Tính toán thiết kế cầu dây văng một mặt phẳng dây nhịp cong có xét ảnh hưởng của co ngót, từ biến

ª Đặng Xuân Bình ª Nguyễn Văn Duẫn ª Thái Văn Ngãi ª Nguyễn Bá Ngọ ª ThS. Nguyễn Hoàng Vĩnh ª PGS. TS. Hoàng Phương Hoa Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng Người phản biện: TS. Huỳnh Minh Sơn TS. Trần Đình Quảng

Tóm tắt: Nghiên cứu trình bày các kết quả nghiên cứu về lý thuyết tính toán ảnh hưởng của co ngót từ biến trong kết cấu cầu dây văng một mặt phẳng dây nhịp cong. Trong đó, các tác giả nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót từ biến đến các giai đoạn khai thác và thi công; sự thay đổi nội lực do co ngót từ biến khi thay đổi thời gian thi công. Ngoài ra, bài báo còn xét đến ảnh hưởng của co ngót từ biến trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng một mặt phẳng dây.

Từ khóa: Co ngót, từ biến, cầu dây văng, kết cấu nhịp cong.

Abstract: This research presents the theoretical calculation of creep shrinkage in curved one-plane cable stayed bridge structure. The issues have been studied in the research are: effect of creep shrinkage on operation period and construction phrases; the variety of internal force due to creep shrinkage at every phase of construction. Moreover, this research also analyzes the effect of creep and shrinkage on adjusting the internal force of curved one-plane cable stayed bridge structure.

Keywords: Shrinkage, creep, cable-stayed bridge, span’s curved structure.

1. Đặt vấn đề

Hiện nay, kết cấu cầu cong được xây dựng nhiều trong hệ thống nút giao thông vì tính thẩm mỹ cao của kết cấu. Việc áp dụng kết cấu nhịp cong vào cầu dây văng là một bước đột phá để tăng thêm tính thẩm mỹ của cầu, khi xây dựng xong cây cầu trở thành điểm nhấn tại nơi nó được xây dựng [1, 3, 4, 5 và 6] (Hình 1.1).

Hình 1.1: Cầu Octavio-Brazil

Tuy nhiên, đối với loại cầu này, hiện tượng co ngót, từ biến làm xuất hiện các biến dạng trong cấu kiện bê tông, việc cản trở các biến dạng này trong kết cấu làm xuất hiện nội lực thứ cấp. Ngoài ra, yếu tố thời gian ảnh hưởng rất lớn đến hiện tượng co ngót, từ biến này. Thông thường, khi tính toán, người thiết kế thường bỏ qua hay xem sự ảnh hưởng của nó là không đáng kể. Thực tế thi công đối với các cầu nhịp lớn cho thấy, nếu tiết diện lớn thì hiện tượng này sẽ làm phân bố lại mô-men trong kết cấu. Đối với cầu dây văng một mặt phẳng dây, dầm cong thì ảnh hưởng của nó lớn đến mức chúng ta không thể bỏ qua, việc phân bố lại mô-men trong dầm làm thay đổi lực căng dây văng, đây là phần quan trọng nhất khi tính toán cầu dây văng.

Bài báo tập trung nghiên cứu thiết kế công trình cầu dây văng dầm cong, một mặt phẳng dây có xét đến ảnh hưởng của hiện tượng co ngót và từ biến trong bê tông.

2. Co ngót và từ biến trong bê tông

2.1. Co ngót của bê tông

Co ngót là hiện tượng giảm thể tích khi nhiệt độ không đổi do nước bốc hơi sau khi bê tông khô cứng. Sự thay đổi thể tích theo thời gian này phụ thuộc vào lượng nước của bê tông tươi, loại xi măng, cốt liệu được dùng và điều kiện môi trường tại thời điểm đúc, quá trình bảo dưỡng, lượng cốt thép và tỉ lệ thể tích/diện tích bề mặt của bê tông. Co ngót có 2 loại: Co ngót dẻo và co ngót khô, co ngót dẻo xuất hiện trước, co ngót khô xuất hiện sau khi bê tông hoàn toàn ninh kết và các phản ứng hóa học đã hoàn thành.

