ tại gối, tăng độ cứng cho dầm ngang và toàn bộ kết cấu. Khối bê tông này có tác dụng ngàm các dầm chủ lại với nhau thành một khối kết cấu liên hợp với độ cứng rất cao, tăng khả năng chống xoắn của cả hệ. Ngoài ra, khối bê tông này sẽ tạo ra một môi trường chống gỉ rất tốt, hạn chế được chi phí duy tu bảo dưỡng để đảm bảo độ bền của kết cấu. 

Khi chịu tải trọng, bản mặt cầu bê tông và bản thép đều bị uốn, nhờ tác dụng của thanh neo thép chữ I, bê tông bản mặt cầu được chia nhỏ thành các khoang giữa hai thanh neo thép chữ I và được khống chế cố định hai đầu, giúp ngăn bê tông biến dạng trong từng khoang nhỏ, tránh trượt dọc của bê tông. Nhờ vậy, chiều dày bản mặt cầu có thể lấy nhỏ hơn so với trong cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống. Các thanh neo thép chữ I hàn vào bản thép vừa làm neo liên hợp, vừa có tác dụng như các sườn tăng cường giúp tăng độ cứng của bản thép, bản thép được hàn vào các dầm chủ tạo thành một hệ các “bộ dầm” thống nhất, làm tăng độ cứng của cả hệ kết cấu.

3. Phân tích ứng xử của cầu dầm I liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian

3.1. Số liệu phân tích

Phân tích ứng xử của cầu dầm I liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian được thực hiện qua phân tích cho kết cấu cầu 5 nhịp liên tục. Để có thể hiểu rõ hơn ứng xử của dầm I liên hợp kiểu mới này, tiến hành phân tích so sánh với dầm I liên hợp kiểu truyền thống. Sơ đồ kết cấu cầu của hai loại dầm được bố trí như Hình 3.1, mặt cắt ngang cầu của hai loại dầm được bố trí như Hình 3.2 và 3.3. Trình tự thi công cầu dầm I liên hợp kiểu mới và kiểu truyền thống được trình bày ở Bảng 3.1.

Hình 3.2: Mặt cắt ngang cầu dầm I liên hợp kiểu mới

 

Hình 3.3: Mặt cắt ngang cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống

Bảng 3.1. Trình tự thi công cầu dầm I liên hợp kiểu mới và kiểu truyền thống

3.2. Phân tích ứng xử của dầm I liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian

Sử dụng phần mềm Midas Civil 2011để mô hình kết cấu theo sơ đồ 3D (Hình 3.4) và phân tích ứng xử của dầm I liên hợp kiểu mới.

a) - Mô hình tổng thể cầu                b) - Vị trí dầm ngang trên gối Hình 3.4: Mô hình 3D cầu dầm I liên hợp 5 nhịp không có dầm ngang trung gian

3.2.1. Phân tích mô-men uốn

Kết quả tính toán mô-men uốn của dầm I liên hợp  kiểu mới được thể hiện từ Hình 3.5 tới Hình 3.7 và Bảng 3.2.

a) - Cầu dầm I liên hợp kiểu mới;     b) - Cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống Hình 3.5: Biểu đồ mô-men giai đoạn trước khi liên hợp

 

a) - Cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống;              b) - Cầu dầm I liên hợp kiểu mới Hình 3.6: Biểu đồ mô-men giai đoạn sau khi liên hợp

Bảng 3.2. Kết quả tính toán mô-men uốn qua các giai đoạn thi công

 

Hình 3.7: Biểu đồ so sánh mô-men

Dựa trên kết quả tính toán theo các giai đoạn thi công từ CS1 tới CS8, giai đoạn trước khi liên hợp, giai đoạn sau khi liên hợp trên Bảng 3.2 và Hình 3.7, có thể đưa ra những nhận xét sau:

- Trong toàn bộ các giai đoạn thi công (từ giai đoạn thi công CS1 đến CS8), cầu dầm I liên hợp kiểu mới làm việc như dầm giản đơn có mô-men âm gần như bằng 0. Trong khi đó, cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống làm việc như dầm liên tục, cả mô-men âm và mô men dương đều lớn. Trong giai đoạn thi công CS7, giá trị mô-men dương và mô-men âm lớn nhất, có giá trị lần lượt là 905,5kN và 1212,8kN. Do đó, kích thước bản cánh trên của dầm I liên hợp kiểu mới sẽ không phải chọn tăng lên để thỏa mãn sơ đồ thi công mà chỉ chọn để thỏa mãn sơ đồ khai thác.

- Sau khi liên hợp, cầu dầm I liên hợp kiểu mới có mô-men âm và mô-men dương gần bằng nhau với giá trị lần lượt là 4.670,2kN và 4.706,5kN. Trong khi đó, cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống vẫn làm việc như dầm liên tục, có mô-men âm lớn hơn nhiều so với mô-men dương với giá trị lần lượt là 5.796,2kN và 3.701,8kN. Do đó, bê tông bản mặt cầu trong dầm I liên hợp kiểu mới làm việc hợp lý hơn, hạn chế được hiện tượng rạn nứt bản mặt cầu tại các vị trí trên trụ.