Các yếu tố ảnh hưởng đến co ngót bao gồm:

- Thành phần hạt của cốt liệu trong bê tông;

- Tỷ lệ nước trên xi măng (N/X);

- Kích thước của kết cấu;

- Độ ẩm và nhiệt độ môi trường.

2.2. Từ biến của bê tông

Từ biến là hiện tượng tăng biến dạng theo thời gian khi tải trọng không đổi. Hiện tượng từ biến trong bê tông ảnh hưởng đến tương tác giữa các bộ phận kết cấu. Từ biến trong bê tông liên quan đến biến dạng theo thời gian trong các vùng của kết cấu chịu ứng suất nén thường xuyên. Từ biến phụ thuộc độ lớn và độ lâu dài của ứng suất nén, cường độ chịu nén và tuổi của bê tông khi chịu tác dụng lực lâu dài.

Khi kết cấu chịu tải trọng, ở thời điểm chất tải trong kết cấu sẽ phát sinh biến dạng tức thời theo chiều của ứng suất  ` ` ₀  = ` ` ₀   / E₀   . Khi tải trọng tiếp tục được duy trì thì biến dạng sẽ tăng thêm và ε₀ được gọi là biến dạng từ biến.

Nếu gia tải đến một thời điểm t = t₁, dỡ tải ra khỏi kết cấu thì biến dạng đàn hồi sẽ phục hồi ngay và biến dạng từ biến có một phần phục hồi theo thời gian ε_v (biến dạng đàn hồi sau) và một phần biến dạng không có khả năng phục hồi ε_f. Như vậy, biến dạng của từ biến ε_c=ε_v + ε_f. Các yếu tố ảnh hưởng đến từ biến có thể kể ra như sau:

- Tuổi của bê tông khi chất tải;

- Thành phần cấp phối của bê tông;

- Độ ẩm và nhiệt độ môi trường;

- Kích thước của cấu kiện;

- Trạng thái ứng suất;

- Thời gian tác dụng của tải trọng.

Từ biến và co ngót quan hệ chặt chẽ với nhau, theo quy luật chung: Bê tông chịu co ngót tốt thì chịu từ biến cũng tốt vì cả hai hiện tượng này đều liên quan đến hiện tượng thủy hóa vữa xi măng và các yếu tố ảnh hưởng khác.

Đối với kết cấu siêu tĩnh thì từ biến sẽ làm cho nội lực phân bố lại, do đó sẽ gây ra nội lực thứ cấp.

3. Tiêu chuẩn thiết kế theo CEB-FIP-90 (Comite EURO-International du Beton) [1]

Tổng biến dạng tại thời điểm t, ε_c(t) của các cấu kiện bê tông chịu lực không đúng tâm tại thời điểm t₀ với ứng suất không đổi và ε(t₀) có thể được mô tả như sau:

     ε_c(t)=ε_ci(t₀)+ε_cc(t)+ε_cT(t) +ε_cs(t)  (1)

Trong đó: ε_ci(t₀) - Biến dạng ban đầu khi chất tải; ε_cc(t) - Biến dạng do từ biến tại thời điểm t > t_o; ε_cs(t) - Biến dạng do co ngót; ε_cT(t) - Biến dạng do nhiệt độ.

3.1. Từ biến của bê tông

Hệ số từ biến được xác định theo công thức:

                     

 

3.2. Co ngót của bê tông

Tổng biến dạng do co ngót bê tông được tính theo công thức:                                                                    

 

4. Nội dụng nghiên cứu

4.1. Ảnh hưởng của co ngót từ biến đến các giai đoạn khai thác và thi công

Đối với cầu thi công theo công nghệ đúc hẫng cân bằng sơ đồ làm việc ở giai đoạn thi công khác với giai đoạn khai thác. Vì thế, ảnh hưởng của co ngót và từ biến cũng thay đổi theo, để biết quy luật phát triển của co ngót và từ biến theo thời gian, nhóm nghiên cứu sẽ phân tích tại 2 mốc thời gian:

- Bắt đầu thi công dầm đến hoàn thành cầu 182 ngày;

- Giai đoạn hoàn thành cầu đến 10.000 ngày.

4.2. Sự thay đổi nội lực do co ngót từ biến khi thay đổi thời gian thi công

Đặc điểm của co ngót và từ biến là phát triển theo thời gian, đặc biệt là trong quá trình thi công. Do đó, việc khống chế thời gian thi công từng đốt trong công nghệ đúc hẫng sẽ dẫn đến các kết quả khác nhau về nội lực.

4.3. Ảnh hưởng của co ngót từ biến trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng

Khi xét đến ảnh hưởng của co ngót và từ biến thì kết cấu sẽ phân bố lại nội lực. Do đó, việc điều chỉnh nội lực cầu dây văng sẽ kể đến nội lực do co ngót, từ biến gây ra.

5. Mô hình hóa và kết quả tính toán

5.1. Mô hình hóa kết cấu [2]

Hình 5.1: Mô hình hóa cầu bằng Midas/Civil

 

Bảng 5.1. Các thông số cơ bản của cầu

Hình 5.2: Mặt cắt ngang dầm hộp

5.2. Kết quả tính toán

5.2.1. Giai đoạn bắt đầu thi công kết cấu nhịp đến hoàn thành cầu

5.2.1.1. Khảo sát mô-men uốn do từ biến theo thời gian

Hình 5.3: Mô-men uốn dầm do từ biến

 

Hình 5.4: Mô-men uốn dầm do từ biến theo thời gian

 

5.2.1.2. Khảo sát mô-men xoắn do từ biến theo thời gian

Hình 5.5: Mô-men xoắn dầm do từ biến

 

Hình 5.6: Mô-men xoắn dầm do từ biến theo thời gian

 

5.2.1.3. Khảo sát mô-men uốn do co ngót theo thời gian

Hình 5.7: Mô-men uốn dầm do co ngót

 

Hình 5.8: Mô-men uốn dầm do co ngót theo thời gian

 

5.2.1.4. Khảo sát mô-men xoắn do co ngót theo thời gian

Hình 5.9: Mô-men xoắn dầm do co ngót

 

Hình 5.10: Mô-men xoắn dầm do co ngót theo thời gian

 

5.2.2. Giai đoạn hoàn thành cầu đến 10.000 ngày

5.2.2.1. Khảo sát mô-men uốn do từ biến theo thời gian

Hình 5.11: Mô-men uốn dầm do từ biến

 

Hình 5.12: Mô-men uốn dầm do từ biến theo thời gian

 

5.2.2.2. Khảo sát mô-men xoắn do từ biến theo thời gian

Hình 5.13: Mô-men xoắn dầm do từ biến

 

Hình 5.14: Mô-men xoắn dầm do từ biến theo thời gian

 

5.2.2.3. Khảo sát mô-men uốn do co ngót theo thời gian

Hình 5.15: Mô-men uốn dầm do co ngót

 

Hình 5.16: Mô-men uốn dầm do co ngót theo thời gian

 

5.2.2.4. Khảo sát mô-men xoắn do co ngót theo thời gian

Hình 5.17: Mô-men xoắn dầm do co ngót

 

Hình 5.18: Mô-men xoắn do co ngót theo thời gian

 Nhận xét:

- Giá trị mô-men do từ biến lớn hơn nhiều so với giá trị mô-men do co ngót, do đó biến dạng do từ biến luôn lớn hơn co ngót tại mọi thời điểm.

- Ở quá trình thi công, khi thi công xong, đốt K26 sơ đồ làm việc của kết cấu thay đổi bậc - siêu tĩnh của kết cấu tăng lên (ngàm tại K0 được loại bỏ và thêm vào là 2 gối di dộng, 1 gối cố định), đối với mô-men uốn thì giá trị mô-men do từ biến và do co ngót đều không có sự thay đổi đáng kể. Nhưng đối với mô-men xoắn thì giá trị mô-men do từ biến và do co ngót có sự thay đổi lớn. Do đó, nội lực do co ngót và từ biến được quyết định bởi sơ đồ kết cấu, cụ thể là bậc siêu tĩnh của cầu.