3.2.2. Phân tích chuyển vị

Phân tích chuyển vị của cầu dầm I liên hợp kiểu mới được thể hiện trên Hình 3.8, Hình 3.9 và Bảng 3.3.

a) - Cầu dầm I liên hợp kiểu mới;  b) - Cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống Hình 3.8: Kết quả phân tích chuyển vị do tĩnh tải

 Bảng 3.3. Bảng kết quả phân tích chuyển vị tại vị trí giữa nhịp thứ 3

Hình 3.9: Biểu đồ so sánh chuyển vị ngắn hạn

Dựa trên kết quả tính toán ở Bảng 3.3 và Hình 3.9, chuyển vị ngắn hạn của cầu dầm I liên hợp kiểu mới tại giữa nhịp thứ 3 là 21,0mm, lớn hơn 1,43 lần so với cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống là 14,69mm. Điều này là do chiều cao của dầm I liên hợp kiểu mới là 1.000mm, nhỏ hơn chiều cao của dầm I liên hợp kiểu truyền thống là 1.200mm. Tuy nhiên, giá trị chuyển vị này vẫn nằm trong giới hạn cho phép là 42,5mm theo Tiêu chuẩn Thiết kế cầu 22 TCN 272-05.

3.2.3. Phân tích dao động

Phân tích dao động cầu dầm I liên hợp kiểu mới được tính toán cho 10 mode dao động đầu tiên. Kết quả của các mode dao động có năng lượng lớn nhất theo phương dọc cầu, phương ngang cầu và phương thẳng đứng được thể hiện trên Hình 13, Hình 14 và Bảng 3.4.

a) - Cầu dầm I liên hợp kiểu mới;                b) - Cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống Hình 3.10: Kết quả phân tích dao động mode 1

Bảng 3.4. Bảng so sánh kết quả phân tích dao động

Hình 3.11: Biểu đồ so sánh tần số dao động riêng

Dựa trên kết quả tính toán dao động trên Bảng 3.4 và Hình 3.11, chu kỳ dao động riêng của tất cả các mode của cầu dầm I liên hợp kiểu mới nằm trong khoảng 0,45 - 0,60s, ngoài giới hạn nguy hiểm quy định trong Quy trình Kiểm định cầu trên đường ô tô 22TCN 243-98. Chu kỳ và tần số dao động riêng của mode dao động có năng lượng lớn nhất của hai loại cầu theo ba phương gần như tương đương nhau.

4. Kết luận

Cầu dầm I liên hợp kiểu mới đã lược bỏ đi dầm ngang trung gian và sườn tăng cường. Mặc dù vậy,  kết quả phân tích cho thấy, nhờ việc đưa vào một số kết cấu đặc biệt như khối bê tông bao quanh dầm ngang đầu dầm, bản thép tăng cường cho dầm chủ, thanh neo thép chữ I… mà chuyển vị, chu kỳ và tần số dao động riêng của cầu dầm I liên hợp kiểu mới này vẫn xấp xỉ bằng cầu dầm I liên hợp kiểu truyền thống và nằm trong phạm vi cho phép.

Việc đơn giản hóa kết cấu này sẽ làm rút ngắn thời gian chế tạo và thi công, giảm giá thành vật liệu và giá thành thi công công trình. Hơn nữa, trong quá trình khai thác, cầu dầm I liên hợp kiểu mới có mô-men âm và mô-men dương gần như bằng nhau, làm cho kết cấu làm việc hợp lý hơn, giảm hiện tượng nứt bản bê tông mặt cầu tại các vị trí trên trụ.

Dầm I liên hợp kiểu mới không có dầm ngang trung gian cần được nghiên cứu áp dụng cho các công trình cầu vượt trong đô thị, nơi có điều kiện thi công chật hẹp, yêu cầu thời gian thi công nhanh và tịnh không thông xe cao.

Tài liệu tham khảo

[1]. 22 TCN 243-98, Quy trình kiểm định cầu trên đường ô tô.

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

[3]. Nguyễn Viết Trung, Nguyễn Thị Tuyết Trinh (2009), Ví dụ tính toán cầu dầm liên hợp, NXB. Xây dựng, Hà Nội.

[4]. Ngô Đăng Quang, Trần Ngọc Linh, Nguyễn Trọng Nghĩa, Bùi Công Độ (2005), Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với Midas/Civil - Tập 1+2, NXB. Xây dựng, Hà Nội. 

[5]. Nguyễn Thị Tuyết Trinh, Nguyễn Viết Trung (2014), Cầu thép, NXB. Xây dựng.

[6]. Các tài liệu về Cầu dầm I - Panel của Tập đoàn Nippon Steel & Sumitomo Metal.