5.2.3. Sự thay đổi nội lực do co ngót, từ biến khi thay đổi thời gian thi công

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì mô-men uốn do từ biến tăng từ 3% đến 5%.

Hình 5.19: Đồ thị biểu diễn mô-men uốn do từ biến tại một số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

 

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì mô-men xoắn do từ biến tăng từ 2,5% đến 5,5%.

Hình 5.20: Đồ thị biểu diễn mô-men xoắn  do từ biến tại một số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

 

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì mô-men uốn do co ngót giảm từ 17% đến 10%.

Hình 5.21: Đồ thị biểu diễn mô-men uốn do co ngót tại một số tiết diện khi thời gian thi công các đốt 5, 6, 7 ngày

 

Khi thời gian thi công các đốt thay đổi từ 5 đến 7 ngày thì mô-men xoắn do co ngót giảm từ 25% đến 10%.

5.2.4. Ảnh hưởng của co ngót từ biến trong điều chỉnh nội lực cầu dây văng [5,6]

Hình 5.22: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng dây số 1 đến dây 20

 

Hình 5.23: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng số 21 đến dây 40

 

Hình 5.24: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng số 41 đến dây 51

Bảng 5.2. Sự thay đổi của lực căng cáp dây văng khi xét đến co ngót từ biến

Hình 5.24: Đồ thị thể hiện lực căng dây văng số 41 đến dây 51

 

Nhận xét:

Lực căng cáp dây văng khi xét đến ảnh hưởng của co ngót và từ biến có sự thay đổi lớn, cụ thể ở Bảng 5.2. Lực căng cáp có thể nhỏ hơn hoặc lớn hơn lực căng ban đầu, do đó thấy rõ tầm quan trọng của co ngót từ biến trong tính toán cầu dây văng.

6. Kết luận

Trong phạm vi nghiên cứu của nhóm tác giả đã rút ra một số kết luận như sau:

- Nghiên cứu ảnh hưởng của co ngót và từ biến trongcác giai đoạn thi công và giai đoạn khai thác: Sự thay đổi sơ đồ làm việc dẫn đến sự thay đổi nội lực do co ngót, từ biến.

-Khảo sát ảnh hưởng của thời gian thi công đến nội lực thứ cấp, cụ thể là mô-men do từ biến sẽ tăng từ 3% - 5% khi thời gian thi công từng đốt tăng, ngược lại mô-men do co ngót lại giảm từ 25% - 17%.

- Ảnh hưởng của co ngót và từ biến trong việc điều chỉnh lực căng cáp trong dây văng là rất lớn. Các dây văng gần trụ thay đổi từ 0% - 3%; các dây ở giữa nhịp thay đổi từ 4% - 41%; ở gần mố thay đổi từ 0% - 2% .

 Tài liệu tham khảo

[1]. CEB-FIP Model Code Comite EURO - International du Beton, Design Code, 1990.

[2]. Ngô Đăng Quang (2012), Mô hình hóa và phân tích kết cấu cầu với Midas/Civil, tập 1 và 2, NXB. Xây dựng.

[3]. Đoàn Như Hoạt (2013), Ảnh hưởng co ngót, từ biến của bê tông trong tính toán kết cấu liên cong cầu dẫn Thuận Phước - TP. Đà Nẵng, Luận văn Cao học, Trường Đại học Đà Nẵng.

[4]. Hoàng Phương Hoa (2015), Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng thứ cấp đến giá trị nội lực kết cấu cầu cong bằng bê tông cốt thép, Tạp chí Khoa học và Công nghệ Đại học Đà Nẵng, ISSN 1859-1531, 1(86), trang 52-57.

[5]. Quy trình thiết kế cầu theo trạng thái giới hạn 22TCN 272-05 AASHTO-LRFD, 2005.

[6]. Hoàng Phương Hoa (1998), Nghiên cứu cầu dây văng chịu tải và điều chỉnh nội lực khi thi công cầu, Luận văn Thạc sỹ  kỹ thuật, Trường Đại học Xây dựng Hà Nội.